稻米淀粉影响食味品质机理的研究进展

王晶 戴常军 王翠玲 张瑞英

（黑龙江省农业科学院农产品质量安全研究所/农业农村部谷物及制品质量监督检验测试中心（哈尔滨），哈尔滨 150086；第一作者：buyijingjing@163.com；*通讯作者：zhruiying@163.com）

随着我国水稻产量的不断提高，消费者对稻米的品质提出了更高要求，其中食味品质是影响消费者选择和市场流通的重要因素[1]。稻米食味品质的形成受品种、产地、种植、收获、储藏、加工和蒸煮方式等多种因素影响，品种是重要的决定因素之一[2]，食味品质主要受遗传调控。虽然近些年每年审定的水稻品种就多达千余个，但同时兼具高产和优良食味的品种仍然较少。因此，培育满足国内外市场需求的优质食味品种，已成为目前重要的育种目标。稻米食味品质与其化学组成密切相关，特别是与淀粉的组成、结构和理化性质关系最大。这方面也已有大量研究，本文试图通过介绍稻米食味品质评价发展历程，综述稻米中淀粉和其他成分对食味品质的影响，总结淀粉生物合成与调控的机理以及食味品质改良育种的研究进展，以为稻米品质改良研究提供参考。

1 稻米食味评价发展历程

1.1 国内外稻米食味品质评价标准

稻米食味品质评价由最初的感官实验到形成规范的标准体系，经历了不断完善的发展历程，为稻米产业结构调整和满足市场需求提供了重要的参考。稻米食味品质评价发展主要可以分为三个阶段：第一阶段以感官分析为主要的评价标准。1971年，日本成立“日本谷物检定协会”，该协会对日本各地上百种大米开展感官实验，发布“大米口感排行榜”，建立《农产品规格标准》和食品安全标准《大米》，极大推进日本大米食味品质的提升。韩国沿用日本的食味评价体系同时建立具有自身特色的方法（包括从视觉、嗅觉、听觉、触觉等角度评价米饭的色泽、明晰度、气味、咀嚼声、质地和品尝味道）。在印度，只有巴斯马蒂米的评价标准相对完善，主要指标有碱消值、香味、口味、颜色、米粒长度、米粒宽度、米饭体积膨胀和米饭质地等[3]。2009年，美国提出了大米分级的市场体系标准，但没有对食味品质提出相关要求[1]。第二阶段以感官分析与理化分析相结合的评价。泰国制定的泰国香米标准（B.E.2544）对直链淀粉含量、香气和米饭质构提出了明确要求。我国在1955年首次制定稻谷收购标准，1986年颁布了农业行业标准《优质食用稻米》（NY122-86），通过制定和修订农业行业标准《食用稻品种品质》（NY/T 595-2013、NY/T 593-2021）、国家标准《优质稻谷》（GB/T 17891-2017）等对稻米品质主要指标提出明确要求，国家标准《粮油检验稻谷、大米蒸煮食用品质感官评价方法》（GB/T 15682-2008）对稻米食味品质提出了更详细的评价方法和要求。第三阶段是以感官分析结合多维数据模型进行评价，如利用近红外无损检测技术建立多维数据模型评价食味品质，但多维数据模型的方法还需要更多的感官参数作进一步验证。此外，通过举办多种形式的稻米评比品鉴活动，对稻米外观品质、理化品质和食味品质进行综合评价。这些评价和标准的制定促进了水稻种植制度和产业结构的调整，提出了满足目标市场需求和进出口标准的食味品质育种目标，促进了食味品质的提升和优良食味米的筛选培育[1]。

