種植密度與施氮量對夏玉米淀粉粒分布及糊化特性的影響

石德楊 李艷紅 袁堂玉 矯巖林 趙健 董樹亭 夏德君

摘要 以黃淮海區普通玉米國家區域試驗的對照品種鄭單958為試驗材料，設67 500、82 500株/hm2 2個種植密度水平和0、180、270 kg/hm2 3個施氮量水平，研究種植密度及施氮量對夏玉米淀粉粒分布及淀粉糊化特性的影響。試驗結果表明，種植密度、施氮量單因子及其交互作用對玉米淀粉粒的體積分布存在顯著影響，且施氮量是影響淀粉粒體積分布的主要因素。增加施氮量，<3.5 μm與3.5～7.4 μm 淀粉粒體積比下降，>7.4 μm淀粉粒體積比增加;隨著氮肥用量增加，籽粒產量、粒重、總淀粉含量、支鏈淀粉含量，以及玉米淀粉的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、崩解值、回復值增加;相反，籽粒直鏈淀粉含量、直/支比以及玉米淀粉的峰值時間、糊化溫度降低。種植密度與施氮量對淀粉粒體積分布的影響效果相反。該研究中，在種植密度82 500株/hm2、氮肥用量270 kg/hm2條件下，玉米籽粒淀粉平均粒徑較大，大型淀粉粒比例較高，其糊化特性和淀粉組成較優，且能兼顧籽粒產量。

關鍵詞 玉米淀粉;種植密度;施氮量;粒度分布;熱力學特性

中圖分類號 S513文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）08-0035-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.08.010

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effects of Planting Densityand Nitrogen Application Rate on the Starch Granule Size Distribution and Pasting Properties of Summer Maize

SHI De-yang1，2，LI Yan-hong2，3，YUAN Tang-yu1 et al （1.Institute of Cereals and Oil Crops，Yantai Academy of Agricultural Sciences，Shandong Province，Yantai，Shandong 265500;2.Agronomy College of Shandong Agricultural University/State Key Laboratory of Crop Biology，Tai′an，Shandong 271018;3.Soil and Fertilizer Station of Yantai Agricultural Technology Promotion Center，Yantai，Shandong 264000）

Abstract Taking Zhengdan 958，a control variety in the national regional test of normal maize in Huang-Huai-Hai Region，as the experimental material，two planting density levels of 67 500 and 82 500 plants/hm2 and three nitrogen application rates of 0，180，and 270 kg/hm2 were set to study the effect of planting density and nitrogen application rate on the starch granule size distribution and pasting properties of summer maize.The results showed that the starch granule size distribution was significantly affected by the single factor and interactions of plant density and nitrogen rate，and nitrogen rate was the major factor that change the granule size distribution.With the increase of nitrogen application rate，the starch granule volume ratio of < 3.5 μm and 3.5-7.4 μm decreased，and the starch granule volume ratio of > 7.4 μm increased;as the amount of nitrogen fertilizer increases，grain yield，grain weight，total starch content，amylopectin content，as well as the peak viscosity，trough viscosity，final viscosity，breakdown and setback value of corn starch increased;on the contrary，the amylose content，amylose/branched ratio，peak time and gelatinization temperature of corn starch decreased.The effect of planting density and nitrogen application rate on the volume distribution of starch grains was opposite.In this study，under the condition of planting density of 82 500 plants/hm2 and nitrogen fertilizer rate of 270 kg/hm2，the ratio of large starch was higher，which resulted in better gelatinization properties and starch composition，and the grain yield could be taken into account.

Key words Maize starch;Planting density;Nitrogen rate;Granule size distribution;Thermodynamic characteristic

玉米籽粒中含有70%～75%的淀粉，是我國淀粉生產的主要原料。2018年，我國玉米淀粉產量達2 815萬 t，占淀粉總產量的94.0%。玉米淀粉以顆粒態存在于籽粒胚乳中，其大小、分布是淀粉重要的品質性狀，對淀粉的理化特性有顯著影響[1-4]，同時受品種、生長環境及栽培措施等的協同控制[4-5]。種植密度與施氮是夏玉米產量增加和品質改善的重要栽培措施[6-9]。因此，闡明種植密度與施氮量對淀粉粒分布及淀粉糊化特性的影響能夠促進玉米深加工產業的發展。

