冻藏处理对糯玉米淀粉微观结构和理化特性的影响

王宏伟，余颜圃，张 菁，张艳艳，刘兴丽，张 华*

（郑州轻工业大学食品与生物工程学院，食品生产与安全河南省协同创新中心，河南省冷链食品质量安全控制重点实验室，河南 郑州 450002）

随着我国居民生活水平的提高和节奏的加快，人们对食品的消费观念逐渐发生变化，更倾向于口感与营养俱佳的食品。鲜食玉米以其高营养、适宜口感、独特风味等特性备受消费者的青睐，致使人们对鲜食玉米的需求量大大增加，从而带动了玉米产业的迅猛发展。然而，糯玉米鲜果穗采收后，其在自然存放过程中存在水分、色泽、香味及营养损失等品质劣变问题，严重影响产品的转运和销售。速冻技术作为目前食品储存和保鲜的重要手段之一，其可通过快速冻结保持玉米原有的质地、外观、口感及其独特的香味和营养价值，对玉米的种植、加工具有重要作用。目前，国内外的研究主要集中在冷冻保鲜工艺及冻藏影响玉米营养成分、口感等宏观品质的影响上，如郑远荣等研究发现冰温贮藏能够有效的延长甜玉米的贮藏时间，保持甜玉米的总糖和玉米粒含水率，使其口感和色香味俱佳；Li Linshan等研究发现玉米等冷冻农产品样品的营养成分含量明显高于新鲜储存的样品。但有关玉米冻藏过程中品质变化机制的研究鲜见报道，相关研究的开展将有利于高品质与附加值鲜食玉米的开发和贮存。

研究表明，淀粉对食品的水分、黏度、质地、稠度、口感、货架期和营养方面会有不同程度的影响，这些对食品加工和最终产品的质量都很重要，如Xie Xinhua等发现淀粉的消化率与其热稳定性和糊化程度密切相关，进而可以调控食品的营养属性。Onyango等研究发现糊化淀粉可以起到增稠剂和改善面团黏弹性的作用；肖甚圣等发现预糊化酯化蜡质玉米淀粉与酯化蜡质玉米淀粉均具有良好的冻融稳定性，添加在糯米粉中能有效降低速冻糯米粉团的失水率和裂口率，并且可以改善速冻糯米粉团的蒸煮和食用品质；Rojas-Molina等研究表明抗性淀粉（resistant starch，RS）的含量与玉米饼的硬度呈负相关，RS含量较高的玉米饼的抗断裂性较差。Wang Sunan等研究表明在馒头中添加高直链玉米淀粉可以增加RS的含量，并且显著降低馒头的陈化率，提高馒头的货架期。Li Qingqing等发现添加预糊化玉米淀粉制备的面团片具有更高的拉伸强度，并且显著增加了煮熟面条的光滑度。因此，淀粉作为玉米的主要组分，其在冻藏过程中内部结构和理化性能的变化也会显著影响玉米的口感、风味、营养等品质。因此，研究玉米冻藏过程中内部淀粉结构和理化性能的变化，有利于高品质鲜食玉米产业的发展。

本研究将围绕不同冻藏时间（0、10、20、30 d）条件下的糯玉米进行研究，探讨冻藏对其淀粉颗粒结构、结晶结构、分子有序化结构、热力学特性、糊化及消化特性的影响规律，揭示冻藏淀粉结构与其理化性能之间的关系，以期为高品质鲜食玉米的保护和开发提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜糯玉米 海南绿川种苗有限公司；氢氧化钠、亚硫酸氢钠、浓盐酸、无水乙醇（均为分析纯） 天津市大茂化学试剂厂；胰-淀粉酶（P-7545）、淀粉葡萄糖苷酶（A3306） 美国Sigma公司；GOPOD试剂盒爱尔兰Megazyme公司。

