分層破胚剝皮玉米不同部位營(yíng)養(yǎng)成分富集特征

翟小童，劉 芳，吳非霏，馬慶華，喬聰聰，韓 林，何財(cái)安，譚 斌，王 敏

分層破胚剝皮玉米不同部位營(yíng)養(yǎng)成分富集特征

翟小童1,2，劉 芳1，吳非霏2，馬慶華3，喬聰聰2，韓 林1，何財(cái)安1，譚 斌2，王 敏1※

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，楊凌 712100；2. 國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院，北京 100037；3. 漢中三益科技有限責(zé)任公司，漢中 723000）

為明確玉米籽粒營(yíng)養(yǎng)成分的分布差異及不同部位富集特征，應(yīng)用快速緩蘇、微量著水半濕法分層破胚剝皮技術(shù)，結(jié)合靶向代謝組學(xué)方法，對(duì)鄭單958玉米不同部位的營(yíng)養(yǎng)成分及基礎(chǔ)代謝物質(zhì)進(jìn)行分析與比較。結(jié)果表明玉米籽粒不同部位的淀粉、脂肪、礦物元素和膳食纖維等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量存在顯著差異（＜0.05）。該研究中的玉米內(nèi)皮層可能主要由種皮、糊粉層及部分外胚乳構(gòu)成，該部位營(yíng)養(yǎng)成分的種類(lèi)及含量均較為豐富，其中水溶性膳食纖維含量顯著高于其他部位（＜0.05），可作為玉米水溶性膳食纖維的提取分離來(lái)源。K、P和Mg元素是玉米中含量最高的礦物元素，主要存在于胚芽中，F(xiàn)e、Zn、Mn和Cu元素在胚芽和玉米皮層中均有較多分布，精制加工會(huì)導(dǎo)致這些礦物元素的損失。玉米胚芽中水解氨基酸種類(lèi)較其他部位豐富且含量較高（＜0.05），甜味氨基酸占總游離氨基酸含量的24.49%，高于玉米皮層部位、顯著高于胚乳部位。研究結(jié)果為玉米營(yíng)養(yǎng)健康食品的創(chuàng)制、玉米精深加工及相關(guān)專(zhuān)用裝備的研發(fā)提供參考。

玉米籽粒；營(yíng)養(yǎng)；分層剝皮；營(yíng)養(yǎng)成分；基礎(chǔ)代謝物質(zhì)

0 引 言

玉米（L.），為禾本科玉蜀黍?qū)僖荒晟荼局参?，是中?guó)重要的經(jīng)濟(jì)糧食作物。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局最新數(shù)據(jù)顯示，2020年中國(guó)玉米的播種面積為41 260 hm2，年產(chǎn)量達(dá)到26 067萬(wàn)t，位居三大糧食作物之首，在世界上僅次于美國(guó)。玉米營(yíng)養(yǎng)豐富，具有獨(dú)特的風(fēng)味口感及較為簡(jiǎn)便的加工特性，可以?；蚍鄣男问綇V泛應(yīng)用于許多食品品類(lèi)，是一種較為流行、可被大量使用的全谷物原料[1-2]。全谷物的攝入可降低慢性代謝性疾病的患病風(fēng)險(xiǎn)，包括心血管疾病、肥胖、2型糖尿病、結(jié)腸癌等癌癥，同時(shí)有助于改善消化系統(tǒng)健康[3-6]，膳食纖維是全谷物食品中重要的功能性組分之一[7]。

玉米籽粒富含多種營(yíng)養(yǎng)成分，但分布不均衡。玉米籽粒主要由果皮、種皮、糊粉層、胚芽和淀粉質(zhì)胚乳構(gòu)成，絕大部分的淀粉存在于玉米胚乳中，胚芽富集了約80%的礦物質(zhì)元素和脂肪，而高達(dá)87%的粗纖維存在于玉米糊粉層和內(nèi)、外種皮中[8-9]。玉米中的粗纖維主要包括半纖維素、纖維素和木質(zhì)素碎片，其中半纖維素片段在粗纖維中含量最高，因其本身具有緊密的結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)和較高的聚合度，在熟化過(guò)程中阻礙水分滲入玉米籽粒內(nèi)部，故其存在可能影響加工食品的口感和品質(zhì)[1,10]。

傳統(tǒng)的玉米原料加工工藝包括干法和濕法兩種。玉米原料干法加工工藝一般為清理、脫胚、磨粉、篩分等，磨粉系統(tǒng)的選擇與目標(biāo)產(chǎn)品用途有關(guān)，加工產(chǎn)品一般為玉米糝、玉米粗粒、玉米粉等。玉米濕法加工工藝一般用于獲得淀粉、油和玉米蛋白粉等組分，主要工藝包括浸泡、研磨和分離等。近年，基于玉米分層剝皮、脫胚工藝及配套裝備的研發(fā)，可采用半濕法分層破胚剝皮技術(shù)通過(guò)快速緩蘇、微量著水工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米籽粒皮層、胚芽、胚乳等不同部位進(jìn)行分離提純的目的，與傳統(tǒng)的濕法和干法加工相比具有組分易分離、成品率高、節(jié)水節(jié)能、經(jīng)濟(jì)投入少等優(yōu)越性[11]。

