基因型和環境對玉米品種淀粉理化特性的影響

朱志成

(遼寧省種業發展中心，遼寧 沈陽 110034)

前言

玉米是重要的農作物，具有豐產性好、適應性強、耐儲性佳、用途廣等諸多優點。近年來，我國玉米的種植面積呈持續增加趨勢，總產量連年攀升，成為中國糧食供應安全的重要支撐[1]。玉米籽粒含有蛋白質、脂肪和糖等成分，其中淀粉含量最高，約占玉米籽粒的59.6%～74.9%[2]。天然玉米淀粉由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，分別約占25%和75%[3]。直鏈淀粉是由葡萄糖通過a-1,4糖苷鍵連接而成的線性聚合物，支鏈淀粉是由葡萄糖單位以a-1,4糖苷鍵連接構成主鏈，再以支鏈通過a-1,6糖苷鍵與主鏈相連[5]。天然淀粉具有多種理化特性，可根據需求應用于很多領域[4]。如,凍融穩定性對于食品的低溫保存起到關鍵作用，可應用于食品的速凍領域；淀粉的透明度直接關系到淀粉類產品的外觀和用途，進而影響產品的可接受性；對于淀粉作為造紙助劑來講，需要將淀粉分子完全釋放出來，因而溶解度是評價其應用的重要指標；膨脹度高的淀粉可為休閑膨化食品帶來松脆的口感、光滑的外觀以及高度膨化的效果。綜上，淀粉的理化性質為其更好地適用于工業領域提供參考依據。

但我國玉米育種目標過于追求產量，不注重符合工業生產特殊要求的具有不同淀粉特性的品種選擇，這使得生產缺乏滿足工業特殊需要的品種，無法形成規模化的特種品種種植。因此，工業生產中使用的淀粉原料來源復雜，不利于提高工業加工效率和提高玉米種植收益率。并且，基因型和環境互作對淀粉特性的影響也尚不清楚。因此，有必要根據玉米品種和環境的變化，梳理不同玉米淀粉加工特性的差異，提供特種加工淀粉的玉米，降低因加工需求對淀粉改性的成本，以促進我國玉米產業的細化發展。本研究旨在探討基因型和環境互作對玉米淀粉理化性質的影響，為特種加工淀粉玉米品種的選育和栽培提供依據，為進一步研究玉米淀粉生產動態提供必要的數據。該方法也可用于鑒定適合加工生產的高功能玉米基因型。

1 材料和方法

1.1 試驗材料和栽培地點

本研究試驗材料種植在我國遼寧省的3個不同地點，分別為昌圖(E123°32′，N42°33′)、黑山(E121°49，N41°29′)、興城(E120°50′，N40°16′)，如表1所示。遼寧種業發展中心提供了5個玉米品種(“乾坤1101”“東單60”“佳昌689”“丹玉336”“遼單452”)，分2個收獲年份，即2015年和2016年。在每個地點進行完全隨機分組，重復3次。在當地傳統栽培的基礎上，采取了2次施氮肥。成熟期收獲，按品種500粒重、色澤飽滿、籽粒均勻、田間干燥至約為14%水分的玉米品種進行后期試驗。為下一步的研究做準備，采用Yang P等[5]方法分離了玉米淀粉。

表1 不同種植地點和氣象條件

1.2 淀粉的理化特性

1.2.1 淀粉含量(SC)和直鏈淀粉含量(AC)的測定

SC和AC分別按照GB 5009.9-2016《食品中淀粉的測定》和GB/T 15683-2008/ISO 6647-1-2007《大米直鏈淀粉含量的測定》進行分析。

1.2.2 透明度(PC)、凍融穩定性(FS)、溶解度(S)和膨脹力(SP)的測定

PC通過透射率測量(T%)進行評估，該程序由Craig S A S等[6]描述，并經Aplevicz K S和Demiate I M[7]修正。FS通過謝濤等[8]的方法進行。S和SP根據Shi M等[9]的方法計算。

