不同玉米品种理化特性及淀粉品质的研究

郭爱良， 周湘寒， 姚亚亚， 赵国民， 刘孟宜， 周晨霞， 李慧静

(河北农业大学食品科技学院，保定 071000)

玉米是重要的粮食、饲料和生物燃料来源[1]。不同品种的玉米，理化指标也存在一定程度的差异。玉米籽粒中，以淀粉干基计，淀粉质量分数高达70%[2]，因此玉米深加工的主要产品为玉米淀粉。高君慧等[3]将玉米品种按用途分为粮用型、饲用型及其他特殊用途的品种四大类。高油玉米可加工成食用油，还为化工业提供原料；高赖氨酸玉米又称优质蛋白玉米，堪比脱脂奶粉；高淀粉玉米应用于食品、医药等工业。因此，研究不同品种玉米的特点，可最大限度发挥玉米的应用价值。

王丽等[4]研究表明不同类型的淀粉及同一类型不同品种的直链淀粉含量均差异显著，马铃薯、小米、玉米淀粉中直链淀粉含量差异显著；普通玉米与蜡质玉米因类别不同，直链淀粉含量也存在差异。Rahman等[5]研究发现高淀粉玉米中直链和支链淀粉含量均提高。

直链、支链淀粉含量直接影响食品的品质特性[4]。张旭东等[6]研究发现玉米粉及淀粉的特性与直链淀粉含量相关。玉米粉及玉米淀粉的溶解度和膨润力与直链淀粉含量呈负相关，熔融起始温度、峰值温度、终止温度与其呈正相关；玉米粉的糊化温度与其呈正相关，峰值黏度、最终黏度、衰减值、回生值与其呈负相关。Hagenimana等[7]及Sandhuk等[8]研究发现，随支链淀粉含量升高，淀粉结构疏松开放，膨润力及溶解度均呈增大趋势。高卫帅等[9]对不同玉米淀粉理化及质构特性的研究发现直链淀粉含量不同，淀粉的理化及质构特性差异显著。研究不同品种玉米淀粉理化及品质性质可为玉米淀粉深加工领域选用优质专用原料提供依据[10]。目前关于河北省玉米品种及淀粉品质特性研究较少，本实验对河北省所选的15种主栽品种的玉米所加工的玉米粉、玉米淀粉及淀粉糊的加工品质进行研究，采用聚类分析的方法将15种玉米分类，指出不同类型玉米品种的应用领域，旨在为玉米育种和生产加工提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米品种：先玉335、农大372、蠡玉86、沧玉76、伟科702、伟科966、华农138、郑单958、金亿农518、中科玉505、京科968、万糯2000、秋乐117、衡玉8号、金农大777。

马铃薯直链淀粉标准品、玉米支链淀粉标准品；无水亚硫酸钠、氢氧化钠、盐酸、浓硫酸、硫酸铜、硫酸钾、石油醚、冰乙酸、酒石酸钾钠等均为分析纯。

1.2 仪器与设备

TMS-PRO质构仪，Viscograph-E黏度仪，SU8010型扫描电子显微镜，D8 ADVANCE X射线衍射仪；752N型分光光度计，L3660D低速离心机，101-0AB电热鼓风干燥箱，AK-4008中药粉碎机，NR60CP色差计，WSB-VI智能白度测定仪，JYL-C012料理机，H.SWX-600BS恒温水浴锅，KDN-08C凯式定氮仪。

1.3 方法

1.3.1 玉米粉及玉米淀粉的制备

玉米籽粒经筛选除杂后置于中药粉碎机中，将玉米籽粒磨成玉米粉，并过80目筛，即得到玉米粉。原料除杂、筛选、称重→玉米浸泡(采用质量分数0.4%的亚硫酸钠溶液以料液比(g/mL)1/3于53 ℃浸泡72 h)→粗磨→胚芽提取→细磨→粗、细纤维洗涤→沉积过夜→麸质、淀粉分离→离心脱水→恒温干燥→玉米淀粉[11]。

1.3.2 玉米粉理化指标测定

白度参照WSB-VI智能白度测定仪使用说明测定；色差：采用色差仪测定。每个样品取3个不同的位置测定，L*代表亮度值，a*表示红绿值，b*表示黄蓝值。蛋白质含量参照GB 5009.5—2016中凯式定氮法；脂肪含量参照GB 5009.6—2016中的索氏抽提法；淀粉含量参照GB 5009.9—2016中的酶水解法。

