不同因素對水稻淀粉糊化特性影響的研究現狀

彭 濤，陳 科，鄭 佳，龔利娟，李楊華，馬振兵

（1. 四川輕化工大學生物工程學院，四川宜賓 644005；2. 四川省釀酒專用糧工程技術研究中心，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，是人們日常生活飲食中最主要的能量來源[2-3]。在探究稻米的食用品質和釀造特性等方面均離不開稻米蒸煮，而稻米蒸煮的同時又伴隨著淀粉糊化。淀粉糊化過程的實質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，水分子進入淀粉微晶束結構，分子的混亂度增加[4]。

淀粉只有在糊化后經糖化酶作用，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、擠壓和化學處理等，檢測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的一項重要指標，直接關系著稻米的食用品質和人們對稻米蒸煮后的可接受程度。目前的研究常見于單一因素對于淀粉糊化特性的影響，缺乏總結歸納多種因素對于淀粉糊化特性的影響。因此，綜述近年來不同因素對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和提高稻米品質提供理論參考。

1 主要環境因素對淀粉糊化特性的影響

溫度對水稻的生長至關重要，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量與質量[5-6]。對灌漿期的水稻進行低溫冷水脅迫后，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，進而影響淀粉的糊化特性[7-9]。同時，低溫處理還降低了水稻的糙米率和精米率，導致稻米品質變劣[7-8]。但是適當的低溫處理降低了灌漿速率，使灌漿過程更趨于均一，淀粉結構得到了優化，有助于改善水稻蒸煮食味品質[10-12]。在全球變暖趨勢的影響下，極端高溫天氣越來越頻繁，過高的環境溫度在一定條件下也會嚴重影響水稻淀粉的理化性質。高溫會使稻米直鏈淀粉含量和支鏈短鏈數量減少，中間支鏈增加，并導致稻米的糊化溫度、糊化焓和糊化黏度提高；但高溫并未改變淀粉的結晶類型，而是顯著影響了水稻淀粉的相對結晶度[13-14]。

光照是除溫度外另一能顯著影響稻米品質的環境因子，水稻灌漿期如果光照不足，其光合能力就會下降，從而導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]發現，稻米灌漿期的遮光脅迫會顯著降低直鏈淀粉含量、支鏈淀粉A 鏈比例，并導致淀粉顆粒的均勻度和糊化焓下降。任萬軍等人[17]也證實，隨著灌漿期光強的降低，稻米的蛋白質含量極顯著增加，直鏈淀粉含量顯著降低。

2 淀粉成分對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α-1,4- 糖苷鍵相連而成的幾千個單位長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[22]。對于糯稻而言，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，同時秈糯也表現出更高的淀粉糊化特征值（糊化溫度、峰值黏度、峰值時間、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密切相關，是影響稻米蒸煮及食味品質優劣的一個重要因素。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）呈負相關[24-25]。

淀粉顆粒的大小和結晶度也會對糊化特性產生一定程度的影響，一般來說，淀粉顆粒直徑越大，淀粉糊化就越困難[26]。同時，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]。水稻淀粉為高結晶性淀粉，屬于典型的A 型結晶類型，其X 衍射圖譜在15，17，18，23 °處存在強衍射峰[28]。糯米淀粉結晶度與糊化溫度之間呈極顯著正相關[28-29]，也與RVA 糊化特征值顯著相關[30]。

