3种栗属坚果淀粉的结构及其理化特性

段春月 刘 静 刘 畅,2

(河北科技师范学院食品科技学院1，秦皇岛 066600) (河北省板栗产业协同创新中心2，秦皇岛 066600)

我国栗属植物(Castanea)主要有板栗(CastaneamollissimaBlume)、茅栗(CastaneaseguiniiDode)、锥栗(CastaneahenryiRehder.et Wils.)和日本栗(CastaneacrenataSieb.et Zucc.)[1]，栗属植物在我国的栽培历史有2 000多年，对国民经济有巨大的贡献。我国板栗种植主要在中部、东北部、东部和东南部区域；锥栗分布于我国南方亚热带地区十几个省区，但规模种植仅限于闽北、浙南山区；日本栗原产自日本，在我国主要集中在辽宁东部山区种植[2，3]。栗属坚果含有丰富碳水化合物、蛋白质、脂肪等成分，具有较高的营养价值和药用价值[4]。淀粉是栗属坚果的重要组成成分，占干物质的38%～80%[5]，栗属坚果的食用品质和加工特性均与淀粉的理化特性密不可分。

我国栗属资源丰富，栗属坚果淀粉作为一种新型非粮淀粉资源，具有独特的物化特性，在食品和非食品工业中具有广阔的开发应用前景。虽然前人对板栗和锥栗淀粉的结构和功能特性进行了研究，但目前针对我国优质品种的板栗、锥栗和日本栗淀粉特性的比较研究鲜见报道[6-8]。本研究选用我国产地为南北方的3种栗属的14个主栽品种为材料，研究栗属坚果淀粉的颗粒结构和理化特性，并探索其结构和功能的相关性，揭示淀粉颗粒内在结构对其理化性质的影响，为栗属坚果淀粉的深加工及淀粉资源的开发和利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料与试剂

1.1.1 实验材料

参照《中国果树志·板栗 榛子卷》[1]对板栗品种群的划分，以10个板栗品种、3个锥栗品种和1种日本栗的坚果为实验材料：

板栗：(1)北方品种群：河北(早丰)、北京(燕山红)；(2)中间品种群：山东(石丰、岱岳早丰)、安徽(叶里藏、二水早)、河南(七月红)；(3)南方品种群：湖北(乌壳栗、金优2号)、广西(东兰油栗)。

锥栗：福建(白露仔、乌壳长芒、长芒仔)。

日本栗：辽宁(大峰)。

样品于2018年9月采收，4 ℃冷库贮藏，经1个月后熟，进行实验。

1.1.2 试剂

A3176 α-淀粉酶(15 U/mg)；E-AMGDF淀粉葡萄糖苷酶(200 U/mL)；GOPOD试剂盒；淀粉葡萄糖苷酶(3 300 U/mL)。

1.2 实验仪器与设备

D/max-2500vk/pc X射线衍射仪；LA-920激光衍射粒度分析仪；SU-8010扫描电镜；DSC Q2000差示扫描量热分析仪；TechMaster RVA-4500快速黏度仪。

1.3 方法

1.3.1 淀粉的提取和直链淀粉含量测定

板栗和锥栗淀粉根据Liu等[5]的方法进行提取。将提取的淀粉样品于40 ℃烘干，研钵研细。直链淀粉含量参照Chrastil[9]方法测定，蛋白质含量与脂肪含量采用GB/T 5009.5—2016的凯氏定氮法和GB/T 5009.6—2016的索氏提取法测定[10,11]。

1.3.2 微观形貌观察

用导电双面胶将适量淀粉样品固定在载物台上，真空喷金处理后，将样品置于扫描电子显微镜中，扫描过程的加速电压为5 kV，观察样品的形态[12]。

1.3.3 淀粉的粒度分析

以无水乙醇作为分散介质，配制淀粉悬浮液，超声波振荡滴入分散槽，遮光率低于25%，测定粒径大小。

1.3.4 晶体特性分析

样品在饱和NaCl溶液中(相对湿度75%)平衡水分。分析条件：CoKa辐射，管压为40 KV，管流为40 mA，扫描速度设为4 deg/min，扫描范围的2θ为3°～40°，步长为0.02°[13]。XRD图采用系统软件Integral进行平滑，相对结晶度用Nara等[14]方法计算。

