全 文 ：中国生态农业学报 2013年 5月 第 21卷 第 5期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, May 2013, 21(5): 566571


* 国家重点实验室开放基金(0812201233)、中国科学院知识创新方向项目(KZCX2-EW-414)、江苏省高校优势学科建设工程资助项目、
江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(CXLX11_1022)和扬州大学科技创新培育基金项目(2012CXJ054)资助
** 通讯作者: 杨连新(1966—), 男, 教授, 博士生导师, 主要从事作物栽培、生理和生态方面的研究。E-mail: lxyang@yzu.edu.cn
宋琪玲(1987—), 女, 硕士研究生, 主要从事农产品安全与环境研究。E-mail: sql121314@126.com
收稿日期: 20121030 接受日期: 20130105
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2013.00566
自由空气中臭氧浓度升高对“武运粳 21”稻米物性及
食味品质的影响*
宋琪玲 1 齐义涛 1 赵轶鹏 1 王云霞 1 李潘林 1 朱建国 2
王余龙 1 杨连新 1**
(1. 扬州大学农学院 江苏省作物遗传生理重点实验室 扬州 225009; 2. 中国科学院南京土壤研究所 南京 210008)
摘 要 研究表明不断升高的地表臭氧浓度使作物生长受抑、产量下降, 但对作物品质的影响则不太清楚, 特
别是食味品质。本文于 2009年和 2010年在江苏省江都市小纪镇依托自由空气中臭氧浓度增高(free air ozone
concentration enrichment, O3-FACE)技术平台, 以本地主栽水稻品种“武运粳 21”为供试材料, 设置大气背景臭
氧浓度和高臭氧浓度(比大气背景臭氧浓度高 50%)2个水平, 研究了地表臭氧浓度升高对粳稻物性和食味品质
的影响。物性分析仪测定结果表明, 高浓度臭氧使熟米硬度平均增加 13.6%, 达显著水平。食味计测定结果显
示, 高浓度臭氧使稻米香气、光泽、味道、口感和综合值分别下降 0.8%(P>0.1)、6.2%(P<0.1)、2.6%(P<0.1)、
5.1%(P<0.05)、4.3%(P<0.05), 使完整性增加 2.0%(P<0.05)。不同年度间稻米物性和食味品质的差异较大, 但
年度与臭氧间的交互作用未达显著水平。以上结果表明, 未来高浓度臭氧环境下生长的稻米蒸煮后将呈变硬
趋势, 食味品质总体变劣。
关键词 臭氧 自由空气中臭氧浓度增高(O3-FACE) 水稻 物性 食味品质
中图分类号: X503.231 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2013)05-0566-06
Impact of free air ozone concentration enrichment on cooked
rice (Wuyunjing 21) texture and palatability
SONG Qi-Ling1, QI Yi-Tao1, ZHAO Yi-Peng1, WANG Yun-Xia1, LI Pan-Lin1, ZHU Jian-Guo2,
WANG Yu-Long1, YANG Lian-Xin1
(1. Jiangsu Province Key Lab of Crop Genetics and Physiology; College of Agriculture, Yangzhou University, Yangzhou 225009,
China; 2. Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)
Abstract Without appropriate control of ozone precursor emissions, tropospheric ozone concentration will be projected to
increase significantly by the middle of this century. Rice (Oryza sativa L.), the most important food crop, has provided
nutrition for more than half of the world’s population over the centuries. Elevated ozone concentration has been noted to
induce a series of physiological changes in rice crop. Such changes have included changes in the processes of photosynthesis,
water relation, nutrient absorption/translocation and grain filling. Such altered physiological processes due to ozone exposure
have likely affected the physical and chemical properties of rice grain and thus grain quality. To date, most studies on rice
response to ozone stress have focused on growth and yield with little known issues on the effects of ozone on grain quality,
especially the taste of edible crops. To investigate the effects of elevated ozone concentration on the texture and taste of
cooked rice, a unique free air ozone concentration enrichment (ozone-FACE) experiment was conducted in two consecutive
rice growing seasons (2009 and 2010). The FACE experiment was located in Xiaoji Town in Jiangdu County of Jiangsu
Province, China (119°42′0′′E, 32°35′5′′N). A native Japonica rice cultivar “Wuyunjing 21” was exposed to ambient or elevated
ozone concentration of 50% above ambient value. Texture analyzer measurements showed that the hardness of cooked rice
第 5期 宋琪玲等: 自由空气中臭氧浓度升高对 “武运粳 21” 稻米物性及食味品质的影响 567


