楊 歡 黃天琪 施 凱 陸大雷 陸衛(wèi)平

(揚州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理國家重點實驗室培育點；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)

糯玉米淀粉形成過程中理化特性的變化

楊 歡 黃天琪 施 凱 陸大雷 陸衛(wèi)平

(揚州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理國家重點實驗室培育點；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)

為闡明糯玉米淀粉形成過程中理化特性的變化趨勢。以6個糯玉米品種為材料，研究了其在花后7 d(淀粉初始期)、22 d(乳熟期)、40 d(成熟期)的淀粉理化特性。結(jié)果表明，新形成的淀粉粒為圓型或橢圓型，表層光滑，而鮮食期和成熟期淀粉粒呈不規(guī)則的多面體，表層粗糙。淀粉粒徑和尖峰強(qiáng)度隨生育進(jìn)程推進(jìn)逐漸加大(升高)。最大吸收波長和碘結(jié)合力以新形成的淀粉粒最高，其次是成熟期。RVA和DSC特征參數(shù)在不同生育階段的變化品種間有顯著差異?？傮w上，隨著發(fā)育進(jìn)程推進(jìn)，淀粉峰值黏度、崩解值、熱焓值和回生熱焓值先升后降，而回生值、糊化和峰值溫度逐漸下降。淀粉形成過程中淀粉粒形態(tài)、大小、晶體結(jié)構(gòu)和鏈長分布發(fā)生變化，改變了淀粉糊化和熱力學(xué)特性。

晶體結(jié)構(gòu) 淀粉粒 發(fā)育時期 理化特性 糯玉米

谷物淀粉由支鏈淀粉和直鏈淀粉組成，在胚乳中以淀粉粒形式存在[1]。玉米是世界淀粉的主要來源，占據(jù)全球淀粉市場80%左右的份額[2]。根據(jù)淀粉中直鏈淀粉含量的不同，玉米可分為糯玉米、普通玉米、高直鏈玉米以及甜玉米等不同類型[3-4]。不同類型玉米淀粉中，糯玉米淀粉由近100%支鏈淀粉組成，具有高黏度、高透明度、高穩(wěn)定性、易消解、低回生等特點[5]。

玉米授粉后籽粒開始發(fā)育，5～8 d淀粉開始形成[6-7]。剛形成的淀粉粒呈圓形或橢圓型，隨著籽粒胚乳發(fā)育，受空間限制影響，形狀開始變成不規(guī)則的多面體[6,8]。研究表明，隨著籽粒發(fā)育，普通玉米直鏈淀粉含量逐漸升高，支鏈淀粉分支鏈長度先升后降[6]。高直鏈玉米由于直鏈淀粉和支鏈淀粉長鏈雙螺旋中間物質(zhì)微晶的增加，導(dǎo)致抗性淀粉含量增加[9]。糯玉米中鮮食期支鏈淀粉平均鏈長顯著高于成熟期[8]。淀粉結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致淀粉膨脹特性、糊化特性和熱力學(xué)特性發(fā)生變化[6,8-9]。其他作物如水稻[10-11]、小麥[12]、甘薯[13]、菱角[14-15]、馬鈴薯[16-17]淀粉理化特性均隨籽粒發(fā)育進(jìn)程推進(jìn)發(fā)生變化。糯玉米淀粉理化特性在不同發(fā)育階段的變化趨勢鮮有相關(guān)研究。因此，本研究以6個糯玉米品種為材料，分析了其在花后7、22、40 d(分別代表淀粉發(fā)育早期、中期和后期)的淀粉粒大小和形態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)、碘染色、糊化及熱力學(xué)特性。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計與儀器

供試材料為糯玉米區(qū)域試驗審定品種，分別為蘇玉糯5號、京科糯2000、農(nóng)科玉301、渝糯7號、蘇科糯3號、鮮玉糯4號，編碼分別為a～f。試驗于2013年在揚州大學(xué)進(jìn)行，土質(zhì)為砂壤土，地力中等。采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，7月1日播種，小區(qū)面積24 m2。種植密度為60 000株/hm2，基肥施N/P2O5/K2O=15%/15%/15%的復(fù)合肥500 kg/hm2，移栽前深施，拔節(jié)期追施純氮150 kg/hm2，其他管理措施統(tǒng)一按常規(guī)要求實施。開花期人工輔助套袋授粉，分別于花后7 d(淀粉形成初始期)、22 d(中期或乳熟期)、40 d(后期或成熟期)取6個果穗，分離淀粉后用于理化特性分析。

