不同品种、成熟期鲜莲中淀粉的结构特性研究

孙思薇 林鸿 杨炳昆 曾绍校 林少玲 郑宝东 郭泽镔

摘  要  蓮子淀粉的结构特性对带壳莲子加工品质和食用品质影响显著。为提高带壳莲子调理食品的品质，本文采用场发射扫描电镜、直链淀粉全自动分析仪、X-射线衍射仪、马尔文激光粒度仪等仪器对4个莲子品种蜡熟期和完熟期莲子淀粉的结构特性进行研究。结果表明，同一品种不同成熟度莲子淀粉中的直链淀粉、抗性淀粉含量和淀粉颗粒粒径随成熟度的增大而增大，而同一品种不同成熟度莲子淀粉的结晶度随鲜莲成熟度的增大而减小（除京广1号外）。在4个品种中，建选17号和建选35号鲜莲中的淀粉含量在蜡熟期和完熟期都较高，而直链淀粉含量最低，对于延缓淀粉老化具有一定效果。

关键词  不同成熟期;鲜莲;淀粉;结构特性中图分类号  TS231      文献标识码  A

Quality Characteristics of Fresh Lotus Seed Starch in Different Species and Maturity Stages

SUN Siwei^1，2，3， LIN Hong^1，2，3， YANG Bingkun^1，2， ZENG Shaoxiao^1，2，3， LIN Shaoling^1，2， ZHENG Baodong^1，2，3， GUO Zebin^1，2，3*

1. College of Food Science， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， Fujian 350002， China; 2. Fujian Provincial Key Laboratory of Quality Science and Processing Technology in Special Starch， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， Fujian 350002， China; 3. China-Ireland International Cooperation Centre for Food Material Science and Structure Design， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， Fujian 350002， China

Abstract  The quality characteristics of lotus seed starch have great influence on the processing quality and edible quality of shelled lotus seeds. In this project， the characteristics of the starch in four lotus varieties were compared using scanning electron microscope （SEM）， amylose automatic analyzer， X-ray diffractometer （XRD） and Malvern laser particle size analyzer. The quality characteristics of the seed starch of the four lotus varieties during the dough stage and full ripe stage were measured and analyzed. The amylose content， resistant starch content and particle size of lotus seed starch of different maturity stages of the same variety depended on maturity levels， while the crystallization of lotus seed starch with different maturity degrees of the same variety decreased with the increase of the maturity of fresh lotus seeds （except Jingguang No. 1）. Among the four varieties， the starch content of Jianxuan No. 17 and Jianxuan No. 35 fresh lotus seeds was higher in the dough stage and full ripe stage， while the content of amylose was much lower， which had a certain effect on inhibiting the starch retrogradation.

Keywords  different maturity stage; fresh lotus seeds; starch; structural characteristics

DOI10.3969/j.issn.1000-2561.2019.09.023

蓮在中国已有几千年历史，被广泛栽培和食用，主要分布在浙江、江苏、江西、湖南、湖北、河北、福建等地区，以福建建莲、湖南湘莲、浙江衢莲为上品，是我国的特色农产品之一^[1]。莲子中淀粉含量高，是高淀粉类食物，淀粉含量超过莲子干基总量的50%～ 60%^[2]，因此淀粉的结构特性直接关乎到莲子产品的品质（如莲子产品的黏稠度、口感）和所应采取的加工工艺^[3]。不同品种来源的植物淀粉的理化特性和结构特性存在显著差异，即使是相同品种，成熟期不同，淀粉的结构特性也会存在着一定差异^[4]。

鲜莲是福建省的特色农产品，本课题组对其进行了大量研究，扫描电镜结果表明建莲淀粉颗粒大多呈椭圆形或卵形，少数淀粉颗粒呈圆形或多角形。而X-射线衍射表明淀粉颗粒的晶体结构为C型，是A型与B型的混合物^[5]。同时，不同品种淀粉中淀粉含量和直链淀粉含量存在显著差异^[6]。不同方法制备的莲子抗性淀粉分子量、结晶度、溶解度和热稳定性都有所差异^[7]。同时，课题组还对超高压处理对莲子淀粉改性的情况进行了研究，结果表明，超高压处理一定程度上能够实现莲子淀粉的改性^[8]。但目前未见针对不同品种、不同成熟期莲子淀粉品质的系统研究。因此，本研究以福建省主栽的4个品种的不同成熟期的鲜莲为原料，对淀粉的颗粒形态、分子特性等结构特性进行研究，比较其理化特性的差异，探究其结构特性的变化规律，为筛选出更适宜加工的莲子品种及带壳莲子调理食品加工工艺的优化提供理论依据。

