淀粉是玉米籽粒的主要成分，约占干重的70%^[1]，以颗粒态形式存在于籽粒胚乳中^[2]。淀粉的应用主要取决于它的理化特性^[3]。淀粉粒分布特征是影响淀粉品质性状的因素之一，淀粉粒粒度分布对淀粉的糊化、热力学、晶体和胶凝化等理化特性有显著影响^[4-6]。前人对谷类作物中小麦、水稻等作物淀粉粒度及糊化特性的研究较多^[7-8]，但关于玉米淀粉粒分布及与糊化特性的关系研究报道较少。淀粉理化特性不仅取决于该淀粉来源的遗传背景，同时还受栽培环境因素的影响^[9]。氮肥作为作物生长发育的重要营养成分之一，显著影响作物产量品质形成、生长发育状况^[10]。为此，本研究以玉米杂交种郑单958为材料，设置不同氮肥用量，分析不同施氮水平对成熟期玉米籽粒淀粉粒粒度分布特征、淀粉糊化特性的影响，及淀粉粒分布与糊化特性的关系，以期为玉米淀粉品质改良与高产栽培提供参考。

1.   材料与方法

1.1   试验材料与设计

试验于2015年6—10月在安徽科技学院种植科技园进行，以当地主推品种郑单958为材料。设置4个氮素水平，即施纯氮0 (N₀)、135 (N₁)、270 (N₂)和405 (N₃) kg/hm²。所用氮肥为尿素，基肥、追肥(拔节期)各占50%。小区面积48 m² (行长6.7 m，行距0.6 m，12行区)，播种密度为67 500株/hm²。随机排列，3次重复。6月15日播种，10月10日收获。其他田间管理同玉米一般高产田。

1.2   测定项目与方法

1.2.1   淀粉粒提取及测定

参照PENG等^[11]和MALOUF等^[12]提取淀粉粒的方法，稍作改进。按小区随机取5 g玉米籽粒(穗中部)分别置于已标号的50 mL离心管里，灌满蒸馏水浸泡48 h，人工撕去种皮，小刀剔除胚乳，然后在研钵中研磨成匀浆，用200目筛布过滤，用2 500 r/min离心10 min，然后依次使用2 mol/L NaCl、0.2% NaOH、2% SDS提纯多次，去除蛋白质等杂质。最后用丙酮清洗3次去除水分，置于室温下风干，贮存于−20 ℃冰箱中。

1.2.2   淀粉粒粒径分析

称60 mg玉米淀粉于离心管中，然后再倒入蒸馏水10 mL，旋涡混匀，之后置于4 ℃条件下振荡1 h，最后移到LS13320激光衍射粒度分析仪(美国贝克曼库尔特公司)的分散盒中，进行淀粉粒分析测定。

1.2.3   淀粉糊化特性的测定

准确称量3 g玉米面粉(玉米的含水量14%)，放入Supper Master 3快速黏度分析仪(瑞典波通公司)的铝盒中，再加入25 mL的蒸馏水，设置转速为160 r/min，采用Std1升温程序测定。

1.3   数据处理与分析

采用 Microsoft Excel 2013软件对数据进行统计分析，采用DPS 7.05软件利用LSD法进行差异显著性检验，利用 LS13320 激光衍射粒度分析仪自带软件作图。

2.   结果与分析

2.1   淀粉粒分布特征

由图1可知：玉米籽粒淀粉粒粒径分布范围为0.40~19.5 μm。玉米淀粉粒体积分数、表面积百分比和数量百分比分别呈双峰、双峰和单峰曲线分布。体积分布的峰值出现在1.45~1.58 μm和11.26~12.53 μm，低谷出现在2.65~3.21 μm；表面积峰值出现在1.02~1.34 μm和10.18~12.42 μm，低谷出现在2.45~3.17 μm；数量分布的峰值出现在0.73~0.85 μm。根据小麦研究中以双峰曲线低谷值、峰值等为分界线的方法^[13-15]，可以将1.5 μm和12 μm作为分界线，将成熟的玉米淀粉粒分为小型(<1.5 μm)、中型 (1.5~12 μm)和大型 (>12 μm) 3组。

图  1  玉米籽粒淀粉粒体积、表面积和数目分布(N₂处理)

