不同處理方式對膨化玉米粉結構特性及風味的影響

劉小琴，曾德玉，楊振剛，林鳳梅，龍文玲，王 洋，葉 陽,

（1.四川輕化工大學生物工程學院，四川宜賓 644005；2.四川省旌晶食品有限公司，四川德陽 618000）

玉米粉中富含膳食纖維、維生素、礦物質和功能元素，其中約含有62%的淀粉，8.7%的蛋白質和4%的脂肪[1]，食用口感粗糙。相反，經擠壓膨化技術生產的膨化玉米粉具有風味獨特、口感細膩、易消化、保存時間長和安全性高等優點[2]，且食用方便、沖調即食，飽腹感強。然而，膨化谷物粉類制品存在一定的沖調性和風味等問題，影響產品品質。

本課題組前期研究發現，膨化玉米粉經過磷酸化熱處理、中性蛋白酶處理、黃原膠干熱處理、正磷酸鈉-中性蛋白酶復合處理后結塊率分別降低了4.03%、3.44%、3.48%、4.71%[3]，沖調性能得到改善。膨化沖調粉的沖調性指標如結塊率、吸水性指數（WAI）變化與淀粉顆粒微觀結構如表面孔洞、破壞程度有關[4-5]。戢得蓉等[6]研究發現，經磷酸化處理的淀粉顆粒，其表面出現裂紋，透明度、溶解度及膨潤度降低；且經酶解處理后淀粉的顆粒表面失去了光滑性，出現了不規則的凹陷[7-8]。也有研究表明[9-10]，濕熱處理會導致淀粉分子結晶度的破壞，改變淀粉分子的親水性，進而改變沖調性能。此外，沖調粉經過酶熱處理后揮發性風味物質分布有所不同[11-12]，而這些風味差異會影響沖調粉的食用品質。目前，國內外對于酶、磷酸化熱處理、食用膠干熱處理多集中于生粉的理化特性上，對于膨化玉米粉在幾種處理方式下顆粒結構、結晶度、風味特性的變化和作用少有報道。

因此，基于本課題前期不同處理方式對膨化玉米粉沖調性能的試驗結果，為探究膨化玉米粉沖調性能改善前后其沖調粉結構特性如顆粒結構、結晶度、官能團和其化學結構及風味物質變化，采用掃描電子顯微鏡、傅里葉紅外光譜、X-射線衍射、頂空固相微萃取等方法結合氣相質譜技術，分析確定膨化玉米粉的關鍵風味物質，以期為膨化玉米粉的生產加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

膨化玉米粉 四川省旌晶食品有限公司；中溫蛋白酶（酶活50000U/g） 河南萬邦化工科技有限公司；檸檬酸、正磷酸鈉（Na2HPO4、NaH2PO4）、三聚磷酸鹽、卡拉膠、黃原膠、海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉分析純，隴西科學股份有限公司。

DZKW-D-2500W 恒溫水浴鍋 上海科恒實業發展有限公司；RT-TDL-50H 離心機 無錫市瑞江分析儀器有限公司；LRH-250C 生化培養箱 韶關市泰宏醫療器械有限公司；101-3HB 電熱鼓風干燥箱北京中興偉業儀器有限公司；FBS6100-B 激光粒度儀 深圳弗布斯儀器有限公司；Ultra Scan VIS 臺式色差儀 上海韻鼎國際貿易有限公司；NDJ-8S 數顯黏度計 邦西儀器科技有限公司；JSM-7500F 場發射掃描電鏡 日本電子（JEOL）；7330-USPME 手動進樣手柄 美國Supelco 公司；50/30μm DVB/CAR/PDMS 萃取頭 上海安譜實驗科技股份有限公司；6790N-5975B 氣相色譜-質譜聯用儀 美國Agilent科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 不同處理方式下膨化玉米粉制備方法 正磷酸鈉熱處理（S1）：選擇正磷酸鈉（Na2HPO40.9%、NaH2PO40.3%）[13]溶于水中（以玉米粉干重計，加水量為玉米粉質量的15%，下同），均勻噴淋至膨化玉米粉中。

