糯玉米淀粉形成过程中理化特性的变化

1、糯玉米淀粉形成过程中理化特性的变化杨欢 黄天琪 施凯 陆大雷* 陆卫平*（扬州大学江苏省作物遗传生理国家重点实验室培育点/粮食作物现代产业技术协同创新中心 江苏扬州 225009）摘 要 为阐明糯玉米淀粉形成过程中理化特性的变化趋势。以6个糯玉米品种为材料，研究了其在花后7天（淀粉初始期），22天（乳熟期）和40天（成熟期）的淀粉理化特性。结果表明，新形成的淀粉粒为圆型或椭圆型，表层光滑，而鲜食期和成熟期淀粉粒呈不规则的多面体，表层粗糙。淀粉粒径和尖峰强度随生育进程推进逐渐加大（升高）。最大吸收波长和碘结合力以新形成的淀粉粒最高，其次是成熟期。RVA和DSC特征参数在不同生育阶段的变化品种间有

2、显著差异。总体上，随着淀粉发育进程推进，淀粉峰值黏度、崩解值、热焓值和回生热焓值先升后降，而回生值、糊化和峰值温度逐渐下降。淀粉形成过程中淀粉粒形态、大小、晶体结构和链长分布发生变化，改变了淀粉糊化和热力学特性。关键词 晶体结构 淀粉粒 发育时期 理化特性 糯玉米中图分类号：S513文献标识码：A 文章编号：Physicochemical Properties of Waxy Maize Starch at Early, Middle, and Late Developmental StagesYang Huan Huang Tianqi Shi Kai Lu Dalei* Lu Weipin

3、g*(Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology/Co-Innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops, Yangzhou University, Yangzhou 225009) 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目(31271640, 31471436)，江苏省高校自然科学研究重大项目(14KJA210004)资助。作者简介：杨欢，女，1984年出生，博士研究生，栽培生理通讯作者：陆卫平，男，1958年出生，教授，博士生导师，栽培生理。A

4、bstract: 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

5、materials. The results indicated that newly formed starch granules are round or oval with smooth surface, whereas starch granules at milk-ripe and full-ripe stages are irregular or polygonal with uneven surface. The starch granule size and peak intensities of starch increase gradually with grain dev

6、elopment. The newly formed starch has highest maximum absorption wavelength and iodine-binding capacity, followed by full-ripe starch. The RVA and DSC parameters in response to stages depend on varieties. Generally, the starch peak viscosity, breakdown viscosity, gelatinization and retrogradation en

7、thalpy raise first and fall later, while retrogradation percentage, pasting and peak temperature gradually decrease 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

8、 induced the change of RVA and DSC parameters.Keywords: crystalline structure, granule size; developmental stage; physicochemical property; waxy maize 谷物淀粉由支链淀粉和直链淀粉组成，在胚乳中以淀粉粒形式存在1。玉米是世界淀粉的主要来源，占据着全球淀粉市场80%的份额2。根据淀粉中直链淀粉含量的不同，玉米可分为糯玉米、普通玉米和高直链玉米，以及甜玉米等不同类型3-4。不同类型玉米淀粉中，糯玉米淀粉由100%支链淀粉组成，具有高黏度、高透明度、高

9、稳定性、易消解、低回生等特点5。玉米授粉后籽粒开始发育，58天淀粉开始形成6-7。刚形成的淀粉粒呈圆形或椭圆型，随着籽粒胚乳发育，受空间限制影响，形状开始变成不规则的多面体6,8。研究表明，随着籽粒发育，普通玉米直链淀粉含量逐渐升高，支链淀粉分支链长度呈先升后降6。高直链玉米由于直链淀粉和支链淀粉长链双螺旋中间物质微晶的增加，导致抗性淀粉含量增加9。糯玉米中鲜食期支链淀粉平均链长显著高于成熟期8。淀粉结构变化导致淀粉膨胀特性、糊化特性和热力学特性发生变化6,8-9。在其他作物如水稻10-11、小麦12、甘薯13、菱角14-15、马铃薯16-17淀粉理化特性均随籽粒发育进程推进发生变化。糯玉米淀

