不同粒徑分布對全籽粒玉米粉糊化特性的影響

孫麗娟， 胡學旭， 張 妍， 李靜梅， 王步軍

(中國農業科學院作物科學研究所；農業農村部谷物產品質量安全風險評估實驗室(北京)，北京 100081)

玉米是我國主要糧食作物之一，玉米食用主要有鮮食和籽粒兩種利用方式，其中整籽粒粉碎后再加工是玉米食用的一個主要途徑，是玉米碴、玉米粉、玉米片、玉米類主食、烘焙食品，以及玉米膨化食品等加工品的基礎原料[1-5]。因此，玉米研磨全粉的品質特性直接關系到其加工品的加工工藝和品質。目前小麥、大米等主糧研究較多，研磨制粉粒徑直接影響了小麥粉和米粉的還原糖、損傷淀粉含量、吸水率、色澤、最終黏度、回升值等理化特性[6-9]，以及其制品的體積、內部結構[10，11]和延展性[7,9]等加工品質，但粒徑大小對玉米粉及其制品品質影響的研究較少。有研究通過對玉米粉篩分得到不同粒徑的玉米粉，發現粒徑影響了masa面團結構和玉米饅頭制品品質[12，13]?？梢?，玉米粉粒徑的大小是玉米粉加工品質的一個重要參數，影響其加工品質。玉米是以淀粉含量為主的作物，糊化特性是其品質重要參數之一，RVA作為快速分析谷物及其淀粉糊化特性的方法，廣泛應用于小麥、水稻、燕麥等谷物[14-17]，以及玉米淀粉、糯玉米淀粉、小麥淀粉、馬鈴薯淀粉、木薯淀粉[18-21]等糊化特性和品質研究中。目前在玉米制粉加工食用由來已久，但研磨粒徑對其理化特性影響研究還比較少，缺少針對不同粒徑大小分布對不同淀粉含量玉米粉的糊化特性研究分析。本研究選取不同淀粉含量的玉米籽粒，通過小型實驗磨研磨制粉，得到不同粒徑分布的玉米粉，采用rva方法分析其糊化特性，并通過淀粉含量、蛋白質、脂肪、損傷淀粉等指標相關性分析，分析不同粒徑分布對玉米粉糊化特性的影響情況以原因，為玉米品質分析和加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米為普通玉米，選取淀粉質量分數在66%～77%之間的玉米品種進行分析，具體成分見表1。實驗用水為純凈水，其他所用試劑均為分析純。

表1 玉米粉的主要成分質量分數

1.2 儀器與設備

LM3303實驗室粉碎磨，1093樣品磨，TU-1800 型紫外可見分光光度計，UDK159全自動定氮儀，SER148脂肪測定儀，SDmatic損傷淀粉測定儀，HELOS/RODOS/M粒度分析儀，RVA-TECMASTER 黏度測定儀。

1.3 方法

實驗分為3組：40目處理組，玉米粉90%以上通過40目(0.425 mm)的篩網；60目處理組，玉米粉90%以上通過60目(0.250 mm)的篩網；80目處理組，玉米粉90%以上通過80目(0.180 mm)的篩網。

1.3.1 玉米粉的制備

通過不同的實驗磨和研磨處理方式，將表1中的4種不同淀粉含量的玉米籽粒研磨，得到40目、60目和80目處理的玉米粉，40目玉米粉編號分別為40-66、40-70、40-72、40-76，占總體積50%的顆粒的粒徑分布在99-109 μm；60目編號分別為60-66、60-70、60-72、60-76，粒徑分布在85-95 μm；80目編號分別為80-66、80-70、80-72、80-76，粒徑分布在60-75 μm。

1.3.2基本成分的測定

粗淀粉含量的測定：旋光儀法，參照NY/T 11—1985《谷物籽粒粗淀粉測定法》。蛋白質含量的測定：半微量凱氏法，NY/T 3—1982《谷物、豆類作物種子粗蛋白測定法》。脂肪含量的測定：索氏抽提法，GB 5009.6—2016《食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》。直鏈淀粉含量的測定：分光光度計法，NY/T 55—1987《水稻、玉米、谷子籽粒直鏈淀粉測定法》。損傷淀粉含量的測定：分光光度法，AACC 76—31。

