稻谷貯藏蛋白與米飯質(zhì)地研究

◎李興軍 韓 旭 王 昕

稻谷貯藏蛋白與米飯質(zhì)地研究

◎李興軍 韓 旭 王 昕

稻谷主要貯藏蛋白是米谷蛋白，占總蛋白含量的80%，醇溶蛋白占百分之幾。本文就稻谷貯藏蛋白的類型、穎果內(nèi)沉積、提取方法及理化定性進(jìn)行回顧與綜述，同時(shí)重點(diǎn)討論了貯藏蛋白影響大米糊化和米飯質(zhì)地的機(jī)理，提出稻谷貯藏蛋白研究的熱點(diǎn)方向。

稻谷 大米 谷蛋白 醇溶蛋白 蛋白質(zhì)組學(xué)

稻米是世界半數(shù)人口的大宗食物，主要提供能量和蛋白質(zhì)。與小麥比較，稻谷貯藏蛋白的功能特性近年研究有進(jìn)展。稻谷主要貯藏蛋白類似豆類和其它雙子葉植物的11S球蛋白 （legumins），醇溶性蛋白只是其微少的成分。稻谷貯藏蛋白基本是谷蛋白 （glutelin），屬于球蛋白家族，而小麥、大麥和黑麥?zhǔn)谴既艿鞍?，屬于麥醇溶蛋白家族[1]。貯藏蛋白質(zhì)之間共價(jià)和非共價(jià)相互作用引起結(jié)構(gòu)差異，導(dǎo)致大米水合的蛋白復(fù)合物的大小分布不同于小麥，稻谷中聚合蛋白成分與單聚物強(qiáng)烈相互作用，聚合物的鏈長小于小麥，米粉團(tuán)粘彈性質(zhì)量低于小麥，但是小麥質(zhì)量評價(jià)的面團(tuán)試驗(yàn)方法適合定性米粉團(tuán) （Gujral and Rosell 2004）。本文對稻谷貯藏蛋白的提取定性及功能研究進(jìn)展，以期對我國稻谷儲藏及加工有指導(dǎo)意義。

一、稻谷蛋白含量與貯藏蛋白類型

稻谷蛋白含量范圍在6%-9%，品種之間有差別。蛋白含量受氣候、農(nóng)藝條件所影響[2]。施用氮肥增加稻谷蛋白含量，在抽穗期噴灑硫酸銨溶液，蛋白含量從6%增加到10%；施用尿素，蛋白含量僅略增加[3]。稻谷蛋白質(zhì)在籽粒中分布不均勻，在麩皮和胚乳外周濃度較高，接近籽粒中心則含量減小。拋光的大米比糙米蛋白含量低，加工的大米還大約保持了原有蛋白的82%。

按照 Osborne對谷物貯藏蛋白分類方法，Cagampang等 (1966)對脫殼和拋光的3個(gè)稻谷品種蛋白 （含量6.8-8.5%）分析表明，水溶性蛋白（清蛋白）占總蛋白的3.8-8.8%，鹽溶性蛋白（球蛋白）占 9.6-10.8%，醇溶性蛋白占 2.6-3.3%，堿溶性蛋白 （谷蛋白）占66.1-78.0%。也常用變性劑SDS和還原劑 （DTT、2-ME）提取稻谷谷蛋白。稻谷谷蛋白氨基酸組成較醇溶蛋白平衡，醇溶蛋白缺乏賴氨酸和色氨酸。與其它谷物比較，稻谷谷蛋白含量雖低，卻是其品質(zhì)好于其它谷物。

有生物活性的稻谷清蛋白分子量范圍較寬，10-20 kDa（Juliano 1985）。球蛋白組由四類球蛋白α、β、γ、δ組成，表觀分子量范圍16-200 kDa[4]。醇溶蛋白在稻谷胚乳中的含量是 18-20%[5]。根據(jù)電泳遷移率，區(qū)分的稻谷醇溶蛋白的3種亞基表觀分子量分別是10、13和16 kDa（Ogawa等1987），只有亞基13 kDa在沒有還原劑的情況下溶解于乙醇，而含半胱氨酸多的其它兩種亞基能夠形成長的聚合物，溶解時(shí)需要還原（Hibino等1989）。

稻谷谷蛋白亞基能夠形成巨型的高分子復(fù)合物，被二硫鍵和疏水相互作用所穩(wěn)定 （Utsumi 1992）。除了氫鍵和二硫鍵外，大量的聚合作用（Sugimoto等1986）和糖基化作用 （Wen和Luthe 1985），導(dǎo)致稻谷聚合的谷蛋白層分不溶于水限[6]。稻谷谷蛋白以前體57 kDa多肽合成后，轉(zhuǎn)錄時(shí)切成兩種亞基α（酸性）和β（堿性）亞基，表觀分子量各是30-39和19-25 kDa（Juliano 1985）。這兩個(gè)亞基通過分子間二硫鍵共價(jià)連接在一起，導(dǎo)致谷蛋白分子量變化范圍64～500 kDa。這種高度有序的結(jié)構(gòu)解釋了稻谷谷蛋白缺乏功能特性。

至今鑒定了6個(gè)稻谷谷蛋白基因，按照核苷酸序列相似性將它們分為A-和B-型谷蛋白亞家族[7]。A-和B-型谷蛋白分別有8個(gè)和5個(gè)半胱氨酸殘基，其中4對半胱氨酸形成兩類二硫鍵，一類是α和β多肽之間形成分子內(nèi)二硫鍵，另一類是α多肽內(nèi)形成二硫鍵。