Figure  1.  The volume, surface area and number distribution of starch granules in corn kernels (N₂ treatment)

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2.2   玉米淀粉粒体积分布

由表1可知：玉米小型(<1.5 μm)、中型(1.5~12 μm)和大型(>12 μm)淀粉粒体积分别约占总体积的8.24%~9.15%、57.17%~60.61%和28.00%~35.10%。在0～270 kg/hm²范围内，随着施氮量的增加，玉米籽粒小、中型淀粉粒体积分数显著增加，大型淀粉粒体积分数显著减小。当施氮量增加至405 kg/hm² (N₃)时，小、中型淀粉粒体积分数较N₂处理低，大型淀粉粒体积分数较N₂处理高。

表  1  氮素对玉米籽粒淀粉粒体积分数的影响

Table  1.  Effects of nitrogen rates on volume fraction of starch granule in corn kernels

处理 treatment	淀粉粒粒径 diameters of starch granule
	<1.5 μm	1.5~12 μm	>12 μm
N0	8.47±0.01 c	55.99±0.64 d	35.10±0.01 a
N1	8.79±0.06 b	57.17±0.01 c	30.65±0.07 b
N2	9.15±0.06 a	60.61±0.01 a	28.00±0.02 d
N3	8.24±0.04 d	60.12±0.04 b	29.40±0.01 c
注：表中数据为 3 次重复的平均值，同一列中不同字母表示处理间差异达显著水平(P<0.05)；下同。 Note: Data in the table are the mean of three replicates, values followed by different letters in the same column are significantly difference at the 0.05 probability level; the same as below.

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2.3   玉米淀粉粒表面积分布

由表2可知：小型淀粉粒组(<1.5 μm)玉米淀粉粒表面积所占比例最高，说明小型淀粉粒对表面积贡献最大；大型(>12 μm)淀粉粒对表面积贡献最小。在施氮0～270 kg/hm²范围内，随着施氮量的增加，玉米大型淀粉粒表面积百分比显著降低；当施氮量增加至405 kg/hm² (N₃)时，大型淀粉粒表面积百分比较N₂处理高。随着施氮的增加，中型淀粉粒表面积百分比呈不断增加的趋势。小型淀粉粒表面积百分比在270 kg/hm²的施氮量处最高。

表  2  氮素对玉米籽粒淀粉粒表面积百分比的影响

Table  2.  Effects of nitrogen rates on surface area percentage of starch granule in corn kernels

处理 treatment	淀粉粒粒径 diameters of starch granule
	<1.5 μm	1.5~12 μm	>12 μm
N0	51.30±0.00 a	36.30±0.14 c	12.30±0.14 a
N1	51.20±0.14 a	38.45±0.07 bc	9.85±0.07 b
N2	51.30±0.14 a	40.45±1.48 ab	7.85±1.34 c
N3	47.45±0.50 b	42.30±0.42 a	9.85±0.07 b

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2.4   淀粉粒数量分布

由表3可知：小型(<1.5 μm)淀粉粒数量占总淀粉粒绝大部分，说明成熟玉米籽粒淀粉粒主要由小型淀粉粒组成。在逐渐增加氮肥的条件下，玉米中型淀粉粒数量百分比显著增加。

表  3  氮素对玉米籽粒淀粉粒数量百分比的影响

Table  3.  Effects of nitrogen on quantity bercentage of starch granule in corn kernels

处理 treatment	淀粉粒粒径 diameters of starch granule
	<1.5 μm	1.5~12 μm	>12 μm
N0	98.70±0.71 a	0.75±0.00 c	0.08±0.04 a
N1	98.95±0.71 a	1.02±0.06 b	0.04±0.01 a
N2	98.85±0.71 a	1.01±0.08 b	0.14±0.10 a
N3	98.15±0.71 a	1.76±0.06 a	0.09±0.01 a

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2.5   糊化特性

由表4可知：在施氮0~270 kg/hm²范围内，随着施氮量的增加，玉米峰值黏度和保持黏度显著降低，当施氮量增加至405 kg/hm² (N₃)时，淀粉峰值黏度和保持黏度较N₂处理高。

表  4  氮素对玉米籽粒淀粉糊化特性的影响

Table  4.  Effects of nitrogen rate on gelatinization characteristics of starch in corn kernels

