《Journal of Cereal Science》：Infrared Imaging and Multivariate Analysis of Structure, Bioactive Compounds, and Starch Digestibility of Dough and Mature Stages Rice
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该研究利用红外成像技术结合主成分分析，对比分析了面团期与成熟期不同水稻品种（包括色素水稻）的蛋白质二级结构、淀粉消化率及抗氧化活性，发现面团期水稻在蛋白α螺旋含量和β折叠比例上显著低于成熟期，且色素水稻的抗氧化成分（如花青素、多酚）含量更高，这些特性与其健康营养价值相关。
Kanjana Thumanu | Siriluck Wattanavanitchakorn | Rungtiwa Wansuksri | Supatcharee Cael | Siriwan Nawong | Phakkhananan Pakawanit | Prisana Suwannaporn
同步辐射光研究所（公共机构），那空拉差西玛府穆昂区，30000，泰国
摘要
红外成像结合多变量数据分析为水稻品种的生物化学变化提供了强大的定性和定量评估工具。本研究分析了两个成熟阶段（糊状期和成熟期）的水稻品种，重点关注果皮和糊粉层区域。研究了结构特征、物理化学性质、淀粉消化率和生物活性化合物。在糊状期水稻的胚乳和糊粉层中，α-螺旋含量和α-螺旋/β-折叠比例显著低于成熟期水稻，表明其蛋白质消化率和致敏潜力较低。此外，Khao Dawk Mali (KDML)、Riceberry (RB) 和 JHN02313 品种的糊状期水稻在酰胺 I 区域表现出较高的 β-折叠和 β-转角结构比例，这与较低的快速可利用葡萄糖和较高的缓慢可利用葡萄糖相关。色素水稻品种（JHN02313 和 RB）的糊状期水稻具有最高的花青素、总酚类和 DPPH 活性水平。这些发现有助于了解糊状期水稻的营养价值，尤其是色素品种，对膳食管理具有显著意义。
引言
亚洲地区的稻米消费量有所下降，特别是在日本、韩国和台湾等发达经济体。在台湾，过去50年中人均稻米消费量减少了三分之二以上，主要是由于健康生活方式趋势导致人们更多地摄入肉类、水果和蔬菜。成熟的精米含有80-90%的淀粉，会迅速释放葡萄糖，这引发了对其血糖影响的担忧，进一步抑制了消费。水稻蛋白在调节淀粉消化过程中起着重要作用，通过促进抗性淀粉的形成并抑制淀粉酶的活性（Wang et al., 2025）。水稻中的蛋白质积累在开花后大约4天开始，8天达到峰值，随后在10-13天随着淀粉沉积的增加而减少（Ranathunga & Suwannaporn, 2022）。蛋白质二级结构的变化影响淀粉消化率。在谷粒发育过程中，β-折叠含量在乳熟期之前逐渐减少，之后增加，而随机卷曲结构则呈现相反趋势（Li et al., 2023）。富含β-折叠的蛋白质会促进淀粉-蛋白质复合物的形成，降低淀粉消化率，而α-螺旋和随机卷曲结构则与淀粉消化率呈正相关。这些蛋白质可以通过氢键和静电相互作用与淀粉酶的催化残基结合，阻止底物进入并降低酶活性。此外，水稻谷蛋白已被证明能诱导面筋纤维聚集，从而强烈抑制淀粉酶的活性，导致快速可利用的淀粉减少，缓慢可利用的淀粉增加（Luo et al., 2022）。
水稻谷粒的发育分为三个主要阶段：乳熟期、糊状期和成熟期。糊状期水稻具有柔软的质地，据报道含有高水平的生物活性化合物，并具有积极的健康益处（Ranathunga & Suwannaporn, 2022）。多酚浓度在乳熟期和糊状期最高，成熟后急剧下降（Kusumawardani & Luangsakul, 2024）。色素水稻品种比白米具有更强的抗氧化活性，红米和黑米在相同发育阶段含有更高水平的生物活性化合物（Jiamyangyuen et al., 2017）。在黑米中，花青素首先在糊状期出现，随后逐渐增加（Goufo & Trindade, 2014）。水稻中的高酚含量可增强抗氧化活性，通过形成淀粉-多酚复合物抑制淀粉消化，并促进抗性或缓慢可利用的淀粉的形成（Pasakawee et al., 2018）。多酚和花青素还可以通过与酶活性位点的结合或改变酶结构来抑制淀粉酶的活性（Ngo et al., 2023; Miao et al., 2021）。从紫米麸皮中提取的花青素已被证明可以改变淀粉消化酶的二级和三级结构，从而降低酶活性（Zhang et al., 2023）。类似地，紫米麸皮中的酚类提取物也表现出强烈的抗氧化活性并抑制淀粉酶的活性（Kusumawardani & Luangsakul, 2024）。
