曹 勇，許秀穎，趙城彬，張 浩，閆美茹，劉景圣*

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，小麥和玉米深加工國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130118）

玉米是世界重要糧食作物之一，根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局和美國(guó)農(nóng)學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)，在2014年和2015年，中國(guó)已經(jīng)超過(guò)美國(guó)，成為全球玉米種植面積最多的國(guó)家，并且是玉米第二大生產(chǎn)國(guó)。玉米淀粉約占世界淀粉總產(chǎn)量80%以上，是人類主要食物來(lái)源和重要工業(yè)原料[1]。東北地區(qū)是我國(guó)玉米主產(chǎn)區(qū)之一，是世界玉米黃金帶之一，年總產(chǎn)量約占全國(guó)玉米總產(chǎn)量的40%。東北地區(qū)玉米多屬于秋糧晚熟品種，玉米收獲入庭院時(shí)水分普遍在28%～35%之間，自然晾曬干燥是當(dāng)?shù)赜衩字饕稍锓绞?。收?gòu)入庫(kù)時(shí)會(huì)進(jìn)一步依靠機(jī)械烘干方式將玉米水分降到14%以下，以達(dá)到安全儲(chǔ)藏要求。

新收獲玉米采后干燥條件對(duì)玉米食用品質(zhì)具有重要影響。對(duì)新采收玉米人工干燥時(shí)，直鏈淀粉含量上升[2]，新采收玉米中抗性淀粉含量最高，自然儲(chǔ)藏一段時(shí)間含量逐漸降低[3]。新收獲玉米飼料消化能低[4]，淀粉提取率低[5]，隨著熱風(fēng)干燥溫度的升高，玉米淀粉糊化溫度升高，凝膠焓值下降[6]，干燥溫度改變玉米淀粉結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了淀粉功能特性發(fā)生變化[7-8]。對(duì)玉米長(zhǎng)期儲(chǔ)藏過(guò)程中玉米淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪含量及品質(zhì)變化研究較多[9-10]，對(duì)新采收玉米淀粉理化特性變化機(jī)理并不明確，導(dǎo)致東北地區(qū)新采收玉米利用受到限制。我國(guó)對(duì)新采收玉米品質(zhì)的基礎(chǔ)研究還很薄弱，在干燥條件如何影響玉米食用、加工和儲(chǔ)藏品質(zhì)等基礎(chǔ)理論研究方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距甚遠(yuǎn)[7]。因此，研究新采收玉米籽粒水分分布和遷移規(guī)律淀粉變化機(jī)制，對(duì)提高玉米食用品質(zhì)、優(yōu)化玉米淀粉特性、提高淀粉轉(zhuǎn)化率、降低采后損失具有科技戰(zhàn)略意義。

基于玉米籽粒自然脫水速率的不同，本研究以中國(guó)東北地區(qū)2 個(gè)主栽玉米品種鄭單958（Zd958）和先玉335（Xy335）為研究對(duì)象，新采收后立即儲(chǔ)藏在恒定溫濕度條件下，運(yùn)用低場(chǎng)強(qiáng)核磁共振（low fi eld-nuclear magnetic resonance，LF-NMR）技術(shù)和差示掃描量熱（differential scanning calorimeter，DSC）技術(shù)，對(duì)其2 個(gè)月內(nèi)籽粒水分狀態(tài)和淀粉熱特性進(jìn)行研究，以期得到新玉米采后水分分布和遷移信息，及其對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)影響機(jī)制，為進(jìn)一步開(kāi)展玉米淀粉精深加工和高效利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

中國(guó)東北地區(qū)普通玉米Zd958和Xy335，產(chǎn)自中國(guó)遼源金洲（43°03’N、125°17’E）。2014年和2015年種植和田間管理?xiàng)l件相同，成熟度一致，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（35±3）%時(shí)收獲。儲(chǔ)藏條件為（20±2）℃，相對(duì)濕度（55±5）%，確保儲(chǔ)藏過(guò)程中無(wú)昆蟲(chóng)和霉菌侵害，定期取樣。