1.2 稻米食味品质分析方法和内容

稻米食味品质可以通过感官分析和理化分析的方法进行描述和评估。

感官分析是稻米食味品质的最真实体现。大米在规定条件下蒸煮成米饭后，品评人员通过眼观、鼻闻、口尝等方法对所测米饭的色泽、气味、滋味、米饭黏性、软硬度和适口性进行综合品尝评价。不同国家和地区对稻米食味的喜好不同，研究人员通过比较各国具有代表性的品质最好和品质较好稻米品种的食味，归纳出14 项质构参数（如淀粉成膜性、光滑度、粗糙度、唇黏附性、粒间黏性、弹性、内聚性、硬度、饭团内聚性、咀嚼量、咀嚼性、吸湿性、颗粒松散度、黏牙度）和13 个风味属性词汇（如动物气味、花香、淀粉味、类似干草发霉味、爆米花味、玉米味、青草味、牛奶味、甜香味、金属味、甜味、酸味、涩味）描述米饭的味道，并根据风味强度进行分级[4]。米饭质构涉及米饭的柔软性、黏性、弹性。柔软性与蛋白质含量、直链淀粉含量，特别是直链淀粉链长分布相关；黏性是由于蒸煮过程中小分子的直链淀粉和支链淀粉渗出到米粒表面导致的[5]，而且溶解出的糖分总量越多米饭越甜[2]。我国地域广阔，饮食结构差异较大，但对优质食味米所具备的特点已形成一定的共识，即米饭洁白光亮、气味好闻，感觉饭粒发甜、光滑、有黏弹性、触感稍硬的大米食味好[2]。

理化分析法是基于淀粉理化特性的食味品质的间接描述，理化指标包括表观直链淀粉含量（Apparent Amylose Content，AAC）、胶稠度、糊化黏度和糊化温度等[6]。AAC 提高，米饭的柔软度、黏性、适口性和光泽度降低[7]。当直链淀粉含量相近时，米饭的食味品质可利用胶稠度和糊化特性进一步区分。胶稠度（Gel Consistency，GC）指蒸煮后米胶移动的距离，是描述米饭变冷的趋势指数，分为软胶稠度（61～100 mm）、中等胶稠度（41～60 mm）和硬胶稠度（26～40 mm）[8]。ZHANG 等[9]利用3 个籼稻重组自交系鉴定了1 个新的胶稠度QTL qGC4。糊化黏度是描述淀粉黏度随温度变化的趋势，可利用布氏连续黏度仪（Brabender Visco Amylograph）或快速黏度仪（Rapid Visco Analyzer，RVA）测定糊化温度（Gelatinization Temperature，GT）、最高黏度（Peak Viscosity，PV）、峰值黏度时间（Peak Time，PT）、崩解值（Breakdown Viscosity，BD）、消减值（Setback，SB）、最低黏度（Trough Viscosity，TV）和最终黏度（Final Viscosity，FV）等参数。CHEN 等[10]对种植在3 个地区的36 个籼稻品种进行分析发现，高食味值的稻米表现为直链淀粉含量、蛋白质含量、SB 和FV 低，PV 和BD 高。利用重组自交系（RIL，Recombinant Inbred Lines）群体研究亦发现，高食味值稻米呈现低直链淀粉含量、低FV、低TV、低SB 和高BD[11]，与饭团黏聚性等感观质构最相关。淀粉糊化过程中的一个重要参数是糊化温度，它与水分的吸收、体积膨胀，以及米粒延长有关[1]，可以利用差示扫描量热仪（Differential Scanning Calorimetry，DSC）测定糊化起始温度（To）、糊化最高温度（Tp）、终止温度（Tc）和糊化焓（△Hg）等参数。糊化温度越高，蒸煮需要能量越多，根据糊化温度变化范围可以分为高（74.5 ℃～80 ℃）、中（70 ℃～74 ℃）、低（55 ℃～69.5 ℃）三类[12]。碱消值（Alkali Spreading Value，ASV）指碱液对精米粒的侵蚀程度，它是间接评价稻米糊化温度简单而有效的方法。碱消值与糊化温度趋势相反，碱消值越大，糊化温度越低，反之亦然。因此，食味品质较好的稻米从理化分析角度表现为低直链淀粉含量、软胶稠度和较低糊化温度。

感官分析和理化分析方法相结合使食味品质评价更为精准。感官分析由于它的复杂性、主观性、高成本、低效率使其很难作为培育优质食味稻的常规筛选方法，急需通过仪器分析手段测定与感官评价高度相关的参数作为感官评价的参考[1]。理化分析方法简单、快速、常规、重现性好，有利于不同实验室食味品质参数的相互比较。虽然理化分析已经采用多维数据参数构建模型来进行评价和分类[13]，不再局限于单一性状值的评价，但无论是利用理化检测还是质构分析来预测真正的食味品质都是不足的，最终还是需要通过人们的感官体验米饭的真正食味[1]。

