施氮量和直播密度對稻米食味品質(zhì)和淀粉結(jié)構(gòu)的影響

胡雅杰， 薛建濤， 吳 培， 李 孌， 叢舒敏， 余恩唯， 倪嘉顥， 張洪程

(揚州大學(xué)農(nóng)學(xué)院；江蘇省作物遺傳生理重點實驗室；糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，揚州 225009)

隨著我國農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革深入，經(jīng)濟社會快速發(fā)展，居民生活質(zhì)量提高，人們對優(yōu)質(zhì)稻米需求量越來越大，特別是優(yōu)質(zhì)食味稻米深受歡迎。因此，改善稻米食味品質(zhì)，加快優(yōu)質(zhì)食味水稻生產(chǎn)與供給，對推進水稻供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和水稻產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。一般認為影響稻米食味品質(zhì)的主要因素是胚乳中直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量，直鏈淀粉含量低和蛋白質(zhì)含量低或兩者均低，稻米食味品質(zhì)佳[1，2]。我國北方稻區(qū)粳稻蛋白質(zhì)含量低、食味品質(zhì)好，這主要得益于一年種植一季水稻，土壤肥沃、有機質(zhì)含量高，化肥用量少。與北方粳米相比，南方粳稻氮肥用量大(每公頃純氮300 kg左右)，粳米蛋白質(zhì)含量較高，影響南方粳米食味品質(zhì)[3]。然而近些年，我國南方粳稻地區(qū)另辟蹊徑，通過降低稻米直鏈淀粉含量，改良并培育出一批直鏈淀粉含量低(5%～15%)、米飯柔軟、冷不回生、食味口感佳的優(yōu)良食味粳稻品種，亦被稱為“軟米粳稻”，如江蘇的南粳46、南粳9108、蘇香粳100等；上海的滬軟1212、松香粳1018等；浙江的嘉58等[4]。優(yōu)良食味粳稻在我國南方稻區(qū)推廣面積快速增加，僅江蘇累計推廣面積超過533萬公頃，有力地推動了南方粳稻食味品質(zhì)的改善[3]。前人已對軟米粳稻產(chǎn)量和品質(zhì)形成的特征做了較多研究[5-7]，但直播條件下軟米粳稻與常規(guī)粳稻在稻米食味品質(zhì)和淀粉晶體結(jié)構(gòu)等方面比較研究還較少。

氮肥和密度一直是水稻大面積生產(chǎn)上調(diào)控水稻產(chǎn)量與品質(zhì)形成的兩大重要栽培措施[8-10]。有關(guān)氮肥和密度對水稻稻米品質(zhì)的影響，前人大多從氮肥或密度單一因子考慮，且多以移栽稻為研究對象，而有關(guān)氮肥和密度互作對直播稻食味品質(zhì)和淀粉晶體結(jié)構(gòu)特性的影響研究相對缺乏。因此，本研究以軟米粳稻品種南粳9108和常規(guī)粳稻豐粳3227為供試材料，在直播條件下設(shè)置了3個不同施氮量處理和3個密度處理，探討施氮量和直播密度互作對稻米食味品質(zhì)和淀粉結(jié)構(gòu)特性的影響，以期闡明直播條件下軟米粳稻食味品質(zhì)形成特征及其與淀粉晶體結(jié)構(gòu)特性的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 實驗地點及供試材料

實驗于2018年在揚州大學(xué)農(nóng)學(xué)院校外基地江蘇興化進行。該地處里下河地區(qū)腹部，屬北亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均溫度15 ℃左右，年日照時數(shù)2 300 h左右，年降水量1 025 mm左右，無霜期227 d左右。該地土壤為黏性泥土，0～20 cm土層含有機質(zhì)26.7 g·kg-1、全氮1.87 g·kg-1、效磷13.4 mg·kg-1、速效鉀150.6 mg·kg-1。

