不同因素對(duì)水稻淀粉糊化特性影響的研究現(xiàn)狀

彭 濤，陳 科，鄭 佳，龔利娟，李楊華，馬振兵

（1. 四川輕化工大學(xué)生物工程學(xué)院，四川宜賓 644005；2. 四川省釀酒專用糧工程技術(shù)研究中心，四川宜賓 644005；3. 宜賓五糧液股份有限公司，四川 宜賓 644000）

0 引言

水稻是全球最重要的糧食作物之一，大約有一半的人口以稻米為食[1]。其中，淀粉是稻米胚乳中最主要的組成成分，占其干物質(zhì)的80%以上。稻米淀粉主要由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，是人們?nèi)粘Ｉ铒嬍持凶钪饕哪芰縼碓碵2-3]。在探究稻米的食用品質(zhì)和釀造特性等方面均離不開稻米蒸煮，而稻米蒸煮的同時(shí)又伴隨著淀粉糊化。淀粉糊化過程的實(shí)質(zhì)是微晶束溶融的過程，糊化后淀粉顆粒中微晶束之間氫鍵斷裂，水分子進(jìn)入淀粉微晶束結(jié)構(gòu)，分子的混亂度增加[4]。

淀粉只有在糊化后經(jīng)糖化酶作用，才能更好地被人體消化吸收。目前，引起淀粉糊化的方法主要有加熱、高壓、擠壓和化學(xué)處理等，檢測(cè)手段常用差示掃描量熱儀（DSC）、布拉班德黏度儀（BV） 和快速黏度分析儀（RVA） 等方法。淀粉的糊化特性是決定稻米品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，直接關(guān)系著稻米的食用品質(zhì)和人們對(duì)稻米蒸煮后的可接受程度。目前的研究常見于單一因素對(duì)于淀粉糊化特性的影響，缺乏總結(jié)歸納多種因素對(duì)于淀粉糊化特性的影響。因此，綜述近年來不同因素對(duì)水稻淀粉糊化特性的影響研究，以期為改善水稻淀粉糊化性質(zhì)和提高稻米品質(zhì)提供理論參考。

1 主要環(huán)境因素對(duì)淀粉糊化特性的影響

溫度對(duì)水稻的生長(zhǎng)至關(guān)重要，特別是反映在水稻灌漿期，溫度過高或過低均可影響稻米的產(chǎn)量與質(zhì)量[5-6]。對(duì)灌漿期的水稻進(jìn)行低溫冷水脅迫后，可溶性淀粉合成酶（SSS） 活性和淀粉分支酶（SBE）活性降低，導(dǎo)致籽粒總淀粉含量、支鏈淀粉含量顯著下降，直鏈淀粉含量顯著上升，水稻RVA 譜中的峰值黏度和熱漿黏度下降，進(jìn)而影響淀粉的糊化特性[7-9]。同時(shí)，低溫處理還降低了水稻的糙米率和精米率，導(dǎo)致稻米品質(zhì)變劣[7-8]。但是適當(dāng)?shù)牡蜏靥幚斫档土斯酀{速率，使灌漿過程更趨于均一，淀粉結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，有助于改善水稻蒸煮食味品質(zhì)[10-12]。在全球變暖趨勢(shì)的影響下，極端高溫天氣越來越頻繁，過高的環(huán)境溫度在一定條件下也會(huì)嚴(yán)重影響水稻淀粉的理化性質(zhì)。高溫會(huì)使稻米直鏈淀粉含量和支鏈短鏈數(shù)量減少，中間支鏈增加，并導(dǎo)致稻米的糊化溫度、糊化焓和糊化黏度提高；但高溫并未改變淀粉的結(jié)晶類型，而是顯著影響了水稻淀粉的相對(duì)結(jié)晶度[13-14]。

