冷等離子處理對玉米籽粒外觀及結構的影響

李瑞敏 張忠杰 姚 渠 王水寒,2 尹 君

(國家糧食和物資儲備局科學研究院1，北京 100037) (吉林大學生物與農(nóng)業(yè)工程學院2，長春 130022)

玉米是我國的三大主糧之一，既可食用，又是生產(chǎn)玉米淀粉和乙醇的重要原材料[1]。玉米收獲時受季節(jié)影響初始含水率一般為20%～26%，若不及時干燥就易發(fā)生霉變，而霉菌等微生物代謝產(chǎn)物黃曲霉毒素也會危害人畜健康[2, 3]。目前，工業(yè)上多采用熱風干燥方法烘干玉米，但因玉米籽粒表面的蠟質(zhì)層會阻礙玉米籽粒內(nèi)部濕熱遷移，進而減緩玉米干燥速率。當籽粒受熱溫度超過60 ℃時，玉米的裂紋率與脂肪酸值均增大、酶活性下降；玉米含水率越高，其品質(zhì)指標受熱風溫度影響越大[4]，因此為優(yōu)化玉米干燥工藝參數(shù)、最大限度地保持其品質(zhì)，等離子、超聲波等非熱處理技術逐漸得到應用[5, 6]。

冷等離子(cold plasma)的氣體溫度<60 ℃，主要由離子、自由電子、激發(fā)態(tài)原子、游離態(tài)原子和中性分子組成[7]，其含有的大量高能電子、活性氧(ROS)、活性氮(RNS)等活性粒子，在電場作用下易與食品中的大分子發(fā)生理化反應[8]。Zahoranova等[9]發(fā)現(xiàn)冷等離子作用于小麥種子可使其表面有害微生物減少、種子生物活性提高，Zhang等[10]研究進一步證明等離子技術可促進種子發(fā)芽，提高老化種子的發(fā)芽率。Agata等[11]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)冷等離子處理可顯著降低小麥和大麥籽粒的微生物負荷，表明冷等離子技術是一項有前途的谷物去污方法。而Sidhant[12]則以玉米、木薯淀粉為研究對象，發(fā)現(xiàn)冷等離子處理可提高淀粉的糊化黏度、結合力和膨脹力。Li等[13]通過對玉米籽粒進行原子力顯微鏡觀察(AFM)發(fā)現(xiàn)，冷等離子處理可顯著增加玉米籽粒表面粗糙度。目前，冷等離子處理對高水分玉米籽粒的結構及品質(zhì)的影響研究較少，本實驗擬采用冷等離子體處理儀、冷凍干燥機、掃描電子顯微鏡等儀器，研究冷等離子處理儀功率不同時對高水分玉米籽粒外觀及結構的影響，為后續(xù)冷等離子處理對玉米干燥過程及干燥品質(zhì)的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

同批次先玉335玉米，2018年收獲，含水量(21±1)%(w. b.)。

1.2 儀器與設備

冷凍干燥機，SY-DT02S型低溫等離子體處理儀，冷等離子電源系統(tǒng)：固態(tài)晶體管等離子發(fā)生源，40KHz；E1010型離子濺射儀，S-3000N型掃描電子顯微鏡。

1.3 實驗方法

1.3.1 玉米冷等離子處理

托盤上放適量玉米籽粒并置于冷等離子處理儀密閉箱體內(nèi)，打開真空泵將密閉室脫氣至100 Pa，設定等離子發(fā)生源頻率為40 kHz、時長為60 s，分別調(diào)整等離子處理儀功率為200、300、400 W，以未做任何處理的同批次玉米籽粒為對照組，處理結束后將各組玉米分別置于冷凍干燥機冷凍處理20 h后用自封袋密封，并暫時保存于1 ℃的恒溫冰箱。

