灌漿期田間自然低溫對稻米蒸煮食味品質的影響

張冬夢， 姚棟萍， 吳俊， 羅秋紅， 莊文， 劉雄倫， 鄧啟云， 柏斌*

（1.湖南農業大學農學院，長沙 410128； 2.湖南雜交水稻研究中心，雜交水稻國家重點實驗室，長沙 410125）

人們食用的大米多為糙米碾白后的精米（胚乳），其主要成分是淀粉。蒸煮食味品質是構成稻米品質的重要方面，其與稻米淀粉的組成和其理化特性密切相關[1-2]。直鏈淀粉含量一直被視為評價稻米蒸煮食味品質的重要指標[3-5]，然而在一些中等或高表觀直鏈淀粉含量（apparent amylose content, AAC）的水稻品種中，直鏈淀粉含量不具有決定性作用，部分AAC相似的水稻品種，其米飯質地卻相差甚遠。研究認為，這主要是因為稻米的蒸煮食味品質受直鏈淀粉影響的同時，也與支鏈淀粉的鏈長分布密切相關[6]。因此，通常將快速黏度分析儀（rapid visco analyzer, RVA）測定的RVA譜特征參數與AAC、膠稠度（gel consistency, GC）結合在一起，作為篩選優質稻米的重要依據[7-8]。一般來說，蒸煮食味品質好的品種，其RVA譜特征值的峰值黏度高、崩解值高、冷漿黏度低、消減值低、糊化溫度低[9]。

溫度是影響水稻籽粒灌漿的重要因素，水稻最適宜灌漿溫度為22～30 ℃，秈稻灌漿期如果日均溫低于22 ℃將影響水稻的產量和稻米品質，若低于20 ℃灌漿就會停止[10]。關于灌漿期低溫影響稻米品質的研究已有一定進展。莫惠棟[11]認為，在所有環境影響因素中，溫度對稻米品質的影響最大，尤其在抽穗至成熟期如遇低溫，則會使稻米堊白增加、蛋白質含量降低，從而導致稻米品質變劣。林洪鑫等[12]發現，灌漿期低溫使稻米的精米率、直鏈淀粉含量等指標下降，而堊白粒率和蛋白質含量增加，造成稻米整體食味品質降低。蔣李健[13]研究發現，灌漿期低溫有利于直鏈淀粉的積累。王士強等[14]研究表明，水稻灌漿期經低溫脅迫將使其糙米長寬比下降，糊化過程中的最高黏度和崩解值下降，消減值增加，食味品質降低。

雖然灌漿期低溫對稻米品質影響的研究已有一定進展，但多數集中在加工、外觀等指標上，通過檢測這些指標來說明低溫對品質的影響。而消費者最關心的稻米蒸煮食味品質及直接影響其品質的淀粉理化特性指標研究較少。另外，已有研究多數在半封閉或者封閉的溫室中進行，而在大田自然條件下的實際低溫環境研究較少。因此，本研究采用大田分期播種方式，篩選在灌漿期處于低溫和適溫的播期，研究灌漿期低溫對稻米淀粉理化特性的影響，揭示灌漿期低溫對稻米蒸煮食味品質影響的機制，建立不同水稻品種品質的低溫耐受性評價方法，以期為篩選和選育具有耐低溫優良品質的水稻品種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用生產上大面積推廣的7個高產優質水稻品種（組合）：‘晶兩優534’‘Y兩優900’‘Y兩優1928’‘黃華占’‘Y兩優911’‘野香優油絲’和‘桃優香占’，均由湖南雜交水稻研究中心提供。

1.2 試驗設計

2020年分3期在湖南雜交水稻研究中心長沙試驗基地播種，整體上播種移栽日期分別為：第1期3月28日播種，4月21日移栽；第2期5月7日播種，6月2日移栽；第3期6月16日播種，7月11日移栽。播種時依據品種生育期特征調整播種時間，以確保同一批次的水稻品種能夠在同一時間段抽穗。按湖南地區常規方法播種育秧，插秧的密度為23.3 cm×23.3 cm，每叢插單苗。完全隨機設計，7個品種每批播種種植10×30叢，試驗期間按中稻常規管理措施進行水分和病蟲害管理。