increased by 13.6% (P < 0.05) under elevated ozone concentration. Sensory analyzer evaluation of taste also showed that
elevated ozone concentration respectively decreased aroma, luster, flavor, taste and integrated value by 0.8% (P > 0.1), 6.2%
(P < 0.1), 2.6% (P < 0.1), 5.1% (P < 0.05) and 4.3% (P < 0.05) and increased intactness by 2.0% (P < 0.05). While the yearly
effect was significant for all texture and taste variables of cooked rice, the interaction between year and ozone was in the most
cases not detected. The above results suggested that rice grown under future high ozone environments will have greater
hardness and deteriorated taste properties after cooking.
Key words Ozone, Free air ozone concentration enrichment (ozone-FACE), Rice, Texture, Taste quality
(Received Oct. 30, 2012; accepted Jan. 5, 2013)
在许多亚洲国家, 近年来快速的经济发展伴随
空气污染物 NOx、CO 和挥发性有机化合物的排放,
这些气体在高温和高辐照条件下转化为臭氧 [13],
结果导致许多亚洲国家地表臭氧浓度迅速上升, 其
中包括中国和印度[46]。据预测, 在未来 40年里, 东
亚和南亚地区地表平均臭氧浓度将比现在高
25 nL·L1[1,3]。水稻是世界上最重要的粮食作物之一,
为全球半数以上的人口提供了 35%~60%的饮食热
量[7]。目前关于臭氧胁迫下水稻响应的研究大多集
中于生长发育和产量形成方面, 而对稻米品质的研
究甚少[89]。仅有的几例研究表明, 高浓度臭氧环境
下收获的稻米 [1012]或稻草品质 [1213]总体表现出变
劣的趋势。随着人们对稻米物理和化学品质的要求
日益提高, 加强这一领域的研究非常重要[89]。
蒸煮食味品质是稻米品质中最重要的性状之
一。长期以来对稻米食味品质的评价以感官品尝为
主 , 但该法费时费力 , 且不易标准化 , 评定结果常
受评价员个人因素的影响 , 难以保证试验的准确
性。物性分析仪(Texture Analyser)是近年来用于客观
评价稻米质构特性的一种仪器, 其通过探头以稳定
速度进行下压、穿透样品时受到的阻力来表示 [14],
可以测定稻米的黏性、硬度、弹性等指标[1518]。近
年来应用近红外分光分析仪 NIR(Near Infrared
Analyzer)进行物质性状方面的研究亦取得重要进
展。例如, 根据 NIR 的原理研制出来的食味计, 主
要是通过测量与食味有关的指标来衡量稻米的食味
品质。与感官鉴定相比, 食味计测定法具有样品用
量少、快捷、可靠以及可比性好等特点, 越来越多
地被用于国内稻米食味特性的鉴定中[15,1920]。
本文依托全球首个稻田臭氧 FACE 系统平台,
利用物性分析仪和 SATAKE 食味计, 连续两年研究
臭氧胁迫对“武运粳 21”稻米物性及食味品质的影响,
以期为近地层臭氧浓度增高情形下稻作生产适应策
略的制定提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验平台
本试验于 2009—2010年在中国水稻臭氧 FACE
研究技术平台上进行。该平台建于江苏省江都市小
纪镇(119°42′0″E, 32°35′5″N)良种场试验田中。试验
田土壤类型为清泥土, 年均降水量 980 mm左右, 年
均蒸发量大于 1 100 mm, 年平均温度 14.9 , ℃ 年日
照时间大于 2 100 h, 年平均无霜期 220 d。耕作方式
为水稻冬小麦轮作。土壤理化性质为 : 有机碳
18.4 g·kg1, 全氮 1.45 g·kg1, 全磷 0.63 g·kg1, 全钾
14.0 g·kg1, 速效磷 10.1 mg·kg1, 速效钾 70.5 mg·kg1,
砂粒(2~0.02 mm)578.4 g·kg1, 粉砂粒(0.02~0.002 mm)
285.1 g·kg1, 黏粒(<0.002 mm) 136.5 g·kg1, 容重
1.16 g·cm3, pH 7.2[21]。
平台共有 3个 FACE实验圈和 3个对照(Ambient)
圈。FACE圈之间以及 FACE圈与对照圈之间的间隔
大于 70 m, 以减少臭氧释放对其他圈的影响。FACE
圈设计为直径 14 m的正八角形, 通过 FACE圈周围
的管道向 FACE 圈中心喷射纯臭氧气体, 利用计算
机网络对平台的臭氧浓度进行检测和控制, 根据大
气中的臭氧浓度、风向、风速、作物冠层高度的臭
氧浓度及昼夜变化等因素自动调节臭氧的释放速度
及方向, 使水稻全生育期 FACE 圈内臭氧浓度保持
比大气中臭氧浓度高 50%[22]。当对照圈 O3浓度低于
20 nL·L1、下雨和露水等造成叶片湿润以及校正 O3
分析仪、检修设备等的时候暂停放气, 因此水稻生
长季 FACE 圈内实际平均 O3浓度比对照圈 O3浓度
只增加 25%左右。对照田块没有安装 FACE管道, 其
余环境条件与自然状态一致。处理时间为 7 月 1 日
至成熟期(2009年、2010年分别为 10月 4日、10月
5日), 晴天或多云天气的每日 9:00—19:00排放臭氧,
阴雨天气停止排放。
1.2 材料培育
供试品种为常规粳稻“武运粳 21”。大田旱育秧,
5月 21日播种, 6月 18日移栽, 10月 5日(2009年)
或 10 月 6 日收获(2010 年); 行距为 25 cm, 株距为
16.7 cm, 每穴 3苗。总施氮量为 20 g·m2, 其中 6月
17 日施基肥(占总施氮量的 50%), 6 月 25 日施分蘖
肥(占总施氮量的 10%), 8月 6日施穗肥(占总施氮量
的 40%)。磷、钾肥均作为基肥全部施用。施磷、钾
量均为 7 g·m2。水分管理为 6月 19日—7月 3日保
568 中国生态农业学报 2013 第 21卷


