凍藏處理對糯玉米淀粉微觀結(jié)構(gòu)和理化特性的影響

王宏偉，余顏圃，張 菁，張艷艷，劉興麗，張 華*

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，食品生產(chǎn)與安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南省冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量安全控制重點實驗室，河南 鄭州 450002）

隨著我國居民生活水平的提高和節(jié)奏的加快，人們對食品的消費觀念逐漸發(fā)生變化，更傾向于口感與營養(yǎng)俱佳的食品。鮮食玉米以其高營養(yǎng)、適宜口感、獨特風(fēng)味等特性備受消費者的青睞，致使人們對鮮食玉米的需求量大大增加，從而帶動了玉米產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。然而，糯玉米鮮果穗采收后，其在自然存放過程中存在水分、色澤、香味及營養(yǎng)損失等品質(zhì)劣變問題，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的轉(zhuǎn)運和銷售。速凍技術(shù)作為目前食品儲存和保鮮的重要手段之一，其可通過快速凍結(jié)保持玉米原有的質(zhì)地、外觀、口感及其獨特的香味和營養(yǎng)價值，對玉米的種植、加工具有重要作用。目前，國內(nèi)外的研究主要集中在冷凍保鮮工藝及凍藏影響玉米營養(yǎng)成分、口感等宏觀品質(zhì)的影響上，如鄭遠(yuǎn)榮等研究發(fā)現(xiàn)冰溫貯藏能夠有效的延長甜玉米的貯藏時間，保持甜玉米的總糖和玉米粒含水率，使其口感和色香味俱佳；Li Linshan等研究發(fā)現(xiàn)玉米等冷凍農(nóng)產(chǎn)品樣品的營養(yǎng)成分含量明顯高于新鮮儲存的樣品。但有關(guān)玉米凍藏過程中品質(zhì)變化機制的研究鮮見報道，相關(guān)研究的開展將有利于高品質(zhì)與附加值鮮食玉米的開發(fā)和貯存。

研究表明，淀粉對食品的水分、黏度、質(zhì)地、稠度、口感、貨架期和營養(yǎng)方面會有不同程度的影響，這些對食品加工和最終產(chǎn)品的質(zhì)量都很重要，如Xie Xinhua等發(fā)現(xiàn)淀粉的消化率與其熱穩(wěn)定性和糊化程度密切相關(guān)，進(jìn)而可以調(diào)控食品的營養(yǎng)屬性。Onyango等研究發(fā)現(xiàn)糊化淀粉可以起到增稠劑和改善面團(tuán)黏彈性的作用；肖甚圣等發(fā)現(xiàn)預(yù)糊化酯化蠟質(zhì)玉米淀粉與酯化蠟質(zhì)玉米淀粉均具有良好的凍融穩(wěn)定性，添加在糯米粉中能有效降低速凍糯米粉團(tuán)的失水率和裂口率，并且可以改善速凍糯米粉團(tuán)的蒸煮和食用品質(zhì)；Rojas-Molina等研究表明抗性淀粉（resistant starch，RS）的含量與玉米餅的硬度呈負(fù)相關(guān)，RS含量較高的玉米餅的抗斷裂性較差。Wang Sunan等研究表明在饅頭中添加高直鏈玉米淀粉可以增加RS的含量，并且顯著降低饅頭的陳化率，提高饅頭的貨架期。Li Qingqing等發(fā)現(xiàn)添加預(yù)糊化玉米淀粉制備的面團(tuán)片具有更高的拉伸強度，并且顯著增加了煮熟面條的光滑度。因此，淀粉作為玉米的主要組分，其在凍藏過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)和理化性能的變化也會顯著影響玉米的口感、風(fēng)味、營養(yǎng)等品質(zhì)。因此，研究玉米凍藏過程中內(nèi)部淀粉結(jié)構(gòu)和理化性能的變化，有利于高品質(zhì)鮮食玉米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

