山药淀粉加工特性研究

杜双奎 周丽卿 于修烛 李志西

(西北农林科技大学食品科学与工程学院，杨凌 712100)

山药淀粉加工特性研究

杜双奎 周丽卿 于修烛 李志西

(西北农林科技大学食品科学与工程学院，杨凌 712100)

采用水磨法制备山药淀粉，以马铃薯淀粉和玉米淀粉为对照，比较系统地研究山药淀粉的颗粒特性和糊化特性。结果表明，山药淀粉颗粒多为扁卵圆形，颗粒大小在8～30 μm之间，长轴平均粒径为20 μm;偏光十字中心偏向一边，呈“X”型。山药淀粉溶解度和膨胀度明显小于玉米淀粉和马铃薯淀粉。与对照相比，山药淀粉糊具有较低的透明度，较差的冻融稳定性。山药淀粉起糊温度较高，糊的热稳定性好，抗剪切能力强。增加淀粉质量分数和pH，淀粉糊冷热稳定性降低。添加蔗糖、NaCl和Na2CO3，提高了山药淀粉的起糊温度，增强热稳定性，提高抗剪切能力，但添加明矾使糊热稳定性降低，抗剪切能力下降。除蔗糖外，NaCl、Na2CO3、明矾添加剂对山药淀粉的糊化特性影响明显。

山药淀粉 理化性质 流变性

山药为薯蓣科薯蓣属(Dioscorea opposita)植物薯蓣的块根，具有补脾养胃、补肺益肾的功效［1］。山药，既是食用的滋补保健佳品，又是常用的药材。山药不仅含有蛋白质、糖类、维生素、脂肪、胆碱和淀粉酶等成分，还含有碘、钙、铁和磷等人体不可缺少的无机盐和微量元素，其营养价值、药用价值及抗病机理正逐步被发现和证实［2］，愈来愈受到人们的青睐。

目前，山药多以新鲜块茎消费为主，主要加工产品有山药干、山药饮料及山药酸奶等。研究表明，山药中含糖蛋白1．5%左右，黏多糖2．15% ～2．92%，淀粉16%～20%。近年来，国内外对山药所含黏多糖、糖蛋白、胆碱等功能保健成分及应用进行了较为深入的研究［3－5］，而淀粉作为提取功能成分后的副产物多随生产废水流失。淀粉是山药中的主要碳水化合物，国内外对山药淀粉已有部分研究报道，但涉及山药淀粉加工特性的研究报道尚未多见。李昌文等［6］以石灰水为浸泡剂，采用稀碱法从山药中提取淀粉，研究了pH值、液固比、浸泡时间、沉降时间对淀粉产率的影响;聂凌鸿［7］对淮山药抗性淀粉的制备工艺条件进行了优化;Wang S J等［8－10］对12种山药淀粉的颗粒特性、晶体结构、热特性、糊化特性以及酸解特性进行了系统研究。因此，对山药淀粉加工特性的系统研究，可以为山药资源的开发利用和新产品的研制提供理论依据。

1 材料与方法

1．1 试验材料

山药淀粉、马铃薯淀粉:自制;玉米淀粉:市购，符合 GB/T 8885—2008;NaCl、盐酸、氢氧化钠:分析纯，西安化学试剂厂;明矾、蔗糖、Na2CO3:分析纯，天津市化学试剂六厂。3种淀粉的化学组成见表1。

表1 淀粉的化学组成

1．2 试验仪器

FW100型高速万能粉碎机:天津泰斯特仪器有限公司;DMBA400型数码显微镜:麦克奥迪实业集团中国有限公司;JSM－6360LV型扫描电子显微镜:日本电子株式会社;UV1240型紫外可见分光光度计:捷森科技发展有限公司;TDL－5－A型低速台式大容量离心机:上海安亭科学仪器厂;Brabender803200型微型黏度糊化仪(MICRO VISCO－AMYLOGRAPH):德国布拉本德公司。

1．3 试验方法

1．3．1 山药淀粉的提取

采用水提法制备，工艺流程如下:

