冷等离子处理对玉米籽粒外观及结构的影响

李瑞敏 张忠杰 姚 渠 王水寒,2 尹 君

(国家粮食和物资储备局科学研究院1，北京 100037) (吉林大学生物与农业工程学院2，长春 130022)

玉米是我国的三大主粮之一，既可食用，又是生产玉米淀粉和乙醇的重要原材料[1]。玉米收获时受季节影响初始含水率一般为20%～26%，若不及时干燥就易发生霉变，而霉菌等微生物代谢产物黄曲霉毒素也会危害人畜健康[2, 3]。目前，工业上多采用热风干燥方法烘干玉米，但因玉米籽粒表面的蜡质层会阻碍玉米籽粒内部湿热迁移，进而减缓玉米干燥速率。当籽粒受热温度超过60 ℃时，玉米的裂纹率与脂肪酸值均增大、酶活性下降；玉米含水率越高，其品质指标受热风温度影响越大[4]，因此为优化玉米干燥工艺参数、最大限度地保持其品质，等离子、超声波等非热处理技术逐渐得到应用[5, 6]。

冷等离子(cold plasma)的气体温度<60 ℃，主要由离子、自由电子、激发态原子、游离态原子和中性分子组成[7]，其含有的大量高能电子、活性氧(ROS)、活性氮(RNS)等活性粒子，在电场作用下易与食品中的大分子发生理化反应[8]。Zahoranova等[9]发现冷等离子作用于小麦种子可使其表面有害微生物减少、种子生物活性提高，Zhang等[10]研究进一步证明等离子技术可促进种子发芽，提高老化种子的发芽率。Agata等[11]经研究发现冷等离子处理可显著降低小麦和大麦籽粒的微生物负荷，表明冷等离子技术是一项有前途的谷物去污方法。而Sidhant[12]则以玉米、木薯淀粉为研究对象，发现冷等离子处理可提高淀粉的糊化黏度、结合力和膨胀力。Li等[13]通过对玉米籽粒进行原子力显微镜观察(AFM)发现，冷等离子处理可显著增加玉米籽粒表面粗糙度。目前，冷等离子处理对高水分玉米籽粒的结构及品质的影响研究较少，本实验拟采用冷等离子体处理仪、冷冻干燥机、扫描电子显微镜等仪器，研究冷等离子处理仪功率不同时对高水分玉米籽粒外观及结构的影响，为后续冷等离子处理对玉米干燥过程及干燥品质的影响提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

同批次先玉335玉米，2018年收获，含水量(21±1)%(w. b.)。

1.2 仪器与设备

冷冻干燥机，SY-DT02S型低温等离子体处理仪，冷等离子电源系统：固态晶体管等离子发生源，40KHz；E1010型离子溅射仪，S-3000N型扫描电子显微镜。

1.3 实验方法

1.3.1 玉米冷等离子处理

托盘上放适量玉米籽粒并置于冷等离子处理仪密闭箱体内，打开真空泵将密闭室脱气至100 Pa，设定等离子发生源频率为40 kHz、时长为60 s，分别调整等离子处理仪功率为200、300、400 W，以未做任何处理的同批次玉米籽粒为对照组，处理结束后将各组玉米分别置于冷冻干燥机冷冻处理20 h后用自封袋密封，并暂时保存于1 ℃的恒温冰箱。

1.3.2 扫描电镜对玉米籽粒外观及内部结构观察

选取存于1 ℃恒温冰箱中的样品进行电镜观察实验。玉米籽粒种皮外观观察可从每组中取10粒外形一致的玉米从中随机选取3粒，用SEM在15 kV电压下观察[14, 15]，在不同放大倍数下选取共性强且具有代表性的图片进行对比；玉米胚乳形态观察按王立宏等[16]小麦籽粒观察法并稍作改变，用解剖刀沿玉米顶端1 mm处及尾部1 mm处横切去两端，留靠近籽粒前端的胚乳观察，每个处理3次重复；切除玉米籽粒首尾两端后，切出胚乳斜下方的胚进行玉米胚部观察[17]。将完整玉米及处理后的玉米样品用导电胶规整地粘在扫描电镜样品盘上，用离子溅射仪对样品进行喷金处理，并对玉米籽粒外观及玉米内部结构进行电镜观察。