1  材料与方法

1.1材料

1.1.1  材料  4个不同品种鲜莲：建选17号、建选35号、太空莲35号和京广1号，由福建省建瓯市光祥莲子专业合作社提供;在莲子采收期（6—9月）带蓬采样。鲜莲样品分级标准参照许丽宾^[9]提出的不同成熟度鲜莲的分级标准，如表1所示。

莲蓬深绿有少许斑点，莲壳表面呈青褐色;莲子颗粒饱满，大小均一，莲子象牙黄，口感较硬，多为淀粉，无甜味;莲芯呈墨绿色，苦味浓厚。

1.1.2  试剂  乙酸、乙醇标准品均为市售分析纯;葡萄糖淀粉酶、葡萄糖测定试剂盒，南京建成生物科技有限公司。

1.1.3  仪器与设备  Nova Nano SEM 230型场发射扫描电镜，美国 FEI公司;Brucker AXS型X-射线衍射仪，德国布鲁克公司;IV型直链淀粉全自动分析仪，美国Flow Solution公司;HH-6型数显恒温水浴锅，常州国华电器有限公司;KQ5200DE型数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司;HI-5型多功能磁力搅拌器，常州国华电器有限公司;Mastersizer 3000型激光粒度分析仪，英国马尔文仪器有限公司;FD-1C-80型冷冻干燥机，北京博医康实验仪器有限公司;T6新世纪型紫外分光光度计，北京普析通用仪器有限公司。

1.2方法

1.2.1  莲子淀粉提取^[10]   采用传统的水磨工艺提取莲子淀粉。取适量的鲜莲和2倍体积的蒸馏水，于高速组织捣碎机中破碎，过100目筛得滤液。往滤液中加入20倍体积蒸馏水搅拌混匀，待静置沉淀6 h后弃去上清液，再加入20倍体积蒸馏水再静置沉淀4 h，弃去上清液后于45 ℃电热鼓风干燥箱中烘至水分含量在10%左右，粉碎过100目筛，即得莲子淀粉样品，将其置于干燥器中备用。

1.2.2  莲子淀粉颗粒形态观察^[11]   将鲜莲冷冻干燥后截取横切面，固定后放入离子溅射仪中喷金镀膜。将制好的样品放在场发射电子扫描显微镜（FE-SEM）下，分别用5000×、2000×的不同放大倍数、以不同的角度观察淀粉的颗粒结构并拍照。

1.2.3  直链淀粉含量的测定   采用IV型直链淀粉全自动分析仪测定标准样品和待测样品溶液中直链淀粉含量。方法参考文献[12]。

1.2.4  X-射线衍射测定晶体特性^[9]采用X-射线衍射仪测定淀粉样品的结晶性能。设定X-射线发生器管压40 kV，电流30 mA，发射狭缝0.25 nm，扫描角度2θ=5°～45°，连续扫描。采用Peakfit 4.12 软件分析结果，结晶度计算方法如下^[13]：

×100%

式中，Ac：结晶区面积;Aa：无定形区面积。

1.2.5  抗性淀粉含量测定方法  （1）鲜莲样品的制备。蜡熟期、完熟期的鲜莲子各取100 g放入高速组织捣碎机中加水捣成匀浆待测。

（2）总淀粉的测定。称取相当于100 mg干物质量的样品，加入4 mL 2 mol/L KOH溶液振荡30 min，使得淀粉充分溶解，直至无生淀粉团生成。然后用乙酸溶液调节pH至4.5，加入0.5 mL葡萄糖淀粉酶液于60 ℃下恒温40 min。待冷却后加入5 mL 80%乙醇，摇匀、静置、离心，取上清液。此操作反复2次，与第1次上清液合并并定容。用葡萄糖试剂盒测定溶液中葡萄糖含量，总淀粉含量为葡萄糖含量乘以转化因子0.9。

（3）抗性淀粉与可消化淀粉含量的测定。参照Go?i等^[14]提出的抗性淀粉测定方法，略有改进。步骤如下：称取相当于100 mg干物质量的样品，在pH 1.5、37 ℃条件下，加入胃蛋白酶液，以去除原料中的蛋白;冷却后用顺马来酸调节pH为6.9，加入α-淀粉酶液在37 ℃下恒温振荡16 h。然后在pH 4.5、60 ℃环境下，加入葡萄糖淀粉酶液使其恒温反应，离心，弃上清液，取沉淀。沉淀物用KOH振荡完全溶解，调节溶液pH至4.5，加入葡萄糖淀粉酶液60 ℃下恒温反应，离心，取水解液。用葡萄糖测定试剂盒测定溶液中的葡萄糖浓度，由此计算抗性淀粉（RS）含量，可消化淀粉含量由总淀粉量减去抗性淀粉量即可。

