新采收玉米籽粒中水分狀態對淀粉熱特性的影響

曹 勇，許秀穎，趙城彬，張 浩，閆美茹，劉景圣*

（吉林農業大學食品科學與工程學院，小麥和玉米深加工國家工程實驗室，吉林 長春 130118）

玉米是世界重要糧食作物之一，根據國家統計局和美國農學會統計，在2014年和2015年，中國已經超過美國，成為全球玉米種植面積最多的國家，并且是玉米第二大生產國。玉米淀粉約占世界淀粉總產量80%以上，是人類主要食物來源和重要工業原料[1]。東北地區是我國玉米主產區之一，是世界玉米黃金帶之一，年總產量約占全國玉米總產量的40%。東北地區玉米多屬于秋糧晚熟品種，玉米收獲入庭院時水分普遍在28%～35%之間，自然晾曬干燥是當地玉米主要干燥方式。收購入庫時會進一步依靠機械烘干方式將玉米水分降到14%以下，以達到安全儲藏要求。

新收獲玉米采后干燥條件對玉米食用品質具有重要影響。對新采收玉米人工干燥時，直鏈淀粉含量上升[2]，新采收玉米中抗性淀粉含量最高，自然儲藏一段時間含量逐漸降低[3]。新收獲玉米飼料消化能低[4]，淀粉提取率低[5]，隨著熱風干燥溫度的升高，玉米淀粉糊化溫度升高，凝膠焓值下降[6]，干燥溫度改變玉米淀粉結構，導致了淀粉功能特性發生變化[7-8]。對玉米長期儲藏過程中玉米淀粉、蛋白質、脂肪含量及品質變化研究較多[9-10]，對新采收玉米淀粉理化特性變化機理并不明確，導致東北地區新采收玉米利用受到限制。我國對新采收玉米品質的基礎研究還很薄弱，在干燥條件如何影響玉米食用、加工和儲藏品質等基礎理論研究方面與發達國家相比差距甚遠[7]。因此，研究新采收玉米籽粒水分分布和遷移規律淀粉變化機制，對提高玉米食用品質、優化玉米淀粉特性、提高淀粉轉化率、降低采后損失具有科技戰略意義。

基于玉米籽粒自然脫水速率的不同，本研究以中國東北地區2 個主栽玉米品種鄭單958（Zd958）和先玉335（Xy335）為研究對象，新采收后立即儲藏在恒定溫濕度條件下，運用低場強核磁共振（low fi eld-nuclear magnetic resonance，LF-NMR）技術和差示掃描量熱（differential scanning calorimeter，DSC）技術，對其2 個月內籽粒水分狀態和淀粉熱特性進行研究，以期得到新玉米采后水分分布和遷移信息，及其對淀粉結構影響機制，為進一步開展玉米淀粉精深加工和高效利用提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

中國東北地區普通玉米Zd958和Xy335，產自中國遼源金洲（43°03’N、125°17’E）。2014年和2015年種植和田間管理條件相同，成熟度一致，水分質量分數為（35±3）%時收獲。儲藏條件為（20±2）℃，相對濕度（55±5）%，確保儲藏過程中無昆蟲和霉菌侵害，定期取樣。

亞硫酸氫鈉（分析純） 北京化工廠；實驗用水為去離子水。

1.2 儀器與設備

HWS外循環恒溫恒濕培養箱 寧波東南儀器有限公司；Infratec?近紅外谷物分析儀 丹麥福斯分析儀器有限公司；LF-NMR儀 上海紐邁電子科技有限公司；Q2000 DSC儀 美國TA公司。

1.3 方法

1.3.1 玉米淀粉提取

參考Lin Lingshang等[11]方法。將采后不同時間玉米籽粒浸泡于20 ℃的0.25%亞硫酸氫鈉溶液中48 h，剝去種皮與胚，料水比1∶2（g/mL）濕磨。保留100、200 目漿液，去離子水多次洗滌，3 000 r/min離心10 min，去除上層黃色，重復離心5 次，40 ℃干燥24 h，干燥器里室溫保存。