1．3．2 淀粉颗粒性质分析

1．3．2．1 淀粉颗粒形貌观察

光学形貌观察:用甘油和水1∶1(体积比)作溶剂，制备适宜浓度的淀粉乳，滴于载玻片上，盖上盖玻片，采用DMBA400数码偏光显微镜观察淀粉颗粒的偏光十字。

扫描电子显微镜观察:将淀粉颗粒均匀撒在贴有双面胶的样品台上，并做标记，然后进行喷金固定，用扫描电镜观察，放大倍数1 200倍。

1．3．2．2 溶解度和膨胀度

采用Leach法［11］。制备质量分数为1%的淀粉乳50 mL，在试验设定温度下加热搅拌30 min后，以2 780 g离心20 min，取上清液水浴蒸干，于105℃下烘至恒重、称重，计算其溶解度;用膨胀淀粉质量计算其膨胀度。计算公式如下:

式中:A为清液烘干至恒重后的残留物质量/g;W为样品干基质量/g;P为沉淀物质量/g。

1．3．3 淀粉糊性质分析

1．3．3．1 透明度

制备质量分数为1%的淀粉乳，在沸水浴中加热20 min，使之充分糊化，并不时加入蒸馏水保持原有体积，然后冷却至室温，用紫外可见分光光度计，以蒸馏水为空白，在600 nm波长下测定淀粉糊的透光率。

1．3．3．2 冻融稳定性

制备质量分数为3%的淀粉糊，冷却至室温，取定量倒入离心管中，放入－15℃下冷冻24 h后取出，自然解冻后在2 780 g下离心20 min，去掉上清液，称取沉淀物重量，计算析水率。析水率越小，说明淀粉糊的冻融稳定性越好。

式中:I为析水率/%;m1为淀粉糊质量/g;m2为沉淀物质量/g。

1．3．4 淀粉糊化特性

1．3．4．1 不同淀粉样品的糊化特性

准确称取淀粉和蒸馏水，混匀成质量分数为8%的淀粉乳，用微型黏度糊化仪分析其糊化黏度特性。测定参数设定:从30℃开始计时，以7．5℃/min的速度程序升温至 93℃，并保温 5 min，再以－7．5℃/min的速度冷却到50℃，并保温2 min。