1.3.2 掃描電鏡對玉米籽粒外觀及內(nèi)部結構觀察

選取存于1 ℃恒溫冰箱中的樣品進行電鏡觀察實驗。玉米籽粒種皮外觀觀察可從每組中取10粒外形一致的玉米從中隨機選取3粒，用SEM在15 kV電壓下觀察[14, 15]，在不同放大倍數(shù)下選取共性強且具有代表性的圖片進行對比；玉米胚乳形態(tài)觀察按王立宏等[16]小麥籽粒觀察法并稍作改變，用解剖刀沿玉米頂端1 mm處及尾部1 mm處橫切去兩端，留靠近籽粒前端的胚乳觀察，每個處理3次重復；切除玉米籽粒首尾兩端后，切出胚乳斜下方的胚進行玉米胚部觀察[17]。將完整玉米及處理后的玉米樣品用導電膠規(guī)整地粘在掃描電鏡樣品盤上，用離子濺射儀對樣品進行噴金處理，并對玉米籽粒外觀及玉米內(nèi)部結構進行電鏡觀察。

2 結果與分析

2.1 玉米籽粒外觀

結果見圖1所示。圖1a、圖1b分別為放大1 000倍及5 000倍的對照組玉米種皮外觀圖，可以發(fā)現(xiàn)在不同放大倍數(shù)下，玉米外觀均較平整，無褶皺及孔隙；圖1c為冷等離子設備200 W處理60 s，放大1 000倍的玉米外觀圖，與圖1a相比，其表面出現(xiàn)輕微褶皺，當放大至5 000倍時(如圖1d所示)與圖1b相比，發(fā)現(xiàn)籽粒表面有明顯褶皺及微孔出現(xiàn)，推測應為等離子刻蝕玉米籽粒外觀所致。圖1e及圖1g分別為冷等離子處理儀在功率為300、400 W處理60 s SEM下1 000倍時的玉米籽粒外觀圖像，與圖1c相比圖1e與圖1g表面褶皺明顯增多，分別放大至5 000倍如圖1f與圖1h所示，玉米表面被刻蝕程度加劇。由圖1a ～ 圖1h來看，隨著等離子處理功率的增大，玉米表層褶皺增多，表面凹凸更顯著，這與Li等[13]研究結果一致。Thirumdas等[18]研究證明冷等離子體可對大米淀粉產(chǎn)生刻蝕、解聚及交聯(lián)，而玉米籽粒種皮為一層角質(zhì)狀薄膜[19]，表層蠟質(zhì)主要由類脂化合物組成，分析在玉米表層形成凹凸褶皺的原因應為冷等離子體中的活性氧(ROS)、活性氮(RNS)、高能電子等活性粒子可以與玉米表面蠟質(zhì)層中的大分子化合物在短時間內(nèi)發(fā)生電荷間的快速轉(zhuǎn)移，引起物質(zhì)交聯(lián)、刻蝕等化學反應。隨著等離子處理儀功率的增大，單位時間內(nèi)釋放出更多高能活性粒子，與表層大分子反應越劇烈、刻蝕程度越顯著，導致在相同時間內(nèi)冷等離子處理儀功率越大，玉米籽粒表層褶皺越多。

注：左列為1 000倍掃描電鏡圖；a為對照組玉米；c、e、g分別為200、300、400 W冷等離子處理儀處理60 s玉米；右列為5 000倍掃描電鏡圖；b為對照組玉米；d、f、h分別為200、300、400 W冷等離子處理儀處理60 s玉米。圖1 掃描電子顯微鏡下不同處理組的玉米籽粒外觀

2.2 玉米胚乳

玉米籽粒自身質(zhì)量的80%～85%為胚乳[20]，胚乳中淀粉含量占70%～80%左右，其余為少量蛋白質(zhì)。玉米胚乳可分為角質(zhì)胚乳和粉質(zhì)胚乳，二者在形態(tài)結構上存在顯著差別。玉米籽粒在成長過程中，淀粉粒首先在頂部胚乳細胞中出現(xiàn)，籽粒成熟后填滿整個細胞形成角質(zhì)胚乳淀粉顆粒，之后按照自上而下、由外向內(nèi)的順序積累淀粉粒，最終形成圓球狀粉質(zhì)胚乳淀粉粒[21]，這些淀粉粒排列無規(guī)則且有一定間隙，基質(zhì)蛋白散布其間[14]；而角質(zhì)胚乳淀粉粒排列致密，一般呈多角形有規(guī)則分布，在淀粉顆粒間分布較多蛋白體[20]。

