肖正午 胡麗琴 黎 星 解嘉鑫 廖成靜 康玉靈 胡玉萍張珂騫 方升亮 曹放波 陳佳娜 黃 敏 ,*

1 作物生理與分子生物學教育部重點實驗室 / 湖南農(nóng)業(yè)大學, 湖南長沙 410128; 2 衡陽市農(nóng)業(yè)科學院, 湖南衡陽 421101

米粉是亞洲地區(qū)最受歡迎的米制品[1]。米粉稻是指適合加工米粉的水稻品種。米粉品質很大程度決定于稻米品質, 稻米品質不僅與水稻品種有關,同時也受到氣候條件的影響[2-4]。在全球氣候變暖,極端天氣頻發(fā)的大環(huán)境下, 研究氣候條件對米粉稻稻米品質與米粉品質的影響能夠為米粉稻優(yōu)質栽培提供科學依據(jù)。

前人通過稻米品質對米粉品質的影響篩選米粉稻品種, 結果普遍認為稻米直鏈淀粉含量是評價米粉品質的核心指標[5-7]。直鏈淀粉含量高, 稻米淀粉凝膠速度快, 凝膠強度大, 生產(chǎn)出的米粉斷條率、損失率低, 米粉品質好[8]。有研究認為直鏈淀粉含量在22.1%～25.5%范圍內時, 加工出的米粉品質較好,直鏈淀粉含量過高或過低均會降低米粉品質[9-10]。此外, 蛋白質與淀粉相互作用會使得米粉凝膠網(wǎng)絡結構更加致密穩(wěn)定。高曉旭等[5]研究表明, 蛋白質含量在6.0%～7.0%范圍內時, 米粉品質較好。周顯青等[4]研究認為, 相對于理化指標, 稻米淀粉糊化特性更能反映米粉品質, RVA 譜特征值中峰值黏度、最低黏度、最終黏度和回復值均與米粉品質顯著相關。

除品種外, 稻米品質受氣候條件影響最大[11-13]。其中, 灌漿期溫度和光照是最關鍵的 2 個氣象因子[12-14]。不同品種及不同稻米品質指標對氣候條件變化的響應不盡相同[15-16]。多數(shù)研究認為, 直鏈淀粉含量與灌漿期平均溫度負相關[17-19]。但程方民等[20-21]則認為直鏈淀粉含量與灌漿期溫度的關系因品種而異, 高直鏈淀粉含量品種在較高溫度下直鏈淀粉含量可達最大, 低直鏈淀粉含量品種則相反。Liu 等[22]研究表明, 灌漿期平均溫度升高會使稻米RVA 譜特征值中峰值黏度和崩解值上升, 消減值下降。這與袁繼超等[23]的研究結果一致。光照強度降低或者日照時數(shù)減少均會降低稻米品質[24-27]。陶鈺等[24]研究表明50%遮陰處理會導致稻米直鏈淀粉含量降低, 蛋白質含量升高, 同時使RVA 譜特征值中峰值黏度、熱漿黏度、最終黏度和崩解值降低, 消減值升高。

以往的研究主要集中在米粉稻品種篩選, 關于氣候條件對米粉稻米粉品質的影響鮮見報道。因此,筆者假設晚季氣候條件更有利于米粉稻米粉蒸煮品質形成, 米粉稻在晚季種植時米粉蒸煮品質提高。本研究通過早季與晚季種植米粉稻, 比較早、晚季米粉稻米粉蒸煮品質及稻米品質, 旨在明確早、晚季氣候條件是如何影響米粉稻關鍵稻米品質指標,從而影響米粉品質。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020—2022 年在湖南省瀏陽市永安鎮(zhèn)坪頭村(28°09′N, 113°37′E)進行。試驗地屬于亞熱帶季風濕潤氣候, 種植制度為冬季休閑-早稻-晚稻。供試土壤為黏土, 2020 年試驗前取耕層0～20 cm 土壤, 其基本理化性質為: pH 6.26、有機質36.67 g kg–1、全氮1.56 g kg–1、全磷1.08 g kg–1、全鉀9.79 g kg–1、堿解氮205.45 mg kg–1、速效磷35.45 mg kg–1、速效鉀100.00 mg kg–1。2020—2022 年水稻生長季的日平均溫度和日平均輻射量數(shù)據(jù)來自于試驗田的小型氣象站(Vantage Pro 2, 戴維斯公司, 美國)。