D8 Advance X射線衍射儀：德國Bruker-AXS公司；3D快速黏度分析儀(RVA)：澳大利亞Newport Scientific公司；200F3差示掃描量熱儀：德國NETZSCH公司；S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡：日本日立公司；Mastersizer 2000激光衍射粒度分析儀：英國Malvern公司；5415D小型臺式高速離心機(jī)：德國Eppondorf公司；TDL-5飛鴿臺式離心機(jī)：上海安亭公司；JYL-350九陽料理機(jī)：浙江九陽公司。

1.2 測定指標(biāo)與方法

1.2.1 淀粉分離[5]

稱取100～200 g籽粒，純凈水洗凈后放入500 mL的廣口瓶內(nèi)，加入500 mL含1 g/L SO2純凈水浸泡48 h，中間換水1次，然后用磨漿機(jī)粉碎后過100目篩，漿液倒入1 000 mL廣口瓶中靜置2 h，然后將沉淀部分轉(zhuǎn)入50 mL離心管中，3 000×g離心10 min后用稱樣勺去除上部蛋白質(zhì)等雜質(zhì)，重復(fù)3次，得到淀粉。

1.2.2 淀粉粒形態(tài)、大小和分布測定[5,7]

將淀粉樣品用雙面膠帶將其粘附于載物臺上，在SCD 500離子濺射噴鍍儀內(nèi)將其噴金，然后用場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察淀粉粒形態(tài)與結(jié)構(gòu)并照相，電鏡加速電壓為20～25 kV。淀粉粒大小和分布用激光衍射粒度分析儀測定。

1.2.3 碘結(jié)合力[7]

參照本課題組報道的方法測定碘結(jié)合力[7]。最大吸收波長為500～700 nm間最大吸光值處的波長，碘結(jié)合力為635 nm處和520 nm處的吸光值之比。

1.2.4 晶體結(jié)構(gòu)[5]

采用X射線衍射分析儀測定淀粉晶體結(jié)構(gòu)。測定在200 mA和40 kV下操作，衍射角2θ的旋轉(zhuǎn)范圍為3°～40°，每0.6 s掃描0.04°。

1.2.5 糊化特性[5]

采用RVA測定糊化特性，并用TCW(Thermal Cycle for Windows)配套軟件分析。稱取1.96 g淀粉(干基)，加入26.04 g超純水，配制質(zhì)量濃度為7%的糯玉米淀粉糊。黏度值用“cP”表示。

1.2.6 熱力學(xué)特性[5]

稱取5 mg淀粉(干基)，加10 μL超純水，將樣品鋁盒密封后置于4 ℃冰箱平衡過夜，測試前取出回溫1 h，然后放入差示掃描量熱儀中測定，以10 ℃/min使鋁盒溫度由20 ℃升至100 ℃，以密封空白鋁盒作參照。記錄和計算起始溫度、峰值溫度、終值溫度、熱焓值。將分析樣品于4 ℃保存7 d后進(jìn)行淀粉回生特性分析。將樣品鋁盒以10 ℃/min由20 ℃升至100 ℃，以密封空白鋁盒作參照，記錄和計算回生熱焓值和回生值?；厣?回生淀粉熱焓值/原淀粉熱焓值。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)利用DPS 7.05進(jìn)行統(tǒng)計和相關(guān)分析，采用最小顯著差異法(LSD0.05)檢驗平均數(shù)。用Excel 2010作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 淀粉粒形態(tài)、大小和分布

淀粉發(fā)育初期(7 DAP)，大部分淀粉粒呈表層光滑的圓形或橢圓型。在中期和后期，淀粉粒呈不規(guī)則的多面體狀，部分顆粒表層有凹陷(圖1)。有研究亦發(fā)現(xiàn)成熟期較鮮食期淀粉粒中多面體數(shù)量增加[8]。這是由于籽粒發(fā)育過程中子房壁形成果皮，胚乳逐漸增大，淀粉粒開始堆積，空間限制所致[6,8]。成熟期淀粉粒表層有凹陷或斑點主要是籽粒發(fā)育過程中α-淀粉酶水解所致[18]。隨著籽粒發(fā)育進(jìn)程推進(jìn)，淀粉粒逐漸變大，淀粉形成初期、中期和后期其平均粒徑分別為5.9～9.4 μm，11.3～15.0μm，13.4～16.0 μm(圖2)。在不同作物上研究均表明隨淀粉發(fā)育進(jìn)程推進(jìn)，淀粉粒逐漸增大[6-9,13-17]。淀粉粒大小不同品種間有顯著差異，淀粉形成初期鮮玉糯4號最低，蘇科糯3號最高；中期蘇科糯3號最低，京科糯2000最高；后期渝糯7號最低，農(nóng)科玉301最高。這種差異表明淀粉發(fā)育進(jìn)程不同品種間有顯著差異。

