甘薯的營養功能與加工利用研究進展

師一璇，胡佳樂，李麗

（陜西理工大學 化學與環境科學學院，陜西 漢中 723001）

甘薯[Ipomoea batatas（L.）Lam]屬雙子葉植物綱旋花科番薯屬的一年生或多年生蔓生草本，是世界第六大作物[1]，富含碳水化合物（淀粉、單糖和膳食纖維）和生物活性物質（胡蘿卜素、花青素和抗壞血酸）等，作為能量和營養來源在人類飲食中發揮著重要作用，被視為營養平衡的優質食物資源[2-3]。中國是世界上最大的甘薯生產國，產量占世界總產量的60%以上，其栽培歷史悠久，各地均有栽培，產量僅次于水稻、小麥和玉米[4-5]。目前國內甘薯大多以農戶種植，自產自銷的生產經營模式為主。消費以鮮食和食品加工為主。隨著產業的發展，甘薯產業將逐步向優勢區集中，甘薯生產、加工及銷售規模將不斷擴大，甘薯產業結構也將顯著提升[6]。但目前對甘薯及其產品的開發利用率還不高，甘薯深加工轉化技術發展較為緩慢，造成產品附加值較低，不僅浪費資源且容易造成環境污染[7]。因此，對甘薯主要加工環節進行優化并對其進行綜合利用，最大限度地保留和提高其產品中所含的功能性物質，對于提高甘薯資源利用率、實現資源的良性循環具有重要意義。本文綜述了甘薯的營養成分和功能性質，闡述了甘薯產品的加工現狀，為甘薯食品和工業加工環節優化及其綜合利用方面研究提供參考。

1 甘薯的營養成分

甘薯富含多種營養物質，其塊根富含淀粉、蛋白質、糖類、粗纖維、多酚、黃酮、維生素、類胡蘿卜素、花青素和礦物質等。淀粉、可溶性糖類、蛋白質和礦物質等是評價甘薯品質的基本指標，胡蘿卜素和花青素型甘薯品種（系）的出現，使甘薯的功能性物質成為研究熱點。不同品種甘薯塊根具有獨特的顏色，如白色、黃色、橙色、紫色等，黃色和紫色分別是由脂溶性β胡蘿卜素和水溶性花青素的積累形成的，隨著β胡蘿卜素含量的增加，黃色塊根逐漸變成橙色。白色塊根含有非常低的β胡蘿卜素，不含花青素[3，8]。甘薯塊根主要營養成分見表1。

表1 甘薯塊根主要營養成分（鮮重）Table 1 The main nutritional components of tubers of sweet potato cultivas（FW）

由表1可知，碳水化合物是甘薯塊根的主要營養成分，淀粉約占50%。不同肉色甘薯塊根營養成分存在差異，其中胡蘿卜素、花青素、黃酮、多酚與果糖等含量差異較大。塊根各營養成分既相互獨立又相互聯系，大多數成分之間具有一定的相關性。

作為甘薯地上部分的甘薯莖葉同樣富含多種營養物質，而且產量高，抗病蟲害能力強，近年來受到越來越高的關注。對比了30種蔬菜中的多酚含量和抗氧化活性，發現甘薯莖葉的抗氧化活性最高[12]。測定不同品種甘薯莖葉的營養物質含量并分析了其抗氧化活性，發現甘薯莖葉富含粗蛋白、粗脂肪、總膳食纖維、β胡蘿卜素、維生素和多酚類物質等，主要的抗氧化活性物質為多酚類物質[13-14]。甘薯莖葉含有豐富的功能成分，它們可以作為新鮮蔬菜食用或加工食品。