1.3.3 玉米粉粒度分布的測定

采用HELOS/RODOS/M粒度分析儀測定，干法測定，稱取樣品0.5～1.0 g，倒入進樣器中的定，每個樣品重復3次，分別得到面積平均粒徑(SMD)、體積平均粒徑(VMD)、 體積比表面積(Sv)、質量比表面積(Sm)、占總體積10%的顆粒最大粒徑(X10)、占總體積16%的顆粒最大粒徑(X16)占總體積50%的顆粒最大粒徑(X50)、占總體積84%的顆粒最大粒徑(X84)、占總體積90%的顆粒最大粒徑(X90)、占總體積99%的顆粒最大粒徑(X99)等參數。

1.3.4 玉米粉糊化特性的測定

參照GB/T 24853—2010《小麥、黑麥及其粉類和淀粉糊化特性測定 快速黏度儀法》，分別稱取玉米粉2.50、3.00、3.50、4.00、4.50 g，測定程序選擇13 min的測試程序，其他具體操作步驟按照標準方法測定。

1.4 數據處理

所有數據采用SPSS 19.0進行數據處理、方差分析和相關性分析，雙因素方差分析顯著性水平為0.05，變量相關性分析(雙測)，P<0.05為相關性顯著，P<0.01為極顯著。所有實驗重復3次，均取平均值進行計算與分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理的玉米粉粒徑分布情況

不同處理下，玉米粉粒徑40目>60目>80目，從表2可以看出質量比表面積變化最明顯，40目處理中，玉米粉的SMD和VMD最大，占總體積50%的顆粒粒徑小于99 μm；60目處理中，玉米粉SMD和VMD小于40目處理，Sv和Sm大于40目處理，占總體積50%的顆粒粒徑小于94.5 μm；80目處理中，SMD和VMD明顯小于40目和60目，Sv和Sm明顯大于其他兩處理，占總體積50%的顆粒粒徑小于71 μm。

從圖1可以看出，占總體積10%的玉米粉的粒徑最小，不同處理間的差異較??；隨著占比和粒徑的增加，不同處理間的差異增加，占比50%的差異最明顯，40目處理的粒徑略大于60目，兩者明顯大于80目處理；當占比和粒徑繼續增加時，3個處理間的粒徑差異減??；當占比達99 %時，最大顆粒的粒徑無差異，粒徑都小于173.15 μm。

圖1 不同玉米粉占總體積不同百分比的最大粒徑比較圖

表2 不同目數處理玉米粉粒度分布表

2.2 玉米粉糊化特性與其粒徑分布、成分相關性分

對不同處理下的玉米粉糊化特性與其粒徑分布情況、成分含量相關分析顯示，糊化特性與粒徑分布、大小相關性顯著，同時也受到總淀粉、脂肪等成分的影響。從表3可以看出，峰值黏度與SMD、VMD、X10、X16、X50、脂肪、蛋白呈顯著負相關，與Sv、Sm、總淀粉、直鏈淀粉呈顯著正相關；最低黏度只與X10、脂肪、蛋白呈顯著負相關，與總淀粉、直鏈淀粉含量呈正相關；衰減值、糊化時間和溫度與直鏈淀粉含量無顯著相關外，與其他所有參數都顯著相關；最終黏度和回升值都只與總淀粉、直鏈淀粉含量呈顯著正相關，與脂肪、蛋白呈顯著負相關。

2.3 不同粒度分布對玉米粉糊化能力的影響

玉米粉懸濁液在加熱和攪拌下，開始糊化的溫度、完成糊化的時間，以及顆粒在溶脹、崩解過程中的最大黏度值，是其糊化能力的體現。不同粒度處理下(見圖2)，糊化溫度隨著粒徑的減小而降低，40目處理糊化溫度最低，其次是60目和80目；糊化溫度基本隨淀粉含量高而降低，排序均為66>72>76>70，60目中玉米粉66的溫度降低最明顯；玉米粉糊化溫度之間的差異隨著粒徑的減小而減小，40目時差異極顯著，60目和80目時差異減小。從圖3可以看出，玉米粉的峰值黏度基本隨著顆粒粒徑減小呈不斷增加趨勢，40目峰值黏度最低，60目和80目處理差異不明顯；玉米粉的峰值黏度隨淀粉含量的升高，基本呈升高趨勢，但60-70和60-72升高不明顯，80-70反而高于80-72；玉米粉66、70和76的峰值黏度隨粒徑增加而增加，玉米粉72則呈先增加后略降低趨勢。圖4顯示峰值時間隨著粒徑的減小而縮短，40目處理峰值時間最長，其次是60目，80目時間最短；但不同處理對不同淀粉含量的玉米粉的峰值時間影響不規律，40目和60目均依次為66>72>70>76，80目則為66>72>76>70；不同玉米粉峰值時間之間的差異隨著粒徑的減小而增加，40目時差異不顯著，60目和80目時差異明顯增加，但變化不明顯。

