老化處理對玉米中淀粉含量及其糊化與消化特性的影響

張明丹，王敏，陳光選，彭丹丹，劉亞楠，劉娜

（河南工業(yè)大學生物工程學院，河南鄭州 450001）

玉米胚部約占玉米籽粒的三分之一，故玉米較其它糧食具有更強的生命活動及更高的呼吸強度，儲藏期間穩(wěn)定性差[1,2]。隨著儲藏時間延長，玉米中淀粉會發(fā)生量變及結(jié)構(gòu)變化，從而影響其商業(yè)價值[3]，玉米淀粉是玉米籽粒的主要組成部分（約占籽粒重量的75%左右），也是決定玉米品質(zhì)的重要因素之一[4]。玉米淀粉是人類主要的食物來源以及重要的工業(yè)原料，約占世界淀粉市場總量的80%以上，在食品、農(nóng)業(yè)飼料、石油、醫(yī)用等多個行業(yè)中均有應(yīng)用[5]。玉米儲藏不當會造成巨大經(jīng)濟損失，因此，玉米的耐儲性研究較為迫切。

耐儲性研究主要為自然老化法和人工加速老化法，由于自然老化需較長時間，為便于研究老化機理，Rajjou[6]等提出人工加速老化的方法。Elliis[7]等認為，在-13 ℃～80 ℃進行老化處理，其老化規(guī)律一致，因此，人工老化處理方法已成為研究耐儲性的通用方法。隨老化時間的延長，玉米發(fā)芽指標、超氧化物歧化酶、過氧化物酶及過氧化氫酶隨之降低，而浸出液可溶性糖質(zhì)量分數(shù)及相對電導(dǎo)率總體升高[8-11]。商品淀粉進行高溫高濕處理，使淀粉膨脹度及消化性降低，淀粉顆粒中心出現(xiàn)凹坑，顆粒結(jié)晶程度增加，淀粉透明度降低[12-14]。本文供試材料選用玉米籽粒，從玉米籽粒（玉米淀粉來源）為材料分析淀粉糊化及消化性質(zhì)的變化。目前關(guān)于玉米籽粒的淀粉含量、淀粉相關(guān)酶活性、淀粉糊化特性及淀粉消化性變化研究較少。本研究采用高溫（42 ℃）、高濕（100% RH）的人工老化處理方法，通過對3個玉米品種進行處理，模擬老化后的生理狀態(tài)，研究其淀粉含量、淀粉酶活性（總淀粉酶、α-淀粉酶、淀粉去分支酶）、淀粉糊化特性及淀粉消化性的變化規(guī)律對人工老化處理的響應(yīng)，以期為玉米淀粉的應(yīng)用及玉米的合理儲藏提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

材料：鄭單958由河南秋樂種業(yè)有限公司提供；偉科702由河南金苑種業(yè)有限公司提供；浚單29由鶴壁農(nóng)科院提供。

主要試劑：EDTA，鄭州銀豐化學試劑有限公司；β-巰基乙醇、MES，上海麥克林生化科技有限公司；3,5-二硝基水楊酸，國藥集團化學試劑有限公司；30 ℃～60 ℃沸程石油醚，天津市天力化學試劑有限公司；以上試劑均為國產(chǎn)分析純。直鏈淀粉標準品、支鏈淀粉標準品、麥芽糖標準品，北京索萊寶生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HWS型智能恒溫恒濕箱，寧波江南儀器廠；RVA-TecMaster快速粘度儀，波通瑞華科學儀器有限公司；Tecan多功能酶標儀，瑞士Tecan有限公司。

1.3 試驗方法及測定指標

1.3.1 樣品處理

將三個供試品系玉米用紗網(wǎng)袋封裝，每袋500 g，每天放入高溫（42 ℃）、高濕（100% RH）環(huán)境中1袋，共計7 d，第8 d時將玉米取出放在陰涼室溫環(huán)境下晾2 d，以未經(jīng)老化玉米做為對照（CK）。

1.3.2 淀粉含量的測定

淀粉含量的檢測方法參照張越[15]等的方法，采用酸水解-斐林試劑滴定法，略有改動（石油醚代替乙醚以除去脂肪）。

稱取約20 g玉米粒，濕法提取玉米淀粉[16]，所得玉米淀粉用于直鏈淀粉、支鏈淀粉含量及淀粉糊化及消化性的測定。直鏈淀粉、支鏈淀粉含量采用雙波長分光光度法[17]。

