甘薯抗性淀粉理化特性研究

唐忠厚 陸國權

(浙江大學農業與生物技術學院1,杭州 310029)

(中國農業科學院甘薯研究所2,徐州 221121)

甘薯抗性淀粉理化特性研究

唐忠厚1,2陸國權1

(浙江大學農業與生物技術學院1,杭州 310029)

(中國農業科學院甘薯研究所2,徐州 221121)

選擇 3個不同類型甘薯品種,以提取獲得的抗性淀粉為研究對象,通過 X-射線衍射分析儀、差示掃描量熱分析儀 (DSC)、快速黏度測定儀 (RVA)、紫外 -可見吸收光譜儀、近紅外光譜分析儀 (N IRS)和掃描電鏡等儀器分別對甘薯原淀粉和其對應抗性淀粉晶體結構類型、熔融溫度、淀粉糊化特性、平均聚合度和淀粉分子結構等理化特性深入研究與分析。結果表明,不同甘薯品種間抗性淀粉熔融溫度具一定差異,抗性淀粉與其原淀粉間糊化特性、晶體結構等特性呈明顯差異。

甘薯 抗性淀粉 理化特性

淀粉是由植物體內光合作用生成的葡萄糖經縮合而成的多糖。長期以來,淀粉一直被認為可以為人體完全消化吸收。1983年英國生理學家 Flans En2 glyst首次發現一種在人體小腸及胃中不能消化的淀粉,并將其定義為抗性淀粉 (Resistant Starch,簡稱RS)。此后,抗性淀粉作為備受關注的植物功能性多糖類物質,許多學者開始對其進行了廣泛而深入的研究。由于其具有特殊生理功能和用途,在加工食品上顯示了廣闊的應用前景。

甘薯[Ipomoea batatas(L.)Lam]是我國重要的糧食、飼料和工業原料作物,也是我國最大地下根莖作物。淀粉是甘薯塊根最主要的營養物質之一,是良好的抗性淀粉資源。甘薯抗性淀粉的應用主要取決于其理化性質的差異,國外已有許多有關抗性淀粉理化性質的報道[1-12],國內這方面的研究也有起步[13-14]。他們以高直鏈型玉米淀粉或小麥淀粉為材料,通過壓熱處理得到抗性淀粉,對其理化指標進行評價,但還缺乏統一的分析標準;此外,從不同角度反映抗性淀粉同一特征,其內部聯系仍不清楚,且不同報道相關論證不一;同時以往的研究中也沒有將原淀粉與其對應抗性淀粉理化性質進行對照,來探明它們之間的特性差異。因此本研究篩選國內三個不同甘薯品種淀粉和其抗性淀粉的理化性質進行分析,以期為甘薯抗性淀粉的制備和食品工業上的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 參試材料

參試甘薯品種為“浙 13”(紅皮紅心)、特色品種“紫 883”(紫皮紫心)和對照品種“徐 18”(紅皮白心),5月中旬栽種在浙江大學華家池校區農場試驗田,單行高壟,隨機排列,生長 150 d后收獲健壯塊莖。洗凈后,淀粉的制備參照 Collado等[11]的方法。原淀粉再經干燥,并統一過 100目后冷藏保存備用。

1.1.2 樣品的制備

參照唐忠厚等[15]甘薯抗性淀粉定量測定改進方法,在甘薯淀粉乳濃度 80%、pH 6.0～6.4、糊化溫度125℃、糊化時間 120 min的糊化條件下,加入一定量耐熱α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶進行消化,離心,醇洗,烘干,得較純抗性淀粉。

1.1.3 儀器

S-4700 II場發射掃描電子顯微鏡:日本 Hitachi公司;TRA X-射線衍射器:瑞士 Thermo ARL公司;DSC-7型差示掃描量熱分析儀:美國 Waters公司;N I RS5000近紅外反射光譜分析儀:丹麥 Foss公司;UV-2700型紫外 -可見吸收光譜儀:美國 Waters公司;RVA-3型快速黏度儀:澳大利亞 Newport公司。

1.2 方法和步驟

1.2.1 X-射線衍射分析

采用 X-射線衍射儀測定樣品晶體結構,并計算其結晶度。

1.2.2 差示掃描量熱分析

采用差示掃描量熱分析儀測定 (differential scan2 ning calorimetry),并用配套軟件記錄掃描并計算吸熱曲線上相關系數,每個樣品重復 2次。

1.2.3 淀粉糊化特性測定

采用 RVA測定儀 (Rapid Visco-Analyser)對樣品糊化特性進行快速測定,以 TCW(thermal cycle for windows)配套軟件進行分析;參照黃華宏等[16]研究基本程序操作。

