磷素营养与淀粉功能性的关联——磷肥对高粱淀粉生物合成、多尺度结构及加工特性的影响

《Foods》：From Phosphorus Nutrition to Starch Functionality: Effects of Phosphorus Fertilization on Sorghum Starch Biosynthesis, Multiscale Structure, and Processing Properties

　　

磷肥施用可调控谷类作物籽粒中淀粉的积累与品质，但其对高粱淀粉的影响尚缺乏充分认识。本研究以高粱品种辽杂82（Liaoza 82）为材料，设置0、40、80和160 kg P₂O₅·ha^?1四个磷水平。施磷显著影响淀粉积累及淀粉生物合成相关酶活性，包括AGPase、GBSS、SSS和SBE。中等施磷量（尤其80 kg P₂O₅·ha^?1）提高了直链淀粉含量、颗粒尺寸、分子量、支链淀粉分支度及中长链支链淀粉比例，而最高施磷处理则削弱了上述效应，并导致淀粉颗粒表面出现凹陷。尽管A型结晶模式未发生改变，施磷处理改变了淀粉的结晶度、短程有序结构、热力学性质、溶解度、膨胀势及糊化行为。在本研究所设磷水平范围内，P2处理表现出若干有利的结构与热力学特性组合，包括较低的结晶有序度、较低的糊化温度和糊化焓；而部分糊化参数则在P3处理下达到最高。上述结果表明，施磷肥可改变高粱淀粉的结构与功能性，且其响应特征取决于所评价的具体淀粉性状。

**磷肥调控高粱淀粉多尺度结构与加工特性的系统研究解读**

**一、研究背景与科学问题**

高粱（*Sorghum bicolor* (L.) Moench）作为一种耐旱耐盐的C4禾谷类作物，广泛栽培于半干旱及边际环境。传统上作为粮食和饲料资源，高粱正日益被重视为具有广阔应用前景的工业淀粉作物。高粱籽粒中淀粉含量约占65%–80%，且其淀粉具有独特的理化特性，如特有的直链淀粉与支链淀粉比例、结晶组织、支链淀粉分支的链长分布以及独特的糊化行为。这些特征使高粱淀粉适用于非食品工业领域，包括生物乙醇生产、可生物降解聚合物、淀粉基粘合剂与薄膜以及药用辅料等。随着全球对可再生生物基原料需求的持续增长，将高粱淀粉纳入工业价值链已成为科学界和产业界共同关注的重要课题。

淀粉的结构与功能品质受遗传因素和农艺措施的双重影响。在必需营养元素中，磷因其直接参与能量代谢和碳同化途径而发挥关键作用。磷是三磷酸腺苷（ATP）及其他磷酸化中间产物的结构组分，对ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）、淀粉合酶（SS）和淀粉分支酶（SBE）等淀粉生物合成酶的正常运作不可或缺。充足的磷供应可确保ADP-葡萄糖（淀粉聚合的直接前体）的高效生成与利用，而磷缺乏则会限制碳水化合物向淀粉的转化，导致积累量降低和分子特性改变。对高粱而言，施磷具有直接调控淀粉含量、颗粒形态和分子组织的潜力。

此前在小麦和绿豆中的研究表明，磷有效性显著影响籽粒组成和淀粉特性。磷缺乏通常导致淀粉颗粒变小、结晶度降低和糊化行为劣化，从而降低加工品质。充足的磷供应则与淀粉积累改善、直链淀粉与支链淀粉比例优化以及提升工业功能性的有利糊化特性相关。然而，以往研究多集中于单一淀粉性状或高粱以外的作物，关于施磷如何同时影响高粱的淀粉积累、生物合成相关酶活性、分子结构、颗粒特性、结晶组织及功能特性，目前知之甚少。特别是不同磷水平下这些多层次淀粉性状之间的关系尚未得到充分表征。这一知识空白制约了针对高粱淀粉产量和品质优化的施肥策略的精细制定，尤其在面向非食品工业应用时更为突出。因此，理解施磷如何影响高粱淀粉，对于推进其作为主粮作物和工业原料的双重角色至关重要。将磷素管理与淀粉结构和功能联系起来，可为改善高粱生产力并定制满足工业加工要求的淀粉特性提供基于证据的农艺指导。本研究旨在探究不同施磷制度对高粱淀粉合成、结构特征和功能特性的影响，通过整合田间施肥管理与精细的淀粉结构分析，为利用施磷优化高粱籽粒组成、强化其作为可持续生物基材料作物的潜力提供新的见解。

