甘薯抗性淀粉理化性質(zhì)研究

張 蕓，李小定，鄭政東，何芒芒，李 杰，曲智雅，朱少華，劉 蒙，曲 露，趙思明

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖北武漢430070)

抗性淀粉是“能到達(dá)人體大腸的淀粉及其降解產(chǎn)物的總稱［1］”。作為新型膳食纖維，它具有比普通膳食纖維更優(yōu)越的生理功能［2］。研究抗性淀粉制備工藝及其形成機(jī)理和理化性質(zhì)，對淀粉加工工藝、增加食品中抗性淀粉的含量、提高食品的營養(yǎng)價值都具有重要意義。甘薯淀粉來源廣泛，其直鏈淀粉含量較高，是制備抗性淀粉的重要來源。目前，國內(nèi)關(guān)于研究甘薯抗性淀粉制備及其理化性質(zhì)的報道較少。因此，立足我國現(xiàn)有資源制備甘薯抗性淀粉，為甘薯淀粉的深加工提供新途徑;并對于提高甘薯淀粉的工業(yè)價值及甘薯淀粉制品的質(zhì)量和檔次都具有重要意義。抗性淀粉主要是由直鏈淀粉組成的［3］。因此，可采用淀粉酶對支鏈淀粉進(jìn)行脫支，釋放出直鏈淀粉，有利于在冷卻過程中形成抗性淀粉。目前，國內(nèi)一般采用普魯蘭酶［4］、普魯蘭酶結(jié)合物理化學(xué)方法［5］或者普魯蘭酶協(xié)同α－淀粉酶［6］、β－淀粉酶［7］制備抗性淀粉，利用異淀粉酶的還鮮有報道。本研究采用異淀粉酶對甘薯淀粉進(jìn)行脫支，釋放出直鏈淀粉，再用超聲波處理［8］，形成長度適宜的直鏈淀粉分子鏈，再回生形成含量較高的抗性淀粉;并對所制備甘薯抗性淀粉的部分理化特性進(jìn)行了研究，以期為甘薯抗性淀粉產(chǎn)品的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甘薯淀粉 實驗室自制，干燥后，過120目篩，置干燥器中保存?zhèn)溆?抗性淀粉檢測試劑盒 愛爾蘭Megazyme;異淀粉酶 西格馬公司;其他試劑 均為國產(chǎn)分析純試劑。

KQ2200DB型數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;Diamond DSC TG－DTA 6300熱重/差熱綜合熱分析儀 珀金－埃爾默儀器公司;NEXU S紅外光譜儀 美國NICDET公司;APA2000激光顆粒度分布儀 Malvern Instruments Ltd.;JDX－10P3A X射線衍射儀 JEOL Ltd.;JSM－6390LV掃描電子顯微鏡 JEOL Ltd.。

1.2 實驗方法

1.2.1 甘薯抗性淀粉制備方法 取適量甘薯淀粉，用醋酸鈉緩沖液(pH3.5，50mmol/L)配制成16%淀粉乳，85℃水浴中攪拌糊化0.5h，冷卻至室溫，加入異淀粉酶(5×103U/g淀粉)，置50℃水浴保溫攪拌13.5h。沸水浴10min滅酶，冷卻至室溫后，置超聲波中40℃超聲40min，冷卻至室溫，加入90%乙醇沉淀抗性淀粉，室溫下自然冷卻，至4℃冰箱中回生24h，取出后用水洗，醇洗，離心，置烘箱45℃干燥24h，粉碎，過120目篩，置干燥器保存。

1.2.2 抗性淀粉含量測定 用抗性淀粉試劑盒，按照AOAC法2002.02測定抗性淀粉含量［9］。

1.2.3 顆粒粒徑分布 干法進(jìn)樣器類型:Scirocco 2000A，通用模式;樣品測量時間:8s;背景時間:10s;遮光度界限:上限6，下限0.5;遮光度篩選:12s;樣品盤:General Purpose(200g);振動進(jìn)樣速度:60%，分散氣壓:1.5bar。

1.2.4 光學(xué)顯微鏡與掃描電鏡分析

1.2.4.1 光學(xué)顯微鏡分析 將淀粉配成一定濃度懸浮液，取10μL滴于載玻片上，蓋上蓋玻片，立即用光學(xué)顯微鏡觀察，在10倍鏡下拍照。

1.2.4.2 掃描電鏡分析 將雙面膠帶貼于掃描電鏡的載物臺上，用牙簽取少許干燥的淀粉樣品在雙面膠上涂抹均勻并輕輕按壓使淀粉黏在膠上。用洗耳球吹去多余的淀粉，然后將載物臺置于鍍金儀器中，用離子濺射鍍膜儀將樣品鍍金膜，20min后將載物臺取出放入掃描電鏡中觀察即可，電子槍加速電壓為15kV，不同放大倍數(shù)下觀察淀粉的顆粒形態(tài)。

