半糯性粳稻的淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)及其米粉/飯功能特性研究

張 超 吳 焱 魏海燕 劉國棟 張洪程

(江蘇省作物遺傳生理重點實驗室；江蘇省作物栽培生理重點實驗室；江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心；揚(yáng)州大學(xué)水稻產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)研究院；揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，揚(yáng)州 225009)

水稻是我國最主要的糧食作物之一。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民生活水平的提高，人們對稻米的需求逐漸由“吃得飽”向“吃得好”轉(zhuǎn)變。改善稻米品質(zhì)，獲得具有優(yōu)質(zhì)食味品質(zhì)的稻米，逐漸成為目前我國稻米產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要趨勢[1]。近年來，水稻育種專家為滿足市場需求，相繼選育出了一系列優(yōu)質(zhì)食味品種，并在各水稻主產(chǎn)區(qū)進(jìn)行推廣。其中，半糯性粳稻，又稱粳型軟米，因其蒸煮后米飯富有彈性，軟而不爛，冷飯不回生變硬等優(yōu)點，深受江浙滬等地區(qū)消費者的喜愛。南粳9108、蘇香粳3號、徐稻9號等半糯性粳稻品種，已在生產(chǎn)上大面積推廣[2，3]。同時，半糯性粳稻也因其米飯的優(yōu)質(zhì)食味特性，常常被用于壽司制作，是優(yōu)質(zhì)壽司用米的平價替代品之一。此外，半糯性粳稻是制作方便米飯、米類點心，適合中央廚房工業(yè)化米飯生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)原材料，具有廣闊的市場應(yīng)用前景[4]。

目前，育種家一直采用直鏈淀粉含量來評價半糯性粳稻，其精米中直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在2%～15%之間[5]。此外，糊化溫度、膠稠度也被作為輔助標(biāo)準(zhǔn)評價半糯性粳稻[6]。目前，半糯性粳稻的食味品質(zhì)多采用感官評定方法進(jìn)行評價，但研究者對半糯性粳稻米粉和米飯的功能特性及其形成機(jī)制尚缺乏深入的研究。

因此，本研究以在江蘇地區(qū)大面積推廣的半糯性粳稻(南粳9108、蘇香粳3號、徐稻9號)作為實驗材料，以糯性粳稻(淮糯12、鎮(zhèn)糯19、揚(yáng)粳糯2號)、非糯性粳稻(淮稻5號、蘇粳815、揚(yáng)育粳2號)作為對照，通過對比分析半糯性粳稻米粉的糊化特性、米飯的質(zhì)構(gòu)特性、米飯/糊的水分運(yùn)動性與淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系，闡明淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)對半糯性粳稻米粉/飯理化特性的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試稻米品種：淮糯12、鎮(zhèn)糯19、揚(yáng)粳糯2號、南粳9108、蘇香粳3號、徐稻9號、淮稻5號、蘇粳815、揚(yáng)育粳2號。9種粳稻按照相同栽培條件，在揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院實驗農(nóng)場種植。稻谷成熟后收獲、晾干、平衡水分至14%左右，抽真空4 ℃低溫儲藏用于后續(xù)實驗。

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理

稻谷經(jīng)SY88-TH礱谷機(jī)去殼出糙，采用LTJM-2099碾米機(jī)出精，制備精米。采用FOSS CT193旋風(fēng)式磨進(jìn)行研磨，過60目篩，制備米粉。

1.2.2 蒸煮米飯

稱取整精米30 g，淘洗3次，按米水比1∶1.3加水，在密封鋁罐中浸泡30 min。然后蒸煮30 min，燜10 min后，將鋁罐放入鼓風(fēng)箱冷卻20 min。最后在室溫下再冷卻90 min，測定米飯質(zhì)構(gòu)。

