不同粒径分布对全籽粒玉米粉糊化特性的影响

孙丽娟， 胡学旭， 张 妍， 李静梅， 王步军

(中国农业科学院作物科学研究所；农业农村部谷物产品质量安全风险评估实验室(北京)，北京 100081)

玉米是我国主要粮食作物之一，玉米食用主要有鲜食和籽粒两种利用方式，其中整籽粒粉碎后再加工是玉米食用的一个主要途径，是玉米碴、玉米粉、玉米片、玉米类主食、烘焙食品，以及玉米膨化食品等加工品的基础原料[1-5]。因此，玉米研磨全粉的品质特性直接关系到其加工品的加工工艺和品质。目前小麦、大米等主粮研究较多，研磨制粉粒径直接影响了小麦粉和米粉的还原糖、损伤淀粉含量、吸水率、色泽、最终黏度、回升值等理化特性[6-9]，以及其制品的体积、内部结构[10，11]和延展性[7,9]等加工品质，但粒径大小对玉米粉及其制品品质影响的研究较少。有研究通过对玉米粉筛分得到不同粒径的玉米粉，发现粒径影响了masa面团结构和玉米馒头制品品质[12，13]。可见，玉米粉粒径的大小是玉米粉加工品质的一个重要参数，影响其加工品质。玉米是以淀粉含量为主的作物，糊化特性是其品质重要参数之一，RVA作为快速分析谷物及其淀粉糊化特性的方法，广泛应用于小麦、水稻、燕麦等谷物[14-17]，以及玉米淀粉、糯玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉[18-21]等糊化特性和品质研究中。目前在玉米制粉加工食用由来已久，但研磨粒径对其理化特性影响研究还比较少，缺少针对不同粒径大小分布对不同淀粉含量玉米粉的糊化特性研究分析。本研究选取不同淀粉含量的玉米籽粒，通过小型实验磨研磨制粉，得到不同粒径分布的玉米粉，采用rva方法分析其糊化特性，并通过淀粉含量、蛋白质、脂肪、损伤淀粉等指标相关性分析，分析不同粒径分布对玉米粉糊化特性的影响情况以原因，为玉米品质分析和加工提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米为普通玉米，选取淀粉质量分数在66%～77%之间的玉米品种进行分析，具体成分见表1。实验用水为纯净水，其他所用试剂均为分析纯。

表1 玉米粉的主要成分质量分数

1.2 仪器与设备

LM3303实验室粉碎磨，1093样品磨，TU-1800 型紫外可见分光光度计，UDK159全自动定氮仪，SER148脂肪测定仪，SDmatic损伤淀粉测定仪，HELOS/RODOS/M粒度分析仪，RVA-TECMASTER 黏度测定仪。

1.3 方法

实验分为3组：40目处理组，玉米粉90%以上通过40目(0.425 mm)的筛网；60目处理组，玉米粉90%以上通过60目(0.250 mm)的筛网；80目处理组，玉米粉90%以上通过80目(0.180 mm)的筛网。

1.3.1 玉米粉的制备

通过不同的实验磨和研磨处理方式，将表1中的4种不同淀粉含量的玉米籽粒研磨，得到40目、60目和80目处理的玉米粉，40目玉米粉编号分别为40-66、40-70、40-72、40-76，占总体积50%的颗粒的粒径分布在99-109 μm；60目编号分别为60-66、60-70、60-72、60-76，粒径分布在85-95 μm；80目编号分别为80-66、80-70、80-72、80-76，粒径分布在60-75 μm。

1.3.2基本成分的测定

粗淀粉含量的测定：旋光仪法，参照NY/T 11—1985《谷物籽粒粗淀粉测定法》。蛋白质含量的测定：半微量凯氏法，NY/T 3—1982《谷物、豆类作物种子粗蛋白测定法》。脂肪含量的测定：索氏抽提法，GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》。直链淀粉含量的测定：分光光度计法，NY/T 55—1987《水稻、玉米、谷子籽粒直链淀粉测定法》。损伤淀粉含量的测定：分光光度法，AACC 76—31。