水分、品種、種植密度、施氮量等均是玉米高產優質栽培中主要的農藝措施，關于水分、品種、施氮量等對玉米籽粒淀粉粒分布及品質的影響研究較多[4-8]，但關于種植密度和施氮對玉米淀粉粒粒度分布和淀粉糊化特性的研究報道較少。為此，筆者設置2個種植密度、3個施氮量，采用激光衍射粒度分析儀分析玉米胚乳中的淀粉粒體積、表面積和數目的分布對種植密度和施氮量的響應，旨在為玉米淀粉品質調控提供理論依據，也為玉米淀粉的定向加工利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計 試驗以黃淮海區普通玉米國家區域試驗的對照品種鄭單958為供試材料。于2016年在山東農業大學黃淮海區域玉米技術創新中心（36°18′N，117°12′E）與山東農業大學作物生物學國家重點實驗室進行。供試土壤為壤土，0～20 cm土層含全氮0.89 g/kg，速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為84.5、50.65和86.15 mg/kg。試驗設2個種植密度水平（分別為 D1 67 500 株/hm2、D2 82 500 株/hm2），3 個施氮量水平（分別為 N0 0 kg/hm2、N180 180 kg/hm2、N270 270 kg/hm2），共6個處理，3 次重復，等行距種植，行距60 cm，隨機排列。施用氮肥為尿素，分別在拔節期和大喇叭口期按照 4∶6 的比例施入。各處理基施磷肥 （P2O5） 120 kg/hm2 和鉀肥 （K2O） 240 kg/hm2，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。6 月 17 日播種，按高產田水平進行田間管理。

收獲期取未被取樣破壞的3 行5 m范圍內全部果穗進行考種、測產。考種后全部果穗脫粒，曬干后混勻備用。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 淀粉粒分布。參照Peng等 [10-11]的方法提取淀粉。取15粒玉米籽粒于50 mL 0.5 mol/L的NaCl溶液浸泡16 h，剝除種皮和胚后于研缽中研磨，勻漿過200目篩，固體部分繼續研磨、過濾，重復3次。淀粉勻漿在3 300 r/min離心10 min，去掉上清液，加入25 mL去離子水，混合均勻后再離心，重復4次。去除上清液后，分別用2% SDS、0.2% NaOH、蒸餾水清洗，重復4 次，風干后于-20 ℃下儲存備用。

采用LS 13320 激光衍射粒度分析儀（貝克曼庫爾特有限公司，美國）進行淀粉粒分析。取50 mg 淀粉放入離心管，加入5 mL 蒸餾水超聲30 s后進樣，根據激光衍射法進行自動分析。

1.2.2 淀粉糊化特性。采用Rapid Visco Analyzer（Newport Scientific 儀器公司，澳大利亞），參考《小麥、黑麥及其粉類和淀粉糊化特性測定快速粘度儀法》（GB/T 24853—2010）測定淀粉的糊化特性。

1.2.3 淀粉及其組分含量。玉米直、支鏈淀粉含量測定參照雙波長法[12]。

1.3 統計分析 應用Microsoft Excel、SPSS 19.0、RVA黏度分析儀和LS13320 激光衍射粒度分析儀自帶軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 種植密度及施氮量對玉米淀粉粒體積分布的影響 該試驗中各處理玉米樣品的淀粉粒分布趨勢相似，成熟期玉米淀粉粒的粒徑分布范圍為0.37～33.08 μm，但其上限值并不一致，為24.95～33.08 μm。種植密度、施氮量及其交互作用對夏玉米淀粉粒分布有顯著影響（表1）。統計分析表明，玉米淀粉平均粒徑主要受施氮量影響，其變異占總變異的81.1%，種植密度變異占總變異的13.9 %;粒徑<3.5 μm 所占比例的變異中，種植密度為27.6%，施氮量為66.4%，交互作用為6.0%;粒徑3.5～7.4 μm所占比例主要受施氮量的影響，占總變異的83.2%，其次為種植密度，為15.8%，交互作用對其影響不顯著;粒徑>7.4 μm 所占比例主要受施氮量的影響，占76.7%，種植密度占21.5%;施氮量對中位粒徑有顯著影響，但是種植密度及種植密度與施氮量的交互作用對中位粒徑影響不顯著。

同一種植密度下，隨施氮量的增加，粒徑<3.5 μm與粒徑3.5～7.4 μm所占比例顯著降低，低密度（D1）條件下，N180及N270較N0處理分別降低3.4%、7.1%及5.0%、11.0%，高密度（D2）條件下，N180及N270較N0處理分別降低7.0%、7.8%及7.8%、9.3%;平均粒徑及粒徑>7.4 μm所占比例隨施氮量的增加顯著增加，D1條件下，N180及N270較N0處理分別增加2.3%、0.1% 及4.6%、1.5%，D2條件下，N180及N270較N0處理分別增加4.9%、1.5%及7.0%、1.7%。相同施氮量條件下，增加種植密度，粒徑<3.5 μm與粒徑3.5～7.4 μm所占比例顯著增加，N0、N180及N270條件下分別增加5.0%、1.1%、1.9%及2.4%、1.7%、4.3%;相同施氮量條件下，增加種植密度，平均粒徑與粒徑>7.4 μm所占比例顯著降低，N0、N180及N270條件下分別降低2.9%、0.4%、0.7%及0.8%、0.2%、0.5%。

