甘薯抗性淀粉理化特性研究

唐忠厚 陆国权

(浙江大学农业与生物技术学院1,杭州 310029)

(中国农业科学院甘薯研究所2,徐州 221121)

甘薯抗性淀粉理化特性研究

唐忠厚1,2陆国权1

(浙江大学农业与生物技术学院1,杭州 310029)

(中国农业科学院甘薯研究所2,徐州 221121)

选择 3个不同类型甘薯品种,以提取获得的抗性淀粉为研究对象,通过 X-射线衍射分析仪、差示扫描量热分析仪 (DSC)、快速黏度测定仪 (RVA)、紫外 -可见吸收光谱仪、近红外光谱分析仪 (N IRS)和扫描电镜等仪器分别对甘薯原淀粉和其对应抗性淀粉晶体结构类型、熔融温度、淀粉糊化特性、平均聚合度和淀粉分子结构等理化特性深入研究与分析。结果表明,不同甘薯品种间抗性淀粉熔融温度具一定差异,抗性淀粉与其原淀粉间糊化特性、晶体结构等特性呈明显差异。

甘薯 抗性淀粉 理化特性

淀粉是由植物体内光合作用生成的葡萄糖经缩合而成的多糖。长期以来,淀粉一直被认为可以为人体完全消化吸收。1983年英国生理学家 Flans En2 glyst首次发现一种在人体小肠及胃中不能消化的淀粉,并将其定义为抗性淀粉 (Resistant Starch,简称RS)。此后,抗性淀粉作为备受关注的植物功能性多糖类物质,许多学者开始对其进行了广泛而深入的研究。由于其具有特殊生理功能和用途,在加工食品上显示了广阔的应用前景。

甘薯[Ipomoea batatas(L.)Lam]是我国重要的粮食、饲料和工业原料作物,也是我国最大地下根茎作物。淀粉是甘薯块根最主要的营养物质之一,是良好的抗性淀粉资源。甘薯抗性淀粉的应用主要取决于其理化性质的差异,国外已有许多有关抗性淀粉理化性质的报道[1-12],国内这方面的研究也有起步[13-14]。他们以高直链型玉米淀粉或小麦淀粉为材料,通过压热处理得到抗性淀粉,对其理化指标进行评价,但还缺乏统一的分析标准;此外,从不同角度反映抗性淀粉同一特征,其内部联系仍不清楚,且不同报道相关论证不一;同时以往的研究中也没有将原淀粉与其对应抗性淀粉理化性质进行对照,来探明它们之间的特性差异。因此本研究筛选国内三个不同甘薯品种淀粉和其抗性淀粉的理化性质进行分析,以期为甘薯抗性淀粉的制备和食品工业上的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 参试材料

参试甘薯品种为“浙 13”(红皮红心)、特色品种“紫 883”(紫皮紫心)和对照品种“徐 18”(红皮白心),5月中旬栽种在浙江大学华家池校区农场试验田,单行高垄,随机排列,生长 150 d后收获健壮块茎。洗净后,淀粉的制备参照 Collado等[11]的方法。原淀粉再经干燥,并统一过 100目后冷藏保存备用。

1.1.2 样品的制备

参照唐忠厚等[15]甘薯抗性淀粉定量测定改进方法,在甘薯淀粉乳浓度 80%、pH 6.0～6.4、糊化温度125℃、糊化时间 120 min的糊化条件下,加入一定量耐热α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶进行消化,离心,醇洗,烘干,得较纯抗性淀粉。

1.1.3 仪器

S-4700 II场发射扫描电子显微镜:日本 Hitachi公司;TRA X-射线衍射器:瑞士 Thermo ARL公司;DSC-7型差示扫描量热分析仪:美国 Waters公司;N I RS5000近红外反射光谱分析仪:丹麦 Foss公司;UV-2700型紫外 -可见吸收光谱仪:美国 Waters公司;RVA-3型快速黏度仪:澳大利亚 Newport公司。

1.2 方法和步骤

1.2.1 X-射线衍射分析

采用 X-射线衍射仪测定样品晶体结构,并计算其结晶度。

1.2.2 差示扫描量热分析

采用差示扫描量热分析仪测定 (differential scan2 ning calorimetry),并用配套软件记录扫描并计算吸热曲线上相关系数,每个样品重复 2次。