中性蛋白酶處理（S2）：根據參考文獻[14]選取最適酶添加量以及酶解溫度，中性蛋白酶（0.025%、50 ℃），分別溶于水中，均勻噴淋至膨化玉米粉中。

黃原膠干熱處理（S3）：根據GB 2760-2014 食品添加劑使用標準，將0.9%黃原膠分別與膨化玉米粉直接混合均勻后，均勻噴淋玉米粉質量（以玉米粉干重計）15%的水。

文中介紹的分析方法是基于靜止軌道同步衛星，對于其他具有透明轉發器的衛星此方法也適用。另外，文章僅考慮了多普勒頻移基本項，而沒有考慮相對論影響，如引力頻移和二階多普勒頻移，以及空間環境對本振的影響，有待繼續研究。

正磷酸鈉結合中性蛋白酶處理（S4）：將S1制得的玉米粉，噴淋0.025%中性蛋白酶液（將酶溶于玉米粉質量的15%的水中制得），于50 ℃恒溫培養箱中培養3 h，95 ℃滅酶15 min，研磨粉碎制得正磷酸鈉和中性蛋白酶復合處理粉。

1.2.2 掃描電子顯微鏡（SEM）觀察 參考LI 等[15]的方法并略加修改，將處理后的樣品均勻分散在貼有導電膠的樣品臺，吹去多余樣品后，置于E-1045 型離子濺射儀的樣品艙中，加速電壓15 kV 的電流下噴金處理，置于掃描電子顯微鏡腔體內進行觀察，拍攝顆粒形貌照片。

1.2.3 傅立葉變換紅外光譜（FTIR） 參考高嘉星等[16]的方法并略加修改，紅外光譜測試采用溴化鉀壓片法，稱取2 mg 干燥的高直鏈玉米淀粉樣品和200 mg干燥KBr 粉末，充分混合后倒入壓膜，85 kPa 壓制5 min，壓成透明薄片。在德國布魯克Tensor Ⅱ型傅立葉變換紅外光譜儀（FTIR）上進行測定，掃描范圍為4000～500 cm-1，分辨率為4 cm-1。

1.2.4 X-射線衍射（XRD） 參考CUETO 等[17]的方法并略加修改，X-射線衍射分析在EMPYREAN 型X-射線衍射儀上進行，采用粉末制樣。測試條件：Ni 片濾波，Cu 靶Ka 射線，管壓40kV，管流20 mA，掃描速度0.075°/s，掃描范圍5～50°，步長0.02°。

1.2.5 揮發性風味物質

1.2.5.1 揮發性風味成分的提取 固相微萃取方法參考SUN 等[5]并略作修改。準確稱取1.0000 g 經過不同處理的膨化玉米粉，加入6 mL 飽和NaCl 溶液于體積為20 mL 的頂空樣品瓶中，放入轉子后鉗緊瓶蓋。頂空瓶立即放入恒溫磁力攪拌浴中，平衡和萃取溫度均為80 ℃，平衡5 min，然后插入SPME 纖維頭，頂空萃取45 min。萃取完畢后，立即將SPME纖維頭插入GC-MS 進樣口，于230 ℃解吸3 min。

1.2.5.2 GC-MS 分析條件 色譜條件：HP-5MS 型（60 m×250 μm×0.25 μm）毛細管柱；載氣為高純氦氣（99.999%）；恒流恒壓模式，流量為1.7 mL/min，壓力為13.3 Psi，不分流模式；進樣口溫度230 ℃；升溫程序：初始溫度40 ℃，保持2 min，以3 ℃/min 升至120 ℃，保持1 min，以5 ℃/min 升至150 ℃，保持2 min，以17 ℃/min 升至230 ℃，保持5 min，總運行時間約為47.373 min。

1.2.5.3 揮發性成分的定性與定量分析 經GC-MS分析后，樣品中未知揮發性成分定性分析由工作站檢索完成，并與NIST11 和NIST11s 數據庫匹配，篩選記錄匹配度大于80（最大值為100）的物質，去除柱流失物質（聚甲基硅氧烷化合物）。定量分析按峰面積歸一化法進行，求得各揮發性成分的相對百分含量。