2.2.1 玉米粉質(zhì)胚乳形態(tài)

為探究冷等離子處理儀在相同時間不同功率下對玉米粉質(zhì)胚乳結構的影響，選擇橫切后靠近玉米糊粉層的胚乳淀粉進行掃描電鏡觀察并選擇具有代表性的圖片進行分析，結果如圖2所示。

注：左列為1 000倍掃描電鏡圖；a為對照組玉米；c、e、g分別為200、300、400 W冷等離子處理儀處理60 s玉米；右列為5 000倍掃描電鏡圖；b為對照組玉米；d、f、h分別為200、300、400 W冷等離子處理儀處理60 s玉米。圖2 掃描電子顯微鏡下不同處理組玉米胚乳中粉質(zhì)淀粉結構圖

圖2為各實驗組玉米粉質(zhì)胚乳掃描電鏡對比圖，圖2a、圖2b分別為對照組玉米粉質(zhì)胚乳淀粉粒在1 000倍及5 000倍下的掃描電鏡圖，呈圓球狀的粉質(zhì)胚乳淀粉粒無規(guī)則簇擁堆疊，中間穿插完整的薄層狀基質(zhì)蛋白，在5 000倍電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)粉質(zhì)淀粉顆粒與基質(zhì)蛋白連接緊密。圖2c為冷等離子設備設定200 W處理60 s在1 000倍掃描電鏡下的玉米粉質(zhì)胚乳結構圖，與未處理玉米粉質(zhì)胚乳圖比較，該組粉質(zhì)胚乳淀粉顆粒趨于雜亂，在5 000倍掃描電鏡下觀察，如圖2d所示，原有序緊密相聯(lián)的基質(zhì)蛋白與粉質(zhì)胚乳淀粉粒間出現(xiàn)空隙；當冷等離子處理儀功率選擇300、400 W處理60 s時，在掃描電鏡1 000倍下的玉米粉質(zhì)胚乳圖如圖2e及圖2g所示，發(fā)現(xiàn)隨著冷等離子處理儀功率的增大，玉米粉質(zhì)胚乳淀粉顆粒更加趨于稀疏雜亂，顆粒間原本較為完整的基質(zhì)蛋白逐漸裸露甚至有斷裂發(fā)生，當掃描電鏡放大至5 000倍時如圖2f及圖2h所示，與對照組相比發(fā)現(xiàn)玉米粉質(zhì)胚乳淀粉顆粒與基質(zhì)蛋白間距逐漸增大并與冷等離子處理儀功率的增加呈顯著正相關，而淀粉顆粒與基質(zhì)蛋白間距的增大導致原本在二者間的基質(zhì)蛋白體有更多裸露。總體而言，隨著冷等離子處理儀功率的增大，玉米粉質(zhì)胚乳淀粉顆粒與基質(zhì)蛋白間距增大，顆粒間蛋白體逐漸裸露甚至斷裂，原因可能是高功率的等離子處理儀在單位時間內(nèi)釋放更多冷等離子，穿過玉米籽粒表皮進入靠近籽粒種皮的糊粉層的高能粒子數(shù)增多，這些高能粒子可與籽粒內(nèi)部大分子如胚乳淀粉顆粒、基質(zhì)蛋白發(fā)生交聯(lián)等反應[22]，使玉米粉質(zhì)胚乳淀粉顆粒與基質(zhì)蛋白間距增大，顆粒間蛋白體逐漸裸露甚至斷裂。

2.2.2 玉米角質(zhì)胚乳形態(tài)

玉米籽粒中角質(zhì)胚乳淀粉粒多呈多面體或不規(guī)則形分布[23]，為探究冷等離子處理儀在相同時間不同功率下對玉米角質(zhì)胚乳結構的影響，選擇橫切后靠近玉米糊粉層的胚乳淀粉進行掃描電鏡觀察并選擇具有代表性的圖片進行分析，結果如圖3所示。

