淀粉精细结构与大米蒸煮食味品质相关性的研究进展

姚文俊，李言，钱海峰，张晖，王立

(江南大学 食品学院，江苏 无锡，214122)

水稻是我国重要的粮食作物之一，南方地区以籼稻为主，北方地区以粳稻为主。目前，对稻米品质的评价主要包括碾磨品质、外观品质、蒸煮食味品质和营养品质[1]，其中蒸煮食味品质指大米在蒸煮和食用过程中表现出的各种理化、感官特征，是决定消费者对大米接受程度的关键因素。淀粉作为大米最主要的组分，约占大米干重的95%左右[2]，前期研究通常将直链淀粉含量作为评价大米食用品质的唯一指标，认为直链淀粉的含量与大米的硬度呈正相关，与黏度呈负相关[3]。ONG等[4]报道了米饭的质构是由最长(DP 92～98)和最短(DP≤25)支链淀粉链的比例决定的，此后有研究证实，支链淀粉作为淀粉主要成分是造成直链淀粉含量相近的水稻品种间蒸煮食味品质差异的重要原因[5]。此外，多篇文献也证实了支链淀粉的精细结构与晶体结构、糊化和回生特性密切相关[6-8]，最终影响水稻蒸煮食味品质。由此可见，只考虑淀粉宏观上的表观特性并不能全面真实地反映稻米食味品质，随着基于淀粉理化特性和分子基团特性的新检测方法的出现，更多的研究转向淀粉微观精细结构对食味品质的影响，主要包括淀粉分子大小分布、直链淀粉与支链淀粉的链长分布、支链淀粉的平均链长、分支化度等。

本文重点介绍了淀粉精细结构与大米蒸煮食味品质相关性的研究进展，初步分析了淀粉分子结构与大米蒸煮食味品质的构效关系，以期为开发优质大米提供指导。

1 大米淀粉精细结构及测定方法

天然淀粉颗粒是一种多结构聚集体，通常可分为6个结构层次[9]。第1级是从分支点开始的单个线性链，由脱水葡萄糖单元通过α-1,4糖苷键连接而成。第2级是由独立的线性分子通过α-1,6糖苷键连接形成的全分支淀粉分子。第3级描述淀粉分子的构象，是由结晶区和无定形区交替堆积形成的半结晶结构[10]。第4、5、6级结构分别为生长环结构、颗粒结构、米粒结构[11]。然而，蒸煮过程会一定程度上破坏淀粉的生长环结构和颗粒结构，因此，多数研究集中在分析淀粉分子精细结构(1级和2级)对米饭食用品质的影响。

表1列出了已应用于测定大米淀粉结构的多种技术，其中淀粉分子的一级结构主要通过电泳法和色谱法获得的链长分布来表征[12]，荧光辅助糖电泳(fluorophore-assisted carbohydrate electrophoresis, FACE)、高效阴离子交换色谱(high-performance anionic-exchange chromatography, HPAEC)和尺寸排阻色谱(size-exclusion chromatography, SEC)均使用酶解脱支淀粉作为分析物，FACE和HPAEC只能提供较短的、主要是支链淀粉链长分布的信息[13]，而SEC可以用来测定直链淀粉的链长分布[14]。近年来，一些研究人员利用数学模型将获得的淀粉链长分布简化为几个具有生物学意义的参数[15-17]，为分析大米淀粉结构-性质关系提供了新的手段。用于分析全支化淀粉分子尺寸分布的技术主要包括SEC和场流分离(field-flow fractionation, FFF)[18]，尤其是非对称场流分离(asymmetrical field flow fractionation, AF4)，AF4可与多角度激光散射(multiangle laser light scattering, MALLS)检测器和示差折光检测器联用以表征淀粉分子的粒度分布[19]。傅立叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)用于表征淀粉颗粒的短程有序度[20]，X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)和小角X射线散射(small-angle X-ray scattering, SAXS)通常分别用于测定淀粉分子的结晶结构和片层结构。鉴于淀粉结构的多层次性以及单一检测手段的局限性，未来需要不断优化检测技术，多种技术联用以满足深入研究淀粉精细结构与大米蒸煮食味品质相关性的需要。

表1 大米淀粉结构的测定方法Table 1 Determination methods of rice starch structure

2 大米淀粉精细结构与蒸煮品质的关系

蒸煮品质是指稻米在蒸煮过程中所表现出来的性质，主要包括糊化与热力学特性[24]，通常使用差式扫描量热仪(differential scanning calorimeter, DSC)与快速黏度分析仪(rapid viscosity analyzer, RVA)共同测定。DSC根据吸热曲线得到糊化起始温度(To)、峰值温度(Tp)、终止温度(Tc)、热焓值(△H)等特征值，用来测量淀粉糊化过程中热力学特性变化，而RVA通过获得峰值黏度、热浆黏度、最终黏度、崩解值、消减值、回复值等特征值表征淀粉的黏滞性[25]。

