熟化溫度和時間對玉米淀粉糊化度及淀粉組分的影響

■楊萬進(jìn) 牛國一 王天武 尹汝高凡 杜光英 李富銀 陶 冶 陶琳麗*

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南省動物營養(yǎng)與飼料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明 650201；2.云南省飼料工業(yè)協(xié)會，云南昆明 650201)

玉米在能量原料中最為常見，因?yàn)橛衩渍夹笄萑占Z中的50%～70%[1]。其次，玉米總淀粉含量可高達(dá)73.2%[2]。隨著我國飼料工業(yè)的發(fā)展，不僅要增加飼料產(chǎn)量，而且要提高飼料的質(zhì)量。在提高飼料質(zhì)量環(huán)節(jié)中首要考慮提高玉米的飼用價值，從而提高畜禽對飼料玉米的利用率，解決飼料玉米淀粉浪費(fèi)問題，降低養(yǎng)殖的飼料成本。崔乃元等[3]研究發(fā)現(xiàn)，對玉米采用一些特殊加工工藝能夠有效的提高玉米的飼用價值。本試驗(yàn)對玉米進(jìn)行整粒熟化研究，目的是提高飼料玉米利用率和為后期的再加工研究奠基理論基礎(chǔ)。

目前，玉米的加工工藝以濕熱加工工藝、粉碎加工工藝和膨化處理等為主[4]。對于濕熱加工工藝而言，通常有兩種處理方式，第一種是將玉米籽粒進(jìn)行高溫蒸汽處理后壓成薄片，即蒸汽壓片；第二種是將玉米粉碎后再進(jìn)行熟化。蒸汽壓片玉米雖然可把淀粉糊化度提高到40%左右。但是，蒸汽壓片的粒度大小滿足不了不同生理階段的動物[5]。不僅如此，曹玉偉等[6]研究發(fā)現(xiàn)蒸汽玉米對奶牛的采食量并無顯著影響。將玉米粉碎后熟化工藝雖然能夠縮短熟化時間，減少熟化成本，但是，此熟化加工條件難以控制，易造成混合不均勻，熟化不足和過度熟化等不良后果[7]。本研究旨在通過控制不同熟化溫度與時間對整粒玉米進(jìn)行熟化，探究整粒玉米熟化后其淀粉糊化度，直鏈淀粉、支鏈淀粉和抗性淀粉含量等評價指標(biāo)最優(yōu)的工藝參數(shù)，不僅能在玉米的利用率和飼用價值上提供一些工藝技術(shù)參考，而且也能為以后的研究奠基理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

玉米來源于云南本地且自然風(fēng)干。

1.2 設(shè)備與儀器

高壓反應(yīng)釜（TGYF-A型高壓反應(yīng)釜，鄭州博科儀器有限公司）；紫外分光光度計(jì)（UV-1800，日本島津公司）；谷物硬度計(jì)（GWJ-III，山東恒美電子科技有限公司）；全自動凱氏定氮儀（SKD-1000，上海沛歐分析儀器有限公司）；容重儀（HGT-1000AB，上海東方衡器有限公司）；微機(jī)全自動量熱儀（ZDHW-5000，鶴壁市中創(chuàng)儀器儀表有限公司）；電熱恒溫水浴鍋（HWS-28，上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；磁力攪拌器（88-1，常州智博瑞儀器制造有限公司）；旋渦混合器（XW-80A，上海精科實(shí)業(yè)有限公司）；分析天平（PX224ZH，奧豪斯儀器有限公司）；pH計(jì)（pHS-32，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）；恒溫振蕩器（SHA-B，常州智博瑞儀器制造有限公司）。

1.3 試劑

糖化酶購于上海源葉生物科技有限公司；抗性淀粉檢測試劑盒K-RSTAR購于愛爾蘭Megazyme公司；直鏈淀粉、支鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)樣品購于Sigma公司；冰醋酸、無水乙酸鈉、七水硫酸鋅、五水硫酸銅、鎢酸鈉、氫氧化鉀、鹽酸、磷酸、氫氧化鈉、碘、碘化鉀、順丁烯二酸等試劑均為分析純。

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用3×3雙因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，溫度和時間2個因素。溫度設(shè)3個水平，分別為100、110、120℃；時間設(shè)3個水平，分別為30、45、60 min?？偣?個處理，每個處理3個重復(fù)，每個重復(fù)熟化玉米70 g，按表1分組。