目前對(duì)于玉米籽粒中營(yíng)養(yǎng)成分的研究主要集中在整體籽粒中的營(yíng)養(yǎng)組分含量、活性成分鑒定及理化特性、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)分析等方面，關(guān)于玉米籽粒不同部位中營(yíng)養(yǎng)及活性物質(zhì)的分布與差異的報(bào)道較少，各部位中營(yíng)養(yǎng)成分與品質(zhì)特性的關(guān)系尚不明晰。本研究選用玉米品種鄭單958為研究對(duì)象，利用分層破胚剝皮碾磨技術(shù)，由外到內(nèi)收集4個(gè)組分，通過(guò)研究玉米基本營(yíng)養(yǎng)成分、礦物元素、膳食纖維組成，及氨基酸、糖類(lèi)等基礎(chǔ)代謝產(chǎn)物等，旨在比較研究玉米籽粒營(yíng)養(yǎng)成分的分布差異及不同部位的富集特征，以期為玉米在全谷物食品中的應(yīng)用、加工過(guò)程中的營(yíng)養(yǎng)保持及玉米組分高值化梯度利用、相關(guān)專(zhuān)用裝備研發(fā)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米粒（鄭單958），北京斯恩賽爾生物科技有限公司。谷氨酸等20種氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品、脂肪酸甲酯等標(biāo)準(zhǔn)品購(gòu)于美國(guó)Sigma-Aldrich公司。色譜級(jí)甲醇、N-叔丁基二甲基甲硅烷基-N-甲基三氟乙酰胺（N-methyl-N-（trimethylsilyl） trifluoroacetamide，MTBSTFA）等，購(gòu)于美國(guó)TEDIA公司。-淀粉酶、蛋白酶等購(gòu)于美國(guó)Sigma-Aldrich公司。乙醇、正己烷、丙酮、碳酸氫鈉、氫氧化鉀等其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

PYG40玉米剝皮機(jī)，陜西漢中三益科技有限責(zé)任公司；DGG-9140BD電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；PYRAMID TX馬弗爐，北京皮爾美特科技有限公司；L580低速大容量離心機(jī)，上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司；TGL-16M臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)，湖南湘儀離心機(jī)儀器有限公司；MS 3 basic旋渦混勻器，德國(guó)IKA公司；T6紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；MD200-2氮吹儀，上海滬析實(shí)業(yè)有限公司；Milli-Q Advantage超純水系統(tǒng)，美國(guó)Millipore公司；8890B-7000D氣相色譜儀-三重四級(jí)桿質(zhì)譜儀，美國(guó)Agilent公司。

1.3 方 法

1.3.1 試驗(yàn)樣品的制備

試驗(yàn)用玉米全籽粒（whole-grain corn，WC）于室溫條件下加水預(yù)潤(rùn)15 min（著水率0.035%）后，入剝皮機(jī)采用循環(huán)往復(fù)的進(jìn)料方式逐層破胚剝皮，具體工藝過(guò)程如圖1。玉米外皮層（corn bran 1，CB1）、內(nèi)皮層（corn bran 2，CB2）、胚芽（corn germ，CG）和胚乳（corn endosperm，CE）部分得率分別為7.07%、7.21%、10.65%和68.40%。獲得的4個(gè)不同部位的玉米樣品經(jīng)粉碎機(jī)粉碎、過(guò)20目篩（篩網(wǎng)尺寸：0.85 mm），于?20 °C保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 營(yíng)養(yǎng)成分的測(cè)定

含水率：采用GB 5009.3-2016中的第一法測(cè)定[12]；淀粉含量：采用GB 5009.9-2016中的第一法測(cè)定[13]；蛋白質(zhì)含量：采用GB 5009.5-2016中的第一法測(cè)定[14]；脂肪含量：采用GB 5009.6-2016中的第一法測(cè)定[15]；灰分含量：采用GB 5009.4-2016中的第一法測(cè)定[16]；粗纖維含量：采用GB/T 5009.10-2003進(jìn)行測(cè)定[17]；礦物元素：采用GB 5009.268-2016中的第一法測(cè)定[18]。

1.3.3 膳食纖維的組成分析

膳食纖維的分離提取于含量測(cè)定參考仇菊等[19]的方法并作修改。

1）總膳食纖維的分離提取與含量測(cè)定

取樣品各50 g，加入 200 mL正己烷進(jìn)行脫脂處理。脫脂樣品以料液比1:10（g/mL）懸浮于水中，100 ℃水浴加熱30 min，調(diào)節(jié)pH值為6.5；于90 ℃水浴加熱條件下，添加1.0 %-淀粉酶（酶活力≥150 000 U/g）反應(yīng)約2 h，通過(guò)碘藍(lán)測(cè)試，直至淀粉水解完全。使用濃硫酸調(diào)節(jié)pH值為4.5，于60 ℃水浴加熱條件下，添加5.0%糖化酶（酶活力≥150 000 U/g）反應(yīng)約1 h；再用5 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至7.0，于50 ℃水浴加熱條件下，加入4%中性蛋白酶（酶活力≥500 000 U/g），攪拌反應(yīng)2 h。酶處理后，將混合物轉(zhuǎn)移至沸水浴加熱30 min使酶失活。在酶解液中加入3倍體積的95%乙醇，室溫沉淀12 h，離心（4 000 r/min，15 min），棄去上清液，得到的沉淀在60 ℃條件下烘干，研磨后過(guò)60目篩（篩網(wǎng)尺寸：0.25 mm），得到總膳食纖維（Total Dietary Fiber，TDF），保存于4 ℃條件下備用。