处理 treatment	峰值黏度/cP peak viscosity	保持黏度/cP hold viscosity	最终黏度/cP final viscosity	糊化温度/℃ pasting temperature
N0	670.7±19.9 a	586.0±13.5 a	1 147.7±27.1 a	75.6±0.2 b
N1	538.0±29.5 bc	538.0±29.5 bc	1 001.7±29.1 b	74.3±0.9 c
N2	524.3±11.4 c	524.3±11.4 c	1 060.3±40.9 b	76.6±0.3 a
N3	577.7±32.5 b	577.6±32.5 ab	1 024.0±31.6 b	75.5±0.2 b

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2.6   相关性分析

相关性分析表明：玉米中、小型淀粉粒百分比与淀粉黏度呈负相关，大型淀粉粒百分比与淀粉黏度呈正相关(表5)。其中，大型淀粉粒体积分数与淀粉峰值黏度(R=0.94)、最终黏度(R=0.93)呈显著正相关，小型淀粉粒体积分数与保持黏度呈显著负相关(R=−0.92)。表明与中小型淀粉粒相比，大型淀粉粒的淀粉黏度较高。

表  5  玉米籽粒淀粉糊化参数与体积分布的相关性分析

Table  5.  Correlation analysis of starch gelatinization parameters and granule volume distribution in corn kernels

糊化参数 gelatinization parameters	淀粉粒粒径 diameters of starch granule
	<1.5 μm	1.5~12 μm	>12 μm
峰值黏度/cP peak viscosity	−0.63	−0.66	0.94*
保持黏度/cP hold viscosity	−0.92*	−0.41	0.66
最终黏度/cP final viscosity	−0.12	−0.46	0.93*
糊化温度/℃ pasting temperature	0.33	0.58	0.07
注：*表示在0.05水平上差异显著。 Note: * indicated the difference significant at 0.05 level.

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3.   讨论

已有研究多集中在小麦淀粉粒度分布的特性。一般认为，成熟期小麦胚乳主要含 A、B两种类型淀粉粒，其中A型淀粉粒直径为10~3 μm，B型淀粉粒直径为1~10 μm^[16]。BECHTEL等^[17]以5 μm和16 μm为界把小麦淀粉粒划分为A (>16 μm)、B (5~16 μm)和C (<5 μm) 3 种类型。玉米籽粒淀粉粒的粒径范围一般认为在7~25 μm，平均直径在10 μm左右^[18-19]。本研究采用 LS13320 激光衍射粒度分析仪对玉米胚乳淀粉粒进行测定，结果表明：成熟期玉米籽粒的粒径分布范围0.40~19.5 μm；玉米淀粉粒体积、表面积分布呈双峰曲线分布，体积分布峰值出现在1.45~1.58 μm和11.26~12.53 μm，数量分布呈单峰曲线分布。这可能是由于淀粉分离方法、粒径测量技术或软件计算方法的不同造成的。参照前人对小麦淀粉粒类型划分方法，本研究取体积分布曲线峰值1.5 μm和12 μm为界，将玉米淀粉粒划分为小型(<1.5 μm)、中型(1.5~12 μm)和大型(>12 μm) 3种类型。

淀粉积累受品种、栽培措施及环境的共同调控，且受环境条件的影响作用大于基因组^[20-24]。氮元素是植物生长发育过程中的主要基本营养元素，影响作物产量和品质^[25]。本研究表明：在逐渐增加氮肥的条件下，中型淀粉粒数量所占百分比极显著增加。在0~270 kg/hm²范围内逐渐增加施氮量，玉米籽粒小、中型淀粉粒体积分数显著增加，玉米大型淀粉粒表面积百分比显著降低，玉米峰值黏度和保持黏度显著降低。

在小麦上研究表明：淀粉峰值、最终黏度与大淀粉粒比例呈极显著正相关，说明随着小麦籽粒大淀粉粒比例的增加，玉米峰值、最终黏度表现为升高的趋势^[26]。本研究表明：玉米淀粉粒黏度参数与中、小型(<12 μm)的玉米淀粉粒呈显著负相关，与大型(>12 μm)淀粉粒体积分数呈显著正相关。说明氮素通过增加胚乳中、小型淀粉粒组比例，进而影响淀粉糊化特性，即降低了淀粉峰值黏度、保持黏度与最终黏度等参数。