低氧胁迫下发芽玉米淀粉特性及高γ-氨基丁酸
玉米饮料开发

尹永祺1，吴进贤1，刘春泉2，李大婧2，杨润强1，顾振新1,*

（1.南京农业大学食品科技学院，农业部农畜产品加工与质量控制重点开放实验室，江苏 南京 210095；

2. 江苏省农业科学院农产品加工研究所，江苏 南京 210014）

摘 要：以糯玉米（京甜紫花糯）为试材，研究低氧胁迫下其籽粒发芽期间淀粉特性变化，筛选了高γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）含量的玉米保健饮料的稳定剂及产品配方。结果表明，玉米经低氧胁迫发芽72 h，GABA含量增加12.2倍，达0.65 mg/g，淀粉含量显著下降，淀粉糊透光率降低27.8%，淀粉持水性、持油性和乳化性均增强，淀粉乳化稳定性降低7.4%；玉米匀浆最佳料液比1∶8，最优复合稳定剂为羧甲基纤维素钠0.03%、藻酸丙二醇酯0.09%、海藻酸钠0.04%和黄原胶0.06%，其饮料静置沉淀率最低，仅为3.7%；白砂糖添加量为4.8g/100mL和体系pH值为4.6时，模糊综合评价表明该高GABA玉米饮料达到“容易接受”级别，符合消费者饮用要求。

关键词：发芽玉米；GABA；淀粉特性；功能饮料；复合稳定剂

Starch Properties of Germinating Maize (Zea mays L.) under Hypoxia Stress and Development of
GABA-Enriched Maize Beverage

YIN Yong-qi1, WU Jin-xian1, LIU Chun-quan2, LI Da-jing2, YANG Run-qiang1, GU Zhen-xin1,*

(1. Key Laboratory of Agricultural and Animal Products Processing and Quality Control, Ministry of Agriculture,
College of Food Science and Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China;
2. Institute of Farm Product Processing, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China)

Abstract: In this study, the changes in starch properties during the germination of glutinous maize under hypoxia stress were investigated, and a maize beverage based on germinating glutinous maize rich in γ-aminobutyric acid (GABA) was developed with an optimized composite stabilizer. The results suggested that the GABA content in maize was 0.65 mg/g, which was increased by 13.2 folds; starch content was significantly decreased and the transparency of starch paste and the stability of starch emulsion were reduced by 27.8% and 7.4%, respectively, but water absorption capacity, oil absorption capacity and emulsifying activity were increased after 72 h germination under hypoxia stress. The optimal solid-to-water ratio for maize slurry was 1:8. The optimal composite stabilizer for the beverage consisted of 0.03% carboxyl methyl cellulose, 0.09% propylene glycol alginate, 0.04% sodium alginate and 0.06% xanthan, resulting in the lowest static precipitation rate of only 3.7%. Fuzzy comprehensive evaluation indicated that the beverage with 4.8 g/100mL white granulated sugar added at pH 4.6 was acceptable to consumers and met consumer requirements.

Key words: germinated maize; GABA; starch properties; functional beverage; composite stabilizers

中图分类号：TS210.2 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2014）06-0234-06

doi:10.7506/spkx1002-6630-201406050

玉米（Zea mays L.）是我国重要的粮食经济作物，其营养丰富，含有淀粉、维生素、矿物质和多种功能保健成分[1]。然而由于玉米氨基酸结构不合理、蛋白质生物价低、营养素吸收利用率低以及含有大量不溶性膳食纤维等原因[2]，制约了玉米的膳食应用和食用加工产业的发展。