表3 不同粒徑分布、成分含量與玉米粉糊化特性相關性分析

圖2 不同處理的玉米粉糊化溫度變化圖

圖3 不同處理的玉米粉峰值黏度變化圖

不同粒度處理下，玉米粉隨著粒度的減小糊化時間縮短、所需溫度減低，糊化更容易，形成凝膠的黏度也越大，其糊化特性差異顯著增加。凝膠黏度的增加主要受玉米粉平均粒徑、占比50%以下顆粒粒徑減小，以及顆粒表面積增加的影響，同時也受到總淀粉、脂肪、蛋白和直鏈淀粉含量的影響；顆粒開始糊化溫度和時間也受到玉米粉平均粒徑、顆粒表面積以及粒徑分布，以及有總淀粉、脂肪、蛋白和和損傷淀粉含量的影響。當玉米粉平均粒徑越小、小顆粒粒徑越小，以及顆粒表面積越大時，糊化溫度越低、糊化所需時間越短，峰值黏度也越大，玉米粉越容易糊化，糊化后的黏度也越大。利用激光共聚焦顯微鏡分析發現，淀粉糊化是水分子通過表面孔狀通道進入淀粉顆粒內部，從結構排列較為松散中央區及通道向外擴散的[22，23]。顆粒粒徑小和表面積大加速了糊化進程，直鏈淀粉等可溶性組分更容易析出，峰值黏度增加，淀粉含量72%的80目樣品小顆粒粒徑明顯高于其他80目處理樣品(見圖1)，所以其峰值黏度低于其他樣品。同時，粒徑足夠小、表面積足夠大時，淀粉含量越高越容易發生糊化。研究也顯示篩分得到的不同粒徑的玉米粉[12，13]、大米粉[24]峰值黏度也隨粒徑減小而增加，糊化溫度隨著粒徑的減小而增加，從而提高混合粉的吸水率，縮短餃子的蒸煮時間[13,24]。

圖4 不同處理的玉米粉峰值時間變化圖

2.4 不同粒度分布對玉米粉凝膠特性的影響

達峰值黏度后，玉米粉懸浮液中的淀粉顆粒溶脹、崩解，并在剪切力的作用下黏度降低，凝膠的最低黏度和黏度衰減的情況反映其凝膠特性。從圖5可以看出，隨著粒徑的減小，玉米粉的最低黏度呈先增加后減小的趨勢，除了玉米粉66以外，其他玉米粉中60目的最低黏度最大，40目次之，80目最??；玉米粉最低黏度都隨著淀粉含量的升高而增加，但80處理中玉米粉66黏度大于玉米粉70；不同淀粉含量玉米粉的最低黏度之間的差異呈減小趨勢，40目處理的最低黏度差異明顯，特別是玉米粉76明顯大于其他玉米粉，60目時差異逐漸減小，80目時差異不顯著。圖6顯示，不同處理下衰減度隨著粒度減小基本呈增加趨勢，80目處理衰減值均高于40目和60目，玉米粉66和72的先降低再增加，玉米粉70和76呈增加趨勢；隨著粒度的減小，不同玉米粉間的衰減值差異增大，40目衰減值不存在差異，60目、80目差異明顯增加，80目差異最明顯。