1.3.3 淀粉酶的測定

采用DNS比色法。淀粉酶活性及α-淀粉酶活性參照李雯[18]的測定方法。淀粉去分支酶活性測定參照胡育峰[19]的方法，酶活定義為在30 ℃下每min水解支鏈淀粉產(chǎn)生1 μmol還原糖（麥芽糖）的酶量為1個酶活單位（U）。在520 nm測得麥芽糖標準曲線為y=0.4617x-0.0097，R2=0.9974。

1.3.4 淀粉糊化特性的測定

采用《小麥、黑麥及其粉類和淀粉糊化特性測定快速黏度儀法》GB/T 24853-2010測定玉米淀粉的糊化特性。

1.3.5 淀粉體外消化性的測定

淀粉消化性測定參照Englyst[20]提出的體外模擬酶水解法，具體做法參考張斌[21]等的方法。

1.4 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

所有實驗均重復(fù)測定3次，結(jié)果取平均值。結(jié)果采用SAS 9.2進行差異性顯著分析，SPSS 25進行皮爾遜相關(guān)性分析，Origin 8.5進行數(shù)據(jù)處理及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 儲藏期間淀粉含量及淀粉酶活性的變化

三個供試品系淀粉總含量均隨老化時間的增加呈下降趨勢且差異達顯著性水平（p＜0.05）（表1），這與馬平安研究結(jié)果一致[8]。三種玉米老化處理至第8 d，鄭單958、偉科702及浚單29淀粉含量較對照組下降率分別為7.07%、5.73%、3.98%。由表1可知三種玉米淀粉含量以較穩(wěn)定的速率下降，表明高溫高濕儲藏環(huán)境使玉米淀粉含量降低，我國90%淀粉生產(chǎn)行業(yè)以玉米作為原料，玉米淀粉的生產(chǎn)在玉米加工行業(yè)中占舉足輕重的地位，因此玉米在儲藏過程中淀粉含量的下降會對淀粉的生產(chǎn)產(chǎn)生負面影響。

表1 老化處理過程中不同品種玉米的淀粉含量Table 1 Starch content of different maize varieties during aging treatmen

測得支鏈淀粉和直鏈淀粉的最大吸收波長為550 nm和585 nm，按照雙波長的等吸收點波長法作圖可以確定支鏈淀粉的檢測波長為550 nm和715 nm，直鏈淀粉的檢測波長為464 nm和585 nm。直鏈淀粉測定的標準曲線為y=7.4407x-0.0179，其R2=0.999。支鏈淀粉測定的標準曲線為y=2.0561x-0.0225，其R2=0.9991。根據(jù)所得標準曲線測得玉米樣品直鏈及支鏈淀粉含量如圖1。

由圖1a可以看出，整個老化儲藏過程中三個供試品系玉米的直鏈淀粉（amylose，AM）含量總體呈上升趨勢。老化處理過程中，偉科702直鏈淀粉含量均低于浚單29及鄭單958。經(jīng)老化處理后：偉科702、鄭單958及浚單29直鏈淀粉較對照組增加率分別為20.89%，13.92%，16.41%。表明玉米在高溫高濕儲藏環(huán)境中會產(chǎn)生直鏈淀粉含量增加的現(xiàn)象，趙佳[22]等的研究也證明玉米淀粉經(jīng)高溫高濕處理，直鏈淀粉含量增加。一般情況下，直鏈淀粉含量越高的淀粉其抗酶解能力越強，由文中實驗結(jié)果可以看出，高溫高濕處理后隨著玉米直鏈淀粉含量的增加，其消化產(chǎn)物的量也逐漸降低。

由圖1b可以看出，經(jīng)人工老化處理，三種玉米支鏈淀粉（amylopectin，AP）含量總體呈下降趨勢，偉科702支鏈淀粉下降率及直鏈淀粉增加率均為三種玉米品種最高，說明偉科702淀粉結(jié)構(gòu)較其余兩個供試品系在高溫高濕環(huán)境中易變化，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對高溫高濕耐受性較差。人工老化儲藏過程中，三種供試品系在老化第2 d時支鏈淀粉含量均有不同幅度的增長，Lin[23]等認為這種現(xiàn)象可能是由于高度支化支鏈淀粉在淀粉去分支酶（starch debranching enzyme，DBE）的作用下向聚合度低的方向轉(zhuǎn)移，短鏈支鏈淀粉含量增加。

圖1 老化期間直鏈淀粉及支鏈淀粉含量變化趨勢圖Fig.1 Trend chart of amylose and amylopectin content changes during aging

玉米淀粉的直鏈淀粉及支鏈淀粉比例是決定玉米淀粉用途的重要因素，直鏈淀粉及支鏈淀粉含量與淀粉粘性相關(guān)，支鏈淀粉含量越高，淀粉粘性越大[24]，因此玉米淀粉粘性隨著老化時間的延長而降低，其適口感也隨之降低。玉米經(jīng)人工老化儲藏后，直鏈淀粉含量增加，玉米淀粉老化速度加快，食用品質(zhì)降低[25]。