1.2.5 紅外光譜分析 稱取150mg干燥溴化鉀粉末于瑪瑙研缽研磨5～10min，再加入2mg干燥過的樣品，混勻，繼續(xù)研磨5min。壓片，于400～4000波數(shù)范圍進(jìn)行紅外掃描。

1.2.6 X射線衍射分析 X衍射測定條件:特征射線為Cu靶;管壓40kV;電流100mA;測量角度范圍4～60°;步長 0.02°;掃描速度 4°/min。狹縫:DS，SS 1mm，RS 0.3mm。

1.2.7 差示掃描量熱分析 用精密天平準(zhǔn)確稱取2.5mg淀粉樣品于鋁質(zhì)樣品盤中，加入7.5μL去離子水，密封后置室溫下平衡1h，放入儀器內(nèi)的樣品座，用密封空的鋁盒作參比物，掃描條件如下:掃描范圍:30～150℃;掃描速率:10℃/min;氣氛:高純氮，流量:40mL/min。記錄掃描并計算吸熱曲線上的起始溫度To、峰值溫度Tp、終止溫度Tc和極差溫度Tr。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗性淀粉含量

原甘薯淀粉(含淀粉94.54%，水分15.6%，蛋白質(zhì)0.26%，粗脂肪 0.25%，灰分 0.44%，直鏈淀粉17.40%)中抗性淀粉干基含量為8.74%，由甘薯淀粉制備得到的抗性淀粉中RS含量為24.26%，制備效果較好。

2.2 顆粒粒徑分布分析

由圖1可知，原甘薯淀粉平均粒徑為17.593μm。其體積分布表現(xiàn)為不明顯的雙峰曲線，范圍分別為0.356～2.244μm 和 3.991～50.238μm，比例分別為1.8%和98.2%，峰值分別為1.1和15.9μm左右。甘薯抗性淀粉平均粒徑為123.394μm，較原甘薯淀粉粒度范圍增大，且粒徑變大。其體積分布表現(xiàn)為不明顯的雙峰曲線，比例分別為2.37%和97.63%，峰值分別為15.9μm和112.5μm左右，且大顆粒淀粉比例較大。由此說明，與原淀粉相比，抗性淀粉的總體粒徑變大了，部分原淀粉顆粒膨化或聚集成更大的顆粒。

圖1 甘薯淀粉和甘薯抗性淀粉的顆粒粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of sweet potato starch and sweet potato resistant starch

2.3 光學(xué)顯微鏡與掃描電鏡分析

圖2、圖3顯示，大部分甘薯淀粉在水中呈球形，少數(shù)呈多面體形狀;而抗性淀粉呈不規(guī)則形狀。甘薯淀粉顆粒較完整，表面光滑，顆粒直徑范圍為2～50μm;經(jīng)加熱糊化、脫支、超聲、冷卻處理后，形成的抗性淀粉粒徑顯著增大(較大顆粒的粒徑約為120μm)，且?guī)缀蹩床怀龅矸垲w粒的形狀，呈現(xiàn)極不規(guī)則的塊狀或疊加在一起的團(tuán)狀，顆粒表面十分粗糙且有褶皺和溝壑。在抗性淀粉的制備過程中，甘薯淀粉先發(fā)生糊化，顆粒結(jié)構(gòu)被破壞，直鏈淀粉溶出并在后續(xù)老化過程中形成直鏈淀粉晶體，因此，在掃描電鏡圖中呈現(xiàn)出不規(guī)則顆粒結(jié)構(gòu)及粗糙外觀［10］;也表明淀粉經(jīng)酶水解，僅留下結(jié)構(gòu)堅硬而致密的直鏈淀粉結(jié)晶區(qū)和摻雜于結(jié)晶區(qū)中無定型區(qū)的抗性淀粉分子，從而能夠抵抗酶消化［11］。

圖2 甘薯淀粉和甘薯抗性淀粉的光學(xué)顯微鏡照片(×10)Fig.2 Optical micrographs of sweet potato starch(×10)and sweet potato resistant starch