1.2 仪器与设备

DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科技有限公司；TG16-WS台式高速离心机 湖南湘仪实验室仪器开发公司；DZKW-4恒温水浴锅 北京中兴伟业仪器有限公司；BCD-278TAJ冷藏柜 海尔电器有限公司；RVA4500快速黏度测定仪 澳大利亚波通仪器有限公司；S3500激光粒度分析仪 美国Microtrac有限公司；BWS465-785S便携式拉曼光谱仪 美国B&WTEK公司；DSC Q2000差示扫描量热仪 美国TA公司；Vertex 70傅里叶红外光谱仪 德国Bruker公司；UV-1100紫外-可见分光光度计 上海美谱达仪器有限公司；Regulus 8100高分辨率冷场发射扫描电镜 日本日立公司。

1.3 方法

1.3.1 糯玉米冻藏处理及淀粉的提取

将新鲜无损的糯玉米去除最外层包衣后，用自封袋密封后置于－18 ℃冰箱中进行冻藏处理，分别冻藏0、10、20、30 d。然后将不同冻藏处理时间的玉米进行解冻、剥粒处理，以100 g/500 mL的比例置于1 g/L的亚硫酸氢钠溶液浸泡过夜。随之对浸泡过夜的玉米粒进行清洗、打浆，浆液过100 目筛，获得淀粉乳；将淀粉乳于4 000 r/min离心10 min，弃去上清液，而后将白色沉淀转移至烧杯中，并溶于0.3% NaOH溶液中搅拌30 min，重复上述离心步骤2 次。最后在45 ℃干燥箱中烘干，粉碎过100 目筛，封存备用。根据冻藏处理时间的不同，冻藏处理后的玉米淀粉分别命名为糯玉米淀粉、淀粉-10、淀粉-20、淀粉-30。

1.3.2 糯玉米淀粉短程有序化结构的测定

精确称量2 mg淀粉（干基）、150 mg溴化钾于玛瑙研钵中，将二者混匀、研磨、压制成片状，厚度为0.5 mm。测定参数设置为：分辨率4 cm；波数范围（4 000～400 cm）；扫描次数为32 次；将空气作为空白对照。测定淀粉的红外光谱图为以上32 次扫描结果的平均值。

使用拉曼光谱仪（有光纤探头）对糯玉米淀粉的短程有序化结构进行测定。测量光谱范围：175～4 000 cm。测试条件为：光谱分辨率4 cm，激发功率100 mW，扫描次数32 次，曝光时间10 s。

1.3.3 糯玉米淀粉结晶结构的测定

将样品置于正方形的样品盘圆形螺纹上，用称量纸玻璃片和把淀粉铺平。再将样品放入X射线衍射仪在为波长0.154 2 nm的单色Cu-Kα射线测定淀粉的结晶结构，条件为：40 kV的管压、30 mA的管流、采样步宽0.02 °、扫描区域从4 °～60 °。

1.3.4 糯玉米淀粉颗粒形貌的测定

利用扫描电子显微镜对淀粉的颗粒形貌进行研究，观察淀粉样品的形态结构。将冻藏时间为0、10、20、30 d的淀粉样品均匀地铺洒在黏有导电胶的样品台上，将处理好的样品放入离子溅射镀膜仪进行喷金处理，时间为2 min。然后于扫描显微镜的真空样品室中观察淀粉样品的颗粒形貌，选取具有代表性的淀粉颗粒形貌进行拍照，其工作电压为3 kV，放大倍数为3 000。

1.3.5 糯玉米淀粉粒径大小及其分布的测定

配制质量分数为1%的淀粉乳液，采用激光粒度分析仪对样品粒径大小和粒度分布进行测定。测定范围为0.02～2 000 µm，散射强度为3 mW，扫描区域为0.02～163 °，每个样品重复测试3 次。