2.2 淀粉酶活性的變化

在儲藏過程中，對玉米淀粉起降解作用的淀粉水解酶類主要有總淀粉酶，α-淀粉酶，DBE，玉米籽粒中淀粉酶活性變化見圖2。

圖2 老化期間淀粉酶活性變化趨勢圖Fig.2 Trend chart of amylase activity during aging

由圖2a、b、c可以看出，在高溫高濕人工老化條件下，三個供試品系玉米總淀粉酶、α-淀粉酶及DBE活性均隨老化天數(shù)的延長而呈顯著下降趨勢（p＜0.05)。CK組：種間總淀粉酶、DBE與α-淀粉酶活性均表現(xiàn)出顯著性差異（p＜0.05），鄭單958三種酶活性均為供試品系中最高，偉科702次之，浚單29為最低。老化處理至第8 d三個供試品系酶活均有不同程度的下降，同品種間比較，DBE活性下降幅度最大，可能由于不同的酶活對濕熱環(huán)境敏感性存在差異。結(jié)果表明，高溫高濕老化使玉米總淀粉酶活性、α-淀粉酶活性及DBE活性下降顯著，下降幅度范圍為40%～56%，這與Walters[26]的研究結(jié)果一致。Ball[27]等構(gòu)建Glucan triming模型，認為DBE可以專一裂解支鏈淀粉中的α-1，6糖苷鍵。隨著老化時間延長，DBE作用于支鏈淀粉，支鏈淀粉側(cè)鏈斷裂，斷裂部分為直鏈結(jié)構(gòu)，使直鏈淀粉含量增加。由圖2c可知，鄭單958 DBE活性至老化第4 d出現(xiàn)極顯著降低，同時鄭單958直鏈淀粉含量增加速率顯著下降。偉科702及浚單29至老化第5 d直鏈淀粉含量增加速率減慢，兩者直鏈淀粉含量0～5 d的增加速率顯著大于其5～8 d的增加速率（p＜0.01）。

總淀粉酶和α-淀粉酶與玉米儲藏期間總淀粉含量的變化有關(guān)，這兩者主要負責淀粉水解，使淀粉水解為還原糖。溫雪瓶[28]等研究也發(fā)現(xiàn)玉米粉置于37 ℃環(huán)境儲藏28 d，其α-淀粉酶活性下降81.58%，淀粉含量下降趨勢穩(wěn)定，可能由于其儲藏時間長于本實驗或所用材料處理方式不同，所以其α-淀粉酶活下降率高于本實驗結(jié)果。鄭單958、偉科702及浚單29在人工老化處理期間總淀粉酶活性、α-淀粉酶活性下降顯著，而其淀粉含量以較穩(wěn)定速率降低，說明在人工老化處理期間玉米中總淀粉酶及α-淀粉酶已充分發(fā)揮其作用。高溫高濕條件加速α-淀粉酶、DBE活性下降的速率[29]，隨α-淀粉酶活性的下降，籽粒的生命力也隨之降低，從而導(dǎo)致玉米發(fā)芽率降低，從而影響玉米經(jīng)濟價值[8]。

2.3 儲藏期間玉米淀粉糊化特性的變化

淀粉的糊化特性是影響淀粉加工的一項重要指標，高溫高濕的儲藏環(huán)境使玉米籽粒中淀粉發(fā)生量變及結(jié)構(gòu)變化，從而影響淀粉的糊化特性。鄭單958、偉科702及浚單29淀粉糊化均呈雙峰結(jié)構(gòu)。該老化過程中不同品系玉米的淀粉糊化特性及相關(guān)性分析結(jié)果如表2、表3。

由表2可以看出，老化處理前后對比三個供試品系PV、TV、FV、BD、SB均降低，PT、PTP有不同程度的增加（p＜0.05）。未老化處理組中，鄭單958 PV、TV、FV、BD、SB均高于偉科702及浚單29，與對照組中鄭單958支鏈淀粉含量高于偉科702及浚單29相一致。結(jié)果表明，PV、FV與直鏈淀粉含量成反比，這與侯漢學[30]等使用RVA測定不同直鏈淀粉含量玉米淀粉的糊化特性研究結(jié)果一致。Tester[31]等研究表明支鏈淀粉引起淀粉顆粒膨脹和糊化，而直鏈淀粉抑制淀粉的膨脹。因此，隨玉米淀粉中直鏈淀粉含量的增加，淀粉越難糊化。直鏈淀粉含量影響淀粉的糊化特性，主要是由于玉米淀粉中直支比影響淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)；直鏈淀粉主要分布在淀粉顆粒表面，與支鏈淀粉纏繞貫穿至結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)，直鏈淀粉于支鏈淀粉有“束縛”作用，直鏈淀粉含量增加，“束縛”作用隨之增大，支鏈淀粉不能充分舒展，抑制淀粉的膨化及糊化，黏度隨之降低；直鏈淀粉易與脂質(zhì)形成復(fù)合物，抑制淀粉膨脹及糊化[32]。