分期播種的田間材料出現始穗時，將自動溫光記錄儀HOBO (Onset Computer Corp, Bourne, MA,USA)放置在田中，并保持記錄儀的位置處在水稻材料的穗部高度，以準確記錄水稻品種穗部每天的溫度環境。田間至少放置3個HOBO溫光記錄儀，防止儀器本身存在偏差。待所有批次材料均成熟后，取回HOBO溫光記錄儀，提取并分析溫度數據。待稻株生理成熟后，對同一播種批次的同一水稻品種隨機抽取100穗，立即置于40 ℃烘箱中烘干，直至稻谷的水分達到14%后在室內自然條件下放置2個月，測定淀粉理化指標和食味值。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 不同播期溫度測定 利用自動溫光記錄儀HOBO測得3個播期水稻始穗后40 d的溫度。

1.3.2 稻米直鏈淀粉含量和膠稠度測定 直鏈淀粉含量的測定按照NY/T 2639—2014《稻米直鏈淀粉的測定 分光光度法》[15]，膠稠度測定按照NY/T 83—2017《米質測定方法》[16]。

1.3.3 黏度特性的測定 試驗采用PerkinElmer儀器公司生產的快速黏度分析儀RVA 4800進行黏度特性的測定，檢測指標包括峰值黏度（peak viscosity, PV）、谷值黏度（trough viscosity, TV）、崩解值（breakdown, BD）、最終黏度（cool paste viscosity, CPV）、消減值（setback, SB）、糊化溫度（gelatinization temperature， GT）、峰值時間（peak time， PT）等。具體試驗流程按照GB/T 24852—2010《大米及米粉糊化特性測定快速黏度儀法》[17]測定。

1.3.4 食味值和硬度、黏度的測定 利用日本佐竹米飯食味計（STA1B）測定水稻品種的食味值。稱量30 g精米置于不銹鋼罐中，加水浸泡30 min，將不銹鋼灌接上洗米裝置，用水沖洗約30 s至水流清澈，按照米水比1∶1.3的比例加入水后，在不銹鋼罐上蓋上濾紙，用橡皮套封好，放入電飯鍋內蒸煮30 min，保溫10 mim，冷卻器中冷卻20 min，冷卻結束后稱取7 g的米飯壓縮到恒容，利用食味計測定米飯的綜合食味值。利用配套的佐竹米飯黏度硬度計（RHS1A）測定米飯的黏度和硬度。

1.3.5 水稻品質低溫耐受程度的綜合評價 不同水稻品種的低溫耐受程度評價參考本研究組前期研究開發的方法，并稍作修改[18]。為了消除品種特異性的影響，計算所有水稻品種淀粉理化指標的性狀脅迫指數（index,I）作為試驗數據，評價不同稻米品質的低溫耐受程度。分別在低溫處理和常溫處理下測定淀粉相關理化指標，即低溫特性值(character values under low temperature，PVLT)和常溫特性值(character values under control temperature，PVCT)。性狀脅迫指數（I）采用公式（1）或公式（2）計算。如果淀粉理化指標經低溫脅迫后的變化與耐低溫能力的變化方向一致，采用公式（1），反之采用公式（2）。如崩解值（BD）經低溫脅迫后顯著降低，說明品種品質變差，耐低溫能力減弱，則性狀脅迫指數采用公式（1）計算，反之采用公式（2）。

主成分分析（principal component analysis，PCA）通過SPSS 24.0軟件將相互關聯的理化指標轉化為幾個獨立的主成分，被稱為綜合指標[19]。各綜合指標對應的隸屬函數值(U)由公式（3）計算。利用隸屬函數值公式計算各綜合指標的隸屬函數值，由各主成分貢獻對所有主成分總貢獻率的比值確定權重(W)，由Ux數值與Wx乘積的累積確定綜合評價值(D)。

式中，X是水稻品種群中某一品種的綜合指標的主成分值，Ux是其對應的隸屬函數值，Xmax和Xmin分別為本組所有試驗品種綜合指標主成分值的最大值和最小值[20]，n代表最后的綜合指標，Wx代表水稻品種群中某一品種的主成分貢獻對所有主成分總貢獻率的比值所確定的權重。