2）水溶性膳食纖維及水不溶性膳食纖維的分離提取與含量測(cè)定

取50 mL酶解液過(guò)濾得到沉淀和上清液。將沉淀部分用5倍體積、70 ℃水沖洗2次，在60 ℃條件下烘干，即為水不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）。將上清液部分和沖洗IDF的水合并，60 ℃蒸干至約100 mL，加入4倍體積、預(yù)熱至60 ℃的95%乙醇。室溫下沉淀1 h；通過(guò)過(guò)濾得到沉淀，在60 ℃條件下烘干，得到水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）。兩組樣品分別研磨后過(guò)60目篩，于4 ℃條件下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.4 糖類(lèi)物質(zhì)的提取與測(cè)定

糖類(lèi)物質(zhì)的提取與測(cè)定參考柴多等[20]的方法并稍作修改。

1）糖類(lèi)物質(zhì)的提取與衍生化處理

取樣品各100 mg，分別加入5 mL 80%的甲醇溶液，旋渦震蕩1 min，功率100 W超聲處理20 min；取出后旋渦震蕩2 min，離心（10 000 r/min，15 min），取上清液50 μL，加入30 μL質(zhì)量濃度為10 μg/mL 的核糖醇溶液作為內(nèi)標(biāo)，使用氮吹儀吹干；加入260 μL吡啶復(fù)溶，加入三甲基硅咪唑于70 ℃加熱30 min進(jìn)行衍生化處理。

2）糖類(lèi)物質(zhì)的測(cè)定

取2 μL糖類(lèi)物質(zhì)提取液，采用氣相色譜-質(zhì)譜連用儀（gas chromatography - mass spectrometer，GC-MS）對(duì)其種類(lèi)和含量進(jìn)行測(cè)定。色譜條件：色譜柱Agilent HP-5MS（30 m× 0.25 mm，0.25 μm），初始柱溫60 ℃，后以5 ℃/min升溫至300 ℃，保持5 min；載氣為氦氣，流速1 mL/min，進(jìn)樣口溫度260 ℃；質(zhì)譜條件：電子電離源，電離能量70 eV，離子源溫度230 ℃，Q1、Q3四級(jí)桿溫度150 ℃；采用單離子檢測(cè)掃描模式選擇需檢測(cè)離子，離子掃描范圍/40～450。

1.3.5 氨基酸的提取與測(cè)定

1）游離氨基酸的提取與衍生化處理

取樣品各1 g，分別加入5 mL 80%的甲醇溶液，旋渦震蕩1 min，功率100 W超聲處理20 min；取出后旋渦震蕩2 min，離心（10 000 r/min，15 min），取上清液50 μL，加入5 μL L-4-氯苯丙氨酸溶液（質(zhì)量濃度為0.3 mg/mL），使用氮吹儀吹干；加入180 μL乙腈復(fù)溶，加入20 μL MTBSTFA，于70 ℃加熱30 min進(jìn)行衍生化處理。

2）樣品酸水解處理與衍生化處理

為測(cè)定樣品中水解氨基酸的構(gòu)成，取樣品各1 g，置于水解管中，加入5 mL濃鹽酸混勻，用氮?dú)獯祾咂績(jī)?nèi)幾秒鐘后密封，于120 ℃加熱水解24 h；將水解液離心（4 000 r/min，5 min）后取上清液，使用氮吹儀吹干；加入100 μL超純水復(fù)溶，樣品衍生化處理同上。

3）氨基酸標(biāo)準(zhǔn)曲線的制備

分別將20種氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品按照柴多等[20]的方法繪制氨基酸標(biāo)準(zhǔn)曲線。

4）氨基酸的測(cè)定

取2 μL氨基酸提取液，采用GC-MS對(duì)其種類(lèi)和含量進(jìn)行測(cè)定。色譜條件：色譜柱Agilent HP-5MS（30 m × 0.25 mm，0.25 μm），初始柱溫60 ℃，后以5 ℃/min升溫至300 ℃，保持5 min；載氣為氦氣，流速1 mL/min，進(jìn)樣口溫度260 ℃；質(zhì)譜條件：電子電離源，電離能量70 eV，離子源溫度230 ℃，Q1、Q3四級(jí)桿溫度150 ℃；采用全掃描模式采集。

1.3.6 氨基酸質(zhì)量評(píng)價(jià)

參照世界衛(wèi)生組織/聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（WHO/FAO）1973年建議的理想蛋白質(zhì)氨基酸組成模式和中國(guó)預(yù)防醫(yī)學(xué)科學(xué)院營(yíng)養(yǎng)與食品衛(wèi)生研究所提供的雞蛋蛋白模式，分別評(píng)價(jià)不同部位的玉米蛋白質(zhì)的氨基酸評(píng)分（amino acid score，AAS）、化學(xué)評(píng)分（chemical score，CS）、氨基酸比值系數(shù)（ratio coefficient of amino acid，RC）、氨基酸比值系數(shù)分（score of RC，SRC）[21]。

1.3.7 脂肪酸的測(cè)定

各樣品脂肪酸檢測(cè)前處理方法參照GB 5009.168-2016中第一法的“水解-提取法”進(jìn)行。色譜條件：色譜柱Agilent HP-5MS（30 m × 0.25 mm，0.25 μm），初始柱溫60 ℃，后以10 ℃/min升溫至180 ℃，再以5 ℃/min升溫至270 ℃，再以9 ℃/min升溫至300 ℃；載氣為氦氣，流速1 mL/min，進(jìn)樣口溫度260 ℃；質(zhì)譜條件及采集方式同上。

1.3.8 數(shù)據(jù)處理

采集到的數(shù)據(jù)采用MassHunter Workstation B.06.00軟件進(jìn)行定性定量分析，樣品分析時(shí)，以軟件及相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道中各化合物的保留時(shí)間、兩對(duì)離子對(duì)及相對(duì)比例進(jìn)行定性，以定量離子對(duì)、標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行定量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用GraphPad Prism 7.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并作圖，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次，分別計(jì)算結(jié)果，數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。使用SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析，差異顯著性分析采用Duncan多重比較檢驗(yàn)，＜0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米籽粒不同部位的營(yíng)養(yǎng)成分