10、粉理化特性在不同发育阶段的变化趋势尚缺乏相关研究。因此，本文以6个糯玉米品种为材料，分析了其在花后7、22和40天（分别代表淀粉发育早期、中期和后期）的淀粉粒大小和形态、晶体结构、碘染色、糊化及热力学特性。1 材料与方法1.1 试验设计与仪器供试材料为糯玉米区域试验审定品种，分别为苏玉糯5号、京科糯2000、农科玉301、渝糯7号、苏科糯3号、鲜玉糯4号，编码分别为A-F。试验于2013年在扬州大学进行，土质为砂壤土，地力中等。采用单因素随机区组设计，7月1日播种，小区面积24 m2。种植密度为60000株/hm2，基肥施N/P2O5/K2O =15%/15%/15%的复合肥500 kg/hm

11、2，移栽前深施，拔节期追施纯氮 150 kg/hm2，其他管理措施统一按常规要求实施。开花期人工辅助套袋授粉，分别于花后7d（淀粉形成初始期）、22d（中期或乳熟期）和40d（后期或成熟期）取6个果穗，分离淀粉后用于理化特性分析。试验仪器包括：D8 Advance X射线衍射仪：德国Bruker-AXS；3D 快速黏度分析仪（RVA）：澳大利亚Newport Scientific；200F3 差示扫描量热仪：德国NETZSCH；S-4800场发射扫描电子显微镜：日本日立；Mastersizer 2000激光衍射粒度分析仪，英国Malvern；5415D小型台式高速离心机：德国Eppondorf

12、；TDL-5飞鸽台式离心机：上海安亭；JYL-350 九阳料理机：浙江九阳。1.2 测定指标与方法1.2.1 淀粉分离5称取100200 g籽粒，纯净水洗净后放入500 mL的广口瓶内，加入500 mL含1g/L SO2纯净水浸泡48 h，中间换水1次，然后用磨浆机粉碎后过100目筛，浆液倒入1000 mL广口瓶中静置2 h,，然后将沉淀部分转入50 mL离心管中，3 000 g离心10 min后用称样勺去除上部蛋白等杂质，重复3次，得到淀粉。1.2.2淀粉粒形态、大小和分布测定5,7将淀粉样品用双面胶带将其粘附于载物台上，在SCD 500离子溅射喷镀仪内将其喷金，然后用场发射扫描电子显微镜（

13、S-4800，日本日立）观察淀粉粒形态与结构并照相，电镜加速电压为20-25 kV。淀粉粒大小和分布用英国马尔文公司Mastersizer 2000 激光衍射粒度分析仪测定。1.2.3 碘结合力7参照本课题组前期已报道的方法7测定碘结合力。最大吸收波长为500-700 nm间最大吸光值处的波长，碘结合力为635nm处和520nm处的吸光值之比。1.2.4 晶体结构5采用德国Bruker- AXS公司生产的D8 Super Speed型X射线衍射分析仪测定淀粉晶体结构。测定在200 mA和40kV下操作，衍射角2的旋转范围为340，每0.6 s扫描0.04。1.2.5 糊化特性5采用RVA(Ra

14、pid Visco Analyzer, Model 3D)测定糊化特性，并用TCW(Thermal Cycle for Windows)配套软件分析。称取1.96 g淀粉(干基)，加入26.04 g超纯水，配制成总重为28.0 g，浓度为7%的糯玉米淀粉糊。黏度值用“cP”表示。1.2.6 热力学特性5称取5mg 淀粉(干基)，加10 L超纯水，将样品铝盒密封后置于4 冰箱平衡过夜，测试前取出回温1 h，然后放入200F3 差示扫描量热仪中测定，以10/min 使铝盒温度由20升至100，以密封空白铝盒作参照。记录和计算起始温度、峰值温度、终值温度、热焓值。将分析样品于4保存7 d后进行淀粉回