1.2 試驗設計

采用完全隨機區(qū)組設計, 小區(qū)面積為35 m2, 每個處理3 次重復。供試品種為5 個米粉稻品種: 廣陸矮4 號、中嘉早17、湘早秈24 號、中早39 和株兩優(yōu)729。采用水育秧方式, 2020—2022 年早季播種日期分別為3 月25 日、3 月25 日和3 月26 日, 移栽日期分別為4 月20 日、4 月26 日和4 月26 日; 晚季播種日期分別為6 月27 日、6 月28 日和7 月10日, 移栽日期分別為7 月18 日、7 月21 日和7 月29 日。早晚季栽插密度均為16.7 cm × 20.0 cm, 每穴3 株基本苗, 人工插秧和收獲。

早、晚季氮磷鉀肥施用量和施用比例相同, 氮肥磷肥和鉀肥用量分別為純氮150 kg hm–2、純磷75 kg hm–2、純鉀150 kg hm–2。氮肥施用尿素, 分3次施用, 基肥、分蘗肥和穗肥施用比例為5∶3∶2;磷肥施用鈣鎂磷肥, 全部作為基肥一次性施用; 鉀肥施用氯化鉀, 分2 次施用, 基肥和穗肥施用比例為5∶5?；试谝圃郧? d 施入, 分蘗肥在移栽后7 d 施入, 穗肥于幼穗分化初期(2 期)施入。全生育期淹水(3～10 cm)灌溉, 收獲前7 d 開始斷水。采用化學方法防治病蟲草害, 大型雜草人工拔除。

1.3 指標測定方法

1.3.1 米粉蒸煮品質 于成熟期在每個小區(qū)中部人工收割, 所得稻谷部分用于加工米粉。將收集到的稻谷樣品放入挺旺碾米機(6N-4A, 湖南省挺旺機械有限公司, 湖南)中統(tǒng)一碾磨2 次得到精米, 將所得精米室溫下浸泡10 h, 淘洗3 遍去除雜質, 加入多功能一步成型米粉機(5-MFD15B, 湖南省粉師傅機械科技股份有限公司, 湖南)中加工米粉, 擠壓成型后將所生產(chǎn)的米粉放入配套的米粉優(yōu)化箱(6-2YH1015B, 湖南省粉師傅機械科技股份有限公司, 湖南)中優(yōu)化8 h, 優(yōu)化后的米粉用于檢測米粉蒸煮品質。

米粉蒸煮品質測定: 隨機選擇30 根優(yōu)化后的米粉, 切成長度為20 cm 的米粉條并稱重, 重量記為N1, 后將米粉置于約500 mL 沸水中煮7 min。煮完后用涼水冷卻, 冷卻后將所有米粉置于試管架上,數(shù)出未斷的米粉根數(shù)n; 待米粉表面水分瀝干后稱重, 重量記為N2; 把剩余的液體定容至1000 mL 后搖勻, 取50 mL 于三角瓶(三角瓶重記為W0)中在105℃下烘干, 烘干后稱重, 總重記為W1。米粉蒸煮品質指標參照Tong 等[28]的方法計算。蒸煮時間的確定: 將若干優(yōu)化后的米粉置于沸水中煮, 放下去的同時開始計時, 從第3 分鐘開始, 每隔30 s 挑出1 根, 直至第10 分鐘, 逐一觀測, 最早發(fā)現(xiàn)米粉中部無硬芯的時間即為米粉最適的蒸煮時間。斷條率(%) = (30–n)/30 × 100%; 損失率(%) = (W1–W0) ×20/N1× 100%; 吸水率(%) = (N2–N1)/N1× 100%。