2.1 大米淀粉精细结构与糊化特性的相关性

在过量水中加热时淀粉颗粒会吸水膨胀，一旦膨胀的颗粒达到其最大膨胀能力，颗粒将破裂并释放其中的所有直链淀粉和支链淀粉分子，糊化的实质是结晶结构和双螺旋结构被破坏[26]。

2.1.1 大米淀粉精细结构对糊化热特性的影响

大米淀粉的糊化特性与大米的蒸煮食味品质密切相关，较高的糊化温度与△H将导致米饭蒸煮困难，进而出现米饭质地较硬、适口性差的现象。研究普遍认为△H与直链淀粉含量呈负相关[27]，而淀粉分子精细结构在决定支链淀粉双螺旋的数量和淀粉糊化△H中也起着重要作用[17]。龚波[28]对DSC糊化参数与淀粉结构参数进行了相关性分析，发现与直链淀粉的含量相比，直链淀粉的短链数量和△H之间具有更强的相关性。目前，有关不同链长直链淀粉在淀粉颗粒、结晶片层和无定形片层内的分布以及它们与支链淀粉的相互作用仍没有明确的理论，普遍接受的观点是直链淀粉主要存在于无定形区，一部分长直链淀粉链会穿插于片层结构之间，可能会与结晶片层中的支链淀粉链共结晶[12]，提高淀粉晶体结构的耐热性，从而在米饭蒸煮过程中造成有限的淀粉膨胀和更硬的质地[29]。研究还发现中链直链淀粉的相对长度与淀粉糊化温度范围Tc-To呈负相关，表明当中链直链淀粉的相对长度增加时，支链淀粉双螺旋排列更不均匀[28]，暗示在淀粉生物合成中更长的中链直链淀粉能够与结晶区域中的支链淀粉分子形成双螺旋。TAO等[30]的研究同样支持了这一结论，即高直链淀粉大米在蒸煮过程中，较短链的直链淀粉分子比长链直链淀粉分子更容易溶出。

支链淀粉具有较多的分支结构，双螺旋结构的形成及规则排列对A链和B链的长度有严格要求, 因而支链淀粉链长和链长分布的不同会造成淀粉结晶特性的差异[31], 进而影响淀粉的糊化温度。多篇文献报道了糯稻支链淀粉短链(DP 6～9)与To、Tp、Tc呈显著负相关[32-33]，而ZHANG等[34]以直链淀粉含量相近的粳稻品种为材料，发现较高比例的长链(DP 13～70)支链淀粉会导致糊化温度升高。支链淀粉结构中的短链(DP<10)形成的双螺旋不能跨越整个单晶层，导致晶体结构中的缺陷；而较长的链(DP 12～23)通过形成跨越整个结晶片层的双螺旋结构从而增强微晶的稳定性[35-36]。支链淀粉链长分布拟合参数和Tc之间的相关性也表明支链淀粉的中链(DP 37～69)可以形成更长的支链淀粉双螺旋，从单晶片层延伸到下一个无定形片层[15]，具有更高的热稳定性。此外，支链淀粉中的长B链可以与其他支链缠绕在一起，在加热和剪切过程中保持淀粉颗粒的完整性[4]。因此，当支链淀粉中的短链所占比例较高，中、长链所占比例相对较低时，大米糊化温度较高，在蒸煮时需要更长的蒸煮时间和更多的热量。

2.1.2 大米淀粉精细结构对淀粉黏滞性的影响

利用RVA分析稻米蒸煮过程中淀粉的黏滞特性，发现不同品种(系)水稻具有特征性RVA谱。ZHOU等[37]利用改进的酶法测定支链淀粉的精细结构，发现A链与B链的比值与峰值黏度、崩解值呈正相关，长链比率更高的支链淀粉会产生更强的分子间作用力以抑制淀粉的膨胀，导致蒸煮品质变差；同时支链淀粉的长支链有助于形成稳定的晶体构象，使淀粉颗粒结构维持在胶稠化状态，抑制了大米淀粉糊黏度的下降，崩解值降低，米饭质地较硬。此外，周慧颖等[38]报道了支链淀粉的平均链长、平均外链长与糊化温度呈正相关，与峰值黏度、崩解值呈负相关。张贵凤[39]研究发现稻米支链淀粉的平均链长越长，胶稠度越硬，峰值黏度越低，热浆黏度越高，导致淀粉不易糊化，由此可见支链淀粉的平均链长和长短链的比例在决定大米蒸煮品质方面同样发挥了重要作用。

