熟化温度和时间对玉米淀粉糊化度及淀粉组分的影响

■杨万进 牛国一 王天武 尹汝高凡 杜光英 李富银 陶 冶 陶琳丽*

（1.云南农业大学动物科学技术学院，云南省动物营养与饲料重点实验室，云南昆明 650201；2.云南省饲料工业协会，云南昆明 650201)

玉米在能量原料中最为常见，因为玉米占畜禽日粮中的50%～70%[1]。其次，玉米总淀粉含量可高达73.2%[2]。随着我国饲料工业的发展，不仅要增加饲料产量，而且要提高饲料的质量。在提高饲料质量环节中首要考虑提高玉米的饲用价值，从而提高畜禽对饲料玉米的利用率，解决饲料玉米淀粉浪费问题，降低养殖的饲料成本。崔乃元等[3]研究发现，对玉米采用一些特殊加工工艺能够有效的提高玉米的饲用价值。本试验对玉米进行整粒熟化研究，目的是提高饲料玉米利用率和为后期的再加工研究奠基理论基础。

目前，玉米的加工工艺以湿热加工工艺、粉碎加工工艺和膨化处理等为主[4]。对于湿热加工工艺而言，通常有两种处理方式，第一种是将玉米籽粒进行高温蒸汽处理后压成薄片，即蒸汽压片；第二种是将玉米粉碎后再进行熟化。蒸汽压片玉米虽然可把淀粉糊化度提高到40%左右。但是，蒸汽压片的粒度大小满足不了不同生理阶段的动物[5]。不仅如此，曹玉伟等[6]研究发现蒸汽玉米对奶牛的采食量并无显著影响。将玉米粉碎后熟化工艺虽然能够缩短熟化时间，减少熟化成本，但是，此熟化加工条件难以控制，易造成混合不均匀，熟化不足和过度熟化等不良后果[7]。本研究旨在通过控制不同熟化温度与时间对整粒玉米进行熟化，探究整粒玉米熟化后其淀粉糊化度，直链淀粉、支链淀粉和抗性淀粉含量等评价指标最优的工艺参数，不仅能在玉米的利用率和饲用价值上提供一些工艺技术参考，而且也能为以后的研究奠基理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

玉米来源于云南本地且自然风干。

1.2 设备与仪器

高压反应釜（TGYF-A型高压反应釜，郑州博科仪器有限公司）；紫外分光光度计（UV-1800，日本岛津公司）；谷物硬度计（GWJ-III，山东恒美电子科技有限公司）；全自动凯氏定氮仪（SKD-1000，上海沛欧分析仪器有限公司）；容重仪（HGT-1000AB，上海东方衡器有限公司）；微机全自动量热仪（ZDHW-5000，鹤壁市中创仪器仪表有限公司）；电热恒温水浴锅（HWS-28，上海一恒科学仪器有限公司）；磁力搅拌器（88-1，常州智博瑞仪器制造有限公司）；旋涡混合器（XW-80A，上海精科实业有限公司）；分析天平（PX224ZH，奥豪斯仪器有限公司）；pH计（pHS-32，上海仪电科学仪器股份有限公司）；恒温振荡器（SHA-B，常州智博瑞仪器制造有限公司）。

1.3 试剂

糖化酶购于上海源叶生物科技有限公司；抗性淀粉检测试剂盒K-RSTAR购于爱尔兰Megazyme公司；直链淀粉、支链淀粉标准样品购于Sigma公司；冰醋酸、无水乙酸钠、七水硫酸锌、五水硫酸铜、钨酸钠、氢氧化钾、盐酸、磷酸、氢氧化钠、碘、碘化钾、顺丁烯二酸等试剂均为分析纯。

1.4 试验方法

试验采用3×3双因素试验设计，温度和时间2个因素。温度设3个水平，分别为100、110、120℃；时间设3个水平，分别为30、45、60 min。总共9个处理，每个处理3个重复，每个重复熟化玉米70 g，按表1分组。

表1 试验分组

整粒玉米按分组熟化后自然风干，然后每个处理细磨碎使其全部通过60目筛后按分组装入自封袋后放至干燥避光处；称样时按每个指标样品量的要求，将样品混合均匀后按四分法准确称取。淀粉糊化度的测定采用熊易强[8]简化的美国饲料行业测定糊化度的方法。直链与支链淀粉含量的测定采用紫外分光光度计——双波长分光光度法，总淀粉含量为直链淀粉和支链淀粉含量之和。抗性淀粉含量的测定采用抗性淀粉检测试剂盒K-RSTAR。根据试验分组熟化后以淀粉糊化度和直链淀粉、支链淀粉、抗性淀粉、总淀粉含量为评价指标，选择出最优的熟化工艺参数。

1.5 数据处理

试验数据整理采用Excel 2010软件进行，统计分析采用SAS 9.4统计分析系统GLM过程完成，结果以“平均值±标准差”形式表示。多重比较采用Duncan’s法，以P<0.01作为差异极显著性判断标准，P<0.05作为差异显著性判断标准。