二、穎果內(nèi)貯藏蛋白定位

關(guān)于水稻貯藏蛋白在穎果內(nèi)積累，Kim等（1986）報(bào)道，水稻花后3-8天蛋白顯著積累，增加32、21、15 kDa條帶。Udaka等[8]報(bào)道，稻谷胚乳在花后5-7天積累谷蛋白，花后7-9天積累醇溶蛋白。SDS-PAGE分析表明，醇溶蛋白是15 kDa的單肽，谷蛋白兩個(gè)亞基α和β各是32和21kDa（Zhao等1983）。醇溶蛋白和谷蛋白的物理化學(xué)特性在古代水稻與現(xiàn)代水稻品種之間類似。不過，Udaka等 [8]觀察到醇溶蛋白類型對古水稻Kuro-mochi品種是15 kDa多肽，對古水稻Tsushimazairai品種包括15和13 kDa。Ogawa等[9]對紅粒稻米Nihonsakari品種觀察到醇溶蛋白三個(gè)亞基各是10、13、16 kDa。還需要分析醇溶蛋白是單聚物還是多聚物？

現(xiàn)有的稻谷醇溶蛋白的報(bào)道表明，這類蛋白許多特性如分子量、氨基酸序列等，不同于大多數(shù)其它谷物的醇溶蛋白。稻谷醇溶蛋白和谷蛋白在籽粒的不同蛋白體中沉積[10]。按照蛋白體來源，水稻有兩類蛋白體 （PB），內(nèi)質(zhì)網(wǎng)來源的PB-I含有醇溶蛋白，占大米總蛋白的20%；液胞PB-II含有谷蛋白和球蛋白，占總蛋白的60%。按照形狀，Bechtel和 Pomeranz （1978）鑒定了晶體型、小球形和大球形3種蛋白體。稻谷胚乳中心區(qū)域僅含有大球形蛋白體，整個(gè)胚乳組織無數(shù)小球形蛋白體，而大球形蛋白體最少。Tanaka等（1980）觀察到大球形蛋白體在透射電子顯微鏡下顯示離心環(huán)，它是醇溶蛋白和谷蛋白的沉積位點(diǎn)；小球形蛋白體內(nèi)基本上是谷蛋白，分布遍及淀粉胚乳。在蒸煮過程中蛋白體能夠保持原樣，大球形蛋白體對消化酶有抗性，降低了蛋白質(zhì)的消化率。這沒有成為一個(gè)營養(yǎng)問題，由于稻谷蛋白的生物價(jià)隨著蛋白消化率降低而增加，凈蛋白利用率與其它谷物蛋白接近，不消化的蛋白是一部分醇溶蛋白 （Tanaka等1978）。

稻谷胚乳中沒有發(fā)現(xiàn)基質(zhì)蛋白 （Harris and Juliano 1977），這是水稻區(qū)分于其它谷物種類。其它谷物中，大量的蛋白以顆粒之間的基質(zhì)形式存在。可解釋為，稻谷胚乳中蛋白體之間連接的蛋白微纖絲，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，在電子顯微鏡下難以觀察到。已經(jīng)鑒定了一個(gè)淀粉粒聯(lián)合的60 kDa蛋白，也叫蠟質(zhì)基因產(chǎn)物，包埋在淀粉顆粒中[11-12]。這個(gè)蛋白是淀粉合成酶 （GBSS），與直鏈淀粉含量相關(guān)。

三、稻谷貯藏蛋白提取方法、理化特性及氨基酸組成

（一）分離方法

廣泛研究了稻谷蛋白質(zhì)的提取。Shewry和Miflin （1985）認(rèn)為稻谷醇溶蛋白提取率，50%的丙醇>55%異丙醇>60-70%乙醇。Sugimoto等（1986）表明，5種醇水溶液中，55%丙醇提取水稻醇溶蛋白最有效。15 kDa亞基對應(yīng)醇水溶液提取的醇溶蛋白。Udaka等[8]采用4種醇的水溶液對5個(gè)古水稻品種和5個(gè)現(xiàn)代品種提取醇溶蛋白。55%丙醇提取最有效，提取3.3-7.8%的總蛋白。55%的叔丁基－丁醇提取2.6-4.9%的總蛋白。70%乙醇和60%的異丙醇提取稻谷醇溶蛋白最不高效。他們采用不同試劑提取稻谷谷蛋白，發(fā)現(xiàn)0.1%NaOH、2%SDS、2%SDS+0.5%2-ME、2% SDS+5M尿素+0.5%2-ME均能夠提取87%以上的谷蛋白，其中2%SDS+5 M尿素+0.5%2-ME對提取谷蛋白最有效，加入2-ME稍微提高。谷蛋白層分通常包含淀粉，在尿素存在下淀粉與谷物樣品發(fā)生凝膠化，導(dǎo)致谷蛋白難以提?。↗uliano和Boulter 1976）。

采用堿液溶解稻谷谷蛋白并加入巰基乙醇打破二硫鍵，或堿性提取緩沖液中加入6-8M尿素或0.5%SDS （Snow and Brooks 1989）。0.05%乙酸和5M尿素不能夠提取谷蛋白。8M尿素解離谷蛋白多肽不是特別有效。2%SDS加到10 mM Tris-HCl溶液 （pH 8.5）可以提取谷蛋白。