注：a～f分別為蘇玉糯5號、京科糯2000、農(nóng)科玉301、渝糯7號、蘇科糯3號、鮮玉糯4號;E、M、L分別代表早期、中期和后期，余同。圖1 不同發(fā)育時期糯玉米淀粉粒形態(tài)結(jié)構(gòu)

圖2 不同發(fā)育時期糯玉米淀粉粒徑分布

2.2 晶體結(jié)構(gòu)

X-射線衍射被廣泛用于研究淀粉晶體結(jié)構(gòu)[19]。所有樣品均在2θ=17°,18°,15°和23°有顯著的峰值，為典型的“A”型衍射特征；20°的尖峰強(qiáng)度較低，為典型的糯性特征(圖3)。相似的衍射特征表明淀粉的半微晶結(jié)構(gòu)是其內(nèi)在特性，不受發(fā)育時期影響。

a

b

c

d

e

f

高直鏈玉米[9]、普通稻米[11]和馬鈴薯[16]上均發(fā)現(xiàn)淀粉衍射類型在不同發(fā)育時期沒有發(fā)生改變，而高直鏈稻米淀粉隨著生育進(jìn)程推進(jìn)直鏈淀粉含量增加，淀粉衍射類型由A型向C型轉(zhuǎn)變[11]。隨生育進(jìn)程推進(jìn)，除了農(nóng)科玉301淀粉的尖峰強(qiáng)度在早期和中期相似外，其他5個品種均逐漸增加。淀粉形成初期較低的尖峰強(qiáng)度主要由于淀粉粒較小所致[20-21]，這一結(jié)論在甘薯[13]和菱角[14-15]淀粉上亦得到了證實。

2.3 碘染色特性

淀粉的碘結(jié)合特性與淀粉結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系[22]，淀粉碘結(jié)合力可簡單評估支鏈淀粉中長鏈比例[23]。本研究結(jié)果表明，糯玉米淀粉最大吸收波長和碘結(jié)合力在淀粉形成初期最高，中期最低(圖4)，這表明糯玉米淀粉在形成初期支鏈淀粉中長鏈比例較多，與前期研究結(jié)果相似[7]。亦有研究表明，鮮食期糯玉米淀粉的平均鏈長較高，但長鏈(DP≥37)比例對收獲時期的響應(yīng)品種間有顯著差異[8]。普通玉米支鏈淀粉平均鏈長和DP≥37的長鏈比例在10 DAP時顯著低于成熟期[6]，這種差異可能是由于兩者的淀粉組成不同所致。

圖4 不同發(fā)育時期糯玉米淀粉碘染色特性

2.4 淀粉糊化特性

糯玉米淀粉糊化特性品種間、發(fā)育時期間均有顯著差異(表1)。糊化溫度總體上隨著胚乳淀粉發(fā)育進(jìn)程推進(jìn)逐漸下降，這與糯玉米粉[6]、馬鈴薯淀粉[16-17]和甘薯淀粉[13]上的研究結(jié)果相似。不同時期間相比，早期(7 DAP)淀粉峰值黏度最低，蘇科糯3號中期和后期沒有差異，鮮玉糯4號后期較高，而其他4個品種中期較高。崩解值京科糯2000在不同時期無顯著差異，其他5個品種均在中期最高，早期最低。亦有研究表明，糯玉米淀粉峰值黏度隨著收獲期推遲呈先升后降趨勢[8]，而糯玉米粉峰值黏度隨生育進(jìn)程推進(jìn)逐漸升高[7]。菱角[14-15]和甘薯[13]的研究則表明淀粉峰值黏度、終值黏度、崩解值和回復(fù)值隨著生育進(jìn)程推進(jìn)逐漸升高。與成熟期相比，米粉15 DAP時峰值黏度和崩解值較高，回復(fù)值較低[10]。本研究中期淀粉峰值黏度較高的原因可能是中等大小的淀粉粒比例較多所致[24]。不同品種的谷值黏度和終值黏度對不同發(fā)育時期的響應(yīng)品種間有顯著差異，但總體而言這2個參數(shù)在早期處理下較高，中期和后期處理下無顯著差異?；貜?fù)值不同時期間無顯著差異，且較低的回復(fù)值(63～406 cP)表明糯玉米淀粉糊化冷卻過程中重新聯(lián)結(jié)形成凝膠程度較低。Ketthaisong等[8]亦發(fā)現(xiàn)不同收獲時期下糯玉米淀粉的回復(fù)值變幅為7.1～26.8 RVU(1 RVU=12 cP)。糯玉米淀粉較低的回復(fù)值表明其不易回生。