2 结果与分析

2.1 玉米籽粒外观

结果见图1所示。图1a、图1b分别为放大1 000倍及5 000倍的对照组玉米种皮外观图，可以发现在不同放大倍数下，玉米外观均较平整，无褶皱及孔隙；图1c为冷等离子设备200 W处理60 s，放大1 000倍的玉米外观图，与图1a相比，其表面出现轻微褶皱，当放大至5 000倍时(如图1d所示)与图1b相比，发现籽粒表面有明显褶皱及微孔出现，推测应为等离子刻蚀玉米籽粒外观所致。图1e及图1g分别为冷等离子处理仪在功率为300、400 W处理60 s SEM下1 000倍时的玉米籽粒外观图像，与图1c相比图1e与图1g表面褶皱明显增多，分别放大至5 000倍如图1f与图1h所示，玉米表面被刻蚀程度加剧。由图1a ～ 图1h来看，随着等离子处理功率的增大，玉米表层褶皱增多，表面凹凸更显著，这与Li等[13]研究结果一致。Thirumdas等[18]研究证明冷等离子体可对大米淀粉产生刻蚀、解聚及交联，而玉米籽粒种皮为一层角质状薄膜[19]，表层蜡质主要由类脂化合物组成，分析在玉米表层形成凹凸褶皱的原因应为冷等离子体中的活性氧(ROS)、活性氮(RNS)、高能电子等活性粒子可以与玉米表面蜡质层中的大分子化合物在短时间内发生电荷间的快速转移，引起物质交联、刻蚀等化学反应。随着等离子处理仪功率的增大，单位时间内释放出更多高能活性粒子，与表层大分子反应越剧烈、刻蚀程度越显著，导致在相同时间内冷等离子处理仪功率越大，玉米籽粒表层褶皱越多。

注：左列为1 000倍扫描电镜图；a为对照组玉米；c、e、g分别为200、300、400 W冷等离子处理仪处理60 s玉米；右列为5 000倍扫描电镜图；b为对照组玉米；d、f、h分别为200、300、400 W冷等离子处理仪处理60 s玉米。图1 扫描电子显微镜下不同处理组的玉米籽粒外观

2.2 玉米胚乳

玉米籽粒自身质量的80%～85%为胚乳[20]，胚乳中淀粉含量占70%～80%左右，其余为少量蛋白质。玉米胚乳可分为角质胚乳和粉质胚乳，二者在形态结构上存在显著差别。玉米籽粒在成长过程中，淀粉粒首先在顶部胚乳细胞中出现，籽粒成熟后填满整个细胞形成角质胚乳淀粉颗粒，之后按照自上而下、由外向内的顺序积累淀粉粒，最终形成圆球状粉质胚乳淀粉粒[21]，这些淀粉粒排列无规则且有一定间隙，基质蛋白散布其间[14]；而角质胚乳淀粉粒排列致密，一般呈多角形有规则分布，在淀粉颗粒间分布较多蛋白体[20]。

2.2.1 玉米粉质胚乳形态

为探究冷等离子处理仪在相同时间不同功率下对玉米粉质胚乳结构的影响，选择横切后靠近玉米糊粉层的胚乳淀粉进行扫描电镜观察并选择具有代表性的图片进行分析，结果如图2所示。

注：左列为1 000倍扫描电镜图；a为对照组玉米；c、e、g分别为200、300、400 W冷等离子处理仪处理60 s玉米；右列为5 000倍扫描电镜图；b为对照组玉米；d、f、h分别为200、300、400 W冷等离子处理仪处理60 s玉米。图2 扫描电子显微镜下不同处理组玉米胚乳中粉质淀粉结构图

图2为各实验组玉米粉质胚乳扫描电镜对比图，图2a、图2b分别为对照组玉米粉质胚乳淀粉粒在1 000倍及5 000倍下的扫描电镜图，呈圆球状的粉质胚乳淀粉粒无规则簇拥堆叠，中间穿插完整的薄层状基质蛋白，在5 000倍电镜下观察发现粉质淀粉颗粒与基质蛋白连接紧密。图2c为冷等离子设备设定200 W处理60 s在1 000倍扫描电镜下的玉米粉质胚乳结构图，与未处理玉米粉质胚乳图比较，该组粉质胚乳淀粉颗粒趋于杂乱，在5 000倍扫描电镜下观察，如图2d所示，原有序紧密相联的基质蛋白与粉质胚乳淀粉粒间出现空隙；当冷等离子处理仪功率选择300、400 W处理60 s时，在扫描电镜1 000倍下的玉米粉质胚乳图如图2e及图2g所示，发现随着冷等离子处理仪功率的增大，玉米粉质胚乳淀粉颗粒更加趋于稀疏杂乱，颗粒间原本较为完整的基质蛋白逐渐裸露甚至有断裂发生，当扫描电镜放大至5 000倍时如图2f及图2h所示，与对照组相比发现玉米粉质胚乳淀粉颗粒与基质蛋白间距逐渐增大并与冷等离子处理仪功率的增加呈显著正相关，而淀粉颗粒与基质蛋白间距的增大导致原本在二者间的基质蛋白体有更多裸露。总体而言，随着冷等离子处理仪功率的增大，玉米粉质胚乳淀粉颗粒与基质蛋白间距增大，颗粒间蛋白体逐渐裸露甚至断裂，原因可能是高功率的等离子处理仪在单位时间内释放更多冷等离子，穿过玉米籽粒表皮进入靠近籽粒种皮的糊粉层的高能粒子数增多，这些高能粒子可与籽粒内部大分子如胚乳淀粉颗粒、基质蛋白发生交联等反应[22]，使玉米粉质胚乳淀粉颗粒与基质蛋白间距增大，颗粒间蛋白体逐渐裸露甚至断裂。