1.3.3 玉米粉粒度分布的测定

采用HELOS/RODOS/M粒度分析仪测定，干法测定，称取样品0.5～1.0 g，倒入进样器中的定，每个样品重复3次，分别得到面积平均粒径(SMD)、体积平均粒径(VMD)、 体积比表面积(Sv)、质量比表面积(Sm)、占总体积10%的颗粒最大粒径(X10)、占总体积16%的颗粒最大粒径(X16)占总体积50%的颗粒最大粒径(X50)、占总体积84%的颗粒最大粒径(X84)、占总体积90%的颗粒最大粒径(X90)、占总体积99%的颗粒最大粒径(X99)等参数。

1.3.4 玉米粉糊化特性的测定

参照GB/T 24853—2010《小麦、黑麦及其粉类和淀粉糊化特性测定 快速黏度仪法》，分别称取玉米粉2.50、3.00、3.50、4.00、4.50 g，测定程序选择13 min的测试程序，其他具体操作步骤按照标准方法测定。

1.4 数据处理

所有数据采用SPSS 19.0进行数据处理、方差分析和相关性分析，双因素方差分析显著性水平为0.05，变量相关性分析(双测)，P<0.05为相关性显著，P<0.01为极显著。所有实验重复3次，均取平均值进行计算与分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理的玉米粉粒径分布情况

不同处理下，玉米粉粒径40目>60目>80目，从表2可以看出质量比表面积变化最明显，40目处理中，玉米粉的SMD和VMD最大，占总体积50%的颗粒粒径小于99 μm；60目处理中，玉米粉SMD和VMD小于40目处理，Sv和Sm大于40目处理，占总体积50%的颗粒粒径小于94.5 μm；80目处理中，SMD和VMD明显小于40目和60目，Sv和Sm明显大于其他两处理，占总体积50%的颗粒粒径小于71 μm。

从图1可以看出，占总体积10%的玉米粉的粒径最小，不同处理间的差异较小；随着占比和粒径的增加，不同处理间的差异增加，占比50%的差异最明显，40目处理的粒径略大于60目，两者明显大于80目处理；当占比和粒径继续增加时，3个处理间的粒径差异减小；当占比达99 %时，最大颗粒的粒径无差异，粒径都小于173.15 μm。

图1 不同玉米粉占总体积不同百分比的最大粒径比较图

表2 不同目数处理玉米粉粒度分布表

2.2 玉米粉糊化特性与其粒径分布、成分相关性分

对不同处理下的玉米粉糊化特性与其粒径分布情况、成分含量相关分析显示，糊化特性与粒径分布、大小相关性显著，同时也受到总淀粉、脂肪等成分的影响。从表3可以看出，峰值黏度与SMD、VMD、X10、X16、X50、脂肪、蛋白呈显著负相关，与Sv、Sm、总淀粉、直链淀粉呈显著正相关；最低黏度只与X10、脂肪、蛋白呈显著负相关，与总淀粉、直链淀粉含量呈正相关；衰减值、糊化时间和温度与直链淀粉含量无显著相关外，与其他所有参数都显著相关；最终黏度和回升值都只与总淀粉、直链淀粉含量呈显著正相关，与脂肪、蛋白呈显著负相关。