1.3.2 稻米品質 將收割所得稻谷水選出實粒后,曬干稻谷表面水分, 于室溫下保存, 平衡水分3 個月后進行稻米品質測定。使用稻谷精米檢測機(JGMJ8098, 上海嘉定糧油儀器有限公司, 上海)將稻谷碾磨成精米, 之后把精米粉碎、過篩, 待測?？偟矸酆? 采用旋光法進行測定, 具體操作參照李合生主編的《植物生理生化實驗原理和技術》。直鏈淀粉含量: 采用碘藍比色法進行測定, 具體操作參照農(nóng)業(yè)部標準NY/T 2639-2014。支鏈淀粉含量: 總淀粉含量減去直鏈淀粉含量。蛋白質含量: 用H2SO4-H2O2將水稻精米粉消化, 采用奈氏比色法測定精米含氮量[29]。蛋白質含量為含氮量乘以換算系數(shù)5.95[30]。含水量: 稱取3 g 過篩后的精米粉置于已知重量的鋁盒中, 將樣品置于80℃烘箱中烘干至恒重。最終精米粉含水量即為烘干過程中減少的重量除以樣品重量。稻米淀粉和蛋白質含量的含水量均折算為13.5%。RVA 譜特征值: 利用快速黏度分析儀(Rapid viscosity-analyzer super 4, Newport Scientific 儀器公司, 澳大利亞)測定, 采用配套軟件TWC 進行分析。具體操作參照國標GB/T 24852-2010 大米及米粉糊化特性測定-快速粘度儀法。主要參數(shù)包括峰值黏度、熱漿黏度、最終黏度、崩解值、消減值、回復值、峰值時間和糊化溫度。其中崩解值=峰值黏度–熱漿黏度; 消減值=最終黏度–峰值黏度; 回復值=最終黏度–熱漿黏度。糊化溫度為糊化起始溫度。淀粉黏度指標可用RVU 或者cP 為單位,1 RVU=12 cP。

1.4 統(tǒng)計分析

使用Microsoft Excel 2010 對數(shù)據(jù)進行整理及計算, 采用Statistix 8.0 對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析, 多重比較用LSD 法。

2 結果與分析

2.1 米粉稻早季與晚季種植灌漿期平均溫度和平均輻射量

由圖1 可知, 2020—2022 年早季灌漿期日平均溫度隨抽穗后天數(shù)增加呈上升趨勢, 晚季日平均溫度隨抽穗后天數(shù)增加呈下降趨勢, 早季灌漿期平均溫度均高于晚季(圖1-a, c, e)。2020—2022 年早季與晚季灌漿期平均溫度分別為28.2℃和21.8℃、29.2℃和26.9℃、29.2℃和21.7℃。隨著抽穗后天數(shù)增加,2020—2022 年早季與晚季灌漿期日平均輻射量無明顯變化規(guī)律, 早季灌漿期平均輻射量均高于晚季(圖1-b, d, f)。2020—2022 年早季與晚季灌漿期平均輻射量分別為13.4 MJ m–2d–1和9.8 MJ m–2d–1、16.3 MJ m–2d–1和16.0 MJ m–2d–1、16.1 MJ m–2d–1和14.2 MJ m–2d–1。與早季種植相比, 米粉稻在晚季種植時灌漿期平均溫度和平均輻射量分別降低18.7%和12.7%。

圖1 2020–2022 年米粉稻早季和晚季種植灌漿期日平均溫度(a, c, e)和日平均輻射量(b, d, f)Fig.1 Daily mean temperature (a, c, e) and daily mean solar radiation (b, d, f) during grain filling period of noodle rice in 2020–2022

2.2 米粉稻早季與晚季種植稻米品質

2020—2022 年米粉稻早季與晚季種植稻米品質指標的方差分析表明, 除總淀粉含量外, 其余稻米品質指標均在季節(jié)間差異顯著(表1)。除支鏈淀粉含量外, 其余指標均在品種間差異顯著。除總淀粉含量和崩解值外, 其余指標均在年份間差異顯著。峰值黏度、熱漿黏度、崩解值、消減值、峰值時間和糊化溫度在季節(jié)與品種互作上差異達顯著或極顯著水平。除支鏈淀粉含量外, 其余指標均在季節(jié)與年份互作上差異達顯著或極顯著水平。總淀粉含量、直鏈淀粉含量、支鏈淀粉含量、峰值黏度、崩解值、最終黏度、回復值和糊化溫度均在品種與年份互作上差異達顯著或極顯著水平。熱漿黏度和糊化溫度均在季節(jié)、品種與年份三者互作上差異達顯著或極顯著水平。