Van Der Borght等[14]對一個(gè)粳稻品種提取胚乳蛋白，2%SDS提取64%的蛋白，加入6 M尿素提取率達(dá)到79%。采用20-100 mM NaOH溶液，提取70-81%的蛋白。最佳的蛋白提取率2%SDS +6.M尿素+0.5-1.5%DTT。0.1%NaOH比2%SDS提取谷蛋白高效，但是引起蛋白降解。堿液提取期間谷蛋白構(gòu)象發(fā)生改變。在高濃度堿液，由于電荷排斥谷蛋白解離為亞基；蛋白質(zhì)被修飾導(dǎo)致解聚集、分子量減少而變得可溶 （Shewry and Miflin 1985,Hamada 1997）?？梢姡蛛x和溶解大米谷蛋白的高效方法還沒有建立。定性大米蛋白需要了解其溶解的分子基礎(chǔ)。

對米糠蛋白，強(qiáng)烈的解離溶液是0.1M乙酸+ 3.0 M 尿素+0.01 M 溴化十六烷基三甲基銨（CTAB），可提取蛋白67-94%[13]。

（二）理化特性

Li和 Okita （1988）從水稻品系M201分離的基因編碼15 kDa的醇溶蛋白。古水稻和現(xiàn)代水稻均具有 15 kDa的醇溶蛋白。 Horikoshi等（1991）電泳時(shí)表明，粳稻日本晴 15 kDa的醇溶蛋白 5個(gè)條帶的p I各是5.6、7.1、7.3、7.6和7.8。Ukada等 [8]對Akita-kura稻谷品種醇溶蛋白SDS-PAGE條帶純化，隨后二維電泳發(fā)現(xiàn)幾個(gè)條帶p I在5.5-6.5。古水稻和現(xiàn)代水稻的谷蛋白由兩個(gè)亞基α和β組成。谷蛋白的二維電泳表明，兩個(gè)21和32 kDa條帶分別是酸性和堿性多肽。古水稻黑粒和紅粒大米的總蛋白與兩種貯藏蛋白含量之間有相關(guān)性，醇溶蛋白回收率3.0%-7.8%，總蛋白則6.9%-11.4%；12個(gè)古水稻品種的醇/谷蛋白比率是4.9：78.1?，F(xiàn)代水稻與古水稻蛋白含量幾乎一樣。

采用凝膠過濾層析分析稻谷谷蛋白分子量分布，Tecson等 （1971）采用Sephadex G-200層析，還原和烷基化作用導(dǎo)致谷蛋白部分解離為亞基，獲得了完整谷蛋白1/10分子量的層分 （MW 65 kDa）。Villareal和Juliano (1978)在Ultrogel 44柱分離稻谷谷蛋白，效果不佳，在Ultrogel 34再次層析獲得均一的亞基。Snow和 Brooks (1989)采用Sepharose CL-6B凝膠過濾層析分離稻谷粗蛋白提取物，洗脫的4個(gè)層分沒有完全分辨，MW范圍較寬。將陰離子交換和凝膠過濾結(jié)合，Zarins和Chrastil(1992)分離了谷蛋白33、22、14 kDa三種亞基。Hamada等[13]在ShodexProtein WS-2003層析分離米糠蛋白，重復(fù)性好，測定了表觀分子量分布，深入層析和定性了單一多肽，但是沒有獲得分辨很好的峰。Katsube-Tanaka等[7]采用Sephacryl S-300HR分離低分子量聚合的谷蛋白。Van Der Borght等[14]采用Shodex Protein KW-80凝膠柱層析獲得6個(gè)峰。峰I、II是谷蛋白α和β亞基形成的二聚物、三聚物或高級聚合物；峰III是谷蛋白α和β亞基通過分子間二硫鍵形成的二聚物；峰IV和V分布是谷蛋白α和β亞基；峰VI含有低分子量的清蛋白、球蛋白及醇溶蛋白。高分子量谷蛋白聚合物在還原條件時(shí)發(fā)生部分解離?？傊ㄟ^凝膠過濾分離稻谷谷蛋白多肽，分離α和β亞基不高效。

綜上所述，采用不同的方法分析稻谷蛋白，分離的層分含有重疊的數(shù)量不同成分，而不是分離成為單一成分。采用還原劑如DTT、2-ME或化學(xué)試劑如SDS、尿素處理，改變谷蛋白的聚合行為，它們被分解成亞基，這些亞基通過SDSPAGE或者反向高效液相色譜進(jìn)行分離。完整的和還原稻谷蛋白分子量的分布采用粒度排阻色譜（SE-HPLC）定性。