1.3.2 玉米籽粒中水分含量及遷移

采用近紅外谷物分析儀測定玉米籽粒總水分含量。水分狀態采用LF-NMR測定。分別取采后儲藏不同時間約3 g玉米籽粒放入到15 mm直徑核磁管中。采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）程序測定玉米籽粒中橫向弛豫時間T2[12]，重復采樣16 次，回波個數3 000。

1.3.3 玉米淀粉熱特性測定

采用Q 2 0 0 0 D S C測定淀粉熱力學性質。將（5.00±0.02）mg淀粉置于鋁坩堝中，加（15.00±0.02）mg蒸餾水，攪拌均勻，密封，室溫平衡2 h。起始溫度為20 ℃，以5 ℃/min的速率升到120 ℃[13]。記錄糊化過程的DSC曲線和起始溫度（T0）、峰值溫度（TP）、轉變溫度范圍（R）和糊化焓值（ΔH）。以空坩堝為參比，N2流速為50 mL/min。采用TA Universal Analysis 2000軟件分析。

1.4 數據統計分析

采用SPSS軟件進行數據統計分析，差異顯著性（P＜0.05）分析使用Tukey HSD程序，使用Pearson相關系數進行相關性分析。采用Origin 8.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 籽粒水分含量分析

水分含量影響和改變玉米淀粉的結構和理化特性[14-15]。玉米安全儲藏要求籽粒的水分質量分數下降到14%，水分活度達到0.70[16]。在這一水分條件下，可以保障糧食的儲藏安全，維持糧食新鮮度和食用及營養品質。在干燥過程中，淀粉性質改變歸因于淀粉顆粒周圍可利用的水分子[17]。新收獲玉米籽粒在恒定條件下儲藏，水分呈現顯著下降趨勢（P＜0.05），如圖1所示。Zd958新收獲的水分質量分數為38.85%，Xy335新收獲的水分質量分數36.55%，2種玉米相同采收期水分含量差異主要由于品種不同造成。2種玉米在恒溫恒濕相同條件下水分下降速度不同，Xy335失水率高于Zd958。Xy335水分質量分數在儲藏40 d時下降到10%，相同時間Zd958下降到14.33%。由于水分子在玉米各組織中分布和遷移的不同，總的水分含量不能充分說明水分在籽粒各組織中存在狀態，對水分子遷移和水分子與生物大分子之間關系的深入理解和研究仍然缺乏，還需進一步深入研究。

圖1 新采收玉米籽粒水分含量變化Fig.1 Variations in moisture content of postharvest maize

2.2 水分遷移及分布

圖2 新采收玉米LF-NMR T2弛豫時間分布曲線Fig.2 LF-NMR T2 relaxation time distribution curves of postharvest maize grains

傳統測量水分質量分數方法破壞樣本的完整性，操作復雜，費時費力，并且無法給出水分在籽粒內部分布和運動的信息，LF-NMR技術可以快速、準確、無損地檢測干燥過程食品水分質量分布和遷移[18-20]，在研究食品加工及儲藏過程中大分子變化機理方面具有明顯優勢。復雜體系中質子T2弛豫時間的歸屬及解釋已被詳細研究[21-22]。研究表明，通過NMR技術所測定的淀粉體系中質子信號可以變現出幾種不同狀態，NMR技術是淀粉大分子微觀結構研究的有力工具[21-23]。LF-NMR技術可以利用氫質子在磁場中的自旋-弛豫特性，微觀地分析其中的水分狀態及與淀粉、蛋白質等大分子結合作用[24]。本研究運用LF-NMR技術研究2 種玉米籽粒新收獲后水分遷移和分布情況，如圖2所示，玉米籽粒在采后10 d內，籽粒中質子T2弛豫時間分布曲線中出現4 個部分，T2b和T21是質子弛豫發生最快的部分，弛豫時間范圍在0.1～5.0 ms之間，T22是中間部分，弛豫時間范圍在5～50 ms，T23是質子弛豫發生最慢的部分，弛豫時間范圍為50～200 ms。T2b和T21為與淀粉和蛋白等大分子結合最緊密的“結合水”，也可能是大分子的組成部分。T22為顆粒內部可緩慢交換的“準結合水”[24]。T23為存在顆粒外部可移動的自由水。玉米籽粒在儲藏10 d之后，隨著時間的延長水分的遷移，T2弛豫時間分布曲線中質子為3種狀態，T21逐漸減小，T2b消失。同時，胚芽油中質子信號也處于這個范圍。通過測定真空干燥后玉米胚芽的T2譜圖可以確定，在50～200 ms處出現為玉米胚芽油中質子信號。