光照是除溫度外另一能顯著影響稻米品質(zhì)的環(huán)境因子，水稻灌漿期如果光照不足，其光合能力就會(huì)下降，從而導(dǎo)致因糖源不足引起的稻米直鏈淀粉和淀粉總量減少，膠稠度變硬[15]。Deng F 等人[16]發(fā)現(xiàn)，稻米灌漿期的遮光脅迫會(huì)顯著降低直鏈淀粉含量、支鏈淀粉A 鏈比例，并導(dǎo)致淀粉顆粒的均勻度和糊化焓下降。任萬軍等人[17]也證實(shí)，隨著灌漿期光強(qiáng)的降低，稻米的蛋白質(zhì)含量極顯著增加，直鏈淀粉含量顯著降低。

2 淀粉成分對(duì)淀粉糊化特性的影響

水稻主要分為秈稻、粳稻和糯稻，糯稻又分為秈糯和粳糯。其中秈稻的直鏈淀粉含量一般為15%～25%，粳米為15%～20%，糯稻則在2%以下[18]。淀粉是稻米胚乳的主要成分，主要有直鏈淀粉與支鏈淀粉兩種，直鏈淀粉是由α-D- 葡萄糖經(jīng)α-1,4- 糖苷鍵相連而成的幾千個(gè)單位長(zhǎng)度的葡聚糖鏈狀分子，幾乎無分支或分支特別少；支鏈淀粉是α-D- 葡萄糖經(jīng)α-1,4- 糖苷鍵與α-1,6- 糖苷鍵連接而成的高度分支的葡萄糖聚合物。不同種類的稻米其糊化特性存在較大差異[19-20]。秈米擁有較高的起糊溫度、最終黏度和回生值，糯米擁有較高的峰值黏度和破損值，粳米則介于二者之間[21]，造成這種差異的原因可能與水稻表觀直鏈淀粉含量（ACC） 有關(guān)[22]。對(duì)于糯稻而言，秈糯和粳糯中的淀粉和支鏈淀粉含量大致相同，秈糯中直鏈淀粉要含量明顯高于粳糯，同時(shí)秈糯也表現(xiàn)出更高的淀粉糊化特征值（糊化溫度、峰值黏度、峰值時(shí)間、最低黏度、最終黏度、回生值）[23]。直鏈淀粉含量的高低與稻米品質(zhì)密切相關(guān)，是影響稻米蒸煮及食味品質(zhì)優(yōu)劣的一個(gè)重要因素。通常情況下，高直鏈淀粉含量的水稻品種一般具有較高的熱漿黏度和消減值，而低直鏈淀粉含量的水稻品種的熱漿黏度和消減值較低，并且直鏈淀粉含量與淀粉糊化溫度（Tp）、糊化焓（ΔH）、峰值黏度（PV）呈負(fù)相關(guān)[24-25]。

淀粉顆粒的大小和結(jié)晶度也會(huì)對(duì)糊化特性產(chǎn)生一定程度的影響，一般來說，淀粉顆粒直徑越大，淀粉糊化就越困難[26]。同時(shí)，淀粉顆粒的表面存在許多小孔（見圖1），這些小孔可能在淀粉糊化過程中起滲透作用，便于水的進(jìn)入和直鏈淀粉的浸出，有利于淀粉顆粒的膨脹[27]。水稻淀粉為高結(jié)晶性淀粉，屬于典型的A 型結(jié)晶類型，其X 衍射圖譜在15，17，18，23 °處存在強(qiáng)衍射峰[28]。糯米淀粉結(jié)晶度與糊化溫度之間呈極顯著正相關(guān)[28-29]，也與RVA 糊化特征值顯著相關(guān)[30]。