（三）氨基酸組成

表1 稻谷貯藏蛋白中氨基酸組分含量 （mol%）

注：稻米數(shù)據(jù)引自Shew ry（2007）；黑粒和紅粒古水稻引自Udaka等 （2000）。

Horikoshi等 （1991）表明，日本晴粳稻品種醇溶蛋白含有 131個(gè)氨基酸，分子量14930。Ukada等[8]分析表明，古水稻醇溶蛋白中高含量氨基酸有谷氨酸+酰胺、丙氨酸及亮氨酸，低含量氨基酸是賴氨酸、含硫氨基酸。黑粒和紅粒古水稻貯藏蛋白之間氨基酸組成沒有差異 （表1）。古水稻品種之間給定氨基酸含量最高值與最低值比較，醇溶蛋白比谷蛋白的差異大。在醇溶蛋白中，最高值與最低值差異30%的10種氨基酸是甲硫氨酸、半胱氨酸、賴氨酸、酪氨酸、蘇氨酸、脯氨酸、甘氨酸、天冬氨酸+酰胺、甘氨酸、亮氨酸。在谷蛋白中，最高值與最低值差異30%的4種氨基酸有脯氨酸、蘇氨酸、酪氨酸及賴氨酸。除過甲硫氨酸和半胱氨酸，其它11個(gè)氨基酸平均差異14%。甲硫氨酸和半胱氨酸均占谷蛋白的0.1-0.3 mol%。稻谷醇溶蛋白中的賴氨酸含量，高于其他谷物醇溶蛋白中的賴氨酸含量（Shewry 2007）。

四、貯藏蛋白與稻谷陳化

（一）儲藏中稻谷品質(zhì)劣變

儲藏過程中稻谷品質(zhì)劣變 （陳化）的分子生理機(jī)制尚不清楚。稻谷質(zhì)地特性在收獲后數(shù)月中發(fā)生顯著地變化。新收獲的大米蒸煮時(shí)是粘性、糊狀的，儲藏幾個(gè)月后則變得不粘、片狀化。這些變化歸屬稻谷籽粒內(nèi)發(fā)生了多種物理化學(xué)變化，大多數(shù)這些變化是經(jīng)驗(yàn)結(jié)論。常見大米品種蛋白質(zhì)含量約7%，且浮動不大，蛋白質(zhì)含量不是品質(zhì)的指示指標(biāo)。韓國主產(chǎn)的六種稻谷品種(Chucheongbyeo，Nampyeongyeo, Ilpumbyeo, Ilmibyeo, OdaebyeoHwayeoungbyeo)在5℃、15℃和25℃儲藏12個(gè)月后基于儲藏溫度，在儲藏期間稻谷品種間蛋白質(zhì)含量的變化相似。這個(gè)結(jié)果與Tran等 （2005）發(fā)表的相一致，即五個(gè)大米品種在5℃和25℃儲藏超過10個(gè)月，蛋白質(zhì)含量沒有變化。

大米品質(zhì)評價(jià)中忽略蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與類型的影響，由于稻谷蛋白質(zhì)以蛋白體形式存在，介質(zhì)蛋白質(zhì)很少 （Harris and Juliano 1977）。成熟米粒中保持完整的蛋白體影響米飯品質(zhì)不符合邏輯，由于它們從胚乳成分中分離；可以設(shè)想少量的介質(zhì)蛋白或淀粉粒相關(guān)的蛋白影響米飯黏彈性。分析蛋白質(zhì)在陳化中的作用，許多研究檢測巰基（SH） 含量和二硫鍵的變化[15-16]。Moritaka和Yasumatsu (1972) 采用粉質(zhì)儀 （Brabender farinograph）測定米粉的稠度，加入氧化劑時(shí)米粉稠度增加，在氧化環(huán)境中形成二硫鍵，從游離巰基釋放H2S。與40℃儲藏比較，5℃儲藏稻谷蒸煮米飯香味成分中H2S含量大，即低溫延緩稻谷陳化。40℃儲藏期間游離巰基減少，二硫鍵增加，抑制淀粉粒的膨脹，導(dǎo)致米飯不粘、變硬。新收獲的稻谷約40%的總半胱氨酸是氧化態(tài) （二硫鍵），在40℃儲藏12個(gè)月則60%的總半胱氨酸是氧化態(tài)[17]。Hamaker and Griffin (1990)在米飯蒸煮水中加入5 mM DTT顯著增加米飯粘度，對中短米粒米飯粘度的影響大于長粒米，在米粉中加入還原劑切開二硫鍵或蛋白酶，Brabender粘度峰值降低，而分離的大米淀粉不受影響。于是認(rèn)為大米蛋白的結(jié)構(gòu)影響米飯質(zhì)地。稻谷收獲后前幾個(gè)月期間，Brabender粘度增加，部分原因是形成二硫鍵 （Indudhara Swamy等1978）?？梢?，稻谷陳化期間通過兩個(gè)半胱氨酸基團(tuán)的氧化，或通過巰基和二硫鍵的交換反應(yīng)，形成二硫鍵蛋白復(fù)合物，限制糊化期間淀粉粒的膨大，這樣影響質(zhì)地。

Chrastil和Zarins （1992）報(bào)道，中粒和長粒稻谷儲藏期間二硫鍵數(shù)目增加。中粒稻谷的谷蛋白 （Oryzenin）儲藏前含有0.2%巰基 （SH），儲藏后僅含0.14%SH。長粒稻谷Oryzenin也呈現(xiàn)相似的趨勢。儲藏過程中兩種稻谷低分子量多肽減少，高分子量多肽增加。由儲藏引起的Oryzenin多肽亞基分布的這些相對變化，較整個(gè)Oryzenin分子平均分子量的變化小 （儲藏期間幾乎加倍）。多肽亞基成分的這些變化，對儲藏期間整個(gè)Oryzenin表觀分子量的增加起重要作用。大米儲藏期間游離氨基酸含量增加，蛋白質(zhì)的溶解性降低，清蛋白溶解性降低最多 （Zhou等2001）。儲藏7年期間，大米的乙酸可溶性蛋白減少（Bolling 1978）。