表1 新采收玉米LF-NMR T2參數變化（n=10）Table1 Changes in T2 parameters of postharvest maize (n= 10)

通過峰面積相對含量得出采后LF-NMR T2參數變化，結果如表1所示。新采收玉米采后T2弛豫時間和比例呈顯著變化（P＜0.05），表明采后自然干燥時間對水分的遷移和分布具有顯著影響。T2面積呈顯著下降趨勢（P＜0.05），表明新收獲后籽粒中水分含量逐漸下降，這是由于水分不斷揮發至空氣中。在10 d內發現，T21結合水呈現2 個部分，這是基于水分子同大分子結合鍵的力量大小[21]，分別為緊密的結合水和松散結合水（圖2）。隨著采后時間延長，這2 種結合水合并為一個峰，Zd958中T21弛豫時間從2.98 ms逐漸降低到0.66 ms。Xy335的T21弛豫時間從2.98 ms逐漸降低到0.46 ms。說明期間籽粒內的氫質子自由度和水分流動性在逐漸降低，與大分子結合力逐漸增強。Zd958玉米中T22從24.20 ms下降到13.53 ms。Xy335玉米中T22從19.18 ms逐漸降低到13.53 ms。T2三部分的面積呈顯著下降（P＜0.05），表明儲藏過程中各狀態的水分含量逐漸下降，A21、A22和A23分別代表3 種狀態水所占面積百分比，2 種玉米A21面積比例采后初期呈顯著上升（P＜0.05），A22準結合水和A23自由水在儲藏初期下降很快，Zd958的A22在儲藏40 d后降至1%，并保持不變。Xy335中A22在50 d時未檢出。A23的面積在20 d后不在變化，說明籽粒的自由水在20 d即揮發完全。Hills等[25]研究表明，質子弛豫時間的測量主要反映的是生物大分子結構狀態，而不僅是水分子的狀態。T21隨儲藏時間逐漸延長顯著降低（P＜0.05），表明了水與大分子，主要是水分子和淀粉分子，水分子同蛋白分子間的結合力逐漸增強。

2.3 淀粉熱特性分析

2 種玉米淀粉在采后儲藏不同時間的DSC熱力學特性參數變化見表2。Zd958和Xy335采后不同時期間玉米淀粉在60～80 ℃之間出現窄而明顯吸熱峰，此峰為淀粉熱吸收特征峰，為支鏈淀粉雙螺旋結構打開所需要的能量[26-27]。糊化溫度和熱焓值變化反映了淀粉的微晶結構以及結晶程度，糊化溫度越高，表明晶體結構越完整，淀粉顆粒內部微晶部分排列和結晶度增加。熱焓值主要反映糊化時破壞淀粉雙螺旋結構所需能量，衡量淀粉糊化之前淀粉顆粒內部分子鏈段有序性，反映淀粉顆粒結晶度的重要參數，淀粉顆粒有序結果破壞會導致糊化焓值下降。淀粉熱力學特性表現為淀粉顆粒加熱過程中雙螺旋晶體相轉變溫度和吸熱焓的變化等，是影響食品加工過程重要性質之一[28]。研究表明淀粉顆粒表面形貌、粒度分布、結晶結構、分子質量、直鏈淀粉含量、支鏈中鏈長分布等因素均影響淀粉的凝膠熱特性，凝膠溫度與支鏈中短鏈和支鏈中長鏈比率正相關[29]，直鏈淀粉含量高，糊化溫度升高[30]。采后隨著自然干燥過程的進行，引起了玉米淀粉熱特性的變化。2 種玉米起始溫度T0變化范圍分別為60.89～61.91 ℃（Zd958）和59.11～61.98 ℃（Xy335），峰值溫度TP變化范圍分別為66.90～67.52 ℃（Zd958）和65.68～67.92 ℃（Xy335），轉變溫度R變化范圍分別在7.08～7.70 ℃（Zd958）和7.60～8.30 ℃（Xy335），與Wrigley等[1]報道相一致，變化不明顯。2 種玉米淀粉新采收0 d時糊化吸收焓值最小，Zd958玉米淀粉焓值為3.24 J/g，Xy335玉米淀粉焓值為4.06 J/g，說明新采收的玉米淀粉支鏈雙螺旋結構還沒有完全形成，這可能是由于新采收時淀粉分子鏈之間存在大量水分子，影響了支鏈淀粉分子之間雙螺旋結晶結構的形成。隨著儲藏時間的延長，玉米籽粒中水分逐漸降低。當采后儲藏40 d時，2 種玉米淀粉糊化吸收焓值逐漸顯著升高（P＜0.05）達到最大值，Zd958為18.54 J/g，Xy335為15.06 J/g，之后趨于穩定。吸熱焓值升高說明新玉米采收后，淀粉分子中支鏈雙螺旋結構發生了變化，在采收后40 d內支鏈分子之間締合得更加緊密。