人們普遍認(rèn)為支鏈淀粉具有精細(xì)的分子結(jié)構(gòu)，支鏈淀粉的精細(xì)結(jié)構(gòu)的差異對(duì)大米品質(zhì)有著重要影響，主要表現(xiàn)為鏈長(zhǎng)分布，會(huì)影響淀粉的糊化過程。根據(jù)支鏈淀粉簇模型，支鏈淀粉短鏈包括A 鏈（聚合度DP6～12） 和B1鏈（聚合度DP 13～24） 組成雙螺旋結(jié)構(gòu)，在淀粉顆粒的半結(jié)晶生長(zhǎng)環(huán)內(nèi)組成結(jié)晶片層。例如，較長(zhǎng)的A 鏈和B1 鏈可以形成較長(zhǎng)的雙螺旋結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其解離需要較高的溫度才能完成。相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)，直鏈淀粉含量相近的品種在糊化品質(zhì)上仍有很大差別，原因是由于支鏈淀粉的精細(xì)結(jié)構(gòu)不同[31]。支鏈淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)包括鏈長(zhǎng)和鏈長(zhǎng)分布、平均鏈長(zhǎng)（CL）、平均外鏈長(zhǎng)（ECL）、平均內(nèi)鏈長(zhǎng)（ICL）、A∶B 值等參數(shù)。水稻支鏈淀粉在不同鏈長(zhǎng)范圍的支鏈數(shù)量比例與淀粉的糊化溫度相關(guān)[32]，而與淀粉的膠稠度和RVA 譜的性質(zhì)關(guān)系不密切[33]。研究表明，淀粉的鏈長(zhǎng)結(jié)構(gòu)是影響淀粉糊化的主要因素，支鏈淀粉的CL、ECL、A∶B 值對(duì)淀粉RVA 成糊特性及DSC 熱特性有較大影響，且低CL、ECL 及高A∶B 值的稻米淀粉RVA 成糊特性較好、糊化溫度較低[34]。支鏈淀粉聚合度（DP） 為6～9 的短鏈?zhǔn)购瘻囟认陆?；聚合度?2～22 的中鏈?zhǔn)沟闷鹗己瘻囟壬仙?；聚合度?5 的支鏈淀粉長(zhǎng)鏈降低了支鏈淀粉終止糊化溫度及熱焓值[35]。

水稻淀粉顆粒的微觀結(jié)構(gòu)圖見圖1。

3 非淀粉成分對(duì)淀粉糊化特性的影響

3.1 脂類

稻米中的脂肪多為優(yōu)質(zhì)的不飽和脂肪酸（如油酸、亞油酸等） 對(duì)人體有益成分，其含量雖不高，卻對(duì)淀粉溶脹、糊化特性有較大影響。脂類化合物能和淀粉分子生成絡(luò)合結(jié)構(gòu)復(fù)合物，其相互作用過程伴隨著環(huán)境及其他因素的變化而變化，并且淀粉-脂類復(fù)合物在淀粉顆粒的糊化、膨脹與溶解等方面有著顯著的抑制作用[36]。研究發(fā)現(xiàn)，脫脂后的稻米比未脫脂的稻米具有更高的熱漿黏度、冷膠黏度、消減值、糊化溫度[37]。有學(xué)者認(rèn)為，脂類可以用一層膜覆蓋在淀粉表面，增加疏水性，并抑制水分向淀粉顆粒的轉(zhuǎn)移[38]，從而限制了淀粉糊化過程中的吸水膨脹，降低淀粉的峰值黏度，而且由于其良好的直鏈淀粉結(jié)合能力，還可以在糊化時(shí)形成直鏈淀粉- 脂肪酸復(fù)合物，降低糊化焓[39]。脂肪酸的添加量不同作用也不同，小于4%時(shí)，大米淀粉的熱特性特征值（起始溫度、峰值溫度、終止溫度和糊化焓） 均降低，達(dá)到4%后，基本沒有變化[40]。所添加的脂肪酸種類不同對(duì)大米淀粉糊化性質(zhì)的影響也不同，如硬脂酸和亞油酸的加入均能降低淀粉的峰值黏度，但硬脂酸對(duì)淀粉峰值黏度的影響程度更大[41]。

3.2 蛋白質(zhì)

