不同直鏈淀粉含量玉米粉和玉米淀粉的理化特性差異分析

張旭東，郭東偉 ，鐘雨越，劉林三，張仁和，徐淑兔，薛吉全，陳耀鋒

(西北農林科技大學 農學院， 陜西楊凌 712100)

不同直鏈淀粉含量玉米粉和玉米淀粉的理化特性差異分析

張旭東，郭東偉 ，鐘雨越，劉林三，張仁和，徐淑兔，薛吉全，陳耀鋒

(西北農林科技大學 農學院， 陜西楊凌 712100)

以普通玉米粉、普通玉米淀粉、高直鏈玉米粉和高直鏈玉米淀粉為材料，比較玉米粉和玉米淀粉在理化特性上的差異。結果表明：在掃描電鏡(SEM)下，蛋白質、脂肪等物質附著、包埋或填充在淀粉顆粒的表面和空隙中；熱特性(DSC)測試顯示，高直鏈玉米粉和淀粉的T0(起始溫度)、Tp(峰值溫度)和Tc(終止溫度)高于普通玉米粉和淀粉，高直鏈玉米粉和淀粉的吸熱焓小于普通玉米粉和淀粉，玉米粉的吸熱焓大于淀粉；快速粘度分析(RVA)測試顯示，普通玉米粉的最低粘度和峰值粘度小于普通玉米淀粉，高直鏈玉米則相反。普通玉米粉和高直鏈玉米粉的衰減值、最終粘度、回生值均大于淀粉；玉米粉的溶解度和膨脹勢高于玉米淀粉。蛋白質、脂肪等非淀粉成分可以與淀粉顆粒結合，增加玉米粉的吸熱焓，提高冷熱穩定性、溶解度和膨脹勢。

玉米粉；理化特性；高直鏈淀粉；普通玉米淀粉

玉米是重要的工業原料，以玉米淀粉為原料的工業加工品超過2 000種，主要用于食品、醫藥、化工等行業[1]。玉米淀粉由約25%的直鏈淀粉和75%的支鏈淀粉組成，直支比影響淀粉的理化特性。當直鏈淀粉含量大于50%時稱為高直鏈淀粉，其具備普通淀粉所不具備的很多特性。在環保領域，直鏈淀粉由于較好的抗拉伸性能，可取代聚苯乙烯生產光降解塑料，廣泛應用于包裝業和農用薄膜加工業。在食品領域，高直鏈淀粉富含抗性淀粉，可起到類似膳食纖維的保健功能，能夠減少飯后血糖和胰島素響應，降低血漿膽固醇和甘油三酸酯的濃度，選擇性地促進腸內有益菌(如雙歧桿菌)的生長繁殖，預防結腸癌[2]。因此，以高直鏈淀粉玉米為原料生產功能性保健食品有可能成為新的產業增長點。

關于高直鏈淀粉的理化特性已有較多研究報道，這為該淀粉的加工利用提供有意義的參數[3-5]。然而，在食品生產中玉米粉往往被直接用做加工原料，其中除含量超過70%的淀粉以外，還含有脂肪、蛋白、纖維素等成分，這些非淀粉成分會對高直鏈淀粉理化特性帶來何種影響尚不明確。為此，本研究以普通玉米和高直鏈玉米的全粉和淀粉為原料，分析比較其在顆粒形態、熱特性、糊化特性以及溶脹特性方面的差異，以期為高直鏈玉米粉的加工利用提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

直鏈淀粉含量為55.85%的高直鏈淀粉玉米‘H3’(Aa188XB1421-1)和直鏈淀粉含量26.64%的普通玉米‘陜單609’籽粒，均由農業部西北旱區玉米生物學與遺傳育種實驗室提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 玉米粉的制備 干燥玉米籽粒加少量水潤濕表皮，悶堆30 min，過LG-36型磨去皮后，以DF-35型玉米磨粉機磨粉，過150目尼龍曬網備用。

