3种不同类型山药品种的性状比较分析

徐寸发，张 芳，徐 蓉，周 昊，徐世伟，徐为民

(江苏省农业科学院 中心实验室，江苏 南京 210014)

3种不同类型山药品种的性状比较分析

徐寸发，张 芳*，徐 蓉，周 昊，徐世伟，徐为民**

(江苏省农业科学院 中心实验室，江苏 南京 210014)

采用扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)和差示扫描量热仪(DSC)，研究了3种不同类型山药品种紫山药、铁棍山药、白山药的性状差异。结果表明：3种山药均富含淀粉，淀粉颗粒形状及尺寸不一，铁棍山药所含淀粉颗粒尺寸相对较小；相比铁棍山药，紫山药和白山药的红外谱图和X射线衍射图中的特征峰基本一致，但白山药结晶度最高，为16.5%；铁棍山药熔融热焓值为(12.97±0.15) J/g，是紫山药的1.1倍、白山药的1.4倍。综上所述，3种山药在微观形貌、结晶性、热学性质等方面存在一定差异。

山药；扫描电子显微镜；傅立叶变换红外光谱仪；X射线衍射仪；差示扫描量热仪；性状

山药又名薯蓣(DioscoreaopositaThunb)，属薯蓣科薯蓣属植物，是一年生或多年生缠绕性藤本植物，能形成肥大的地下茎，肉质细腻，风味鲜美[1]，广泛分布在非洲、亚洲、中东、南美及加勒比地区。自古以来，山药是一种药食同源的食材，富含维生素、微量元素、淀粉、多糖、蛋白质、多种氨基酸、矿物元素等营养成分[2]，在《神农本草经》上将其列为上品。在中医药学上山药可益精气、健脾胃、滋肺益肾，一直被用于治疗糖尿病、腹泻、哮喘以及其他疾病[3-4]，具有预防肥胖，预防心血管疾病，抗肿瘤、突变，促消化，增强免疫力的功效。

目前，全世界共发现的山药品种有600种之多[5]，中国约有55种、11变种、1亚种[6-7]，主要分布于长江以南各省区，并且形成了很多地方品种，如白山药、铁棍山药、水山药、怀山药、麻山药、紫山药等。其中，铁棍山药营养成分含量高，以“今人多用怀庆者，肉白指喜细，紧实者入药”而被认为山药中精品，主产于河南，以焦作、温县一带最为有名[8]。而紫山药，又称紫莳药、紫参薯，因其肉质为紫色而得名，含有丰富的花青素[9]，相比白山药，其富含更多的营养成分，且口感明显强于同类白山药。刘影等[10]对浙江紫山药和白山药营养成分检测发现，紫山药粗蛋白平均含量为13.82%，明显高于白山药的9.22%，且紫山药富含对人体有益的Se元素，微量元素Mg、Ca、Zn、Cu的含量均高于白山药[11]。显然，由于生长环境、栽培技术、种质等的不同，导致山药之间的化学性状、物理性状、生物性状存在较大差异。据已有文献报道，学者对山药的研究主要集中于栽培技术、营养成分提取及其活性、深加工等[12-14]领域，也有一些对不同山药间特性差异比较方面的研究，但是研究手段比较单一，缺乏全面性，如孙素琴等[15]用红外光谱鉴定道地与非道地山药，张景超等[16]用X射线衍射法鉴别不同产地山药。因此，本文以来自不同产地的紫山药、铁棍山药和白山药作为研究对象，通过显微观察法、热分析法、红外光谱法和X射线衍射法比较全面地分析了3种不同类型山药间性状差异，以期为山药的鉴别提供更全面的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料来源

紫山药：购买于浙江省瑞安市产地；铁棍山药：购买于河南省温县产地；白山药：购买于浙江省台州市产地。

1.2 方法

将3种不同类型的新鲜山药清洗干净后切成片状，放置鼓风干燥箱于65 ℃烘干至恒重，然后将烘干的山药块体粉碎过100目筛备用。最后利用扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)测定过筛的3种山药粉末的相关理化指标。