稻米中蛋白質(zhì)含量?jī)H次于淀粉，不同種類的蛋白質(zhì)及其含量對(duì)淀粉糊化特性的影響有所差異。Baxter G 等人[42]將谷蛋白以不同含量添加到純大米淀粉中，發(fā)現(xiàn)谷蛋白使得淀粉糊化溫度升高；并且大多數(shù)淀粉的參數(shù)變化與蛋白質(zhì)含量呈線性相關(guān)。反之，如果添加豌豆蛋白、乳清蛋白和球蛋白則會(huì)促進(jìn)淀粉糊化，顯著降低大米淀粉的峰值黏度和最終黏度[43]，其原因可能是豌豆蛋白、乳清蛋白和球蛋白可以作為增塑劑，防止大米淀粉凝膠中的直鏈淀粉分子重排，從而降低淀粉糊化黏度[44]。

蛋白質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是影響糊化特性的重要因素之一。研究發(fā)現(xiàn)，大米淀粉在糊化過程中，蛋白質(zhì)能在淀粉表面形成網(wǎng)絡(luò)狀的連續(xù)結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到保護(hù)淀粉顆粒并抑制其糊化的目的[45]。同時(shí)，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的二硫鍵限制了淀粉糊化時(shí)的膨脹，蛋白質(zhì)中二硫鍵含量變化可引起稻米淀粉糊化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)性質(zhì)發(fā)生改變[30，46]。另外，蛋白質(zhì)也能通過和淀粉競(jìng)爭(zhēng)水分而推遲糊化過程，使得糊化溫度升高[47-48]。

3.3 多酚

近年來，多酚常作為一種功能和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被添加到淀粉食品中，利用多酚與淀粉分子之間的相互作用，使得淀粉分子的結(jié)構(gòu)特征發(fā)生改變，從而改善了淀粉的糊化特性。李蟠瑩[49]研究發(fā)現(xiàn)，隨著原花青素添加量的增加，大米淀粉的峰值黏度、谷值黏度和終值黏度均有所上升，而崩解值和糊化溫度呈下降趨勢(shì)，大米淀粉變得更容易糊化，說明原花青素的添加促進(jìn)了大米淀粉的糊化，與任順成等人[50]研究結(jié)果相一致，且后者發(fā)現(xiàn)兒茶素、咖啡酸、沒食子酸、綠原酸和阿魏酸可顯著降低淀粉糊化的起始黏度。此外，某些多酚如茶多酚，還通過影響糊化過程中大米淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的改變和水分遷移的分布，降低了傳導(dǎo)加熱下大米淀粉的糊化溫度值與糊化焓值[51]。糙米中也含有大量的多酚類物質(zhì)，且主要集中在米糠中，糙米多酚可抑制淀粉的糊化，降低淀粉的成糊黏度，其原因可能是淀粉在熱處理的過程中，糙米多酚的親水性羥基與淀粉相互作用，改變了淀粉分子晶體與非晶體間的耦合力，導(dǎo)致糊化難度增加[52]。

3.4 礦物質(zhì)

礦物質(zhì)是機(jī)體正常運(yùn)轉(zhuǎn)所必需的物質(zhì)，由于缺乏適當(dāng)?shù)拿赶到y(tǒng)，礦物質(zhì)不能在人體內(nèi)合成。為了預(yù)防因過度加工或飲食結(jié)構(gòu)不平衡而引起的代謝性疾病，礦物質(zhì)常作為一種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被添加到淀粉食品中，同時(shí)也會(huì)影響淀粉的糊化特性。如氯化鈣和氯化鋅等可促進(jìn)淀粉的糊化，而硫酸鎂和氟化鈉卻能抑制淀粉的糊化[53]。一般來說，與陽(yáng)離子相比，陰離子成分對(duì)淀粉糊化的影響較大，會(huì)優(yōu)先與淀粉相互作用；而在陽(yáng)離子中，二價(jià)離子的糊化焓明顯弱于一價(jià)離子，可能是更易與淀粉中的水分子相結(jié)合，導(dǎo)致淀粉疏水作用力變強(qiáng)[54-55]。在稻米的碾磨加工過程中，稻米中的一些微量元素（如Fe、Mn 等） 會(huì)隨著碾磨程度的提高而逐漸降低，并導(dǎo)致淀粉的最高黏度、熱漿黏度和崩解值逐漸增加[56]。