1．3．4．2 淀粉质量分数对山药淀粉糊化特性的影响

分别配制质量分数为8%、10%的淀粉乳，用微型黏度糊化仪分析其黏度特性。

1．3．4．3 pH 对山药淀粉糊化特性影响

配置2份质量分数为8%的淀粉乳，分别用HCl和NaOH调至pH为2．0和12．0，用微型黏度糊化仪分析pH对淀粉糊化特性的影响。

1．3．4．4 蔗糖对山药淀粉糊化特性影响

淀粉乳质量分数为8%。以蒸馏水为基准，按质量比计算(下同)，分别加入5%、10%蔗糖，用微型黏度糊化仪分析蔗糖加量对淀粉糊化特性的影响。

1．3．4．5 NaCl对山药淀粉糊化特性影响

淀粉乳质量分数为8%。分别加入1%、4%、7%NaCl，用微型黏度糊化仪分析NaCl加量对淀粉糊化特性的影响。

1．3．4．6 Na2CO3对山药淀粉糊化特性的影响

淀粉乳质量分数为8%。分别加入0．5%、1．0%Na2CO3，用微型黏度糊化仪分析Na2CO3加量对淀粉糊化特性的影响。

1．3．4．7 明矾对山药淀粉糊化特性影响

淀粉乳质量分数为8%。分别加入0．5%、1．0%的明矾，用微型黏度糊化仪分析明矾加量对淀粉糊化特性的影响。

2 结果与分析

2．1 淀粉颗粒性质

2．1．1 淀粉颗粒形貌观察

山药淀粉、马铃薯淀粉和玉米淀粉颗粒大小和形状见图1。由图1可以看出，山药淀粉颗粒多为扁卵圆形，颗粒表面较光滑，颗粒比较完整，没有裂缝和破损，有些颗粒表面有少量絮状粘附物质，这可能是一些黏性糖蛋白类物质残留所致。玉米淀粉为圆形或多角形，淀粉颗粒大小差异较大，表面光滑;马铃薯淀粉颗粒多为圆形和椭圆形，有的颗粒表面有凹陷。用电镜标尺估量3种淀粉颗粒粒径，结果见表2。山药淀粉颗粒大小介于玉米淀粉(13 μm)和马铃薯淀粉(25 μm)之间。淀粉颗粒的形状大小是由遗传因素决定的，它与淀粉的生物合成机理和生长组织环境有关，淀粉及其组分的性质与淀粉粒的大小有关系［12］。

图1 淀粉颗粒的电镜形貌(1 200×)

表2 淀粉颗粒的粒径

山药淀粉、马铃薯淀粉和玉米淀粉颗粒的偏光十字见图2。由图2可以看出，山药淀粉、马铃薯淀粉和玉米淀粉颗粒都有可见的偏光十字，山药淀粉和马铃薯淀粉的偏光十字交叉点偏向颗粒一端，呈“X”型，小颗粒马铃薯淀粉的偏光十字交叉点在中心，而玉米淀粉颗粒的偏光十字交叉点均位于颗粒的中心，呈“十”字。不同淀粉颗粒的偏光十字以及位置有其独有的特征，可以根据其位置、形状来判断淀粉颗粒品种。

图2 淀粉颗粒的偏光十字(1 000×)

2．1．2 溶解度和膨胀度

吸水性会影响淀粉的加工特性，研究淀粉－水体系特性在食品加工中具有重要的意义。淀粉膨胀反映了支链淀粉的特性，而淀粉溶解主要与直链淀粉由膨胀颗粒中的逸出相关。

图3 不同淀粉的溶解度

图4 不同淀粉的膨胀度

由图3、图4可以看出，3种淀粉溶解度和膨胀度都随着温度的升高而增大。在60～95℃之间，山药淀粉溶解度明显小于玉米淀粉和马铃薯淀粉。与马铃薯淀粉相比，山药淀粉和玉米淀粉具有较小的膨胀度，在95℃时分别为13．8%和20．7%，属于限制型膨胀淀粉，而马铃薯淀粉的膨胀力相当大，在75℃时为24．2%，85℃已高达70．6%，属于高膨胀型淀粉［11，13］。淀粉的溶解和膨胀受淀粉颗粒的微晶质量、直链淀粉－脂类复合物以及支链淀粉分子结构影响［8－9］。山药淀粉、玉米淀粉以及马铃薯淀粉在溶解度和膨胀度上的差异反映它们的直、支链淀粉的比例，直、支链淀粉分子的分子质量及分布、支链度和长度以及形态不同，马铃薯淀粉的高溶解度和膨胀度可能与其支链淀粉中高的含磷量有关［11］。

2．2 淀粉糊性质分析

2．2．1 透明度

淀粉糊的透明度用透光率来反映。透光率的大小反映了淀粉与水的互溶能力，以及膨胀溶解能力的好坏，与淀粉中直、支链比例有关，直链淀粉含量越高，透明度越低。直链淀粉易相互缔合使淀粉糊回生，使光线发生散射，减弱光的透光率，从而降低糊的透明度［14］。由图5可以看出，山药淀粉糊的透光率最小，仅为1．66%，玉米淀粉糊次之，马铃薯淀粉的透光率最大，高达16．53%。透光率愈大，淀粉糊的透明度愈好。淀粉糊的透明度取决于淀粉的种类和品种，支链淀粉含量对透光率有一定的影响。山药淀粉的透光率差可能与其难糊化有一定关联［15］。

图5 淀粉糊的透明度

2．2．2 冻融稳定性

由图6可以看出，山药淀粉糊的析水率最大，玉米淀粉糊次之，而马铃薯淀粉糊的析水率相对较小。表明山药淀粉糊的冻融稳定性最差，不宜在低温下使用。冻融稳定性的好坏与淀粉中直支链比例、浓度以及其他组分有关。山药淀粉冻融稳定性差可能与山药淀粉分子结构特性、直支链比例有关。

