米粉稻早季与晚季种植品质差异研究

肖正午 胡丽琴 黎 星 解嘉鑫 廖成静 康玉灵 胡玉萍张珂骞 方升亮 曹放波 陈佳娜 黄 敏 ,*

1 作物生理与分子生物学教育部重点实验室 / 湖南农业大学, 湖南长沙 410128; 2 衡阳市农业科学院, 湖南衡阳 421101

米粉是亚洲地区最受欢迎的米制品[1]。米粉稻是指适合加工米粉的水稻品种。米粉品质很大程度决定于稻米品质, 稻米品质不仅与水稻品种有关,同时也受到气候条件的影响[2-4]。在全球气候变暖,极端天气频发的大环境下, 研究气候条件对米粉稻稻米品质与米粉品质的影响能够为米粉稻优质栽培提供科学依据。

前人通过稻米品质对米粉品质的影响筛选米粉稻品种, 结果普遍认为稻米直链淀粉含量是评价米粉品质的核心指标[5-7]。直链淀粉含量高, 稻米淀粉凝胶速度快, 凝胶强度大, 生产出的米粉断条率、损失率低, 米粉品质好[8]。有研究认为直链淀粉含量在22.1%～25.5%范围内时, 加工出的米粉品质较好,直链淀粉含量过高或过低均会降低米粉品质[9-10]。此外, 蛋白质与淀粉相互作用会使得米粉凝胶网络结构更加致密稳定。高晓旭等[5]研究表明, 蛋白质含量在6.0%～7.0%范围内时, 米粉品质较好。周显青等[4]研究认为, 相对于理化指标, 稻米淀粉糊化特性更能反映米粉品质, RVA 谱特征值中峰值黏度、最低黏度、最终黏度和回复值均与米粉品质显著相关。

除品种外, 稻米品质受气候条件影响最大[11-13]。其中, 灌浆期温度和光照是最关键的 2 个气象因子[12-14]。不同品种及不同稻米品质指标对气候条件变化的响应不尽相同[15-16]。多数研究认为, 直链淀粉含量与灌浆期平均温度负相关[17-19]。但程方民等[20-21]则认为直链淀粉含量与灌浆期温度的关系因品种而异, 高直链淀粉含量品种在较高温度下直链淀粉含量可达最大, 低直链淀粉含量品种则相反。Liu 等[22]研究表明, 灌浆期平均温度升高会使稻米RVA 谱特征值中峰值黏度和崩解值上升, 消减值下降。这与袁继超等[23]的研究结果一致。光照强度降低或者日照时数减少均会降低稻米品质[24-27]。陶钰等[24]研究表明50%遮阴处理会导致稻米直链淀粉含量降低, 蛋白质含量升高, 同时使RVA 谱特征值中峰值黏度、热浆黏度、最终黏度和崩解值降低, 消减值升高。

以往的研究主要集中在米粉稻品种筛选, 关于气候条件对米粉稻米粉品质的影响鲜见报道。因此,笔者假设晚季气候条件更有利于米粉稻米粉蒸煮品质形成, 米粉稻在晚季种植时米粉蒸煮品质提高。本研究通过早季与晚季种植米粉稻, 比较早、晚季米粉稻米粉蒸煮品质及稻米品质, 旨在明确早、晚季气候条件是如何影响米粉稻关键稻米品质指标,从而影响米粉品质。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020—2022 年在湖南省浏阳市永安镇坪头村(28°09′N, 113°37′E)进行。试验地属于亚热带季风湿润气候, 种植制度为冬季休闲-早稻-晚稻。供试土壤为黏土, 2020 年试验前取耕层0～20 cm 土壤, 其基本理化性质为: pH 6.26、有机质36.67 g kg–1、全氮1.56 g kg–1、全磷1.08 g kg–1、全钾9.79 g kg–1、碱解氮205.45 mg kg–1、速效磷35.45 mg kg–1、速效钾100.00 mg kg–1。2020—2022 年水稻生长季的日平均温度和日平均辐射量数据来自于试验田的小型气象站(Vantage Pro 2, 戴维斯公司, 美国)。

1.2 试验设计

采用完全随机区组设计, 小区面积为35 m2, 每个处理3 次重复。供试品种为5 个米粉稻品种: 广陆矮4 号、中嘉早17、湘早籼24 号、中早39 和株两优729。采用水育秧方式, 2020—2022 年早季播种日期分别为3 月25 日、3 月25 日和3 月26 日, 移栽日期分别为4 月20 日、4 月26 日和4 月26 日; 晚季播种日期分别为6 月27 日、6 月28 日和7 月10日, 移栽日期分别为7 月18 日、7 月21 日和7 月29 日。早晚季栽插密度均为16.7 cm × 20.0 cm, 每穴3 株基本苗, 人工插秧和收获。