（4）淀粉粒径测定方法^[11]。称取适量淀粉，加入蒸馏水，混合均匀后制成质量浓度为0.6 mg/mL的淀粉悬浮液，在样品池中滴加配好的淀粉乳，遮光率达到6%～12%，开启超声波振荡，使得淀粉颗粒均匀分布，然后测定粒度范围及分布。重复

3次，取平均值。颗粒折射率为1.50，分散剂分散指数为1.33。

1.3数据处理

单因素试验数据使用Excel 2003和Origin 8.5软件进行处理，差异显著性分析使用DPS 9.5软件，P<0.05为具有统计学意义。

2  结果与分析 

2.1不同品种、成熟期莲子淀粉颗粒表观形态

淀粉颗粒的形态受到自身生长环境、成熟期和直/支链淀粉比等因素的影响^[15]。不同植物来源的淀粉颗粒形状各异，大多呈圆形（或球形）、椭圆形（或卵形）和多角形（或不规则形）^[16]。同一品种来源的淀粉粒也会因为成熟度的不同、生长部位的不同而有差异^[17]。由图1可见，4个品种完熟期的淀粉颗粒大小均大于蜡熟期的淀粉颗粒，说明淀粉颗粒在蜡熟期到完熟期的生长过程中不断生长。而完熟期鲜莲的淀粉颗粒相比蜡熟期形状也更为规则，大小更为均一，更多呈现椭圆形或棒状。

2.2不同品種、成熟期莲子淀粉的直链淀粉含量

淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成，淀粉的老化性质与直链淀粉和支链淀粉含量有关，其中起主导作用的是直链淀粉，因此选择支链淀粉含量高的原料可在一定程度上抑制淀粉老化^[18]。由图2可知，4个品种莲子淀粉中的直链淀粉含量存在着一定差异，其中京广1号莲子淀粉中的直链淀粉含量最高，而建选17号蜡熟期和建选35号蜡熟期莲子淀粉中的直链淀粉含量最低。同时，同1品种不同成熟度莲子淀粉中的直链淀粉含量之间也存在一定差异，直链淀粉含量随成熟度的增大而增大。建选17号和建选35号蜡熟期莲子淀粉中的直链淀粉含量最低，因此，以其作为原料可抑制带壳莲子调理食品的老化作用，有利于更好地保持带壳莲子调理食品贮藏过程中的感官品质，并可在一定程度上延长带壳莲子调理食品的货架期。

2.3不同品种、成熟期莲子淀粉结晶特性的测定

淀粉中的支链淀粉结构致密，呈双螺旋结构，构成淀粉的结晶区;而直链淀粉结构松散，构成淀粉的无定型区，但两者往往并无明确的界线^[19]。结晶部分的构造可以通过X-射线衍射进行分析，放大倍数分别是2000×（A₁、B₁、C₁、D₁、E₁、F₁、G₁、H₁）、5000×（A₂、B₂、C₂、D₂、E₂、F₂、G₂、H₂）;（A₁、A₂）、（B₁、B₂）、（C₁、C₂）、（D₁、D₂）、（E₁、E₂）、（F₁、F₂）、（G₁、G₂）和（H₁、H₂）分别是建选17号、建选35号、太空莲35号、京广1号鲜莲蜡熟期、完熟期的场发射扫描电镜图。

The magnifications are 2000×（A₁， B₁， C1_，D₁， E₁， F₁， G₁， H₁）， 5000×（A₂， B₂， C₂， D₂， E₂， F₂， G₂， H₂） respectively; （A₁， A₂）， （B₁， B₂），（C₁， C₂）， （D₁， D₂）， （E₁， E₂）， （F₁， F₂）， （G₁， G₂） and （H₁， H₂） are the FE-SEM of Jianxuan No. 17， Jianxuan No. 35， Space lotus No. 35 and Jingguang No.1 at dough stage and full ripe stage respectively.