（二）蛋白含量與米飯質(zhì)地

早期的研究集中在籽粒主要成分淀粉對大米物理化學(xué)特性的影響，尤其是直鏈淀粉和支鏈淀粉的長B-主鏈決定了蒸煮大米的糊化和質(zhì)地特性。第二大成分蛋白質(zhì)對米飯食用品質(zhì)報(bào)道較少。在二十世紀(jì)60年代，認(rèn)為大米籽粒成分，而不是淀粉，影響米飯蒸煮的粘性。淀粉體積能膨大64倍，蒸煮米飯不能膨大到這個(gè)程度，由于包圍淀粉粒的蛋白和細(xì)胞壁抑制胚乳的膨脹。Primo等（1962）認(rèn)為籽粒外圍蛋白含量影響米飯質(zhì)地。與蛋白含量低的大米比較，蛋白含量高的大米米飯硬而難嚼。Oňate等 （1964）分析了3個(gè)稻谷品種，每個(gè)品種取自蛋白質(zhì)含量差異的兩個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，認(rèn)為與蛋白含量顯著差異相關(guān)的感官指標(biāo)有風(fēng)味、嫩度及粘性，低蛋白含量的稻米更加有風(fēng)味、嫩度及粘性。蛋白質(zhì)含量不影響色澤、香味、直鏈淀粉含量。Juliano等1965年研究，在同樣蒸煮水中，同樣品種低蛋白含量的樣品較高蛋白含量的樣品更嫩、更粘、更有風(fēng)味。同一品種內(nèi)樣品的直鏈淀粉含量是基本一樣的。品種之間米飯質(zhì)地的差異不能夠以蛋白質(zhì)含量來解釋。Taichung 65品種具有高蛋白含量和中等直鏈淀粉含量，粘性感官得分低在于其蛋白含量。美國大米品種粗蛋白含量相似，它們之間的質(zhì)地差異不能完全被蛋白質(zhì)含量所解釋。美國南部中心大米品種蛋白質(zhì)含量高于加州地區(qū)同樣品種蛋白質(zhì)含量，而且質(zhì)地有差異。蛋白質(zhì)含量僅部分解釋這個(gè)現(xiàn)象。直鏈淀粉含量相似的大米品種糊化和質(zhì)地特性差別很大 （Champagne等1999）。米粉與大米淀粉amylograph粘度之間的差異說明除過直鏈淀粉外的其他成分影響米粉蒸煮特性 （Singh等2000）。

米飯蒸煮時(shí)間與蛋白含量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系（Chakrabarthy and Dwarakanath 1972）。高蛋白含量大米樣品較低蛋白含量大米水分吸收少，較多的蛋白在淀粉粒周圍形成一層厚障礙，延緩了淀粉粒吸收水分。

抽穗期間施用氮肥影響蛋白含量和蒸煮大米質(zhì)地。Yanase等 （1984）對不同程度施用氮肥的16個(gè)稻谷品種質(zhì)地測定表明，高蛋白含量的稻米蒸煮時(shí)通常不粘，糙米蛋白含量與大米蒸煮粘性之間的相關(guān)系數(shù)是-0.561(在5%水平達(dá)到顯著水平)。Tamaki等 （1989）發(fā)現(xiàn)，抽穗期間葉噴硫酸銨 （2 g氮/盆），水不溶蛋白或貯藏蛋白增加了3-4% （蛋白從6%增加到 10%）。利用Foods-Zenken質(zhì)地測定儀分析，當(dāng)?shù)鞍缀繌?%增加到10%，蒸煮稻米咀嚼度是直線增加的。當(dāng)?shù)鞍缀繌?%增加到8.5%，粘度和質(zhì)地風(fēng)味指數(shù)（粘度×咀嚼度）增加到最大值，接著隨蛋白含量從8.5%增加到10%它們由最大值減少。高蛋白含量的大米蒸煮較難咀嚼、粘性低，而低蛋白含量的大米比中等蛋白含量的大米較軟、不粘。

稻谷穎果發(fā)育期間米飯質(zhì)地特性的變化與蛋白質(zhì)含量相關(guān)。Tamaki等 （1989）發(fā)現(xiàn)，抽穗后15到50天稻谷蛋白百分率減少約0.75%，蒸煮期間淀粉膨脹受水不溶蛋白、直鏈淀粉及淀粉脂肪抑制，造成質(zhì)地差異。當(dāng)?shù)竟冗_(dá)到成熟時(shí)，蒸煮大米變得更粘、易咀嚼。蛋白質(zhì)含量通常與蒸煮米粉的粘度負(fù)相關(guān)，但是它對硬度有正效果[18-19]。認(rèn)為蛋白質(zhì)可能通過限制糊化淀粉粒的膨大調(diào)控淀粉的膨脹。