2 淀粉组成结构与其他成分影响食味品质的机理

2.1 淀粉的组成和结构影响食味品质

淀粉是稻米食味品质形成的关键因素。淀粉是一种不溶性葡聚糖，是由葡萄糖、支链淀粉和直链淀粉组成的聚合物[14]。直链淀粉是非常小的线性或稍有分支的结构[5]。支链淀粉是淀粉中高分支的成分，在直链淀粉含量相同条件下稻米食味品质的差异与支链淀粉的精细结构紧密相关。支链淀粉精细结构复杂，首先体现在链长的多样性，支链淀粉的链根据分支点和聚合度（Degree of Polymerization，DP）分为A、B、C 链：A 链还原端参与α-1,6 键连接；B 链还原端连接到C 链或其他B 链上；C 链是唯一带有还原端的大分子。根据长短链可以分成主要的短链（一般在0～35 DP）和次要的长链（一般＞35 DP），A 链（6≤DP≤12），B1链（13≤DP≤24），B2链（25≤DP≤36），B3链（DP≥37）[15]；有些支链淀粉分子还存在超长链（EL 链）[16]。其次体现在淀粉颗粒结构的多层次，直链淀粉或支链淀粉聚集缠绕形成双螺旋，再聚集形成不同类型的晶体，晶体交替构成无定形片层和结晶片层，进而形成周期性贝壳状或环状的生长环[17]；小的淀粉颗粒表面有凸起具弹性的小体（Blocklets）[18]，小淀粉颗粒进一步融合而成复合淀粉颗粒。针对淀粉的复杂结构主要提出两种解释模型，一种是“簇模型”，即支链淀粉短链形成簇状，长链相互连着簇；另一种是“构造单元骨架模型”，即支链淀粉的L 链（或BL 链）彼此相连形成更大的骨架，构建块沿着骨架展开形成一个整体[17]。

直链淀粉主要通过直链淀粉含量反映食味品质，支链淀粉通过链长分布、淀粉组成、淀粉粒组成（结晶片层和无定形片层的比率）和晶体多态性等精细结构改变淀粉糊化特性，进而影响稻米食味。利用直链淀粉含量相同而食味值不同的杂交稻研究发现，支链淀粉短链比例增加、长链比例减少的稻米BD 和PV 升高，米饭口感软黏[18]。链长分布通过改变晶体的量、厚度和结晶片层影响理化性质[19]。长链提高糊化温度；短链提高消减值，降低糊化温度和黏度；长B 链通过分子间互作加固淀粉粒，增加米饭硬度[20]。晶体结构的稳定性与糊化开始温度相关，如B 型晶体颗粒比A 型晶体颗粒的糊化温度更低，稳定性也受到带负电荷的磷酸盐影响。比较籼稻品种中L 型支链淀粉和粳稻品种S 型支链淀粉发现，S 型链长减少，13～24 DP 减少，6～12 DP增加，形成双螺旋减少，淀粉更容易糊化[19-20]。支链淀粉结构也是食味品质的主要影响因素之一[21]，如DEP1（Dense and ERECT PANICLE 1）基因通过调控支链淀粉链长分布影响米饭硬度、黏度和弹性，进而影响食味[22]。因此，不同遗传背景水稻胚乳中淀粉的种类、含量、结构和理化特性共同决定了稻米的食味品质差异。

2.2 淀粉与蛋白质和脂类互作影响食味品质

蛋白质影响淀粉颗粒的物理性质或者以酶的形式影响淀粉的生物化学特性。稻米中蛋白质或松弛或紧密地结合到淀粉颗粒，一方面通过二硫键等特殊结构与淀粉作用形成网络结构抑制淀粉分子链间的相互作用，受热后变性形成凝胶网络包裹淀粉颗粒，抑制淀粉的进一步膨胀；另一方面作为催化淀粉生物合成的酶，影响淀粉特性和米饭质构[23]。蛋白质含量低于7%时，淀粉颗粒能吸收更多的水分而膨胀，产生更高的胶稠度和更软的口感，使食味更好[24]。比较食味品质不同的水稻发现，赖氨酸衍生物与食味品质显著相关[25]。蛋白质含量高时，蛋白质内亲水基团竞争性与水结合，从而抑制淀粉吸水膨胀，淀粉难以完全糊化，米饭变硬，黏弹性变差，如果醇溶蛋白含量增加，不仅会增加米饭硬度，还会导致外观品质下降[26]。利用蛋白组学方法鉴定到水稻种子中有302 种蛋白，由252 个基因编码，分成12 种功能类型[27]；稻米胚和胚乳中的蛋白质不同[28]，胚乳中淀粉合成相关蛋白表达增加，如FLO2（FLOURY ENDOSPERM2）过表达使籽粒更大而积累更多的淀粉[29]。所以从优良食味育种的角度，蛋白质含量应控制在一定阈值范围内并保持较低水平[2]。