玉米籽粒不同部位的基本營(yíng)養(yǎng)成分含量見(jiàn)表1。玉米全籽粒（WC）中，淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、灰分和粗纖維含量分別為72.60%、9.51%、4.96%、1.44%和7.72%，結(jié)論與此前報(bào)道的鄭單958玉米籽粒主要營(yíng)養(yǎng)成分構(gòu)成相似[22-23]。淀粉主要存在于CE（胚乳）部分，玉米籽粒中的淀粉約有74%存在于胚乳中。CG（胚芽）中蛋白質(zhì)含量最高，約為19.16%，占玉米籽粒中蛋白質(zhì)含量的21.46%；其次為CB2（內(nèi)皮層）、CE和CB1（外皮層），蛋白質(zhì)含量分別約為9.17%、8.85%和5.57%。CG（胚芽）部分富含脂肪及灰分，分別達(dá)24.76%和7.82%，約占整個(gè)玉米籽粒脂肪及灰分含量的53.16%和57.84%，說(shuō)明玉米胚芽中油脂及礦物元素含量豐富。粗纖維在玉米籽粒中呈現(xiàn)出由外層向內(nèi)層逐漸減少的趨勢(shì)，其含量在CE中最低、幾乎未檢出，CG中略高、約為8.20%，CB1和CB2中含量較高、為39.35%和28.90%，分別是CG含量的4.8和3.5倍，分別約占玉米籽粒中粗纖維含量的36.17%和26.99%。玉米經(jīng)過(guò)脫皮、脫胚精制后，會(huì)失去大部分粗纖維、油脂及礦物元素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[24]。綜上，玉米皮層纖維含量豐富，還含有一定數(shù)量的蛋白質(zhì)。結(jié)合前人研究推測(cè)，CB1部分可能由玉米果皮、交叉細(xì)胞、管細(xì)胞以及部分種皮構(gòu)成，CB2部分可能主要由玉米種皮、糊粉層及部分外胚乳構(gòu)成，CG部分主要為玉米胚芽與根帽，CE部分主要為玉米的淀粉質(zhì)胚乳[25]。

注：各部位基本營(yíng)養(yǎng)成分含量以干基計(jì)。同一列不同字母代表存在顯著差異（<0.05）。

Note: The content of basic nutritional compositions in different parts of corn were calculated on dry basis. The different stats letters in columns represent significant differences (<0.05).

2.2 玉米籽粒不同部位的礦物元素含量

玉米籽粒不同部位的礦物元素含量分布差異顯著（<0.05），見(jiàn)表2。各主要礦物元素在CG部分中含量最高，總量達(dá)4 935.02 mg/100 g，占玉米籽粒中礦物元素含量的51.36%。CB部分的礦物元素總含量均顯著高于CE（<0.05），CB2部分顯著高于CB1部分，二者礦物元素含量分別為1 068.09和584.44 mg/100 g。除Na、P元素外，其他所有元素在CB部分中的含量均顯著高于CE（<0.05）。CB1和CB2部分中的P元素含量亦高于CE，但其在CB1中的含量與CE無(wú)顯著差異。Na元素在CE中的含量顯著高于CB部分。K元素和P元素是玉米當(dāng)中含量最高的兩種礦物元素，其總含量分別為442.56、413.33 mg/100 g。已有研究綜述，K、P和Mg元素是玉米籽粒中最常見(jiàn)的礦物元素，占玉米灰分總量的比例可達(dá)85%；其中，K元素在玉米全籽粒、玉米皮和玉米胚乳中的含量分別平均約為163～536、44和3 mg/100 g；P元素在胚芽中的含量可達(dá)2 268 mg/100 g，在玉米全籽粒、玉米皮和玉米胚乳中的含量分別平均約為132～474、72和13 mg/100 g[25-27]，與本研究結(jié)果趨勢(shì)一致。Mg元素在玉米籽粒中的含量?jī)H次于K和P元素，含量為130.26 mg/100 g。研究表明，Mg在玉米全籽粒、玉米皮和玉米胚乳中的含量分別平均約為53～173、64和3 mg/100 g[26]，與本研究結(jié)果趨勢(shì)一致。玉米籽粒中Ca和Na的含量分別為24.93和7.38 mg/100 g；Fe的含量為3.28 mg/100 g，可能是由于玉米品種的差異，本研究結(jié)果略高于DEI的數(shù)據(jù)[27]。Mn和Cu元素含量相對(duì)較少，為0.71和0.25 mg/100 g，其中錳的含量因產(chǎn)地土壤組成而異[24]。研究發(fā)現(xiàn)，雖然大多數(shù)必須微量元素在胚芽中的含量更為豐富，但玉米的Fe、Zn、Mn和Cu元素在皮層中也有較多分布，因此玉米的精制加工會(huì)導(dǎo)致這些礦物元素的損失[25]。有害重金屬Hg、Cd、As和Pb均未檢出。

注：各部位礦物元素含量以干基計(jì)。同一行不同字母代表存在顯著差異（<0.05）。

Note: The content of minerals in different parts of corn were calculated on dry basis. The different stats letters in row represent significant differences (<0.05).