1.3.3 玉米淀粉的基本指标测定

淀粉中直链淀粉含量：参照GB 7648—1987；淀粉糊的透明度：将淀粉配制成10 g/L的淀粉乳，沸水浴加热搅拌30 min后冷却至室温，以蒸馏水为参比，用分光光度计在620 nm处测定透光率[12]。淀粉的持水率：称取0.5 g样品(干基)，记为m，置于离心管中，称重m1；加10 mL去离子水，常温振荡1 h后，4 000 r/min离心15 min，弃掉上清液，将离心管口倾斜45 °，静置10 min后，再弃掉上清液，吸干管壁上的水，称其质量m2[13]。按式(1)计算持水率。

持水率=(m2-m1)/m

(1)

式中：m为称取样品的质量/g；m1为离心前管和样品的质量/g；m2为离心后管和样品的质量/g。

淀粉的溶解度与膨润力：参照Guo等[14]方法并略作修改。将0.5 g样品和25 mL蒸馏水加入50 mL离心管中，80 ℃水浴30 min，每5 min搅拌1次。3 000 r/min离心15 min后，将上清液中的淀粉悬浮液倒入培养皿中，并在105 ℃干燥10 h，称量干燥残留物质量。按式(2)计算溶解度，按式(3)计算膨润力。

溶解度S=A/W×100%

(2)

膨润力B=P/W(1-S)×100%

(3)

式中：A为离心后上清液烘干后淀粉质量/g；W为绝干淀粉质量/g；P为离心后沉淀物质量/g。

淀粉糊的冻融稳定性：参照Liu等[15]方法并略作修改。配制质量分数6%的淀粉乳，95 ℃水浴30 min，不断震荡，然后冷却至室温，将样品放入-18 ℃的冰箱中冻藏24 h，然后室温下解冻4 h，以4 000r/min离心20 min，弃掉上清液，称沉淀物质量，冻融次数4次。按式(4)计算析水率，以析水率表示冻融性。

析水率=(m1-m2)/m1×100%

(4)

式中：m1为离心前样品质量/g；m2为离心后弃去上清液的样品质量/g。

淀粉糊的凝沉性：参照翟娅菲等[16]的方法并略作修改。将绝干淀粉样品配制成质量分数为1%的乳液，95 ℃水浴30 min并不断搅拌，冷却后将淀粉糊倒入试管，每1 h记录上清液体积，记录12 h。

淀粉的糊化特性：参照 GB/T 5506.2—2008测定。

淀粉糊凝胶的制备及质构分析：参照侯汉学等[10]方法制备淀粉凝胶。糊化特性测定后，将淀粉糊倒入平皿，冷至室温后，盖上保鲜膜，于4 ℃放置24 h。参照邓峰[17]的方法测淀粉的凝胶质构，采用P/36R型探头，测前速率1.00 mm/s；测试速率2.00 mm/s；测后速率2.00 mm/s；压缩程度30%；2次压缩停留时间2 s；压缩次数2次。

淀粉的微观结构：取适量的淀粉粒黏附于载物台，用离子溅射仪表面喷金，用扫描电镜观察并拍照。

淀粉的结晶结构：参照王亚丹[11]方法并略作修改。采用X-射线衍射仪测定样品的结晶结构，管压电压40 kV，管流40 mA。特征射线Cu-Kα，扫描速度4°/min，扫描区域5°～45°，步长0.02°，扫描得到样品的X-射线衍射图，采用JADE软件分析淀粉结晶度。

1.4 数据统计与分析

每组实验均设置至少2个平行，数据分析采用SPSS 20.0软件，选用Duncan’s检验比较多组实验数据之间的差异，P<0.05表示差异显著，采用Origin 2019b软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同品种玉米粉、色差

不同品种玉米粉的白度、色差如图1所示。因糯玉米籽粒呈乳白色而普通玉米籽粒为黄色，万糯2000玉米粉白度高于普通玉米。华农138的亮度最高，伟科702的亮度最低；万糯2000具有偏红绿和偏黄蓝程度较小；伟科966黄绿值偏大，该品种玉米颜色较其他好。该研究结果与李文钊等[18]对不同粒度玉米粉色差测定结果相近但略有差异，这可能与玉米品种、水分含量及粒度等有关。