表1 試驗(yàn)分組

整粒玉米按分組熟化后自然風(fēng)干，然后每個處理細(xì)磨碎使其全部通過60目篩后按分組裝入自封袋后放至干燥避光處；稱樣時按每個指標(biāo)樣品量的要求，將樣品混合均勻后按四分法準(zhǔn)確稱取。淀粉糊化度的測定采用熊易強(qiáng)[8]簡化的美國飼料行業(yè)測定糊化度的方法。直鏈與支鏈淀粉含量的測定采用紫外分光光度計(jì)——雙波長分光光度法，總淀粉含量為直鏈淀粉和支鏈淀粉含量之和?？剐缘矸酆康臏y定采用抗性淀粉檢測試劑盒K-RSTAR。根據(jù)試驗(yàn)分組熟化后以淀粉糊化度和直鏈淀粉、支鏈淀粉、抗性淀粉、總淀粉含量為評價指標(biāo)，選擇出最優(yōu)的熟化工藝參數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理采用Excel 2010軟件進(jìn)行，統(tǒng)計(jì)分析采用SAS 9.4統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)GLM過程完成，結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”形式表示。多重比較采用Duncan’s法，以P<0.01作為差異極顯著性判斷標(biāo)準(zhǔn)，P<0.05作為差異顯著性判斷標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 熟化前玉米淀粉含量和理化指標(biāo)分析（見表2、表3）

表2 玉米直鏈、支鏈、抗性淀粉含量（風(fēng)干基礎(chǔ)）

由表2、表3可知，試驗(yàn)前玉米直鏈淀粉含量為13.22%，支鏈淀粉含量為58.51%，總淀粉含量71.73%，抗性淀粉含量為3.85%，直支比為0.31，含水量為11.39%，粗蛋白為9.03%，硬度為224.50 N，總能為15.04 MJ/kg。

表3 玉米理化指標(biāo)檢測值（風(fēng)干基礎(chǔ)）

2.2 熟化溫度和時間對玉米淀粉糊化度及淀粉組分的影響

2.2.1 熟化時間和溫度對淀粉質(zhì)量的影響（見表4）

由表4可知，在主效應(yīng)分析中，隨著溫度的升高和熟化時間的延長玉米糊化度也隨之升高；在120℃時玉米淀粉糊化度高達(dá)54.32%，且極顯著高于其他溫度組（P<0.01）；在60 min時玉米淀粉糊化度高達(dá)47.71%，且極顯著高于其他時間組（P<0.01）。對于直鏈淀粉，雖然在100℃時含量達(dá)到最大為16.53%，但是與其他溫度組的直鏈淀粉相比差異不顯著（P>0.05）；在45 min時含量直鏈淀粉含量高達(dá)17.10%，且顯著高于其他時間組（P<0.05）。對于支鏈淀粉，在120℃時含量達(dá)到最高為55.39%，且顯著高于其他溫度組（P<0.05）；在30 min時達(dá)到最高為55.38%，顯著高于45 min時的含量，雖然也高于60 min時的含量，但差異不顯著（P>0.05）。對于總淀粉，在120℃時含量最高，在30 min時含量最高，但是熟化溫度和時間分別對總淀粉含量影響不顯著（P>0.05）。對于抗性淀粉，在100℃時及60 min時含量最低，但是熟化溫度和時間對抗性淀粉含量影響并不顯著（P>0.05）。

表4 熟化時間和溫度對淀粉質(zhì)量的影響（風(fēng)干基礎(chǔ)）

由組間結(jié)果分析可知，糊化度以9組為最高，且與1、2、3、4、5、6、7、8組差異極顯著（P<0.01）；1組與3組，2、3、4、5組與6、7組，6、7組與8組差異極顯著（P<0.01），1組與2組、2組與3組和4組、6組和7組差異不顯著（P>0.05）。直鏈淀粉含量中2組與其他組差異不顯著（P>0.05），1、3、5、8、9組之間和4、6、7組之間差異不顯著（P>0.05）；8組與9組差異顯著（P<0.05），1、3、5、8組與6、7組差異顯著（P<0.05）。支鏈淀粉含量1、3、4、7、8、9組間差異不顯著（P>0.05），4組與2、5、6組差異顯著（P<0.05），2、5、6組間差異不顯著（P>0.05），6組與7、8、9組差異顯著（P<0.05）；5組與1、3、7、8、9組間差異極顯著（P<0.01）?？偟矸酆?、3、4、8、9組間和2、5、6、7組間差異不顯著（P>0.05），6組與1、3、4、8、9組差異極顯著（P<0.01）?？剐缘矸酆吭?00℃、45 min時為最高，100℃、60 min時為最低。除第3組外，其他組間結(jié)果差異不顯著（P>0.05）。