2.3 玉米籽粒不同部位的膳食纖維組成分析

如表3所示，玉米不同部位中的總膳食纖維（TDF）、水不溶性膳食纖維（IDF）和水溶性膳食纖維（SDF）含量均存在顯著差異（<0.05）。玉米CB1部位中TDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43.47%，其中IDF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.76%，約為SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)（7.54%）的4.88倍。CB2部位的TDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)略低于CB1，為32.47%，其中IDF和SDF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為24.55%和8.83%，前者約為后者的2.78倍，表明在CB2的TDF中，SDF存在的比例比CB1中的高。TDF、IDF及SDF在CG中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6.71%、5.04%和1.58%；在CE中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.27%、2.05%和1.09%。阿拉伯木聚糖（AXs）是玉米SDF的主要組成部分，主要分布于果皮和種皮的細(xì)胞壁中，玉米AXs上常連接有阿維酸等酚類(lèi)物質(zhì)，賦予其抗氧化活性；部分AXs上連接有蛋白質(zhì)，賦予其類(lèi)似于天然植物膠的流體和膠體特性，這部分水溶性AXs也被稱(chēng)為“玉米纖維膠”[28]。從本研究結(jié)論來(lái)看，玉米皮層，尤其是CB2部位，可作為玉米SDF的提取分離來(lái)源。

注：各部位膳食纖維組分含量以干基計(jì)。同一行不同字母代表存在顯著差異（<0.05）。

Note: The content of minerals in different parts of corn were calculated on dry basis. The different stats letters in row represent significant differences (<0.05).

2.4 玉米籽粒不同部位的可溶性單糖類(lèi)物質(zhì)含量

玉米全籽粒中共檢出10種可溶性單糖類(lèi)物質(zhì)，含量均不高，合計(jì)14.53 mg/g。玉米籽粒不同部位的可溶性單糖類(lèi)物質(zhì)含量見(jiàn)表4。CB2中單糖含量相對(duì)最高，為17.47 mg/g，CB1（12.80 mg/g）次之，CG和CE較低，分別為4.87和2.33 mg/g。玉米全籽粒中含量最高的單糖種類(lèi)是葡萄糖，為8.40 mg/g，占檢測(cè)出糖類(lèi)總量的57.93%；此外還檢出六碳糖4種，分別是甘露糖、鼠李糖、半乳糖和巖藻糖；檢出五碳醛糖3種，分別為阿拉伯糖、木糖和核糖；檢出糖醛酸2種，分別為半乳糖醛酸和葡萄糖醛酸。在CB1和CB2部位中均檢出上述10種糖類(lèi)物質(zhì)，檢出含量最高的3種單糖均為六碳糖，為葡萄糖、半乳糖、巖藻糖，其中CB1中上述3種單糖分別占檢出糖類(lèi)總量的57.03%、14.06%和7.03%；CB2中的檢出含量分別占糖類(lèi)總量的59.43%、9.14%和6.86%。CG中共檢出8種單糖，其中葡萄糖含量最高；CE中僅檢出半乳糖、巖藻糖和葡萄糖3種糖類(lèi)物質(zhì)。前人研究表明，可溶性單糖對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育具有關(guān)鍵作用，己糖可影響生長(zhǎng)相關(guān)基因的上調(diào)和應(yīng)激相關(guān)基因的下調(diào)；可溶性單糖可以保護(hù)脂質(zhì)體免受脫水損傷[29-30]。同時(shí)，可溶性糖是決定玉米生化甜度的關(guān)鍵性指標(biāo)，其中也可能影響加工過(guò)程中風(fēng)味物質(zhì)以及顏色的變化[23]。本研究明確了玉米籽粒中不同部位的可溶性單糖類(lèi)物質(zhì)的種類(lèi)與含量，可為探究玉米風(fēng)味等感官品質(zhì)，以及玉米籽粒的萌芽等生物加工過(guò)程提供一定的指導(dǎo)。

注：各部位糖類(lèi)物質(zhì)含量以干基計(jì)。同一行不同字母代表存在顯著差異（<0.05）。nd（not detect，指低于方法檢出的最低限值）。

Note: The content of free sugars in different parts of corn were calculated on dry basis. The different stats letters in row represent significant differences (<0.05). nd (not detect, which is lower than the minimum limit value detected by the method).

2.5 玉米籽粒不同部位的氨基酸組成與質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.5.1 水解氨基酸含量與質(zhì)量評(píng)價(jià)

人體對(duì)蛋白質(zhì)的需求實(shí)際上就是對(duì)氨基酸的需要[31]，對(duì)玉米不同部位中氨基酸的構(gòu)成及含量進(jìn)行對(duì)比研究，可為后續(xù)功能性食品的研究創(chuàng)制提供參考依據(jù)。玉米籽粒不同部位的水解氨基酸含量見(jiàn)表5。與檢出游離氨基酸情況相比，玉米籽粒不同部位的水解氨基酸總含量遠(yuǎn)高于前者，但種類(lèi)不如前者豐富，共檢出水解氨基酸17種，必需氨基酸色氨酸及天冬酰胺、谷氨酰胺未檢出，說(shuō)明玉米中氨基酸主要以蛋白質(zhì)的形式存在。WC中水解氨基酸含量總計(jì)為89.56 g/kg，CG部位水解氨基酸含量最高（<0.05），為171.08 g/kg；CB2與CE中水解氨基酸含量無(wú)顯著差異，次于CG；CB1中水解氨基酸顯著低于其他各部位，僅為50.25 g/kg。上述結(jié)論與2.1中蛋白質(zhì)含量測(cè)定的結(jié)果趨勢(shì)一致。CG部位的總水解氨基酸含量、各種水解氨基酸的含量均顯著高于其他各部位，說(shuō)明玉米胚芽中水解氨基酸種類(lèi)較其他部位豐富且含量較高（<0.05）。CB2每一種水解氨基酸的含量均分別顯著高于CB1，說(shuō)明玉米內(nèi)皮層中水解氨基酸種類(lèi)較外皮層豐富且含量較高（<0.05）。除色氨酸外，玉米籽粒各部位富含7種必需氨基酸，含量最高的是亮氨酸；玉米各部位含量最高的非必需氨基酸為谷氨酸，其次為脯氨酸和丙氨酸。亮氨酸、脯氨酸、丙氨酸及谷氨酸等為疏水性氨基酸，賴(lài)氨酸、組氨酸等為親水性氨基酸，玉米籽粒各部位中均富含疏水性氨基酸，而親水性氨基酸較為缺乏，可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)溶解性較差，進(jìn)而影響其應(yīng)用[32]。