1.2.2 玉米淀粉的提取 玉米籽粒浸水過夜，以鑷子去除表皮和幼胚后，研磨過100目篩，離心(1 000 r/min,8 min)倒掉上清液，然后用質量分數為0.2% NaOH浸泡沉淀4 h，去除蛋白質，加入蒸餾水離心，將沉淀洗至中性，加入丙酮離心(4 000 r/min,20 min)，除去上清液，將沉淀置于通風櫥，自然風干，提取淀粉備用。

1.2.3 掃描電鏡觀察 取少量樣本粘附于載物臺，離子濺射儀表面噴金，掃描電鏡( S-3400N，Hitachi，日本 S-3400N)觀察、拍攝顆粒表型特征。1.2.4 DSC分析 參照Li等[6]的方法，稱取3 mg樣品，置入鋁盤，按照質量比為1∶3滴加蒸餾水，空鋁盤為對照，放入差示量熱掃描儀(DSC2000，TA instrument，USA)，從30 ℃升溫至150 ℃，重復測定3次。

1.2.5 RVA 分析 參照Jiang等[7]的方法，分別稱取樣本2.5 g，置于一次性鋁筒中，加入20 mL蒸餾水，放入快速粘度分析儀(RVA4100,Perten,SWISS)，進行升溫和降溫處理。在50 ℃保持1 min，以12 ℃/min的速率升溫至95 ℃，保持2.5 min，以同樣的速率降溫至50 ℃，保持2 min。前10 s以960 r/min的速率進行攪拌，之后以160 r/min 速率攪拌，重復測定3次。

1.2.6 溶解度和膨脹勢分析 參照Kibar等[8]的方法，分別制備質量分數為1∶100淀粉/玉米粉懸浮液，在55 ℃、65 ℃、75 ℃、85 ℃、95 ℃下各加熱30 min，并且緩慢攪拌，之后冷卻至室溫。在5 000 r/min下離心15 min，分離上清液和沉淀。溶解度(g/g)是溶質與干淀粉的比值，膨脹勢(g/hg)是濕淀粉與干淀粉的比值。

1.2.7 統計分析 采用SPSS 19.0對試驗數據進行均值、方差、單因素及顯著性差異(Duncan’s)分析，用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 玉米粉和玉米淀粉顆粒表型觀察

掃描電鏡觀察是檢測粒子表面形貌特征的常用辦法，以SEM觀察不同直鏈淀粉含量的玉米粉及玉米淀粉如圖1所示，高直鏈淀粉顆粒粒徑小于普通淀粉顆粒粒徑，形態圓滑、形狀各異，呈棒狀、橢圓狀以及不規則形狀，多數顆粒表面有乳狀突起，缺少光澤；普通玉米淀粉顆粒大小分布均勻，多為球體和多角形，表面光滑、飽滿、有光澤。高直鏈玉米淀粉的顆粒形態結構不同于普通玉米淀粉，可能與其基因突變相關[9]。普通玉米粉和高直鏈玉米粉中的淀粉顆粒聚集成簇，蛋白質和脂肪附著或填充在淀粉顆粒表面和空隙中。高直鏈玉米淀粉較普通玉米淀粉吸附更多的蛋白質和脂肪。

A.高直鏈玉米淀粉 High amylose maize starch；B.高直鏈玉米粉 High amylose maize flour；C.普通玉米淀粉 Normal maize starch；D.普通玉米粉 Normal maize flour

圖1 玉米淀粉和玉米粉掃描電鏡圖(SEM)(×1 000)
Fig.1 SEM images of maize flour and maize starch (×1 000 )