本研究將圍繞不同凍藏時間（0、10、20、30 d）條件下的糯玉米進(jìn)行研究，探討凍藏對其淀粉顆粒結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、分子有序化結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)特性、糊化及消化特性的影響規(guī)律，揭示凍藏淀粉結(jié)構(gòu)與其理化性能之間的關(guān)系，以期為高品質(zhì)鮮食玉米的保護(hù)和開發(fā)提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮糯玉米 海南綠川種苗有限公司；氫氧化鈉、亞硫酸氫鈉、濃鹽酸、無水乙醇（均為分析純） 天津市大茂化學(xué)試劑廠；胰-淀粉酶（P-7545）、淀粉葡萄糖苷酶（A3306） 美國Sigma公司；GOPOD試劑盒愛爾蘭Megazyme公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-9140A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科技有限公司；TG16-WS臺式高速離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)公司；DZKW-4恒溫水浴鍋 北京中興偉業(yè)儀器有限公司；BCD-278TAJ冷藏柜 海爾電器有限公司；RVA4500快速黏度測定儀 澳大利亞波通儀器有限公司；S3500激光粒度分析儀 美國Microtrac有限公司；BWS465-785S便攜式拉曼光譜儀 美國B&WTEK公司；DSC Q2000差示掃描量熱儀 美國TA公司；Vertex 70傅里葉紅外光譜儀 德國Bruker公司；UV-1100紫外-可見分光光度計 上海美譜達(dá)儀器有限公司；Regulus 8100高分辨率冷場發(fā)射掃描電鏡 日本日立公司。

1.3 方法

1.3.1 糯玉米凍藏處理及淀粉的提取

將新鮮無損的糯玉米去除最外層包衣后，用自封袋密封后置于－18 ℃冰箱中進(jìn)行凍藏處理，分別凍藏0、10、20、30 d。然后將不同凍藏處理時間的玉米進(jìn)行解凍、剝粒處理，以100 g/500 mL的比例置于1 g/L的亞硫酸氫鈉溶液浸泡過夜。隨之對浸泡過夜的玉米粒進(jìn)行清洗、打漿，漿液過100 目篩，獲得淀粉乳；將淀粉乳于4 000 r/min離心10 min，棄去上清液，而后將白色沉淀轉(zhuǎn)移至燒杯中，并溶于0.3% NaOH溶液中攪拌30 min，重復(fù)上述離心步驟2 次。最后在45 ℃干燥箱中烘干，粉碎過100 目篩，封存?zhèn)溆?。根?jù)凍藏處理時間的不同，凍藏處理后的玉米淀粉分別命名為糯玉米淀粉、淀粉-10、淀粉-20、淀粉-30。

1.3.2 糯玉米淀粉短程有序化結(jié)構(gòu)的測定

精確稱量2 mg淀粉（干基）、150 mg溴化鉀于瑪瑙研缽中，將二者混勻、研磨、壓制成片狀，厚度為0.5 mm。測定參數(shù)設(shè)置為：分辨率4 cm；波數(shù)范圍（4 000～400 cm）；掃描次數(shù)為32 次；將空氣作為空白對照。測定淀粉的紅外光譜圖為以上32 次掃描結(jié)果的平均值。

使用拉曼光譜儀（有光纖探頭）對糯玉米淀粉的短程有序化結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定。測量光譜范圍：175～4 000 cm。測試條件為：光譜分辨率4 cm，激發(fā)功率100 mW，掃描次數(shù)32 次，曝光時間10 s。

1.3.3 糯玉米淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的測定

將樣品置于正方形的樣品盤圓形螺紋上，用稱量紙玻璃片和把淀粉鋪平。再將樣品放入X射線衍射儀在為波長0.154 2 nm的單色Cu-Kα射線測定淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，條件為：40 kV的管壓、30 mA的管流、采樣步寬0.02 °、掃描區(qū)域從4 °～60 °。

1.3.4 糯玉米淀粉顆粒形貌的測定

利用掃描電子顯微鏡對淀粉的顆粒形貌進(jìn)行研究，觀察淀粉樣品的形態(tài)結(jié)構(gòu)。將凍藏時間為0、10、20、30 d的淀粉樣品均勻地鋪灑在黏有導(dǎo)電膠的樣品臺上，將處理好的樣品放入離子濺射鍍膜儀進(jìn)行噴金處理，時間為2 min。然后于掃描顯微鏡的真空樣品室中觀察淀粉樣品的顆粒形貌，選取具有代表性的淀粉顆粒形貌進(jìn)行拍照，其工作電壓為3 kV，放大倍數(shù)為3 000。

1.3.5 糯玉米淀粉粒徑大小及其分布的測定

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的淀粉乳液，采用激光粒度分析儀對樣品粒徑大小和粒度分布進(jìn)行測定。測定范圍為0.02～2 000 μm，散射強度為3 mW，掃描區(qū)域為0.02～163 °，每個樣品重復(fù)測試3 次。