2 结果与分析

2.1 熟化前玉米淀粉含量和理化指标分析（见表2、表3）

表2 玉米直链、支链、抗性淀粉含量（风干基础）

由表2、表3可知，试验前玉米直链淀粉含量为13.22%，支链淀粉含量为58.51%，总淀粉含量71.73%，抗性淀粉含量为3.85%，直支比为0.31，含水量为11.39%，粗蛋白为9.03%，硬度为224.50 N，总能为15.04 MJ/kg。

表3 玉米理化指标检测值（风干基础）

2.2 熟化温度和时间对玉米淀粉糊化度及淀粉组分的影响

2.2.1 熟化时间和温度对淀粉质量的影响（见表4）

由表4可知，在主效应分析中，随着温度的升高和熟化时间的延长玉米糊化度也随之升高；在120℃时玉米淀粉糊化度高达54.32%，且极显著高于其他温度组（P<0.01）；在60 min时玉米淀粉糊化度高达47.71%，且极显著高于其他时间组（P<0.01）。对于直链淀粉，虽然在100℃时含量达到最大为16.53%，但是与其他温度组的直链淀粉相比差异不显著（P>0.05）；在45 min时含量直链淀粉含量高达17.10%，且显著高于其他时间组（P<0.05）。对于支链淀粉，在120℃时含量达到最高为55.39%，且显著高于其他温度组（P<0.05）；在30 min时达到最高为55.38%，显著高于45 min时的含量，虽然也高于60 min时的含量，但差异不显著（P>0.05）。对于总淀粉，在120℃时含量最高，在30 min时含量最高，但是熟化温度和时间分别对总淀粉含量影响不显著（P>0.05）。对于抗性淀粉，在100℃时及60 min时含量最低，但是熟化温度和时间对抗性淀粉含量影响并不显著（P>0.05）。

表4 熟化时间和温度对淀粉质量的影响（风干基础）

由组间结果分析可知，糊化度以9组为最高，且与1、2、3、4、5、6、7、8组差异极显著（P<0.01）；1组与3组，2、3、4、5组与6、7组，6、7组与8组差异极显著（P<0.01），1组与2组、2组与3组和4组、6组和7组差异不显著（P>0.05）。直链淀粉含量中2组与其他组差异不显著（P>0.05），1、3、5、8、9组之间和4、6、7组之间差异不显著（P>0.05）；8组与9组差异显著（P<0.05），1、3、5、8组与6、7组差异显著（P<0.05）。支链淀粉含量1、3、4、7、8、9组间差异不显著（P>0.05），4组与2、5、6组差异显著（P<0.05），2、5、6组间差异不显著（P>0.05），6组与7、8、9组差异显著（P<0.05）；5组与1、3、7、8、9组间差异极显著（P<0.01）。总淀粉含量1、3、4、8、9组间和2、5、6、7组间差异不显著（P>0.05），6组与1、3、4、8、9组差异极显著（P<0.01）。抗性淀粉含量在100℃、45 min时为最高，100℃、60 min时为最低。除第3组外，其他组间结果差异不显著（P>0.05）。

2.2.2 不同熟化条件下玉米糊化度和不同淀粉含量的变化规律（见图1～图5）

由图1分析可知，对于淀粉糊化度来讲，淀粉糊化度随着熟化温度和时间的升高而增加，根据图1显示在110～120℃范围内，不同的熟化时间对淀粉糊化度影响较大且60 min>45 min>30 min。由图2可知，随着熟化温度的升高，45 min对直链淀粉含量的变化一直升高，而30 min对其含量的变化一直降低，60 min对其含量变化先降低后升高，但在110～120℃范围内低于45 min。由图3显示支链淀粉含量变化规律为在110～120℃范围内30 min对其含量有降低趋势，45 min和60 min对其含量有升高趋势且60 min高于45 min，但是对100～110℃范围内45 min对支链淀粉含量降低趋势低于60 min。由图4显示总淀粉淀粉含量变化规律为在110～120℃范围内30 min对其含量有降低趋势，45 min和60 min对其含量有升高趋势且45 min高于60 min。由图5显示抗性淀粉含量变化规律为不明显，30 min对抗性淀粉含量几乎无影响，在110～120℃范围内45 min和60 min对其含量有降低趋势，在100～120℃范围内，熟化时间为45 min对抗性淀粉含量持续降低。