15、生特性分析。将样品铝盒以10/min由20升至100，以密封空白铝盒作参照，记录和计算回生热焓值和回生值。回生值=回生淀粉热焓值/原淀粉热焓值。1.3 数据统计与分析数据利用DPS 7.05进行统计和相关分析，采用最小显著差异法(LSD0.05)检验平均数。用Excel 2010作图。2 结果与讨论2.1 淀粉粒形态、大小和分布淀粉发育初期（7DAP），大部分淀粉粒呈表层光滑的圆形或椭圆型。在中期和后期，淀粉粒呈不规则的多面体状，部分颗粒表层有凹陷（图1）。前人研究亦发现成熟期较鲜食期淀粉粒中多面体数量增加8。这是由于籽粒发育过程中子房壁形成果皮，胚乳逐渐增大，淀粉粒开始堆积，空间限制所致6,

16、8。成熟期淀粉粒表层有凹陷或斑点主要是籽粒发育过程中淀粉内源酶水解所致18。随着籽粒发育进程推进，淀粉粒逐渐变大，淀粉形成初期、中期和后期其平均粒径分别为5.99.4m，11.315.0m，13.416.0m（图2）。在不同作物上研究均表明随淀粉发育进程推进，淀粉粒逐渐增大6-9,13-17。淀粉粒大小不同品种间有显著差异，淀粉形成初期以鲜玉糯4号最低，苏科糯3号最高；中期以苏科糯3号最低，京科糯2000最高；后期以渝糯7号最低，农科玉301最高。这种差异表明淀粉发育进程不同品种间有显著差异。图1 不同发育时期糯玉米淀粉粒形态结构注：A-F分别为苏玉糯5号、京科糯2000、农科玉301、渝糯7

17、号、苏科糯3号、鲜玉糯4号。图2 不同发育时期糯玉米淀粉粒径分布注：A-F分别为苏玉糯5号、京科糯2000、农科玉301、渝糯7号、苏科糯3号、鲜玉糯4号。E、M、L分别代表早期、中期和后期。2.2 晶体结构X-射线衍射被广泛用于研究淀粉晶体结构19。所有样品均在2=17, 18, 15和23有显著的峰值，为典型的“A”型衍射特征；20的尖峰强度较低，为典型的糯性特征（图3）。相似的衍射特征表明淀粉的半微晶结构是其内在特性，不受发育时期影响。高直链玉米9、普通稻米11和马铃薯16上均发现淀粉衍射类型在不同发育时期没有发生改变，而高直链稻米淀粉随着生育进程推进直链淀粉含量增加，淀粉衍射类型由A型

18、向C型转变11。随生育进程推进，除了农科玉301淀粉的尖峰强度在早期和中期相似外，其他5个品种均逐渐增加。淀粉形成初期较低的尖峰强度主要由于淀粉粒较小所致20-21，这一结论在甘薯13和菱角14-15淀粉上亦得到了证实。图3 不同发育时期糯玉米淀粉X-ray衍射图谱注：A-F分别为苏玉糯5号、京科糯2000、农科玉301、渝糯7号、苏科糯3号、鲜玉糯4号。E、M、L分别代表早期、中期和后期。2.3 碘染色特性淀粉与碘结合特性与淀粉结构有一定关系22。淀粉碘结合力可简单评估支链淀粉中长链比例23。本研究结果表明，糯玉米淀粉最大吸收波长和碘结合力在淀粉形成初期最高，中期最低（图4）。这表明糯玉米淀

19、粉在形成初期支链淀粉中长链比例较多，这与前期研究结果相似7。亦有研究8表明，在鲜食期糯玉米淀粉的平均链长较高，但长链（DP 37）比例对收获时期的响应品种间有显著差异。普通玉米6上研究发现，支链淀粉平均链长和DP 37的长链比例在10DAP时显著低于成熟期，这种差异主要可能是由于两者的淀粉组成不同所致。图4 不同发育时期糯玉米淀粉碘染色特性注：A-F分别为苏玉糯5号、京科糯2000、农科玉301、渝糯7号、苏科糯3号、鲜玉糯4号。E、M、L分别代表早期、中期和后期。2.4 淀粉糊化特性糯玉米淀粉糊化特性品种间、发育时期间均有显著差异（表1）。糊化温度总体上随着胚乳淀粉发育进程推进逐渐下降，这与