持浅水层(约 5 cm), 7月 4日—8月 5日进行多次轻
搁田, 8月 6日以后间隙灌溉, 抽穗扬花期保持浅水,
收获前 10日断水。适时进行病虫草害防治, 保证水
稻正常生长发育。
1.3 测定内容和方法
水稻手工收获后 , 风干 3 个月 , 使用出糙机
(OHYA-25, 日本)脱壳获得糙米, 而后用 CPC-3 型
精米机精加工约 1.2 min, 去除皮层和胚 , 获得精
米。过 100目筛, 每重复称得 30 g精米备用。
将准备好的精米放入铝制圆筒内, 加水 40.5 g,
覆上滤纸 , 用胶皮圈盖紧封好 , 浸泡 30 min, 置于
配套电饭煲中加热蒸煮 30 min, 切断电源 , 蒸饭
10 min。取出钢罐, 将其中米饭轻轻搅拌呈翻起状态,
拌饭后, 盖上滤纸, 放入冷却装置冷却 20 min。
米饭煮熟约 20 min 后, 每重复每次取 3 粒较完
整的饭粒置于已校正的物性分析仪(型号 TA.XT plus,
Stable Micro Systems Inc.)载物台上进行物性(包括
硬度和黏性 )测定 , 重复 10 次 , 测定完成后套用
MICRO-TPA模型进行分析。
稻米蒸煮后, 冷却 90 min, 测定其食味参数。采
用日本佐竹公司(SATAKE)生产的米饭食味计(型号
STA1A)对稻米的香气值、光泽值、完整性、味道、
口感和食味值进行测定, 前 5个指标以 10分为满分
进行评价, 食味值则是综合评价值, 以 100 分为满
分进行评价, 分值越高, 米饭食味越好。
1.4 统计分析方法
所有数据采用 Excel软件进行数据处理和图表绘
制, 采用 SPSS 18.0进行统计分析。各处理的比较采
用最小显著差法(LSD), 显著水平设 P<0.01、P<0.05、
P<0.1、P>0.1, 分别用***、**、*和 ns表示。
2 结果与分析
2.1 臭氧浓度升高对米饭物性的影响
物性分析仪测定的硬度值是指蒸煮稻米抵抗硬
物压入表面的抗衡力。图 1a表明, 2009年和 2010年
“武运粳 21”平均熟米硬度分别是 2 845 g 和 2 401 g,
年度间差异达显著水平。与对照相比, 高浓度臭氧使
熟米硬度平均增加 13.6%(P=0.04), 其中 2009 年和
2010年分别升高 11.2%和 16.5%, 2010年达极显著水
平。方差分析表明, 臭氧与年度互作对水稻熟米硬度
无显著影响。可见, 未来近地层臭氧浓度升高使“武
运粳 21”熟米硬度变硬, 不同年度趋势基本一致。