1.3.6 糯玉米淀粉熱力學(xué)特性的測定

根據(jù)Wang Lili等的方法，并稍作修改。采用差式掃描量熱儀對樣品進(jìn)行熱穩(wěn)定性分析，即分別將凍藏時間為0、10、20、30 d的玉米淀粉配制30%的淀粉乳液，稱取約11 mg的淀粉乳液于鋁盒中，然后使用壓片機密封，并制作一個空盒為空白對照。設(shè)置測量程序為：起點溫度20 ℃，保持1 min，然后以10 ℃/min升溫至120 ℃，由此獲得樣品糊化時的起始溫度（）、峰值溫度（）、終止溫度（）和糊化焓值（Δ）。

1.3.7 糯玉米淀粉糊化特性的測定

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的淀粉乳液，稱取1.5 g 淀粉（干基），再加入適量的去離子水于鋁罐中形成均勻的淀粉懸浮液。利用快速黏度測定儀進(jìn)行淀粉樣品糊化黏度的測定。樣品25 ℃保持1 min，以5 ℃/min加熱到95 ℃，在95 ℃保溫10 min，然后以5 ℃/min降溫至50 ℃，并在50 ℃保溫10 min。糊化過程中前10 s的起始轉(zhuǎn)速為960 r/min，其余采用160 r/min轉(zhuǎn)速測定。

1.3.8 糯玉米淀粉消化特性的測定

參照王宏偉的方法配制胰-淀粉酶與淀粉葡萄糖苷酶混合液、0.1 mol/L醋酸鈉緩沖液（pH 5.2），并對糯玉米淀粉的體外消化率進(jìn)行測定。精確稱量1.0 g淀粉樣品，與20 mL醋酸鈉緩沖液、5 mL胰-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶混合液進(jìn)行混合，混合均勻后在37 ℃、190 r/min振蕩水解；分別在第20、120分鐘時取0.5 mL水解液于離心管中，用20 mL的70%乙醇溶液滅酶。然后以4 000 r/min離心10 min，吸取0.1 mL的上清液，與3 mL GOPOD混合之后置于45 ℃的水中顯色20 min，最后在波長510 nm處進(jìn)行吸光度測定。根據(jù)淀粉消化速率的不同，淀粉可分為快消化淀粉（rapidly digestible starch，RDS，＜20 min）、慢消化淀粉（slowly digestible starch，SDS，20～120 min）和抗性淀粉（resistant starch，＞120 min）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 凍藏處理對糯玉米淀粉分子短程有序化結(jié)構(gòu)的影響

由圖1a可知，糯玉米經(jīng)不同凍藏時間處理后，其淀粉樣品圖譜特征峰的峰位置一致，幾乎沒有差異，表明凍藏處理并沒有引起糯玉米內(nèi)淀粉相關(guān)基團(tuán)的變化。其中，去卷積圖中1 045 cm和1 022 cm的紅外吸收峰分別代表了淀粉的有序化和無定型區(qū)域（圖1b），其比值（）可作為量化淀粉短程有序化程度的指標(biāo)。從表1可知，凍藏處理會導(dǎo)致糯玉米淀粉比值的減小，從1.01降低至0.91，表明隨著凍藏時間的延長，糯玉米淀粉的短程有序化程度降低。這與Xu Ke等的研究結(jié)果一致，可能是由于凍藏過程中冰晶的形成及增長破壞了糯玉米淀粉分子鏈間或內(nèi)部的氫鍵，使其雙螺旋結(jié)構(gòu)解旋或排列不規(guī)整，降低了淀粉顆粒內(nèi)部分子鏈的有序化排列及緊密程度。

圖1 不同凍藏時間條件下糯玉米淀粉的傅里葉變換紅外光譜（a）和去卷積圖（b）Fig.1 FITR (a) and deconvoluted FITR (b) spectra of starch isolated from waxy corn frozen for different periods

表1 凍藏時間對糯玉米淀粉結(jié)晶和短程有序化結(jié)構(gòu)的影響Table 1 Effect of frozen storage time on the crystalline and shortrange ordered structures of waxy corn starch

拉曼位移在480 cm處特征峰的半峰寬與淀粉的短程有序化程度呈顯著正相關(guān)，即半峰寬越大，短程有序化程度越低。從圖2可知，凍藏處理前后，糯玉米淀粉特征峰出現(xiàn)的位置一致，表明凍藏處理并未改變淀粉的化學(xué)組成。但是，凍藏淀粉的半峰寬值隨著凍藏時間的延長而逐漸增大（表1），表明凍藏淀粉的有序化程度下降，可能是因為凍藏降低了淀粉顆粒內(nèi)部支鏈分子鏈的有序化排列程度，使得淀粉的無序化程度提高，這也印證了紅外光譜分析的結(jié)果。

圖2 不同凍藏時間條件下糯玉米淀粉的拉曼光譜圖Fig.2 Raman spectra of starch isolated from waxy corn frozen for different periods