玉米经发芽处理不仅能提升玉米营养品质[3]，降低抗营养因子水平，改善口感，优化食用加工性能[4]，尤其在逆境条件下发芽其γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）等功能成分显著增加[5]。GABA是哺乳动物中枢神经系统中主要的抑制性神经递质，已被国家卫生部批准为新资源食品，其具有改善大脑血液循环、降低血压、治疗癫痫和痛风等多种功效[6-7]。目前，国内外已对GABA在茶叶[8]、粟谷[9]、蚕豆[10]、大豆[11]和糙米[12]等植物性食品原料中的富集技术及其产品开发进行了大量研究。然而以富含GABA发芽玉米为原料开发的功能食品型玉米产品还未见报道。开发高GABA玉米保健饮料不仅能充分保留GABA等对人体健康有益的营养成分，增加膳食纤维的摄入量，解决居民膳食营养失衡的现代病，还具有口感好、饮用方便、更易吸收的优点，符合饮料发展与消费趋势[13]。此外，由于玉米中淀粉含量高达76%，因此研究玉米原料中淀粉特性有助于了解其加工性能以利于玉米饮料的研制。

本研究以糯玉米为试材，研究低氧胁迫下玉米富集GABA期间其淀粉特性的变化，并以制得的富含GABA发芽玉米为原料，筛选产品配方及稳定剂，开发新型高GABA玉米保健饮料，以期为玉米功能食品开发提供技术支持，推动玉米深加工产业的科学化发展。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米为京甜紫花糯由北京燕禾金农业科技发展中心提供，原料于2012年收获后封装于聚乙烯密闭容器中，4℃保存备用；GABA标准品和对二甲氨基苯磺酰氯 美国Sigma公司；羧甲基纤维素钠（caboxy methyl cellulose，CMC）、结冷胶和黄原胶 上海统一生物科技有限公司；黄原胶、CMC、海藻酸钠、藻酸丙二醇酯（propylene glycol alginate，PGA）、单甘酯、蔗糖酯、白砂糖、柠檬酸和苹果酸均为食品级；其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

1200 Series高效液相色谱仪 美国Agilent公司；UV-2802型紫外-可见分光光度计 尤尼柯（上海）仪器有限公司；BCD-185HFA型冰箱 澳柯玛股份有限公司；818型pH测试仪 美国Orion科学仪器公司；HR1821打浆机 飞利浦家庭电器有限公司；SHP-60-60高压均质机 上海科学技术大学机电厂。

1.3 方法

1.3.1 玉米低氧胁迫发芽期间淀粉特性研究

称取成熟饱满未破损的玉米籽粒20 g，于体积分数1%的次氯酸钠溶液浸泡消毒30 min，用离子水冲洗至pH值中性后，置于培养箱中于30 ℃黑暗条件下浸泡12 h。浸泡后的玉米籽粒用去离子水润洗数次后，以200 mL去离子水为培养液，通入空气（通气量1.0 L/min），于30 ℃浸泡发芽3 d，每隔12 h取样测定GABA含量和淀粉含量及其特性。玉米发芽期间，每隔12 h更换培养液，直至培养结束。

1.3.2 高GABA玉米保健饮料工艺流程

糯玉米→消毒浸泡→低氧胁迫发芽→制浆→煮浆→调配→均质→脱气→热灌装、灭菌→高GABA玉米饮料

1.3.3 玉米制浆料液比实验

取经低氧胁迫发芽72 h的发芽玉米，除去表面水分后，分别按料液比（g/mL）1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9和1∶10添加纯净水于室温匀浆，测定匀浆液可溶性固形物含量。

1.3.4 玉米饮料稳定性实验

稳定剂制备：按质量分数0.3%分别称取CMC、黄原胶、海藻酸钠和PGA，溶于80 ℃水中并保温搅拌至胶体溶解，呈均一、半透明状，贮于常温备用。

单一稳定剂添加实验：按料液比（g/mL）1∶8制得玉米浆，于90 ℃糊化20 min，调节pH值至4.6且添加4.8 g/100 mL白砂糖后，分别加入不同质量分数单一稳定剂，搅拌至溶解均匀于25 ℃贮藏，观察样品5 d后分层现象。

复合稳定剂正交试验：根据单因素试验结果，选择CMC、PGA、海藻酸钠和黄原胶作为4 种因素，考察它们对玉米乳饮料稳定性的影响，设计四因素四水平正交试验。饮料于25 ℃贮藏15 d后测定其静置沉淀率。