人們普遍認為支鏈淀粉具有精細的分子結構，支鏈淀粉的精細結構的差異對大米品質有著重要影響，主要表現為鏈長分布，會影響淀粉的糊化過程。根據支鏈淀粉簇模型，支鏈淀粉短鏈包括A 鏈（聚合度DP6～12） 和B1鏈（聚合度DP 13～24） 組成雙螺旋結構，在淀粉顆粒的半結晶生長環內組成結晶片層。例如，較長的A 鏈和B1 鏈可以形成較長的雙螺旋結構，導致其解離需要較高的溫度才能完成。相關學者發現，直鏈淀粉含量相近的品種在糊化品質上仍有很大差別，原因是由于支鏈淀粉的精細結構不同[31]。支鏈淀粉精細結構包括鏈長和鏈長分布、平均鏈長（CL）、平均外鏈長（ECL）、平均內鏈長（ICL）、A∶B 值等參數。水稻支鏈淀粉在不同鏈長范圍的支鏈數量比例與淀粉的糊化溫度相關[32]，而與淀粉的膠稠度和RVA 譜的性質關系不密切[33]。研究表明，淀粉的鏈長結構是影響淀粉糊化的主要因素，支鏈淀粉的CL、ECL、A∶B 值對淀粉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 的短鏈使糊化溫度下降；聚合度為12～22 的中鏈使得起始糊化溫度上升；聚合度＞25 的支鏈淀粉長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構圖見圖1。

3 非淀粉成分對淀粉糊化特性的影響

3.1 脂類

稻米中的脂肪多為優質的不飽和脂肪酸（如油酸、亞油酸等） 對人體有益成分，其含量雖不高，卻對淀粉溶脹、糊化特性有較大影響。脂類化合物能和淀粉分子生成絡合結構復合物，其相互作用過程伴隨著環境及其他因素的變化而變化，并且淀粉-脂類復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]。研究發現，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]。有學者認為，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合能力，還可以在糊化時形成直鏈淀粉- 脂肪酸復合物，降低糊化焓[39]。脂肪酸的添加量不同作用也不同，小于4%時，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，達到4%后，基本沒有變化[40]。所添加的脂肪酸種類不同對大米淀粉糊化性質的影響也不同，如硬脂酸和亞油酸的加入均能降低淀粉的峰值黏度，但硬脂酸對淀粉峰值黏度的影響程度更大[41]。

3.2 蛋白質

稻米中蛋白質含量僅次于淀粉，不同種類的蛋白質及其含量對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，發現谷蛋白使得淀粉糊化溫度升高；并且大多數淀粉的參數變化與蛋白質含量呈線性相關。反之，如果添加豌豆蛋白、乳清蛋白和球蛋白則會促進淀粉糊化，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]。

蛋白質內部結構也是影響糊化特性的重要因素之一。研究發現，大米淀粉在糊化過程中，蛋白質能在淀粉表面形成網絡狀的連續結構，從而達到保護淀粉顆粒并抑制其糊化的目的[45]。同時，蛋白質結構中的二硫鍵限制了淀粉糊化時的膨脹，蛋白質中二硫鍵含量變化可引起稻米淀粉糊化性質及結構性質發生改變[30，46]。另外，蛋白質也能通過和淀粉競爭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養物質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，使得淀粉分子的結構特征發生改變，從而改善了淀粉的糊化特性。李蟠瑩[49]研究發現，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，大米淀粉變得更容易糊化，說明原花青素的添加促進了大米淀粉的糊化，與任順成等人[50]研究結果相一致，且后者發現兒茶素、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構的改變和水分遷移的分布，降低了傳導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，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，導致糊化難度增加[52]。

3.4 礦物質

礦物質是機體正常運轉所必需的物質，由于缺乏適當的酶系統，礦物質不能在人體內合成。為了預防因過度加工或飲食結構不平衡而引起的代謝性疾病，礦物質常作為一種營養物質被添加到淀粉食品中，同時也會影響淀粉的糊化特性。如氯化鈣和氯化鋅等可促進淀粉的糊化，而硫酸鎂和氟化鈉卻能抑制淀粉的糊化[53]。一般來說，與陽離子相比，陰離子成分對淀粉糊化的影響較大，會優先與淀粉相互作用；而在陽離子中，二價離子的糊化焓明顯弱于一價離子，可能是更易與淀粉中的水分子相結合，導致淀粉疏水作用力變強[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） 會隨著碾磨程度的提高而逐漸降低，并導致淀粉的最高黏度、熱漿黏度和崩解值逐漸增加[56]。