注：各部位水解氨基酸含量以干基計(jì)。同一行不同字母代表存在顯著差異（<0.05）。nd（not detect，指低于方法檢出的最低限值）。

Note: The content of hydrolytic amino acids in different parts of corn were calculated on dry basis. The different stats letters in row represent significant differences (<0.05). nd (not detect, which is lower than the minimum limit value detected by the method).

對(duì)玉米不同部位的水解氨基酸質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)（見(jiàn)表6），發(fā)現(xiàn)各部位的氨基酸分布變異較大，其中賴(lài)氨酸、亮氨酸和蘇氨酸含量變異系數(shù)較大，纈氨酸、異亮氨酸、甲硫氨酸+胱氨酸、苯丙氨酸+酪氨酸含量變異系數(shù)較小。根據(jù)氨基酸評(píng)分（AAS），玉米全籽粒及CE部位的限制氨基酸為蘇氨酸和賴(lài)氨酸，與林琳等[21]的研究結(jié)果一致；但在CB1及CB2部位，第一限制氨基酸均為蘇氨酸，同時(shí)賴(lài)氨酸不再是限制氨基酸。氨基酸比值系數(shù)（RC）反映了氨基酸組成比例的平衡性。玉米全籽粒及CE部位中蘇氨酸和賴(lài)氨酸的RC值＜1，說(shuō)明這兩種必需氨基酸相對(duì)不足，與AAS和化學(xué)評(píng)分（CS）的結(jié)果一致；但亮氨酸的RC值>1，表明其相對(duì)過(guò)剩。同樣，在CB1、CB2和CG部位，蘇氨酸含量不足但亮氨酸含量相對(duì)過(guò)剩。食物蛋白質(zhì)的氨基酸比值系數(shù)分（SRC）值越接近100，其必需氨基酸的組成比例越接近模式氨基酸的組成比例，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值相對(duì)越高。由表6結(jié)果可知，玉米及玉米不同部位蛋白質(zhì)的氨基酸組成比例均不平衡，雖然在皮層及胚芽部位蛋白質(zhì)中賴(lài)氨酸的含量較全籽粒和胚乳部位更高，但并不能由此推論該部位蛋白質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值是否更高。

2.5.2 游離氨基酸構(gòu)成

玉米籽粒不同部位的游離氨基酸含量見(jiàn)表7。玉米籽粒中共檢出游離氨基酸20種，其中必需氨基酸8種，非必須氨基酸12種，WC中含量合計(jì)2 285.84 mg/kg，其中含量最高的是脯氨酸，達(dá)936.48 mg/kg，占玉米籽粒中檢測(cè)到氨基酸總含量的40.97%；含量最高的必需氨基酸為色氨酸，達(dá)326.40 mg/kg；含量最低的氨基酸為胱氨酸，僅為18.01 mg/kg。除CE中賴(lài)氨酸未檢出外，CB1、CB2和CG中均檢出20種游離氨基酸。

注：各部位游離氨基酸含量以干基計(jì)。同一行不同字母代表存在顯著差異（<0.05）。nd（not detect，指低于方法檢出的最低限值）。甜味氨基酸包括絲氨酸、甘氨酸、蘇氨酸和丙氨酸；鮮味氨基酸包括天冬氨酸和谷氨酸；苦味氨基酸包括組氨酸、苯丙氨酸、異亮氨酸和亮氨酸。

Note: The content of free amino acids in different parts of corn were calculated on dry basis. The different stats letters in row represent significant differences (<0.05). nd (not detect, which is lower than the minimum limit value detected by the method). Sweet amino acids include serine, glycine, threonine and alanine; Umami amino acids include aspartic acid and glutamate; bitter amino acids include histidine, phenylalanine, isoleucine and leucine.