早、晚季氮磷钾肥施用量和施用比例相同, 氮肥磷肥和钾肥用量分别为纯氮150 kg hm–2、纯磷75 kg hm–2、纯钾150 kg hm–2。氮肥施用尿素, 分3次施用, 基肥、分蘖肥和穗肥施用比例为5∶3∶2;磷肥施用钙镁磷肥, 全部作为基肥一次性施用; 钾肥施用氯化钾, 分2 次施用, 基肥和穗肥施用比例为5∶5。基肥在移栽前1 d 施入, 分蘖肥在移栽后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, 收获前7 d 开始断水。采用化学方法防治病虫草害, 大型杂草人工拔除。

1.3 指标测定方法

1.3.1 米粉蒸煮品质 于成熟期在每个小区中部人工收割, 所得稻谷部分用于加工米粉。将收集到的稻谷样品放入挺旺碾米机(6N-4A, 湖南省挺旺机械有限公司, 湖南)中统一碾磨2 次得到精米, 将所得精米室温下浸泡10 h, 淘洗3 遍去除杂质, 加入多功能一步成型米粉机(5-MFD15B, 湖南省粉师傅机械科技股份有限公司, 湖南)中加工米粉, 挤压成型后将所生产的米粉放入配套的米粉优化箱(6-2YH1015B, 湖南省粉师傅机械科技股份有限公司, 湖南)中优化8 h, 优化后的米粉用于检测米粉蒸煮品质。

米粉蒸煮品质测定: 随机选择30 根优化后的米粉, 切成长度为20 cm 的米粉条并称重, 重量记为N1, 后将米粉置于约500 mL 沸水中煮7 min。煮完后用凉水冷却, 冷却后将所有米粉置于试管架上,数出未断的米粉根数n; 待米粉表面水分沥干后称重, 重量记为N2; 把剩余的液体定容至1000 mL 后摇匀, 取50 mL 于三角瓶(三角瓶重记为W0)中在105℃下烘干, 烘干后称重, 总重记为W1。米粉蒸煮品质指标参照Tong 等[28]的方法计算。蒸煮时间的确定: 将若干优化后的米粉置于沸水中煮, 放下去的同时开始计时, 从第3 分钟开始, 每隔30 s 挑出1 根, 直至第10 分钟, 逐一观测, 最早发现米粉中部无硬芯的时间即为米粉最适的蒸煮时间。断条率(%) = (30–n)/30 × 100%; 损失率(%) = (W1–W0) ×20/N1× 100%; 吸水率(%) = (N2–N1)/N1× 100%。

1.3.2 稻米品质 将收割所得稻谷水选出实粒后,晒干稻谷表面水分, 于室温下保存, 平衡水分3 个月后进行稻米品质测定。使用稻谷精米检测机(JGMJ8098, 上海嘉定粮油仪器有限公司, 上海)将稻谷碾磨成精米, 之后把精米粉碎、过筛, 待测。总淀粉含量: 采用旋光法进行测定, 具体操作参照李合生主编的《植物生理生化实验原理和技术》。直链淀粉含量: 采用碘蓝比色法进行测定, 具体操作参照农业部标准NY/T 2639-2014。支链淀粉含量: 总淀粉含量减去直链淀粉含量。蛋白质含量: 用H2SO4-H2O2将水稻精米粉消化, 采用奈氏比色法测定精米含氮量[29]。蛋白质含量为含氮量乘以换算系数5.95[30]。含水量: 称取3 g 过筛后的精米粉置于已知重量的铝盒中, 将样品置于80℃烘箱中烘干至恒重。最终精米粉含水量即为烘干过程中减少的重量除以样品重量。稻米淀粉和蛋白质含量的含水量均折算为13.5%。RVA 谱特征值: 利用快速黏度分析仪(Rapid viscosity-analyzer super 4, Newport Scientific 仪器公司, 澳大利亚)测定, 采用配套软件TWC 进行分析。具体操作参照国标GB/T 24852-2010 大米及米粉糊化特性测定-快速粘度仪法。主要参数包括峰值黏度、热浆黏度、最终黏度、崩解值、消减值、回复值、峰值时间和糊化温度。其中崩解值=峰值黏度–热浆黏度; 消减值=最终黏度–峰值黏度; 回复值=最终黏度–热浆黏度。糊化温度为糊化起始温度。淀粉黏度指标可用RVU 或者cP 为单位,1 RVU=12 cP。