表1 季節(jié)、品種和年份對米粉稻稻米品質與米粉蒸煮品質的方差分析(F 值)Table 1 Variance analysis of season, cultivar and year on rice quality and rice noodles cooking quality of noodle rice (F-value)

稻米直鏈淀粉、支鏈淀粉和蛋白質含量早晚季差異在不同年際間規(guī)律不一致(表2)。2020 年直鏈淀粉含量早晚季間無顯著差異, 2021 年和2022 年晚季直鏈淀粉含量均顯著低于早季。2020 年晚季支鏈淀粉含量顯著高于早季, 2021 年和2022 年支鏈淀粉含量早晚季間差異不顯著。2021 年蛋白質含量早晚季間無顯著差異, 2020 年和2022 年晚季蛋白質含量顯著高于早季。與早季種植相比, 米粉稻在晚季種植時RVA 譜特征值中峰值黏度、熱漿黏度、崩解值、最終黏度、回復值和糊化溫度分別下降 25.8%、22.9%、34.3%、19.7%、14.2%和2.0%, 消減值和峰值時間分別上升11.8%和2.3% (表3)。品種間熱漿黏度、最終黏度、峰值時間和糊化溫度中嘉早17 均較低, 而湘早秈24 號較高。

表2 2020–2022 年米粉稻早季與晚季種植稻米淀粉和蛋白質含量Table 2 Starch and protein contents in milled rice flours of early and late seasons noodle rice in 2020–2022 (%)

表3 2020–2022 年米粉稻早季與晚季種植稻米RVA 譜特征值Table 3 Paste properties in milled rice flours of early and late seasons noodle rice in 2020–2022

2.3 米粉稻早季與晚季種植米粉蒸煮品質

2020—2022 年米粉稻早季與晚季種植米粉蒸煮品質指標的方差分析表明, 米粉蒸煮損失率在季節(jié)間差異極顯著(表1)。損失率和吸水率均在品種和年份間差異顯著或極顯著。損失率和吸水率在季節(jié)與品種互作上差異達極顯著水平。斷條率、損失率和吸水率均在季節(jié)與年份互作上差異顯著。損失率在品種與年份互作上及季節(jié)、品種與年份三者互作上差異達極顯著水平。

與早季種植相比, 米粉稻在晚季種植時損失率降低 7.4%; 斷條率和吸水率兩季間差異不顯著(表4)。說明晚季種植米粉稻有助于米粉蒸煮品質提高。品種間斷條率差異不顯著。中嘉早17 損失率最低, 吸水率最高, 米粉品質顯著優(yōu)于其他品種。湘早秈24 號和中早39 則損失率高, 吸水率低,表現(xiàn)較差。

表4 2020–2022 年米粉稻早季與晚季種植米粉蒸煮品質Table 4 Cooking quality of rice noodles processed from early and late seasons noodle rice in 2020–2022 (%)

2.4 米粉稻米粉蒸煮品質與稻米品質的相關性

將米粉稻米粉蒸煮品質與稻米淀粉和蛋白質含量及RVA 譜特征值等指標進行相關分析(圖2), 結果表明米粉斷條率與稻米淀粉和蛋白質含量及RVA 譜特征值相關性均未達顯著水平。米粉損失率與總淀粉和直鏈淀粉含量呈顯著負相關關系, 與最終黏度、峰值時間和糊化溫度呈顯著正相關關系。米粉吸水率僅與峰值時間呈顯著負相關關系。

2.5 米粉稻稻米品質與灌漿期氣候條件的相關性

將米粉稻灌漿期平均溫度、平均輻射量與稻米淀粉和蛋白質含量及RVA 譜特征值等指標進行相關分析(圖3), 結果表明總淀粉和峰值時間與平均溫度和平均輻射量均無顯著相關。直鏈淀粉含量、峰值黏度、熱漿黏度和最終黏度與平均溫度和平均輻射量呈顯著正相關關系。支鏈淀粉含量與平均溫度無顯著相關, 與平均輻射量呈顯著負相關關系。蛋白質含量和消減值與平均溫度和輻射量呈顯著負相關關系。崩解值和糊化溫度與平均溫度呈顯著正相關關系, 與平均輻射量無顯著相關?；貜椭蹬c平均溫度呈顯著正相關關系, 與平均輻射量無顯著相關。