由表7可以看出，玉米籽粒的各個(gè)部位均含有種類(lèi)豐富的游離氨基酸，其中CG部位的總游離氨基酸含量、各種游離氨基酸的含量均顯著高于其他各部位（<0.05）。CG部位含量最高的氨基酸和必需氨基酸均為脯氨酸（3 300.76 mg/kg）與組氨酸（687.16 mg/kg），含量最低的為胱氨酸（27.01 mg/kg）。CB1與CB2相比，后者總游離氨基酸含量更高，每一種游離氨基酸的含量均分別顯著高于CB1。其中，含量最高的氨基酸和必需氨基酸均為脯氨酸（525.78和1 182.94 mg/kg）與色氨酸（179.41和294.42 mg/kg），含量最低的為胱氨酸（13.07和21.47 mg/kg）。CE中的游離氨基酸含量最少，總游離氨基酸含量?jī)H為WC的36.91%。游離氨基酸被認(rèn)為是玉米中除可溶性糖外非常重要的呈味物質(zhì)，如甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸和蘇氨酸主要呈甜味，谷氨酸、天冬氨酸是鮮味的重要貢獻(xiàn)物質(zhì)，此外還包括組氨酸、苯丙氨酸、異亮氨酸和亮氨酸等苦味氨基酸。將檢測(cè)出的不同呈味物質(zhì)進(jìn)行分組，發(fā)現(xiàn)玉米皮層部位的呈味氨基酸占總氨基酸含量的比例與玉米全籽粒中對(duì)應(yīng)比例接近，其中甜味氨基酸占比約為20.43%～20.89%，鮮味氨基酸占比約為12.24%～13.92%，苦味氨基酸占比約為12.25%～13.52%。CG部位甜味氨基酸占總氨基酸占比的24.49%，高于玉米皮層部位甜味氨基酸的占比（CB2和CB1分別為20.89%和20.72%），顯著高于CE部位甜味氨基酸的占比（17.84%）；CG部位苦味氨基酸占總氨基酸占比的15.73%，略高于CB1和CB2部位的占比（分別為13.42%和12.25%），顯著低于CE部位的占比（23.11%）[33]。

2.6 玉米籽粒不同部位的脂肪酸構(gòu)成

玉米含油的部位主要為胚芽，普通玉米或普通高油玉米的胚芽均可用于提取玉米胚芽油，各種脂肪酸的相對(duì)含量決定了油的特性和品質(zhì)。玉米籽粒不同部位的主要脂肪酸成分見(jiàn)表8，玉米籽粒的各部位共有21種游離脂肪酸被檢出，其中以CG部位含量最高，CE中含量最少；CB2中脂肪酸總含量高于CB1，說(shuō)明在玉米破胚剝皮的過(guò)程中，伴隨著胚芽的分離，其他各部位脂肪酸含量顯著降低。玉米中的油脂多以甘油三酯的形式存儲(chǔ)于籽粒中，構(gòu)成甘油三酯的脂肪酸中含量較高的有多不飽和脂肪酸亞油酸（約40%）、單不飽和脂肪酸油酸（約37%）和飽和脂肪酸棕櫚酸（約14%），且其在CG部位的含量顯著高于其他部位（<0.05），說(shuō)明玉米油脂中不飽和脂肪酸含量豐富。因膳食調(diào)查及食用油消費(fèi)研究報(bào)告顯示中國(guó)居民亞油酸等多不飽和脂肪酸的人均攝入過(guò)量，同時(shí)油酸一方面可通過(guò)代謝生成亞油酸，一方面不易氧化變味，因此提高植物油中油酸含量/亞油酸含量的比值（O/L值）是當(dāng)前植物油品質(zhì)改良的方向[34]。普通玉米的亞油酸、油酸、棕櫚酸占比范圍分別為52.16%～58.14%、24.13%～27.43%、13%～15.80%[34]，本研究所選玉米品種鄭單958的脂肪酸組成中，油酸含量比普通玉米的油酸含量高，亞油酸含量則明顯低于普通玉米，具有更高的O/L值。

注：各部位脂肪酸含量以干基計(jì)。同一行不同字母代表存在顯著差異（<0.05）。

Note: The content of fatty acids in different parts of corn were calculated on dry basis. The different stats letters in row represent significant differences (<0.05).

3 結(jié) 論

1）玉米不同部位中淀粉、蛋白質(zhì)及其水解氨基酸組成、脂肪、灰分及礦物元素組成、纖維等營(yíng)養(yǎng)組分含量存在差異。采用分層破胚剝皮技術(shù)，可初步實(shí)現(xiàn)玉米營(yíng)養(yǎng)組分的富集及不同部位的分離加工，支撐玉米資源的多梯度、高值化和全利用。明確玉米不同部位營(yíng)養(yǎng)成分的分布差異，將為分析玉米籽粒結(jié)構(gòu)特征提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考，進(jìn)而通過(guò)對(duì)剝皮率等參數(shù)的調(diào)控，優(yōu)化升級(jí)相關(guān)專(zhuān)用裝備。

2）本研究中的玉米內(nèi)皮層（CB2）部位可能主要由種皮、糊粉層及部分外胚乳構(gòu)成。與CB1相比，F(xiàn)e、Zn、Mn和Cu等元素在CB2有較多分布，CB2中水解氨基酸種類(lèi)較外皮層（CB1）豐富且含量較高（<0.05）?？蓪B2制粉后，按照一定比例復(fù)配到谷物食品中以豐富營(yíng)養(yǎng)。同時(shí)，CB2中水溶性膳食纖維占總膳食纖維的比例顯著高于其他部位（<0.05），可作為玉米水溶性膳食纖維的提取分離來(lái)源。

3）K、P、Mg等主要礦物元素在玉米胚芽（CG）部位中含量最高（<0.05），且未檢出Cd等有害重金屬；CG中水解氨基酸及脂肪酸種類(lèi)較其他部位豐富且含量較高（<0.05）。除制油外，可將CG部位以粉或粗粒的形式添加于谷物食品或玉米皮粉中強(qiáng)化制品營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。

4）CG中甜味氨基酸含量高于玉米皮層（CB1和CB2）、顯著高于胚乳（CE）部位；CB2中單糖含量相對(duì)最高（<0.05），其中葡萄糖含量占檢測(cè)出糖類(lèi)總量的59.43%。結(jié)合基于氣相色譜-質(zhì)譜連用儀（gas chromatography - mass spectrometer，GC-MS）檢測(cè)技術(shù)的靶向代謝組學(xué)研究方法對(duì)小分子游離氨基酸、可溶性單糖等內(nèi)源性基礎(chǔ)代謝物質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)的定性及定量研究，可為玉米風(fēng)味等感官品質(zhì)提升及玉米萌芽等生物加工新技術(shù)、新產(chǎn)品的研發(fā)提供科學(xué)基礎(chǔ)。