供試材料為軟米粳稻南粳9108和常規(guī)粳稻豐粳3227。

1.2 實驗設(shè)計

采用裂區(qū)設(shè)計，以施氮量為主區(qū)，密度為裂區(qū)，設(shè)置3個施氮水平，分別為0、150、300 kg·hm-2，在各施氮量下設(shè)置3個密度處理，基本苗分別為90×104、180×104、360×104·hm-2，重復(fù)3次，共27個小區(qū)，各小區(qū)面積為30 m2。主區(qū)間做埂包膜，保證獨立排灌。根據(jù)當(dāng)?shù)負Q茬時間，于6月12日人工模擬機械旱條播，行距25 cm，播后2葉1心進行小區(qū)間苗。常規(guī)尿素(46%)作氮肥，于翻耕前、分蘗期、倒4葉和倒2葉施用，基肥∶分蘗肥∶促花肥∶保花肥=4∶3∶1.5∶1.5。各小區(qū)磷鉀肥統(tǒng)一用量，磷肥(P2O5)120 kg·hm-2全作基肥，鉀肥(K2O)240 kg·hm-2分基肥和促花肥等量施用。水分和病蟲草害管理按當(dāng)?shù)厮敬竺娣e生產(chǎn)的高產(chǎn)栽培要求統(tǒng)一實施。

1.3 測定內(nèi)容

1.3.1 稻米食味品質(zhì)測定

于成熟期適期收獲，經(jīng)脫粒機脫粒，去除雜質(zhì)，自然風(fēng)干至標(biāo)準(zhǔn)水分后貯藏3個月。每個處理稱取3份120 g左右稻谷，碾磨加工，出糙出精。隨機選取約25.00 g精米樣品，用Infratec 1241 Grain Analyzer近紅外快速品質(zhì)分析儀測定稻米蛋白質(zhì)含量和直鏈淀粉含量。膠稠度測定用米膠延伸法，測定米膠在冷卻時的黏稠度。采用STA1A米飯食味計測得米飯的硬度、黏度、平和食味值。

1.3.2 稻米糊化特性測定

采用Super 3型RVA(rapid viscosity analyzer)快速測定，用TWC(thermal cycle for windows)配套軟件分析數(shù)據(jù)。取3.00 g樣品加25.00 g蒸餾水。在攪拌中，罐內(nèi)溫度于50 ℃保持1 min，以11.84 ℃ min-1的速度上升至95 ℃(3.8 min)保持2.5 min，再以11.84 ℃ min-1的速度下降至50 ℃并保持1.4 min。攪拌器的轉(zhuǎn)動速度在起始10 s內(nèi)為960r/min-1，之后保持在160 r min-1。稻米RVA譜特性用峰值黏度、熱漿黏度、最終黏度3個一級參數(shù)和崩解值(峰值黏度與熱漿黏度之差)、消減值(最終黏度與峰值黏度之差)、回復(fù)值(最終黏度與熱漿黏度之差)3個二級參數(shù)表示，單位為cP(centiPoise)，同時記錄峰值粘度時間及起始糊化溫度。

1.3.3 淀粉提取

取20.00 g米粉浸泡在含有10 mg/g-1堿性蛋白酶的0.45%氧化鈉溶液中，在室溫下浸泡24 h，去除蛋白質(zhì)?；旌弦簞驖{，過200目篩后加入30 mL去離子水混合，攪拌2 min，再過200目篩。過濾的淀粉溶液在3 000 r/min條件下離心10 min，再將上清液倒掉，去除上層殘渣，再加入20 mL去離子水混合，再次3 000 r/min條件下離心10 min，倒掉上清液，重復(fù)上述過程5次，確保雜質(zhì)被完全清除。最后，在30 ℃環(huán)境下干燥淀粉，過200目篩收集淀粉。

1.3.4 淀粉粒徑大小與分布測定

采用激光衍射粒度分析儀(Mastersizer 2000)測定淀粉粒徑大小與分布。淀粉樣品的介質(zhì)是95%乙醇，轉(zhuǎn)速設(shè)定為2 000 r/min。首先對儀器進行調(diào)整，范圍在0.1 mm到2 000 mm之間，以測量淀粉顆粒的大小。

1.3.5 淀粉相對結(jié)晶度測定

采用X射線粉末衍射儀測定(D8 Advance)X射線衍射圖。取適量淀粉樣品，置于樣品臺上圓形凹槽內(nèi)并均勻壓片，之后用X射線粉末衍射儀進行測定，測試的電壓條件是40 kV，電流是200 mA，掃描區(qū)域衍射角(2θ)的旋轉(zhuǎn)范圍設(shè)定為3°到40°，掃描速度1.2(°)/min，步長0.02°。淀粉相對結(jié)晶度采用MDI Jade v6.0軟件計算。

1.3.6 淀粉結(jié)構(gòu)有序度測定

采用傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR, 7000)測定。在800～4 000 cm-1波長范圍內(nèi)，以2 cm-1的分辨率，平均16次掃描。將50 mg 淀粉樣品加入 1 mL 離心管，再加入100 μL超純水，攪拌成面團膠稠狀，覆蓋在光譜儀上樣孔的表面。從1 200～800 cm-1區(qū)域的光譜進行了反褶積，獲得原始光譜1 045 cm-1和1 022 cm-1處的吸光度值。

