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    高直链淀粉玉米研究进展
    发布单位:渭南天正达生物科技有限公司

    渭南天正达生物科技有限公司 陕西 渭南

    一、国内外高直链淀粉玉米研究与应用现状

    1.1玉米淀粉产业概况

    玉米是我国第一大粮食作物,2012年种植面积约 3500 万 hm2,占作物种植面积的31.82%,总产2.04 亿吨,占当年粮食总产的34.63%。接近世界总产的25%,为世界第二大玉米生产国。在我国,玉米是重要的粮饲作物和工业原料,对国民经济的安全运行至关重要。2013年,全年饲料工业消耗玉米1.25亿吨,约占玉米总产量的62.5%,食品加工消耗2000万吨,占总产的10%,工业深加工消耗5500万吨,占总产27.5%。其中淀粉生产占整个玉米深加工的57%。直接利用利用玉米淀粉再次延伸产业链深加工而生产的产品有2000多种,最主要的包括淀粉糖、赖氨酸、山梨醇、化工醇、燃料乙醇、柠檬酸、肌苷酸、葡萄糖、Vc、VE及其他药物使用的青霉素和抗菌素等。近几年,我国淀粉市场发展迅速,年均增长率都在10%以上。2012年我国淀粉总产量2425万吨,其中玉米淀粉2186万吨,占90.14%,居世界第二位。同期淀粉消费增长迅猛,在过去10年间,国内玉米淀粉深加工产品每年以10—20%的比率增长,其中以变性淀粉和淀粉糖的增长速度最快。市场潜力巨大。

    普通淀粉由支链淀粉(约75%)和直链淀粉(约25%)所组成,淀粉的直支比对淀粉的理化特性好用途有重要影响。当淀粉中的直链淀粉含量超过50%时称为高直链淀粉,高直链淀粉具备普通淀粉所不具备的很多特性和用途。

    1.2高直链玉米淀粉的用途

    (1) 食品工业

    1)抗性淀粉:抗性淀粉(Resistant Starch,简称RS)这一术语最早是在1982年由Englyst提出,当时指a一淀粉酶作用于非回生淀粉后剩余的未被降解的部分;而后概念扩展到包括不被肠道酶降解消化的部分[269-271]。1992年,FAO根据Englyst和Euresta的建议,将抗性淀粉定义为:“健康者小肠中不吸收的淀粉及其降解产物”。抗性淀粉具有类似膳食纤维的生理功能,并能够减少饭后血糖和胰岛素响应,降低血浆胆固醇和甘油三酸酯的浓度。RS在结肠中被微生物群落发酵产生短链脂肪酸和气体,从而能降低结肠pH值,增进结肠健康,防治结肠癌。RS也是一种益生元,能够选择性地促进肠内有益菌(如双歧杆菌)的生长繁殖。RS还有助于使粪便成形,防止便秘。此外,RS呈白色,风味清淡,作为食品配料不会影响食物的风味、质地和外观,在许多应用中,甚至可以提高最终产品的风味。抗性淀粉本身几乎不含热量,最为低热量添加剂添加到食物中,可以起到与膳食纤维相似的生理功能。

    抗性淀粉作为食品的膳食纤维功能成分,广泛应用于食品加工,不仅可提高纤维含量,还可改进食品的品质,克服传统膳食纤维的某些缺点,使消费者能够在享受食品原有美味的条件下得到健康和营养。抗性淀粉作为低热、高膳食纤维含量的功能性食品成分将具有重要的工业应用价值。随着人们保健意识的提高,饮食结构的改善,膳食纤维食品将成为今后的一种主导产品,而抗性淀粉则给新型膳食纤维食品的开发带来了巨大的商机。2003年,世界知名的淀粉和营养食品生产商美国国民淀粉公司在严格控制湿度和温度的条件下用冷热处理高直链玉米淀粉研制出了RS含量47%~60%的颗粒状产品,如Novelose240和260等系列产品。第三代新型抗消化淀粉膳食纤维的含量比第二代抗消化淀粉多50%。Hi-Maize和Novelose品牌RS系列产品已遍布世界

    2)食品包装材料

    用直链淀粉可制造一种半透明纸,不透氧气和氮气,透二氧化碳和脂肪也很少,且这种纸可食用;自七十年代以来,这种纸已用作面包酶的包装,预期在食品工业中的用途会日益广泛。美国曾申请过直链淀粉生产一种薄膜的专利,这种膜不管是冷或热的情况下都不溶化,它既可包装粉状产品又可包装速冻食品。美国玉米公司在内布拉斯加(中西部研究所驻地)建立了大型的直链淀粉膜的实验工厂。皮奥里亚实验室用羟丙基的直链淀粉(71%)制作的薄膜做了一些实验,表明羟丙基化增强了抗破裂的能力,这种型号的薄膜适用于包装干产品。