1.2.3 淀粉糊化特性测定

采用 RVA测定仪 (Rapid Visco-Analyser)对样品糊化特性进行快速测定,以 TCW(thermal cycle for windows)配套软件进行分析;参照黄华宏等[16]研究基本程序操作。

1.2.4 平均聚合度测定

采用紫外 -可见分光光度计进行扫描,波长范围为 400～800 nm,测出最大吸收峰;淀粉是不同分子质量同系的混合物,所以表示时用平均聚合度(DP)。

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

1.2.5 光谱分析

采用近红外反射光谱分析仪在波长 1 100～2 498 nm范围内,每隔 2 nm采集光谱数据 (反射强度,R),每份样品自动重复扫描 32次,存于计算机中,并求平均值。相同样品,装样并扫描 3次,求平均光谱值,转化为 lg(1/R)后,保存为计算机文件,形成反射光谱[18]。

1.2.6 形态观测

分别取少量样品散放在载玻片上,滴少许 I2-KI试剂,将其充分涂匀,在扫描电子显微镜下观察淀粉与原淀粉颗粒形态。

2 结果与分析

2.1 晶体特性分析

三种甘薯原淀粉和抗性淀粉 X-射线衍射图谱(见图 1,图 2)。原淀粉 X-射线图谱表现为 Ca型(C接近 A型),在 2θ=18°左右有主要反射峰,14.5°和 23°处出现双肩峰,也有偏向 A型趋势,这些结果与 Hoover等[8,19]报道几乎一致。抗性淀粉 X-射线图谱表现为 B型,在 2θ=17°左右有一单峰,在 20°～23°处出现另一不明显小峰,这些结果与 Godley等[6,13]报道几乎一致。试验结果表明,原淀粉颗粒之间的晶体结构没有较大差异,在糊化冷却处理过程中遭到破坏而形成的抗性淀粉结晶体与其差异明显。

从表 1可以看出,经处理过甘薯抗性淀粉与原淀粉相比结晶度增大,品种间原淀粉结晶度差异不明显,但与其对应抗性淀粉差异明显;同时发现抗性淀粉结晶度和该品种抗性淀粉含量间呈显著相关性(r=0.8213,N=3)[15],说明重新聚合形成新结晶的抗性淀粉分子缔合程度更大,分子排列紧密,结构更加牢固,从而达到抗消化目的。

本研究用积分法对两类型淀粉的结晶度进行计算,结果见表 1。

表 1 浙 13、徐 18与紫 883两类型淀粉粒的结晶度

2.2 熔融温度 DSC分析

三甘薯品种原淀粉与抗性淀粉热特性曲线图如图 3、图 4所示。根据直链淀粉颗粒与脂肪形成单螺旋结构的配合物,在 DSC图中出现熔融温度峰[20],从图 3可判断,每个原淀粉样品都有一明显吸热主峰,该峰是直链淀粉晶体熔融时吸热而形成,证明原淀粉中有抗性淀粉存在。各热参数值间存在一定的相关性,Tp与 To和ΔH的相关性均达显著,相关系数分别为0.7963和 0.7543(N=3)ΔH与 To间呈极显著相关 (r=0.99833,N=3)。

图 3 浙 13、徐 18与紫 883淀粉热特性曲线

图 4 浙 13、徐 18与紫 883抗性淀粉热特性曲线

从图 4看出,抗性淀粉起始温度 To与原淀粉的差值不大,其各热参数值间也存在一定的相关性,To和 Tp相关性达显著 (r=0.9333,N=3),ΔH与 To和 Tp间也有相关性,但都不显著,相关系数分别为0.122和 0.471(N=3);同时分别在 92.53、117.47和 104.27℃有单一峰,为抗性淀粉特有的熔融吸热峰,但峰值与杨光等[13,21]报道不一致;这也可能是甘薯淀粉本身直链淀粉晶体相对少,结合不紧密,形成的抗性淀粉结晶区交叉互作较少,且主要为叠加成束状或层状。相关分析发现,抗性淀粉熔融吸热峰值与直链淀粉含量呈显著相关 (r=0.5223,N=21)[18];也可以得出结论,要增加抗性淀粉熔融吸热值,提高热稳定性,能经受大多数加工过程,还需选育高直链淀粉甘薯品种。