图6 淀粉糊的析水性

2．3 淀粉糊化黏度特性

2．3．1 不同淀粉糊化黏度特性

由图7可以看出，不同淀粉的糊化特性差异较大。山药淀粉的起糊温度(81．4℃)明显高于马铃薯淀粉(63．0℃)和玉米淀粉(78．6℃)。这可能与山药淀粉中含有较多直链淀粉、直链淀粉－脂质复合物有关;另外，山药淀粉颗粒的刚性、分子链间较强的作用力都会导致较高起糊温度。与对照相比，在高温保温段(93℃)，山药淀粉糊的黏度几乎没有变化，破损值最低，表现出很好的热糊稳定性和抗剪切能力。山药淀粉峰值黏度、最终黏度高于玉米淀粉，而明显低于马铃薯淀粉。山药淀粉糊回生值低于玉米淀粉和马铃薯淀粉。这与淀粉颗粒的润胀能力、刚性、直/支链淀粉比例有关。淀粉颗粒的润胀能力越大，淀粉颗粒在糊化过程中所占据的空间就越大，颗粒之间的相互摩擦力增大，淀粉糊的黏度就会增高。此外，淀粉颗粒的刚性程度也直接决定了糊黏度，淀粉颗粒的刚性越大，淀粉糊黏度越大［8－9］。淀粉分子之间的相互作用力越大，淀粉的糊黏度就越低。淀粉中支链淀粉含量越大，黏度越大［15］。

图7 不同淀粉的糊化黏度曲线

2．3．2淀粉质量分数对山药淀粉糊化特性的影响

由图8可以看出，淀粉乳质量分数变化不会改变淀粉的黏度曲线类型，而仅改变其糊化黏度特征值。随着淀粉乳质量分数的增加，除起糊温度没有明显变化外，其余各特征值均有所升高，淀粉糊的热稳定性、冷稳定性变差。这主要是因为随着淀粉质量分数的增大，淀粉糊中淀粉颗粒数目增多，增加了颗粒之间、颗粒与搅拌子之间相互作用机会，从而引起淀粉糊的黏度特征值明显变化。

图8 淀粉质量分数对山药淀粉糊化黏度特性的影响

2．3．3 pH对山药淀粉糊化特性的影响

体系pH对山药淀粉糊化特性有影响(图9)。在酸性或碱性条件下，体系起糊温度低于中性条件。在pH 2．0时，山药淀粉的峰值黏度、最终黏度、回生值均低于中性条件，而破损值明显高于中性条件，这与淀粉在高温、高酸性条件下发生水解生成短链分子而引起体系黏度下降有关。在碱性的条件下，山药淀粉的峰值黏度、最终黏度升高，热稳定性、冷稳定性降低，凝胶性增强。这与碱促进淀粉糊化有必然关系。

图9 pH对山药淀粉糊化黏度特性的影响

2．3．4 蔗糖对山药淀粉糊化特性的影响

由表3可以看出，随着蔗糖加量的增加，起糊温度有所上升，糊的热稳定性增强，冷稳定性减弱，这与蔗糖分子中有多个羟基，易溶于水，使淀粉乳中的淀粉颗粒吸水膨胀的机会减少，颗粒膨胀受到阻碍有关。另外，由于蔗糖可以使水中各种成分的活动性减弱，导致水和体系中其他成分的相互作用减小［16］。