1.2.3 淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)的測定

樣品處理：按照Tao等[7]所用的方法制備原淀粉與脫支淀粉。用蛋白酶、亞硫酸氫鈉溶液、乙醇等試劑處理米粉來去除蛋白質(zhì)等非淀粉組分。

淀粉分子量分布的測定：采用安捷倫1100系列凝膠排阻色譜儀配RID-10A檢測器測試樣品。按照Gilbert等[8]的方法測定。流動相為含0.5%LiBr的DMSO/LiBr溶液，柱溫為80 ℃。測原淀粉時，使用GRAM pre-column、GRAM 100和GRAM 3000柱(PSS)串聯(lián)，流速為0.3 mL/min。測脫支淀粉時，使用GRAM pre-column、GRAM 100和GRAM 1000柱(PSS)串聯(lián)，流速為0.6 mL/min。采用分子量342～2.35×106的普魯蘭多糖作為標(biāo)準(zhǔn)品。

支鏈淀粉側(cè)鏈長分布的測定：將凍干之后的脫支淀粉，用8-氨基芘-1,3,6-三磺酸(APTS)進(jìn)行標(biāo)記，然后在25 ℃，30 kV電壓條件下，用碳水化合物分離緩沖液在N-CHO涂層毛細(xì)管中進(jìn)行分離。使用配有固態(tài)激光誘導(dǎo)熒光(LIF)檢測器和氬離子激發(fā)源的PA-800 Plus凝膠毛細(xì)管電泳儀(FACE)進(jìn)行測定[9]。

1.2.4 米粉RVA譜黏滯性的測定

采用Perten Super3 RVA快速黏度儀測定，用配套TWC軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。稱取3 g米粉，加入25 g去離子水。然后按照Standard 1法測定其糊化特性：在50 ℃下維持1 min，然后以6 ℃/min的速度升溫至95 ℃，維持5 min，再以6 ℃/min的速度降溫至50 ℃，維持2 min，測定過程中，前10 s的攪拌速度為960 r/min，其他時間攪拌速度為160 r/min。RVA譜特征值包括峰值黏度、熱漿黏度、最終黏度、崩解值、消減值、回復(fù)值、糊化溫度。

1.2.5 米飯質(zhì)構(gòu)測定

采用SMS TA.XT.Plus物性測定儀測定米飯質(zhì)構(gòu)。測試探頭為P/36R，測試模式為壓力測定，觸發(fā)力設(shè)置為5 g，測試前速度1 mm/s，測試速度0.5 mm/s，測試后速度0.5 mm/s，進(jìn)行2次壓縮，第1次壓縮程度為40%，第2次壓縮程度為70%。每次挑選3粒米飯，呈環(huán)形擺放，重復(fù)6次。以硬度、彈性、黏性、口感均衡性評價米飯質(zhì)構(gòu)。其中，硬度為第1次壓縮過程中最大正峰處的力值，彈性為第1次壓縮過程中返回時米飯的回復(fù)能力與壓縮時探頭壓縮能量的比值，黏性為最大負(fù)峰處的力值，口感均衡性為測試過程中最大負(fù)峰和正峰力值的比值。

1.2.6 米糊/飯水分運(yùn)動性的測定

采用NMI20-015V-I低場核磁成像分析儀測定米糊/飯的水分運(yùn)動性。稱取5 g RVA測試之后的米糊，裝入玻璃樣品瓶中，進(jìn)行測定。米飯水分運(yùn)動性的測定：稱取5 g 按1.2.2方法蒸煮后冷卻1.5 h的米飯，裝入玻璃樣品瓶中，進(jìn)行測定。測試參數(shù)為：等待時間(TW)為4 000 ms，回波時間(TE)為0.3 ms，累加采樣4次，回波個數(shù)為15 000。數(shù)據(jù)采用系統(tǒng)軟件進(jìn)行反演，通過迭代算法計算樣品中氫質(zhì)子的自旋-自旋弛豫時間(T2)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用 SPSS 軟件和 Microsoft Excel 軟件分析和處理數(shù)據(jù), 采用SPSS 13.0的單因素方差分析(One-Way ANOVA)在顯著性水平α=0.05下進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)標(biāo)注不同小寫字母表示α=0.05水平下具有顯著差異。采用Pearson相關(guān)進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)分析