圖3 米粉稻稻米淀粉和蛋白質含量及RVA 譜特征值與灌漿期平均溫度和平均輻射量的相關性熱圖Fig.3 Pearson’s correlation coefficients of starch and protein contents as well as paste properties against mean temperature and mean solar radiation during the grain filling period for noodle rice

3 討論

3.1 米粉稻早季與晚季種植米粉品質與稻米品質的關系

目前, 將米粉稻在晚季種植, 探究氣候條件對米粉稻稻米品質與米粉品質的影響研究有限。本研究結果表明米粉稻在晚季種植時米粉蒸煮品質提高。與早季種植相比, 米粉稻在晚季種植時米粉損失率降低7.4%, 斷條率和吸水率兩季間差異不顯著?？赡苁且驗橥砑竟酀{期平均溫度和平均輻射量降低, 導致稻米品質指標發(fā)生改變, 從而提高了米粉品質。

直鏈淀粉含量是評價米粉品質的核心指標, 直鏈淀粉含量高, 淀粉凝膠速度快, 加工出的米粉斷條率和損失率低, 米粉品質好[5-8]。淀粉糊化特性對米粉品質有很大影響, 米粉蒸煮損失率與RVA 譜特征值中的黏度指標呈顯著負相關關系[6,31-32]。本研究米粉稻在晚季種植時, 直鏈淀粉含量降低, 支鏈淀粉含量和蛋白質含量升高; RVA 譜特征值中峰值黏度、熱漿黏度、崩解值、最終黏度、回復值和糊化溫度下降, 消減值和峰值時間上升。米粉損失率與直鏈淀粉含量呈顯著負相關關系, 與最終黏度、峰值時間和糊化溫度呈顯著正相關關系。由此可見,本研究中晚季米粉比早季米粉損失率更低主要與最終黏度和糊化溫度有關, 而直鏈淀粉含量并非影響米粉稻米粉蒸煮品質的關鍵指標。這可能與所采用的品種有關, 本研究中米粉稻品種的直鏈淀粉含量均較高(>24%), 且各品種在季節(jié)間直鏈淀粉含量的變異遠小于最終黏度和糊化溫度。因此, 米粉稻稻米RVA 譜特征值中最終黏度和糊化溫度是影響米粉損失率的關鍵指標。

此外, 在5 個供試品種中, 中嘉早17 早季和晚季米粉品質均表現(xiàn)最好, 其蒸煮損失率在 2020—2022 年早晚季均比其余4 個品種更低, 而吸水率更高(除2020 年晚季外)。這可能是因為中嘉早17 相比于其他4 個品種稻米直鏈淀粉含量更高, 而最終黏度和糊化溫度更低。湘早秈24 號是湖南省篩選出的飼料稻品種, 其蛋白質含量顯著高于其余4 個品種,但其總淀粉和直鏈淀粉含量相對較低, RVA 譜特征值中最終黏度和糊化溫度均較高, 使得加工出的米粉損失率相對較高。由此可見, 優(yōu)質米粉稻品種在滿足直鏈淀粉含量較高, 最終黏度和糊化溫度較低的同時, 還需注意蛋白質含量不宜過高?？蓳?jù)此篩選優(yōu)質米粉稻品種。

3.2 米粉稻早季與晚季種植稻米品質與灌漿期氣候條件的關系

稻米品質的形成是灌漿期光合產(chǎn)物在籽粒中積累的過程, 稻米品質既受品種基因型影響, 也與外界環(huán)境因子有關[33-34]。有研究認為, 灌漿期平均溫度降低會引起稻米直鏈淀粉含量增加, 蛋白質含量降低[35]。而本研究中米粉稻晚季種植平均溫度降低,直鏈淀粉含量下降, 蛋白質含量升高, 這可能與所選用品種的特性、灌漿期輻射或其他氣象因子有關。灌漿期平均輻射降低會導致稻米直鏈淀粉含量降低,蛋白質含量增加[26]。叢舒敏等[36]研究認為, 增溫處理會使直鏈淀粉和蛋白質含量增加, 低溫弱光、增溫弱光處理均會使直鏈淀粉降低, 蛋白質含量升高。本研究與叢舒敏等[36]結果一致。直鏈淀粉含量與灌漿期平均輻射量顯著正相關, 蛋白質含量與之相反, 且蛋白質含量的變異大于直鏈淀粉含量。