表3 蔗糖加量对山药淀粉糊化黏度特性值的影响

2．3．5 NaCl对山药淀粉糊化特性的影响

由表4可以看出，NaCl对山药淀粉的糊化黏度特性影响很大。随着NaCl加量的增大，体系起糊温度明显升高，峰值黏度、破损值、最终黏度以及回生值呈显著下降，表明体系中的淀粉颗粒难以润胀糊化，淀粉糊黏度下降，糊的热稳定性、冷稳定性增强，回生速度减慢。分析原因，可能由于NaCl是一种强电解质，在水中可完全电离成Na+和Cl－，这两种离子的存在会影响体系中水分子和淀粉分子之间的相互作用，阻碍淀粉的糊化过程。此外，NaCl中的Na+还可以与淀粉颗粒中的羟基发生作用［16－17］，导致淀粉糊化性质发生变化。加入NaCl可以改善山药淀粉糊的热稳定性和抗老化性能。

表4 NaCl对山药淀粉糊化黏度特性的影响

2．3．6 Na2CO3对山药淀粉糊化特性的影响

由表5可以看出，加入Na2CO3后，淀粉的起糊温度有所变化，峰值黏度、最终黏度以及回生值呈现明显的上升趋势，糊的冷稳定性降低，热稳定性增强，抗剪切能力提高。

表5 Na2CO3对山药淀粉糊化黏度特性的影响

2．3．7 明矾对山药淀粉糊化特性的影响

由图10可以看出，明矾对淀粉糊的黏度特性有明显影响。淀粉糊的峰值黏度、破损值高于原淀粉糊，山药淀粉糊的热稳定性降低，抗剪切能力下降，凝胶性能减弱。其原因可能是明矾的添加改变了体系pH值、阴阳离子浓度，从而导致淀粉糊黏度性质发生变化［18］。

图10 明矾对山药淀粉糊化黏度特性的影响

3 结论

山药淀粉颗粒多为扁卵圆形，可见的偏光十字中心偏向一边，呈“X”型。山药淀粉颗粒大小在8～30 μm 之间，长轴平均粒径为 20 μm。

山药淀粉溶解度和膨胀度明显小于玉米淀粉和马铃薯淀粉，属于限制型膨胀淀粉。与玉米淀粉糊、马铃薯淀粉糊相比，山药淀粉糊的透明度低，冻融稳定性差，不适宜在低温冷冻条件下使用。

山药淀粉起糊温度较高，破损值、回生值较低，表现出淀粉糊糊化较难、热稳定性好、抗剪切能力强特性。浓度、pH、蔗糖、NaCl等对山药淀粉的糊化特性有影响。随着山药淀粉质量分数、pH的增大，淀粉糊冷热稳定性降低，凝胶性增强。蔗糖、NaCl、Na2CO3的加入均使得山药淀粉的起糊温度有所升高，热稳定性增强、抗剪切能力提高;明矾的加入使得山药淀粉峰黏度增大，热稳定性降低，抗剪切能力下降。

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Processing Properties of Chinese Yam Starch

Du Shuangkui Zhou Liqing Yu Xiuzhu Li Zhixi

(College of Food Science and Engineering，Northwest A ＆ F University，Yangling 712100)

Starch was extracted from Chinese yam by using the water grinding method．Compared with potato starch and corn starch，the physical and chemical properties of Chinese yam starch granules and paste were systematically studied．Results:Chinese yam starch granules possess shape of oval or elliptic，with different size from 8 to 30 μm and an average length of long axis 20 μm．“X”－ shape polarization crosses lie near the edge of granules．The swelling power and solubility of yam starch are significantly weaker than corn starch and potato starch．The starch paste has low transparence and worse freeze－ thawing stability．Chinese yam starch possesses rather high start temperature of gelatinization，good thermal stability and high shear strength．With starch concentration and pH increasing，the thermal stability declines．Additives such as sucrose，salt and alkali increase the start temperature of gelatinization，and enhance the thermal stability and shear strength;however，adding alum decreases the thermal stability and shear strength．Except sucrose，adding NaCl，Na2CO3and alum all significantly influences the paste properties of yam starch．

yam starch，physicochemical properties，rheology

TS235．2

A

1003－0174(2011)03－0034－07

西北农林科技大学科研启动基金项目(Z111020903)

2010－04－26

杜双奎，男，1972出生，副教授，博士，食品科学

李志西，男，1958出生，教授，博士生导师，食品科学