1.3 統計分析

所有樣品的數據均采用3次重復試驗，數據結果用SAS(9.4版)中的方差分析(ANOVA)統計。由于玉米淀粉理化性質的年際互作與其他變異無顯著差異，將2a的數據作為隨機變量，其他變量是單變量效應。數據為2a測定參數的平均值。采用最小二乘法，在5%的顯著性水平上的差異。所有圖表均由Origin 8.5(Origin Lab，Northampthon，MA，USA)呈現，平均值的標準誤差以誤差條的形式在圖表顯示。每一列的標簽為差異顯著p<0.05時。

2 結果和討論

本研究以我國遼寧省主栽玉米品種為試驗材料，在3個不同地點種植5個玉米品種，通過方差分析，探討了環境與基因型間的相互作用對玉米淀粉理化性質的影響。表2中結果表明，基因型和環境對玉米品種淀粉理化特性的影響存在顯著差異(p<0.05)。

表2 2015年和2016年玉米淀粉特性影響因素年份、品種和地點的方差分析p值及相互作用

2.1 環境對不同基因型玉米籽粒淀粉組成的影響

如表2所示，3個不同地點的環境對5個玉米品種的淀粉含量影響差異不顯著。這個結果與研究發表的環境對玉米品種淀粉含量的影響結果相似，不同環境的玉米品種的淀粉含量存在無顯著差異，也與本研究結果基本一致。本研究中環境對同一基因型的玉米品種的淀粉含量影響不顯著，可能是環境的溫度對淀粉合成酶影響不大。

不同基因型的玉米籽粒的直鏈淀粉含量間存在顯著差異(p<0.001)，如表2所示，直鏈淀粉含量范圍在20.33%～26.33%，平均含量為24.97%，如圖1a所示。直鏈淀粉含量也受到環境的顯著影響(p<0.001)，如表2所示，從3個地點的5個基因型來看，特別是品種“東單60”的直鏈淀粉含量增幅最大(3.57%)，從興城的22.76%增加到昌圖的26.33%；直鏈淀粉含量變化最小的品種是“乾坤1101”(2.16%)，從興城的20.33%增加到昌圖的22.49%，如圖1a所示，基因型與環境交互作用存在顯著差異(p=0.017)，如表2所示。如果繼續深入研究，環境因素將起了相當大變異性。考慮到環境因素，灌漿時期的不同溫度是影響玉米籽粒淀粉化學組成的主要原因。研究中同一基因型的玉米品種的直鏈淀粉含量隨溫度的升高而降低，可能是灌漿時期環境溫度的升高促進了淀粉分支酶的活性，將直鏈淀粉長鏈的葡聚糖水解成短鏈的葡聚糖，直鏈淀粉含量下降。

注：數據為2015年和2016年的參數平均值；在p<0.05時，表示顯著差異，下同。

2.2 環境對不同基因型玉米籽粒淀粉理化性質的影響

淀粉的透明度直接關系到淀粉食品的外觀可接受性。如表2所示，玉米淀粉的透明度在基因型、環境以及基因型與環境的相互上存在顯著差異，3個地點的5個玉米品種的淀粉透明度范圍在22.84%～31.87%，如圖1b所示，在昌圖的“東單60”淀粉透明度最低(22.84%)，在興城的“乾坤1101”淀粉透明度最高(31.87%)。表3相關分析表明，淀粉的透明度與直鏈淀粉含量呈顯著負相關(r=-0.747)。Chao Feng Hsieh等報告了一個類似的結果，即透明度與直鏈淀粉含量存在密切相關。Singh報道，直鏈淀粉和支鏈淀粉的逸出影響著淀粉顆粒的大小、鏈長和鏈間交聯，進而影響淀粉的透明度。基因型、環境以及基因型與環境相互作用影響著直鏈淀粉的含量，從而影響淀粉的透明度。