1.4 數據處理和分析

所有測定結果均采用(平均值±標準偏差)的形式，采用SPSS 24.0統計軟件對所得結果進行方差分析、Pearson相關性分析和主成分分析，差異顯著性分析采用Ducan法，P＜0.05表示差異顯著。利用Microsoft Excel軟件進行繪圖和隸屬函數公式的計算。

2 結果與分析

2.1 不同播期的溫度變化

依據不同品種自身生育期特點調整了播種時間，每個播期的水稻品種始穗期大致相同，7個品種在播期1、播期2和播期3的始穗期分別在7月18日、8月2日、9月18日左右。為覆蓋所有品種的整個灌漿期，統計分析始穗后40 d的日均溫變化。播期1和播期2每日平均溫度范圍分別為24～30 ℃和23～30 ℃，為常溫播期（control temperature,CT）；播期3始穗后40 d日均溫度范圍為13～25 ℃，有33 d日均溫低于22 ℃，被認定為低溫播期（low temperature, LT）。由圖1可知，播期1與播期3具有最大的溫度差，因此本研究主要針對播期溫度差異最大的播期1和播期3進行研究，探索灌漿期低溫對稻米淀粉理化指標和食味值的影響規律，進一步解析灌漿期低溫對稻米蒸煮食味品質的影響機制。

圖1 3個播栽期水稻品種始穗后40 d的日均溫Fig.1 Daily mean temperature of 40 days after initial heading stage of rice varieties in three sowing periods

2.2 灌漿期低溫對直鏈淀粉含量和膠稠度的影響

稻米的直鏈淀粉含量可以分為4類：極低直鏈淀粉含量（＜9%）、低直鏈淀粉含量（9%～20%）、中直鏈淀粉含量（20%～25%）和高直鏈淀粉含量（＞25%）[21]。由表1可知，選用的7個水稻品種常溫下直鏈淀粉含量（AAC）非常接近，在10%～15%之間，都屬于低直鏈淀粉類型。與常溫對照相比，灌漿期低溫使所有水稻品種的AAC均顯著升高，但仍屬于低直鏈淀粉類型。水稻品種的AAC對灌漿期低溫的響應在品種間存在差異，與常溫對照相比，‘黃華占’經低溫處理后的AAC變幅最小，‘Y兩優911’的AAC變幅最大。

表1 灌漿期自然低溫對稻米直鏈淀粉含量的影響Table 1 Effect on amylose content of natural low temperature during grain filling stage of rice

由圖2可知，不同品種的膠稠度對低溫的響應一致，灌漿期低溫使所有品種的膠稠度顯著降低，其中‘晶兩優534’與‘野香優油絲’受低溫影響最大，膠稠度極顯著下降。金正勛等[22]發現膠稠度與食味值呈正相關，米飯在一定范圍內偏軟是米飯好吃的重要標志之一，低溫脅迫使膠稠度降低至30～50 mm之間，使稻米蒸煮后變硬，口感變差。

圖2 灌漿期自然低溫對膠稠度的影響Fig.2 Effect on gel consistency of natural low temperature during grain filling stage of rice

2.3 灌漿期低溫對黏度特性的影響

從表2中可以看到，灌漿期低溫使所有水稻品種RVA譜特征參數中的峰值黏度（PV）、崩解值（BD）顯著降低，而使峰值時間（PT）顯著變長、糊化溫度（GT）顯著升高，所有品種的消減值（SB）經灌漿期低溫處理后顯著升高。各個品種的谷值黏度（TV）和最終黏度（CPV）對灌漿期低溫的響應不一致，灌漿期低溫使‘野香優油絲’和‘桃優香占’的TV顯著升高，‘Y兩優911’略微升高但差異不顯著，其余品種的TV降低。不同水稻品種的CPV變化方向差異很大，部分品種表現為顯著升高，另一部分品種表現為顯著降低或無顯著性改變。

表2 灌漿期自然低溫對稻米RVA譜特征參數的影響Table 2 Effect on characteristic parameters of rice RVA spectrum of natural low temperature during grain filling stage of rice