脂类与淀粉形成复合物影响淀粉的理化性质。稻米中游离脂肪酸或磷脂与直链淀粉形成淀粉脂复合物，影响米饭黏弹性，脱脂后淀粉糊化温度和凝胶黏度都有所降低[30]。淀粉脂限制淀粉颗粒膨胀，从而抑制酶穿透淀粉颗粒的能力，降低淀粉的消化率。脂类和亚油酸含量高的大米外观、米饭风味和适口性都表现更好[25]，脂肪酶和脂氧合酶活性高的大米适口性低，脂类氧化也会影响稻米储藏品质。因此，脂类含量应控制在一定范围内以兼顾适口性和耐储性。

此外，粒形、细胞壁特征、非淀粉类多糖和米饭香味物质[31]等遗传性状也通过直接或间接影响淀粉的理化特性而影响稻米食味品质。

3 淀粉的生物合成与分解对食味品质的影响

3.1 淀粉生物合成对食味品质的影响

水稻中编码淀粉生物合成相关的基因影响稻米的食味品质[2]，通过扩增子测序解析了淀粉相关品质性状差异的遗传基础[32-33]。催化淀粉生物合成的酶（表1）主要包括ADP 葡萄糖焦磷酸酶（ADP Glucose Pyrophosphatase，AGPase，EC：2.7.7.27）、淀粉合成酶（Starch Synthase，SS，EC：2.4.1.21）、分支酶（SBE，EC：2.4.1.18）、脱分支酶（Debranching Enzyme，DBE），以及磷酸化酶（Phosphorylase，PHO，EC：2.4.1.1）和歧化酶（Dismutase，DE，EC：2.4.1.25）[34]。通过研究这些酶相关突变体明确了它们对稻米外观品质的影响、催化淀粉链长的功能和淀粉理化特性的改变，以及该酶基因所具有的额外功能（表1）。

表1 水稻胚乳中主要支链淀粉生物合成同工酶的作用和特异性[20,35]

AGPase 催化葡萄糖1 磷酸与ATP 生成ADP-葡萄糖和焦磷酸，这是淀粉合成的第1 个限速步骤。AGPase 主要定位于胚乳细胞质中[44]，是由2 个大亚基（AGP-L）和2 个小亚基（AGP-S）组成异源四聚体[45]。AGPase 活性受变构效应物无机磷和三磷酸甘油酸调节，AGPase 的差异表达和修饰会改变这种敏感性[46]，导致种子大小或淀粉含量变化，进而影响淀粉合成[47]。水稻中AGP-L 由OsAGPL1、OsAGPL2、OsAGPL3 和Os－AGPL4 等4 个基因编码，AGP-S 由OsAGPS1 和Os－AGPS2 等2 个基因编码。AGP-L 是影响直链淀粉含量的微效基因，其同工酶基因是影响胶稠度的微效基因[48]。