研究表明3種類型粳稻淀粉的含量及精細(xì)結(jié)構(gòu)差異顯著(表1)。與糯性粳稻淀粉和非糯性粳稻淀粉相比，半糯性粳稻淀粉中短鏈(DP 101～1 000)、中鏈(DP 1 001～2 000)、長鏈直鏈淀粉(DP 2 001～20 000)占總淀粉的含量均處于二者之間。在粳稻直鏈淀粉中，鏈長為DP 101～1 000的短鏈直鏈淀粉含量最多，其中半糯性粳稻直鏈淀粉中短鏈直鏈淀粉含量占直鏈淀粉總量的84.14%，而糯性淀粉和非糯性淀粉中該質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為75.49%、79.71%。

進(jìn)一步對粳稻淀粉中支鏈淀粉的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)半糯性粳稻淀粉中支鏈淀粉平均鏈長(DP值)為20.25，該值低于糯性粳稻淀粉，高于非糯性粳稻淀粉(表2)。半糯性粳稻支鏈淀粉中中等長度的B1、B2鏈含量最多，而糯性粳稻支鏈淀粉中較長的B3鏈含量最多，非糯性粳稻支鏈淀粉中較短的的A鏈含量最多。因此，與糯性粳稻淀粉和非糯性粳稻中支鏈淀粉相比，半糯性粳稻的支鏈淀粉中含有更多中等鏈長的B1、B2鏈，平均鏈長介于糯性粳稻跟非糯性粳稻之間。

表1 粳稻淀粉中直鏈淀粉含量及其結(jié)構(gòu)分析

表2 粳稻支鏈淀粉含量及其結(jié)構(gòu)分析

2.2 米粉糊化特性

稻米米粉的RVA譜黏滯特性與米飯蒸煮、食味品質(zhì)密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)3種類型粳稻米粉的RVA譜特征值差異顯著(表3)。熱漿黏度、最終黏度、消解值、回復(fù)值均隨著直鏈淀粉含量的增加而增加，其中半糯性粳稻的RVA譜特征值均介于糯性粳稻和非糯性粳稻二者之間。半糯性粳稻米粉的回復(fù)值顯著低于費糯性粳稻米粉，該結(jié)果證實與非糯性粳稻相比，半糯性粳稻米粉不易回生，有助于米飯保持較好的口感[10]。

直鏈淀粉是影響米飯蒸煮食味品質(zhì)的主要因素，糯性粳稻、半糯性粳稻、非糯性粳稻中直鏈淀粉含量存在顯著差異，因此在蒸煮食味品質(zhì)方面差異顯著。研究結(jié)果表明，糊化狀態(tài)的支鏈淀粉呈橢球形，分子運(yùn)動能力較弱，因此不易回生；而直鏈淀粉呈線性，分子量較小，具有較強(qiáng)的運(yùn)動能力[11-14]。一方面，線性的直鏈淀粉穿插于支鏈淀粉分子中，或者包裹在支鏈淀粉分子的周圍，能夠增加淀粉糊的黏度。因此，半糯性粳稻米粉與糯性粳稻米粉相比，表現(xiàn)出較高的峰值黏度、熱漿黏度、最終黏度。另一方面，在回生過程中，直鏈淀粉分子量較小，具有較強(qiáng)的運(yùn)動能力，能夠快速調(diào)整分子的構(gòu)象，并與其他直鏈淀粉分子或者支鏈淀粉長側(cè)鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，發(fā)生重結(jié)晶，使得米糊回復(fù)值增加[13; 14]。因此，半糯性粳稻米粉的回復(fù)值顯著低于非糯性粳稻米粉，半糯性粳稻不易回生。