淀粉凍融穩定性被認為是在淀粉速凍食品中的重要特性。淀粉凝膠的凍融穩定性通常用析水率來表示。析水率越高，凍融穩定性越差，反之亦然。如圖1c所示，3個地點5個玉米品種的淀粉析水率最小值和最大值，分別是興城地區的“乾坤1101”為20.96%和昌圖的“東單60”為34.27%。如表2所示，所試樣品的淀粉凍融穩定性在基因型和環境上存在顯著差異(p<0.001和p=0.016)，品種基因型(H)與種植地點環境(L)互作效應也存在顯著差異(p=0.015)。如表3所示，相關性分析凍融穩定性與直鏈淀粉含量呈負相關(r=-0.801)，由此推斷凍融穩定性與直鏈淀粉結構有密切相關，這些結果符合直鏈淀粉分子間自締合的觀點。

圖2a為3個地點的5個玉米品種在60℃和90℃的淀粉溶解度。在所有樣品中，淀粉的溶解度都隨著溫度的升高而增加。所試樣品的淀粉溶解度在基因型、環境及基因型與環境交互作用上存在顯著差異(p=0.012，p<0.001和p=0.008)，如表2所示。60℃時，在所有樣本中昌圖的“東單60”淀粉溶解度最高，興城的“乾坤1101”淀粉溶解度最低；而在90℃下，淀粉的溶解度趨勢與60℃的結果相似，表現為昌圖的“東單60”淀粉溶解度最高，興城的“乾坤1101”淀粉溶解度最低。如表3所示，相關性分析玉米淀粉的溶解度與直鏈淀粉含量呈顯著正相關(r=0.685)，研究發現，淀粉顆粒受熱時可能會發生直鏈淀粉的降解，因此淀粉顆粒更容易吸水。加熱后，可能是支鏈淀粉的晶體結構不穩定，解體后釋放出直鏈淀粉，且直鏈淀粉的氫氧基具有親水性，易溶于水中，淀粉的溶解度也就隨之增加。

如表2所示，3個地點的5個玉米品種的淀粉膨脹度僅在環境上存在顯著差異(p=0.011)。與淀粉溶解度模式相似的趨勢，淀粉膨脹度也隨溫度的升高而增加，如圖2b所示，結果表明在昌圖種植的玉米品種淀粉膨脹度最低，在興城種植的玉米品種淀粉膨脹度最高。加熱后，水分子與暴露直鏈淀粉和支鏈淀粉短鏈的羥基以氫鍵結合，導致淀粉顆粒膨脹度和溶解度隨溫度增加而增加。如表3所示，相關性分析玉米淀粉的膨脹度與直鏈淀粉含量呈負相關(r=-0.554)，與文獻報道的趨勢一致。直鏈淀粉可抑制顆粒的膨脹，加熱后，可能支鏈淀粉的晶體結構不穩定，支鏈淀粉分子葡聚糖短鏈在介質糊化液中混亂分散，空間方向不穩定，難溶于水，形成沉淀物質，溫度越高，打開的支鏈淀粉分子葡聚糖短鏈越多，因而形成的沉淀物質越多。

表3 玉米淀粉特性不同參數的Pearson相關性

圖2 3個種植地點的5個玉米品種淀粉在60℃和90℃下的溶解度和膨脹度

3 結論

本研究結果表明，3個地點的5個玉米品種的直鏈淀粉含量、透明度、凍融穩定性、溶解度和膨脹度等理化指標在基因型和環境間存在顯著差異(p<0.05)，以及在基因型和環境間相互作用上存在顯著差異(p<0.05)。但是，所試樣品的淀粉含量在基因型和環境間的差異不顯著，以及在基因型和環境間相互作用上差異不顯著。相關性分析結果顯示，玉米品種的淀粉透明度、凍融穩定性和膨脹度與直鏈淀粉含量呈負相關；淀粉溶解度與直鏈淀粉含量呈正相關。環境因素對玉米直鏈淀粉含量的差異性影響較大，從而導致玉米理化特性的顯著性變化。在以上試驗材料中，經研究發現種植在溫度較高的興城試驗點的玉米品種“乾坤1101”淀粉透明度高、凍融穩定性好、膨脹度高、直鏈淀粉含量低、溶解度低，比較適合應用于食品加工領域。綜上，本研究結果將有助于特種加工淀粉玉米品種的選育和栽培，為進一步研究玉米淀粉生產動態提供必要的數據。