2.2.2 玉米角质胚乳形态

玉米籽粒中角质胚乳淀粉粒多呈多面体或不规则形分布[23]，为探究冷等离子处理仪在相同时间不同功率下对玉米角质胚乳结构的影响，选择横切后靠近玉米糊粉层的胚乳淀粉进行扫描电镜观察并选择具有代表性的图片进行分析，结果如图3所示。

注：左列为1 000倍扫描电镜图；a为对照组玉米；c、e、g分别为200、300、400 W冷等离子处理仪处理60 s玉米；右列为5 000倍扫描电镜图；b为对照组玉米；d、f、h分别为200、300、400 W冷等离子处理仪处理60 s玉米。图3 扫描电子显微镜下不同处理组玉米胚乳中角质淀粉结构图

对照组及冷等离子处理仪分别在200、300、400 W处理60 s的玉米1 000倍扫描电镜下的角质胚乳形态如图3c、图3e、图3g所示，对照组中多角形的角质胚乳淀粉颗粒彼此紧密结合，颗粒间蛋白质体无逸出；冷等离子处理仪功率从200 W增至400 W时，与未处理组玉米角质胚乳形态比较，原本紧密相联的角质胚乳淀粉粒中间逐渐出现空隙，在5 000倍扫描电镜下观察如图3d、图3f、图3h所示，随冷等离子处理仪功率的增大，原本排列致密的玉米胚乳角质淀粉颗粒间隙逐渐增大，蛋白体裸露增多。这与冷等离子处理仪功率不同时对玉米粉质胚乳淀粉粒形态的影响相似，即随着冷等离子处理仪功率的增大，玉米角质胚乳淀粉颗粒间距增大，颗粒间蛋白体逐渐裸露甚至断裂；当处理功率为400 W时，有些玉米角质胚乳淀粉颗粒间的蛋白体逸出，原因可能是高功率的冷等离子处理仪释放出更多高能电子、离子、光子等粒子，这些高能粒子与靠近种皮的内部大分子胚乳淀粉颗粒、蛋白体发生交联等反应[22]，最终导致此现象的发生。

2.3 玉米胚芽形态

玉米籽粒由外皮、胚乳和胚三部分组成[17]，玉米胚部营养丰富，其中脂肪占49%～56%，碳水化合物占15%～24%，蛋白质占15%～18%[24]，玉米胚部主要成分为玉米胚芽，玉米胚芽占玉米质量的10%～15%，胚芽中脂肪含量占35%～47%[25]，因此本实验选择对玉米胚芽部分进行扫描电镜观察。冷等离子处理前后对玉米籽粒胚芽形态的影响如图4所示，由脂肪及蛋白质等高分子组成的复杂化合物紧密堆叠，由图4a～图4d可知四组实验组玉米胚芽形态在1 000倍扫描电镜下未见明显区别，这可能是因为玉米胚部在玉米胚乳斜下方位置，冷等离子体经玉米外皮、胚乳后才能到达此处，显然冷等离子处理仪功率400 W作用时间为60 s时不能释放足够多的高能粒子穿透玉米胚乳，因此各实验组玉米胚部形态与对照组相比未见明显差别。

注： a为对照组玉米；b ～ d分别为200、300、400 W冷等离子处理60 s玉米。图4 扫描电子显微镜下不同处理组玉米胚芽结构图(×1 000)

3 结论

以相同处理时间，不同功率的冷等离子处理仪处理玉米籽粒，扫描电镜结果表明：冷等离子处理可对玉米籽粒表面产生刻蚀，使其表面褶皱度增加，褶皱度与冷等离子处理仪功率成正相关，而冷等离子对玉米籽粒外观的刻蚀会影响玉米内部水分迁移速度[13, 26]。冷等离子会对靠近糊粉层的玉米胚乳淀粉结构产生影响，使原本致密有序的淀粉颗粒间距增加，颗粒间基质蛋白裸露甚至破裂而对玉米胚部结构无明显影响。