2.2.2 不同熟化條件下玉米糊化度和不同淀粉含量的變化規(guī)律（見圖1～圖5）

由圖1分析可知，對于淀粉糊化度來講，淀粉糊化度隨著熟化溫度和時間的升高而增加，根據(jù)圖1顯示在110～120℃范圍內(nèi)，不同的熟化時間對淀粉糊化度影響較大且60 min>45 min>30 min。由圖2可知，隨著熟化溫度的升高，45 min對直鏈淀粉含量的變化一直升高，而30 min對其含量的變化一直降低，60 min對其含量變化先降低后升高，但在110～120℃范圍內(nèi)低于45 min。由圖3顯示支鏈淀粉含量變化規(guī)律為在110～120℃范圍內(nèi)30 min對其含量有降低趨勢，45 min和60 min對其含量有升高趨勢且60 min高于45 min，但是對100～110℃范圍內(nèi)45 min對支鏈淀粉含量降低趨勢低于60 min。由圖4顯示總淀粉淀粉含量變化規(guī)律為在110～120℃范圍內(nèi)30 min對其含量有降低趨勢，45 min和60 min對其含量有升高趨勢且45 min高于60 min。由圖5顯示抗性淀粉含量變化規(guī)律為不明顯，30 min對抗性淀粉含量幾乎無影響，在110～120℃范圍內(nèi)45 min和60 min對其含量有降低趨勢，在100～120℃范圍內(nèi)，熟化時間為45 min對抗性淀粉含量持續(xù)降低。

圖1 熟化溫度與時間對玉米淀粉糊化度的影響

圖2 熟化溫度與時間對玉米直鏈淀粉含量的影響

圖3 熟化溫度與時間對玉米支鏈淀粉含量的影響

圖4 熟化溫度與時間對玉米總淀粉含量的影響

圖5 熟化溫度與時間對玉米抗性淀粉含量的影響

3 討論

3.1 不同熟化條件對玉米淀粉糊化度的影響

淀粉的糊化度與熟化溫度和時間呈正相關(guān)[9]，玉米淀粉糊化本質(zhì)是水進(jìn)入淀粉分子使從有序變成無序的過程，越高淀粉糊化度越有利于畜禽的消化吸收[10]。由于淀粉分子屬于非均值分子，晶體相變時，難以達(dá)到絕對熟化平衡點(diǎn)[11]。因此淀粉糊化溫度是一個范圍值。Cowieson等[12]采用玉米基礎(chǔ)日糧，處理溫度為70～85℃，結(jié)果表明淀粉糊化度隨著溫度升高增大。胡友軍等[13]對玉米進(jìn)行60～120℃的溫度處理，結(jié)果表明，隨著熟化溫度的升高，淀粉糊化度升高。與本試驗(yàn)熟化溫度為100～120℃時，隨著熟化溫度的升高，淀粉糊化度升高結(jié)果一致。陳浩等[14]將采購于嘉祥縣的玉米粉碎過40目篩后熟化，認(rèn)為熟化溫度在100～120℃效果較好，當(dāng)溫度達(dá)到100℃以上時，糊化度增加趨勢趨于平緩，并在120℃時達(dá)到最大，為91.75%。本試驗(yàn)結(jié)果與陳浩結(jié)果相似，但在120℃時達(dá)到最大糊化度是70.70%，原因可能是本試驗(yàn)的玉米采購于云南、熟化粒度為整粒等因素造成結(jié)果的差異。李啟武[15]研究表明，在一級調(diào)質(zhì)（49 s）過程中4個調(diào)質(zhì)溫度50、60、65、70℃下的淀粉糊化度分別為14.9%、18.0%、22.3%、25.2%，而經(jīng)過二級調(diào)質(zhì)（調(diào)質(zhì)時間為75 s）后淀粉糊化度分別增加到28.2%、35.4%、41.8%、45.8%，結(jié)果表明淀粉糊化度不僅受溫度的影響，還受到調(diào)質(zhì)時間的影響。本試驗(yàn)的熟化溫度為30、45、60 min，結(jié)果表明隨著熟化時間的增加糊化度也隨之增加，試驗(yàn)結(jié)果與李啟武一致。原因可能是延長熟化時間，玉米充分與熱量接觸時間也隨之延長，淀粉的水熱反應(yīng)加劇，淀粉與水熱反應(yīng)更充分，因此延長時間提高了淀粉的糊化度。