2.3 不同粒度分布对玉米粉糊化能力的影响

玉米粉悬浊液在加热和搅拌下，开始糊化的温度、完成糊化的时间，以及颗粒在溶胀、崩解过程中的最大黏度值，是其糊化能力的体现。不同粒度处理下(见图2)，糊化温度随着粒径的减小而降低，40目处理糊化温度最低，其次是60目和80目；糊化温度基本随淀粉含量高而降低，排序均为66>72>76>70，60目中玉米粉66的温度降低最明显；玉米粉糊化温度之间的差异随着粒径的减小而减小，40目时差异极显著，60目和80目时差异减小。从图3可以看出，玉米粉的峰值黏度基本随着颗粒粒径减小呈不断增加趋势，40目峰值黏度最低，60目和80目处理差异不明显；玉米粉的峰值黏度随淀粉含量的升高，基本呈升高趋势，但60-70和60-72升高不明显，80-70反而高于80-72；玉米粉66、70和76的峰值黏度随粒径增加而增加，玉米粉72则呈先增加后略降低趋势。图4显示峰值时间随着粒径的减小而缩短，40目处理峰值时间最长，其次是60目，80目时间最短；但不同处理对不同淀粉含量的玉米粉的峰值时间影响不规律，40目和60目均依次为66>72>70>76，80目则为66>72>76>70；不同玉米粉峰值时间之间的差异随着粒径的减小而增加，40目时差异不显著，60目和80目时差异明显增加，但变化不明显。

表3 不同粒径分布、成分含量与玉米粉糊化特性相关性分析

图2 不同处理的玉米粉糊化温度变化图

图3 不同处理的玉米粉峰值黏度变化图

不同粒度处理下，玉米粉随着粒度的减小糊化时间缩短、所需温度减低，糊化更容易，形成凝胶的黏度也越大，其糊化特性差异显著增加。凝胶黏度的增加主要受玉米粉平均粒径、占比50%以下颗粒粒径减小，以及颗粒表面积增加的影响，同时也受到总淀粉、脂肪、蛋白和直链淀粉含量的影响；颗粒开始糊化温度和时间也受到玉米粉平均粒径、颗粒表面积以及粒径分布，以及有总淀粉、脂肪、蛋白和和损伤淀粉含量的影响。当玉米粉平均粒径越小、小颗粒粒径越小，以及颗粒表面积越大时，糊化温度越低、糊化所需时间越短，峰值黏度也越大，玉米粉越容易糊化，糊化后的黏度也越大。利用激光共聚焦显微镜分析发现，淀粉糊化是水分子通过表面孔状通道进入淀粉颗粒内部，从结构排列较为松散中央区及通道向外扩散的[22，23]。颗粒粒径小和表面积大加速了糊化进程，直链淀粉等可溶性组分更容易析出，峰值黏度增加，淀粉含量72%的80目样品小颗粒粒径明显高于其他80目处理样品(见图1)，所以其峰值黏度低于其他样品。同时，粒径足够小、表面积足够大时，淀粉含量越高越容易发生糊化。研究也显示筛分得到的不同粒径的玉米粉[12，13]、大米粉[24]峰值黏度也随粒径减小而增加，糊化温度随着粒径的减小而增加，从而提高混合粉的吸水率，缩短饺子的蒸煮时间[13,24]。

图4 不同处理的玉米粉峰值时间变化图

2.4 不同粒度分布对玉米粉凝胶特性的影响

达峰值黏度后，玉米粉悬浮液中的淀粉颗粒溶胀、崩解，并在剪切力的作用下黏度降低，凝胶的最低黏度和黏度衰减的情况反映其凝胶特性。从图5可以看出，随着粒径的减小，玉米粉的最低黏度呈先增加后减小的趋势，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目最小；玉米粉最低黏度都随着淀粉含量的升高而增加，但80处理中玉米粉66黏度大于玉米粉70；不同淀粉含量玉米粉的最低黏度之间的差异呈减小趋势，40目处理的最低黏度差异明显，特别是玉米粉76明显大于其他玉米粉，60目时差异逐渐减小，80目时差异不显著。图6显示，不同处理下衰减度随着粒度减小基本呈增加趋势，80目处理衰减值均高于40目和60目，玉米粉66和72的先降低再增加，玉米粉70和76呈增加趋势；随着粒度的减小，不同玉米粉间的衰减值差异增大，40目衰减值不存在差异，60目、80目差异明显增加，80目差异最明显。