2.2 DSC分析

DSC曲線反映在受熱過程中淀粉顆粒的熱穩定性以及吸熱能的變化。由圖2可知，普通玉米粉、高直鏈玉米粉和高直鏈玉米淀粉均呈現單峰，而普通玉米淀粉呈現雙峰。如表1所示，T0表示淀粉顆粒開始受到破壞時的溫度，Tp表示淀粉顆粒破壞程度達到最大時的溫度，Tc表示淀粉顆粒被完全破壞時的溫度。高直鏈玉米粉和高直鏈玉米淀粉的T0、Tp和Tc均高于普通玉米粉和普通玉米淀粉，這是由于直鏈淀粉含量不同導致的。吸熱焓(ΔH)指的是淀粉顆粒糊化所需要的熱能。普通玉米粉和淀粉的吸熱焓大于高直鏈玉米粉和淀粉，普通玉米粉和高直鏈玉米粉的吸熱焓大于淀粉。

圖2 玉米粉和玉米淀粉的熱特性(DSC)曲線圖Fig.2 DSC curves of maize flour and maize starch

表1 玉米粉和玉米淀粉DSC特征參數
Table 1 DSC characteristic parameters of maize flour and maize starch

樣品Sample熱流峰GEndothermpeakGT0/℃Tp/℃Tc/℃ΔH/(J/g)熱流峰M2EndothermpeakM2T0/℃Tp/℃Tc/℃ΔH/(J/g)總ΔH/(J/g)TotalΔH普通玉米粉Normalmaizeflour82．9±0．8c96．5±1．0c105．6±1．3c21．8±2．3a----21．8±2．3a高直鏈玉米粉Highamylosemaizeflair90．8±1．0b104．2±1．4b116．6±1．2b19．9±2．1b----19．9±2．1b普通玉米淀粉Normalmaizestarch56．6±0．5d69．5±0．8d82．6±1．2d6．9±0．7d102．3±0．8a110．7±0．5a118．9±0．4a3．9±0．3a10．8±0．5c高直鏈玉米淀粉Highamylosemaizestarch98．8±0．6a115．5±1．1a123．2±0．8a9．7±0．4c----9．7±0．4d

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)；“-”表示無數據。下同。

Note:Different lowercase letters indicate significant differences(P<0.05)；“-” means no data.The same as below.

2.3 RVA分析

粘度特性(RVA)曲線反映的是淀粉顆粒的糊化過程，以各階段的粘度作為考察指標。如圖3所示，普通玉米粉、高直鏈玉米粉和普通玉米淀粉均呈雙峰，而高直鏈玉米淀粉呈水平直線，粘度無變化，是由于在整個加熱過程中，沒有發生糊化。由表2可知，高直鏈玉米粉和淀粉的糊化溫度高于普通玉米粉和淀粉，普通玉米粉的糊化溫度低于淀粉。普通玉米粉的峰值粘度和最低粘度小于普通淀粉，而高直鏈玉米粉的峰值粘度和最低粘度大于其淀粉。普通玉米粉和高直鏈玉米粉的峰值時間、衰減值、最終粘度、回生值均大于淀粉。

2.4 溶解度及膨脹勢分析

淀粉的溶解度是淀粉溶解于水中的百分比，表示淀粉與水的互溶能力。膨脹勢指粉顆粒的吸水膨脹勢能，反映淀粉的持水能力。由圖4可知，隨著溫度的升高，玉米粉和淀粉的溶解度和膨脹勢逐漸增加。普通玉米粉和高直鏈玉米粉的溶解度、膨脹勢均大于相應淀粉，普通玉米粉和淀粉的溶解度及膨脹勢大于高直鏈玉米粉和淀粉，這是由于高直鏈玉米粉和淀粉含有較多的直鏈淀粉，結構穩定，需要吸收更多的熱能才能吸水膨脹。

圖3 玉米粉和玉米淀粉的糊化特性(RVA)曲線圖Fig.3 The RVA curves of maize flour and maize starch

表2 玉米粉和玉米淀粉RVA特征參數
Table 2 RVA characteristic parameters of maize flour and maize starch