    3)休闲食品

    以淀粉及淀粉衍生物为原料生产的休闲食品以膨化食品为主。这些原料的基本性质,如粘滞力、膨胀度、水分等,是影响膨化效果的重要因素,而影响这些性质的主要因素是淀粉的种类,直链淀粉和支链淀粉有显著不同的膨化效果,食品加工中常通过调节不同的直支比来得到不同的效果。直链淀粉较支链淀粉有更强的抗拉伸力,能够增加产品的脆性和强力。直链淀粉含量高的面团成型性好,因而增强了面团的干燥及切割性能;支链淀粉在面团中形成一个网状结构,在膨化过程中面团中的水分变成蒸汽被压出时使网状结构形成多孔组织,因而支链淀粉有助于增大膨化体积,增强食品的松脆性。据研究,要得到最大膨化体积,并非支链淀粉含量越高越好,而是一个合适的直支比,两种成分有某种相互制约的作用,有一个最佳的配比。

    4)低脂食品

    二战后美国快餐业开始起步,但由于这类食品的高油高脂性,在前几年发展中处于缓慢状态。近年来以高直链淀粉作为油脂、奶油的代替物解决了这一问题,如在某些冰激凌中以直链淀粉代替大量奶油,某些夹心饼干中以直链淀粉代替油脂等,制成“低脂食品”。研究结果表明用高直链玉米淀粉作为脂肪代替物制成的低脂食品,具有很好的流变学特性及稳定性,与全脂奶油产品具有相同的口感,且生产过程只需原来的生产线,不需添加另外的设备。

    5)食品添加剂

    直链淀粉和支链淀粉(或不同直/支比的淀粉)作为食品添加剂的效果不同。适宜直/支比的淀粉作为罐头、饮料、口服液等饮品的添加剂,溶液不分层,固液相均应稳定不沉降,且口感好;作为香肠、冰淇淋等的凝固剂,口感滑嫩细腻;用于糕点、奶酪可使其松软可口;用作饴糖、口香糖以及化妆品等的添加剂都较普通淀粉好。

    (2) 环境保护

    这是最具吸引力的一个应用,即生物解膜。目前我国及至全球“白色污染”都是一个突出的社会问题。实验证明,目前日常大量使用的塑料袋、快餐盒等塑料制品至少需100年才能被土壤中微生物降解掉。直链淀粉具有近似纤维的性能,用直链淀粉制成的薄膜,具有好的透明度、柔韧性、抗张强度和水不溶性,并且无毒,无污染,广泛应用于密封材料、包装材料和耐水耐压材料。美国已选育出高直链淀粉玉米,主要供应美国和西欧生产“光解塑料膜”的原料。德国BATTLLE研究所已经成功改良了青豌豆品种,研制出直链含量很高的淀粉,可以直接用通常的方法成形,得到的膜透明柔软,性能与PVC类似,在水中或潮湿土壤中可完全降解。美国曾申请过生产直链淀粉薄膜的专利,这种膜具有极好的透明度、柔韧性、抗张强度和水不溶性,它既可包装粉状产品。又可包装速冻食品。利用高直链淀粉取代聚苯乙烯生产光降解塑料,这种塑料有可能应用于包装工业和农用薄膜加工业,是解决目前日益严重的“白色污染”的有效途径,它的利用将为世界环保事业带来一次重大革命。

    (3) 医疗保健

    高直链淀粉食品是糖尿病人的理想食品,被称为“功能性食品”(Functional Food)。国外许多人类营养研究所做了许多实验,证实了直链淀粉的医疗保健价值。试验证明,用支链淀粉饲喂鼠后,从 12~16 周开始产生不可逆的胰岛素抗性,而直链淀粉则根本不产生胰岛素抗性。高直链淀粉还是胆结石及高血压病人的理想食品,具有防止胆结石形成及降低血液胆固醇的作用。另外,玉米高直链淀粉也已经在轻工业、制药业、纺织工业及石油工业中发挥着重要的作用,高直链淀粉的开发在诸如美国、日本等工业相对发达的国家正受到高度重视,有的技术已成功应用并创造出巨大社会和经济效益。

    1.3高直链淀粉玉米育种研究现状

    1.3.1产业现状

    1946 年,R.L.惠斯特勒和一位遗传学家 H.H.克莱默(Kramer)在对改良玉米籽粒淀粉品质的过程中发现一种与蜡性玉米的特点相反的玉米材料,这种玉米的淀粉中还有较高含量的直链分子。Dunn 等(1953)发现一个三隐性 du、su1、su2 基因玉米纯合体直链淀粉含量达 77%,但总淀粉含量大幅度下降。Whistler 等(1948)对来自北美、中美和南美洲的 39 份印第安玉米材料分析中发现,直链淀粉含量变动范围在 22.2%~28.8%之间,平均为 27%。Deatherage 等(1955)调查了近 200 份美国国内自交系及品种(包括超过 75%国外品种),发现直链淀粉含量变动范围从 0 到 36%。ae 基因(Vineyard 等,1952)的发现是玉米高直链淀粉育种的重要里程碑。该基因纯合体玉米胚乳中直链淀粉的含量显著提高,从 25%(野生型)增加到 70%(隐性纯合体)。后来陆续报道许多 ae 位点变异体,只对直支比率起修饰作用,好像与短链的直链淀粉合成有关。ae 基因的发现使高直链淀粉玉米培育成为可能。在高直链淀粉商业用途方面,ae 基因可把直链淀粉提高到 55%~65%。有试验表明通过积累 ae 修饰基因的轮回选择技术,可使直链淀粉含量达 80%以上(表 1)(王懿波,1986)。Vineyard 等用一个普通 ae 资源与 135 个不同玉自交系杂交,结果表明直链淀粉含量变化幅度为 36.5%~64.9%。后来 Garwood 研究表明这些差异是 ae 主基因和修饰基因相互作用的结果早在二十世纪五十年代,在美国国家淀粉化学公司支持下,Bear 杂交玉米公司己开始实施一个广泛的育种计划,把 ae 基因转育到农艺性状良好的一系列自交系和遗传基础广泛的其它玉米种质资源。在 ae 基因发现十年以后,用于湿磨加工的高直链淀粉玉米杂交种就开始出现,直链淀粉的含量约 50%。然而淀粉工业更感兴趣的是 70%或更高直链淀粉的玉米品种。玉米育种工作者不得不继续寻找新的技术来提高直链淀粉含量。在二十世纪七十年代,用于商业生产高直链淀粉玉米杂交种有两种类型:C1assⅥ(含直链淀粉 50%)和 C1assⅦ(含直链淀粉 70%~80%)。到二十世纪八十年代时,Custom 农场种子公司推出直链淀粉含量超过 94%的 C1assⅧ和 C1assⅨ玉米单交种(史振声,等,2002)。