表1 不同發(fā)育時期糯玉米淀粉糊化特性

注：同一列中均值不同字母表示0.05水平上有顯著差異，*為P<0.05，**為P<0.01，余同。

2.5 淀粉熱力學(xué)特性

隨發(fā)育進(jìn)程推進(jìn)，京科糯2000和農(nóng)科玉301淀粉熱焓值逐漸下降，其他4個品種先升后降(表2)。總體上熱焓值在中期最高，后期最低。糯玉米粉[7]、普通玉米淀粉[6]和甘薯淀粉[13]亦有相似的研究結(jié)果。Cai等[10]發(fā)現(xiàn)米粉在10 DAP時熱焓值高于40 DAP。而馬鈴薯[16-17]和菱角[14]淀粉熱焓值在后期收獲時較高。隨發(fā)育進(jìn)程推進(jìn)，淀粉起始溫度和峰值溫度逐漸下降，終值溫度在成熟期最低，早期和中期處理下無顯著差異。這與糯玉米粉[7]、米粉[10]、馬鈴薯淀粉[16-17]和甘薯淀粉[13]的研究結(jié)果相似，亦與RVA測定的糊化溫度變化趨勢相似。

表2 不同發(fā)育時期糯玉米淀粉熱力學(xué)特性

膠凝淀粉冷藏后發(fā)生回生。隨發(fā)育進(jìn)程推進(jìn)，淀粉回生熱焓值除農(nóng)科玉301在成熟期最低，早期和中期時無顯著差異外，其他品種均呈先升后降趨勢?；厣惦S發(fā)育進(jìn)程推進(jìn)逐漸下降，早期回生值較高的原因主要是淀粉中長鏈比例較高，易發(fā)生回生所致[6]。而糯玉米粉在早期時籽粒淀粉含量較低，回生值較低[7]。不同時期淀粉回生值品種間有顯著差異，如中期(鮮食期)以蘇科糯3號最低，京科糯2000最高；后期(成熟期)以蘇科糯3號最高，蘇玉糯5號最低，這種差異為根據(jù)用途選擇品種提供了參考。

3 結(jié)論

3.1 新形成的淀粉粒呈表面光滑的圓形或橢圓型，而中期和后期由于胚乳發(fā)育空間限制導(dǎo)致淀粉粒呈不規(guī)則的多面體，表面有凹陷或斑點。

3.2 淀粉粒粒徑和尖峰強(qiáng)度隨著籽粒發(fā)育逐漸變大(增加)。支鏈淀粉中長鏈比例隨著淀粉發(fā)育先降后增。

3.3 隨著胚乳淀粉發(fā)育，峰值黏度和崩解值先升后降。糊化和膠凝溫度逐漸降低。熱焓值京科糯2000和農(nóng)科玉301隨籽粒發(fā)育逐漸降低，其他品種先升后降。回生值不同品種變化各異，但總體上逐漸下降。

志謝:江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程和江蘇高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊資助項目。

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Physicochemical Properties of Waxy Maize Starch at Different Developmental Stages

Yang Huan Huang Tianqi Shi Kai Lu Dalei Lu Weiping

(Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology/Co-Innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops,Yangzhou University,Yangzhou 225009)

In order to clarifying the change of waxy maize starch physicochemical characteristics during starch formation,physicochemical properties of waxy maize starch at early form stage(7 DAP),middle milk-ripe stage(22 DAP)and late full-ripe stage(40 DAP)were studied using six varieties as materials.The results indicated that newly formed starch granules were round or oval with smooth surface,whereas starch granules at milk-ripe and full-ripe stages were irregular or polygonal with uneven surface.The starch granule size and peak intensities of starch increased gradually with grain development.The newly formed starch had highest maximum absorption wavelength and iodine-binding capacity,followed by full-ripe starch.The RVA and DSC parameters in response to stages depended on varieties.Generally,the starch peak viscosity,breakdown viscosity,gelatinization and retrogradation enthalpy rose first and fell later,while retrogradation percentage,pasting and peak temperature gradually decreased with the grain development.In conclusion,the change of starch granule morphology and size,crystalline structure and proportion of long chains in amylopectin during grain development induced the change of starch pasting and thermal property.

crystalline structure,granule size,developmental stage,physicochemical property,waxy maize

國家自然科學(xué)基金(31271640,31471436)，江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項目(14KJA210004)

2015-10-16

楊歡，女，1984年出生，博士，栽培生理

陸衛(wèi)平，男，1958年出生，教授，博士生導(dǎo)師，栽培生理

S513

A

1003-0174(2017)05-0043-07