2.4 紅外光譜分析

由圖 4 可知，3417、3432cm－1處為締合羥基的O－H伸縮振動吸收峰;2926、2928cm－1處為飽和 C－H鍵的伸縮振動吸收峰(糖類的特征吸收峰的范圍為2800～3000cm－1);1641、1642cm－1處為醛基C=O的伸縮振動吸收峰;1019、1021、1156、1157、1080cm－1為與伯、仲醇羥基相連的C－O的伸縮振動吸收峰和吡喃糖環(huán)的C－O伸縮振動吸收峰;930cm－1為D－吡喃葡萄糖的Ⅰ型吸收帶(吡喃環(huán)的環(huán)非對稱伸縮振動);857、858、861cm－1為吡喃葡萄糖的 α 型吸收帶;762cm－1為D－吡喃葡萄糖的3型吸收帶(吡喃環(huán)的環(huán)對稱伸縮振動)，表明普通甘薯淀粉和抗性淀粉都含有伯、仲醇羥基和α－D－吡喃環(huán)結(jié)構(gòu)特征［12］。抗性淀粉沒有形成新的基團(tuán)，即沒有發(fā)生氧化、取代等其它化學(xué)反應(yīng)，抗性淀粉是物理改性淀粉。

圖3 甘薯淀粉和甘薯抗性淀粉掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 Scanning electron microscopes of sweet potato starch and sweet potato resistant starch

圖4 甘薯淀粉和抗性淀粉的紅外光譜圖譜Fig.4 Fourier transform infrared spectrum of sweet potato starch and sweet potato resistant starch

2.5 X－射線衍射分析

由圖5和表1的數(shù)據(jù)可知，甘薯淀粉在17.3°左右有較強(qiáng)衍射峰，15.31°和23.26°處出現(xiàn)雙肩峰，不同于馬鈴薯淀粉和玉米淀粉的衍射譜線，故甘薯淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)為C型，即含A型、B型結(jié)晶的混合結(jié)構(gòu)，但更接近 A 型。此結(jié)果與 Noda［14］和羅志剛［15］的報道幾乎一致。甘薯抗性淀粉顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為B型，在17°左右有一單峰，在20～23°處出現(xiàn)不明顯小峰，這些結(jié)果與唐忠厚［16］、Gidley［17］的報道幾乎一致。

2.6 差示掃描量熱分析

圖5 甘薯淀粉與甘薯抗性淀粉X－射線衍射圖Fig.5 X－ray diffraction patterns of sweet potato starch and sweet potato resistant starch

直鏈淀粉可以與脂肪酸、單甘油酯、二甘油酯形成V型結(jié)晶復(fù)合物，此直鏈淀粉－脂質(zhì)復(fù)合物結(jié)晶相大約在 100～120℃ 發(fā)生解離，形成熔融吸熱峰［18］。To、Tp、Tc主要反映了淀粉的結(jié)晶度、結(jié)構(gòu)和分子組成，這些參數(shù)的變化主要受周圍無定形區(qū)的影響。淀粉經(jīng)過脫支和重結(jié)晶后，Tp、Tc均比原淀粉高，這是因為處理后淀粉內(nèi)部的直鏈淀粉分子與其它的分子(如直鏈淀粉分子或支鏈淀粉分子)發(fā)生交互作用、定向排列，使淀粉內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變得緊密堅固，且形成一定數(shù)量的晶體。Tr的變化反映了淀粉內(nèi)部結(jié)晶體的差異程度，如結(jié)晶體完善程度、晶體大小等，差異程度越大，則Tr越大［19］。甘薯淀粉和抗性淀粉的熱性質(zhì)由 DSC分析儀測定，見圖6和表2。甘薯淀粉中也存在少量抗性淀粉，所以甘薯淀粉在86℃呈現(xiàn)明顯吸熱主峰，淀粉的吸熱變化是在凝沉期間直鏈淀粉重結(jié)晶的結(jié)果［20－21］。與甘薯淀粉相比，抗性淀粉的糊化峰值溫度和終止溫度明顯升高，顯示出較寬的糊化峰，范圍為58～110℃，在100.5℃出現(xiàn)單一峰，為抗性淀粉特有的熔融吸熱峰，與唐忠厚［11］的報道較接近。說明經(jīng)改性處理，抗性淀粉的熱穩(wěn)定性得到較大提高，更能耐受熱加工處理。

表1 淀粉X－射線衍射特征線Table 1 X－ray diffraction characteristic curve of starch

3 結(jié)論

圖6 甘薯淀粉和甘薯抗性淀粉的DSC曲線Fig.6 The thermograms of sweet potato starch and sweet potato resistant starch