2.4 灌漿期低溫對精米硬度、黏度及食味值的影響

從表3可知，所有品種在低溫脅迫后硬度均增加，黏度和食味值顯著降低，食味品質變差。根據食味值的變幅，7個水稻品種耐低溫能力強弱依次為‘Y兩優911’＞‘黃華占’＞‘野香優油絲’＞‘晶兩優534’＞‘桃優香占’＞‘Y兩優900’＞‘Y兩優1928’。經灌漿期低溫處理后，‘Y兩優911’食味值變幅最小，而在常溫條件下食味值最高的‘Y兩優1928’隨著溫度的降低食味值下降最多。同樣在硬度和黏度方面，‘Y兩優911’的變幅也較小，而‘Y兩優1928’的變幅均最大。

表3 灌漿期自然低溫對硬度、黏度和食味值的影響Table 3 Effect on hardness， viscosity and taste value of natural low temperature during grain filling stage of rice

2.5 稻米品質生理指標與食味值的相關性

從表4可知，除CPV、TV和PT外，食味值與RVA譜特征值呈極顯著相關，其中與BD和PV呈極顯著正相關，與SB和GT呈極顯著負相關。食味值與AAC和GC分別呈極顯著負相關和正相關，與米飯硬度、黏度分別呈極顯著負相關和正相關。由此可知，稻米的BD、PV、GC和黏度越大，SB、GT、AAC和硬度越小，稻米的食味品質越好。然而，研究中并未發現CPV與食味值的相關性。在RVA譜特征值中，除CPV和TV外，其他指標之間都有極強的相關性。而TV和CPV與RVA譜特征值以外的指標如食味值、直鏈淀粉含量等相關性不是很大，同時低溫脅迫下TV、CPV在各品種中變化不一致，說明TV、CPV這2個指標對低溫脅迫的響應可能與其他理化指標不同。AAC與RVA譜特征值中除TV、CPV外的其他指標極顯著相關。AAC與GC間呈極顯著負相關。從淀粉理化指標和米飯食味特征與始穗后40 d的平均日均溫（ADT）相關性分析可知，除了黏度特性中的TV和CPV，其他淀粉理化指標，米飯黏度、硬度及食味值都和ADT顯著相關，說明淀粉理化指標和米飯的蒸煮食味品質受灌漿期始穗后40 d日均溫的影響。

表4 食味值、始穗后40 d平均日均溫及理化指標間的相關性分析Table 4 Correlation analysis of food taste value， average daily temperature and physical and chemical indexes in 40 d after the beginning of ear

2.6 不同水稻品種耐低溫能力分析

從表4可知，BD、SB、GT、PV、PT、AAC、GC與ADT顯著相關，這些淀粉理化指標對灌漿期低溫更敏感，因此用來評價不同水稻品種的低溫耐受程度。低溫下各理化指標的脅迫程度用處理組的性狀脅迫指數來評價，用SPSS軟件分析的標準數據見表5。

表5 不同水稻品種灌漿期自然低溫淀粉理化指標經SPSS處理標準值Table 5 Physical and chemical indexes of natural low temperature starch of different rice varieties at filling stage were treated by SPSS

通過PCA將相互關聯的BD、SB、GT、PV、PT、AAC、GC轉換為2個獨立的綜合指標，分別為F1和F2，累積貢獻率為75%，說明2個主成分可以解釋淀粉理化指標全部信息的75%。根據性狀脅迫指數的標準數據和各指標的主成分系數計算主成分值。進一步利用隸屬函數公式和各主成分的權重（W），計算不同水稻品種的綜合評價值（D值），詳見表6。根據D值，對不同水稻品種進行低溫耐受程度評價，7個水稻品種低溫耐受程度從強到弱依次為‘Y兩優911’＞‘Y兩優900’＞‘黃華占’＞‘桃優香占’＞‘野香優油絲’＞‘晶兩優534’＞‘Y兩優1928’。利用淀粉理化指標得到的不同品種耐低溫能力與利用食味值受低溫脅迫后變化幅度得到的順序具有相同趨勢，都表現為‘Y兩優911’受低溫脅迫影響最小，耐低溫能力最強，而‘Y兩優1928’在這些指標中變化幅度最大，耐低溫能力最弱，其余5個品種的耐低溫能力相似，處于中等水平。低溫脅迫下，蒸煮食味品質的改變是淀粉各理化指標綜合變化的結果，耐低溫能力強的水稻品種各生理指標受低溫脅迫的影響小，耐低溫能力弱的品種受低溫脅迫的影響大。