注：左列為1 000倍掃描電鏡圖；a為對照組玉米；c、e、g分別為200、300、400 W冷等離子處理儀處理60 s玉米；右列為5 000倍掃描電鏡圖；b為對照組玉米；d、f、h分別為200、300、400 W冷等離子處理儀處理60 s玉米。圖3 掃描電子顯微鏡下不同處理組玉米胚乳中角質(zhì)淀粉結構圖

對照組及冷等離子處理儀分別在200、300、400 W處理60 s的玉米1 000倍掃描電鏡下的角質(zhì)胚乳形態(tài)如圖3c、圖3e、圖3g所示，對照組中多角形的角質(zhì)胚乳淀粉顆粒彼此緊密結合，顆粒間蛋白質(zhì)體無逸出；冷等離子處理儀功率從200 W增至400 W時，與未處理組玉米角質(zhì)胚乳形態(tài)比較，原本緊密相聯(lián)的角質(zhì)胚乳淀粉粒中間逐漸出現(xiàn)空隙，在5 000倍掃描電鏡下觀察如圖3d、圖3f、圖3h所示，隨冷等離子處理儀功率的增大，原本排列致密的玉米胚乳角質(zhì)淀粉顆粒間隙逐漸增大，蛋白體裸露增多。這與冷等離子處理儀功率不同時對玉米粉質(zhì)胚乳淀粉粒形態(tài)的影響相似，即隨著冷等離子處理儀功率的增大，玉米角質(zhì)胚乳淀粉顆粒間距增大，顆粒間蛋白體逐漸裸露甚至斷裂；當處理功率為400 W時，有些玉米角質(zhì)胚乳淀粉顆粒間的蛋白體逸出，原因可能是高功率的冷等離子處理儀釋放出更多高能電子、離子、光子等粒子，這些高能粒子與靠近種皮的內(nèi)部大分子胚乳淀粉顆粒、蛋白體發(fā)生交聯(lián)等反應[22]，最終導致此現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 玉米胚芽形態(tài)

玉米籽粒由外皮、胚乳和胚三部分組成[17]，玉米胚部營養(yǎng)豐富，其中脂肪占49%～56%，碳水化合物占15%～24%，蛋白質(zhì)占15%～18%[24]，玉米胚部主要成分為玉米胚芽，玉米胚芽占玉米質(zhì)量的10%～15%，胚芽中脂肪含量占35%～47%[25]，因此本實驗選擇對玉米胚芽部分進行掃描電鏡觀察。冷等離子處理前后對玉米籽粒胚芽形態(tài)的影響如圖4所示，由脂肪及蛋白質(zhì)等高分子組成的復雜化合物緊密堆疊，由圖4a～圖4d可知四組實驗組玉米胚芽形態(tài)在1 000倍掃描電鏡下未見明顯區(qū)別，這可能是因為玉米胚部在玉米胚乳斜下方位置，冷等離子體經(jīng)玉米外皮、胚乳后才能到達此處，顯然冷等離子處理儀功率400 W作用時間為60 s時不能釋放足夠多的高能粒子穿透玉米胚乳，因此各實驗組玉米胚部形態(tài)與對照組相比未見明顯差別。

注： a為對照組玉米；b ～ d分別為200、300、400 W冷等離子處理60 s玉米。圖4 掃描電子顯微鏡下不同處理組玉米胚芽結構圖(×1 000)

3 結論

以相同處理時間，不同功率的冷等離子處理儀處理玉米籽粒，掃描電鏡結果表明：冷等離子處理可對玉米籽粒表面產(chǎn)生刻蝕，使其表面褶皺度增加，褶皺度與冷等離子處理儀功率成正相關，而冷等離子對玉米籽粒外觀的刻蝕會影響玉米內(nèi)部水分遷移速度[13, 26]。冷等離子會對靠近糊粉層的玉米胚乳淀粉結構產(chǎn)生影響，使原本致密有序的淀粉顆粒間距增加，顆粒間基質(zhì)蛋白裸露甚至破裂而對玉米胚部結構無明顯影響。