此外，支鏈淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)也與米粉的糊化、回生密切相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)：與糯性粳稻淀粉和非糯性粳稻中支鏈淀粉相比，半糯性粳稻中支鏈淀粉的B1、B2鏈最多，而糯性粳稻中支鏈淀粉的B3鏈最多，非糯性粳稻中支鏈淀粉的A鏈最多。支鏈淀粉中的A鏈能夠與直鏈淀粉或者B1鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，阻礙淀粉膨脹，并導(dǎo)致米糊崩解值降低[15]。支鏈淀粉中的B2、B3鏈在支鏈淀粉內(nèi)起連接作用，有利于穩(wěn)定支鏈淀粉結(jié)構(gòu)[16-18]。在直鏈淀粉含量相同的前提下，支鏈淀粉鏈長越長，分支結(jié)構(gòu)越多，平均鏈長越長，雙螺旋結(jié)構(gòu)越多，結(jié)晶度越高，糊化溫度會越高，崩解值越小。

表3 粳稻米粉RVA譜特征值分析

2.3 米糊水分運(yùn)動性

RVA測試后的米糊進(jìn)一步采用低場核磁成像分析儀(LF-NMR)分析米糊中水分的運(yùn)動性，研究結(jié)果如表4所示。在米糊中存在兩種不同弛豫時間的氫質(zhì)子，3 ～ 11 ms處代表結(jié)合水(T21)和200～700 ms處代表自由水(T22)。弛豫時間越小，水分運(yùn)動能力越弱，表明米糊凝膠結(jié)構(gòu)對水分的束縛能力越強(qiáng)，米糊凝膠強(qiáng)度越大，米糊水分運(yùn)動性強(qiáng)。在粳稻米糊中，T2、T22值隨著直鏈淀粉含量的增加而降低，說明米糊中水分的運(yùn)動能力隨著直鏈淀粉含量的增加而降低，凝膠結(jié)構(gòu)對水分的束縛能力隨著直鏈淀粉含量的增加而增加。半糯性粳稻米糊對水分的束縛能力顯著強(qiáng)于糯性粳稻，而弱于非糯性粳稻。

與糯性粳稻相比，半糯性粳稻淀粉中的直鏈淀粉含量增加到約10%，米飯中的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對水分的水分束縛能力顯著增強(qiáng)。與非糯性粳稻相比，粳稻淀粉中直鏈淀粉含量進(jìn)一步由10%增加到20%時，米飯對水分的束縛能力有所增強(qiáng)，但變化趨勢變緩。這是由于支鏈淀粉分子量大，回生能力弱，所形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)空腔較大，凝膠三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的自由水運(yùn)動能力強(qiáng)；而直鏈淀粉分子量較小，回生能力強(qiáng)，能夠更快地形成質(zhì)地緊密的凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對水分的束縛能力強(qiáng)[19]。米糊內(nèi)部水分的運(yùn)動能力主要是受直鏈淀粉含量影響的，其中受DP101～1 000的短鏈直鏈淀粉含量的影響更顯著，說明DP101～1 000的短直鏈淀粉對于直鏈淀粉回生形成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)起重要作用。

2.4 米飯質(zhì)構(gòu)

米飯的質(zhì)構(gòu)特性采用硬度、彈性、黏性、平衡值評價米飯的口感，其中平衡值能夠反映米飯口感的均衡性，數(shù)值越大，黏彈性相對較好。研究發(fā)現(xiàn)：粳稻米飯的硬度、彈性隨著直鏈淀粉含量的增加而增加，平衡值隨著直鏈淀粉含量的增加而降低(表5)。半糯性粳稻米飯的硬度、彈性顯著低于非糯性粳稻米飯；而其米飯口感的均衡性接近糯性粳稻米飯，而明顯優(yōu)于非糯性粳稻米飯。

表4 粳稻米糊中水分分布與運(yùn)動性分析

表5 粳稻米飯質(zhì)構(gòu)分析

直鏈淀粉含量是影響粳稻米飯質(zhì)構(gòu)的最主要因素。Bhattacharya等[20]認(rèn)為熱水不溶性直鏈淀粉是決定大米品質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)。由于直鏈淀粉的生物合成在淀粉積累后期更為活躍，導(dǎo)致直鏈淀粉大多集中于淀粉顆粒表面[16,21]。因此，在蒸煮過程中，大量直鏈淀粉在初始階段能夠快速從米粒中溶出，在米飯冷卻過程中能夠形成結(jié)構(gòu)更加致密的三維凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致米飯質(zhì)地變硬[22]。因此，半糯性粳稻米飯的硬度顯著低于非糯性粳稻米飯，而顯著高于糯性粳稻。