1.3.5 淀粉的膨胀度

参考Konik-Rose等[15]的方法，采用40 mg(干基)样品进行测定，膨胀度公式为：SP=B/S。

式中：B为沉淀物的质量；S为淀粉样品的质量。

1.3.6 淀粉的冻融稳定性

将样品配制成6%(m/m)的淀粉-水的悬液，90 ℃的水浴糊化15 min，平衡10 min，于4 ℃下冷藏2 h增加晶核，再置于-18 ℃冷冻20 h，常温解冻4 h，于3 000 r/min离心20 min，24 h为1个循环。进行5次冻融循环，计算析水率。

1.3.7 淀粉的热特性

将淀粉与去离子水按1∶3(m/V)的比例混合置于铝盘中，密封后平衡水分12 h。测定条件为：温度范围 20～100 ℃；升温速率 10 ℃/min。记录相关参数：起始温度To，峰顶温度Tp，结束温度Tc。

1.3.8 淀粉的黏度特性

制备8%(m/m)、总质量为28 g的淀粉-水悬液。测定条件为：50 ℃下保持1 min，以12 ℃/min的速率加热至95 ℃，保持3 min，以12 ℃/min的速率冷却至50 ℃保持2 min[5]。前10 s混合桨的转速960 r/min，其余为160 r/min。从RVA特征谱测得下列参数：峰值黏度(PV)、谷值黏度(TV)、崩解值(BD)、最终黏度(FV)、回生值(SB)和起始糊化温度(PT)。

1.3.9 数据处理

数值表示为平均值±标准差，实验重复2～3次，数据采用Duncan多重检验法进行显著性分析(P<0.05)，采用SPSS21软件进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 直链淀粉含量、蛋白质和脂肪含量

由表1可知，不同品种栗属坚果的直链淀粉质量分数存在显著差异，岱岳早丰的直链淀粉含量最低，二水早最高。14个品种的直链淀粉含量与Liu等[5]和Torres等[16]的报道相近。淀粉样品的蛋白质含量较低，其中3种锥栗淀粉蛋白质质量分数较其他淀粉高。淀粉样品脂肪质量分数为0.68%～1.63%，3种锥栗淀粉的脂肪质量分数较高，为1.50%～1.63%，日本栗大峰的脂肪质量分数为1.48%。

表1 3种栗属坚果淀粉的组成分析

注：同列中字母不同表示差异显著(P<0.05)，余同。

2.2 微观形貌及粒度

如图1所示，淀粉样品颗粒表面光滑，形状复杂，有不规则形、椭圆形、鹅卵石形、荞麦籽形等，淀粉颗粒的粒径小于20 μm。锥栗淀粉的颗粒形态较规则，多为圆形和椭圆形，棱角较圆。淀粉颗粒粒径相差较大，分为大尺寸和小尺寸两种颗粒，颗粒粒径分布呈单峰状且分布范围较窄。中位径D50是分布曲线中累积分布为50%时的最大颗粒的等效直径。如表1所示，不同品种淀粉的中位径有显著差异，锥栗的长芒仔淀粉中位径最大，乌壳长芒的中位径最小。

图1 栗属淀粉颗粒的扫描电镜图(×2 000)