1.2.4 平均聚合度測定

采用紫外 -可見分光光度計進行掃描,波長范圍為 400～800 nm,測出最大吸收峰;淀粉是不同分子質量同系的混合物,所以表示時用平均聚合度(DP)。

根據 Banks[17]公 式:1/λmax=0.001 558+0.102 5/DP,計算 DP值。

1.2.5 光譜分析

采用近紅外反射光譜分析儀在波長 1 100～2 498 nm范圍內,每隔 2 nm采集光譜數據 (反射強度,R),每份樣品自動重復掃描 32次,存于計算機中,并求平均值。相同樣品,裝樣并掃描 3次,求平均光譜值,轉化為 lg(1/R)后,保存為計算機文件,形成反射光譜[18]。

1.2.6 形態觀測

分別取少量樣品散放在載玻片上,滴少許 I2-KI試劑,將其充分涂勻,在掃描電子顯微鏡下觀察淀粉與原淀粉顆粒形態。

2 結果與分析

2.1 晶體特性分析

三種甘薯原淀粉和抗性淀粉 X-射線衍射圖譜(見圖 1,圖 2)。原淀粉 X-射線圖譜表現為 Ca型(C接近 A型),在 2θ=18°左右有主要反射峰,14.5°和 23°處出現雙肩峰,也有偏向 A型趨勢,這些結果與 Hoover等[8,19]報道幾乎一致?？剐缘矸?X-射線圖譜表現為 B型,在 2θ=17°左右有一單峰,在 20°～23°處出現另一不明顯小峰,這些結果與 Godley等[6,13]報道幾乎一致。試驗結果表明,原淀粉顆粒之間的晶體結構沒有較大差異,在糊化冷卻處理過程中遭到破壞而形成的抗性淀粉結晶體與其差異明顯。

從表 1可以看出,經處理過甘薯抗性淀粉與原淀粉相比結晶度增大,品種間原淀粉結晶度差異不明顯,但與其對應抗性淀粉差異明顯;同時發現抗性淀粉結晶度和該品種抗性淀粉含量間呈顯著相關性(r=0.8213,N=3)[15],說明重新聚合形成新結晶的抗性淀粉分子締合程度更大,分子排列緊密,結構更加牢固,從而達到抗消化目的。

本研究用積分法對兩類型淀粉的結晶度進行計算,結果見表 1。

表 1 浙 13、徐 18與紫 883兩類型淀粉粒的結晶度

2.2 熔融溫度 DSC分析

三甘薯品種原淀粉與抗性淀粉熱特性曲線圖如圖 3、圖 4所示。根據直鏈淀粉顆粒與脂肪形成單螺旋結構的配合物,在 DSC圖中出現熔融溫度峰[20],從圖 3可判斷,每個原淀粉樣品都有一明顯吸熱主峰,該峰是直鏈淀粉晶體熔融時吸熱而形成,證明原淀粉中有抗性淀粉存在。各熱參數值間存在一定的相關性,Tp與 To和ΔH的相關性均達顯著,相關系數分別為0.7963和 0.7543(N=3)ΔH與 To間呈極顯著相關 (r=0.99833,N=3)。

圖 3 浙 13、徐 18與紫 883淀粉熱特性曲線

圖 4 浙 13、徐 18與紫 883抗性淀粉熱特性曲線

從圖 4看出,抗性淀粉起始溫度 To與原淀粉的差值不大,其各熱參數值間也存在一定的相關性,To和 Tp相關性達顯著 (r=0.9333,N=3),ΔH與 To和 Tp間也有相關性,但都不顯著,相關系數分別為0.122和 0.471(N=3);同時分別在 92.53、117.47和 104.27℃有單一峰,為抗性淀粉特有的熔融吸熱峰,但峰值與楊光等[13,21]報道不一致;這也可能是甘薯淀粉本身直鏈淀粉晶體相對少,結合不緊密,形成的抗性淀粉結晶區交叉互作較少,且主要為疊加成束狀或層狀。相關分析發現,抗性淀粉熔融吸熱峰值與直鏈淀粉含量呈顯著相關 (r=0.5223,N=21)[18];也可以得出結論,要增加抗性淀粉熔融吸熱值,提高熱穩定性,能經受大多數加工過程,還需選育高直鏈淀粉甘薯品種。

2.3 淀粉糊化特性分析

三甘薯品種原淀粉與抗性淀粉糊化特性圖,如圖 5、圖 6所示。從圖 5看出,甘薯淀粉 RVA譜一般表現為 A型,結果與 Collado等[11,22]報道基本一致。從圖 6看出,抗性淀粉 RVA譜表現幾乎為直線,可能原因是淀粉在 120℃高溫糊化處理后,經酶水解,支鏈淀粉和部分回生淀粉被消化,僅余下抗性淀粉晶體,其黏滯性幾乎消失,其最高黏度分別為 6.67、6.83和 6.8,崩解值為 13.25、13和 12.9,差異不明顯。