1.4 统计分析

使用Microsoft Excel 2010 对数据进行整理及计算, 采用Statistix 8.0 对数据进行统计分析, 多重比较用LSD 法。

2 结果与分析

2.1 米粉稻早季与晚季种植灌浆期平均温度和平均辐射量

由图1 可知, 2020—2022 年早季灌浆期日平均温度随抽穗后天数增加呈上升趋势, 晚季日平均温度随抽穗后天数增加呈下降趋势, 早季灌浆期平均温度均高于晚季(图1-a, c, e)。2020—2022 年早季与晚季灌浆期平均温度分别为28.2℃和21.8℃、29.2℃和26.9℃、29.2℃和21.7℃。随着抽穗后天数增加,2020—2022 年早季与晚季灌浆期日平均辐射量无明显变化规律, 早季灌浆期平均辐射量均高于晚季(图1-b, d, f)。2020—2022 年早季与晚季灌浆期平均辐射量分别为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。与早季种植相比, 米粉稻在晚季种植时灌浆期平均温度和平均辐射量分别降低18.7%和12.7%。

图1 2020–2022 年米粉稻早季和晚季种植灌浆期日平均温度(a, c, e)和日平均辐射量(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 米粉稻早季与晚季种植稻米品质

2020—2022 年米粉稻早季与晚季种植稻米品质指标的方差分析表明, 除总淀粉含量外, 其余稻米品质指标均在季节间差异显著(表1)。除支链淀粉含量外, 其余指标均在品种间差异显著。除总淀粉含量和崩解值外, 其余指标均在年份间差异显著。峰值黏度、热浆黏度、崩解值、消减值、峰值时间和糊化温度在季节与品种互作上差异达显著或极显著水平。除支链淀粉含量外, 其余指标均在季节与年份互作上差异达显著或极显著水平。总淀粉含量、直链淀粉含量、支链淀粉含量、峰值黏度、崩解值、最终黏度、回复值和糊化温度均在品种与年份互作上差异达显著或极显著水平。热浆黏度和糊化温度均在季节、品种与年份三者互作上差异达显著或极显著水平。

表1 季节、品种和年份对米粉稻稻米品质与米粉蒸煮品质的方差分析(F 值)Table 1 Variance analysis of season, cultivar and year on rice quality and rice noodles cooking quality of noodle rice (F-value)

稻米直链淀粉、支链淀粉和蛋白质含量早晚季差异在不同年际间规律不一致(表2)。2020 年直链淀粉含量早晚季间无显著差异, 2021 年和2022 年晚季直链淀粉含量均显著低于早季。2020 年晚季支链淀粉含量显著高于早季, 2021 年和2022 年支链淀粉含量早晚季间差异不显著。2021 年蛋白质含量早晚季间无显著差异, 2020 年和2022 年晚季蛋白质含量显著高于早季。与早季种植相比, 米粉稻在晚季种植时RVA 谱特征值中峰值黏度、热浆黏度、崩解值、最终黏度、回复值和糊化温度分别下降 25.8%、22.9%、34.3%、19.7%、14.2%和2.0%, 消减值和峰值时间分别上升11.8%和2.3% (表3)。品种间热浆黏度、最终黏度、峰值时间和糊化温度中嘉早17 均较低, 而湘早籼24 号较高。

表2 2020–2022 年米粉稻早季与晚季种植稻米淀粉和蛋白质含量Table 2 Starch and protein contents in milled rice flours of early and late seasons noodle rice in 2020–2022 (%)

表3 2020–2022 年米粉稻早季与晚季种植稻米RVA 谱特征值Table 3 Paste properties in milled rice flours of early and late seasons noodle rice in 2020–2022

2.3 米粉稻早季与晚季种植米粉蒸煮品质

2020—2022 年米粉稻早季与晚季种植米粉蒸煮品质指标的方差分析表明, 米粉蒸煮损失率在季节间差异极显著(表1)。损失率和吸水率均在品种和年份间差异显著或极显著。损失率和吸水率在季节与品种互作上差异达极显著水平。断条率、损失率和吸水率均在季节与年份互作上差异显著。损失率在品种与年份互作上及季节、品种与年份三者互作上差异达极显著水平。