樣品Sample糊化溫度/℃Pastingtemperature峰值粘度/cPPeakviscosity最低粘度/cPThroughviscosity峰值時間/sPeaktime衰減值/cPBreakdownviscosity最終粘度/cPFinalviscosity回生值/cPSetbackviscosity普通玉米粉Normalmaizeflour64．0±0．5c2853．7±51．0b1451．7±18b6．57±0．34b1402．0±34．0a3553．3±40．4a2101．7±19．0a高直鏈玉米粉Highamylosemaizeflour65．6±0．9b406．3±44．8c314．0±38．8c6．89±0．46a88．3±2．5c330．0±52．5c20．0±0．1c普通玉米淀粉Normalmaizestarch66．3±0．4a3171．5±22．3a2253．8±31．2a3．53±0．28c917．7±9．6b3105．5±2．1b851．7±14．8b高直鏈玉米淀粉Highamylosemaizestarch-------

圖4 玉米粉和玉米淀粉的溶解度和膨脹勢Fig.4 Solubility and swelling power of maize flour and maize starch

3 討 論

淀粉顆粒的形態受淀粉來源、直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例、培育條件等許多因素的影響[9]。李志偉等[3]研究發現，隨直鏈淀粉含量的增加，淀粉的平均粒徑縮小，高直鏈淀粉粒徑小于普通玉米淀粉粒徑。這與本研究結果一致。Svihus等[10]報道蛋白質存在于淀粉顆粒的表面，并且這些表面蛋白質可以通過相互作用影響淀粉的性質。Baldwin等[11]研究發現有很大一部分脂肪也附著在淀粉顆粒的表面。Hatcher等[12]研究表明大麥粉中淀粉顆粒表面也被蛋白質包裹著。淀粉顆粒的表面比玉米粉顆粒表面更加光滑是由于淀粉的提取過程除去了多余的蛋白質和脂肪。

熱特性參數可以準確地反映出淀粉顆粒凝膠化過程中熱力學變化情況。侯蕾等[13]認為淀粉的DSC圖譜中通常存在2個峰G峰和M2峰，G峰與支鏈淀粉的存在有關，M2峰是由直鏈淀粉-脂類復合物形成的。在本研究中，普通玉米淀粉呈現G峰和M2峰，高直鏈玉米淀粉只呈現G峰是由于其直鏈淀粉含量過高，在現有的溫度范圍內，并沒有出現M2峰。Liu等[14]研究發現淀粉的吸熱圖譜與吸熱焓與淀粉來源、水分含量、直支比、脂肪含量以及測試條件等因素有關。淀粉的總吸熱焓(ΔH)隨著支鏈淀粉含量和水分含量的增加而增大，本研究結果與此一致。玉米粉的總吸熱焓(ΔH)大于玉米淀粉，可能是由于加熱過程中水分的蒸發散失使得玉米粉中的水分含量高于玉米淀粉，以及玉米粉中的較高的蛋白質、脂肪含量導致的。張雅媛等[15]也發現香蕉淀粉的ΔH低于香蕉全粉。

糊化特性參數直接影響著產品的品質特性包括口感、質構、穩定性等，考察淀粉的糊化特性對于其應用有重要意義。峰值粘度反映的是粘滯性的強弱，粘度越大，粘滯性越強。普通玉米淀粉的粘滯性強于全粉，而高直鏈玉米淀粉的粘滯性弱于高直鏈全粉。峰值時間描述的是達到峰值粘度需要的時間，高直鏈玉米粉和淀粉達到峰值粘度的時間大于普通玉米粉和淀粉，玉米粉較淀粉需要更長的時間才能達到峰值粘度。衰減值是峰值粘度和最低粘度的差值，反映淀粉糊在高溫時的穩定性；回生值是最終粘度和最低粘度的差值，反映淀粉糊在室溫時的穩定性[3]。普通玉米和高直鏈玉米全粉的衰減值、最終粘度、回生值均大于對應淀粉，說明全粉的冷熱穩定性更好，抗機械剪切能力更強。該差異可能是由于玉米全粉中存在的蛋白質、脂肪等成分與淀粉分子相互作用的結果[15]。