1.3.7 淀粉SAXS波譜參數(shù)測定

取適量淀粉樣品浸沒在去離子水中，4 ℃過夜，5 000×g離心10 min，棄上清液獲得淀粉漿。用Bruker NanoStar 型小角X 射線散射儀分析，采用Vantec 2000檢測器和針孔準(zhǔn)直技術(shù)，X射線源為銅旋轉(zhuǎn)陽極(直徑0.1 mm)， 電壓50 kV，功率30 W，裝有交叉耦合Gobel鏡，產(chǎn)生波長為1.541 8 ? 的Cu Kα 射線。光學(xué)部件和樣品室均處于真空狀態(tài)，以減少空氣散射。在X射線散射分析時，保證淀粉漿在密封的容器內(nèi)，以防止水分散失。用DIFFRACplusNanoFit 軟件處理SAXS波譜，獲得波譜原始數(shù)據(jù)。運用角X射線散射波譜的定量作圖分析法測定淀粉SAXS波譜參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 稻米食味品質(zhì)

表1方差分析表明，品種類型和施氮量對直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量、膠稠度、食味值、硬度和黏度影響達極顯著水平，而密度處理對膠稠度、硬度和黏度差異達顯著或極顯著水平，三者互作對直鏈淀粉含量、食味值、硬度和黏度影響達顯著水平。因此，品種類型和施氮量對稻米食味品質(zhì)影響大于密度。

表1 施氮量和直播密度對稻米食味品質(zhì)影響

稻米食味品質(zhì)優(yōu)表現(xiàn)為直鏈淀粉含量低、蛋白質(zhì)含量低、糊化溫度低、膠稠度長、峰值黏度高、崩解值大、消減值小[11-12]。與常規(guī)粳稻相比，軟米粳稻具有較低的直鏈淀粉含量和糊化特性，和較高的膠稠度和米飯黏性[13]。本研究中，同一施氮量和密度下，軟米粳稻品種直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量、糊化溫度、消減值均低于常規(guī)粳稻，而膠稠度長和崩解值大。穗肥減半施用能顯著降低稻米直鏈淀粉含量，提高稻米食味值；機插密度通過調(diào)控稻米直鏈淀粉含量而影響稻米食味值[8]。本研究中，直播條件下施氮量對稻米食味品質(zhì)的影響大于密度，中、低施氮量和密度通過降低蛋白質(zhì)含量，增加膠稠度和黏度，提高稻米食味值。因此，本實驗條件下，直播稻選用低直鏈淀粉含量的軟米粳稻品種，配套中、低施氮量和密度，利于改善稻米食味品質(zhì)。

2.2 淀粉RVA譜特征

表2方差分析表明，品種類型對淀粉RVA特征參數(shù)均有極顯著影響，施氮量對峰值黏度、熱漿黏度和最終黏度影響達極顯著水平，而密度僅對崩解值和最終黏度有顯著影響，兩者和三者互作均對峰值黏度有顯著或極顯著影響。前人一般研究認為淀粉RVA譜中崩解值大和消減值小，淀粉糊化特性好，稻米食味品質(zhì)佳[14]。本實驗在同一施氮量和密度條件下，與常規(guī)粳稻相比，軟米粳稻崩解值較高，最終黏度、消減值和起始糊化溫度較低。同一密度下，隨著施氮量增加，兩類品種峰值黏度、熱漿黏度、最終黏度和崩解值呈減少趨勢，軟米粳稻消減值呈增加趨勢。同一施氮量下，隨著密度增加，兩品種稻米RVA特征參數(shù)變化不一。這與葉全寶[15]的研究結(jié)果相一致。因此，品種類型和施氮量對淀粉RVA譜特征參數(shù)影響大于密度；選擇軟米粳稻品種，施用中低氮量，利于改善稻米淀粉糊化特性。