注：玉米品种1～15分别为先玉335、农大372、蠡玉86、沧玉76、伟科702、伟科966、华农138、郑单958、金亿农518、中科玉505、京科968、万糯2000、秋乐117、衡玉8号、金农大777。同一指标小写字母不同表示差异显著(P<0.05)。余同。图1 不同品种玉米粉的白度、色差值

2.2 不同品种玉米的蛋白质、脂肪、淀粉含量

不同品种玉米粉的蛋白、脂肪、淀粉含量如图2所示。因品种不同，玉米粉的蛋白、脂肪、淀粉含量存在差异。蠡玉86玉米粉的蛋白质、含量较低，淀粉易被提取；金亿农518的蛋白含量最高，可用于玉米蛋白的加工[3]。农大372的脂肪含量最低；万糯2000的脂肪含量最高，若在施肥过程中, 注意氮、磷、钾合理配施[19]，其有待成为高油玉米[3]。根据高君慧等[3]的研究，万糯2000、中科玉505、京科968、华农138、郑单958等都属于高淀粉玉米，适于淀粉加工行业。

图2 不同品种玉米淀粉的蛋白、脂肪、淀粉含量

2.3 不同品种玉米淀粉的直链淀粉含量

不同品种玉米淀粉中直链淀粉含量如图3所示。淀粉中直链、支链淀粉含量对淀粉的理化、功能特性有显著影响[4]。糯玉米第9染色体短臂上存在单隐性基因wx，该基因被抑制不能合成直链淀粉[20]。万糯2000淀粉中直链淀粉几乎为0，与高卫帅等[9]研究结果相近；普通玉米籽粒中颗粒结合型淀粉合成酶负责直链淀粉的合成；淀粉分支酶、可溶性淀粉合成酶和淀粉去分支酶负责支链淀粉的合成；同时与同工酶作用，调控直、支链淀粉含量[21]。该研究中普通淀粉的直链淀粉含量与侯汉学等[10]研究山东不同品种玉米淀粉的相近。因此，不同地区玉米淀粉中直链淀粉含量差异不显著。

图3 不同品种玉米淀粉中直链淀粉含量

2.4 不同品种玉米淀粉糊的透明度、持水率

淀粉糊的透明度、持水率如图4所示。淀粉的透光率反映淀粉与水互溶的能力及膨胀程度[4]。万糯2000因其支链淀粉含量高，糊化后的支链淀粉分子难以缔合，透明度高；普通淀粉透明度华农138最低，先玉335最高。这与王丽等[4]阐述一致，随直链淀粉含量升高，淀粉透明度降低。淀粉的持水率最低的是蠡玉86，最高的是郑单958。氢键与水相互作用的亲水性位点越多，持水能力越强[22]，该研究中持水率与直链淀粉含量无显著相关性，且郑单958淀粉的持水率略高于万糯2000，这可能与淀粉的结构、氢键的存在及相对分子量等有关[22]。郑单958较高的持水率，适用于作冷冻食品的持水剂。

图4 不同品种玉米淀粉糊的透明度及淀粉的持水率

2.5 淀粉的溶解度与膨润力

淀粉的溶解度与膨润力见图5。淀粉在过量水中加热糊化时，水分子进入淀粉颗粒导致其吸水膨胀，加热获得的热能削弱淀粉颗粒的内键和结合力，无定型直链淀粉浸出，此过程为淀粉吸水膨胀、溶解的过程[23]。万糯2000的溶解度、膨润力最大，普通玉米淀粉中金农大777、郑单958的溶解度与膨润力较好。这与Hagenimana等[7]及Sandhuk等[8]发现随支链淀粉含量升高，膨润力及溶解度均呈增大趋势的结论不一致。郑单958的直链淀粉含量虽高，但溶解度与膨润力也较高，分析原因可能与淀粉组成、结构、淀粉微晶胶束结构等有关[22]。

图5 不同品种玉米淀粉的溶解度与膨润力

2.6 淀粉糊的冻融稳定性

淀粉的冻融稳定性如图6所示。淀粉糊的冻融稳定性是影响淀粉基冷冻食品品质的关键，是衡量淀粉承受冷冻和解冻过程引起的不良物理变化的能力[24]。直支比、淀粉链之间的相互作用、分子的空间结构是影响淀粉冻融稳定性的关键[25]。淀粉的析水率越大，冻融稳定性越差。冻融24 h时，沧玉76、万糯2000的效果较好；冻融48、72、96 h后，均是万糯2000效果好；4次冻融循环中，金农大777的冻融稳定性较其他品种差，秋乐117冻融稳定性较好。此结果与高卫帅等[9]研究结果相近，糯玉米淀粉的冻融稳定性较普通淀粉好。因此，万糯2000、秋乐117适宜冷冻食品的加工，金农大777不适宜冷冻食品的加工。