2.2 凍藏處理對糯玉米淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響

X射線衍射可用于分析物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，不同的晶體結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不同的衍射樣式，小麥、大米、玉米等谷物類淀粉會在15 °、17 °、18 °、23 °附近出現(xiàn)特征峰，表現(xiàn)為A型結(jié)晶結(jié)構(gòu)。如圖3所示，糯玉米淀粉與經(jīng)凍藏處理的淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)均為A型，即在15 °、23 °呈現(xiàn)為單衍射峰，并且在17 °和18 °附近呈現(xiàn)為雙衍射峰，表明糯玉米經(jīng)過凍藏處理后，淀粉的結(jié)晶類型沒有發(fā)生改變，但峰強度有所降低。表1顯示了不同凍藏時間下糯玉米淀粉的相對結(jié)晶度，與未經(jīng)過凍藏處理的樣品相比，凍藏淀粉的相對結(jié)晶度有所降低，且隨著凍藏時間的延長，相對結(jié)晶度逐漸降低，從31.4%降至27.7%。這可能歸因于凍藏過程中，水分的物態(tài)轉(zhuǎn)變（由水變?yōu)楸В┢茐牧说矸垭p螺旋的取向、有序化排列或規(guī)整度，甚至導(dǎo)致其螺旋結(jié)構(gòu)解旋，最終致使其相對結(jié)晶度下降。

圖3 不同凍藏時間條件下糯玉米淀粉的X射線衍射譜圖Fig.3 XRD spectra of starch isolated from waxy corn frozen for different periods

2.3 凍藏處理對糯玉米淀粉顆粒形貌及粒徑的影響

從圖4可以看出，天然淀粉顆粒表面較為光滑，顆粒比較完整均勻，這與之前的報道相似。隨著糯玉米凍藏時間的延長，其淀粉顆粒凹陷和破碎的程度越來越嚴(yán)重，可能是因為玉米內(nèi)部的水分在凍藏過程中會形成體積較大的冰晶，從而產(chǎn)生較大的膨脹和滲透壓力，致使淀粉顆粒表面微孔和內(nèi)部空腔的增大或破裂，最終會改變玉米淀粉顆粒結(jié)構(gòu)及物理化學(xué)性質(zhì)。

圖4 不同凍藏時間條件下糯玉米淀粉的掃描電鏡圖Fig.4 SEM photographs of starch isolated from waxy corn frozen for different periods

如表2所示，其中0.1、0.5和0.9分別代表達(dá)到該粒徑值的百分比，如為20.1 μm指測試樣品中90%處于20.1 μm以下。隨著凍藏時間的延長，糯玉米淀粉的和平均粒徑值逐漸減小，糯玉米淀粉的平均粒徑從12.8 μm降低到11.9 μm，并且在凍藏20 d與凍藏10 d之間出現(xiàn)顯著差異（＜0.05）。糯玉米凍藏過程中，其淀粉粒徑減小的原因可能是源于凍藏過程破壞了淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)，使其顆粒變得不完整，從而導(dǎo)致粒徑變小，這與之前掃描電鏡所顯示的結(jié)果一致。

表2 凍藏時間對糯玉米淀粉粒徑的影響Table 2 Effect of frozen storage time on the particle size of waxy corn starch granules

2.4 凍藏處理對糯玉米淀粉熱力學(xué)特性的影響

由表3可知，凍藏淀粉的起始溫度、峰值溫度和終值溫度與原淀粉相比顯著降低，說明經(jīng)過凍藏處理后的淀粉更容易糊化。這可能是因為在淀粉顆粒凍結(jié)時，顆粒表面和內(nèi)部的孔道被水占據(jù)，形成冰晶，因而產(chǎn)生較大膨脹力，致使顆粒表面和內(nèi)部的膨脹力不均勻，從而導(dǎo)致淀粉顆粒結(jié)構(gòu)被破壞；此外，凍藏處理也會破壞淀粉的短程有序化和結(jié)晶結(jié)構(gòu)，以上2 個原因使水分子更容易進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部，因此淀粉顆粒更容易發(fā)生糊化。糊化焓值指的是淀粉糊化過程中其結(jié)晶或螺旋結(jié)構(gòu)崩解或解旋所需要的能量，與淀粉分子的有序化結(jié)構(gòu)含量呈正相關(guān)，凍藏淀粉的糊化焓值減小，且隨著凍藏時間的延長而不斷減少，說明凍藏處理破壞了淀粉顆粒內(nèi)部的雙螺旋結(jié)構(gòu)組成及排列，降低了其相對結(jié)晶度，此結(jié)果與上述短程有序化結(jié)構(gòu)和結(jié)晶結(jié)構(gòu)結(jié)果相一致。