20、在糯玉米粉6、马铃薯淀粉16-17和甘薯淀粉13上的研究结果相似。不同时期间相比，早期（7DAP）淀粉峰值黏度最低，苏科糯3号中期和后期没有差异，鲜玉糯4号后期较高，而其他4个品种中期较高。崩解值京科糯2000在不同时期处理下无显著差异，其他5个品种均在中期最高，早期最低。亦有研究表明，糯玉米淀粉峰值黏度随着收获期推迟呈先升后降趋势8，而糯玉米粉峰值黏度随生育进程推进逐渐升高7。菱角14-15和甘薯13上的研究则表明淀粉峰值黏度、终值黏度、崩解值和回复值随着生育进程推进逐渐升高。米粉10上则发现与成熟期相比，15DAP时峰值黏度和崩解值较高，回复值较低。本研究中期淀粉峰值黏度较高的原因可能是中

21、等大小淀粉粒比例较多所致24。Peterson and Fulcher25亦证实小麦淀粉中大淀粉粒比例与峰值黏度显著负相关。不同品种的谷值黏度和终值黏度对不同发育时期的响应品种间有显著差异，但总体上这两个参数在早期处理下较高，中期和后期处理下无显著差异。回复值不同时期间无显著差异，且较低的回复值(63406 cP)表明糯玉米淀粉糊化冷却过程重新联结形成凝胶程度较低。Ketthaisong et al. 8亦发现不同收获时期下糯玉米淀粉的回复值变幅为7.126.8 RVU (1 RVU= 12 cP)。糯玉米淀粉较低的回复值表明其不易回生。表1 不同发育时期糯玉米淀粉糊化特性时期品种峰值黏度/c

22、P谷值黏度/cP崩解值/cP终值黏度/cP回复值/cP糊化温度/早期苏玉糯5号1 7271 1295981 30517675.3京科糯20002 3701 2481 1221 41116474.0农科玉3011 7581 2794791 58130275.2渝糯7号1 9521 2227311 3199875.6苏科糯3号1 7821 4313511 62119074.0鲜玉糯4号1 5771 2533241 44719474.0均值1 861 c1 260 a601 c1 447 a187 b74.7 a中期苏玉糯5号2 4741 1231 3511 42930674.8京科糯20002 4

23、341 3001 1351 41611671.9农科玉3012 2721 1841 0881 38720373.9渝糯7号2 2331 0461 1881 21516974.2苏科糯3号2 0101 0659461 21715372.9鲜玉糯4号2 1641 0521 1131 32527372.3均值2 264 a1 128 b1 136 a1 331 b203 ab73.3 b后期苏玉糯5号2 1551 0881 0681 39831172.5京科糯20001 8718221 0498967572.4农科玉3011 9271 0129151 0756374.4渝糯7号1 9988991 1

24、001 04815072.4苏科糯3号2 0141 2078071 61340672.5鲜玉糯4号2 3291 3659641 67731272.4均值2 049 b1 065 b984 b1 284 b219 a72.8 cF-值时期104.8*19.3*345.4*26.3*2.248.9*品种13.6*4.6*53.3*27.1*18.0*14.4*时期品种21.9*7.4*18.0*27.5*12.9*3.6*注：同一列中均值不同字母表示0.05水平上有显著差异。*，p0.05、*，p0.01。2.5 淀粉热力学特性随淀粉发育进程推进，京科糯2000和农科玉301淀粉热焓值逐渐下降，其