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Enrichment characteristics of nutritional components in different parts from corn kernels

ZHAI Xiaotong1,2, LIU Fang1, WU Feifei2, MA Qinghua3, QIAO Congcong2, HAN Lin1, HE Cai’an1, TAN Bin2, WANG Min1※

(1.,,712100,; 2.,100037,; 3..,.,723000,)

Maize (also known as corn) is the third most important food grain after wheat and rice. Corn kernels are the fruits of corn as a vegetable in cooking. This study aims to clarify the distribution patterns and enrichment characteristics of nutritional components in the corn kernels after semi-wet layered milling. Four parts of the Zhengdan 958 corn kernel were collected, named corn bran 1 (CB1), corn bran 2 (CB2), corn germ (CG), and corn endosperm (CE). Standard experiments were used to analyze the chemical contents of the corn kernels. The basic nutritional compositions included the contents of starch, protein, fat, ash, and crude fiber, as well as the content and composition of minerals and dietary fiber. The targeting metabolomics was used to clarify the basic metabolites using the GC-MS detection technique, including free sugar, free and hydrolyzed aminol acids, and fatty acids of the four separated parts, compared with the whole corn kernel (WC). The results showed that the contents of the total starch, protein, fat, ash, and crude fiber were 72.60%, 9.51%, 4.96%, 1.44%, and 7.72%, respectively. Significant differences were observed among these contents in the different parts of the kernel (<0.05). About 74% starch was found in the CE, while the CG was found rich in protein, fat, and ash, contributing 21.46% of protein, 53.16% of fat, and 57.84% of the ash to the WC. The CB1 and CB2 contained most of the fibers, with the amount of 39.35% and 28.90%, respectively. There were significant differences in the contents of total dietary fiber (TDF), insoluble dietary fiber (IDF), and soluble dietary fiber (SDF) in different parts of corn kernel (<0.05). The contents of TDF, IDF, and SDF in the CB1 were 43.47%, 36.76%, and 7.54%, respectively, while the IDF content was 4.88 times higher than the SDF. While in the CB2, the contents of TDF, IDF, and SDF were 32.47%, 24.55%, and 8.83%, respectively, while the IDF content was 2.78 times higher than the SDF, indicating a relatively higher ratio of the SDF content in the CB2, compared with the CB1. A total of 10 types of free sugar were detected in the WC, as well as the four separated parts. There was the highest content of free sugars in the CB2, with an amount of 17.47 mg/g, followed by the CB1 with 12.80 mg/g. Glucose, galactose, and fucose were the most abundant free sugar in the corn bran samples. K, P, and Mg were the minerals with the highest contents in corn. Most of the essential trace elements were abundant in germ, whereas, Fe, Zn, Mn, and Cu were also distributed in corn bran. The refined processing of corn led to the loss of these mineral elements. Compared with other parts, the CG contained more abundant hydrolyzed amino acids (<0.05), while the leucine and glutamic acid were the essential and non-essential amino acids with the highest concentration, respectively. The amino acids for the sweet flavor accounted for 24.49% of the total free amino acids in the CG, which was higher than those in the CB1, CB2, and CE. The total content of free fatty acids in CB2 was also higher than in CB1. The fatty acids constituting triglyceride were linoleic acid (about 40%), oleic acid (37%), and palmitic acid (14%), indicating the rich content of unsaturated fatty acids in corn. Consequently, the CB2 part rich in nutrients can be expected to compose mainly of the seed coat, aleurone layer, and part of the peripheral endosperm. The water-soluble dietary fiber content in this part was significantly higher than the rest (<0.05), indicating that CB2 was a source of the extraction of SDF. The systematic qualitative and quantitative metabolomics research on the endogenous basic metabolites can also provide new ideas, and then greatly contribute to the improvement of the sensory properties, including the flavor and colors of corn products, as well as the bioprocessing technique and nutritious food development. This finding can provide strong reference data for the enrichment of nutrients and utilization of value-added byproducts during corm processing, particularly for the development of nutritious and healthy corn foods. In addition, it can also offer to optimize and then update the corn layered milling processing.

corn kernel; nutrition; layered milling; nutritional components; basic metabolites

2022-04-30

2022-11-29

陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃一般項(xiàng)目：高膳食纖維蕎麥全粉健康食品加工關(guān)鍵技術(shù)與功能研究（2021NY-126）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目：保健食品功能評(píng)價(jià)的生物模型與人體試食規(guī)范及其體系（2018YFC1602105）

翟小童，助理研究員，博士生，研究方向?yàn)槿任锛庸ぜ夹g(shù)與營(yíng)養(yǎng)健康評(píng)價(jià)。Email：zxt@ags.ac.cn

王敏，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槲鞑刻厣幨臣嬗檬澄镔Y源功能物質(zhì)挖掘與加工利用。Email：wangmin20050606@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.202204333

TS210.1

A

1002-6819(2023)-01-0250-11

翟小童，劉芳，吳非霏，等. 分層破胚剝皮玉米不同部位營(yíng)養(yǎng)成分富集特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2023，39(1)：250-260. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202204333 http://www.tcsae.org

ZHAI Xiaotong, LIU Fang, WU Feifei, et al. Enrichment characteristics of nutritional components in different parts from corn kernels[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(1): 250-260. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202204333 http://www.tcsae.org