    我国以前没有高直链淀粉玉米品种,也没有高直链淀粉玉米种植和淀粉生产。谷明光(2002)分析鉴定了国家种质资源库长期保存的玉米种质资源材料表明,我国的玉米种质材料中高淀粉资源材料非常稀少,没有高直链淀粉材料。近年来,我国一些育种单位已经引进了一些高直链淀粉种质资源,并开展了前期的探索性研究。经过多年的努力,中国农业大学国家玉米改良中心在国内率先培育出高直链玉米新组合:ND-ae-0201。后定名为“中农大401”,直链淀粉含量50%左右,达到了商业化开发目的。

    1.3.2 高直链淀粉玉米的遗传研究

    玉米 SBE(淀粉分支酶)分为两类:同形体 A(SBEⅠ家族包括 SBEⅠ)和同形体B(SBEⅡ家族包括 SBEⅡa 和 SBEⅡb),它们共同参与支链淀粉的合成。同形体的具体作用可用 SBEⅠ和 SBEⅡ对底物亲和力不同加以解释。SBEⅠ优先分支长链,即Hizukuri 定义的 B 链(19~119 葡萄糖单位),轻度分支的多糖则作为 SBEⅡ和淀粉合成酶的底物,SBEⅡ主要在支链短链(A 链,5~15 葡萄糖单位)形成发挥作用。虽然SBEⅡa 与 SBEⅡb 分子量接近(80KD),氨基酸组成及酶切图谱也相似,但因含有 49个氨基酸的 N-端延伸和基本序列区的差异而于 SBEⅡb 有所差别。玉米的高直链淀粉含量性状是由隐性 ae 基因控制的遗传性状。该基因位于第 5 染色体长臂上,编码 SBEⅡb。在化学上 ae 基因造成了 SBEⅡb(淀粉分枝酶)的完全缺失,可使直链淀粉的含量从 25% (野生型)增加到 70%(隐性纯合体)。由于 SBE(淀粉分支酶)作用,变异体的支链淀粉比正常支链淀粉 a-1,6 糖苷键少了很多。ae 基因的转录仅在野生型玉米授粉后20 天内存在。已经分离得到 ae 的许多等位基因,除 Ae-5180:Mul 外均为隐性。ae 突变体可以提高直链淀粉在玉米胚乳及花粉粒的百分比,同时降低支链淀粉的a-1,6 分支点的数量。突变体籽粒体积较正常籽粒小。正常型 Ae 基因对 ae 具有剂量效应,效应大小与淀粉分支酶Ⅱb 的活性几乎呈线性关系。AeAeAe 的胚乳 SBEⅡb 的含量为 1.7 微摩尔/分钟/籽粒,AeAeae 为 0.61 微摩尔/分钟/籽粒,Aeaeae 为 0.04 微摩尔/分钟/籽粒。ae 基因纯合体玉米具有失去光泽的胚乳,可以和大多数玉米相区别,但有时也难于区分。在一些特殊遗传背景下,玉米籽粒会表现一定变异程度皱缩,可能与糖分向淀粉转化减少有关。在自交系转育成 ae 过程中,籽粒的光泽度和饱满度均发生变化。饱满度下降可能是产量降低的主要原因。高直链淀粉玉米淀粉颗粒显著不同于正常玉米淀粉颗粒。其它研究发现,直链淀粉的增加总是伴随非常不规则的糖形淀粉粒的增加和正常有角形淀粉粒减少,但还难以对这种现象作出合理的解释。ae 与 wx1 互作,出现类似 sh2 表现型和白绿苗。ae 与 sul 产生类似于正常籽粒。Stinard和 Robertson(1988)发现一个 ae 基因的显性变异体 Ae-5180,使淀粉中的直链淀粉含量提高到 72%,甚至在仅有一个剂量的情况下,也能使直链淀粉提高。Ae-5180 基因对直链淀粉含量花粉直感效应。在不同遗传背景下表现出从暗光泽到透明、从轻微皱缩到皱缩易碎等不同表现型。鉴别 Ae-5180 比较困难,但当与 wx1 或 sul 互作时就容易区分。该基因通过母本可正常传递,但通过父本传递率有一定程度降低