2.4 平均聚合度測定

表 2 浙 13、徐 18與紫 883兩類型淀粉粒的平均聚合度

聚合度可作為聚合物分子質量的量度,是衡量高分子聚合物的重要指標,分子聚合度越大、分子鏈越長;從表 2發現,無論甘薯淀粉還是抗性淀粉,λmax都在 585～600 nm之間,DP值差異不明顯,結果說明抗性淀粉在形成過程中,直鏈淀粉幾乎形成結晶體,而支鏈很難;但相對 Eerlinger等[3,13]結果少許偏大,可能是甘薯淀粉本身結構特征容易交融疊加。

2.5 近紅外光譜分析

圖 7 浙 13、徐 18與紫 883淀粉與抗性淀粉 N IRS圖譜對照

在N IR光譜區有機成分對 N I R光有選擇性吸收,同種有機物的吸收相似;由圖7可知,無論甘薯原淀粉,還是抗性淀粉,N IR對它們吸收頻率相似,N I RS光譜圖性狀和特點極相似,沒有發現明顯的區別,證明經壓熱處理的抗性淀粉沒有形成新的基團,除水解反應外,物理結構受到破壞,沒有發生其他化學反應 (如氧化、取代等),從一個側面證明了抗性淀粉是物理改性淀粉,但不同品種間吸收強度均存在差異。

2.6 掃描電鏡觀察

圖 8、圖 9結果顯示,甘薯淀粉顆粒直徑約為 4～25μm,顆粒較完整,呈球形或多面體形,表面光滑;在壓熱糊化冷卻處理后,形成的抗性淀粉己完全看不出淀粉粒的形狀,淀粉粒結構消失,出現了不規則的束狀或疊加在一起團狀;也表明淀粉在酶水解下,僅留下結構堅硬而致密的直鏈淀粉結晶區和摻雜于結晶區中無定型區的抗性淀粉分子,而導致抗酶消化。

圖 9 浙 13、徐 18與紫 883抗性淀粉顆粒形態

3 結論

原淀粉顆粒之間的晶體結構沒有較大差異,在糊化冷卻處理過程中遭到破壞而形成的抗性淀粉結晶體與其差異明顯,X-衍射射線圖譜主要表現 B型,在 2θ=17°左右有一單峰;DSC分析發現在三品種分別為 92.53、117.47和 104.27℃的有一個吸熱峰,清楚地看到了抗性淀粉特有的熔融吸熱峰。但這與有關文獻報道不一致,表明要增加抗性淀粉熔融吸熱值,提高熱穩定性,能經受大多數加工過程,還需選育高直鏈淀粉甘薯品種。

RVA分析表明原淀粉表現為 A型,有較高的最高黏度和明顯的崩解值;但抗性淀粉的黏度幾乎完全消失,RVA圖譜呈直線性;甘薯淀粉與抗性淀粉均聚合度差異不明顯,DP為 70左右,可能是甘薯淀粉分子本身結構容易交融疊加。近紅外分析表明無論甘薯原淀粉,還是抗性淀粉,N I R對它們吸收頻率相似,N I RS光譜圖性狀和特點極相似,但不同品種間均存在差異。SEM表明淀粉糊化后在酶水解下,僅留下結構堅硬而致密的直鏈淀粉結晶區和摻雜于結晶區中無定型區沒有規則結構的抗性淀粉分子。原淀粉的吸濕性低于抗性淀粉,品種間沒有顯著差異。

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Physicochemical Properties of Sweet Potato Resistant Starch

Tang Zhonghou1,2Lu Guoquan1
(College ofAgriculture&Biotechnology,ZhejiangUniversity,Hangzhou1310029)
(Institute of Sweetpotato,Chinese Academy ofAgricultural Sciences,Xuzhou2221121)

The physicochemical properties of resistant starch(RS)and starch from three typical s weet potato genotypeswere studied by adopting x-ray diffraction,differential scanning calorimetry,rapid viscosity analysis,near infrared reflectance spectrophotometer analysis and scanning electron microscope.Results show that there are some difference in melting temperature among the RSs from different sweet potato genotypes,and also significant differences in pasting temperature and crystal structure between their starch and RS.

s weet potato,resistant starch(RS),physicochemical property

S531

A

1003-0174(2010)01-0037-06

國家自然科學基金 (30871567),國家行業項目 (ny2 hyzx07-012-12),國家科技支撐計劃項目(2006BAD 05A11-6,2006BAD01A06-2)

2009-02-26

唐忠厚,男,1976年出生,甘薯育種和品質分析

陸國權,男,1963年出生,博士,副教授,薯類作物的研究和開發