图 1 高浓度臭氧(O3)对 2009年和 2010年“武运粳 21”熟米硬度(a)和黏性(b)的影响
Fig. 1 Effects of elevated ozone (O3) concentration on hardness (a) and stickness (b) of cooked rice “Wuyunjing 21” in 2009 and 2010
E-O3: 高浓度臭氧 Elevated ozone; A-O3: 大气背景臭氧浓度 Ambient ozone. ns: 差异不显著 No significance; *: P<0.1; **: P<0.05; ***:
P<0.01. 下同 The same below.

蒸煮稻米的黏性以负值表示 , 其绝对值越大 ,
米饭的黏性越大。高浓度臭氧对“武运粳 21”熟米黏
性的影响见图 1b。由图可知, 2009年和 2010年“武
运粳 21”平均熟米黏性分别是606 g和594 g, 差异
达极显著水平。与对照相比, 高浓度臭氧使熟米黏
性平均升高 13.2%(P=0.02)。从不同年度看, 高浓度
臭氧对 2009 年熟米黏性无显著影响, 但使 2010 年
熟米黏性平均增高 30.7%, 达极显著水平。方差分析
表明, 臭氧与年度互作对水稻熟米黏性的影响达极
显著水平, 说明臭氧胁迫对稻米黏性的影响因年度
而异。
2.2 臭氧浓度升高对稻米食味品质的影响
高浓度臭氧对“武运粳 21”稻米香气的影响见图
2a。由图可知, 2009年和 2010年米饭的香气值平均
分别是 6.2 和 6.0, 两年间差异达极显著水平。臭氧
胁迫下两年熟米的香气均呈减弱趋势, 其中 2010年
米饭香气值降低 1.4%, 达显著水平。方差分析表明,
臭氧与年度的互作对稻米香气值无显著影响。
“武运粳 21”米饭光泽度的变化见图 2b。由图表
明, 2009 年和 2010 年米饭光泽度值平均分别为 5.7
第 5期 宋琪玲等: 自由空气中臭氧浓度升高对 “武运粳 21” 稻米物性及食味品质的影响 569


和 5.2, 两年间差异达极显著水平。臭氧胁迫使“武运
粳 21”米饭的光泽度降低: 两年平均, 高浓度臭氧使
米饭光泽度降低 6.2%(P=0.07), 其中 2009年和 2010
年分别下降 4.2%和 8.4%, 2010年达 0.01显著水平。
方差分析表明, 臭氧与年度的互作对米饭光泽度无
显著影响。

图 2 高浓度臭氧(O3)对 2009年和 2010年“武运粳 21”稻米香气(a)、光泽(b)、完整性 (c)、味道(d)、口感(e)和
综合值(f)的影响
Fig. 2 Effects of elevated ozone (O3) concentration on aroma (a), luster (b), intactness (c), flavor (d), taste (e) and integrated value (f) of
cooked rice “Wuyunjing 21” in 2009 and 2010

“武运粳 21”米饭完整性的变化见图 2c。由图可
知: 2009年和 2010年“武运粳 21”米饭完整性值平均
分别为 6.5和 6.7, 差异达极显著水平。与对照相比,
高浓度臭氧使两年米饭完整性平均升高 2.0%(P=
0.07), 其中 2009年和 2010年分别升高 1.7%和 2.4%,
2010 年达显著水平。方差分析表明, 臭氧与年度互
作对米饭完整性无显著影响。
图 2d为“武运粳 21”蒸煮稻米味道分值的变化。
由图可知, 2009 年和 2010 年“武运粳 21”的米饭味
道分值平均分别为 6.2和 6.0, 两年间差异显著。与
对照相比 , 高浓度臭氧使米饭味道分值平均降低
2.6%(P=0.09), 其中 2009 年和 2010 年米饭味道分
值分别下降 2.0%和 3.3%, 2010 年达极显著水平。
方差分析表明, 臭氧与年度互作对米饭味道无显著
影响。
米饭口感值亦是稻米食味品质的重要指标。由
图 2e可知, 2009 年和 2010 年“武运粳 21”的米饭口
感值平均分别是 5.7 和 5.4, 年度间差异达极显著水
平。与对照相比, 高浓度臭氧使米饭口感值平均降
低 5.1%(P=0.04), 其中 2009 年和 2010 年分别降低
3.6%(P=0.1)、6.7%(P<0.01)。方差分析表明, 臭氧与
年度互作对米饭口感无显著影响。
570 中国生态农业学报 2013 第 21卷