    1.3.3高直链淀粉玉米的品种和选育方法

    高直链淀粉育种比其它育种更难,它不仅要求普通玉米育种的农艺性状,而且要顾及直链淀粉商业应用的可行性。与其它育种相比,高直链淀粉育种能否成功既取决于育种材料直链淀粉遗传变异大小,也取决于育种者选择各种能够遗传因子最佳组合的能力。遗传背景对 ae 基因的表达有重要修饰作用。Vineyary 等报道在一个共同 ae 来源的135 个不同自交系及其杂交种中,直链淀粉含量变化范围为 36.5%~64.9%,修饰基因与 ae 互作产生不同水平直链淀粉。Garwood 研究若干 ae 位点变异体的直链淀粉决定于ae 基因和其修饰基因的相互作用。所以在高直链淀粉育种必须注意 ae 基因与修饰基因的互作。当然,达到 75%直链淀粉要比达到 65%直链淀粉需要更多修饰基因数,因此,选择和积累 ae 的修饰基因数量是成败的关键。在直链淀粉育种初期,育种者原认为是非常简单的一件事,只要通过回交把 ae 转到自交系中,再进行组配就可以了。后来发现轮回亲本的背景不仅影响直链淀粉含量,而且影响子粒的光泽度。具 ae 基因的马齿型玉米自交系呈现不同表现,一些子粒完全饱满,另一些子粒呈现不同程度的塌陷,甚至会出现一定频率完全塌陷的子粒,一些子粒是透明的,而另一些子粒却是比原来更不透明。原来认为很好的自交系直链淀粉含量却没有或很少增加,这一现象增加了马齿型玉米自交系转育的难度。Fergason 等指出玉米籽粒着生位置影响直链淀粉含量,甚至在一个籽粒内直链淀粉分布也不均匀。他在高直链淀粉自交系果穗不同部位取样,发现基部、中部、顶部直链淀粉含量分别为 71.9%,69.8%,67.4%。杂种籽粒胚乳不同部位,直链淀粉含量也存在差异。冠、中、顶部直链淀粉变异范围为 0%~4.8%。这些数据与 Boyer 等发现直链淀粉含量与细胞生理年龄正相关,以及大淀粉粒含更高比率的直链淀粉的结论相吻合。他们认为胚乳基部细胞淀粉生物合成发生在子粒发育的晚期,里面包含低直链淀粉的小淀粉粒。因为花粉直链淀粉含量和胚乳的直链淀粉含量之间不相关。育种者难于对玉米花粉直链淀粉进行选择,这一点不同于糯玉米。高直链淀粉玉米育种通常使用回交程序。以高直链淀粉玉米作供体,回交和自交交替进行,至少需要 3~4 个回交循环。这种程序的缺点有二:其一,如果非轮回亲本有不理想的基因且与 ae 连锁而影响 ae 的表达,那么多次进行回交才能打破连锁,以后选择才能有效;其二,如果轮回亲本不具理想直链淀粉修饰基因,那么通过回交很难达到的既定育种目标。如果轮回亲本具有某一特定水平直链淀粉,在下一代回交之前,应有足够大的群体确保在自交时获得必要有利基因重组。如果修饰基因主要由轮回亲本供提,选择理想高直链淀粉自交系就比较容易。获得一个高直链淀粉自交系需要回交的代数由多种因素决定。然而,回交在早期的高直链淀粉育种计划还是相当成功的。培育含直链淀粉 70%~80%的自交系需要特殊的育种计划。经验表明大多数的种质资源并不具有众多的修饰基因,然而这些修饰基因是高直链淀粉含量所必须的。因此轮回选择对于增加直链淀粉修饰基因要优于常规系统育种。它可以有效增加育种群体直链淀粉修饰基因的频率,是 Custom Farm Seed 公司的高直链淀粉育种计划的主要部分。通过轮回选择获得种质资源的直链淀粉含量超过 94%, ClassⅧ和 C1assⅨ杂交种的亲本就是在此基础上选育出来的。

    1.3.4高直链淀粉玉米存在的问题

    (1)修饰基因以及遗传背景对 ae 基因高效表达的作用

    含有 ae 基因的玉米,直链淀粉含量在不同背景下是不恒定的,有些遗传背景下籽粒表现不同程度的皱缩,主要是由于糖分未能充分转化为淀粉造成的。Vineyard等(1958)报道用 ae 玉米和 135 个自交系杂交,其杂交种直链淀粉含量变幅在 36.5%~64.9%。Zuber 等(1958)研究表明,不同种质中的修饰基因与 ae 基因作用产生了这种变异,所有的 ae 基因必须纯合才能进一步选择修饰基因,因为研究表明 ae 基因具有剂量效应,野生型 ae 基因表现部分显性(Fergason 等,1966)。滕文涛等(2001)研究发现,在 ae基因纯合的情况下,不同自交系对直链淀粉提高幅度存在巨大差异,表明遗传背景与 ae基因之间存在某种互作关系或者不同自交系存在不同数量的直链淀粉含量的修饰基因。