衍射峰的位置和强度可以反映不同淀粉分子结晶区和无定型区比例的差异^[20]。不同的植物品种、环境因素以及淀粉所含水分的多少都会影响淀粉颗粒的结晶结构。由图3以及表2可知，4个品种蜡熟期和完熟期的莲子淀粉X-射线衍射峰较为相近，同时包含了A型晶体与B型晶体的结构特性，属于典型的C型晶体衍射类型^[21]。衍射峰的位置主要集中在15°～23°之间，在2θ为17°附近衍射峰最强;在17.1°、17.9°和23.0°左右有明显的衍射峰;在15.0°和19.9°附近出现较小的衍射峰。

而同一品种不同成熟度莲子淀粉的结晶度存在一定差异，由表2可知，莲子淀粉的结晶度随鲜莲成熟度的增大而减小（除京广1号）。

直链淀粉（AC）含量是指直链淀粉占干基的比例。

2.4不同品种、成熟期鲜莲抗性淀粉和可消化淀粉含量

研究发现，抗性淀粉可用于对糖尿病和肥胖症的治疗^[22-23]。而淀粉颗粒结构，直、支链淀粉比^[24-25]，链长度^[26]以及淀粉原料所含的内源脂类都会影响淀粉中抗性淀粉的含量。由表3可知，4个品种不同成熟度莲子淀粉中的抗性淀粉含量都较高，其中建选17号和建选35号莲子淀粉中的抗性淀粉含量相比其他2个品种来说要更高一些。同时，同一品种不同成熟度莲子淀粉中的抗性淀粉含量随着成熟度的增大而增大，可能由于支链淀粉在生长过程中形成的长链分支结构导致了抗性淀粉含量较高。抗性淀粉具有的降低食物热效应^[27]、调节肠胃消化^[28]、预防糖尿病^[29]等功能，抗性淀粉含量及其在莲子淀粉中所占比例也成为衡量莲子淀粉结构特性的重要指标。

2.5不同品种、成熟期鲜莲粒径的大小

淀粉种类不同，淀粉颗粒大小也相差很大。一般以颗粒长轴的长度表示淀粉颗粒的大小，介于2～120 μm之间。同一种淀粉大小也不均匀，如玉米淀粉的最小颗粒粒径为4 μm，最大的为26 μm，平均粒径为15 μm^{[5， 30]}。由图4可知，4個品种莲子淀粉的粒径大小集中在14～20 μm，不同品种莲子淀粉的粒径大小之间存在一定差异。建选35号莲子的淀粉粒径最大，完熟期淀粉粒径为20.2 μm，蜡熟期淀粉粒径为18.63 μm。太空莲35号蜡熟期淀粉粒径最小，为14.6 μm。而同一品种不同成熟度莲子淀粉的粒径大小与成熟度存在一定相关性，粒径大小随着成熟度的增大而增大，这与淀粉的累积有关。

2.6莲子淀粉结构特性相关性分析

对莲子淀粉结构特性进行Person相关性分析，结果如表4所示。由表4可知，莲子中的淀粉含量与粒径大小极显著相关。同时，淀粉含量与抗性淀粉含量呈极显著相关，可能的原因是淀粉颗粒越大，比表面积越小，与酶作用的面积越小，因而抗消化性越强。粒径大小与抗性淀粉含量呈极显著正相关。而淀粉含量与直链淀粉含量、结晶度都没有呈现显著相关性。

3  讨论

本研究结果表明，同一品种不同成熟度莲子淀粉的结晶度存在一定差异，4个品种莲子淀粉的结晶度随鲜莲成熟度的增大而减小（除了京广1号）。而直链淀粉和抗性淀粉测定结果表明，同一品种不同成熟度莲子淀粉中的直链淀粉和抗性淀粉含量随成熟度的增大而增大。4个品种莲子淀粉的粒径大小都集中于14～20 μm，不同品种莲子淀粉的粒径大小之间存在一定差异。同一品种不同成熟度莲子淀粉的粒径大小与成熟度存在一定关系，粒径大小随着成熟度的增大而增大。并且成熟度较高的完熟期鲜莲的淀粉颗粒与蜡熟期相比，形状也更为规则，多数呈现椭圆形或棒状。进一步对不同品种莲子淀粉的结构特性进行Pearson相关性分析，抗性淀粉含量与粒径大小呈极显著正相关。根据本研究结果可选择直链淀粉含量较低的建选17号和建选35号蜡熟期莲子作为带壳莲子调理食品的主要原料。本研究为筛选出更适宜加工的莲子品种以及带壳莲子调理食品加工工艺的优化提供理论依据。

参考文献

• Guo H B. Cultivation of lotus （Nelumbo nucifera， Gaertn. ssp. nucifera） and its utilization in China[J]. Genetic Resources and Crop Evolution， 2009， 56（3）： 323-330.
• 陈秉彦. 莲子淀粉微波效应的研究[D]. 福州： 福建农林大学， 2015.
• 郑宝东， 曾绍校， 李怡彬， 等. 莲子淀粉品质对莲子汁流变特性和保质期影响的研究[J]. 农业工程学报， 2005， 21（12）：167-170.
• 杨炳昆. 带壳莲子品种筛选及加工工艺的研究[D]. 福州： 福建农林大学， 2018.
• 曾绍校. 莲子淀粉品质特性的研究与应用[D]. 福州： 福建农林大学， 2007.
• 李怡彬. 莲子淀粉品质对莲子汁流变特性和保质期影响的研究[D]. 福州： 福建农林大学， 2006.
• Zeng S X， Wu X T， Lin S， et al. Structural characteristics and physicochemical properties of lotus seed resistant starch prepared by different methods[J]. Food Chemistry， 2015， 186： 213-222.