2 甘薯的功能性質研究

甘薯是藥食同源性植物，是提供碳水化合物、蛋白質、維生素、必需脂肪酸、花青素、微量元素和其他營養物質的膳食來源，這些活性物質發揮著重要作用。

2.1 抗腫瘤作用

體內外實驗研究表明，甘薯花色苷、蛋白、多糖、黃酮等活性物質對肝癌、肺癌、腸癌、乳腺癌和膀胱癌細胞等具有抑制作用。紫甘薯花色苷可以通過死亡受體介導的外源性凋亡通路和絲裂原活化蛋白激酶信號通路參與介導肝癌細胞SNU-387的凋亡過程[15]。紫甘薯花色苷可通過誘導細胞凋亡抑制膀胱癌BIU87細胞的增殖，且具有劑量-依賴性。隨著花色苷濃度的升高，BIU87細胞數量減少、細胞體積縮小、細胞間隙增大、細胞黏附性變差、細胞變形[16]。張靖杰等[17]評價甘薯蛋白對結直腸癌移植瘤荷瘤鼠腫瘤相關因子的調控作用，發現甘薯蛋白干預后，腫瘤總質量及個數略有減少，腫瘤組織內小血管數量減少，纖維組織增加，甘薯蛋白具有下調LOVO細胞移植瘤荷瘤鼠腫瘤中胰島素樣生長因子受體、環氧酶-2、血管內皮生長因子A、β鏈蛋白表達和分泌的作用。張曉鵬等[18]研究發現甘薯提取物有助于改善荷瘤鼠體內的氨基酸代謝失衡狀況，顯著降低腸道炎癥介質鈣衛蛋白和乳鐵蛋白的水平，并提高二胺氧化酶的含量，有助于保護腸黏膜的完整性和抑制腫瘤。范智彥等[19]研究發現紫甘薯花色苷可能通過下調KTN1-AS1表達抑制肺癌A549細胞增殖，并促進細胞凋亡。紫甘薯花色苷通過Circ_0003998/MiR-145軸抑制乳腺癌MDA-MB-231細胞的增殖、遷移和侵襲[20]。Han等[21]研究從甘薯中提取的3種植物甾醇：胡蘿卜苷亞麻酸酯（daucosterol linolenate，DLA）、胡蘿卜苷亞油酸酯（daucosterollinoleate，DL）和胡蘿卜苷棕櫚酸酯（daucosterol palmitate，DP）在MCF-7原位異種移植裸鼠模型中的抗乳腺腫瘤活性，發現DLA、DL和DP通過調節MCF-7異種移植裸鼠的腫瘤生長腸道微生物群的穩態，產生短鏈脂肪酸，干擾腫瘤相關蛋白的表達。

2.2 調節免疫作用

甘薯中的花色苷、多糖、多酚、類胡蘿卜素、黃酮等具有調節免疫作用。研究表明紫薯花色苷通過促進淋巴細胞增殖、提高CD4+/CD8+亞群比值、增加進入s期細胞的百分率，從而調節淋巴細胞的免疫功能[22]。Tang等[23]研究發現從紫甘薯中提取的3種多糖通過誘導細胞表面的微絨毛樣結構形成，促進正常巨噬細胞的吞噬活性，顯著提高巨噬細胞中一氧化氮、細胞因子白介素-1β和白介素-8的水平，從而促進正常小鼠和環磷酰胺誘導的免疫抑制小鼠抗體IgA、IgM、IgG和Siga的分泌功能來積極調節適應性免疫。甘薯皮的植物混合物劑量依賴性地促進了RAW264巨噬細胞中一氧化氮和促炎細胞因子的產生，細胞因子INF-γ和IL-10水平顯著增加，以劑量依賴性方式抑制AGS人胃癌細胞的生長[24]。紫甘薯中提取的新型葡聚糖可以促進RAW264.7巨噬細胞的增殖，改善RAW264.7吞噬活性和一氧化氮、活性氧及細胞因子產生的免疫功能；可以激活Toll樣受體2和Toll樣受體4介導的通路，顯著提高MyD88依賴性絲裂原活化蛋白激酶信號通路、核因子κB、轉錄激活因子AP-1和TRIF依賴性通路，從而增強免疫力，可以作為免疫調節劑進行探索[25]。

2.3 保肝作用

研究發現紫甘薯花青素對急性和亞急性酒精肝損傷有預防作用[26]，這說明紫甘薯花青素在酒精肝損傷的預防和治療中可以作為輔助添加劑。Wang等[27]根據紫甘薯花青素清除自由基和抗氧化性效應評估其作為保肝藥的潛能，建立了3個急性化學性肝損傷模型（酒精、對乙酰氨基酚和四氯化碳），紫甘薯花青素中劑量和高劑量明顯降低了血清和肝臟指數，表明紫甘薯花青素可以作為治療急性肝損傷的藥物。Cai等[28]研究紫薯花青素對酒精性肝損傷的影響，灌胃紫薯花青素后，酒精性肝損傷小鼠在肝臟指標/組織學、血清丙氨酸氨基轉移酶水平、氧化應激狀態等方面均有明顯改善，甚至能夠恢復至正常水平。甘薯的膳食果汁含有豐富的酚類物質，這些酚類化合物具有與L-抗壞血酸相似的高自由基清除活性、還原能力和抗氧化能力，通過DNA保護、脂質積累抑制和細胞保護對四氯化碳或過氧化氫誘導的細胞毒性起到保護作用，表明甘薯的膳食果汁的攝入可以預防肝臟疾病[29]。甘薯可以開發成保肝系列功能性食品。