傅里叶变换红外（FTIR）成像是一种非破坏性和非侵入性的技术，用于关联生物样本中的化学和结构信息。该技术同时提供了关于组织组成、结构、化学成分和微环境的信息。相比之下，传统的湿化学分析无法将结构特征与化学信息联系起来，因为它们会破坏生物成分的空间分布，因此无法捕捉内在结构或基质排列。配备焦平面阵列（FPA）探测器的 FTIR 成像能够分析生物分子中的功能基团。它可以提供蛋白质、脂质、果胶、结构碳水化合物、纤维素、半纤维素和木质素的结构信息。我们在之前的研究中应用了这种技术来探索乳熟期、糊状期和成熟期水稻中的生物变化和结构-功能关系（Ranathunga et al., 2023a）。细胞水平的分子结构有助于量化不同植物物种中蛋白质构象与营养价值之间的关系（Yu et al., 2003; 2005）。主成分分析（PCA）进一步用于解释红外数据，以评估不同作物残渣（如秸秆和藤蔓）中蛋白质和碳水化合物的营养价值（Xin et al., 2014）。
本研究分析了不同糊状期和成熟期水稻品种（色素和非色素品种，具有不同的直链淀粉含量）的果皮、糊粉层和胚乳区域的 FTIR 成像数据。使用 PCA 双坐标图探讨了红外光谱数据、营养成分、生物活性化合物和淀粉消化率之间的相关性。本研究通过红外成像结合 PCA 分析来研究糊状期水稻与成熟期水稻的结构-功能关系，支持将其作为新型健康谷物的推广。
样本制备
样本制备
泰国国家遗传工程与生物技术中心（BIOTEC）的创新植物生物技术和精准农业研究团队培育、收获并去壳了五种具有未来潜力的泰国水稻品种，这些品种在直链淀粉含量（高、低和蜡质直链淀粉）和色素（有色和白色）方面存在差异，并处于两个发育阶段（糊状期，14 DAF；成熟期，21 DAF）。去壳后的谷粒被研磨至200 μm的粒径
糊状期和成熟期水稻中功能基团的 FTIR-FPA 成像
FTIR-FPA 成像用于研究水稻谷粒中关键生物化学成分相关的功能基团，包括蛋白质、脂质、果胶、结构碳水化合物、纤维素、半纤维素和木质素。比较了糊状期和成熟期谷粒在3000–2800 cm-1和1800–900 cm-1波数范围内的果皮、糊粉层和胚乳的平均光谱特征。为了突出不同组织类型之间的光谱差异，使用了二阶导数光谱
结论
先进的红外成像结合 PCA 提供了一种快速、非破坏性的方法，用于表征细胞水平的分子结构。利用该技术，清晰地识别了不同品种之间糊状期和成熟期水稻谷粒的分子差异。糊状期水稻的胚乳和糊粉层中蛋白质酰胺 I 区域的显著变化——特别是二级结构成分如 α-螺旋和 β-折叠——是与淀粉消化率相关的关键指标
手稿准备过程中生成式 AI 和 AI 辅助技术的声明
在准备本工作时，作者使用了 Chat GPT 来编辑英语语法。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。
CRediT 作者贡献声明
Prisana Suwannaporn：写作 – 审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。
Siriwan Nawong：方法学、正式分析。
Phakkhananan Pakawanit：方法学、正式分析。
Rungtiwa Wansuksri：写作 – 初稿撰写、验证、方法学、正式分析。
Supatcharee Cael：验证、软件应用、方法学、正式分析。
Kanjana Thumanu：写作 – 初稿撰写、验证、软件应用、方法学、研究。未引用的参考文献
Ranathunga et al., 2023; Wetzel and LeVine, 2000.
利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Prisana Suwannaporn 的工作得到了 Kasetsart 大学研究与发展研究所的支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