1.3.6 糯玉米淀粉热力学特性的测定

根据Wang Lili等的方法，并稍作修改。采用差式扫描量热仪对样品进行热稳定性分析，即分别将冻藏时间为0、10、20、30 d的玉米淀粉配制30%的淀粉乳液，称取约11 mg的淀粉乳液于铝盒中，然后使用压片机密封，并制作一个空盒为空白对照。设置测量程序为：起点温度20 ℃，保持1 min，然后以10 ℃/min升温至120 ℃，由此获得样品糊化时的起始温度（）、峰值温度（）、终止温度（）和糊化焓值（Δ）。

1.3.7 糯玉米淀粉糊化特性的测定

配制质量分数为6%的淀粉乳液，称取1.5 g 淀粉（干基），再加入适量的去离子水于铝罐中形成均匀的淀粉悬浮液。利用快速黏度测定仪进行淀粉样品糊化黏度的测定。样品25 ℃保持1 min，以5 ℃/min加热到95 ℃，在95 ℃保温10 min，然后以5 ℃/min降温至50 ℃，并在50 ℃保温10 min。糊化过程中前10 s的起始转速为960 r/min，其余采用160 r/min转速测定。

1.3.8 糯玉米淀粉消化特性的测定

参照王宏伟的方法配制胰-淀粉酶与淀粉葡萄糖苷酶混合液、0.1 mol/L醋酸钠缓冲液（pH 5.2），并对糯玉米淀粉的体外消化率进行测定。精确称量1.0 g淀粉样品，与20 mL醋酸钠缓冲液、5 mL胰-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶混合液进行混合，混合均匀后在37 ℃、190 r/min振荡水解；分别在第20、120分钟时取0.5 mL水解液于离心管中，用20 mL的70%乙醇溶液灭酶。然后以4 000 r/min离心10 min，吸取0.1 mL的上清液，与3 mL GOPOD混合之后置于45 ℃的水中显色20 min，最后在波长510 nm处进行吸光度测定。根据淀粉消化速率的不同，淀粉可分为快消化淀粉（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 数据处理

2 结果与分析

2.1 冻藏处理对糯玉米淀粉分子短程有序化结构的影响

由图1a可知，糯玉米经不同冻藏时间处理后，其淀粉样品图谱特征峰的峰位置一致，几乎没有差异，表明冻藏处理并没有引起糯玉米内淀粉相关基团的变化。其中，去卷积图中1 045 cm和1 022 cm的红外吸收峰分别代表了淀粉的有序化和无定型区域（图1b），其比值（）可作为量化淀粉短程有序化程度的指标。从表1可知，冻藏处理会导致糯玉米淀粉比值的减小，从1.01降低至0.91，表明随着冻藏时间的延长，糯玉米淀粉的短程有序化程度降低。这与Xu Ke等的研究结果一致，可能是由于冻藏过程中冰晶的形成及增长破坏了糯玉米淀粉分子链间或内部的氢键，使其双螺旋结构解旋或排列不规整，降低了淀粉颗粒内部分子链的有序化排列及紧密程度。

图1 不同冻藏时间条件下糯玉米淀粉的傅里叶变换红外光谱（a）和去卷积图（b）Fig.1 FITR (a) and deconvoluted FITR (b) spectra of starch isolated from waxy corn frozen for different periods

表1 冻藏时间对糯玉米淀粉结晶和短程有序化结构的影响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处特征峰的半峰宽与淀粉的短程有序化程度呈显著正相关，即半峰宽越大，短程有序化程度越低。从图2可知，冻藏处理前后，糯玉米淀粉特征峰出现的位置一致，表明冻藏处理并未改变淀粉的化学组成。但是，冻藏淀粉的半峰宽值随着冻藏时间的延长而逐渐增大（表1），表明冻藏淀粉的有序化程度下降，可能是因为冻藏降低了淀粉颗粒内部支链分子链的有序化排列程度，使得淀粉的无序化程度提高，这也印证了红外光谱分析的结果。