亞硫酸氫鈉（分析純） 北京化工廠；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 儀器與設(shè)備

HWS外循環(huán)恒溫恒濕培養(yǎng)箱 寧波東南儀器有限公司；Infratec?近紅外谷物分析儀 丹麥福斯分析儀器有限公司；LF-NMR儀 上海紐邁電子科技有限公司；Q2000 DSC儀 美國(guó)TA公司。

1.3 方法

1.3.1 玉米淀粉提取

參考Lin Lingshang等[11]方法。將采后不同時(shí)間玉米籽粒浸泡于20 ℃的0.25%亞硫酸氫鈉溶液中48 h，剝?nèi)シN皮與胚，料水比1∶2（g/mL）濕磨。保留100、200 目漿液，去離子水多次洗滌，3 000 r/min離心10 min，去除上層黃色，重復(fù)離心5 次，40 ℃干燥24 h，干燥器里室溫保存。

1.3.2 玉米籽粒中水分含量及遷移

采用近紅外谷物分析儀測(cè)定玉米籽?？偹趾俊Ｋ譅顟B(tài)采用LF-NMR測(cè)定。分別取采后儲(chǔ)藏不同時(shí)間約3 g玉米籽粒放入到15 mm直徑核磁管中。采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）程序測(cè)定玉米籽粒中橫向弛豫時(shí)間T2[12]，重復(fù)采樣16 次，回波個(gè)數(shù)3 000。

1.3.3 玉米淀粉熱特性測(cè)定

采用Q 2 0 0 0 D S C測(cè)定淀粉熱力學(xué)性質(zhì)。將（5.00±0.02）mg淀粉置于鋁坩堝中，加（15.00±0.02）mg蒸餾水，攪拌均勻，密封，室溫平衡2 h。起始溫度為20 ℃，以5 ℃/min的速率升到120 ℃[13]。記錄糊化過(guò)程的DSC曲線和起始溫度（T0）、峰值溫度（TP）、轉(zhuǎn)變溫度范圍（R）和糊化焓值（ΔH）。以空坩堝為參比，N2流速為50 mL/min。采用TA Universal Analysis 2000軟件分析。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，差異顯著性（P＜0.05）分析使用Tukey HSD程序，使用Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。采用Origin 8.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 籽粒水分含量分析

水分含量影響和改變玉米淀粉的結(jié)構(gòu)和理化特性[14-15]。玉米安全儲(chǔ)藏要求籽粒的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降到14%，水分活度達(dá)到0.70[16]。在這一水分條件下，可以保障糧食的儲(chǔ)藏安全，維持糧食新鮮度和食用及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。在干燥過(guò)程中，淀粉性質(zhì)改變歸因于淀粉顆粒周?chē)衫玫乃肿覽17]。新收獲玉米籽粒在恒定條件下儲(chǔ)藏，水分呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)（P＜0.05），如圖1所示。Zd958新收獲的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38.85%，Xy335新收獲的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)36.55%，2種玉米相同采收期水分含量差異主要由于品種不同造成。2種玉米在恒溫恒濕相同條件下水分下降速度不同，Xy335失水率高于Zd958。Xy335水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在儲(chǔ)藏40 d時(shí)下降到10%，相同時(shí)間Zd958下降到14.33%。由于水分子在玉米各組織中分布和遷移的不同，總的水分含量不能充分說(shuō)明水分在籽粒各組織中存在狀態(tài)，對(duì)水分子遷移和水分子與生物大分子之間關(guān)系的深入理解和研究仍然缺乏，還需進(jìn)一步深入研究。

圖1 新采收玉米籽粒水分含量變化Fig.1 Variations in moisture content of postharvest maize

2.2 水分遷移及分布

圖2 新采收玉米LF-NMR T2弛豫時(shí)間分布曲線Fig.2 LF-NMR T2 relaxation time distribution curves of postharvest maize grains