与早季种植相比, 米粉稻在晚季种植时损失率降低 7.4%; 断条率和吸水率两季间差异不显著(表4)。说明晚季种植米粉稻有助于米粉蒸煮品质提高。品种间断条率差异不显著。中嘉早17 损失率最低, 吸水率最高, 米粉品质显著优于其他品种。湘早籼24 号和中早39 则损失率高, 吸水率低,表现较差。

表4 2020–2022 年米粉稻早季与晚季种植米粉蒸煮品质Table 4 Cooking quality of rice noodles processed from early and late seasons noodle rice in 2020–2022 (%)

2.4 米粉稻米粉蒸煮品质与稻米品质的相关性

将米粉稻米粉蒸煮品质与稻米淀粉和蛋白质含量及RVA 谱特征值等指标进行相关分析(图2), 结果表明米粉断条率与稻米淀粉和蛋白质含量及RVA 谱特征值相关性均未达显著水平。米粉损失率与总淀粉和直链淀粉含量呈显著负相关关系, 与最终黏度、峰值时间和糊化温度呈显著正相关关系。米粉吸水率仅与峰值时间呈显著负相关关系。

2.5 米粉稻稻米品质与灌浆期气候条件的相关性

将米粉稻灌浆期平均温度、平均辐射量与稻米淀粉和蛋白质含量及RVA 谱特征值等指标进行相关分析(图3), 结果表明总淀粉和峰值时间与平均温度和平均辐射量均无显著相关。直链淀粉含量、峰值黏度、热浆黏度和最终黏度与平均温度和平均辐射量呈显著正相关关系。支链淀粉含量与平均温度无显著相关, 与平均辐射量呈显著负相关关系。蛋白质含量和消减值与平均温度和辐射量呈显著负相关关系。崩解值和糊化温度与平均温度呈显著正相关关系, 与平均辐射量无显著相关。回复值与平均温度呈显著正相关关系, 与平均辐射量无显著相关。

图3 米粉稻稻米淀粉和蛋白质含量及RVA 谱特征值与灌浆期平均温度和平均辐射量的相关性热图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 讨论

3.1 米粉稻早季与晚季种植米粉品质与稻米品质的关系

目前, 将米粉稻在晚季种植, 探究气候条件对米粉稻稻米品质与米粉品质的影响研究有限。本研究结果表明米粉稻在晚季种植时米粉蒸煮品质提高。与早季种植相比, 米粉稻在晚季种植时米粉损失率降低7.4%, 断条率和吸水率两季间差异不显著。可能是因为晚季灌浆期平均温度和平均辐射量降低, 导致稻米品质指标发生改变, 从而提高了米粉品质。

直链淀粉含量是评价米粉品质的核心指标, 直链淀粉含量高, 淀粉凝胶速度快, 加工出的米粉断条率和损失率低, 米粉品质好[5-8]。淀粉糊化特性对米粉品质有很大影响, 米粉蒸煮损失率与RVA 谱特征值中的黏度指标呈显著负相关关系[6,31-32]。本研究米粉稻在晚季种植时, 直链淀粉含量降低, 支链淀粉含量和蛋白质含量升高; RVA 谱特征值中峰值黏度、热浆黏度、崩解值、最终黏度、回复值和糊化温度下降, 消减值和峰值时间上升。米粉损失率与直链淀粉含量呈显著负相关关系, 与最终黏度、峰值时间和糊化温度呈显著正相关关系。由此可见,本研究中晚季米粉比早季米粉损失率更低主要与最终黏度和糊化温度有关, 而直链淀粉含量并非影响米粉稻米粉蒸煮品质的关键指标。这可能与所采用的品种有关, 本研究中米粉稻品种的直链淀粉含量均较高(>24%), 且各品种在季节间直链淀粉含量的变异远小于最终黏度和糊化温度。因此, 米粉稻稻米RVA 谱特征值中最终黏度和糊化温度是影响米粉损失率的关键指标。

此外, 在5 个供试品种中, 中嘉早17 早季和晚季米粉品质均表现最好, 其蒸煮损失率在 2020—2022 年早晚季均比其余4 个品种更低, 而吸水率更高(除2020 年晚季外)。这可能是因为中嘉早17 相比于其他4 个品种稻米直链淀粉含量更高, 而最终黏度和糊化温度更低。湘早籼24 号是湖南省筛选出的饲料稻品种, 其蛋白质含量显著高于其余4 个品种,但其总淀粉和直链淀粉含量相对较低, RVA 谱特征值中最终黏度和糊化温度均较高, 使得加工出的米粉损失率相对较高。由此可见, 优质米粉稻品种在满足直链淀粉含量较高, 最终黏度和糊化温度较低的同时, 还需注意蛋白质含量不宜过高。可据此筛选优质米粉稻品种。