3.2 不同熟化條件對玉米淀粉組分的影響

玉米淀粉由直鏈淀粉、支鏈淀粉和抗性淀粉組成[16]，在玉米淀粉中抗性淀粉含量極少，大多數(shù)玉米淀粉由線性的直鏈淀粉和分支結(jié)構(gòu)的支鏈淀粉兩種高聚物堆積而成[17-18]。熟化會導(dǎo)致玉米直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉和抗性淀粉含量有所變化[19]。王瀟[20]選擇膨化腔溫度為110℃與未膨化的玉米進(jìn)行比較，結(jié)果表明：膨化之后支鏈淀粉從56.4%降低為44.4%，直鏈淀粉從11.6%升高為16.2%。本試驗(yàn)在120℃、45 min時直鏈淀粉含量升至最高為18.60%，在110℃、45 min時支鏈淀粉含量降至最低為51.35%，與王瀟研究結(jié)果一致，原因可能是膨化使部分淀粉轉(zhuǎn)化成糊精和一些單糖、雙糖和低聚糖，支鏈淀粉對膨化更敏感。本試驗(yàn)熟化時間對玉米的直鏈淀粉和支鏈淀粉含量影響顯著，對總淀粉含量影響不顯著；熟化溫度對玉米直鏈淀粉和總淀粉含量影響不顯著，對支鏈淀粉含量影響顯著，與王瀟等研究結(jié)果不一致。原因可能是：第一，本試驗(yàn)采用的小型高壓反應(yīng)釜，沒有經(jīng)過螺桿擠壓；第二，王瀟的試驗(yàn)材料來自河南自然風(fēng)干玉米，與本試驗(yàn)中的玉米品種不一樣。綜合上述兩種因素可能使本試驗(yàn)結(jié)果與王瀟的研究結(jié)果不一致。李勇[19]取低直支比、中直支比和高直支比的三種玉米，膨化腔溫度采用120℃，螺桿轉(zhuǎn)速250 r/min，結(jié)果表明膨化前后直支比變化不明顯，但是膨化后總淀粉含量增加（干物質(zhì)基礎(chǔ)），可能是因?yàn)榕蚧笥衩椎乃纸档停愿晌镔|(zhì)基礎(chǔ)下總淀粉含量增加。本試驗(yàn)研究結(jié)果顯示熟化總淀粉含量增高，與王瀟研究結(jié)果不一致，但與李勇的結(jié)果一致。因?yàn)楸驹囼?yàn)結(jié)果表明抗性淀粉含量有增加的趨勢，但影響不顯著。Tester等[21]采用了蠟質(zhì)玉米淀粉、普通和高直鏈玉米淀粉研究，表明熱處理對蠟質(zhì)玉米淀粉（全支鏈）和普通玉米淀粉反映很相似，但是改善了支鏈淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)。本研究沒有對淀粉結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測，在以后的研究中，可以針對不同熟化條件對淀粉顆粒大小、淀粉形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變進(jìn)行深入研究和探討。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)在不同溫度與時間條件下對云南玉米進(jìn)行熟化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)熟化溫度和時間對玉米淀粉糊化度、直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量均有影響，其變化規(guī)律為：與未熟化的玉米相比支鏈淀粉含量降低，總淀粉、淀粉糊化度、抗性淀粉與直鏈淀粉含量升高。當(dāng)控制熟化時間為45 min、熟化溫度在110～120℃這個范圍內(nèi)玉米淀粉糊化度增長極顯著（P<0.01）；支鏈淀粉和總淀粉含量增長顯著（P<0.05）；抗性淀粉含量降低但不顯著（P>0.05）。綜合分析可知，本試驗(yàn)中熟化溫度110～120℃，熟化時間45 min為較優(yōu)的熟化工藝參數(shù)。