傳統(tǒng)測(cè)量水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)方法破壞樣本的完整性，操作復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且無(wú)法給出水分在籽粒內(nèi)部分布和運(yùn)動(dòng)的信息，LF-NMR技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確、無(wú)損地檢測(cè)干燥過(guò)程食品水分質(zhì)量分布和遷移[18-20]，在研究食品加工及儲(chǔ)藏過(guò)程中大分子變化機(jī)理方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。復(fù)雜體系中質(zhì)子T2弛豫時(shí)間的歸屬及解釋已被詳細(xì)研究[21-22]。研究表明，通過(guò)NMR技術(shù)所測(cè)定的淀粉體系中質(zhì)子信號(hào)可以變現(xiàn)出幾種不同狀態(tài)，NMR技術(shù)是淀粉大分子微觀結(jié)構(gòu)研究的有力工具[21-23]。LF-NMR技術(shù)可以利用氫質(zhì)子在磁場(chǎng)中的自旋-弛豫特性，微觀地分析其中的水分狀態(tài)及與淀粉、蛋白質(zhì)等大分子結(jié)合作用[24]。本研究運(yùn)用LF-NMR技術(shù)研究2 種玉米籽粒新收獲后水分遷移和分布情況，如圖2所示，玉米籽粒在采后10 d內(nèi)，籽粒中質(zhì)子T2弛豫時(shí)間分布曲線中出現(xiàn)4 個(gè)部分，T2b和T21是質(zhì)子弛豫發(fā)生最快的部分，弛豫時(shí)間范圍在0.1～5.0 ms之間，T22是中間部分，弛豫時(shí)間范圍在5～50 ms，T23是質(zhì)子弛豫發(fā)生最慢的部分，弛豫時(shí)間范圍為50～200 ms。T2b和T21為與淀粉和蛋白等大分子結(jié)合最緊密的“結(jié)合水”，也可能是大分子的組成部分。T22為顆粒內(nèi)部可緩慢交換的“準(zhǔn)結(jié)合水”[24]。T23為存在顆粒外部可移動(dòng)的自由水。玉米籽粒在儲(chǔ)藏10 d之后，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)水分的遷移，T2弛豫時(shí)間分布曲線中質(zhì)子為3種狀態(tài)，T21逐漸減小，T2b消失。同時(shí)，胚芽油中質(zhì)子信號(hào)也處于這個(gè)范圍。通過(guò)測(cè)定真空干燥后玉米胚芽的T2譜圖可以確定，在50～200 ms處出現(xiàn)為玉米胚芽油中質(zhì)子信號(hào)。

表1 新采收玉米LF-NMR T2參數(shù)變化（n=10）Table1 Changes in T2 parameters of postharvest maize (n= 10)

通過(guò)峰面積相對(duì)含量得出采后LF-NMR T2參數(shù)變化，結(jié)果如表1所示。新采收玉米采后T2弛豫時(shí)間和比例呈顯著變化（P＜0.05），表明采后自然干燥時(shí)間對(duì)水分的遷移和分布具有顯著影響。T2面積呈顯著下降趨勢(shì)（P＜0.05），表明新收獲后籽粒中水分含量逐漸下降，這是由于水分不斷揮發(fā)至空氣中。在10 d內(nèi)發(fā)現(xiàn)，T21結(jié)合水呈現(xiàn)2 個(gè)部分，這是基于水分子同大分子結(jié)合鍵的力量大小[21]，分別為緊密的結(jié)合水和松散結(jié)合水（圖2）。隨著采后時(shí)間延長(zhǎng)，這2 種結(jié)合水合并為一個(gè)峰，Zd958中T21弛豫時(shí)間從2.98 ms逐漸降低到0.66 ms。Xy335的T21弛豫時(shí)間從2.98 ms逐漸降低到0.46 ms。說(shuō)明期間籽粒內(nèi)的氫質(zhì)子自由度和水分流動(dòng)性在逐漸降低，與大分子結(jié)合力逐漸增強(qiáng)。Zd958玉米中T22從24.20 ms下降到13.53 ms。Xy335玉米中T22從19.18 ms逐漸降低到13.53 ms。T2三部分的面積呈顯著下降（P＜0.05），表明儲(chǔ)藏過(guò)程中各狀態(tài)的水分含量逐漸下降，A21、A22和A23分別代表3 種狀態(tài)水所占面積百分比，2 種玉米A21面積比例采后初期呈顯著上升（P＜0.05），A22準(zhǔn)結(jié)合水和A23自由水在儲(chǔ)藏初期下降很快，Zd958的A22在儲(chǔ)藏40 d后降至1%，并保持不變。Xy335中A22在50 d時(shí)未檢出。A23的面積在20 d后不在變化，說(shuō)明籽粒的自由水在20 d即揮發(fā)完全。Hills等[25]研究表明，質(zhì)子弛豫時(shí)間的測(cè)量主要反映的是生物大分子結(jié)構(gòu)狀態(tài)，而不僅是水分子的狀態(tài)。T21隨儲(chǔ)藏時(shí)間逐漸延長(zhǎng)顯著降低（P＜0.05），表明了水與大分子，主要是水分子和淀粉分子，水分子同蛋白分子間的結(jié)合力逐漸增強(qiáng)。