[8] Guo Z B， Zeng S X， Lu X， et al. Structural and physicochemical properties of lotus seed starch treated with ultra-high pressure[J]. Food Chemistry， 2015， 186： 223-230.

[9] 许丽宾. 不同成熟期莲子品质特性的研究与应用[D]. 福州： 福建农林大学， 2015.

[10] 汪  颖. 莲子抗性淀粉制备、性质及其对双歧杆菌增殖效应的研究[D]. 福州： 福建农林大学， 2013.

[11] 郭泽镔. 超高压处理对莲子淀粉结构及理化特性影响的研究[D]. 福州： 福建农林大学， 2014.

[12] 曾绍校， 郑宝东， 林鸳缘， 等. 莲子淀粉颗粒特性的研究[J]. 中国粮油学报， 2009， 24（8）： 62-64.

[13] Ciolacu D， Kovac J， Kokol V. The effect of the cellulose-binding domain fromClostridium cellulovoranson the supramolecular structure of cellulose fibers[J]. Carbohydrate Research， 2010， 345（5）： 621-630.

[14] Go?i I， Garcia-Diz L， Ma?as E，et al. Analysis of resistant starch： a method for foods and food products[J]. Food Chemistry， 1996， 56（4）： 445-449.

[15] 彭玉娇， 胡兰兰， 姚  成. 莲子淀粉不同提取方法的比较及性质研究[J]. 生物加工过程， 2016， 14（4）： 55-58.

[16] 王子逸， 张宾佳， 赵思明， 等. 不同品种马铃薯淀粉的多层次结构和理化特性研究[J]. 中国粮油学报， 2019， 34（3）： 32-38.

[17] 赵  凯. 淀粉非化学改性技术[M]. 北京： 化学工业出版社， 2009.

[18] 杜秀杰. 槟榔芋淀粉特性及其抗老化研究[D]. 厦门： 集美大学， 2012.

[19] Huber K C， BeMiller J N. Channels of maize and sorghum starch granules[J]. Carbohydrate Polymers， 2000， 41（3）： 269-276.

[20] 李素玲. 绿豆抗性淀粉的制备及性质研究[D]. 广州： 华南理工大学， 2011.

[21] Liu D G， Wu Q L， Chen H H，et al. Transitional properties of starch colloid with particle size reduction from micro- to nanometer[J]. Journal of Colloid and Interface Science， 2009， 339（1）： 117-124.

[22] Pi-Sunyer F X. Glycemic index and disease[J]. The American Journal of Clinical Nutrition， 2002， 76（1）： 290S-298S.

[23] Brand-Miller J C， Holt S H， Pawlak D B，et al. Glycemic index and obesity[J]. The American Journal of Clinical Nutrition， 2002， 76（1）： 281S-285S.

[24] Lee S K， Mun S H， Shin M S. Effect of heating conditions on the resistant starch formation[J]. Applied Biological Chemistry， 1997， 40（3）： 220-224.

[25] Perera A， Meda V， Tyler R T. 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.

[26] Eerlingen R C， Deceuninck M， Delcour J A. Enzyme-Resistant starch. II. In?uence of amylose chain length on resistant starch formation[J]. Cereal Chemistry， 1993， 70（3）： 345-350.

[27] Heijnen M L， Deurenberg P， van Amelsvoort J M，et al. Replacement of digestible by resistant starch lowers diet- induced thermogenesis in healthy men[J]. The British Journal of Nutrition， 1995， 73（3）： 423-432.

[28] Coudray C， Demigne C， Raysslguier Y. Effects of dietary fibers on magnesium absorption in animals and humans[J]. The Journal of Nutrition， 2003， 133（1）： 1-4.

[29] Sajilata M G， Singhal R S. Specialty starches for snack foods[J]. Carbohydrate Polymers， 2005， 59（2）： 131-151.

[30] 钱  芳， 黄立新， 杨晓泉. 莲子淀粉性质的研究[J]. 食品工业科技， 2007， 28（3）： 57-60.