表2 施氮量和直播密度對淀粉RVA譜特征參數(shù)的影響

2.3 淀粉顆粒大小及其分布

表3方差分析表明，品種類型和施氮量對不同大小的淀粉顆粒分布比例和淀粉粒徑大小的影響達極顯著水平，而密度對其影響無顯著差異。Wang等[15]研究認為，軟米粳稻較常規(guī)粳稻具有較高的中等顆粒淀粉分布比例和體積平均粒徑大小以及較低的糊化溫度。本研究中，同一施氮量和密度下，與常規(guī)粳稻相比，軟米粳稻中和小淀粉顆粒分布比例較少，而大顆粒淀粉分布比例較多，表面積平均粒徑和體積平均粒徑較大。Zhu等[16]研究認為隨著施氮量增加，水稻淀粉顆粒大小減少。本研究結(jié)果表明，同一密度下，隨著施氮量增加，兩品種淀粉顆粒大小及其分布變化不一，其中軟米粳稻品種中顆粒淀粉分布比例呈增加趨勢，而大顆粒淀粉分布比例、表面積平均粒徑和體積平均粒徑均呈減少趨勢。因此，本實驗條件下，軟米粳稻具有較少的中小淀粉顆粒，大顆粒淀粉較多；施氮量對淀粉顆粒大小及其分布的影響因品種類型而變化。

表3 施氮量和直播密度對淀粉顆粒大小及其分布的影響

2.4 淀粉晶體結(jié)構(gòu)特性

表4方差分析表明，不同類型品種對淀粉相對結(jié)晶度、有序度和SAXS波譜參數(shù)的影響達極顯著水平，施氮量對淀粉相對結(jié)晶度和峰強度的影響達顯著水平，而密度對淀粉晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)指標(biāo)影響差異不顯著。研究認為氮肥施用量顯著影響水稻淀粉結(jié)構(gòu)和理化特性[16-17]，隨著施氮量增加，淀粉相對結(jié)晶度增加，膨脹勢和溶解性和糊化焓增加，淀粉黏性降低[16]。施用中等氮量，淀粉相對結(jié)晶度和有序度較低，淀粉黏性增加，能改善稻米品質(zhì)[17]。本研究中，同一施氮量和密度下，與常規(guī)粳稻相比，軟米粳稻淀粉相對結(jié)晶度、有序度和峰強度呈增加趨勢，而片層距離呈減少趨勢。施氮量和密度對淀粉相對結(jié)晶度、有序度、峰強度和片層距離影響變化不一。同一密度下，隨著施氮量增加，軟米粳稻淀粉相對結(jié)晶度呈先升后降，而常規(guī)粳稻變化不一。

表4 施氮量和直播密度對淀粉晶體結(jié)構(gòu)的影響

2.5 稻米食味品質(zhì)與淀粉理化指標(biāo)關(guān)系

由表5相關(guān)分析可知，施氮量與蛋白質(zhì)含量和硬度呈極顯著正相關(guān)，而與食味值、黏度、峰值黏度、熱漿黏度、最終黏度和片層距離呈極顯著負相關(guān)。米飯食味值與蛋白質(zhì)含量、直鏈淀粉含量、硬度、最終黏度、消減值、糊化溫度均呈極顯著負相關(guān)，與膠稠度、黏度、峰值黏度、崩解值和峰強度呈極顯著正相關(guān)。直鏈淀粉含量與硬度、最終黏度、消減值、糊化溫度呈極顯著正相關(guān)，與黏度和崩解值呈極顯著負相關(guān)，與淀粉相對結(jié)晶度、有序度和峰強度呈顯著負相關(guān)。一般研究認為稻米直鏈淀粉含量與淀粉結(jié)構(gòu)和特性關(guān)系密切。Cai等[18]研究認為直鏈淀粉含量與淀粉相對結(jié)晶度、有序度和峰值強度呈顯著負相關(guān)關(guān)系，這與本研究結(jié)果一致。

表5 稻米食味品質(zhì)與淀粉理化特性的相關(guān)性

3 結(jié)論

與常規(guī)粳稻相比，軟米粳稻優(yōu)質(zhì)食味品質(zhì)特征表現(xiàn)為直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量低，膠稠度長，米飯蒸煮后硬度低和黏度大，淀粉RVA譜中崩解值大、消減值小和糊化溫度低。隨著施氮量增加，直鏈淀粉含量降低，蛋白質(zhì)含量提高，膠稠度變短，米飯硬度增加，稻米食味值下降。相關(guān)分析表明，施氮量與蛋白質(zhì)含量和硬度呈極顯著正相關(guān)，與米飯食味值、黏度、峰值黏度、熱漿黏度、最終黏度和片層距離呈極顯著負相關(guān)。密度對稻米食味品質(zhì)和淀粉結(jié)構(gòu)影響差異不顯著。