3.5 小分子有機(jī)物

小分子有機(jī)物（如氨基酸、糖等） 由于具有抗氧化、抑菌和提高免疫力等生理功能，常將其加入到淀粉食品中，但這類物質(zhì)的添加會(huì)對(duì)淀粉的性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響[44]。例如，帶電物質(zhì)（礦物質(zhì)和氨基酸等） 可能會(huì)與淀粉鏈之間通過氫鍵出現(xiàn)靜電作用，導(dǎo)致淀粉顆粒熱穩(wěn)定性改變，會(huì)提高淀粉的起始糊化溫度和峰值溫度，并且促進(jìn)直鏈淀粉的析出、抑制淀粉顆粒膨脹[57-58]。

林楠、于中玉等人[59-60]研究發(fā)現(xiàn)，麥芽糖和木糖的添加均能顯著降低糯米淀粉的峰值黏度、終值黏度和回生值，同時(shí)增加糯米淀粉的糊化溫度和糊化焓值，且隨著麥芽糖和木糖添加量的增加而升高，其原因可能是糖在淀粉無定形區(qū)形成糖- 淀粉分子間相互作用，從而增加了淀粉糊化的難度；也可能由于小分子糖能夠破壞淀粉顆粒表面的水化膜，降低水分活度，導(dǎo)致直鏈淀粉溶出減少，糊化溫度和糊化焓升高[61]。此外，糖還可以顯著改變淀粉內(nèi)部分子之間的排序，不同類型的糖分子其改變的程度也不同，并進(jìn)而影響淀粉糊化特性[62]。

4 相關(guān)基因?qū)Φ矸酆匦缘挠绊?/h2>

淀粉的合成過程具有復(fù)雜的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，涉及到的基因很多，例如參與直鏈淀粉的合成的GBSS基因、控制淀粉鏈延伸的SSS 基因、與支鏈淀粉合成有關(guān)的SBE 系列基因、參與淀粉水解的ISA 和PUL 基因以及導(dǎo)致粉質(zhì)胚乳的FLO 系列基因等，其中GBSS 和SSS 基因的參與在較大程度上影響了淀粉的糊化特性。

4.1 顆粒結(jié)合型淀粉合酶（GBSS）

GBSS 通過與淀粉顆粒特異性結(jié)合，參與直鏈淀粉的合成。水稻GBSS 有2 種同工酶，分別為GBSSⅠ和GBSSⅡ；GBSSⅠ主要控制水稻胚乳中直鏈淀粉的合成，是目前主要研究的GBSS 同工酶，而GBSSⅡ主要合成莖、葉等營(yíng)養(yǎng)器官中臨時(shí)性淀粉的直鏈淀粉，目前的研究主要集中在GBSSⅠ上。

在水稻中，GBSSⅠ由Wx 基因編碼，在該基因座上存在3 種等位基因：Wx、Wxa 和Wxb，分別存在于糯稻、秈稻和粳稻中。研究表明，不同水稻品種中Wx 基因表達(dá)水平直接決定了其胚乳中直鏈淀粉的含量[63]。陳專專等人[64]研究發(fā)現(xiàn)，含Wxa 等位基因稻米的糊化溫度極顯著低于Wx 型和Wxb 型的近等基因系，且Wx 等位變異主要對(duì)稻米的峰值黏度、峰值時(shí)間和冷膠黏度產(chǎn)生影響。在支鏈淀粉鏈長(zhǎng)分布中，DP≥37 的支鏈統(tǒng)稱為超長(zhǎng)鏈，GBSSⅠ不僅可以通過調(diào)節(jié)直鏈淀粉的合成，影響淀粉的糊化特性，還對(duì)淀粉顆粒中支鏈淀粉超長(zhǎng)鏈的合成有一定的影響。Hanashiro I 等人[65]發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)入了GBSSⅠ基因的Wx 基因水稻突變體，其支鏈淀粉超長(zhǎng)鏈增加了8%左右。