1.3.5 糖酸添加实验

按料液比（g/mL）1∶8制得玉米浆于90 ℃糊化20 min后，分别添加3.2、4.0、4.8、5.6 g/100 mL的白砂糖，将添加不同糖量的玉米乳饮料分别用1%（v/v）的柠檬酸和苹果酸（1∶1）调pH值至4.2、4.4、4.6、4.8和5.0，对复合浆口味进行感官评价以挑选出最优糖添加量和pH值。

表 1 高GABA玉米饮料感官评价标准表

Table 1 Criteria for sensory evaluation of GABA-enriched maize beverage

1.3.6 指标测定

GABA含量：参照Yang等[10]方法测定，以干质量计；总糖含量：苯酚-硫酸法[14]测定；可溶性固形物含量：采用折光仪法[15]测定；静置沉淀率：参照刘娟等[16]方法测定；淀粉含量：参照于鲁浩等[17]方法测定，以干质量计；淀粉糊透光率：参照Craig等[18]方法测定；持水性、持油性、乳化性和乳化稳定性：参照Elkhalifa等[19]方法测定；菌落总数、大肠菌群、霉菌、酵母菌及致病菌的检测参照GB/T 4789.21—2003《食品卫生微生物学检验：冷冻饮品、饮料检验》测定。

2 结果与分析

2.1 GABA和淀粉含量

图 1 玉米低氧胁迫发芽期间GABA和淀粉含量的变化

Fig.1 Changes in GABA and starch contents of maize during germination under hypoxia

低氧条件下发芽0～72 h期间，玉米中GABA含量和淀粉含量随发芽时间的延长呈相反趋势，GABA含量逐渐增加，而淀粉含量持续下降（图1）。发芽72 h时，玉米GABA含量为发芽0 h的13.2倍，达0.65 mg/g，而淀粉含量为502.24 mg/g，仅为发芽初始的80%。

2.2 玉米淀粉糊透光率

图 2 玉米发芽过程中淀粉糊透光率的变化

Fig.2 Changes in starch paste transparency during germination under hypoxia

图2表明玉米发芽期间，其淀粉糊透光率随发芽时间延长呈逐渐下降趋势。低氧胁迫下发芽0～36 h内，淀粉糊透光率无显著性差异，随后其显著下降。发芽72 h时玉米淀粉糊透光率仅为发芽初始的72.2%。

2.3 淀粉持水性和持油性

由图3及图4可知，玉米淀粉持水性和持油性经过发芽均有所改变，二者均呈逐渐增强趋势。淀粉持水性在萌发后显著增强，发芽72 h时持水率达到193%，是浸泡处理后玉米中淀粉的1.21倍。玉米淀粉持油能力低于其持水能力，发芽0～24 h内持油率无显著性变化，其后显著增加，发芽60 h时持油率最高达96.7%，是发芽初始的1.2倍。这说明发芽能显著改变淀粉结构，从而增强其持水率和持油率。

图 3 玉米发芽过程中淀粉持水性的变化

Fig.3 Changes in water absorption capacity of starch during germination

图 4 玉米发芽过程中淀粉持油性的变化

Fig.4 Changes in oil absorption capacity of starch during germination

2.4 淀粉乳化性和乳化稳定性

不同字母表示差异性显著（P＜0.05），大小写字母代表不同指标。

图 5 低氧胁迫期间玉米淀粉乳化性和乳化稳定性的变化

Fig.5 Changes in emulsifying activity and emulsion stability of starch during germination under hypoxia

玉淀粉的乳化性及其乳化性稳定性随发芽进程的变化趋势如图5所示。淀粉乳化性在发芽48 h内无显著变化，其后乳化性显著增强，发芽72 h后淀粉乳化性增强17.7%。玉米淀粉乳化稳定性发芽48 h后无显著性变化，发芽72 h相较发芽0 h下降7.4%。

2.5 玉米匀浆料液比

图 6 不同料液比对高GABA玉米饮料的影响

Fig.6 Effects of different maize/water ratios on total soluble solid content of GABA-enriched maize beverage