    1988 年,Stinard 和 Robertson(1988)在突变群体中发现了一个显性直链淀粉扩增者基因:Ae-5180,位于第 5 染色体上,对 ae 是显性,主要通过母体遗传,雄配子传递率很低,同时存在母本效应(周洪生,2001)。目前该基因在育种上的应用前景还不明朗,Fuwa 等(1999)研究结果也证明 ae 基因的不同等位基因对直链淀粉含量有不同的影响。

    (2)淀粉总含量的减少

    直链淀粉的合成受复杂的基因环境互作的影响,增加直链淀粉含量,则要降低产量和其它农艺性状,高直链淀粉玉米育种中遇到的主要问题是淀粉总含量的减少,较高的水分含量和最终减产。目前,高直链淀粉玉米杂交种的产量低于普通玉米和糯玉米杂交种的产量,仅为普通玉米的 65%~75%,差异达 20%~30%。ae 基因可以显著提高直链淀含量,但是也引起籽粒淀粉含量的下降和含水量的增加。滕文涛等(2001)研究发现,在自交系转育成具有 ae 基因高直链淀粉玉米过程中,籽粒的光泽度和饱满度均发生变化。籽粒饱满度下降必然引起千粒重降低,这可能是产量下降的主要原因。因此,选育高直链淀粉玉米时必须在保证 ae 基因高效表达的同时注意籽粒千粒重的选择。

    (3)打破 ae 基因与其它不良性状基因的连锁

    高直链淀粉玉米育种中如亲本不利的农艺性状与 ae 基因连锁,则必须打破连锁,针对 ae 基因和不良农艺性状进行选择,否则很难达到理想的育种目标。

    (4)直链淀粉测定的可靠性

    直链淀粉的含量与许多遗传因素和环境因素有关,甚至同一个果穗的上中下籽粒含量也不同。Fergason 等(1966)的研究结果表明,果穗的上中下籽粒直链淀粉含量分别是 67.14%、69.18%、71.19%。Boyer 等(1976)报道直链淀粉与细胞生理成熟程度呈正比,即细胞越到成熟期,淀粉粒越大,直链淀粉含量越高;胚乳基部细胞淀粉合成晚,淀粉粒小,直链淀粉少。因此,育种中测定直链淀粉时取样和测定手段同样重要。

    (5) 玉米胚乳突变基因与淀粉遗传修饰

    由玉米制得的天然原淀粉存在明显不足,为了更好的适应各种用途,往往要对玉米淀粉进行适当的修饰,包括化学修饰、物理修饰、遗传修饰,其中化学修饰是最常用的方法。玉米淀粉 85%以上存在籽粒胚乳中,因此胚乳突变体可以不同程度地改变籽粒碳水化合物的数量和质量。已经发现许多表现隐性遗传的单基因胚乳突变体,并把它们定位在玉米细胞遗传学的图谱中。Holoder(1974)和 Neslson(1980)分别比较了不同时期的碳水化合物组份的变化,结果发现某些基因可以显著降低胚乳组织中的淀粉含量,如 bt1、bt2、sh2、su1 等,有些不导致胚乳淀粉含量下降或降低较少,如 wx、su2、du、ae 等。前者通过减少底物的供应限制淀粉的合成,造成还原糖、蔗糖或水溶性多糖含量提高,被称为淀粉缺陷型胚乳突变基因,因此是甜玉米育种的重要资源。后者可以改变淀粉的化学或物理性质,影响籽粒发育、成熟籽粒表现型、淀粉形态学和物理特性和酶类活性,被称为淀粉修饰型胚乳突变基因,因而是淀粉品质遗传改良的重要种质资源。研究表明,淀粉修饰型突变基因是通过影响淀粉合成过程中的某些酶促反应而导致胚乳组织中淀粉数量和质量的变化。wx 基因位于玉米第 9 染色体短臂,编码一种 60KD 的蛋白质,能使颗粒凝结型淀粉合成酶 GBSSⅠ活性降低,不能直接合成直链淀粉,其淀粉几乎为 100%支链淀粉。同时植物糖原分支酶的活性增加。ae 基因位于第 5 染色体长臂上,编码淀粉分支酶Ⅱb,纯合 ae 的分支酶Ⅱb 的活性仅是正常型的 20%,由此推测ae 基因可能是与分支酶有关的结构基因,造成胚乳中直链淀粉含量高。du 基因仅仅对淀粉合成酶和分支酶Ⅱa 起阻碍作用,降低它们的活性,因而降低了支链淀粉所占的比例和胚乳中淀粉的总贮量,du 基因可能是一种调节类型的基因。目前还未有 su2 如何影响淀粉合成的酶促反应的报道。

