遮荫和褪黑素对小麦多尺度淀粉结构及饼干制作品质的综合影响

《LWT》：The combined effects of shading and melatonin on multi-scale starch structure and cookie-making quality of wheat

　　淀粉结构调控与饼干质地关系研究。褪黑素通过改变支链淀粉B2链比例、拓宽淀粉颗粒大小分布及增强结晶性，逆转遮荫导致的小麦淀粉结构劣变，使饼干硬度降低19.8-22.4%。

　　本研究探讨了外源褪黑素对小麦在开花前或开花后受到遮荫胁迫时淀粉结构和饼干质地的影响。随着全球变暗现象的加剧，即由于云层增加和气溶胶污染导致到达地球地表的光合有效辐射量从1965年的122 W·m?2下降至80 W·m?2，作物的生长环境正在发生显著变化。这种变化对小麦的淀粉组成和结构产生深远影响，进而影响饼干的质地和口感。因此，了解褪黑素如何调节淀粉的多尺度结构，并与饼干质地建立联系，对于在气候变化背景下改善小麦产品的加工性能具有重要意义。

### 淀粉的组成与结构对饼干质地的影响

淀粉是小麦籽粒干物质中占比最大的成分，约占75%-85%。它不仅是烘焙食品的基础结构材料，还通过其分子和颗粒尺度上的组织形式影响饼干的质地、结构和感官特性。淀粉主要由直链淀粉（amylose）和支链淀粉（amylopectin）组成，其中直链淀粉由于其线性结构，能够形成刚性的螺旋复合物，从而使得烘焙后的饼干更加坚硬和酥脆。相比之下，富含高度分支淀粉的结构则有助于形成更柔软的饼干质地，这种质地在软质烘焙产品中更受欢迎，因为它具有更强的水分保持和膨胀能力。

在颗粒尺度上，淀粉的多态性和尺寸分布对饼干的延展性和可塑性有显著影响。较大的淀粉颗粒会限制面团在烘焙过程中的延展性，导致结构更加致密，而较小的颗粒则具有更高的表面积与体积比，有助于水分吸收，形成更均匀的面团结构，从而产生更柔软的质地。高度结晶的淀粉颗粒能够形成稳定的网络结构，使面团在烘焙过程中保持形态，防止酶解，从而产生更厚且更硬的饼干。相反，淀粉中高比例的非晶区则表现出较低的粘度和较高的消化性，从而导致更柔软的质地，但牺牲了结构稳定性。

因此，淀粉的组成和结构在很大程度上决定了饼干的质地。本研究通过分析不同遮荫处理下外源褪黑素对小麦淀粉结构和饼干质地的影响，揭示了褪黑素在缓解遮荫胁迫带来的不利影响方面的潜力。

### 遮荫胁迫对淀粉结构的影响

在开花前和开花后遮荫处理下，小麦籽粒中的直链淀粉和总淀粉含量均显著降低，而蛋白质含量则显著增加。这一现象可能是由于遮荫减少了到达作物冠层的太阳辐射，从而干扰了光合产物的分配，导致淀粉合成受阻，同时促进蛋白质合成。值得注意的是，开花后遮荫对淀粉的损失更为严重，其淀粉含量比开花前遮荫减少了约9.3%，而开花前遮荫减少了7.6%。这可能是因为开花后遮荫对籽粒灌浆过程造成不可逆的损害，而开花前遮荫允许植物通过补偿性生物合成在灌浆阶段部分恢复。

在分子尺度上，遮荫显著缩小了淀粉分子量的分布范围，降低了直链淀粉和支链淀粉中长链的比例，同时降低了淀粉的结晶度和饼干的展开率。这些变化表明，遮荫胁迫不仅减少了淀粉的合成，还改变了其分子结构，使其更倾向于形成短链和非晶结构，从而影响其在烘焙过程中的行为。

### 外源褪黑素对淀粉结构的调控

本研究发现，外源褪黑素在开花前和开花后遮荫处理下均能部分逆转遮荫对淀粉结构的不利影响。在开花前遮荫条件下，褪黑素增加了淀粉的蛋白质和支链淀粉含量，同时提高了支链淀粉B2链的比例和尺寸分散指数。这些变化表明，褪黑素可能通过促进淀粉的异质性沉积和恢复淀粉的有序结构，来改善其功能特性。

在开花后遮荫条件下，褪黑素同样能够提高支链淀粉的含量和B2链的比例，同时增加尺寸分散指数。这种效应可能与褪黑素促进淀粉分子的异质性分布和增强淀粉的结晶能力有关。此外，褪黑素还能提高淀粉的粘度和峰值粘度，从而减少饼干的硬度。

### 褪黑素对饼干质地的影响

通过分析饼干的展开率和硬度，研究发现外源褪黑素能够显著降低遮荫胁迫下饼干的硬度。在开花前遮荫条件下，褪黑素降低了饼干硬度约22.4%，而在开花后遮荫条件下，硬度降低了约19.8%。这一结果表明，褪黑素能够通过改善淀粉的结构特性，如提高支链淀粉含量和增加淀粉的异质性分布，来减少饼干的硬度。

进一步的统计分析显示，褪黑素的施用显著影响了淀粉的结构特性，如直链淀粉与支链淀粉的比例、分子量分布、结晶度和短程有序结构。这些变化与饼干的质地密切相关，例如，较低的直链淀粉含量和较高的支链淀粉B2链比例有助于形成更柔软的凝胶结构，从而降低饼干的硬度。此外，淀粉的尺寸分散指数增加表明，褪黑素促进了淀粉颗粒的异质性沉积，这有助于形成更均匀的面团结构，进而改善饼干的质地。

### 结论与未来研究方向

综上所述，外源褪黑素能够有效缓解遮荫胁迫对小麦淀粉结构和饼干质地的不利影响。通过调节淀粉的组成和结构，褪黑素不仅提高了淀粉的粘度和峰值粘度，还改善了饼干的质地和口感。然而，本研究也指出，褪黑素对淀粉的调控作用仍需进一步探索，尤其是在其对淀粉的酶解特性、颜色和裂纹率等方面的影响。

未来的研究可以利用分子动力学模拟来深入探讨褪黑素与淀粉分子之间的相互作用，从而揭示其对酶结合亲和力、水解动力学和消化性的具体影响。此外，开发基于机器学习的高精度识别算法，有助于量化饼干的光滑度、颜色、裂纹率和均匀性，从而更全面地理解淀粉结构与饼干质量之间的关系。

本研究为利用植物激素调控淀粉功能特性、缓解全球变暗对农业生产的不利影响提供了新的思路。通过理解褪黑素如何调节淀粉的多尺度结构，可以为培育具有优良饼干质地的小麦品种提供理论依据，同时也为农业生产的实际应用提供了新的技术手段。