SS 催化葡糖基基团转移到已有的葡聚糖链上，合成支链淀粉的链。SS 分为SSI、SSII、SSIII、SSIV、SSV 和GBSS（Granule-Bound Starch Synthase）6 类[49]。水稻中有1 个SSI、3 个SSII、2 个SSIII、2 个SSIV、1 个SSV 和2个GBSS。SSI 延长支链淀粉短链（A、B1），在支链淀粉合成过程中起主要作用。SSII 延长支链淀粉中间链，SSIIa 控制糊化温度、黏性、凝胶性、回生特性，是区分籼稻和粳稻链长分布差异的主要基因[50]。粳稻中SSIIa基因存在2 个点突变导致其活性丧失，在粳稻中表达籼稻的SSIIa 基因，使得粳稻中支链淀粉由S 型转变为L型[51]。SSIIa 基因表达受温度调控，低温条件合成的支链淀粉的长链减少，短链显著增加，导致糊化温度降低[52]。SSIII 延长支链淀粉长链（B1，B2），SSIIIa 是影响直链淀粉含量的微效基因，与淀粉糊化温度、消减值、整精米率和胶稠度都相关。SSIV 在质体基质中与可溶颗粒的作用相关，SSIVb 仅控制糊化温度[53]。GBSSI 由waxy（Wx）基因编码是调控食味品质最主要的基因，负责贮藏组织中直链淀粉和支链淀粉超长链的合成以及半晶体多糖的构建。GBSSII 控制非贮藏组织中暂时性直链淀粉的生物合成，GBSSI 和GBSSII 催化淀粉生物合成，也受到GBSS 结合蛋白OsGBP（GBSS-Binding Protein）的调控[54]。粳稻品种多为GBSSI 渗漏突变体，GBSSI 基因表达量下降导致粳稻平均直链淀粉含量（20%）低于早期籼稻（25%）。GBSSI 的自然等位变异在可溶性与不溶性的直链淀粉比例[55]、胶稠度[56]、RVA 糊化黏度[39]和淀粉消化能力等方面都存在差异。

SBE 催化支链淀粉分支同时促进链延伸[57]，它切断α-1,4 葡聚糖链并将切下≥6 个的葡萄糖单元片段转移到葡聚糖链葡糖基残基C6 位置。SBE 只产生大于DP（Xmin）（约DP 10～11）的分支，剩余分支必须大于6 DP（X0），即SBE 只能作用于DP≥Xmin+X0的链[58]。SBEI和SBEII 对淀粉的活性能力不同，SBEI 对直链淀粉长链（DP≥50）转移，活性更高，SBEII 在对支链淀粉的结晶片层分支出短链有更高活性[59]。相关性分析显示，BEIII 影响胶稠度[60]和糊化温度，进而影响食味品质[61]。水稻中OsBEI 基因敲除突变体与野生型无明显差异；OsBEIIb 基因敲除突变体中支链淀粉的长链增加，直链淀粉和抗性淀粉也显著增加[62]。

DBE 的功能是切断由SBE 产生的不适合的分支，或通过去除可溶性的葡聚糖阻止植物糖原的形成[63]，包括异淀粉酶（Isoamylase，ISA，EC：3.2.1.68）和普鲁兰酶（Pullulanase，PUL，EC：3.2.1.41，或极限糊精酶，LDA；EC:3.2.1.142）。ISA1 修剪SBE 所产生的不当分支[60]，影响胶稠度和糊化温度[51]。PUL 可以部分互补ISA1 的功能，但其修剪支链淀粉的作用远小于ISA1。ISA2 调控ISA1 活性或稳定性，以及在特定条件下（如高温）的脱分支。ISA3 在水稻胚乳中表达较少，主要在叶子中表达[64]。ISA3 和LDA 对含有短外链的葡聚糖活性更强，LDA 能够辅助淀粉的合成和降解。利用CRISPR/Cas9获得的isa 突变体直链淀粉总量显著降低，可溶性糖总量增加，淀粉颗粒形态和淀粉合成相关基因的表达发生改变[65]。

通过比较淀粉合成相关基因突变体表型发现，单突变和双突变产生的效应并不是简单的性状叠加，除了籽粒外观、质量和淀粉精细结构改变外还会改变淀粉的理化特性并产生额外效应（表2）。SSI、SSIIa、SSIVb、BEI、BEIIa、ISA3、PUL 单基因突变对稻米籽粒质量和表型无明显影响，而SSI/BEI 和SSIIa/BEII 双突变以及其他基因突变体则会影响籽粒的质量或外观；SSI、SSIIa、BEI、Pho1 单基因突变后支链淀粉短链含量增加，SSIIIa、BEIIb、PUL 突变后支链淀粉短链含量下降，SSI/SSIIIa、SSI/BEI、SSIIIa/BEIIb、SSIIIa/GBSSI、BEI/BEIIb 双突变体中直链淀粉含量上升；对于淀粉特性来说没有明显规律，SSI/SSIIIa、SSIIIa/BEIIb 双突变体中糊化起始温度（To）、糊化最高温度（Tp）上升，ISA 突变体呈现无结晶性以及淀粉体败育的额外性状。淀粉的合成还受到转录因子的调控，水稻中转录因子OsNAC20 和OsNAC26 通过结合AGPL2、SSI、SBEI、PUL 启动子调控淀粉合成[66]。BZip 转录因子OsbZIP58通过结合到6 个淀粉合成相关基因OsAGPL3、Wx、Os－SSIIa、SBEI、OsBEIIb、ISA2 来调控它们的表达[67]。AP2（APETALA2）/EREBP 类型的转录因子RSR1（Rice Starch Regulator 1）负调控淀粉的生物合成，并且对淀粉含量、淀粉粒形态、糊化特性都有影响[68]。因此在遗传改良的育种应用过程中还需要对每个基因的功能以及多基因之间互作的效果进行有效合理的评估和选择。