1.2.1 山药的SEM表征 SEM测试在德国ZEISS EVO-LS10型扫描电镜上完成，工作电压20 kV。实验时，将适量的干燥山药粉末样品尽可能地均匀粘置于导电胶上，然后用离子溅射仪镀10 nm厚的金膜，最后将制作好的样品放入腔室中观察粉末的表面形貌特征。

1.2.2 山药的FTIR表征 红外光谱测试在美国Thermo Scientific Nicolet iS-50型傅立叶变换红外光谱仪上完成，测量范围：520～4000 cm-1，光谱分辨率为4 cm-1，扫描次数32次。实验时，采用该仪器的衰减全反射模式，扣除大气背景后，直接取适量混合均匀的山药粉末放置金刚石样品台，压实测定，按上述条件测定山药的红外光谱。

1.2.3 山药的XRD表征 XRD的表征在德国BRUKER D2 Phaser型X射线衍射仪上完成。将干燥的山药粉末装入样品盘中压片后放至样品台测试，测试条件为：Cu Kα(λ=0.15406 nm)，Lynx Eye阵列探测器，Ni滤波片，管电压30 kV，管电流10 mA，步进扫描模式，扫描范围：5～60°，步长为0.02°，扫描速度为7°/min。

1.2.4 山药的DSC测定 DSC测试在美国TA Q20型差示扫描量热仪上完成。称取6 mg左右的山药粉末置于固体铝坩埚中，将盛有样品的铝坩埚放入样品腔室，从30 ℃升温至280 ℃，升温速率10 ℃/min。

1.3 数据处理与分析

文中数据均由相关仪器自带软件分析所得，图表由软件Origin 8.0和Excel 2003绘制。

2 结果与分析

2.1 山药的表观形貌特征分析

将3种不同类型的山药烘干粉碎后，发现3种山药粉末间表观颜色存在差异，如图1所示。相比铁棍山药和白山药，紫山药因含有花青素而呈紫色，故而紫山药粉末呈浅紫色，而铁棍山药粉末和白山药粉末颜色差异较小，分别淡黄白色和黄白色。根据扫描电子显微镜观察山药粉末表面微观特征明显地发现(图2)，3种山药粉末主要含淀粉颗粒且颗粒形状及大小不一，表面相对光滑，颗粒尺寸在8～40 μm之间，以卵圆形、椭圆形、长饼形为主。不过，相比其他2种山药，发现铁棍山药中淀粉颗粒相对较小，而小的淀粉颗粒易形成密实体，从而形成铁棍山药肉质密实，且含水率相对较低的特点。

a.紫山药，b.铁棍山药，c.白山药图1 山药粉末的表观形色

2.2 山药的红外谱图分析

红外光谱是检测高分子物质组成与结构的最重要方法之一，已广泛用于鉴别高聚物。山药中因富含淀粉，干基淀粉含量达60%～85%[17]，而红外光谱则是表征手段之一。不同类型的3种山药的红外光谱图如图3所示，从谱图(1)中可以看出中3种类型山药的谱图极其相似，这主要是因为不同山药中的各种化学成分相对一致。不过，从谱图(2)中可以发现3种山药红外谱图中峰值大小略有不同，铁棍山药在3200、2900、1630、1360、1000 cm-1等附近的红外吸收峰明显均强于紫山药和白山药，这可能是因为山药质地的差异而导致光程有所不同，且化学性质存在一定的差异[18]。

2.3 山药的晶体结构分析

从图4可知，紫山药、铁棍山药和白山药的X射线衍射图的几何拓扑分布规律与红外光谱图极其相似。但是仔细对比发现，紫山药和白山药在2θ角为17.0°、20.0°、22.0°附近出现明显的特征衍射峰；而铁棍山药则在15.0°、17.0°、22.0°、26.0°附近出现明显特征衍射峰，这表明3种不同类型的山药在成分(或晶形)上存在一定的差异，符合客观规律。此外，从图4还可以发现，白山药的特征衍射峰值较其他2种高，说明白山药的结晶度相对高。根据X射线衍射仪自带软件计算也发现白山药的结晶度为16.5%，高于铁棍山药的16.0%、紫山药的14.4%，低于山药淀粉的结晶度(平均36.0%)[19]。