表6 不同水稻品種灌漿期自然低溫主成分、隸屬函數、權重和綜合評價Table 6 Principal component value， membership function value， weight value and comprehensive evaluation value of natural low temperature in different rice varieties at filling stage

3 討論

溫度對水稻籽粒淀粉形成和積累的影響很大，而灌漿期是水稻淀粉形成和積累的關鍵時期，若此時遭遇低溫，則會使得稻米的食味品質受到影響。本研究結果顯示，灌漿期低溫使直鏈淀粉含量、消減值、峰值時間、糊化溫度和米飯硬度顯著上升，膠稠度、峰值黏度、崩解值、米飯黏度和食味值顯著下降，最終導致稻米的蒸煮食味品質變差。通過稻米淀粉理化指標與食味值的相關性分析發現，崩解值、消減值、糊化溫度、峰值黏度、直鏈淀粉含量、膠稠度、米飯硬度、黏度與食味值極顯著相關，其中崩解值與食味值相關性最大。通過對7個品種稻米品質受低溫影響的比較發現，‘Y兩優911’的低溫耐受能力最強，‘Y兩優1928’耐受低溫能力最弱，其余5個品種低溫耐受能力相似。

灌漿期遇低溫脅迫會導致籽粒淀粉積累和有序結構的形成受到阻礙，進一步影響其糊化和黏度特性[23]。低溫脅迫對RVA譜特征參數的影響具有品種特異性，不同品種的各參數變化程度不同，TV和CPV對于低溫脅迫的響應機制復雜，導致各品種間的變化規律不一致。糊化溫度（GT）代表大米在蒸煮后，淀粉粒因加熱而快速吸水膨脹，從而使其結晶結構和雙折射消失時所處的臨界溫度，是評價稻米蒸煮品質的重要指標。低溫脅迫使稻米GT顯著升高，稻米在蒸煮過程中需要更多的水分和時間，使稻米的蒸煮變得更加困難[24]。峰值黏度（PV）在一定程度上反映了淀粉顆粒的吸水膨脹能力。本研究發現，低溫脅迫使PV顯著降低，說明在低溫下其淀粉顆粒的最大吸水膨脹力下降，進而導致其達到峰值黏度值時的時間延長，導致峰值時間變長，稻米蒸煮食味品質變差。崩解值（BD）和消減值（SB）是RVA的二級參數，食味品質好的稻米一般具有高的崩解值和低的消減值。在本研究中，低溫脅迫下BD顯著下降、SB顯著升高，使稻米的食味品質變差。

本研究還發現，稻米的直鏈淀粉含量、膠稠度和淀粉黏度特性指標與始穗后40 d日均溫顯著相關。但目前關于灌漿期低溫對直鏈淀粉含量的影響規律尚無定論。研究發現，孕穗期、抽穗期與灌漿期低溫脅迫導致稻米直鏈淀粉含量下降[25]。王士強等[14]認為單純孕穗期低溫使直鏈淀粉含量增加。而其他研究者認為，溫度對直鏈淀粉的影響與品種本身的直鏈淀粉含量類型密切相關，高直鏈淀粉含量類型品種與灌漿期日均溫呈正相關，而中低直鏈淀粉含量類型的品種與灌漿結實期溫度呈負相關[26-27]。本研究選用的均為低直鏈淀粉類型，隨著溫度的降低，直鏈淀粉含量呈上升趨勢，表現為與灌漿期溫度呈負相關。根據已有研究，灌漿期溫度對于直鏈淀粉含量的影響可能與顆粒結合淀粉合成酶對低溫脅迫的響應差異有關[24]。

從相關性分析中可以得知，淀粉理化指標與食味值密切相關，低溫脅迫影響稻米淀粉理化指標，進而影響稻米的食味值，對稻米的蒸煮食味品質有重要的影響[18,23]。根據我們的研究可推測出，低溫所造成的稻米蒸煮食味品質改變，可能與低溫脅迫下稻米淀粉的組成與結構的改變有關[18]。另外，利用稻米淀粉的理化指標，并輔以主成分分析與隸屬函數分析，可以得到不同水稻品種品質耐低溫的綜合評價值。進一步利用綜合評價值的強弱可以對不同水稻品種品質的耐低溫程度進行評價，得到的結果與通過食味值的變化幅度對品種品質耐低溫性的評價結果基本一致。