采用酶法結(jié)合超聲波處理制備甘薯抗性淀粉，抗性淀粉含量為24.26%，制備效果較好。與原淀粉相比，抗性淀粉的總體粒徑變大了，部分淀粉膨化或聚集成更大的顆粒。甘薯淀粉顆粒較完整，呈球形或多面體形，表面光滑;SEM結(jié)果表明，經(jīng)加熱糊化、脫支、超聲、冷卻處理后，形成的抗性淀粉粒徑大幅增大，淀粉顆粒形狀幾乎消失，呈現(xiàn)極不規(guī)則的塊狀或團(tuán)狀，顆粒表面十分粗糙。普通甘薯淀粉與抗性淀粉的紅外光譜無明顯區(qū)別，證明此甘薯抗性淀粉是物理改性淀粉。甘薯淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為C型，甘薯抗性淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為B型。DSC分析發(fā)現(xiàn)，抗性淀粉的峰值溫度大幅增加，說明經(jīng)改性處理得到的抗性淀粉的熱穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)。

表2 甘薯淀粉和甘薯抗性淀粉的熱特性參數(shù)Table 2 Thermal parameters of sweet potato starch and sweet potato resistant starch

［1］Englyst H N，G J Hudson.The classification and measurement of dietary carbohydrates［J］.Food Chemistry，1996，57(1):15－21.

［2］Sharma A，B S Yadav，Ritika.Resistant starch:physiological roles and food applications［J］.Food Reviews International，2008，24(2):193－234.

［3］Perera A，V Meda，R Tyler.Resistant starch:A review of analytical protocols for determining resistant starch and of factors affecting the resistant starch content of foods［J］.Food Research International，2010，43(8):1959－1974.

［4］Zhang H，Z Jin.Preparation of resistant starch by hydrolysis of maize starch with pullulanase［J］.Carbohydrate Polymers，2011，83(2):865－867.

［5］Zhao XH，Y Lin.The impact of coupled acid or pullulanase debranching on the formation of resistant starch from maize starch with autoclaving－cooling cycles［J］.European Food Research and Technology，2009，230(1):179－184.

［6］連喜軍，王吰，劉旭.α－淀粉酶水解馬鈴薯淀粉制備抗性淀粉［J］.糧食與油脂，2009(2):11－14.

［7］連喜軍，楊美靜，鄭紹達(dá).多種酶法處理提高馬鈴薯回生抗性淀粉制備率［J］.糧食與油脂，2010(3):42－47.

［8］連喜軍，羅慶豐，劉學(xué)燕，等.超聲波對甘薯回生抗性淀粉生成的作用［J］.食品研究與開發(fā)，2011(1):61－64.

［9］Resistant starch assay procedure.http://secure.megazyme.com/downloads/en/data/K－RSTAR.pdf Accessed July 25，2009.

［10］王娟，劉澤翰，張凱，等.小麥抗性淀粉的理化性質(zhì)研究［J］.現(xiàn)代食品科技，2012，28(4):374－377.

［11］唐忠厚，陸國權(quán).甘薯抗性淀粉理化特性研究［J］.中國糧油學(xué)報，2010(1):37－42.

［12］付蕾，田紀(jì)春，汪浩.抗性淀粉理化特性研究［J］.中國糧油學(xué)報，2009(5):58－62.

［13］李季倫.微生物生理學(xué)［M］.北京:北京農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，1993:304－306

［14］Noda T，Takahata Y，Sato T，et al.Combined effects of planting and harvesting dates on starch properties of sweet potato roots［J］.Carbohydrate Polymers，1997，33(2):169－176.

［15］羅志剛，高群玉，楊連生.甘薯淀粉性質(zhì)的研究［J］.食品科技，2004(2):15－17.

［16］唐忠厚.甘薯抗性淀粉含量變異與理化特性研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2006.

［17］Gidley MJ，Cooke D，Darke AH，et al.Molecular order and structure in enzyme－resistant retrograded starch［J］.Carbohydrate Polymers，1995，28(1):23－31.

［18］Matveev YI，Van Soest J，Nieman C，et al.The relationship between thermodynamic and structural properties of low and high amylose maize starches［J］.Carbohydrate Polymers，2001，44(2):151－160.

［19］史苗苗.蠟質(zhì)玉米、稻米抗性淀粉的酶法制備及性質(zhì)研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2011.

［20］Eerlingen R，Jacobs H，Delcour J.Enzyme－resistant starch.5.Effect of retrogradation of waxy maize starch on enzyme susceptibility［J］.Cereal Chemistry，1994.71:351－355.

［21］Noda T，Isono N，Krivandin AV，et al.Origin of defects in assembled supramolecular structures of sweet potato starches with different amylopectin chain－length distribution ［J］.Carbohydrate Polymers，2009，76:400－409.