2.2 大米淀粉精细结构与回生特性的相关性

淀粉回生是糊化后的淀粉在降温过程中，糊化的无定形淀粉分子以氢键重新排列组合最终形成趋于结晶的结构，本质是淀粉分子链的重结晶，表现出黏度增加、凝胶变硬、质构陈化的特点[40]。淀粉回生可以分为短期回生和长期回生2个阶段，短期回生主要是由直链淀粉分子的有序聚合和结晶所引起的，最有可能发生在米饭食用之前；而长期回生主要是支链淀粉外侧短链重排结晶的结果[41]，一般会持续几周，决定了淀粉老化的最终程度[42]。

2.2.1 大米淀粉精细结构对回生速率的影响

淀粉分子的精细结构(链长分布和分子大小分布)已被证明是决定淀粉回生特性的重要因素[17]。赵春芳等[43]报道了支链淀粉B1链比例降低而A链比例增加的半糯粳稻具有更高的胶稠度和米粒延伸性，更低的消减值和最终黏度，表明较多的A链和较少的B1链可能共同抑制了淀粉的回生，增加了米胶的流淌度，使米饭质地更柔软。LI等[44]利用RVA测得的消减值和质构分析仪测得的水凝胶硬度表征了淀粉的短期回生过程，发现支链淀粉和直链淀粉分子都参与了短期回生，相关性分析表明无论直链淀粉含量如何，具有相对较短的直链淀粉短链、相对较长的支链淀粉中长链(DP> 69)的大米淀粉能促进米饭的短期回生速率，使米饭硬而不黏，可见淀粉的精细结构能够通过控制重结晶速率进而影响米饭的食味。MARTINEZ等[45]报道了支链淀粉分子较小，支链淀粉A链和B1链较长的淀粉在长期回生的过程中通常形成更多的分子间氢键，由此可见支链淀粉分子尺寸的降低或外链数量的增加能够加强分子的流动性和进一步的回生速率。

2.2.2 大米淀粉精细结构对回生热特性的影响

VAMADEVAN等[46]研究发现支链淀粉的外链长度和簇内相邻构造单元之间链段的长度均与重结晶支链淀粉熔融参数Tc、Tc-To和△H之间有很强的相关性，这表明支链淀粉结构的外部和内部属性是淀粉回生特性的共同决定因素，长的外部链段有助于形成长而稳定的双螺旋结构，而长的构造单元组间的链段能够促进支链淀粉链更灵活地排列、相互作用形成双螺旋，提高淀粉的热稳定性。此外，直链淀粉精细分子结构对回生淀粉凝胶网络的微观结构有重要影响[17]，相关性研究表明相对较小的直链淀粉分子，较多的直链淀粉短、中链和较短的直链淀粉中链将形成更细密的凝胶基质[47]，由于凝胶基质内部空间有限，抑制了回生支链淀粉微晶的有序化；而相对较短的中、长链直链淀粉有助于形成更有序的支链淀粉双螺旋，使淀粉具有较高的Tc。值得注意的是，淀粉结构参数与糊化和回生特性之间的相关性表明直链淀粉和支链淀粉的链长分布不是单独影响这些特性的，例如LI等[40]研究发现直链淀粉长链和支链淀粉短链的含量与回生淀粉的熔融温度(Tp和Tc)和△H呈正相关，最低黏度与直链淀粉短链、支链淀粉中长链的相对长度呈正相关，崩解值与直链淀粉中链的相对长度以及支链淀粉中、长链的数量呈正相关，暗示直链淀粉和支链淀粉分子的精细结构在决定淀粉糊化和回生特性中起到联合作用，今后的研究需要综合考虑这2方面的影响。

3 大米淀粉精细结构与食味品质的关系

米饭的食味品质是指对米饭的气味、外观、适口性等感官指标的综合评价，米饭的质构特性对其食味品质至关重要[12]，可以直接反应米饭的适口性(硬度、黏性、弹性等)。直链淀粉含量与质构有很好的相关性[48]，直链淀粉含量高的大米质地更硬，黏性更小，但无法解释直链淀粉含量相近的水稻品种食味品质的差异，淀粉精细结构与质构特性的相关性研究提供了新的见解。

3.1 大米淀粉精细结构对硬度的影响

LI等[49]报道了DP 100～20 000的直链淀粉链和长支链淀粉链的数量与硬度呈正相关，而DP<70的支链淀粉链和直链淀粉分子大小均与硬度呈负相关，发现直链淀粉分子较小、直链淀粉长链比例较高的大米蒸煮后质地较硬。一方面，直链淀粉通过与结晶片层中的支链淀粉链共结晶，限制了蒸煮过程中淀粉颗粒的膨胀程度和直链淀粉分子的热溶出，导致米饭硬度增大。另一方面，较小的淀粉颗粒意味着较大的比表面积，有助于增强淀粉颗粒的亲水性和膨胀性[50]。支链淀粉的链长分布通过影响糊化温度与凝胶特性也会进一步影响米饭硬度，支链淀粉的长B链能和直链淀粉分子形成双螺旋结构[51]，降低米粒的吸水能力，还可以与大米中的其他成分，如蛋白质、脂肪和非淀粉多糖相互作用[4]，形成致密的结晶区，从而限制水分的迁移和淀粉颗粒的膨胀，导致较硬的质地。