2.3 淀粉糊化特性分析

三甘薯品种原淀粉与抗性淀粉糊化特性图,如图 5、图 6所示。从图 5看出,甘薯淀粉 RVA谱一般表现为 A型,结果与 Collado等[11,22]报道基本一致。从图 6看出,抗性淀粉 RVA谱表现几乎为直线,可能原因是淀粉在 120℃高温糊化处理后,经酶水解,支链淀粉和部分回生淀粉被消化,仅余下抗性淀粉晶体,其黏滞性几乎消失,其最高黏度分别为 6.67、6.83和 6.8,崩解值为 13.25、13和 12.9,差异不明显。

2.4 平均聚合度测定

表 2 浙 13、徐 18与紫 883两类型淀粉粒的平均聚合度

聚合度可作为聚合物分子质量的量度,是衡量高分子聚合物的重要指标,分子聚合度越大、分子链越长;从表 2发现,无论甘薯淀粉还是抗性淀粉,λmax都在 585～600 nm之间,DP值差异不明显,结果说明抗性淀粉在形成过程中,直链淀粉几乎形成结晶体,而支链很难;但相对 Eerlinger等[3,13]结果少许偏大,可能是甘薯淀粉本身结构特征容易交融叠加。

2.5 近红外光谱分析

图 7 浙 13、徐 18与紫 883淀粉与抗性淀粉 N IRS图谱对照

在N IR光谱区有机成分对 N I R光有选择性吸收,同种有机物的吸收相似;由图7可知,无论甘薯原淀粉,还是抗性淀粉,N IR对它们吸收频率相似,N I RS光谱图性状和特点极相似,没有发现明显的区别,证明经压热处理的抗性淀粉没有形成新的基团,除水解反应外,物理结构受到破坏,没有发生其他化学反应 (如氧化、取代等),从一个侧面证明了抗性淀粉是物理改性淀粉,但不同品种间吸收强度均存在差异。

2.6 扫描电镜观察

图 8、图 9结果显示,甘薯淀粉颗粒直径约为 4～25μm,颗粒较完整,呈球形或多面体形,表面光滑;在压热糊化冷却处理后,形成的抗性淀粉己完全看不出淀粉粒的形状,淀粉粒结构消失,出现了不规则的束状或叠加在一起团状;也表明淀粉在酶水解下,仅留下结构坚硬而致密的直链淀粉结晶区和掺杂于结晶区中无定型区的抗性淀粉分子,而导致抗酶消化。

图 9 浙 13、徐 18与紫 883抗性淀粉颗粒形态

3 结论

原淀粉颗粒之间的晶体结构没有较大差异,在糊化冷却处理过程中遭到破坏而形成的抗性淀粉结晶体与其差异明显,X-衍射射线图谱主要表现 B型,在 2θ=17°左右有一单峰;DSC分析发现在三品种分别为 92.53、117.47和 104.27℃的有一个吸热峰,清楚地看到了抗性淀粉特有的熔融吸热峰。但这与有关文献报道不一致,表明要增加抗性淀粉熔融吸热值,提高热稳定性,能经受大多数加工过程,还需选育高直链淀粉甘薯品种。

RVA分析表明原淀粉表现为 A型,有较高的最高黏度和明显的崩解值;但抗性淀粉的黏度几乎完全消失,RVA图谱呈直线性;甘薯淀粉与抗性淀粉均聚合度差异不明显,DP为 70左右,可能是甘薯淀粉分子本身结构容易交融叠加。近红外分析表明无论甘薯原淀粉,还是抗性淀粉,N I R对它们吸收频率相似,N I RS光谱图性状和特点极相似,但不同品种间均存在差异。SEM表明淀粉糊化后在酶水解下,仅留下结构坚硬而致密的直链淀粉结晶区和掺杂于结晶区中无定型区没有规则结构的抗性淀粉分子。原淀粉的吸湿性低于抗性淀粉,品种间没有显著差异。

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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

国家自然科学基金 (30871567),国家行业项目 (ny2 hyzx07-012-12),国家科技支撑计划项目(2006BAD 05A11-6,2006BAD01A06-2)

2009-02-26

唐忠厚,男,1976年出生,甘薯育种和品质分析

陆国权,男,1963年出生,博士,副教授,薯类作物的研究和开发