2.2 種植密度和施氮量對夏玉米淀粉糊化特性的影響 由表2可看出，施氮量可以顯著影響峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度、回復值、峰值時間及糊化溫度，且均達到極顯著水平（P<0.01）;種植密度可顯著影響除糊化溫度外的各項特性;兩者交互作用可以顯著影響玉米淀粉的谷值黏度、崩解值、最終黏度、回復值。種植密度與施氮量對玉米淀粉糊化特性的影響效果相反。增施氮肥，玉米淀粉峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度及回復值升高，峰值時間及糊化溫度降低，施氮有利于增加淀粉糊黏度的穩定性，且所需糊化溫度降低，達到峰值的時間縮短。統計結果可以看出，峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度、峰值時間及糊化溫度主要受施氮量影響，其變異占總變異的86.6%、84.9%、87.9%、77.0%、55.3%及96.55%。

2.3 種植密度和施氮量對夏玉米籽粒產量和淀粉組分含量的影響 種植密度、施氮量及兩者交互作用顯著影響夏玉米籽粒產量、粒重（表3）。增加種植密度與增施氮肥條件下，玉米籽粒產量顯著增加，低種植密度條件下，N180與N270籽粒產量差異不顯著;增施氮肥，籽粒粒重顯著增加，增加種植密度，粒重降低。種植密度與施氮量可以極顯著影響玉米籽粒中總淀粉、直鏈淀粉、支鏈淀粉及直/支比，但兩者交互作用對以上指標影響不顯著。增施氮肥條件下，總淀粉、支鏈淀粉含量顯著提高，直鏈淀粉及直/支比顯著降低;增加種植密度，以上指標變化趨勢與增施氮肥相反。表明增加種植密度與施氮有利于增加籽粒產量;施用氮肥有利于增加總淀粉和支鏈淀粉含量，降低直鏈淀粉含量和直/支比。

2.4 淀粉粒體積分布與糊化特性、粒重和淀粉組分的關系 相關分析（表4）表明，小型淀粉粒體積比及中型淀粉粒體積比與峰值時間、糊化溫度、直鏈淀粉含量和直/支比呈極顯著正相關，與峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度、產量、粒重、總淀粉含量及支鏈淀粉含量呈極顯著負相關;大型淀粉粒體積比與糊化特性、產量和淀粉組分含量的關系恰好相反，表現為與峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度、產量、粒重、總淀粉含量及支鏈淀粉含量呈極顯著正相關，與峰值時間、糊化溫度、直鏈淀粉含量及直/支比呈極顯著負相關。

3 小結與討論

淀粉主要由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成的半晶體顆粒構成[13]。該試驗結果表明，夏玉米淀粉粒的直徑范圍在0.37～33.08 μm。淀粉粒的大小受多種因素制約，包括環境因素、基因表達、生物合成過程等[14]。張敏等[8]研究發現，隨著種植密度的增加，小麥胚乳中淀粉粒呈增大趨勢，主要表現在淀粉粒的平均粒徑、中位粒徑和A型淀粉粒的比例隨密度增大而提高;當密度增大到一定程度后，小淀粉粒的比例又提高。該研究結果表明，種植密度與施氮量顯著影響玉米淀粉粒分布，施用氮肥，大型淀粉粒體積比例增大，中、小型淀粉粒比例降低，而種植密度對玉米淀粉粒體積分布的影響與施氮量相反。因此，在增加種植密度的前提下，適當的增施氮肥不僅有利于籽粒產量的增加，也能夠有益于玉米生產，使其籽粒充實好，胚乳細胞增多。

前人研究[15-16]指出，淀粉粒的大小與直鏈淀粉含量、糊化溫度、膨脹勢和水結合能力等淀粉理化性質顯著相關。該研究結果表明，大型淀粉粒（粒徑>7.4 μm）的比例與峰值黏度及崩解值呈極顯著正相關，與糊化溫度呈極顯著負相關，而小型淀粉粒（<3.5 μm）和中型淀粉粒（3.5～7.4 μm）的比例與峰值黏度及崩解值呈顯著負相關，與糊化溫度呈顯著正相關。

Takeda等[17]報道指出，淀粉的大顆粒包含更小、更少分支的直鏈淀粉;史春余等[18]研究發現，甘薯塊根直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量與小型（<3.36 μm）和中型（3.36～19.76 μm）淀粉粒體積比呈極顯著負相關，與大型淀粉粒（>19.76 μm）呈極顯著正相關;直/支比與小型和中型淀粉粒體積比呈極顯著負相關，與大型淀粉粒呈極顯著正相關。該研究結果也表明，大型淀粉粒的體積比例與直鏈淀粉含量呈正相關關系，與支鏈淀粉含量呈極顯著負相關關系。因此，從淀粉粒分布與淀粉糊化特性及淀粉組分之間的相關關系上看，通過采用一定的栽培措施，調整淀粉粒徑分布，可以改變淀粉組分及熱力學特性，進而實現玉米淀粉品質的改良。

綜上所述，種植密度、施氮量及其交互作用對玉米淀粉粒分布有顯著影響，且施氮量是影響夏玉米淀粉粒粒度分布的關鍵因子。隨施氮量增加，玉米淀粉粒平均粒徑及大型淀粉粒比例增加，淀粉峰值黏度、崩解值提高，峰值時間、糊化溫度等降低。因此，適宜的種植密度及施氮量（82 500 株/hm2 與270 kg/hm2）能夠兼顧籽粒產量與品質。

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