4.2 可溶性淀粉合成酶（SSS）

SSS 主要控制支鏈淀粉合成中淀粉鏈的延伸，包括SSI、SSII、SSIII、SSIV 4 類。在水稻中存在多種同工型基因編碼SSS，其中SSI、SSIIa、SSIIIa 在水稻胚乳中表達(dá)。并且不同的SSS 決定著支鏈淀粉的鏈長(zhǎng)分布，而支鏈淀粉的鏈長(zhǎng)分布與淀粉糊化特性密切相關(guān)。

SSI 的主要功能是將A 鏈或B 鏈上DP6～7 的短鏈延伸為DP8～12，即負(fù)責(zé)支鏈淀粉短鏈的延伸，但SSI 的缺失對(duì)淀粉顆粒的形狀、大小以及淀粉的結(jié)晶度沒有產(chǎn)生影響[66]。SSIIa 基因也稱為ALK 基因，研究發(fā)現(xiàn)在相同Wx 基因型背景下，ALK 等位基因主要影響稻米R(shí)VA 譜的起漿溫度，且稻米R(shí)VA 特性受Wx 基因和ALK 基因的共同影響[64]。在水稻胚乳中，SSIIa 通過延長(zhǎng)支鏈淀粉中的DP6～10 的短鏈，形成D13～24 的中長(zhǎng)鏈，進(jìn)而影響淀粉的糊化溫度[67-68]。從水稻支鏈淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)來看，DP6～9 的短鏈與稻米糊化熱性能密切相關(guān)，其與稻米起始糊化溫度、峰值溫度、終止溫度及起始成糊溫度存在顯著負(fù)相關(guān)，DP12～22 的中長(zhǎng)鏈則與之相反[69-70]。賀曉鵬等人[33]的研究發(fā)現(xiàn)，在水稻支鏈淀粉中，不同鏈長(zhǎng)范圍內(nèi)的支鏈數(shù)量比例與淀粉的糊化溫度相關(guān)，其中短鏈（ΣDP6～12） 與中短鏈（ΣDP6～24） 的比值與淀粉糊化特性顯著相關(guān)。SSIIIa 主要負(fù)責(zé)延伸DP≥25的長(zhǎng)鏈，并在支鏈淀粉B2到B4鏈的延伸過程中起著有重要作用。除此之外，SSIIIa 活性的缺失還會(huì)導(dǎo)致SSI 與Wx 轉(zhuǎn)錄的增強(qiáng)[71]。

5 結(jié)語(yǔ)

淀粉糊化特性作為評(píng)價(jià)稻米品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，一方面直接影響稻米的蒸煮食味品質(zhì)，決定了人們對(duì)其的可接受程度；另一方面與水稻的釀造特性密切相關(guān)，并且易糊化的稻米品種能大大降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。研究了灌漿期的溫度和光照、不同水稻品種、非淀粉成分（脂類、蛋白質(zhì)、多酚、礦物質(zhì)、小分子化合物）、淀粉成分，以及相關(guān)酶和基因等對(duì)水稻淀粉糊化特性的影響規(guī)律，旨在增強(qiáng)對(duì)淀粉糊化的理解，以期為水稻淀粉糊化過程的合理控制和提高稻米品質(zhì)提供理論基礎(chǔ)。

目前，關(guān)于淀粉糊化的分子機(jī)理尚不完全清楚，淀粉在糊化過程的分子結(jié)構(gòu)變化和規(guī)律還需要更深入的研究。此外，關(guān)于淀粉糊化對(duì)人體健康的影響也是目前的研究熱點(diǎn)。例如，過度糊化的淀粉可能會(huì)導(dǎo)致高血糖、胰島素抵抗等問題。因此，今后的研究可以從淀粉糊化與健康的關(guān)系著手，并探索減少淀粉過度糊化對(duì)健康影響的方法。