    (6)淀粉修饰基因对淀粉物理特性和酶活性的影响

    一些淀粉的物理特性对于确定淀粉生物价值和经济价值是很重要的。多糖的微结构、直链淀粉和支链淀粉分布比率决定淀粉粒的物理特性,淀粉粒重要的物理特性包括形态学特征、直链淀粉含量、结晶性、胶凝化温度、吸光性和可消化性等。所有这些特性都可被不同的胚乳突变基因所改变。淀粉粒具有结晶结构,其结晶性由直链淀粉所决定。淀粉粒还表现出偏振性的双折射,并具有独特的 X 射线衍射图样。淀粉的结晶性由直链淀粉所决定。普通玉米淀粉粒是圆形的,X 光衍射所表明的结构为 A。Wang 等发现 wx 籽粒淀粉粒具有与普通玉米同样的结晶特点(X 射线衍射 A 型),而 ae 突变体,不具有高度的结晶度,并常常在结晶活化部位产生非结晶性延长部分,形成不规则类型的淀粉粒。ae 基因型以及带 ae 基因的双隐性突变体都表现 B 型。ae 基因具有两种不同形态的淀粉粒,一种是圆形,一种是不规则的 X 射线衍射图样;su2基因型淀粉在发育早期为 A 型 X 射线衍射图样,成熟后则为 B 型。淀粉粒丧失双折射是测定淀粉胶凝特点的一个方法。wx 突变体具有与普通玉米相似的双折射顶点温度(BEPT),su2突变体具有非常低 BEPT 的二次凝胶,ae 基因表现出高的 BEPT 值,并对 du、su2、wx 和它们的组合起上位性作用。淀粉糊化过程中的热力学属性是淀粉品质的重要特征之一,李建生(1998)以两套近等基因系为材料,在相同的遗传背景条件下比较了不同胚乳突变基因淀粉的热力学性状,结果表明,胚乳突变基因对淀粉糊化的热力学性状有显著影响。普通玉米淀粉内焓为 10.45J.g-1,最大峰值是 71.88℃。ae 基因的热力学性状最显著特点是糊化温度范围较广。wx 基因使糊化峰值稍有提高。du 基因型的热力学性状与普通玉米基本相似。su2淀粉的糊化温度几乎比普通型低 10℃,内焓也显著降低。提高淀粉的消化率对提高淀粉的营养很重要。在不同的淀粉修饰型突变基因中,淀粉粒的消化率存在广泛差异。Inovchil(1988)的研究表明含 su2基因突变体可消化率最高,su2、wx 组合和 du、su2、wx 组合淀粉可消化率比正常玉米淀粉高 2.5-5 倍。wx基因型的相应可消化率比正常玉米淀粉高 1.5 倍,而 ae 突变体籽粒淀粉非常抗水解化酶消化(庄铁成,1996)。这些差异的存在可能与直链淀粉、支链淀粉及淀粉分子微结构和可溶性有关,遗传背景的基因型互作可能对淀粉胶凝起主要影响。


    二、我们的研究进展(简介)

    2.1高直链淀粉玉米育种

    自2011年开始天正达科技人员,以一株高直链淀粉玉米的田间自然突变为基础通过杂交,将控制直链淀粉合成的ae突变基因导入,两个轮回改良群体,并以此为基础进行自交、回交,从两个亲本群体中陆续选出了大量具有高直链淀粉性状的自交系,目前已经稳定的自交系有29个,其中26个直链淀粉含量在50-59%,有三个自交系直链淀粉含量超过60%。以这些自交系为基础,2015年在海南组配杂交组合19个(表1、图1)

    表1  2015年海南组配组合列表

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    图1 两个高直链自交系果穗穗形

    2.2玉米籽粒直链淀粉含量的快速测定

    以196份高直链单籽粒和360份高直链单穗玉米籽粒为样本,分别利用碘染色法和一阶导数+标准正态变量变换(SNV)的光谱预处理法,构建了单籽粒和单穗籽粒直链淀粉含量的NIRS分析模型,并通过分割建模样品化学值变异范围的方法建立了2个单穗籽粒的NIRS子模型,以期提高对单穗籽粒样品的预测准确度。所建立的4个模型的交叉验证标准偏差(RMSECV)分别为1.805、3.370、2.394、2.408,预测标准偏差(RMSEP)分别为2.017、3.205、2.369、2.596,各项决定系数(R2cal、R2cv、R2val)在0.6261-0.8970之间。表明,所建玉米单籽粒NIRS模型的预测准确度较高,可用于早代玉米单籽粒直链淀粉含量的鉴定;单穗NIRS子模型能够在一定程度上弥补单穗NIRS模型在预测准确度上的不足,将总模型与子模型配合使用能提高预测准确度。(图2)

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    图2 各NIRS模型的外部验证结果

    2.3高直链淀粉的理化特性分析

    以13份田间发现并筛选的玉米突变自交系材料和一份普通自交系材料(对照)为基础,首先对其直链淀粉含量进行了测定,然后对淀粉粒扫描电镜照片进行了采集,并对其DSC凝胶化特性、RVA粘度特性、溶解度、溶胀势等化学特性进行了测定;结果表明:

    ① 14份实验材料的直链淀粉含量结果中,普通对照材料的直链淀粉含量为27.72%,高直链玉米突变材料直链淀粉含量变化范围为44.22%~78.81%;其中有11个材料直链淀粉含量超过50%,为高直链淀粉材料。