3.2 米粉稻早季与晚季种植稻米品质与灌浆期气候条件的关系

稻米品质的形成是灌浆期光合产物在籽粒中积累的过程, 稻米品质既受品种基因型影响, 也与外界环境因子有关[33-34]。有研究认为, 灌浆期平均温度降低会引起稻米直链淀粉含量增加, 蛋白质含量降低[35]。而本研究中米粉稻晚季种植平均温度降低,直链淀粉含量下降, 蛋白质含量升高, 这可能与所选用品种的特性、灌浆期辐射或其他气象因子有关。灌浆期平均辐射降低会导致稻米直链淀粉含量降低,蛋白质含量增加[26]。丛舒敏等[36]研究认为, 增温处理会使直链淀粉和蛋白质含量增加, 低温弱光、增温弱光处理均会使直链淀粉降低, 蛋白质含量升高。本研究与丛舒敏等[36]结果一致。直链淀粉含量与灌浆期平均辐射量显著正相关, 蛋白质含量与之相反, 且蛋白质含量的变异大于直链淀粉含量。

除季节外, 年度间蛋白质含量的变异较大, 2020年比2022 年蛋白质含量高22.4%。其中, 2020 年早季与晚季蛋白质含量分别比 2022 年高 15.6%和30.0%, 可能是由于2 年早季与晚季灌浆期平均辐射量差异所致。2 年早季与晚季灌浆期平均温度接近,而 2020 年早季与晚季灌浆期平均辐射量分别比2022 年低16.8%和31.0%。蛋白质的合成与植株体内碳氮代谢密切相关。任万军等[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减弱,且弱光会促进氮素向籽粒转运, 使得植株的代谢以碳代谢为主转向氮代谢为主, 从而促进蛋白质的合成。可见, 2022 年蛋白质含量低主要与之灌浆期平均辐射量高有关。

灌浆期温光条件会影响稻米淀粉和蛋白质的合成, 同时也会改变稻米RVA 谱特征值[38]。张国发等[39]通过人工气候室研究认为灌浆期高温会使峰值黏度、热浆黏度和崩解值下降, 最终黏度、消减值和回复值和糊化温度升高。陶钰等[24]研究发现遮光处理淀粉峰值黏度、热浆黏度、最终黏度和崩解值呈下降趋势, 消减值呈上升趋势, 糊化温度差异不显著。杨帆等[25]则发现推迟播期导致灌浆期平均温度降低, 日照时长与降雨量减少, 使得峰值黏度、热浆黏度、最终黏度和崩解值降低, 消减值和峰值时间升高。本研究与杨帆等[25]研究结果基本一致, 但与张国发等[39]研究结果不同。出现不同结果可能是前者只探讨了灌浆期平均温度对RVA 谱特征值的影响,灌浆期平均辐射量与其余气象因子对稻米RVA 谱特征值也有影响, 且不同水稻品种及不同RVA 黏度指标对环境条件的敏感性不同[23]。

包括湖南在内的华中单、双季稻稻作区的大部分地区温光资源丰富, 适宜双季稻种植[40]。随着作物生产目标从以往的仅追求高产到现在的质量与效益并重, 直播、机插等轻简化机械化种植方式发展迅速, 使得多熟制作物所要求的生育期更短[41-42]。目前, 生产上推广的大部分晚稻品种生育期过长,导致缺乏适宜直播、机插等轻简化机械化搭配的晚稻品种[43]。米粉稻品种翻秋种植, 前期生长阶段温度高, 能够显著缩短水稻秧龄期和营养生长期。在没有早熟晚稻品种可供选择的情况下, 使用早稻品种翻秋种植的“早晚兼用”搭配模式是可行的[43]。但生育期合适的米粉稻品种及其产量表现等还有待进一步研究。

4 结论

米粉稻在晚季种植时灌浆期平均温度和平均辐射量降低, 使得稻米直链淀粉含量降低, 蛋白质含量升高; 同时导致RVA 谱特征值中峰值黏度、热浆黏度、崩解值、最终黏度回复值和糊化温度下降, 消减值和峰值时间上升。其中, 最终黏度和糊化温度下降有利于减少米粉损失率。因此, 米粉稻在晚季种植有助于米粉蒸煮品质提高。米粉稻稻米RVA 谱特征值中最终黏度和糊化温度是影响米粉损失率的关键指标。