图6 淀粉糊的冻融稳定性

2.7 淀粉糊的凝沉性

淀粉糊的凝沉性如图7所示。糊化的淀粉放置一段时间，不同淀粉链自动排列成序，葡萄糖单位的羟基形成氢键，重新聚集成不溶性分子微晶束的过程为凝沉[26]。金亿农518凝沉性较其他淀粉差；沧玉76的凝沉性较其他普通淀粉好；万糯2000凝沉性最好，可用于对凝沉性要求较高的饮料工业[26]。这与杨斌等[26]研究结果相近但不完全一致，杨斌等[26]研究发现淀粉分子质量越小、直链淀粉含量越低越不易发生凝沉，华农138直链淀粉含量虽高但凝沉性较好，这可能与淀粉分子的结构、链长等有一定关系[16]。

图7 不同品种玉米淀粉糊的凝沉性

2.8 不同品种玉米淀粉的糊化特性

淀粉的糊化特性如图8所示。糊化特性直接影响产品的品质特性，对产品应用有重要意义[6]。糯玉米淀粉因其直链淀粉含量低，淀粉内部结合不紧密，晶体熔解所需热量小，有较低的糊化温度[27]；峰值黏度，反应淀粉与水结合的能力。最终黏度反应商品的最终状态，如咀嚼感，弹性等。崩解值，反应物料在加热过程中状态变化。回生值反应淀粉糊形成凝胶的难易程度和凝胶硬度[28]。综合分析，普通淀粉中沧玉76最易糊化，回生值最高，适用于凝胶类食品；衡玉8号最终黏度和回生值最低，适于添加到汤类食品中；农大372具有较高的峰值黏度和较低的崩解值，对加工操作的要求低；万糯2000有较好的糊化特性，可用于食品的增稠剂、稳定剂，且回生值最小，适用于添加到汤汁类食品中。

图8 玉米淀粉的糊化特性

2.9 不同品种玉米淀粉糊的凝胶质构特性

淀粉的凝胶特性如图9所示。凝胶是完全糊化的淀粉经冷却，体系从高能态变为低能态，乱序分子重新排序的过程[29]。质构特性是评价食品品质的重要指标，反应淀粉的加工特性。郑单958因其具有较高的直链淀粉含量，咀嚼性、回复性、弹性、胶黏性、内聚性和硬度较大，且回复性与万糯2000的接近。万糯2000因其极高的支链淀粉含量，具有较低的硬度、弹性、胶黏性、内聚性和咀嚼性和较高的回复性。结果表明，糯玉米淀粉老化程度较普通玉米淀粉低，该结果与高卫帅等[9]研究结果相近，即糯玉米淀粉的老化程度较普通玉米淀粉低。

图9 不同品种玉米淀粉糊的凝胶质构特性

2.10 淀粉的微观结构

不同品种玉米淀粉颗粒具有不同的外貌形状，主要由于不同品种玉米淀粉的基因型以及生长环境不同所导致。由图10可看出，不同品种玉米淀粉的扫描电镜图类似，淀粉分子呈不规则多面体形状，淀粉颗粒表面具有一定数量的棱角，万糯2000玉米淀粉中棱角较普通玉米淀粉显著，淀粉呈不规则的多角形，糯玉米淀粉与普通淀粉形态上的区别可能是直链、支链淀粉结晶结构不同导致的[30]；郑单958的微观结构中有一个淀粉颗粒较其他颗粒大，可能是分离后淀粉的研磨操作和干燥程度不同导致。