由表3可知：人工老化對玉米淀粉糊化特性影響顯著，老化時間與PV、BD、FV、SB顯著正相關(guān)，與PT顯著負相關(guān)。隨老化處理時間延長，造成玉米淀粉糊化難度增加及淀粉黏度的降低，高溫高濕處理使淀粉顆粒結(jié)構(gòu)致密，顆粒糊化難度增加，直鏈淀粉-直鏈淀粉，支鏈淀粉-直鏈淀粉之間的作用增強，糊化后淀粉不易酶解，導(dǎo)致淀粉的消化率降低[29]，從而影響玉米淀粉感官、食用品質(zhì)及商業(yè)用途。

2.4 儲藏期間玉米淀粉體外消化性的變化

根據(jù)在人體內(nèi)消化速度，可將淀粉分為快速消化淀粉（rapidly digestible starch，RDS）、慢消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）和抗性淀粉（resistant starch，RS）[20]，三種玉米的直鏈淀粉與支鏈淀粉含量隨人工老化處理時間的延長發(fā)生改變，從而影響玉米淀粉的消化性，結(jié)果如表4所示。

表2 老化處理過程中不同品種玉米的淀粉糊化特性Table 2 Starch gelatinization characteristics of different maize varieties during aging treatment

表3 老化處理時間與玉米淀粉糊化參數(shù)相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between aging treatment time and gelatinization parameters of corn starch

表4 老化處理過程中不同品種玉米的消化特性Table 4 Digestion characteristics of different maize varieties during aging treatment

注：不同小寫字母表示差異顯著（p＜0.05）。

從表4可看出，人工老化處理使玉米淀粉的SDS和RS含量增加，老化至第8 d三個供試品系玉米淀粉的SDS和RS的含量達到最大值。對照組中RDS含量較高，老化處理后淀粉中RDS含量顯著降低，偉科702的RDS含量減少了11.92%，為三種玉米中RDS減少最多的品種，與偉科702其直鏈淀粉及支鏈淀粉含量變化為三種玉米中最高者相呼應(yīng)，說明支鏈淀粉及直鏈淀粉含量變化對玉米淀粉的消化性有影響，RS含量的增加伴隨著直鏈淀粉含量的提高，普遍認為，SDS主要由支鏈淀粉老化形成，RS由直鏈淀粉老化形成[33]，RS較SDS難消化的原因可能是與支鏈淀粉相比，直鏈淀粉易與油脂等化合物形成復(fù)合物，導(dǎo)致其更難于被消化。

3 結(jié)論

3.1 42 ℃、100%RH的條件下，玉米籽粒經(jīng)人工老化處理8 d：總淀粉含量及支鏈淀粉含量下降率幅度分別為3.98%～7.07%、4.20%～6.37%，直鏈淀粉含量增加率幅度為13.92%～20.89%（p＜0.05）；總淀粉酶、α-淀粉酶及DBE活性呈下降趨勢（p＜0.05），下降率幅度為40.47%～55.71%，同品種比較三種酶活降低幅度，DBE活性下降幅度最大；其淀粉PV、TV、FV、BD、SB均降低（p＜0.05），降低幅度分別為11.82%～16.17%、3.45%～4.50%、13.67%～15.43%、21.52%～32.46%、24.31%～26.44%，PT及PTP分別增加0.47 min～0.66 min、0.05 ℃～0.1 ℃；玉米籽粒淀粉的消化性降低，RDS含量下降了11.12～11.92個百分點。

3.2 淀粉含量、支鏈淀粉含量、總淀粉酶、α-淀粉酶、DBE活性、RDS及PV、FV、BD、SB與老化處理時間呈負相關(guān)，直鏈淀粉含量、PT、SDS、RS與老化處理時間呈正相關(guān)。玉米經(jīng)高溫高濕人工老化處理后總淀粉含量及支鏈淀粉含量減少，直鏈淀粉含量增加，淀粉糊化黏度下降，淀粉消化率降低，不利于玉米淀粉的生產(chǎn)加工及人體消化利用，降低了其食用品質(zhì)。