1.2.6 相對氣味活度值（ROAV）計算 ROAV 的計算參考WANG 等人[18]的方法，公式如下所示：

式中：Ci為組分i 的相對百分含量；Ti為組分i 的感覺閾值；Cmax與Tmax為樣品總體風味貢獻最大組分的相對百分含量與感覺閾值，其中相對百分含量與感覺閾值之比最大的為對樣品風味貢獻最大的組分。

1.3 數據處理

所有測定均為5 個平行，利用Excel 2010 和IBM SPSS Statistics 25.0 進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 不同處理方式對膨化玉米粉SEM 的影響

不同處理方式下膨化玉米粉的SEM 結果如圖1所示。膨化玉米粉表面凹凸不平，顆粒大小分布不均，整體形狀不規則且有較多的空洞，與YAN 等[19]的報道一致。由圖1 可知，磷酸化熱處理后，膨化玉米粉顆粒數量增加，分布較均勻，條紋破損增加，表面出現侵蝕并崩解，因此具有更高的溶解性和吸水性，這與LIU 等[20]磷酸化處理板栗粉的SEM 結果一致。中性蛋白酶處理后，淀粉顆粒分布均勻，顆粒破損度增加，出現明顯的裂紋和空洞，是因為被蛋白包裹的玉米淀粉顆粒顯露出來，且其表面光潔，易吸收水分降低沖調結塊率。黃原膠干熱處理后，膨化玉米粉顆粒聚集呈大顆粒，表面空洞減少且較為光滑，可能是因為黃原膠填充于淀粉顆粒片段間，淀粉分子中的羥基與黃原膠中的羧基發生了交聯反應，使得體系表面孔洞縮小，表面更加光滑，形成的結構更加致密，這一點在現有的研究中也已得到證實[21-23]。正磷酸鈉-中性蛋白酶處理后，顆粒分布均勻，粉末表面空洞數量多于磷酸化、中性蛋白酶處理。這是因為磷酸化處理破壞了淀粉的表面結構，增加了酶的接觸位點，增大了酶解效率，導致復合處理淀粉表面產生了數量更多的孔洞[24]，促進可溶物質浸出，產生了更多的糊精和小分子物質，淀粉溶解度增大[25]。圖1 可知，復合處理后淀粉顆粒表面被破壞，裂紋大且疏，表明越多的淀粉顆粒在加熱過程中破裂，內部淀粉分子被釋放出來，有利于其溶于水。綜上，不同處理方式下膨化玉米粉顆粒有不同程度的破壞，表面積、孔洞增加，從而改善其吸水性等沖調性能。

圖1 不同處理方式下膨化玉米粉的掃描電鏡圖Fig.1 Scanning electron micrographs of puffed maize flour under different treatments

2.2 不同處理方式對膨化玉米粉紅外光譜的影響

傅里葉變換紅外光譜（FTIR）可以鑒定酶處理、磷酸化熱處理、食用膠干熱處理及復合處理對膨化玉米粉中的官能團及其化學結構變化。對膨化玉米粉，3422 cm-1處出現的峰為O-H 的震動伸縮峰，在2927 cm-1處出現的峰為C-H 的伸縮振動峰[26]；在1651 cm-1附近有因淀粉無定形區域中吸附水的彎曲振動而引起的吸收峰出現[27]。膨化玉米粉在1156和1023 cm-1處均出現吸收峰，此為淀粉C-O-C 吡喃糖環骨架振動和C-C 鍵吸收峰[27-28]。紅外光譜分析可以鑒別體系的氫鍵作用大小，其吸收峰的波數越大，說明氫鍵相互作用越弱[29]。由圖2 可知，經過酶處理、磷酸化熱處理、食用膠干熱處理后，膨化玉米粉的紅外光譜曲線整體并沒有發生較大的變化。但是，樣品SO、NP、XG、SO-NP 的O-H 的振動伸縮峰略向高波段移動，這可能是由于酶、熱處理在一定程度上抑制了淀粉分子間的重結晶現象，使得氫鍵的作用力變弱[28]。幾種處理方式下的膨化玉米粉與未處理相比，均沒有新的特征峰出現，這是因為在酶、熱處理過程中，淀粉分子中非還原性末端的糖苷鍵被酶解、熱處理產生孔洞和裂縫，該過程可能會影響氫鍵的數量，各組膨化玉米粉的大分子碳鏈骨架結構及一級重復單元結構基本保留，表明干熱、酶處理并沒有引入和產生新的化學鍵或官能團。