由图6可看出，在料液比1∶5～1∶10范围内，随着料液比的减小，玉米乳饮料可溶性固形物含量呈先增加后降低趋势，在料液比为1∶8时固形物含量最高。以可溶性固形物含量为指标，确定最佳料液比为1∶8。

2.6 玉米饮料稳定性实验

2.6.1 单一稳定剂对玉米饮料静置稳定性的影响

静置稳定性是饮料产品货架期内的直接感官指标。如表2所示，0.06%～0.1%的黄原胶和海藻酸钠对保持3 d内玉米饮料体系稳定性具有良好的效果，静置3 d仍可保持稳定，CMC和PGA在添加0.15%情况下只能保持体系1～2 d的稳定。

表 2 单一稳定剂对高GABA玉米饮料静置效果

Table 2 Effect of single stabilizers on the stability of GABA-enriched maize beverage

注：– . 稳定；↓. 分层。

2.6.2 复合稳定剂正交试验

表 3 高GABA玉米饮料稳定性正交试验结果

Table 3 Results of orthogonal array design for the optimization of composite stabilizer for GABA-enriched maize beverage

如表3所示，极差分析表明黄原胶显著影响玉米乳饮料体系稳定性，但是单一的黄原胶稳定效果并不佳，与其他3种稳定剂复配后，由于协同效应的作用，复配后的稳定剂能够有效的保持玉米乳饮料的稳定均一。优化得到最优稳定剂复配方案为：CMC 0.03%、PGA 0.09%、海藻酸钠0.04%和黄原胶0.06%。

2.6.3 验证实验

按正交试验优化的最优复合稳定剂进行验证性实验，以确保实验的准确性。表4表明，最佳组合自然沉淀率低于随机组合。按最优组合添加稳定剂，玉米乳饮料在25 ℃条件下贮藏15 d体系稳定均一，故本研究确定的复合稳定剂合理。

表 4 验证性实验设计和结果

Table 4 Results of validation experiments

2.7 糖和pH值对玉米保健饮料的影响

采用模糊数学中的七度标度法对玉米乳饮料酸甜口感评分进行分析[20]，评语论域为V＝1，2，3，4，5（1：无法接受；2：勉强接受；3：稍易接受；4：容易接受；5：最易接受）根据玉米乳饮料的特性在对玉米饮料酸甜敏感的人员中选取10 人，经过训练后组成评价小组，对玉米饮料进行评定，以挑选出最优糖添加量和pH值。设玉米饮料的评定领域U＝（色泽，香气，口味，腥味），由专家及品评人员确定模糊权向量为X＝（0.2，0.2，0.3，0.3），加权评分结果如表5所示。

表 5 高GABA玉米饮料配方评定结果

Table 5 Results of sensory evaluation for different formulas of GABA-enriched maize beverage

由表5可看出，实验13的评分最高，玉米饮料中白砂糖添加量为4.8 g/100 mL，pH值为4.6时，玉米饮料糖酸添加量最易接受。

2.8 富含GABA玉米乳饮料模糊综合评价

由10 名品评人员（K=10）对白砂糖添加量为4.8 g/100 mL，pH值为4.6的玉米饮料产品进行各项指标的评判，统计结果如表6所示。

表 6 高GABA玉米饮料评分统计结果

Table 6 Statistical results for sensory evaluation of GABA-enriched maize beverage

由表6得到模糊数学的关系矩阵R结合模糊权向量X，得到品评人员对豆乳的模糊综合评判结果为：

Y＝X ×R＝（0.00，0.03，0.24，0.43，0.30）

即品评人员“最易接受”这种高GABA玉米饮料的比例为30%，“容易接受”的比例为43%，“稍易接受”的比例为24%，“勉强接受”的比例为3%，“无法接受”的比例为0%。按最大隶属原则，该高GABA玉米饮料达到“容易接受”级别。