玉米粉凝膠在攪拌過程中的最低黏度主要受其成分，特別是總淀粉和脂肪的影響，粒徑分布中占比10%以下小顆粒的粒徑大小對其影響顯著；凝膠衰減程度受到粒徑大小、分布，以及玉米粉成分的綜合影響，此研究中直鏈淀粉含量影響不顯著?？梢?，顆粒粒徑越小、比表面積越大，玉米粉凝膠的越容易衰減，抗剪切能力越差，特別是小顆粒粒徑大小對凝膠特性影響明顯；淀粉和直損傷淀粉含量增加、脂肪和蛋白質含量降低，也不利于凝膠的抗剪切能力，凝膠特性差異也顯著增加。研究也表明，小顆粒粒徑對最低黏度影響顯著，粒徑越小最低黏度越高[9,13,24]。隨著玉米粉粒度的減小，與小麥混合粉的弱化度顯著增加，面團的耐攪拌性降低[13]。研究顯示，最低黏度是影響馬鈴薯粉斷條的重要因素[25]?？梢?，小顆粒粒徑有可能是影響玉米粉加工品質的重要因素。

圖5 不同處理的玉米粉最低黏度變化圖

圖6 不同處理的玉米粉衰減值變化圖

2.5 不同粒度分布對玉米粉回生老化特性的影響

懸浮液在冷卻過程中，淀粉溶解度逐步減小，開始重新沉淀，發生老化回生，凝膠的最終黏度與最低黏度，表示了分子重結晶的程度，回升值越大說明越容易老化。從圖7和圖8可以發現，隨著粒徑的減小，不同淀粉含量的玉米粉最終黏度和回升值均呈先增加后減小的趨勢，所有玉米粉60目的最終黏度最大，除了玉米粉66其他玉米粉的80目都低于40目；各處理中玉米粉最終黏度和回升值基本隨淀粉含量升高而增加，但80目處理中玉米粉66的最終黏度高于玉米粉72；不同處理中不同玉米粉間的最終黏度和回升值差異不顯著；不同處理中，玉米粉最終黏度和回升值基本隨淀粉含量升高而增加。

玉米粉凝膠回生受到總淀粉、直鏈淀粉和脂肪含量影響，隨著淀粉和直鏈含量增加而增加，隨著脂肪含量的增加而減少，與玉米粉顆粒粒徑大小和分布關系不顯著，不同玉米粉回生特性差異不顯著。研究中的冷卻過程屬于短期回生，主要于直鏈淀粉分子之間形成雙螺旋并堆積有關[26，27]，當玉米粉中淀粉含量、直鏈淀粉含量高時，懸浮液在冷卻過程中直鏈淀粉聚合量加大，導致最終黏度升高。同時，研究表明淀粉內源脂可以和直鏈淀粉形成復合物，影響直鏈淀粉交聯和結晶，降低回生凝膠強度[27]，玉米粉中脂肪含量較高，脂肪對最終黏度影響明顯。玉米粉顆粒已經糊化崩解，其粒徑大小和分布情況未對凝膠的短期回生造成顯著影響?？梢娏６确植紝τ衩追勰z回生影響作用最小。

圖7 不同處理的玉米粉最終黏度變化圖

圖8 不同處理的玉米粉回升值變化圖

3 結論

不同處理下，不同淀粉含量玉米粉的峰值黏度和衰減度隨其粒徑減小呈增加趨勢；最低黏度、最終黏度和回升值均呈先增加后減小趨勢；糊化溫度和峰值時間呈減少趨勢。玉米粉的平均粒徑大小分布和主要成分對其糊化能力影響顯著，平均粒徑越小、小顆粒粒徑越小、顆粒表面積越大時，越容易糊化，凝膠峰值黏度也越大，玉米粉間糊化特性差異越顯著；總淀粉越多、脂肪和蛋白越少時，也更容易糊化，峰值黏度也越高。小顆粒粒徑大小、主要成分和損傷淀粉含量對玉米粉凝膠特性影響顯著，顆粒粒徑越小、比表面積越大，衰減值越高，凝膠抗剪切能力越差，玉米粉間凝膠特性差異越明顯；總淀粉和直損傷淀粉含量升高、脂肪和蛋白質降低，也降低凝膠的抗剪切能力，最低黏度也低。粒徑大小與分布對玉米粉回生老化特性影響不顯著，主要受其成分含量的影響，最終黏度和回升值隨總淀粉和直鏈淀粉的增加、脂肪的減少而增加。