3.5 小分子有機物

小分子有機物（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，但這類物質的添加會對淀粉的性質產生一定的影響[44]。例如，帶電物質（礦物質和氨基酸等） 可能會與淀粉鏈之間通過氫鍵出現靜電作用，導致淀粉顆粒熱穩定性改變，會提高淀粉的起始糊化溫度和峰值溫度，并且促進直鏈淀粉的析出、抑制淀粉顆粒膨脹[57-58]。

林楠、于中玉等人[59-60]研究發現，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，并進而影響淀粉糊化特性[62]。

4 相關基因對淀粉糊化特性的影響

淀粉的合成過程具有復雜的遺傳調控網絡，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的SBE 系列基因、參與淀粉水解的ISA 和PUL 基因以及導致粉質胚乳的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 顆粒結合型淀粉合酶（GBSS）

GBSS 通過與淀粉顆粒特異性結合，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、葉等營養器官中臨時性淀粉的直鏈淀粉，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]研究發現，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 等位變異主要對稻米的峰值黏度、峰值時間和冷膠黏度產生影響。在支鏈淀粉鏈長分布中，DP≥37 的支鏈統稱為超長鏈，GBSSⅠ不僅可以通過調節直鏈淀粉的合成，影響淀粉的糊化特性，還對淀粉顆粒中支鏈淀粉超長鏈的合成有一定的影響。Hanashiro I 等人[65]發現，導入了GBSSⅠ基因的Wx 基因水稻突變體，其支鏈淀粉超長鏈增加了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。并且不同的SSS 決定著支鏈淀粉的鏈長分布，而支鏈淀粉的鏈長分布與淀粉糊化特性密切相關。

SSI 的主要功能是將A 鏈或B 鏈上DP6～7 的短鏈延伸為DP8～12，即負責支鏈淀粉短鏈的延伸，但SSI 的缺失對淀粉顆粒的形狀、大小以及淀粉的結晶度沒有產生影響[66]。SSIIa 基因也稱為ALK 基因，研究發現在相同Wx 基因型背景下，ALK 等位基因主要影響稻米RVA 譜的起漿溫度，且稻米RVA 特性受Wx 基因和ALK 基因的共同影響[64]。在水稻胚乳中，SSIIa 通過延長支鏈淀粉中的DP6～10 的短鏈，形成D13～24 的中長鏈，進而影響淀粉的糊化溫度[67-68]。從水稻支鏈淀粉精細結構來看，DP6～9 的短鏈與稻米糊化熱性能密切相關，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相關，DP12～22 的中長鏈則與之相反[69-70]。賀曉鵬等人[33]的研究發現，在水稻支鏈淀粉中，不同鏈長范圍內的支鏈數量比例與淀粉的糊化溫度相關，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。SSIIIa 主要負責延伸DP≥25的長鏈，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 活性的缺失還會導致SSI 與Wx 轉錄的增強[71]。

5 結語

淀粉糊化特性作為評價稻米品質的一項重要指標，一方面直接影響稻米的蒸煮食味品質，決定了人們對其的可接受程度；另一方面與水稻的釀造特性密切相關，并且易糊化的稻米品種能大大降低企業的生產成本。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、多酚、礦物質、小分子化合物）、淀粉成分，以及相關酶和基因等對水稻淀粉糊化特性的影響規律，旨在增強對淀粉糊化的理解，以期為水稻淀粉糊化過程的合理控制和提高稻米品質提供理論基礎。

目前，關于淀粉糊化的分子機理尚不完全清楚，淀粉在糊化過程的分子結構變化和規律還需要更深入的研究。此外，關于淀粉糊化對人體健康的影響也是目前的研究熱點。例如，過度糊化的淀粉可能會導致高血糖、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系著手，并探索減少淀粉過度糊化對健康影響的方法。