图3 3种山药的红外光谱图

图4 3种山药的X射线衍射图

2.4 山药的热分析

3种不同类型山药的DSC曲线如图5所示，3条DSC曲线变化规律基本一致。曲线中第一个较大峰为山药粉末结构水挥发产生的吸收峰，第二个峰则是山药粉末开始熔融产生的熔融吸收峰。根据第一个吸收峰分析看出，峰值大小顺序为：铁棍山药(123.06 ℃)>白山药(118.05 ℃)>紫山药(109.87 ℃)，表明铁棍山药结构水含量相对较少，这可能与铁棍山药含水率低有关。由第二个吸收峰分析计算得到3种山药熔融特性，结果表明：3种山药的熔融起始温度、峰值温度和终止温度差值并不明显，铁棍山药熔融热焓值为(12.97±0.15) J/g，是紫山药的1.1倍、白山药的1.4倍(表1)。据路宏民等[20]发现淀粉颗粒结构越紧密，分子间相互作用力越强，则热焓值越大，本实验结果中铁棍山药热焓值高于其他2种山药，原因可能就是铁棍山药淀粉颗粒相对较小，形成的结构比较紧密(图2)。

图5 3种山药的DSC曲线表1 3种山药的熔融特性

品种起始温度T0/℃峰值温度Tp/℃终止温度Tc/℃热焓值△H/(J/g)紫山药179.23±0.48215.37±0.23243.59±0.1111.68±0.26铁棍山药178.55±0.56214.17±0.10248.82±0.6812.97±0.15白山药184.69±1.07215.34±0.05244.72±0.349.10±0.25

3 结论

通过SEM、FTIR、XRD、DSC这4种方法分析紫山药、铁棍山药和白山药的性状，得出以下结论：(1)山药粉末中以淀粉颗粒为主，颗粒形状及大小不一，铁棍山药淀粉颗粒较紫山药和白山药小；(2)3种山药的化学成分、晶体结构存在一定差异，白山药结晶度高于紫山药和铁棍山药，而铁棍山药的热焓值则高于紫山药和白山药。

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(责任编辑：曾小军)

Comparative Analysis of Characters of Three Different Types of Chinese Yam (Dioscoreaopposita) Varieties

XU Cun-fa, ZHANG Fang*, XU Rong, ZHOU Hao, XU Shi-wei, XU Wei-min**

(Central Laboratory, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China)

This paper studied the character differences among three different types of Chinese yam (Dioscoreaopposita) varieties (purple yam, tiegun yam and white yam) by using scanning electron microscope (SEM), fourier transform infrared spectrometer (FTIR), X-ray diffractometer (XRD) and differential scanning calorimeter (DSC). The results indicated that three types of yam varieties all contained abundant starch with various shapes and sizes of grains, and the size of starch grains in tiegun yam was smaller than that in other two yam varieties. The characteristic peaks about FTIR and XRD of purple yam were almost the same as those of white yam. However, the crystallinity of white yam was the highest (16.5%) among three yam varieties. In addition, the melting enthalpy of tiegun yam was (12.97±0.15) J/g, being 10% and 40% higher than that of purple yam and white yam, respectively. Therefore, there were certain differences in micro-morphology, crystallinity and thermal property among three types of yam varieties.

Chinese yam; SEM; FTIR; XRD; DSC; Character

2017-03-07

徐寸发(1991─)，男，硕士，从事仪器管理及其功能开发的研究。*并列第一作者：张芳，**通讯作者：徐为民。

S632.1

A

1001-8581(2017)07-0048-05