2.3 淀粉的晶体结构

淀粉的晶型分为A型、B型和C型3种类型。A型淀粉在2θ为15°、17°、18°和23°处有较强衍射峰；B型淀粉在2θ为5.6°、17°、22°和24°有较强衍射峰；C型为A型和B型的综合[5]。由图2可知，3种坚果淀粉在衍射角2θ为5.8°、15.3°、17.0°以及23.0°附近出现较强衍射峰，2θ为20.0°附近出现较弱的衍射峰，表明所测样品均为C型晶体，该结果和Wang等[17]报道的板栗淀粉一致，与谢涛等[18]报道的锥栗淀粉为A型晶体结果不一致。在衍射角2θ为5.8°处衍射峰强度不同，板栗的早丰、金优2号和锥栗的长芒仔衍射峰强度较大，表明其淀粉颗粒含有较多的B型晶体[13]。

图2 栗属坚果淀粉的X-射线衍射图

如表2所示，栗属坚果淀粉的结晶度有显著差异，板栗的二水早结晶度最高，日本栗大峰的结晶度较高，金优2号最低。淀粉之间结晶度的差异由结晶大小、晶体数量和双螺旋结构间相互作用等因素决定[19]。供试淀粉的结晶度差异不能单独用直链淀粉含量来解释，因为二水早直链淀粉含量较高，却表现了较高的结晶度。所以结晶度可能是由于颗粒内部微晶的取向、支链淀粉的链长度以及双螺旋结构之间相互作用力等因素的相互制约决定。

表2 栗属坚果淀粉的结晶度、膨胀度及冻融析水率

2.4 淀粉的膨胀度

如表2所示，随着温度升高，淀粉膨胀度逐渐增大；相同温度下，不同品种淀粉的膨胀度存在显著差异。80 ℃时，乌壳栗的膨胀度最大，二水早最低；90 ℃时，大峰的膨胀度最高，燕山红最低。淀粉膨胀度表明淀粉在特定的加热条件下淀粉分子的水合能力[20]，燕山红的膨胀度低于其他淀粉，可能与其直链淀粉含量较低、结晶度较高有关。该实验结果与Cruz等[21]报道的欧洲板栗以及Liu等[5]报道的板栗淀粉膨胀度相近。

2.5 淀粉的冻融稳定性

如表2所示，不同品种淀粉在相同冻融次数的条件下，析水率存在显著差异。经过1次冻融后，除早丰、大峰、金优2号和白露仔，其他淀粉的析水率均为0，说明栗属淀粉具有较好的持水能力。5次冻融后，东兰油栗的析水率最低，锥栗的白露仔析水率最高。经过多次冻融后，东兰油栗、岳岱早丰和乌壳长芒的冻融稳定性最好，适合加工冷藏和冷冻食品。栗属淀粉胶冻融后形成海绵状结构，持水性好，说明在低温冻融的过程中，淀粉分子间有较强的相互作用，使水分子能很好地固定在直链淀粉的网络结构中。

2.6 淀粉的热特性

如表3所示，不同品种间淀粉的热特性参数存在显著差异。较高的To表明淀粉结晶具有较高的稳定性，结构缺陷的数量较少。较高的凝胶化温度表明淀粉糊化的起始需要更多的能量；淀粉颗粒的结晶度越大，凝胶化越困难[22]。淀粉凝胶化温度可能是由直链淀粉的数量、支链淀粉的结构、淀粉颗粒的分子结构和质量分布以及颗粒结构包括大小和形状等多种因素造成的[23]。供试淀粉的To、Tp和Tc的范围与Guo等[8]报道的结果相近。金优2号的凝胶化温度最低，其直链淀粉含量较高、结晶度最低。燕山红淀粉的To最高，二水早淀粉的Tp和Tc最高。锥栗及日本栗大峰的To、Tp和Tc较低，适合生产较低加工温度的产品。ΔH反映了双螺旋结构的消失，岱岳早丰的ΔH最高，七月红的ΔH最低。