2.9 高GABA玉米饮料质量评价

2.9.1 理化指标

高GABA玉米饮料理化指标见表7。

表 7 高GABA玉米饮料理化指标

Table 7 Physical and chemical indexes of GABA-enriched maize beverage

2.9.2 微生物指标

菌落总数（CFU/mL）＜30；大肠菌群（最大可能数/100 mL）＜18；霉菌（CFU/mL）＜10；酵母（CFU/mL）＜10；致病菌未检出。

3 讨论与结论

成熟干燥的玉米籽粒经过吸胀和调控发芽，能恢复其生理活性[3]，改善营养结构[21]，富集功能性成分[5]，还能提升食用性能[4]。将发芽且富集GABA的玉米加工成玉米饮料，可提高玉米的商品价值和膳食价值，弥补现代饮食中膳食纤维缺乏的缺陷[13]，拓宽玉米的食用范围。

玉米中淀粉含量高达76%，对玉米发芽期间淀粉性质的研究有助于掌握玉米发芽进程，了解发芽玉米食用性能。本研究中玉米淀粉透光性在其发芽36 h后开始显著下降，这是淀粉分解、小分子多糖增加、产生折射和散射现象的结果[22]。这表明淀粉酶解供能并非前36 h发芽过程中主要途径，随着种子萌发，淀粉酶活力逐渐增强，在发芽8～10 d时α-淀粉酶和β-淀粉酶活力达到最高[23]。刘娟等[3]指出，玉米发芽2～3 d后淀粉酶产生。玉米淀粉持水能力和持油能力随发芽的进程增强，也有学者研究豇豆[24]、绿豆[25]、小扁豆和鹰嘴豆[26]经过发芽后，其淀粉持水和持油能力均有增强。Elkhalifa等[19]指出，这是发芽提高蛋白含量和质量以及多糖分子降解的结果，而玉米淀粉持油性的提升是淀粉包埋的蛋白质非极性残基暴露的结果。淀粉持油性是物理截留油脂的能力，持油能力的提升有利于玉米食品体系乳化稳定[27]。玉米淀粉乳化性在发芽48 h内无显著差异，但其后乳化性增强。由此推测，低氧胁迫发芽到一定程度时，玉米淀粉颗粒破碎和基团暴露，同时可溶蛋白含量增加，并作为表面活性物质在玉米淀粉体系中起乳化作用，提高玉米淀粉的乳化性。玉米淀粉乳化稳定性随发芽时间的延长缓慢降低，但连续性变化无显著性差异，表明玉米发芽对淀粉性质的改变是一个缓慢的过程。

本研究以采用低氧胁迫发芽的全粒糯玉米为原料，保留了玉米中营养素[28]。通过实验确定了玉米饮料浓度在料液比为1∶8时最佳，此时饮料固形物含量较好的溶出但又不至于口感稀薄，淀粉充分混匀分散，体系稳定性高。饮料的糖酸添加量对于产品的风味口感影响很大，而且有利于饮料体系的稳定[29]。本研究开发的高含量GABA玉米饮料设定为偏酸性饮料，利于体系稳定和提高杀菌效果。玉米饮料因悬浊体系组成复杂，含有多种成分，分散在水介质中属悬浮液水溶胶，是典型的热力学不稳定体系，其在生产和贮藏过程中易发生胶凝结块和沉淀分层，影响产品感官品质[30]。本研究优化对玉米饮料体系稳定效果较佳的稳定剂复合配方，其中黄原胶和PGA对玉米乳饮料稳定性影响较大，稳定机制可能是一方面通过氢键与水作用，使胶体大分子分散在液相体系中，另一方面利用螺旋区域包裹淀粉颗粒，从而防止淀粉与水相分离[31]。稳定剂复配使用，能够起到协同作用，稳定效果好于单一稳定剂，而且添加量少，对产品口感的影响可降到最低。

玉米经低氧胁迫发芽，其GABA含量达0.65 mg/g，淀粉含量显著下降，淀粉持水性、持油性和乳化性均增强，而淀粉乳化稳定性降低；玉米匀浆最佳料液比1∶8，最优复合稳定剂为CMC 0.03%、PGA 0.09%、海藻酸钠0.04%和黄原胶0.06%，白砂糖添加量为4.8 g/100 mL和体系pH值为4.6时，模糊综合评价表明该高GABA玉米饮料达到“容易接受”级别，符合消费者饮用要求。

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