2.4 降血糖、血脂作用

隨著人們生活水平的提高，糖尿病的發病率呈逐年上升趨勢，肥胖也嚴重威脅人類健康。因此，防治高血糖和高血脂的功能性食品備受人們青睞。研究表明紫甘薯花青素提取物可以顯著降低高血糖大鼠血液、肝臟和腎臟系統中的丙二醛水平[30]。Luo等[31]研究發現給2型糖尿病小鼠口服甘薯葉多酚，可以減輕體重、降低空腹血糖水平；可以緩解肝臟炎癥、維持胰島結構、抑制β細胞凋亡；可以上調磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/糖原合酶激酶-3β信號通路以改善葡萄糖代謝并上調磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/骨骼肌中的葡萄糖轉運蛋白4信號通路以增強葡萄糖轉運。高纖維和β胡蘿卜素飲食可以降低高甘油三酯血癥大鼠中的甘油三酯水平，可以通過抑制肝臟中高甾醇調節結合蛋白1c來改善胰島素抵抗基因表達[32]。甘薯具有開發成調控血糖、血脂和預防代謝綜合癥等方面的功能性食品的應用價值。

2.5 抗氧化作用

甘薯中的多糖、多酚、黃酮、類胡蘿卜素、花色苷等均具有體內外抗氧化活性。陳樹俊等[33]研究發現，甘薯渣多糖對1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基、超氧陰離子自由基和羥基自由基的清除能力較強。用超高效液相色譜檢測到甘薯葉中的13種酚酸和10種黃酮類物質，采用自由基清除能力和鐵還原抗氧化劑粉末測定法分析其抗氧化和降血糖活性，發現二者具有較強的抗氧化能力[34]。而且研究表明，耐貯藏甘薯品種較不耐貯藏甘薯品種有著更好的抗氧化能力[35]。甘薯具有抗氧化的作用，可以用于開發功能性食品。

3 甘薯的加工現狀

目前我國甘薯主要用于鮮食和初級加工產品，產品加工以淀粉和酒精的生產規模最大，主要的加工方式是提取淀粉生產粉絲和粉條。目前，中國的甘薯加工企業多為中小型企業，技術落后和資源利用率低等導致甘薯的加工利用大部分停留在初加工階段，精深加工的產品種類少、檔次低并且質量參差不齊。近年來，隨著研究的深入，研究人員更多的關注于甘薯變性淀粉、天然色素的提取應用、以甘薯淀粉為基料轉化生產可降解薄膜、包裝材料、超強吸水樹脂及副產物的綜合利用等。

3.1 甘薯新型休閑食品

目前，甘薯除蒸煮、烘烤等鮮食外，由甘薯淀粉制成的各類休閑食品色、香、味俱佳，營養豐富、食用方便，符合現代人的消費習慣，備受國內外各地人們的高度喜愛，國內外市場需求日益增加[36]。近年來，隨著科學技術的不斷進步，甘薯食品的研制和生產開發得到較快的發展，加工的產品種類在逐漸增多，質量也不斷提高[37]。當前，甘薯休閑食品有膨化脆片、甘薯果脯、甘薯糕點、甘薯醬、甘薯果凍、甘薯罐頭等[38-40]。甘薯休閑食品正在向健康、營養、安全的方向發展。

3.2 甘薯發酵飲品

甘薯淀粉含量高，營養豐富。作為原材料發酵生產酒類，具有悠久的歷史，既適合家庭和小作坊釀制，也可進行大規模生產。利用甘薯為原料釀造甘薯酒，口感豐富，具有甘薯獨特的香味，同時符合現代人們對于低度且具有營養成分的酒類飲品的追求趨勢，具有一定的商業價值[41]。甘薯通過醋酸發酵釀造醋能最大限度地增加經濟效益，同時避免原料浪費[42]。近年已有利用甘薯與其他原料結合開發新型食品，如用紫甘薯、燕麥和山羊乳為主要原料研發復合型羊酸奶，為紫甘薯燕麥的深加工提供了新方向，同時也豐富了酸奶的品種，具有重要的實踐應用價值[43]。以甘薯黃肉品種“運薯9801”和紫肉品種“漯紫4號”為原料，乳酸菌葡聚糖明串珠菌為發酵菌株，發酵釀制益生菌發酵甘薯汁，在改善了甘薯汁口感的同時，還可改善體內微生物不平衡現象，提高宿主抵抗力，幫助消化和增強新陳代謝等[44]。利用新鮮的甘薯生產發酵飲料，具有很好的保健作用，同時可提升甘薯的利用價值。