玉米粉凝胶在搅拌过程中的最低黏度主要受其成分，特别是总淀粉和脂肪的影响，粒径分布中占比10%以下小颗粒的粒径大小对其影响显著；凝胶衰减程度受到粒径大小、分布，以及玉米粉成分的综合影响，此研究中直链淀粉含量影响不显著。可见，颗粒粒径越小、比表面积越大，玉米粉凝胶的越容易衰减，抗剪切能力越差，特别是小颗粒粒径大小对凝胶特性影响明显；淀粉和直损伤淀粉含量增加、脂肪和蛋白质含量降低，也不利于凝胶的抗剪切能力，凝胶特性差异也显著增加。研究也表明，小颗粒粒径对最低黏度影响显著，粒径越小最低黏度越高[9,13,24]。随着玉米粉粒度的减小，与小麦混合粉的弱化度显著增加，面团的耐搅拌性降低[13]。研究显示，最低黏度是影响马铃薯粉断条的重要因素[25]。可见，小颗粒粒径有可能是影响玉米粉加工品质的重要因素。

图5 不同处理的玉米粉最低黏度变化图

图6 不同处理的玉米粉衰减值变化图

2.5 不同粒度分布对玉米粉回生老化特性的影响

悬浮液在冷却过程中，淀粉溶解度逐步减小，开始重新沉淀，发生老化回生，凝胶的最终黏度与最低黏度，表示了分子重结晶的程度，回升值越大说明越容易老化。从图7和图8可以发现，随着粒径的减小，不同淀粉含量的玉米粉最终黏度和回升值均呈先增加后减小的趋势，所有玉米粉60目的最终黏度最大，除了玉米粉66其他玉米粉的80目都低于40目；各处理中玉米粉最终黏度和回升值基本随淀粉含量升高而增加，但80目处理中玉米粉66的最终黏度高于玉米粉72；不同处理中不同玉米粉间的最终黏度和回升值差异不显著；不同处理中，玉米粉最终黏度和回升值基本随淀粉含量升高而增加。

玉米粉凝胶回生受到总淀粉、直链淀粉和脂肪含量影响，随着淀粉和直链含量增加而增加，随着脂肪含量的增加而减少，与玉米粉颗粒粒径大小和分布关系不显著，不同玉米粉回生特性差异不显著。研究中的冷却过程属于短期回生，主要于直链淀粉分子之间形成双螺旋并堆积有关[26，27]，当玉米粉中淀粉含量、直链淀粉含量高时，悬浮液在冷却过程中直链淀粉聚合量加大，导致最终黏度升高。同时，研究表明淀粉内源脂可以和直链淀粉形成复合物，影响直链淀粉交联和结晶，降低回生凝胶强度[27]，玉米粉中脂肪含量较高，脂肪对最终黏度影响明显。玉米粉颗粒已经糊化崩解，其粒径大小和分布情况未对凝胶的短期回生造成显著影响。可见粒度分布对玉米粉凝胶回生影响作用最小。

图7 不同处理的玉米粉最终黏度变化图

图8 不同处理的玉米粉回升值变化图

3 结论

不同处理下，不同淀粉含量玉米粉的峰值黏度和衰减度随其粒径减小呈增加趋势；最低黏度、最终黏度和回升值均呈先增加后减小趋势；糊化温度和峰值时间呈减少趋势。玉米粉的平均粒径大小分布和主要成分对其糊化能力影响显著，平均粒径越小、小颗粒粒径越小、颗粒表面积越大时，越容易糊化，凝胶峰值黏度也越大，玉米粉间糊化特性差异越显著；总淀粉越多、脂肪和蛋白越少时，也更容易糊化，峰值黏度也越高。小颗粒粒径大小、主要成分和损伤淀粉含量对玉米粉凝胶特性影响显著，颗粒粒径越小、比表面积越大，衰减值越高，凝胶抗剪切能力越差，玉米粉间凝胶特性差异越明显；总淀粉和直损伤淀粉含量升高、脂肪和蛋白质降低，也降低凝胶的抗剪切能力，最低黏度也低。粒径大小与分布对玉米粉回生老化特性影响不显著，主要受其成分含量的影响，最终黏度和回升值随总淀粉和直链淀粉的增加、脂肪的减少而增加。