淀粉的溶解度和膨脹勢可以反映出淀粉懸浮液在加熱過程，溶解于水的能力和持水能力，對預測淀粉的加工性能有一定的參考意義。玉米粉的溶解度大于淀粉，可能是由于全粉中含有一些可溶性成分，例如可溶性糖等的溶出造成其溶解度的增加。這與黃羌維等[16]的研究結果一致。玉米粉的膨脹勢大于淀粉，可能是由于全粉在糊化狀態下，維系淀粉顆粒之間的氫鍵被大量破壞，并且隨著溫度的不斷升高，單分子態的水分子大量增加，使得更多的淀粉分子可以與水分子結合，這可能與全粉中含有較高的破損淀粉含量有關[17]。另有研究指出全粉膨脹勢高的原因是由于蛋白質分散填充在淀粉顆粒之間并在其表面形成矩陣以及形成淀粉-脂肪復合物，固定住了一部分水分子，限制其流動，從而導致膨脹勢較高[18-20]。然而在淀粉中，由于脂肪-淀粉絡合物結構被破壞，導致其膨脹勢降低[21]。陸大雷等[22]研究指出，糯玉米粉的膨脹勢大于糯玉米淀粉的膨脹勢。

4 結 論

研究表明蛋白質、脂肪等成分可以與淀粉顆粒相結合，使玉米粉的焓變值、衰減值、回生值、溶解度和膨脹勢提高，最終增加玉米粉的冷熱穩定性、抗機械剪切能力和溶脹性。

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(責任編輯：史亞歌 Responsible editor:SHI Yage)

Differential Analysis in Physicochemical Properties between Maize Flour and Starch with Different Amylose/amylopectin Ratios

ZHANG Xudong,GUO Dongwei，ZHONG Yuyue,LIU Linsan,ZHANG Renhe,XU Shutu,XUE Jiquan and CHEN Yaofeng

(College of Agronomy,Northwest A&F University,Yangling Shaanxi 712100,China)

This paper aimed to analyze physicochemical properties of maize flour and maize starch,and with normal maize flour and starch,high amylose maize flour and starch as materials. The results of SEM images showed that protein,lipid and other substances existing on surface or embedded in the gap among starch granules.Based on DSC data,theT0,TpandTcof high amylose maize flour and starch were significantly higher than normal maize flour and starch. The enthalpy (ΔH) of high amylose maize flour and starch was lower than normal maize flour and starch,but the enthalpy (ΔH) of maize flour was greater than starch. From RVA results,the through viscosity and peak viscosity of normal maize flour were lower than that of normal starch,while high amylose maize showed an opposite trend. The final viscosity,breakdown viscosity,setback viscosity of maize flour were greater than those of starch. However,the solubility and swelling power of maize flour were higher than starch. Therefore,the non-starch components (protein,lipid,etc) could combine with starch granules resulting in increase of the ΔH,cold and hot paste stability,solubility and swelling power of maize flour.

Maize flour; Physicochemical properties；High amylose starch；Normal starch

ZHANG Xudong,male,master student.Research area:crop genetics and breeding.E-mail:sxdcv123@163.com

GUO Dongwei,male,associate professor,master supervisor.Research area:crop genetics and breeding.E-mail:gdwei@nwsuaf.edu.cn

日期：2017-03-30

2016-01-11

2016-02-20

楊凌示范區科技計劃項目(2014NY -01)。

張旭東，男，碩士生，從事作物遺傳育種研究。E-mail:sxdcv123@163.com

郭東偉，男，博士，副教授，碩士生導師，主要從事作物遺傳育種研究。E-mail:gdwei@nwsuaf.edu.cn

S330.2

A

1004-1389(2017)04-0568-06

網絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20170330.1509.022.html

Received 2016-01-11 Returned 2016-12-02

Foundation item Science Technology Project of Yangling City(2014NY -01).