图10 不同品种玉米淀粉的微观结构

2.11 不同品种玉米淀粉的结晶结构

淀粉的衍射曲线和结晶度如图11所示。淀粉衍射曲线均由尖峰衍射和弥散衍射特征构成，这是由于淀粉颗粒由结晶区和非结晶区组成[11]。玉米淀粉和糯玉米淀粉颗粒均在15°、17°、18°、20°和23°处有特征衍射峰，因此所选的5种玉米淀粉均为A型淀粉，该结果与高金梅[13]的研究结果一致。这几种淀粉的衍射峰值位置相同，峰形相似，结晶度存在差异，结晶度的结果与王亚丹[11]的研究结果相近，结晶度与直链淀粉含量并无显著相关性。高金梅[13]提到结晶区由直链和支链淀粉共同组成，在直链淀粉存在条件下，能达到更高的结晶度；且淀粉的链长、内部结构的规则性、双螺旋结构之间的相互作用等也影响结晶度的大小，导致淀粉的功能特性存在差异[4,31]。玉米支链淀粉所含短链越多，支链淀粉聚合度越高，淀粉的结晶度越低[13]。万糯2000、郑单958、华农138三者的结晶度接近。除万糯2000淀粉的性质最佳，华农138和郑单958的结构与万糯2000接近，因此二者的凝沉性和溶解度分别较其他普通玉米淀粉好。而先玉335、蠡玉86并没有因直链淀粉含量低而凝沉性好，可能是由于二者淀粉内部结构所致。

图11 不同品种玉米淀粉的X-射线衍射和结晶度

2.12 不同品种玉米淀粉聚类分析

本研究种所选的15个玉米品种中，1种为糯玉米，其他14种为普通玉米。聚类分析采用的样本是14种普通玉米。对这14种普通玉米淀粉的直链淀粉含量、透明度、持水率、溶解度、膨润力、冻融稳定性、凝沉性、糊化特性、凝胶质构特性等18个指标数据根据淀粉性质进行系统聚类，得到谱系图。如图12所示，在平方Euclidean距离为10处，将14种普通玉米根据淀粉性质分为3类。Ⅰ类是先玉335、蠡玉86、伟科702、郑单958、秋乐117、伟科966、华农138、农大372、沧玉76；Ⅱ类是金亿农518、金农大777、中科玉505和京科968；Ⅲ类是衡玉8号。

图12 不同品种玉米聚类分析谱系图

通过对4类玉米的淀粉性质进行方差分析，万糯2000因其具有极高的支链淀粉含量，较普通淀粉有良好的透明度、溶解性、凝沉性、冻融稳定性及糊化特性，可用作食品增稠剂、稳定剂；适用于饮料工业、冷冻食品工业等。

表1 不同类别玉米淀粉的性质指标结果

普通玉米中Ⅰ类淀粉的直链淀粉含量较Ⅱ、Ⅲ类较低；较Ⅱ、Ⅲ类玉米淀粉的膨润力、凝沉性、糊化特性及胶黏性好。因此，Ⅰ类淀粉适合作饮料及蒸煮类食品中的增稠剂、稳定剂等。Ⅱ、Ⅲ类玉米淀粉的直链淀粉含量相近。Ⅱ类玉米淀粉较Ⅰ、Ⅲ类玉米淀粉的持水率高，适合添加到速冻食品中作持水剂。Ⅲ类玉米淀粉较Ⅰ、Ⅱ类玉米淀粉的透明度、溶解度、冻融稳定性好；较Ⅰ、Ⅱ类玉米淀粉的硬度、胶黏性小；较Ⅰ、Ⅱ类玉米淀粉的内聚性、弹性、回复性、咀嚼性大。因此Ⅲ类玉米淀粉适合应用于冷冻中作水分保持剂及添加到凝胶类食品中作稳定剂，改善食品的质构特性，如速冻水饺、酸奶、香肠等。

3 结论

15个河北省主栽玉米品种的玉米粉的白度、色差、蛋白质、脂肪、淀粉含量存在差异，万糯2000可作为高油玉米；万糯2000、中科玉505、京科968、华农138、郑单958等都属于高淀粉玉米，适用于淀粉加工行业，广泛用于食品、医药等工业。

根据淀粉性质15种玉米分为糯玉米和普通玉米两大类，普通玉米经聚类分析，可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类。其中糯玉米万糯2000可作食品增稠剂、稳定剂，适用于饮料和冷冻食品工业等。普通玉米Ⅰ类是先玉335、蠡玉86、伟科702、郑单958、秋乐117、伟科966、华农138、农大372、沧玉76，适合作饮料及蒸煮类食品中的增稠剂、稳定剂等，广泛用于食品工业；Ⅱ类是金亿农518、金农大777、中科玉505和京科968，适合作速冻食品的持水剂；Ⅲ类是衡玉8号，适用于冷冻食品和凝胶类食品，可以改善食品质构特性。