表3 栗属坚果淀粉的热特性参数

2.7 淀粉的黏度特性

如表4所示，样品的糊化参数存在显著差异。板栗淀粉的叶里藏和二水早淀粉的糊化温度最高，金优2号最低，锥栗淀粉的糊化温度较低。一般来说，直链淀粉含量高、结晶度高的淀粉晶体结构紧密，晶体熔解所需热量大，导致糊化温度较高[24]。叶里藏、二水早、石丰淀粉的结晶度较高，其糊化温度高；而金优2号、白露仔、乌壳长芒和长芒仔的糊化温度较低，表明淀粉颗粒结构松散，易吸水膨胀、糊化。

表4 栗属坚果淀粉的糊化特征参数

表5 淀粉的相关性分析

注：AM为直链淀粉质量分数；D50为中位径；RC为相对结晶度；SP90为90 ℃膨胀度；To、Tp和Tc为凝胶化起始、峰值和终止温度；ΔH为凝胶化热焓；PV为峰值黏度；TV为谷值黏度；BD为崩解值；FV为最终黏度；SB为回生值；PT为糊化温度；*为P<0.05差异显著；**为P<0.01差异极显著。

金优2号和大峰的峰值黏度最大，叶里藏淀粉峰值黏度最小。峰值黏度反映淀粉和水的结合能力[25]，其值越高淀粉颗粒内部结合越松散，具有较好的膨胀性能，增稠效果较好。崩解值反映淀粉的热糊稳定性，崩解值越小，溶胀后的淀粉颗粒强度越大、其抗剪切性和热糊稳定性好。叶里藏和石丰的崩解值最低，表明其淀粉糊具有较好的热糊稳定性。由表4可知，金优2号的峰值黏度、谷值黏度、最终黏度及回生值均显著高于其他品种，其糊化温度最低。叶里藏的峰值黏度、谷值黏度及崩解值均低于其他品种。东兰油栗、白露仔和大峰具有较低的回生值，表明淀粉的老化程度低，具有良好的加工适宜性。板栗品种的金优2号和东兰油栗的糊化温度低、热糊稳定性较高，适用于生产需要较低的加工温度和较高黏度的产品。日本栗大峰的峰值和谷值黏度较高，直链淀粉含量较高，表明其糯性品质较好。

2.8 相关性分析

如表5所示，供试淀粉的物化特性与直链淀粉含量和结晶度显著相关。直链淀粉含量分别与峰值黏度PV、谷值黏度TV和最终黏度FV呈显著正相关，与结晶度、Tp和RVA糊化温度PT呈极显著负相关。随着直链淀粉含量增加，结晶度降低，糊化所需的温度降低，淀粉糊黏度增大，说明在样品淀粉颗粒中直链淀粉属于无定形区结构的组成部分。相对结晶度分别与To显著正相关，与Tc、Tp和PT呈极显著正相关,与最终黏度呈显著负相关。表明结晶度影响淀粉的相转变，结晶度越大，破坏其晶体结构所需的温度越高。90 ℃的膨胀度分别与TV、BD和FV呈极显著正相关，与ΔH呈显著正相关，与To呈极显著负相关，与Tc和PT呈显著负相关。Tp与PV和FV呈极显著负相关，与TV呈显著负相关。

3 结论

对14个主栽品种的栗属坚果淀粉进行特性研究。结果表明，淀粉的结构和理化特性有显著差异。栗属坚果淀粉的直链淀粉含量差异较大，颗粒形态多样，大小不均，均为C型晶体。供试淀粉的直链淀粉含量与峰值、谷值和最终黏度PV、TV和FV呈显著正相关，结晶度与淀粉的凝胶化初始、峰值和终止温度To、Tp和Tc呈显著正相关，说明直链淀粉含量和结晶度是影响淀粉的理化性质的主要因素。

东兰油栗、岳岱早丰和乌壳长芒的冻融稳定性最好，适合加工冷冻食品。锥栗及日本栗的To、Tp和Tc较低，适合生产低温加工产品。供试淀粉的糊化特征参数差异较大，日本栗大峰的直链淀粉含量较高、峰值和谷值黏度较高、回生值较低，具有良好的加工适宜性。