（三）米粉糊化和質(zhì)地

Hamaker和Griffin[20]加入還原劑2－ME到煮飯水切開二硫鍵，打破蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。對直鏈淀粉低含量、粘性稻谷，粘度極大增加。當(dāng)還原劑加入到米粉-水漿中,布氏連續(xù)黏度圖（Brabender amylograph）曲線較低，當(dāng)用蛋白酶處理時(shí)也類似地較低。Martin和 Fitzgerald[21]報(bào)道，采用蛋白酶去除米粉蛋白，RVA曲線輪廓全部降低，沿著曲線所有點(diǎn)粘度降低。米粉中加入DTT切開了蛋白質(zhì)中二硫鍵連接降低米粉懸浮液粘度曲線，作用類似蛋白酶處理。Derycke等[19]在米飯蒸煮水中加入DTT，幾乎對所有米飯?jiān)黾诱扯?、減少硬度。這說明存在蛋白質(zhì)障礙物和蛋白質(zhì)的水合作用一起影響米飯粘度曲線，確定了蒸煮米飯的質(zhì)地。Xie等[22]發(fā)現(xiàn)蒸煮水中加入DTT，對蠟質(zhì)大米米飯粘度顯著減少；對非蠟質(zhì)大米米飯則保持不變；兩種米飯的質(zhì)地變軟。這說明二硫鍵連接的網(wǎng)絡(luò)蛋白在蒸煮米飯的質(zhì)地中起重要作用；直鏈淀粉障礙物的加強(qiáng)是負(fù)責(zé)米飯粘度的一個(gè)重要因素。在高剪切力存在下蛋白結(jié)構(gòu)打破之后觀察到較低的粘度，認(rèn)為是由于膨脹淀粉粒的脆性增加。淀粉粒相關(guān)的蛋白轉(zhuǎn)遞強(qiáng)度到糊化淀粉顆粒，通過減少直鏈淀粉分子漏出或者通過物理作用緊密結(jié)合淀粉粒。

將還原和非還原條件下測定的米粉糊粘度聯(lián)系到膨大淀粉粒的潰敗，說明蛋白質(zhì)賦予糊化淀粉粒一定程度的強(qiáng)度或剛性 （Hamaker and Griffin 1993）。在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)被打破后，Brabender粘度減少。然而，當(dāng)以前糊化的米粉糊采用低剪切率的粘度計(jì) （Brookfield Viscometer） 或稠度計(jì)（Bostwick Consistometer）測定時(shí)，在還原試劑存在下米粉糊粘度增加。這表明，在與淀粉粒結(jié)合的正常二硫鍵蛋白網(wǎng)絡(luò)缺乏情況下，淀粉粒膨大到較大的程度，產(chǎn)生粘性更大的米粉糊。但是Brabender amylography中存在大量的剪切，膨大的糊化淀粉粒更易潰敗，導(dǎo)致米粉糊粘度較低。利 用 流 變 儀 （Carri-Med Controlled Stress Rheometer）試驗(yàn)表明，當(dāng)還原劑存在時(shí)，在較低程度脅迫下糊化米粉糊的結(jié)構(gòu)發(fā)生潰敗。這些研究表明，特定的蛋白質(zhì)影響大米粉淀粉粒的糊化特性，這直接相關(guān)于全谷物蒸煮米飯的質(zhì)地特性。需要定性這種特定蛋白質(zhì)－淀粉的關(guān)系。這種特定蛋白負(fù)責(zé)質(zhì)地變化，可以通過育種或加工技術(shù)調(diào)節(jié)米飯質(zhì)地。

（四）貯藏蛋白影響質(zhì)地特性的機(jī)理

了解大米蛋白質(zhì)如何影響米飯或米粉糊的質(zhì)地特性，早期的理論解釋是模型系統(tǒng)中谷蛋白（glutelin或oryzenin)與淀粉的分子聯(lián)合，以及淀粉粒聯(lián)合的蛋白與淀粉凝膠化的關(guān)系。

1.淀粉－谷蛋白模式系統(tǒng)：Chrasti （1990）發(fā)現(xiàn)，蒸煮米飯的粘性與oryzenin對淀粉、直鏈淀粉及支鏈淀粉的結(jié)合比率成正相關(guān)。利用分離的淀粉、直鏈淀粉與無淀粉的oryzenin在模式系統(tǒng)中測定 Oryzenin/淀粉摩爾結(jié)合比率，與oryzenin吸收光譜比較，在淀粉存在下oryzenin吸收光譜存在差異。中粒和長粒稻谷及其分離的組分，在4℃和40℃儲藏 12個(gè)月測定蒸煮物的粘度，粘度排序是新收獲的中粒大米中最高，其次是儲藏在4℃、40℃的大米。這說明谷蛋白對米飯粘性有顯著影響，試圖了解米飯質(zhì)地的生化基礎(chǔ)及改善方法。

水稻谷蛋白缺乏突變體LGC1顯著積累醇溶蛋白，胚乳總蛋白水平與正常稻谷沒有差異 （Iida等1993，1997）。Baxter等[23]報(bào)道醇溶蛋白顯著地影響稻谷米粉的糊化和質(zhì)地特性。高醇溶蛋白含量相關(guān)于顯著高度潰敗粘度，但是減低米粉形成凝膠的硬度、粘性和膠粘度 （gumminess）。他們還報(bào)道清蛋白顯著影響稻米粉的糊化和質(zhì)地特征[24]。稻谷淀粉中存在的清蛋白在蒸煮最初階段延緩淀粉吸收水分，在后期則加快淀粉水分吸附，含有清蛋白的淀粉樣品較純淀粉樣品最終水分吸附多。清蛋白溶于水的本質(zhì)表明，蛋白質(zhì)-水-淀粉相互作用影響大米的物理特性。