图2 不同冻藏时间条件下糯玉米淀粉的拉曼光谱图Fig.2 Raman spectra of starch isolated from waxy corn frozen for different periods

2.2 冻藏处理对糯玉米淀粉结晶结构的影响

X射线衍射可用于分析物质的晶体结构，不同的晶体结构会产生不同的衍射样式，小麦、大米、玉米等谷物类淀粉会在15 °、17 °、18 °、23 °附近出现特征峰，表现为A型结晶结构。如图3所示，糯玉米淀粉与经冻藏处理的淀粉的结晶结构均为A型，即在15 °、23 °呈现为单衍射峰，并且在17 °和18 °附近呈现为双衍射峰，表明糯玉米经过冻藏处理后，淀粉的结晶类型没有发生改变，但峰强度有所降低。表1显示了不同冻藏时间下糯玉米淀粉的相对结晶度，与未经过冻藏处理的样品相比，冻藏淀粉的相对结晶度有所降低，且随着冻藏时间的延长，相对结晶度逐渐降低，从31.4%降至27.7%。这可能归因于冻藏过程中，水分的物态转变（由水变为冰晶）破坏了淀粉双螺旋的取向、有序化排列或规整度，甚至导致其螺旋结构解旋，最终致使其相对结晶度下降。

图3 不同冻藏时间条件下糯玉米淀粉的X射线衍射谱图Fig.3 XRD spectra of starch isolated from waxy corn frozen for different periods

2.3 冻藏处理对糯玉米淀粉颗粒形貌及粒径的影响

从图4可以看出，天然淀粉颗粒表面较为光滑，颗粒比较完整均匀，这与之前的报道相似。随着糯玉米冻藏时间的延长，其淀粉颗粒凹陷和破碎的程度越来越严重，可能是因为玉米内部的水分在冻藏过程中会形成体积较大的冰晶，从而产生较大的膨胀和渗透压力，致使淀粉颗粒表面微孔和内部空腔的增大或破裂，最终会改变玉米淀粉颗粒结构及物理化学性质。

图4 不同冻藏时间条件下糯玉米淀粉的扫描电镜图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分别代表达到该粒径值的百分比，如为20.1 µm指测试样品中90%处于20.1 µm以下。随着冻藏时间的延长，糯玉米淀粉的和平均粒径值逐渐减小，糯玉米淀粉的平均粒径从12.8 µm降低到11.9 µm，并且在冻藏20 d与冻藏10 d之间出现显著差异（＜0.05）。糯玉米冻藏过程中，其淀粉粒径减小的原因可能是源于冻藏过程破坏了淀粉的颗粒结构，使其颗粒变得不完整，从而导致粒径变小，这与之前扫描电镜所显示的结果一致。

表2 冻藏时间对糯玉米淀粉粒径的影响Table 2 Effect of frozen storage time on the particle size of waxy corn starch granules

2.4 冻藏处理对糯玉米淀粉热力学特性的影响

由表3可知，冻藏淀粉的起始温度、峰值温度和终值温度与原淀粉相比显著降低，说明经过冻藏处理后的淀粉更容易糊化。这可能是因为在淀粉颗粒冻结时，颗粒表面和内部的孔道被水占据，形成冰晶，因而产生较大膨胀力，致使颗粒表面和内部的膨胀力不均匀，从而导致淀粉颗粒结构被破坏；此外，冻藏处理也会破坏淀粉的短程有序化和结晶结构，以上2 个原因使水分子更容易进入淀粉颗粒内部，因此淀粉颗粒更容易发生糊化。糊化焓值指的是淀粉糊化过程中其结晶或螺旋结构崩解或解旋所需要的能量，与淀粉分子的有序化结构含量呈正相关，冻藏淀粉的糊化焓值减小，且随着冻藏时间的延长而不断减少，说明冻藏处理破坏了淀粉颗粒内部的双螺旋结构组成及排列，降低了其相对结晶度，此结果与上述短程有序化结构和结晶结构结果相一致。