3.3 甘薯變性淀粉研究

甘薯中淀粉約占其干重的50%～80%，淀粉加工是甘薯加工的主要方式，甘薯淀粉廣泛應用于食品、化工和醫藥領域。食品工業中它通常作為加工原料、添加劑和增稠劑等。因此，研究并提高甘薯淀粉的性質在食品加工中起著重要的作用。熱濕處理（heat-moisture treatment，HMT）可誘導甘薯淀粉的凝膠特性和結構變化，HMT提高了甘薯淀粉的相對結晶度，增加了回縮黏度并降低了分解黏度，使淀粉具有更強的彈性行為。HMT淀粉粉絲表現出更高的硬度、彈性和咀嚼性[45]。甘薯淀粉硬度高，透明度差，從而降低了消費者的接受度。轉葡糖苷酶（transglucosidase，TGAN）、麥芽糖 α-淀粉酶（maltogenic α-amylase，MABS）和 β-淀粉酶（β-amylase，BA）結合處理，有利于調節甘薯淀粉的特性，MABS→BA→TGAN處理后最初的C型淀粉多晶型結構轉變為B型結構，同時結晶度降低，溶解度顯著增加，這為調節甘薯淀粉的理化性質開辟了新途徑[46]。研究發現，添加甘油可改善天然淀粉的加工特性并可開發其作為塑料的潛在用途[47]。甘薯天然淀粉（native starch，NS）提取物經處理得到的堿性改性淀粉（alkaline modified starch，AMS）可作為酸性環境下低碳鋼的腐蝕抑制劑，協同使用碘化鉀會提高AMS的抑制作用[48]。未來高新技術在甘薯淀粉改性上的應用，必將有力地推動我國甘薯淀粉加工行業朝著健康和可持續性發展的軌道前進。

3.4 紫色甘薯花色素提取

紫甘薯提取的色素色澤艷麗、無污染，優于化學合成色素，可以加工成保健紫甘薯食品，并且這些產品已進行產業化開發，是當前流行的黑色食品的發展方向[49]，紫甘薯色素還被應用于羊毛、蠶絲和纖維織物的印染中[50]。Yong等[51]將富含花青素的紫色甘薯提取物加入殼聚糖基質中，制備的抗氧化型和智能型pH傳感膜，可延長食品保質期，并可同時監控食品質量。基于紫甘薯花青素的特性和生物活性，其在食品、化妝品、醫藥領域有著巨大的應用潛力。

3.5 甘薯副產物的綜合利用

甘薯渣和甘薯莖葉都是甘薯加工后的副產物，由于這些副產物中仍含有很多的營養成分，可將其進行進一步的合理利用，提高原料的利用率及產品的附加值。

甘薯渣含水量大，極易腐敗，除作為飼料外，通常被當作廢棄物丟棄。如果能開發和利用甘薯渣資源，可以大大提高其附加值。甘薯皮廢料具有納米添加劑潛力，甘薯皮是酚類化合物的來源，酚類化合物被廣泛認為是對人類健康有益的抗氧化劑，采用乳化-溶劑蒸發法制備低分子量聚乳酸（polylactic acid，PLA）包覆提取物納米膠囊，通過溶液澆鑄法制備的PLA薄膜與負載抗氧化劑提取物的納米顆粒具有良好的相容性，而且由于納米顆粒的存在，PLA薄膜的機械性能得到了明顯的改善。納米膠囊作為添加劑或浸入薄膜中以控制釋放抗氧化劑，從而使植物副產物增值[52]。

甘薯莖葉具有很高的營養和功能價值，而且一年可以收獲多次，但是約95%～98%的甘薯葉被丟棄，約2%～5%用于動物飼料，導致大量的資源浪費。甘薯葉提取物合成的Fe/Cu納米復合材料可用于水溶液中去除堿性品紅色，這個吸附過程是吸熱和自發的。研究表明，甘薯葉提取物合成的Fe/Cu納米復合材料在廢水處理中具有潛在應用價值[53]。

4 展望

甘薯富含營養和活性物質，是營養平衡的優質糧食作物，由甘薯制成的休閑食品和功能性食品，得到國內外消費者的廣泛喜愛，發展甘薯產業符合全球大興甘薯產業發展的潮流與趨勢。通過甘薯深加工提高甘薯產品的附加值，可為甘薯產業發展提供更廣闊的發展空間。

現階段，甘薯功能性成分利用率較低。為了充分利用甘薯資源，開發富含功能性成分的新型甘薯保健食品、新用途的甘薯工業產品，可大幅度提高其附加值，提高甘薯的經濟價值。引進新技術、新設備、新工藝對甘薯及其加工副產物進行綜合利用，可以促進甘薯加工產業的轉型發展。