研究中還發(fā)現(xiàn)直鏈淀粉含量接近的粳稻米飯質(zhì)地也存在較大差異，說明支鏈淀粉結(jié)構(gòu)對米飯質(zhì)地形成也有重要影響。Reddy等[23]認(rèn)為支鏈淀粉中長B鏈的含量是決定大米質(zhì)構(gòu)品質(zhì)更重要的因素。Ong等[24]發(fā)現(xiàn)長B鏈能夠與其他淀粉鏈相互纏繞，形成更為致密的結(jié)構(gòu)。此外，直鏈淀粉能夠與支鏈淀粉側(cè)鏈相互作用，形成晶體結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)淀粉顆粒的耐熱性，限制蒸煮過程中淀粉的膨脹和溶出，使得米飯硬度增加[25]。此外，支鏈淀粉中較長的B2鏈與米飯彈性成顯著負(fù)相關(guān)，較短的B1鏈與米飯黏性成顯著正相關(guān)。半糯性粳稻支鏈淀粉中中等長度的B1、B2鏈含量最多，這有利于半糯性粳稻米飯獲得低彈、高黏的質(zhì)地。

2.5 米飯水分運(yùn)動性

進(jìn)一步采用低場核磁成像分析儀(LF-NMR)分析米飯中水分的運(yùn)動性，研究米飯水分運(yùn)動性與其質(zhì)構(gòu)的關(guān)系(表6)。研究發(fā)現(xiàn)：米飯中存在兩種不同弛豫時間的氫質(zhì)子，<10 ms處代表結(jié)合水(T21)和30～100 ms處代表自由水(T22)。與糯性粳稻米飯及非糯性粳稻米飯中水分的運(yùn)動性相比，半糯性粳稻米飯中水分的運(yùn)動能力顯著弱于糯性粳稻米飯，而強(qiáng)于非糯性粳稻米飯。當(dāng)粳稻中直鏈淀粉含量增加到10%左右時，米飯中的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對水分的水分束縛能力顯著增強(qiáng)，當(dāng)直鏈淀粉含量進(jìn)一步由10%增加到20%時，米飯對水分的束縛能力有所增強(qiáng)，但變化幅度較小。結(jié)果表明：與非糯性粳稻相比，半糯性粳稻直鏈淀粉含量較低，所形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)空腔較大，對水分的束縛能力較弱，米飯的硬度較低，質(zhì)地較軟，口感優(yōu)于非糯性粳稻。

表6 粳稻米飯中水分分布與運(yùn)動性分析

3 結(jié)論

半糯性粳稻淀粉中直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10.08%，顯著低于非糯性粳稻，支鏈淀粉中含有更多中等鏈長的B1、B2鏈，平均鏈長介于糯性粳稻跟非糯性粳稻支鏈淀粉之間。與非糯性粳稻相比，半糯性粳稻米糊的回復(fù)值較低，回生能力較弱，半糯性粳稻米糊/飯具有較強(qiáng)的抗回生能力。此外，半糯性粳稻米糊/飯中水分的運(yùn)動能力顯著強(qiáng)于非糯性粳稻，高直鏈淀粉含量能夠使淀粉凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密，導(dǎo)致米糊/飯質(zhì)構(gòu)變硬，束縛水的能力增強(qiáng)，而半糯性粳稻米飯質(zhì)地較軟，口感明顯優(yōu)于非糯性粳稻，同時也沒有糯性粳稻過分黏滯的不適口感，適合作為優(yōu)質(zhì)食味主糧稻米品種類型進(jìn)行推廣。同時，半糯性粳稻具有不易回生、軟而不黏滯等優(yōu)點，在方便米飯、中央廚房配餐等食品工業(yè)領(lǐng)域，也具有廣闊的應(yīng)用前景。