除季節(jié)外, 年度間蛋白質含量的變異較大, 2020年比2022 年蛋白質含量高22.4%。其中, 2020 年早季與晚季蛋白質含量分別比 2022 年高 15.6%和30.0%, 可能是由于2 年早季與晚季灌漿期平均輻射量差異所致。2 年早季與晚季灌漿期平均溫度接近,而 2020 年早季與晚季灌漿期平均輻射量分別比2022 年低16.8%和31.0%。蛋白質的合成與植株體內碳氮代謝密切相關。任萬軍等[37]研究表明, 弱光下水稻植株含氮量增加, 合成碳水化合物能力減弱,且弱光會促進氮素向籽粒轉運, 使得植株的代謝以碳代謝為主轉向氮代謝為主, 從而促進蛋白質的合成?？梢? 2022 年蛋白質含量低主要與之灌漿期平均輻射量高有關。

灌漿期溫光條件會影響稻米淀粉和蛋白質的合成, 同時也會改變稻米RVA 譜特征值[38]。張國發(fā)等[39]通過人工氣候室研究認為灌漿期高溫會使峰值黏度、熱漿黏度和崩解值下降, 最終黏度、消減值和回復值和糊化溫度升高。陶鈺等[24]研究發(fā)現(xiàn)遮光處理淀粉峰值黏度、熱漿黏度、最終黏度和崩解值呈下降趨勢, 消減值呈上升趨勢, 糊化溫度差異不顯著。楊帆等[25]則發(fā)現(xiàn)推遲播期導致灌漿期平均溫度降低, 日照時長與降雨量減少, 使得峰值黏度、熱漿黏度、最終黏度和崩解值降低, 消減值和峰值時間升高。本研究與楊帆等[25]研究結果基本一致, 但與張國發(fā)等[39]研究結果不同。出現(xiàn)不同結果可能是前者只探討了灌漿期平均溫度對RVA 譜特征值的影響,灌漿期平均輻射量與其余氣象因子對稻米RVA 譜特征值也有影響, 且不同水稻品種及不同RVA 黏度指標對環(huán)境條件的敏感性不同[23]。

包括湖南在內的華中單、雙季稻稻作區(qū)的大部分地區(qū)溫光資源豐富, 適宜雙季稻種植[40]。隨著作物生產(chǎn)目標從以往的僅追求高產(chǎn)到現(xiàn)在的質量與效益并重, 直播、機插等輕簡化機械化種植方式發(fā)展迅速, 使得多熟制作物所要求的生育期更短[41-42]。目前, 生產(chǎn)上推廣的大部分晚稻品種生育期過長,導致缺乏適宜直播、機插等輕簡化機械化搭配的晚稻品種[43]。米粉稻品種翻秋種植, 前期生長階段溫度高, 能夠顯著縮短水稻秧齡期和營養(yǎng)生長期。在沒有早熟晚稻品種可供選擇的情況下, 使用早稻品種翻秋種植的“早晚兼用”搭配模式是可行的[43]。但生育期合適的米粉稻品種及其產(chǎn)量表現(xiàn)等還有待進一步研究。

4 結論

米粉稻在晚季種植時灌漿期平均溫度和平均輻射量降低, 使得稻米直鏈淀粉含量降低, 蛋白質含量升高; 同時導致RVA 譜特征值中峰值黏度、熱漿黏度、崩解值、最終黏度回復值和糊化溫度下降, 消減值和峰值時間上升。其中, 最終黏度和糊化溫度下降有利于減少米粉損失率。因此, 米粉稻在晚季種植有助于米粉蒸煮品質提高。米粉稻稻米RVA 譜特征值中最終黏度和糊化溫度是影響米粉損失率的關鍵指標。