**二、研究方法概述**

研究人员以高粱品种辽杂82（LZ82）为试验材料，在辽宁省农业科学院试验农场开展田间试验。试验采用随机完全区组设计，设置0（P0）、40（P1）、80（P2）和160（P3）kg P₂O₅·ha^?1四个施磷处理，每个处理设3个独立田间重复。研究人员对花后不同发育阶段的籽粒淀粉含量及生物合成相关酶活性进行动态测定；对成熟期淀粉采用碱浸法提取纯化后，综合运用激光衍射粒度分析仪测定颗粒尺寸分布、体积排阻色谱联用多角度激光光散射和示差折光检测器测定分子量、高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测（HPAEC-PAD）分析支链淀粉链长分布、核磁共振波谱（¹H NMR）测定分支度、X射线衍射（XRD）分析结晶结构和相对结晶度、傅里叶变换红外光谱（FTIR）评价短程有序结构，并测定水溶性、膨胀势、糊化特性和热力学特性。

**三、主要研究结果**

**3.1 施磷对淀粉含量的影响**

研究结果表明，施磷促进了淀粉积累。施磷增强了光合效率，增加同化物供应并加快干物质积累。高磷处理（P3）在灌浆早期加速了淀粉积累，但21天后其促进作用减弱，最终淀粉含量仅略高于不施磷对照（P0）。方差分析显示，磷处理、发育阶段及其交互作用对总淀粉、支链淀粉和直链淀粉含量均有极显著影响（p < 0.001），表明施磷效应随籽粒发育阶段而变化。

**3.2 施磷通过调控关键酶活性影响淀粉积累**

磷处理和发育阶段对AGPase、GBSS、SSS和SBE活性均有极显著主效应（p < 0.001），但磷处理与发育阶段的交互作用不显著。与P0相比，中等施磷（P2）总体提高了上述四种酶的活性，但P3未进一步增加酶活性，表明过量施磷无额外增强效应。P2处理下较高的GBSS活性与较高的直链淀粉积累相一致，提示GBSS活性与直链淀粉积累之间存在关联。

**3.3 施磷对淀粉颗粒形态和尺寸的影响**

扫描电子显微镜（SEM）观察显示，所有处理的淀粉颗粒总体呈不规则球形或多边形。P3处理淀粉颗粒表面出现明显的高尔夫球状凹陷和坑状特征，而P0至P2处理保持相对光滑致密的表面。颗粒尺寸分析表明，随施磷量从P0增至P2，平均颗粒尺寸逐渐增大，而P3处理下平均颗粒尺寸下降，表明最高施磷量未促进颗粒进一步增大。

**3.4 施磷对淀粉分子量的影响**

施磷显著影响淀粉的数均分子量（Mn）、重均分子量（Mw）和Z均分子量（Mz）。从P0到P2，淀粉分子量逐渐增加，P2下Mn达到7.43 × 10⁷ g/mol。P3处理下Mn降至6.52 × 10⁷ g/mol，而Mw和Mz升至所有处理中的最高值，多分散指数（PDI）和均方根回转半径（Rz）也显著增加，表明P3产生了更宽更不均一的分子量分布和更大的分子尺寸。

**3.5 施磷对淀粉精细结构的影响**

磷肥显著影响支链淀粉链长分布。从P1到P2，短链（A和B1链，DP 6–24）比例略降，中链（B2）和长链（B3）比例逐渐增加，P2下B2和B3链分别达14.34%和12.32%。P3处理下长链比例进一步升至13.49%，但短链比例继续下降。分支度分析显示，随施磷增加，分支度持续提高，P2下达最大值5.89%；P3下则降至4.39%，与P0相近，表明P3处理向更长支链但更低分支度的方向转变。

**3.6 施磷对结晶结构和短程分子有序性的影响**

XRD分析表明，所有淀粉样品均呈现典型A型结晶特征，衍射峰位于2θ = 15.1°、17.2°、17.9°和23.2°，未见2θ = 5.6°峰，说明施磷未改变结晶多态类型。相对结晶度从P0到P2逐渐下降，P2达最小值16.68%，P3略有回升。FTIR光谱中1047/1022 cm^?1吸光度比值在P2下较P0下降11.85%，P3下略升，表明施磷改变了淀粉的短程分子有序度。