25、他4个品种先升后降（表2）。总体上热焓值在中期最高，后期最低。糯玉米粉7、普通玉米淀粉6和甘薯淀粉13上亦报道了相似的研究结果。Cai et al.10发现米粉在10DAP时热焓值高于40DAP。而马铃薯16-17和菱角14淀粉热焓值在后期收获时较高。随淀粉发育进程推进，起始温度和峰值温度逐渐下降，终值温度在成熟期最低，早期和中期处理下无显著差异。这与在糯玉米粉7、米粉10、马铃薯淀粉16-17和甘薯淀粉13上的研究结果相似，亦与RVA测定的糊化温度变化趋势相似。胶凝淀粉冷藏后发生回生。随发育进程推进，回生淀粉热焓值除农科玉301在成熟期最低，早期和中期时无显著差异外，其他品种均呈先升后降趋势

26、。回生值随淀粉发育进程推进逐渐下降，早期回生值较高的原因主要是淀粉中长链比例较高，易发生回生所致6。而糯玉米粉在早期时籽粒淀粉含量较低，回生值较低7。不同时期间淀粉的回生值有显著差异，如中期（鲜食期）以苏科糯3号最低，京科糯2000最高；后期（成熟期）以苏科糯3号最高，苏玉糯5号最低；这种差异为根据用途选择品种提供了参考。表2 不同发育时期糯玉米淀粉热力学特性时期品种热焓值/ J/g起始温度/峰值温度/终值温度/回生热焓值/J/g回生值/%R早期苏玉糯5号13.270.074.981.87.859.5京科糯200013.770.174.982.68.562.3农科玉30114.870.474.

27、681.68.557.9渝糯7号11.167.672.780.47.668.9苏科糯3号13.367.372.180.17.959.8鲜玉糯4号12.767.472.481.58.063.4均值13.1 b68.8 a73.6 a81.3 a8.1 b62.0 a中期苏玉糯5号14.468.373.682.48.559.2京科糯200013.467.072.481.58.764.7农科玉30113.968.273.382.18.561.4渝糯7号15.169.073.381.68.858.1苏科糯3号14.668.172.681.48.457.4鲜玉糯4号13.967.972.680.88.4

28、60.5均值14.2 a68.1 b72.9 b81.6 a8.5 a60.2 b后期苏玉糯5号13.266.072.880.87.053.1京科糯200012.966.372.880.87.961.4农科玉30113.466.872.681.67.858.7渝糯7号13.267.572.580.47.859.0苏科糯3号12.666.572.179.97.962.5鲜玉糯4号12.666.472.180.27.559.5均值13.0 c66.6 c72.4 c80.6 b7.7 c59.0 cF-值时期346.7*245.0*216.0*18.4*233.4*29.0*品种46.1*21.7

29、*137.5*10.3*27.3*26.4*时期品种100.3*36.7*55.1*3.4*14.2*23.2*注：同一列中均值不同字母表示0.05水平上有显著差异。*，p0.05、*，p0.01。3 结论3.1新形成的淀粉粒呈表面光滑的圆形或椭圆型，而中期和后期由于胚乳发育空间限制导致淀粉粒呈不规则的多面体，表面有凹陷或斑点。3.2淀粉粒粒径和尖峰强度随着籽粒发育逐渐变大（增加）。支链淀粉中长链比例随着淀粉发育先降后增。3.3 随着胚乳淀粉发育，峰值黏度和崩解值先升后降。糊化和胶凝温度逐渐降低。热焓值京科糯2000和农科玉301随籽粒淀粉发育逐渐降低，其他品种先升后降。回生值不同品种变化各异

30、，但总体上呈逐渐下降趋势。志谢: 江苏高校优势学科建设工程和江苏高校优秀科技创新团队资助项目。参考文献1 Jeon J S, Ryoo N, Hahn T R, et al. Starch biosynthesis in cereal endospermJ. Plant and Physiology Biochemistry, 2010, 48(6): 383-3922 Jobling S. Improving starch for food and industrial applicationsJ. Current Opinion in Plant Biology, 2004, 7(2):

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