表3 冻藏时间对糯玉米淀粉热力学特性的影响Table 3 Effect of frozen storage time on the thermodynamic properties of waxy corn starch

2.5 冻藏处理对糯玉米淀粉糊化特性的影响

从表4可以看出，糯玉米原淀粉的起糊温度、峰值黏度、崩解值均高于冻藏淀粉，其中冻藏淀粉的起糊温度降低，表明淀粉更容易发生糊化；峰值黏度降低可能是因为淀粉的有序化程度降低，淀粉颗粒破碎，小粒径颗粒增加所致，导致淀粉颗粒的膨胀度降低，黏度下降。崩解值一定程度上可以反映淀粉糊的热稳定性，崩解值越小，淀粉的抗剪切力越高，其膨胀颗粒的机械强度越强，崩解值降低说明冻藏处理提高了淀粉颗粒的抗热和抗剪切稳定性。最终黏度和回生值均能反映淀粉在冷却过程中形成的三维网状结构，以及直链淀粉与崩解颗粒的相互作用，冻藏淀粉的最终黏度和回生值高于糯玉米原淀粉，可能是由于冻藏导致淀粉颗粒聚集态结构的无序化程度增加，促进了淀粉分子链在冷却过程中的重排和重结晶，使其容易老化。

表4 冻藏时间对糯玉米淀粉糊化特性的影响Table 4 Effect of frozen storage time on the pasting properties of waxy corn starch

2.6 冻藏处理对糯玉米淀粉消化特性的影响

淀粉的消化是一个复杂的过程，包括酶在底物中的扩散以及酶在底物上的吸附和水解，这一过程受到分子有序化结构、晶体结构、颗粒大小、颗粒完整性、颗粒孔隙度等因素的影响。根据淀粉消化速率和程度的不相一致，可将淀粉分为RDS、SDS和RS。如表5所示，糯玉米淀粉中的RDS、SDS和RS的相对含量分别为79.3%、5.6%和15.1%，但经冻藏处理后，淀粉的RDS显著增大，从79.3%增加到92.9%；RS不断降低，从15.1%降至5.0%，且随着冻藏时间的延长，趋势变化更加明显。总体来说，冻藏处理可导致糯玉米淀粉中的SDS和RS转变为RDS，可能是由于淀粉有序化结构和颗粒结构的破坏所致，即随着冻藏时间的延长，淀粉颗粒呈现破碎，不完整度升高，颗粒表面出现凹痕，内部出现裂缝，这些都会使得酶分子更容易进入到淀粉分子内部，从而提高了消化效率。此外，淀粉内部短程有序化结构和结晶结构的破坏也可导致淀粉酶易与淀粉分子结合、变构和定位催化，提高冻藏淀粉的RDS含量。

表5 冻藏时间对糯玉米淀粉消化特性的影响Table 5 Effect of frozen storage time on the digestibility of waxy corn starch

3 结 论

本实验探讨了冻藏处理对糯玉米淀粉结构和理化性能的影响，结果表明冻藏处理可导致淀粉的短程有序化程度和相对结晶度降低，淀粉颗粒破碎，颗粒表面出现凹陷、裂纹，粒径变小，且随着冻藏时间的延长，淀粉结构的破坏更加明显；这些结构的破坏可导致糯玉米淀粉糊化温度（如峰值温度和终值温度）、峰值黏度、崩解值的降低，以及最终黏度和回生值的增大，表明经过冻藏处理后的淀粉更容易发生糊化，糊化黏度有所下降，但淀粉颗粒的抗剪切能力增强，老化程度增高。此外，冻藏处理还可显著提高糯玉米淀粉的RDS含量，表明冻藏处理可通过改变淀粉的微观结构影响淀粉的消化速率。本研究结果可为速冻玉米的冷藏提供相关基础数据，以期为高品质鲜食玉米的保护和开发提供理论依据和参考。