    ② 通过淀粉粒扫面电镜照片可知,高直链玉米突变自交系淀粉粒中,A型淀粉粒形态发生明显的变化,由饱满光滑的球体或多面体变为皱缩的不规则多面体;而B型淀粉粒有的形态无明显变化,依然为小球体;有的变成了椭球形。(图3)

    ③ 由DSC差示热量扫描曲线和凝胶化特征参数可知,随着直链淀粉含量的升高,热能吸收峰值越来越不明显,几近平缓;且峰值向高温方向移动,即To、Tp、Tc都有逐渐升高的趋势;To的变化范围为65.75℃~70.88℃,Tp的变化范围为69.40℃~84.63℃,Tc的变化范围为76.43℃~97.83℃,差异明显。曲线温变范围To-Tc也逐渐增加,由10.77℃~27.73℃,差异明显。由于峰值变化趋于不明显,峰值面积即热能吸收焓△H逐渐减小,且差异明显;1号普通对照材料淀粉的△H为9.40J/g,2~14号3.53 J/g~7.66 J/g,变化明显。

    ④ 由RVA粘度曲线和糊化特征值可知:普通对照自交系籽粒淀粉,在糊化过程中呈现出明显的双峰糊化特征曲线,粘度值发生明显变化。而13个突变自交系籽粒淀粉,随着直链淀粉含量的增加其曲线特征越来越不明显,逐渐接近平缓,甚至降低,粘度变化不明显。其中,普通对照材料淀粉的峰值粘度为2912.00cP,而其他高直链材料的峰值粘度变化范围为420.00~1590.00cP,降低了约45.40%~85.58%,变化明显;并且随着直链淀粉含量的增加,峰值粘度逐渐降低。最低粘度结果显示,普通对照材料为1588.00cP,其他高直链淀粉材料最低为373.00cP,降低了76.51%;最高为1530.00cP,降低了3.65%。衰减值反映淀粉粒的热糊稳定性,由测定结果可知,普通对照材料为1150.00cP,高直链突变自交系材料变化范围为60.00cP~164.00cP,降低了约85.74%~94.78%,变化十分明显。普通对照材料最终粘度为2933.00cP,其他高直链突变自交系材料最高为1813.00cP,最低为383.00cP,且随着直链淀粉含量的增加,最终粘度逐渐减低。淀粉回升现象反映淀粉冷糊的稳定性和老化趋势,普通对照材料为1345.00cP,而高直链突变自交系材料变化范围为-5.00cP~283.00cP,明显低于对照,甚至出现了负值,即最终粘度低于了最低粘度。峰值时间是重要的粘度参数,它反映淀粉糊化的难易程度,普通对照材料的峰值时间为3.67min,而其他高直链突变自交系材料的峰值时间变化范围为5.87~7.00min,明显增加。相比于其他糊化特征值,糊化温度虽有所增加,但变化不十分明显;普通对照材料为62.85℃,高直链突变自交系材料变化范围在62.75℃~64.60℃之间。

    ⑤ 溶解度与溶胀势测定结果表明,随着温度的升高,溶解度呈现出先增后降的趋势;溶胀势呈现出先增后降,再升高的趋势;随着直链淀粉含量的增加,溶解度和溶胀势逐渐减小,变化幅度也越来越小,而且普通对照自交系材料的变化幅度远远高于高直链淀粉突变自交系品种。在55℃、65℃、75℃、85℃、95℃下,溶解度的变化范围分别为为0.76%~8.67%、3.67%~27.67%、10.00%~82.67%、5.00%~65.33%、2.33%~15.00%,普通对照自交系材料溶解度远远高于高直链玉米突变自交系品种,差异明显;随着直链淀粉含量的升高,溶解度逐渐降低趋势,差异明显。在55℃、65℃、75℃、85℃、95℃下,溶胀势的变化范围为1.03~15.39、8.00~27.38、12.55~180.88、9.94~62.40、17.14~274.63;普通对照自交系材料溶胀势高于高直链玉米突变自交系品种,差异明显;随着直链淀粉含量的升高,溶解度逐渐降低趋势,差异明显。

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    图3、高直链淀粉的A、B型淀粉粒的形态变化

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    图 4 糊化特性(RVA)分析:普通淀粉有明显的粘度峰(,糊化曲线呈现出典型的“双峰”特征;高直链淀粉的粘度峰随直链淀粉含量的增加而逐渐消失,曲线呈“S”型;峰值粘度、最低粘度、最终粘度、衰减值、回生值等随着直链淀粉含量增加逐渐降低,峰值时间逐渐增加,糊化温度变化不显著。

    2.4高直链淀粉玉米的基本成分及膨化特性研究

    研究表明高直链淀粉玉米粗蛋白含量和粗纤维含量显著高于普通淀粉,而抗性淀粉几乎是普通玉米粉的5倍,即使高直链淀粉被挤压预糊化后粗蛋白和粗纤维含量没有发生显著变化,抗性淀粉含量依然高于未膨化处理的普通淀粉(表2、表3)。研究结果显示,高直链淀粉在保健食品、休闲食品方面将有广阔的开发前景,尤其对于开发耐饥慢消化的军用食品是理想的食品加工原料。