表2 新采收玉米淀粉熱特性變化（n=3）Table2 Changes in thermal properties of starches of postharvest maize (n= 3)

表3 水分含量、T2和糊化焓值相關性分析Table3 Correlation coeff i cients between moisture content, T2 and gelatinization enthalpy

如表3所示，根據對水分含量，T2分布及遷移和吸熱焓值Pearson相關性分析結果表明，2 種新采收玉米具有相同的變化規律表現為，質子橫向弛豫中T21與T23呈極顯著相關（P＜0.01），T21與A21呈極顯著負相關（P＜0.01），T21與A22呈極顯著正相關（P＜0.01）。T21與籽粒水分含量呈極顯著相關（P＜0.01），與凝膠吸熱焓值（ΔH）呈極顯著負相關（P＜0.01），T21減小說明籽粒內的氫質子自由度和水分流動性在逐漸降低，水分子與淀粉結合力逐漸增強。淀粉分子在緩慢干燥過程中晶體區結構變得更加有序，或者結晶區比例增加，導致淀粉糊化解開支鏈淀粉雙螺旋結構能量相應增加。2 種玉米中A21和A22相關性很大，呈極顯著負相關（P＜0.01），A21與吸熱焓值呈顯著相關（P＜0.05）。A21與籽粒水分含量極顯著相關（P＜0.01），特別是當2 種玉米籽粒總的水分含量降低至安全水含量14%時，A21值均為83%。而達到準結合水和自由水全部散失時，不同品種需要時間不同，Zd958需要多于60 d，而Xy335需要40 d，此時，2 種玉米籽粒A21占總面積的82%和81%。表明在干燥過程中當A21值為81%～82%時，此時玉米籽粒中準結合水和自由水含量極低，達到干燥標準，這一判定值要比14%安全水更準確。結果表明，可以利用LF-NMR技術研究籽粒中水分狀態情況，并且可以精確判斷新玉米采后干燥進程，是進一步了解籽粒中大分子結構特性變化有利工具。

3 結 論

東北地區新采收玉米籽粒內部結合水、準結合水和自由水遷移的分布呈顯著變化（P＜0.05）。隨著總水分的逐漸降低，各狀態水分子T2弛豫時間逐漸減小。2 種淀粉凝膠焓值在40 d達到最大分別為18.54 J/g和15.06 J/g，玉米籽粒中結合水T21與籽粒水分含量極顯著正相關（P＜0.01），A21與籽粒水分含量極顯著負相關（P＜0.01），A21與淀粉凝膠吸熱焓值顯著相關（P＜0.05），這說明采后大分子結構受到水分遷移和分布的影響。利用LF-NMR技術可以有效研究水分狀態對大分子結構的影響，其結合水A21為83%即代表籽粒水分含量處在安全水范圍，為玉米籽粒的后續加工及儲藏提供理論依據。

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