表2 水稻淀粉生物合成酶基因及对淀粉理化性质的影响（修改自YASUNORI 等[20]）

4 食味品质改良的研究进展

利用杂交、回交培育超亲优质食味水稻品种。利用美国稻Lemont 和丰澳占杂交育成了兼具软、弹、香、滑优良食味品质和较高产的美香占2 号，之后将美香占2 号与其他品种进行杂交，培育出美丝占、美雅占、美油占等多个衍生优良品种。经过不断的亲本选配与后代选择先后育成了宁粳40 号和宁粳43 号，其米粒整精米率高，透明度好，蒸煮出来的米饭不仅光泽性好，而且软弹香滑，口感极好。通过常规育种手段培育的五优稻4 号连续三届获得黑龙江国际大米节金奖，食味品质超越了食味品质极佳的日本品种越光。利用分子标记辅助选择，创制基于Wx 基因复等位基因的同源重组和淀粉合成相关基因的重组新型水稻种质资源，而达到降低直链淀粉含量、改良稻米蒸煮食味品质的目的。培育出的食味品质优良品种南粳46、南粳5055和南粳9108，具有米饭柔软、富有弹性、冷却后不易变硬等优点。所用Wx 基因的等位基因包括Wxa（AC ＞20%）、Wxb（AC 14%～18%）、软米基因型Wxop/mp或Wxmq（AC 7%～10%）。ZHANG 等[69]鉴定到Wx 基因稀有突变Wxmp，利用转基因和近等基因系证明Wxmp基因型合成中等含量的直链淀粉，提高稻米食味品质。通过基因编辑Wx 使得直链淀粉含量从14.6%降低至2.6%[70]。利用CRISPR/Cas9 基因编辑技术编辑2 个优质粳稻品种Wx 基因获得2 个非转基因的糯稻[71]。XU 等[72]通过基因编辑Wx 的方法获得了一系列突变体直链淀粉含量在1.4%～11.9%。HUANG 等[73]对Wx 基因内含子编辑实现了对直链淀粉含量的细微的调控，赋予米饭与直链淀粉含量相关的质构特性。然而，这些研究结果大多是针对直链淀粉含量这一单一性状开展的研究，要真正实现食味品质的改良还需要从多角度开展食味品质的综合评价。

5 展望

食味品质是受到遗传和环境共同影响的复杂性状，通过淀粉对于食味品质影响机理的研究，一是鉴定关键基因和开发相关分子标记，通过标记辅助选择、基因组选择和基因编辑技术改良已有性状或导入新性状来加快育种进程[74-76]，目前已开发出等位基因Wx 和SSIIa 用于改良表观直链淀粉含量和GT[47]。二是整合多学科方法开发新的分子工具，建立准确、简易、高通量、可重复的适合于不同水稻品种的统一的检测方法，从而生产符合市场需求的稻米产品[13]。世界不同地区和文化背景的消费者对稻米的喜好不同，特别是基于胶稠度的质构和芳香性，直链淀粉含量和糊化温度存在区域差异。解析淀粉在稻米蒸煮和感官评价过程中所体现理化特性的分子机制，利用分子设计育种技术选择符合市场需求的育种亲本和新品种是当前设计育种的重要目标。如何对这些性状进行研究需要育种学家、食品科学家、谷物化学家、遗传学家共同合作，结合多组学和多种生物技术手段解析食味品质性状间的相互作用关系和食味品质形成的分子机制。