2.3 淀粉熱特性分析

2 種玉米淀粉在采后儲(chǔ)藏不同時(shí)間的DSC熱力學(xué)特性參數(shù)變化見(jiàn)表2。Zd958和Xy335采后不同時(shí)期間玉米淀粉在60～80 ℃之間出現(xiàn)窄而明顯吸熱峰，此峰為淀粉熱吸收特征峰，為支鏈淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)打開(kāi)所需要的能量[26-27]。糊化溫度和熱焓值變化反映了淀粉的微晶結(jié)構(gòu)以及結(jié)晶程度，糊化溫度越高，表明晶體結(jié)構(gòu)越完整，淀粉顆粒內(nèi)部微晶部分排列和結(jié)晶度增加。熱焓值主要反映糊化時(shí)破壞淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)所需能量，衡量淀粉糊化之前淀粉顆粒內(nèi)部分子鏈段有序性，反映淀粉顆粒結(jié)晶度的重要參數(shù)，淀粉顆粒有序結(jié)果破壞會(huì)導(dǎo)致糊化焓值下降。淀粉熱力學(xué)特性表現(xiàn)為淀粉顆粒加熱過(guò)程中雙螺旋晶體相轉(zhuǎn)變溫度和吸熱焓的變化等，是影響食品加工過(guò)程重要性質(zhì)之一[28]。研究表明淀粉顆粒表面形貌、粒度分布、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、分子質(zhì)量、直鏈淀粉含量、支鏈中鏈長(zhǎng)分布等因素均影響淀粉的凝膠熱特性，凝膠溫度與支鏈中短鏈和支鏈中長(zhǎng)鏈比率正相關(guān)[29]，直鏈淀粉含量高，糊化溫度升高[30]。采后隨著自然干燥過(guò)程的進(jìn)行，引起了玉米淀粉熱特性的變化。2 種玉米起始溫度T0變化范圍分別為60.89～61.91 ℃（Zd958）和59.11～61.98 ℃（Xy335），峰值溫度TP變化范圍分別為66.90～67.52 ℃（Zd958）和65.68～67.92 ℃（Xy335），轉(zhuǎn)變溫度R變化范圍分別在7.08～7.70 ℃（Zd958）和7.60～8.30 ℃（Xy335），與Wrigley等[1]報(bào)道相一致，變化不明顯。2 種玉米淀粉新采收0 d時(shí)糊化吸收焓值最小，Zd958玉米淀粉焓值為3.24 J/g，Xy335玉米淀粉焓值為4.06 J/g，說(shuō)明新采收的玉米淀粉支鏈雙螺旋結(jié)構(gòu)還沒(méi)有完全形成，這可能是由于新采收時(shí)淀粉分子鏈之間存在大量水分子，影響了支鏈淀粉分子之間雙螺旋結(jié)晶結(jié)構(gòu)的形成。隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，玉米籽粒中水分逐漸降低。當(dāng)采后儲(chǔ)藏40 d時(shí)，2 種玉米淀粉糊化吸收焓值逐漸顯著升高（P＜0.05）達(dá)到最大值，Zd958為18.54 J/g，Xy335為15.06 J/g，之后趨于穩(wěn)定。吸熱焓值升高說(shuō)明新玉米采收后，淀粉分子中支鏈雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，在采收后40 d內(nèi)支鏈分子之間締合得更加緊密。