圖2 不同處理方式下膨化玉米粉紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectra of puffed maize flour under different treatments

2.3 不同處理方式對膨化玉米粉X-射線衍射的影響

XRD 可用于揭示淀粉顆粒的晶體結構特征。膨化玉米粉與不同處理方式下粉的X 射線圖譜如圖3所示，所有樣品均在17°、18°左右時有較強的衍射峰，屬于A 型晶體結構[15]。幾個圖譜之間無明顯差異，表明酶處理、熱處理、酶熱處理并未改變膨化玉米粉分子晶體結構。PCF、SO、NP、XG、SO-NP 的相對結晶度分別為25.2%、24.0%、28.8%、27.7%、24.9%。與未處理相比，磷酸化+中性蛋白酶（S4）處理膨化玉米粉的相對結晶度降低，與王亞丹等[7]對磷酸化酶熱處理對玉米粉的結晶度變化一致，這說明膨化玉米粉在高溫和酶的作用下，淀粉顆粒內部結晶結構向非結晶結構轉變，整體結構變得稍有疏松，有利于水的進入，進而改善沖調性。食用膠干熱（S3）、中性蛋白酶處理（S2）提高膨化玉米粉的相對結晶度，可能是食用膠和酶不能有效地進入顆粒內部，致使反應過程中主要集中在玉米淀粉顆粒表面的無定形區域，不能充分反應，推測是因為在干熱反應過程中，黃原膠與淀粉分子的交聯以及微晶片層區中支鏈淀粉所形成的雙螺旋結構在高熱環境的趨向作用下，使得分子排列更加緊密，結構更加牢固[30]。

圖3 不同處理方式下膨化玉米粉X-射線衍射譜圖Fig.3 X-ray diffraction spectra of puffed maize flour under different treatments

2.4 不同處理方式對膨化玉米粉風味物質成分影響

由表1 結合圖4、圖5 可知，膨化玉米粉PCF、正磷酸鈉熱處理粉SO、中性蛋白酶處理粉NP、黃原膠干熱處理粉XG、正磷酸鈉+中性蛋白酶處理粉SO-NP 分別檢測出41、40、57、44、46 種，分別為醇類、含氮化合物、醚類、醛類、酸類、酮類、烷烴、酯類、烯烴、雜環，共130 種揮發性風味物質。

表1 不同處理方式對膨化玉米粉揮發性風味物質的影響Table 1 Effect of different treatments on the flavour substances found in puffed maize flour

圖4 不同樣品的風味物質含量Fig.4 Flavour substance content of different samples

圖5 不同樣品的風味物質種類Fig.5 Flavour substance types of different samples

2.4.1 膨化玉米粉風味物質分析 膨化玉米粉中醇類和醛類所占的比例及種類都相對較多。醇類（18.09%、8 種）中，苯乙醇具有玫瑰香氣，該物質在生鮮玉米汁中檢測出[31]。烷烴類物質含量較少（1.41%），對風味的貢獻率最小，但其在風味形成過程中與酮、酸、醛和酯類等起著互補或調和的作用[32]。酯類（8.16%、5 種）是脂肪氧化產生的游離脂肪酸和醇的相互作用形成的，主要呈現水果香味。醛類閾值較低，對風味貢獻相對較大[33]，己醛相對含量較高（8.90%），是亞油酸降解的產物[34]，呈草香味；壬醛是油酸氧化的產物[35]，呈清香味；牛麗影等[36]研究發現乙醛和乙醇是鮮玉米汁的最主要的揮發性成分，根據相對含量判斷，乙醛和乙醇為膨化玉米粉的主要揮發性成分。雜環類中2-戊基呋喃（0.38%）是亞油酸氧化的產物[37]，具有豆香、果香、青香、類似蔬菜的香氣、較濃的烤堅果香氣[38]。含氮化合物的產生可能來源于氨基酸的熱降解以及美拉德反應[39]。酮類物質的閾值較低，具有甘草香氣，在高溫下不穩定，易進一步反應形成酸或醇[40]，對玉米粉的整體風味貢獻較小。