图1 熟化温度与时间对玉米淀粉糊化度的影响

图2 熟化温度与时间对玉米直链淀粉含量的影响

图3 熟化温度与时间对玉米支链淀粉含量的影响

图4 熟化温度与时间对玉米总淀粉含量的影响

图5 熟化温度与时间对玉米抗性淀粉含量的影响

3 讨论

3.1 不同熟化条件对玉米淀粉糊化度的影响

淀粉的糊化度与熟化温度和时间呈正相关[9]，玉米淀粉糊化本质是水进入淀粉分子使从有序变成无序的过程，越高淀粉糊化度越有利于畜禽的消化吸收[10]。由于淀粉分子属于非均值分子，晶体相变时，难以达到绝对熟化平衡点[11]。因此淀粉糊化温度是一个范围值。Cowieson等[12]采用玉米基础日粮，处理温度为70～85℃，结果表明淀粉糊化度随着温度升高增大。胡友军等[13]对玉米进行60～120℃的温度处理，结果表明，随着熟化温度的升高，淀粉糊化度升高。与本试验熟化温度为100～120℃时，随着熟化温度的升高，淀粉糊化度升高结果一致。陈浩等[14]将采购于嘉祥县的玉米粉碎过40目筛后熟化，认为熟化温度在100～120℃效果较好，当温度达到100℃以上时，糊化度增加趋势趋于平缓，并在120℃时达到最大，为91.75%。本试验结果与陈浩结果相似，但在120℃时达到最大糊化度是70.70%，原因可能是本试验的玉米采购于云南、熟化粒度为整粒等因素造成结果的差异。李启武[15]研究表明，在一级调质（49 s）过程中4个调质温度50、60、65、70℃下的淀粉糊化度分别为14.9%、18.0%、22.3%、25.2%，而经过二级调质（调质时间为75 s）后淀粉糊化度分别增加到28.2%、35.4%、41.8%、45.8%，结果表明淀粉糊化度不仅受温度的影响，还受到调质时间的影响。本试验的熟化温度为30、45、60 min，结果表明随着熟化时间的增加糊化度也随之增加，试验结果与李启武一致。原因可能是延长熟化时间，玉米充分与热量接触时间也随之延长，淀粉的水热反应加剧，淀粉与水热反应更充分，因此延长时间提高了淀粉的糊化度。

3.2 不同熟化条件对玉米淀粉组分的影响

玉米淀粉由直链淀粉、支链淀粉和抗性淀粉组成[16]，在玉米淀粉中抗性淀粉含量极少，大多数玉米淀粉由线性的直链淀粉和分支结构的支链淀粉两种高聚物堆积而成[17-18]。熟化会导致玉米直链淀粉、支链淀粉、总淀粉和抗性淀粉含量有所变化[19]。王潇[20]选择膨化腔温度为110℃与未膨化的玉米进行比较，结果表明：膨化之后支链淀粉从56.4%降低为44.4%，直链淀粉从11.6%升高为16.2%。本试验在120℃、45 min时直链淀粉含量升至最高为18.60%，在110℃、45 min时支链淀粉含量降至最低为51.35%，与王潇研究结果一致，原因可能是膨化使部分淀粉转化成糊精和一些单糖、双糖和低聚糖，支链淀粉对膨化更敏感。本试验熟化时间对玉米的直链淀粉和支链淀粉含量影响显著，对总淀粉含量影响不显著；熟化温度对玉米直链淀粉和总淀粉含量影响不显著，对支链淀粉含量影响显著，与王潇等研究结果不一致。原因可能是：第一，本试验采用的小型高压反应釜，没有经过螺杆挤压；第二，王潇的试验材料来自河南自然风干玉米，与本试验中的玉米品种不一样。综合上述两种因素可能使本试验结果与王潇的研究结果不一致。李勇[19]取低直支比、中直支比和高直支比的三种玉米，膨化腔温度采用120℃，螺杆转速250 r/min，结果表明膨化前后直支比变化不明显，但是膨化后总淀粉含量增加（干物质基础），可能是因为膨化后玉米的水分降低，所以干物质基础下总淀粉含量增加。本试验研究结果显示熟化总淀粉含量增高，与王潇研究结果不一致，但与李勇的结果一致。因为本试验结果表明抗性淀粉含量有增加的趋势，但影响不显著。Tester等[21]采用了蜡质玉米淀粉、普通和高直链玉米淀粉研究，表明热处理对蜡质玉米淀粉（全支链）和普通玉米淀粉反映很相似，但是改善了支链淀粉的双螺旋结构。本研究没有对淀粉结构进行观测，在以后的研究中，可以针对不同熟化条件对淀粉颗粒大小、淀粉形态结构的改变进行深入研究和探讨。

4 结论

本试验在不同温度与时间条件下对云南玉米进行熟化，结果发现熟化温度和时间对玉米淀粉糊化度、直链淀粉、支链淀粉和总淀粉含量均有影响，其变化规律为：与未熟化的玉米相比支链淀粉含量降低，总淀粉、淀粉糊化度、抗性淀粉与直链淀粉含量升高。当控制熟化时间为45 min、熟化温度在110～120℃这个范围内玉米淀粉糊化度增长极显著（P<0.01）；支链淀粉和总淀粉含量增长显著（P<0.05）；抗性淀粉含量降低但不显著（P>0.05）。综合分析可知，本试验中熟化温度110～120℃，熟化时间45 min为较优的熟化工艺参数。