综合值是对稻米食味品质的整合评价。由图 2f
可知: 2009年和 2010年“武运粳 21”的米饭食味综合
值平均分别为 71.6 和 69.9, 无显著差异。与对照相
比 , 高浓度臭氧使米饭食味综合值平均降低 4.3%,
达 0.05 显著水平。从不同年度来看 , 臭氧胁迫使
2009 年和 2010 年米饭食味综合值平均降低 3.8%、
4.8%, 均达 0.05 显著水平。方差分析表明, 臭氧与
年度互作对米饭食味综合值无显著影响。
3 讨论
粮食作物品质与粮食安全的关系越来越密切。
尽管干旱和盐害等非生物逆境对稻米食味品质的研
究已有报道[2324], 但人们对臭氧胁迫下稻米食味品
质的变化知之甚少 [89]。本研究采用物性分析仪和
SATAKE 食味计, 研究了臭氧胁迫对稻米物性和食
味品质的影响, 结果表明近地层臭氧浓度升高使“武
运粳 21”熟米硬度显著增加, 食味品质总体变劣。这
种变化趋势可能与臭氧胁迫下稻米蛋白质和 RVA谱
的响应有关。气室[11,25]和 FACE 研究[10]均表明臭氧
胁迫下稻米的蛋白质含量均明显增加, 其他植物食
用部位亦是如此[9]。一般认为蛋白质含量高的稻米,
米粒结构紧密, 淀粉粒之间的空隙小, 吸水速度慢,
吸水量少, 米饭硬度大[26]。与此不同, 大米蛋白质含
量与其食味品质间存在显著负相关关系[2730]。因此,
臭氧胁迫下蛋白质含量增加可能是蒸煮米变硬和食
味变劣的一个重要原因。另一方面, 米饭质地和食
味品质亦与 RVA谱特征值存在密切关系。一般认为,
米饭硬度与消解值呈极显著正相关, 与崩解值呈极
显著负相关[31]; 食味值与最高黏度和崩解值呈显著
正相关, 而与消减值呈显著负相关[3233]。Wang等[10]
最新 FACE 研究表明, 地表臭氧浓度升高使“汕优
63”米粉的最高黏度值、崩解值显著减少, 而消解值
显著增加, 这一变化与本试验观察到臭氧胁迫下稻
米硬度增加食味品质总体变劣的结果一致。
两年试验比较还发现, 尽管 2009 年和 2010 年
稻米物性和食味指标对臭氧胁迫的响应方向相同
(黏性除外), 但两年响应的程度存在差异: 2010年的
变幅明显大于 2009 年。FACE 平台数据表明, 2009
年和 2010年臭氧熏气期间日 7 h平均臭氧浓度对照
圈分别为 35.9 nL·L1和 41.1 nL·L1, FACE圈分别为
43.5 nL·L1 和 51.5 nL·L1[34]。无论是对照圈的平均
臭氧浓度, 还是 FACE 圈平均臭氧浓度较对照圈的
增幅, 均表现为 2010年大于 2009年, 这可能是两年
稻米品质对臭氧胁迫响应差异的重要原因。
结合前期 FACE 研究可知, 开放条件下作物冠
层臭氧浓度升高对常规粳稻生长、产量和抗倒性均
无显著影响 [3537], 但对稻米品质有一定负面影响 ,
表现在臭氧胁迫下生长的稻米蒸煮后呈变硬趋势 ,
食味品质总体变劣, 但这种趋势是否因不同类型水
稻品种或不同栽培条件而异尚不清楚。FACE试验特
有的空间优势为科学家们提供了一个非常好的机会
来进一步开展这方面的研究。

致谢 中国科学院南京土壤研究所刘钢研究员和唐
昊冶博士对臭氧 FACE 系统的日常维持, 为本试验
实施提供了硬件保障, 特此感谢。
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