2.4.2 不同處理方式對膨化玉米粉風味物質成分影響分析 正磷酸鈉處理后，膨化玉米粉中含氮化合物烷烴、雜環類和酯類物質含量分別增加0.64%、12.90%、20.58%，青香味減弱。熱處理條件下，含氮類化合物（6 種，30.91%）主要是由蛋白質、氨基酸熱分解、糖與蛋白質或氨基酸的Maillard 反應所形成，一般具有烤面包香氣以及烤味等[41]。烷烴類物質可能來源于玉米粉中游離脂肪酸的自動氧化[42]；因為磷酸化熱處理是玉米粉中淀粉的羥基與磷酸根基團發生酯化反應，引起酯類相對含量增加。由圖6 風味物質韋恩圖可知，正磷酸鈉熱處理粉、膨化粉共檢測出13 種共有風味物質。

圖6 不同處理方式下膨化玉米粉的風味化合物韋恩圖Fig.6 Venn diagram of flavour compounds of puffed maize flour under different treatments

經中性蛋白酶處理后，膨化玉米粉酮類、烷烴、烯烴、雜環、酯類相對含量增加，醇類、醛類、含氮化合物、醚類、酸類減少。與正磷酸鈉熱處理相比，酶處理增加了醛類和酮類物質的種類和相對含量，因為酶處理下微生物的轉化和氨基酸的分解作用[43]，風味物質數量高于磷酸化處理，而高溫處理下醇類、醛類和雜環類物質不穩定，易分解和轉化。醇和酸主要是賦予食物芳香、花香、甜味、水果味、酸味和蘑菇味的主要來源，酸可以由氨基酸降解后經氧化或還原作用產生，也可能由飽和脂肪酸本身氧化降解產生，是酯類化合物合成的前體物質[44]。酶解后戊醛相對含量較處理前增加了0.44%，醛類與酮類等揮發性化合物具有麥芽味、青草味、甜味、烤面包香、焦糖香和咖啡香等[45]。

較未處理樣品而言，黃原膠干熱處理粉未檢測到烷烴和酯類物，醛類、酮類、雜環類物質含量分別增加12.84%、7.90%、4.91%，酸類物質含量降低18.06%，可能是因為黃原膠為酸性多糖，其羰基能與游離氨基酸或蛋白質的氨基發生美拉德反應，可產生醛、酮等多種揮發性風味物質[46]。黃原膠干熱處理粉與膨化玉米粉共檢測出19 種共有風味物質，與正磷酸鈉熱處理粉、中性蛋白酶處理粉相比，黃原膠干熱處理粉醇類、醛類、酮類物質的種類和含量增加，雜環類物質的相對含量（9.69%）高于其他兩種單一處理方式。

復合處理后，膨化玉米粉中含氮化合物（14.43%）、醛類（16.75%）、酮類（12.65%）、烷烴（8.17%）、雜環（12.62%）和酯類物質（6.91%）的相對含量增加，因為膨化粉經過熱和酶處理，飽和脂肪烴降解及微生物轉化和分解，生成一些醛類、酯類和雜環類等物質。復合處理粉與磷酸化處理粉共檢測出14 種共同風味物質，醛類物質相對含量增加，且種類和相對含量高于單一處理粉，水果香味較強。酯類和酮類物質共存時可能對沖調粉的整體風味有協調和平衡的作用[34]。烷烴類化合物和含氮類化合物風味閾值高，對玉米粉風味的形成影響不明顯，但一定濃度的這些物質可使玉米沖調粉的口感更加柔和飽滿[35]。不同處理方式前后共檢測到7 個共有風味物質。