表2 新采收玉米淀粉熱特性變化（n=3）Table2 Changes in thermal properties of starches of postharvest maize (n= 3)

表3 水分含量、T2和糊化焓值相關(guān)性分析Table3 Correlation coeff i cients between moisture content, T2 and gelatinization enthalpy

如表3所示，根據(jù)對(duì)水分含量，T2分布及遷移和吸熱焓值Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明，2 種新采收玉米具有相同的變化規(guī)律表現(xiàn)為，質(zhì)子橫向弛豫中T21與T23呈極顯著相關(guān)（P＜0.01），T21與A21呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），T21與A22呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。T21與籽粒水分含量呈極顯著相關(guān)（P＜0.01），與凝膠吸熱焓值（ΔH）呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），T21減小說(shuō)明籽粒內(nèi)的氫質(zhì)子自由度和水分流動(dòng)性在逐漸降低，水分子與淀粉結(jié)合力逐漸增強(qiáng)。淀粉分子在緩慢干燥過(guò)程中晶體區(qū)結(jié)構(gòu)變得更加有序，或者結(jié)晶區(qū)比例增加，導(dǎo)致淀粉糊化解開(kāi)支鏈淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)能量相應(yīng)增加。2 種玉米中A21和A22相關(guān)性很大，呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），A21與吸熱焓值呈顯著相關(guān)（P＜0.05）。A21與籽粒水分含量極顯著相關(guān)（P＜0.01），特別是當(dāng)2 種玉米籽?？偟乃趾拷档椭涟踩?4%時(shí)，A21值均為83%。而達(dá)到準(zhǔn)結(jié)合水和自由水全部散失時(shí)，不同品種需要時(shí)間不同，Zd958需要多于60 d，而Xy335需要40 d，此時(shí)，2 種玉米籽粒A21占總面積的82%和81%。表明在干燥過(guò)程中當(dāng)A21值為81%～82%時(shí)，此時(shí)玉米籽粒中準(zhǔn)結(jié)合水和自由水含量極低，達(dá)到干燥標(biāo)準(zhǔn)，這一判定值要比14%安全水更準(zhǔn)確。結(jié)果表明，可以利用LF-NMR技術(shù)研究籽粒中水分狀態(tài)情況，并且可以精確判斷新玉米采后干燥進(jìn)程，是進(jìn)一步了解籽粒中大分子結(jié)構(gòu)特性變化有利工具。

3 結(jié) 論

東北地區(qū)新采收玉米籽粒內(nèi)部結(jié)合水、準(zhǔn)結(jié)合水和自由水遷移的分布呈顯著變化（P＜0.05）。隨著總水分的逐漸降低，各狀態(tài)水分子T2弛豫時(shí)間逐漸減小。2 種淀粉凝膠焓值在40 d達(dá)到最大分別為18.54 J/g和15.06 J/g，玉米籽粒中結(jié)合水T21與籽粒水分含量極顯著正相關(guān)（P＜0.01），A21與籽粒水分含量極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），A21與淀粉凝膠吸熱焓值顯著相關(guān)（P＜0.05），這說(shuō)明采后大分子結(jié)構(gòu)受到水分遷移和分布的影響。利用LF-NMR技術(shù)可以有效研究水分狀態(tài)對(duì)大分子結(jié)構(gòu)的影響，其結(jié)合水A21為83%即代表籽粒水分含量處在安全水范圍，為玉米籽粒的后續(xù)加工及儲(chǔ)藏提供理論依據(jù)。

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