2.胚乳蛋白對糊化淀粉粒的膨脹起障礙作用。一度認(rèn)為如其它谷物籽粒，胚乳中連續(xù)的蛋白質(zhì)介質(zhì)圍繞大米淀粉粒形成淀粉粒糊化的障礙（Little and Dawson 1960）。隨后稻谷胚乳微結(jié)構(gòu)觀察表明，稻谷中的蛋白幾乎完全存在于蛋白體，不存在連續(xù)的介質(zhì)蛋白 (Bechtel and Pomeranz 1978)。蒸煮后含有谷蛋白的蛋白體保持原樣 (Tanaka等1978)，不可能引起質(zhì)地變化。對大米蛋白-質(zhì)地關(guān)系研究不深入。在煮飯過程中對淀粉糊化抑制的另一因子是，與淀粉粒密切聯(lián)合的蛋白，它影響顆粒中淀粉糊化的方式，膨脹時(shí)淀粉粒如何保持它的形狀的方式。Zhou等[17]對37℃儲藏的Doongara大米品種采用蛋白酶或纖維素酶處理，顯著改變了熱特性 （淀粉糊化曲線），在掃描電子顯微鏡下觀察到去除蛋白或打破了細(xì)胞壁殘留增強(qiáng)了水分穿透，允許淀粉更容易發(fā)生糊化作用。

Sano（1984）和Villareal and Juliano (1986)鑒定的60 kDa這種蛋白包埋在淀粉顆粒內(nèi)，即淀粉粒結(jié)合淀粉合成酶 （GBSS）蛋白，在高直鏈淀粉含量稻谷以較高水平存在。Hamaker和 Griffin[15]表明，用還原試劑2－ME打破該蛋白結(jié)構(gòu)時(shí)，米粉糊化程度增加，長粒、非粘性稻米粉較粘性稻米粉糊化程度低，當(dāng)二硫鍵被切開時(shí)糊化程度增加較大。Hamaker等 （1991）發(fā)現(xiàn)這個(gè)蛋白與米飯粘度的相關(guān)系數(shù)類似直鏈淀粉含量與粘度相關(guān)系數(shù)。由于蠟質(zhì)淀粉幾乎100%是支鏈淀粉，糯米淀粉中沒有GBSS，就抵抗蛋白酶消化 （Mu-Forster and Wasserman 1998）。GBSS保持非蠟質(zhì)米飯糊化淀粉粒的剛性，在蛋白酶解后保持糊化淀粉糊的高粘度[22]。Dobo等[25]分析了美國和歐洲水稻種質(zhì)庫中GBSS基因的多態(tài)性。GBSS蛋白被單一基因編碼，鑒定了3個(gè)GBSS等位基因。粳稻存在Wxb等位基因，秈稻存在Wxa等位基因，糯稻存在wx等位基因[12]。WXa等位基因的水稻品種GBSS蛋白是WXb等位基因的水稻品種的3倍多。

也認(rèn)為淀粉糊化抑制的蛋白以稀疏的介質(zhì)形態(tài)與淀粉粒密切結(jié)合，如Greenwell和 Schofield（1986）發(fā)現(xiàn)的與小麥淀粉粒周邊結(jié)合的15 kDa的蛋白，即Friabilin。Friabilin在軟麥淀粉較硬麥淀粉豐富， 它具有 3個(gè)成分 Puroindoline a (PINA)、Puroindoline b (PINB)和籽粒軟化蛋白GSP-1（Rahman等1994）。PINA和PINB的編碼基因分別是PinA和PinB（Gautier等1994）。 稻谷不含有PinA和PinB同源框，在轉(zhuǎn)基因水稻M202中表達(dá)小麥Pins,增加了稻谷籽粒軟度[26]。Wada等[27]采用生物活性珠法將含有硬度基因的節(jié)節(jié)麥 （Aegilops tauschii，普通小麥D基因組供體)基因組區(qū)域?qū)刖酒贩N日本晴，獲得了穩(wěn)定表達(dá)Pinb基因的同質(zhì)轉(zhuǎn)基因水稻。他們近來報(bào)道了T4代表達(dá)Pinb基因的同質(zhì)轉(zhuǎn)基因水稻的胚乳細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)及米粉物理化學(xué)特性[28]。非轉(zhuǎn)基因稻谷的復(fù)合淀粉粒深埋在介質(zhì)材料中，而轉(zhuǎn)基因稻谷復(fù)合淀粉粒被空隙包圍。轉(zhuǎn)基因與不轉(zhuǎn)基因稻谷淀粉粒的形態(tài)和大小沒有差異。但是轉(zhuǎn)基因大米粉顆粒小、淀粉破壞率高、糊化時(shí)粘度低，即Puroindoline b減少稻谷的籽粒硬度。同時(shí)發(fā)現(xiàn)Puroindoline b在稻谷胚乳復(fù)合淀粉粒表面起作用，而非在多邊形淀粉粒起作用。

（五）稻谷醇溶蛋白提高人體抗白血病免疫反應(yīng)