表3 凍藏時間對糯玉米淀粉熱力學(xué)特性的影響Table 3 Effect of frozen storage time on the thermodynamic properties of waxy corn starch

2.5 凍藏處理對糯玉米淀粉糊化特性的影響

從表4可以看出，糯玉米原淀粉的起糊溫度、峰值黏度、崩解值均高于凍藏淀粉，其中凍藏淀粉的起糊溫度降低，表明淀粉更容易發(fā)生糊化；峰值黏度降低可能是因為淀粉的有序化程度降低，淀粉顆粒破碎，小粒徑顆粒增加所致，導(dǎo)致淀粉顆粒的膨脹度降低，黏度下降。崩解值一定程度上可以反映淀粉糊的熱穩(wěn)定性，崩解值越小，淀粉的抗剪切力越高，其膨脹顆粒的機械強度越強，崩解值降低說明凍藏處理提高了淀粉顆粒的抗熱和抗剪切穩(wěn)定性。最終黏度和回生值均能反映淀粉在冷卻過程中形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以及直鏈淀粉與崩解顆粒的相互作用，凍藏淀粉的最終黏度和回生值高于糯玉米原淀粉，可能是由于凍藏導(dǎo)致淀粉顆粒聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的無序化程度增加，促進(jìn)了淀粉分子鏈在冷卻過程中的重排和重結(jié)晶，使其容易老化。

表4 凍藏時間對糯玉米淀粉糊化特性的影響Table 4 Effect of frozen storage time on the pasting properties of waxy corn starch

2.6 凍藏處理對糯玉米淀粉消化特性的影響

淀粉的消化是一個復(fù)雜的過程，包括酶在底物中的擴散以及酶在底物上的吸附和水解，這一過程受到分子有序化結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、顆粒大小、顆粒完整性、顆粒孔隙度等因素的影響。根據(jù)淀粉消化速率和程度的不相一致，可將淀粉分為RDS、SDS和RS。如表5所示，糯玉米淀粉中的RDS、SDS和RS的相對含量分別為79.3%、5.6%和15.1%，但經(jīng)凍藏處理后，淀粉的RDS顯著增大，從79.3%增加到92.9%；RS不斷降低，從15.1%降至5.0%，且隨著凍藏時間的延長，趨勢變化更加明顯。總體來說，凍藏處理可導(dǎo)致糯玉米淀粉中的SDS和RS轉(zhuǎn)變?yōu)镽DS，可能是由于淀粉有序化結(jié)構(gòu)和顆粒結(jié)構(gòu)的破壞所致，即隨著凍藏時間的延長，淀粉顆粒呈現(xiàn)破碎，不完整度升高，顆粒表面出現(xiàn)凹痕，內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，這些都會使得酶分子更容易進(jìn)入到淀粉分子內(nèi)部，從而提高了消化效率。此外，淀粉內(nèi)部短程有序化結(jié)構(gòu)和結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞也可導(dǎo)致淀粉酶易與淀粉分子結(jié)合、變構(gòu)和定位催化，提高凍藏淀粉的RDS含量。

表5 凍藏時間對糯玉米淀粉消化特性的影響Table 5 Effect of frozen storage time on the digestibility of waxy corn starch

3 結(jié) 論

本實驗探討了凍藏處理對糯玉米淀粉結(jié)構(gòu)和理化性能的影響，結(jié)果表明凍藏處理可導(dǎo)致淀粉的短程有序化程度和相對結(jié)晶度降低，淀粉顆粒破碎，顆粒表面出現(xiàn)凹陷、裂紋，粒徑變小，且隨著凍藏時間的延長，淀粉結(jié)構(gòu)的破壞更加明顯；這些結(jié)構(gòu)的破壞可導(dǎo)致糯玉米淀粉糊化溫度（如峰值溫度和終值溫度）、峰值黏度、崩解值的降低，以及最終黏度和回生值的增大，表明經(jīng)過凍藏處理后的淀粉更容易發(fā)生糊化，糊化黏度有所下降，但淀粉顆粒的抗剪切能力增強，老化程度增高。此外，凍藏處理還可顯著提高糯玉米淀粉的RDS含量，表明凍藏處理可通過改變淀粉的微觀結(jié)構(gòu)影響淀粉的消化速率。本研究結(jié)果可為速凍玉米的冷藏提供相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以期為高品質(zhì)鮮食玉米的保護(hù)和開發(fā)提供理論依據(jù)和參考。