3.2 大米淀粉精细结构对黏性的影响

煮饭过程中溶出淀粉的结构特征(分子大小和链长分布)对米饭的黏性至关重要。TAO等[30]对高直链淀粉水稻品种的研究发现DP 25～53的支链淀粉溶出量与黏度呈显著负相关，推测是由于支链淀粉的长链分支相互缠绕、互穿，产生更大的黏性阻力使米饭黏性降低，而具有较小分子尺寸和更短支链(DP40)的支链淀粉分子优先溶出，可以归因于其具有更大的流动性，维持淀粉颗粒完整性的能力不如长链支链淀粉，在蒸煮过程中通常更松散、更易溶出。LI等[52]研究证实加热过程中溶出淀粉的结构特征受热力学效应控制，对于非糯米品种，较小的支链淀粉比直链淀粉分子更容易从淀粉颗粒和米粒中溶出，导致渗滤液中直链淀粉含量较低，使大米具有更高的黏度，这也支持了直链淀粉分子可能跨越多个结晶-无定形片层并与支链淀粉分支共结晶的观点。综合来看，控制米饭黏性的主要结构参数包括溶出支链淀粉的总量、短支链淀粉的比例和支链淀粉的分子大小[53]，当溶出支链淀粉分子数量、短链比例和分子尺寸增大时，米粒表面分子间相互作用更强，导致淀粉颗粒和质构仪的探头之间的黏附力和脱附阻力增大[12]，即产生更高的黏性。

3.3 大米淀粉精细结构对黏弹性的影响

在蒸煮过程中，水分从细胞间隙进入米粒内部与淀粉发生水合作用，导致淀粉从米胚乳组织中溶出并在米粒表面形成大小不等的孔洞[54]，水分逐渐蒸发后溶出淀粉被重新吸附在熟米的表面形成米饭的保水膜。杨柳[54]研究发现溶出固形物的结构及其形成的保水膜与大米食味品质密切相关。麻荣荣等[55]对溶出固形物中淀粉侧链分布分析发现软米溶出固形物中高含量的短链(DP 6～12)支链淀粉在蒸煮后期能够迅速地迁移回填至表面孔洞内，并通过氢键与直链淀粉分子形成三维网状结构，有利于在表面形成高黏弹性的保水膜;而软米溶出淀粉中支链淀粉B1、B2、B3链的含量均低于粳米，较高的短链比例和较低的长链比例抑制了淀粉与其他组分的相互作用，有利于软米中固形物的溶出，使软米口感更加柔软黏弹。LI等[56]还报道了支链淀粉分子大小在决定大米淀粉凝胶黏弹性中具有重要作用，在加热过程中大的支链淀粉分子往往会限制长链直链淀粉从淀粉颗粒中溶出，而支链淀粉小分子使长直链淀粉更容易从淀粉颗粒中溶出，在连续相中通过回生作用相互交联形成更强的凝胶网络。

4 结论与展望

大米是最重要的主食之一，随着生活水平的提高，消费者在挑选大米时越来越注重米饭的蒸煮食味品质。近年来的研究从宏观上直、支链淀粉含量对食味品质的影响向微观上淀粉的精细结构与大米蒸煮食味品质相关性的方面转变，并旨在相关性分析的基础上深入探讨结构-品质的构效关系与分子机制。目前的研究仍然存在着以下问题：大米淀粉结构与蒸煮食味品质间的关系研究不够系统，对淀粉精细结构的研究多停留在一、二级分子精细结构上，更高级结构对大米品质的影响有待深入研究；相对于直链淀粉而言，支链淀粉的结构更难精确测定，缺少准确而高效的测定方法，导致不同学者采用不同的结构检测方法时得出的结论并不完全一致；除了大米淀粉分子之间的相互作用，大米中淀粉、蛋白质和脂肪之间的相互作用对淀粉精细结构和食味品质的影响尚需进一步研究分析；加热糊化会改变淀粉结构，已有研究利用原位SAXS实现了对糊化过程中大米淀粉片层结构动态变化的实时监测[57]，但有关蒸煮过程中淀粉精细结构的变化对米饭蒸煮食味品质影响的研究尚且较少。未来需要不断地开发与完善淀粉精细结构相关的检测技术和实验方法，多种检测手段相结合，系统地揭示大米淀粉各层级精细结构对米饭蒸煮食味品质的影响机理，研究建立大米蒸煮食味品质的预测评价模型，为优质大米的选育和新型大米制品的开发提供理论依据。