淀粉含量决定了其结构和理化性质：针对特定应用对十二个玉米淀粉品种进行的比较研究

《Food Chemistry》：Amylose content dictates structural and physicochemical properties: A comparative study of twelve maize starch varieties for targeted applications

　　

崔艳|薛明伟|刘诺|王伟|刘慧敏|郑明珠|刘景生

吉林农业大学食品科学与工程学院，中国长春130118

摘要

本研究调查了十二种玉米淀粉品种在结构和理化性质上的差异，这些品种被分为蜡质型、普通型和高直链淀粉型。这些淀粉的直链淀粉含量范围为0.91%至72.41%，平均粒径范围为9.54 μm至16.74 μm。直链淀粉含量与相对结晶度、糊化焓、峰值粘度、崩解值和平均粒径呈负相关（P < 0.001），但与R₂值呈正相关（P < 0.05）。此外，粒径与峰值粘度、最低粘度和最终粘度以及糊化焓呈正相关（P < 0.001），且这种相关性独立于直链淀粉含量。主成分分析表明，直链淀粉含量解释了总方差的74.9%。这些发现证实了直链淀粉含量是预测玉米淀粉性质的主要指标，同时也表明粒径提供了对特定应用有价值的独立信息。研究结果支持针对食品和工业用途选择合适的天然淀粉。

引言

作为玉米的主要成分，淀粉因其广泛的可用性、成本效益和多样的功能特性而在食品、制药和化工等行业得到广泛应用（Kurdziel等人，2025年）。不同玉米品种之间的遗传变异，包括直链淀粉与支链淀粉的比例差异，直接影响淀粉的结构特征。这些结构差异又决定了淀粉的理化性质和加工适用性（Dongmo等人，2020年）。目前，工业应用对淀粉的内在性质有多样化的要求，包括其晶体结构、糊化性质和热行为（C. Li，2022年）。近年来，淀粉改性技术已成为满足这些特殊需求的一种常见策略（Rostamabadi等人，2023年；Rostamabadi等人，2024年；N. Wang等人，2023年）。尽管淀粉改性带来了显著的优势，但也伴随着一些固有的局限性，如消费者接受度低、加工成本增加以及在商业化大规模生产方面面临的挑战等。因此，具有定制功能的天然玉米淀粉因其环保和低成本特性而越来越受到工业应用的青睐。同时，多种先进的淀粉结构和成分分离技术为表征淀粉性能提供了新的方法（Muhammad等人，2020年；Muhammad等人，2024年；Muhammad等人，2025年）。

由于产量高，玉米已成为全球主要的商品淀粉来源。玉米淀粉主要分为三种类型：蜡质玉米淀粉（富含支链淀粉）、普通玉米淀粉（直链淀粉与支链淀粉比例平衡）和高直链淀粉玉米淀粉（含直链淀粉超过50%）。具有不同直链淀粉含量的天然玉米淀粉因其内在的结构多样性而具有重要的商业价值。这些淀粉是研究直链淀粉和支链淀粉在淀粉系统结构和理化性质中功能作用和影响的优秀工具。更重要的是，研究人员已尝试用天然蜡质玉米淀粉替代粘性米淀粉，并证明了其可行性（Huang等人，2024年）。由于其固有的优势，天然玉米淀粉已成为工业应用中不可或缺的绿色原料。

相关研究表明，来自同一植物来源但不同品种的天然淀粉在结构和理化性质上存在显著差异。例如，He等人（2025年）发现不同粘性米品种的淀粉结构和理化性质之间存在相关性。具体来说，较高比例的中长链支链淀粉分支（DP ≥ 13）促进了有序、紧密堆积的层状结构的形成，这是导致糊化温度升高的主要因素。直链淀粉含量和精细结构特征对淀粉的理化性质和功能特性具有关键影响，从而决定了淀粉的应用范围。不同米品种的淀粉在直链淀粉含量和晶体结构上存在显著差异（Cai等人，2015年）。米淀粉的直链淀粉含量与糊化温度和溶解度呈正相关，而与膨胀能力和体外消化率呈负相关。在其他植物来源中也观察到了类似的趋势。Kong等人（2025年）发现，高直链淀粉含量的马铃薯淀粉具有更高的凝胶硬度、溶解度和糊化温度。同样，Gao等人（2023年）研究了来自六个国家的12个品种的小麦淀粉，发现高直链淀粉含量的样品具有更好的透光率和流变性能，而低直链淀粉含量的样品则在膨胀能力、糊化和热力学参数方面表现更好。

尽管取得了这些进展，但大多数现有研究仅关注有限的直链淀粉浓度范围或少数品种，限制了研究结果的普遍性。为了解决这一问题，本研究选择了十二种代表三种不同类型玉米淀粉的品种，即普通玉米淀粉（NMS）、蜡质玉米淀粉（WMS）和高直链淀粉玉米淀粉（HAMS）。我们系统地表征并比较了这些淀粉的颗粒形态、粒径分布、晶体结构、短程分子有序性、热性质和糊化行为。通过主成分分析和皮尔逊相关性分析，深入探讨了这些结构和理化性质之间的相互关系。通过覆盖广泛的直链淀粉含量范围（0.91%–72.41%）并包括每种淀粉类型的多个品种，本研究探讨了直链淀粉含量对淀粉结构和理化性质的调节作用，以及直链淀粉含量是否在不同淀粉类别中产生不同的影响。我们还进一步明确了直链淀粉含量是否可以预测淀粉功能性质的整体范围，以及淀粉颗粒大小是否具有独立的影响。本研究提供了一个可靠的数据库，旨在为理解不同玉米品种的结构-性质关系提供更深入的理论见解，从而指导特定食品和工业应用的品种选择。

章节摘录

材料

十二种玉米淀粉样品由国家小麦和玉米深加工工程技术研究中心提供。所有样品均准备了3个生物学重复样本（同一品种的三个种植批次）和每个检测指标的3个技术重复样本，以确保实验数据的可靠性。这些品种的淀粉具体信息见表S1。直链淀粉/支链淀粉测定试剂盒（K-AMYL）购自Megazyme

直链淀粉含量和粒径

表1显示了十二种玉米淀粉的直链淀粉含量和平均粒径。如表1所示，十二种不同的玉米品种在直链淀粉含量和平均粒径上存在差异。众所周知，直链淀粉含量在决定淀粉的结构和理化性质方面起着关键作用，这些差异主要归因于基因型背景和生长环境（Zhang等人，2018年）。

结论

这项针对12种直链淀粉含量范围为0.91%至72.41%的玉米淀粉的综合研究表明，直链淀粉含量是预测玉米淀粉结构和理化性质的主要指标，解释了总方差的74.9%。直链淀粉含量与相对结晶度（RC）、糊化焓（ΔH）、峰值粘度（PV）、崩解值（BD）和平均粒径呈负相关（P < 0.001），与R₂值呈正相关（P < 0.05）。在整个直链淀粉含量范围内，大多数淀粉性质都表现出

CRediT作者贡献声明

崔艳：撰写——原始草稿、验证、方法学、正式分析、概念化。
薛明伟：验证、数据管理。
刘诺：验证、数据管理。
王伟：可视化、正式分析、概念化。
刘慧敏：监督、正式分析。
郑明珠：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。
刘景生：监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2021YFD2101000/2021YFD2101001）和吉林省科技发展计划项目（20250601042RC）的资助。