2.5 不同處理方式下膨化玉米粉的ROAV 分析

參考《化合物香味閾值匯編》和文獻[47-48]，本文只對查到的感覺閾值的揮發性物質繼續分析。分別計算5 個樣品膨化玉米粉每種揮發性風味物質相對含量與感覺閾值的比值，比較定義后發現β-紫羅蘭酮為樣品PCF、SO、NP、XG、SO-NP 總體風味貢獻最大的物質，呈花香[49]。結合揮發性成分相對含量和感覺閾值，采用ROAV 分析法對不同處理方式下膨化玉米粉的揮發性風味物質進行分析，以進一步確定關鍵風味物質，5 個樣品ROAV 值見表2。

表2 不同處理方式下膨化玉米粉揮發性風味物質的相對氣味活度值Table 2 Relative odour activity values of volatile flavour substances of puffed maize flour under different treatments

ROAV≥1 的組分為所測樣品的關鍵風味物質，0.1≤ROAV＜1 的組分對所測樣品的總體風味起重要修飾作用。由表2 可知，膨化玉米粉的中2,4-癸二烯醛、戊醛、己醛、壬醛、反-2-辛烯醛、異戊醛、香葉基丙酮、2-戊基呋喃、辛酸乙酯起重要修飾作用。正磷酸鈉熱處理粉中，庚醛起修飾作用，己醛、壬醛、反,反-2,4-癸二烯醛、正十六烷是關鍵風味物質；中性蛋白酶處理粉的關鍵風味物質為反,反-2,4-癸二烯醛；黃原膠干熱處理粉的關鍵風味物質為壬醛、2,4-癸二烯醛；正磷酸鈉-中性蛋白酶處理粉的關鍵風味物質為反,反-2,4-癸二烯醛。5 個樣品的關鍵性風味物質中只有一個主成分被提取，因此不能對幾個樣品的關鍵性風味進行主成分分析。

3 結論

本文探究了不同處理方式對膨化玉米粉結構及風味物質的影響，與對照組（PCF）相比，處理后的4 組樣品中，淀粉微觀顆粒表面的孔洞和縫隙增多，有利于膨化玉米粉溶于水，進而改善了它的沖調性能；4 種方式處理下，復合處理后的膨化玉米粉，其淀粉結構表面裂紋最大，空洞數量最多，更有利于溶解；同時，這4 種處理方式下均沒有新的特征峰出現，說明并未引入新的化學鍵或官能團；此外，處理后的膨化玉米粉與對照組的峰形大體相似，都屬于A 型晶體結構，表明酶、干熱處理未改變其結晶結構。5 個樣品共檢測出130 種揮發性成分，其中NP（57種）＞SO-NP（46 種）＞XG（44 種）＞PCF（41 種）＞SO（40 種），PCF 的主要揮發性物質為醇類、酸類、酯類和含氮化合物；SO-NP 主要揮發性物質為酯類和其他類。利用ROAV 法確定5 個樣品的關鍵風味物質（ROAV≥1）不相同，PCF 為2,4-癸二烯醛，XG 為壬醛、2,4-癸二烯醛，SO、NP、SO-NP 的共有關鍵風味物質為反,反-2,4-癸二烯醛。其中，對風味貢獻最大的為β-紫羅蘭酮，呈花香；樣品PCF、XG、SONP 的風味呈花香、脂肪香、橘香，SO、NP 則呈鮮黃瓜香、脂肪味、香蕉味、青草香，風味有差異，但有重疊，均具有花香。膨化玉米粉的關鍵風味物質主要以酮類為主，而經過不同處理方式后的膨化玉米粉則以已醛類為主，具有青草香、橘香、脂肪味。其中，經過正磷酸鈉-中性蛋白酶處理的膨化玉米粉，相對結晶度降低，淀粉顆粒內部結構向無序狀態轉變，整體結構更松散，更易溶于水，且GC-MS 結果表明其風味濃郁。綜上，選擇正磷酸鈉-中性蛋白酶處理方式更好。