稻谷蛋白是谷物蛋白中營養(yǎng)價(jià)值較高者之一，無色、富有必需氨基酸，具有柔和風(fēng)味、低過敏原及低膽固醇[29]。Komatsu and Hirano (1992)指出大米球蛋白與小麥麥谷蛋白之間氨基酸序列有相似性，但是大米儲藏蛋白不含有負(fù)責(zé)脂瀉病的毒性抗原決定基，在營養(yǎng)學(xué)上很重要。Liao等[30]報(bào)道，從粳稻臺灣9號品種胚乳的水提取物，能夠刺激從單核細(xì)胞釋放細(xì)胞漿，抑制人白血病細(xì)胞的生長，誘導(dǎo)該細(xì)胞分化。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，溫度穩(wěn)定的胚乳蛋白質(zhì)提取物能夠增大這種效果，蛋白質(zhì)組學(xué)鑒定的功能性蛋白包括代謝型的、運(yùn)輸、貯藏、抗氧化、發(fā)育及抗病蛋白，其中貯藏蛋白最豐富。對4種貯藏蛋白分別分析，醇溶蛋白處理的人外周血液單核細(xì)胞培養(yǎng)基中α腫瘤壞死因子的產(chǎn)生增加，在該培養(yǎng)基培養(yǎng)人白血病U937細(xì)胞，生長受抑制，并向單核細(xì)胞分化。醇溶蛋白的多克隆抗體肯定了這種效果。稻谷醇溶蛋白不能夠被小麥醇溶蛋白抗體識別，但是抗白血病活性高于小麥谷蛋白和醇溶蛋白[31]。

五、展望

（一）稻谷貯藏蛋白對米飯質(zhì)地起重要影響作用

貯藏蛋白如何影響米飯質(zhì)地的機(jī)制還不清楚，可能通過調(diào)節(jié)蒸煮期間水分?jǐn)U散到淀粉粒，調(diào)控淀粉粒膨脹。貯藏蛋白和淀粉之間的化學(xué)相互作用也可能影響米飯質(zhì)地。已經(jīng)明確了總蛋白與米飯物理化學(xué)特性有關(guān)聯(lián)，探討了單一蛋白質(zhì)成分如谷蛋白、GBSS蛋白、醇溶蛋白及清蛋白對米粉糊化和質(zhì)地特性的影響。這些研究進(jìn)展揭示了調(diào)控米飯質(zhì)地通過特定蛋白育種，或陳化期間、加工期間修飾它們。利用蛋白質(zhì)組學(xué)和遺傳工程方法鑒定影響米飯質(zhì)地的蛋白。

（二）在發(fā)展中國家，稻谷供應(yīng)20%的膳食蛋白攝取

由于它的氨基酸種類不齊完和微量營養(yǎng)水平有限 （尤其是精米），大米作為大宗食品導(dǎo)致營養(yǎng)不良。具有乳糜瀉病的病人已經(jīng)趨向營養(yǎng)失調(diào)，在于面筋不消化導(dǎo)致的免疫反應(yīng)破壞了小腸的粘膜，減少營養(yǎng)吸收的容量。另外，大多數(shù)無面筋產(chǎn)品是低的微量營養(yǎng)素，這增加缺乏的危險(xiǎn)性。為了改善大米無面筋產(chǎn)品的營養(yǎng)品質(zhì)，加入其他蛋白。改變稻米粉的特性，制作類似小麥粉產(chǎn)品的加工產(chǎn)品。以前的研究是通過加入小麥面筋蛋白，或者將高分子量麥谷蛋白亞基 （HMW-GS）結(jié)合到稻谷的聚合態(tài)蛋白[32]，改變大米粉面團(tuán)的流變學(xué)特性。蛋白質(zhì)加工系統(tǒng)在稻谷和小麥之間是保守的，近來已經(jīng)成功將小麥HMW-GS編碼基因轉(zhuǎn)化水稻[33-34]，表明通過遺傳工程方法可以改良大米粉面團(tuán)制作特性。還需要深入了解米粉的蛋白組成與它的面團(tuán)形成特性之間的關(guān)系。

（三）稻谷貯藏蛋白的利用有限，在于它是水不溶的，不能發(fā)育粘彈性網(wǎng)絡(luò)類似結(jié)構(gòu)[35]

通過酸脫酰胺增大米谷蛋白水溶性，加入葡聚糖形成網(wǎng)絡(luò)類似結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善大米蛋白的功能特性[36]。由于貯藏蛋白之間共價(jià)和非共價(jià)相互作用導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)特性差異，導(dǎo)致稻谷和小麥面團(tuán)中水合蛋白復(fù)合物的粒度分布是不同的，稻谷中聚合物的長度較小麥中的短，結(jié)果是稻谷面團(tuán)較小麥面團(tuán)的粘彈性質(zhì)量小得多。已經(jīng)成功采用小麥質(zhì)量評估的面團(tuán)試驗(yàn)方法定性稻谷粉樣品制作面包的流變學(xué)特性[37-38]。結(jié)合我國國情，定性大米貯藏蛋白與米粉面團(tuán)、面條加工之間的關(guān)系。

（四）稻谷球蛋白與小麥谷蛋白亞基的氨基酸序列之間存在某些相似性

但是稻谷貯藏蛋白不含有導(dǎo)致腹腔疾病的毒性抗原決定基，這從營養(yǎng)角度考慮具有特殊的意義。利用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)鑒定稻谷貯藏蛋白，提高人體抗疾病免疫反應(yīng)是令人關(guān)注的研究方向。

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（作者分別為：國家糧食局科學(xué)研究院，吉林大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院）

國家教育部留學(xué)歸國啟動基金 （CZ1008）

李興軍，男，1971年出生，副研究員，博士，糧食生化與多糖工程