**3.7 施磷对水溶性和膨胀势的影响**

与P0（19.42%）相比，施磷处理提高了水溶性（WS），P3下达最大值25.36%。与之相反，膨胀势（SP）随施磷呈下降趋势，P3下最低（26.59 g/g）。WS升高表明施磷促进了加热过程中淀粉分子从颗粒中溶出，而SP下降则表明施磷可能通过改变颗粒内淀粉链相互作用而限制颗粒膨胀。

**3.8 施磷对糊化特性的影响**

施磷总体提高了峰值黏度（PV）、崩解值（BD）、最终黏度（FV）和回升值（SB），谷值黏度（TV）变化较小。最高PV和BD出现在P3处理，分别为1787.00和987.67 cP。FV和SB在P2处理下最高，分别为1535.33和745.00 cP。峰值时间从P0的4.48 min降至P3的4.37 min。BD的显著增加表明P2和P3条件下形成的淀粉糊在热和机械剪切下稳定性较差，而较高的FV和SB则表明冷却过程中淀粉分子重新缔合的倾向增强。

**3.9 施磷对热力学特性的影响**

与P0相比，施磷使起始温度（To）、峰值温度（Tp）和终止温度（Tc）从P0到P2逐步降低，P3略有回升。最低To、Tp和Tc均在P2处理下观察到，分别为65.93 °C、70.37 °C和76.03 °C。糊化焓（ΔH）也呈相同趋势，P2下最低（13.10 J/g），表明P2处理降低了糊化所需温度和能量，与XRD和FTIR观察到的结构有序度降低一致。

**3.10 施磷通过协调结构变化调控淀粉加工特性**

相关分析显示，淀粉加工性能与分子结构、颗粒组织和结晶有序度的协调变化相关。经Benjamini–Hochberg校正后，直链淀粉与水溶性和回升黏度呈正相关，与相对结晶度、1047/1022 cm^?1比值和糊化焓呈负相关。支链淀粉B2链（DP 25–36）与水溶性和崩解值呈正相关，与结晶度和糊化焓呈负相关；A链（DP 6–12）则呈大致相反的关联模式。颗粒尺寸（数量加权平均直径）与水溶性正相关，与膨胀势、结晶度、短程有序度、糊化焓和峰值糊化温度负相关。探索性回归分析显示，直链淀粉、SWMD、QWMD、DP 25–36链、水溶性、总淀粉、支链淀粉和分支度呈表观倒U型响应模式，相对结晶度、1047/1022 cm^?1比值、糊化焓和糊化温度呈表观U型模式，而峰值黏度、崩解值、最终黏度、回升值、Mw和DP ≥ 37链呈正向线性趋势，DP 6–12链和膨胀势呈负向线性趋势。

**四、讨论与结论**

讨论部分指出，本研究存在以下局限：磷肥以过磷酸钙形式施用，同时引入了钙和硫元素，因此观察到的响应不能完全归因于磷素；试验仅涉及单一高粱品种、单一地点和单一生长季，在制定普适性农艺建议前需进行多品种、多环境、多年的验证。研究人员最后总结道：施磷肥与高粱淀粉积累、结构和功能特性的显著变化相关。P2（80 kg P₂O₅·ha^?1）表现出较高的酶活性和直链淀粉含量、较高的分支度和中长链支链淀粉比例，同时伴随较低的结晶度、短程有序度、糊化温度和糊化焓，表明其糊化所需温度和能量较低。P3处理未较P2进一步促进淀粉积累，且与较小颗粒尺寸、较大分子分散性和不规则表面凹陷相关。施磷还与较高水溶性和糊化黏度、较低膨胀势和糊化时间相关。在本研究磷水平范围内，P2呈现出有利的结构和热力学特性组合，而P3产生了最高的峰值黏度和崩解值。因此，适宜的施磷量可能取决于目标淀粉功能特性和终端用途需求，而非存在通用最优值。这些结果为优化磷素管理以实现高粱淀粉特定功能性和其在食品加工及生物基产业中的潜在应用提供了科学依据。