    表2、高直链淀粉膨化前后的主要成分对比

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    表3 高直链淀粉膨化前后的消化性比较

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    2.5高直链淀粉玉米淀粉合成基因的表达特性分析

    SBEI(E)和GBSS(F)显示了相似的表达规律,峰值分别出现在花后第10d和25d,完全不同于DBE(B)、SSI(C)和SBEIIb(D)。在高直链玉米中,SSI的表达峰度位于25d,普通玉米则在15d,表明籽粒发育后期SSI活性提高有助于直链淀粉的积累。在普通玉米中SBEIIb基因在籽粒发育初期表达水平低于高直链淀粉玉米,但籽粒发育后期表达量增加,其表达规律和淀粉去分支酶DBE的规律完全相反,这种淀粉分支酶和去分支酶在表达时空上的相互配合可能是引起直链淀粉含量增加的主要原因。

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    图 5淀粉合成相关主要基因在不同时期胚乳细胞中的表达模式。

    2.6高直链淀粉的晶体结构

    表明: 普通淀粉X射线2θ 角在15°、17°、18°和23°附近有强的衍射峰,其中17°和18°为相连的双峰,属于典型的A型晶体;高直链淀粉的XRD波谱则在5.6°、17°、22°和24°附近有较强衍射峰,呈现为典型的B型晶体。直链淀粉含量的增加明显降低了淀粉的结晶度 。膨化处理明显改变了淀粉粒的晶型,不论直链淀粉含量的高低,淀粉粒均变为Vh型晶体,其特征峰分别出现在6 ° 、 13 °及20 °,结晶度与膨化时体系中的含水量有关,高含水量(19%)时,淀粉粒膨化后反而增加,这可能是淀粉粒结构破坏后二次结晶时,更多的水分参与了晶体的重构所致。

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    图 6未膨化淀粉与膨化淀粉XRD分析


    三、未来研究计划

    1、高直链淀粉的营养品质特性研究

    高直链淀粉因为具有许多普通淀粉所不具备的理化特性而备受关注,大量的研究对高直链淀粉的热特性、加工特性、可塑性以及分子结构特征进行了详细的报道。然而,高直链淀粉含有更多抗性淀粉(RS)(Jiang et al,2009; Zhang et al 2016),是有利于人类健康的膳食纤维,可用于加工低糖低热量食品或直接用于鲜食,然而这种玉米鲜食或用于食品加工的营养价值到底如何,至今尚未见报道,为此,以现有的高直链淀粉玉米为材料(60%),以双螺杆挤压形式制备高直链膨化条,以物性分析仪测定膨化条的脆度、硬度、吸水速率,强度等基本参数。同时以原子吸收测定高直链玉米粉中的金属离子浓度,以间断化学分析仪测定玉米蛋白含量、氨基酸构成以及胚芽油的含量,再以酶法检测膨化条中抗性淀粉的含量。最终得到高直链淀粉营养价值综合评价。

    2、高直链淀粉凝胶的制备与理化特性分析

    高直链淀粉具有较高的凝胶化温度,先前的研究证实直链淀粉彻底糊化时的温度在160摄氏度左右,这为高直链淀粉一次性可降解容器的制作奠定了基础,但同时也为这种淀粉的高效利用带来了障碍。以不通理化方法制备高直链淀粉凝胶,确定简单易行的直链淀粉凝胶制备参数将为高直链淀粉的深度开发奠定基础。本研究拟以减法、高压湿热法和微波法为基础,通过设定不通的处理梯度对不同直链含量的玉米淀粉进行处理,以糊化度和凝胶的强度、韧度、延展性、透明度等为参数综合评价高直链淀粉凝胶制备的工艺及高直链淀粉凝胶的应用潜力,为其大规模商业化开发奠定基础。

    3、高直链淀粉粒度粒型分析

    玉米原淀粉是由许多粒径不同的淀粉粒混合而成,根据前人的研究这些淀粉粒可以根据粒径大小分为A型(<10um)和B型淀粉(>10um),A型淀粉和B型淀粉在直链淀粉含量、颗粒稳定性、晶体结构、淀粉分支度之间都存在显著差异,这些理化和结构方面的特征也影响到了淀粉的应用加工品质。然而淀粉的粒径小于0.1um- 30um之间,它们理论上应该能够被划分成更细的粒级,而不同粒级在结构上和理化特性上可能都反映了不同的特征,尽管前人对不同粒径的普通玉米淀粉进行了分离和研究,但由于受技术所限(滤网+漂浮法,Tang et al 2000,2001 ),分离的纯度和精度都受到很大限制,其更深入的细化研究仍有待于进一步探索,本研究拟在上一研究的基础上,以高直链淀粉G60(67%)、普通玉米淀粉、为材料通过流式细胞术,分离不同亚群的淀粉粒,测定其粒径,对不同类型淀粉更加细致的分级,并在此基础上对不同粒径范围的淀粉粒进行AC含量、SEM、DSC、NMR、XRD、DP以及偏光十字等物理及结构参数的分析,阐明不同类型淀粉的粒径分布及不同粒径范围淀粉粒的理化及结构特征。以评估纳米级淀粉生物材料制备的可行性及这种材料的基本理化特征。



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