甘薯的营养功能与加工利用研究进展

2022-06-23师一璇胡佳乐李丽

食品研究与开发 2022年11期

师一璇，胡佳乐，李丽

（陕西理工大学化学与环境科学学院，陕西汉中 723001）

甘薯[Ipomoea batatas（L.）Lam]属双子叶植物纲旋花科番薯属的一年生或多年生蔓生草本，是世界第六大作物[1]，富含碳水化合物（淀粉、单糖和膳食纤维）和生物活性物质（胡萝卜素、花青素和抗坏血酸）等，作为能量和营养来源在人类饮食中发挥着重要作用，被视为营养平衡的优质食物资源[2-3]。中国是世界上最大的甘薯生产国，产量占世界总产量的60%以上，其栽培历史悠久，各地均有栽培，产量仅次于水稻、小麦和玉米[4-5]。目前国内甘薯大多以农户种植，自产自销的生产经营模式为主。消费以鲜食和食品加工为主。随着产业的发展，甘薯产业将逐步向优势区集中，甘薯生产、加工及销售规模将不断扩大，甘薯产业结构也将显著提升[6]。但目前对甘薯及其产品的开发利用率还不高，甘薯深加工转化技术发展较为缓慢，造成产品附加值较低，不仅浪费资源且容易造成环境污染[7]。因此，对甘薯主要加工环节进行优化并对其进行综合利用，最大限度地保留和提高其产品中所含的功能性物质，对于提高甘薯资源利用率、实现资源的良性循环具有重要意义。本文综述了甘薯的营养成分和功能性质，阐述了甘薯产品的加工现状，为甘薯食品和工业加工环节优化及其综合利用方面研究提供参考。

1 甘薯的营养成分

甘薯富含多种营养物质，其块根富含淀粉、蛋白质、糖类、粗纤维、多酚、黄酮、维生素、类胡萝卜素、花青素和矿物质等。淀粉、可溶性糖类、蛋白质和矿物质等是评价甘薯品质的基本指标，胡萝卜素和花青素型甘薯品种（系）的出现，使甘薯的功能性物质成为研究热点。不同品种甘薯块根具有独特的颜色，如白色、黄色、橙色、紫色等，黄色和紫色分别是由脂溶性β胡萝卜素和水溶性花青素的积累形成的，随着β胡萝卜素含量的增加，黄色块根逐渐变成橙色。白色块根含有非常低的β胡萝卜素，不含花青素[3，8]。甘薯块根主要营养成分见表1。

表1 甘薯块根主要营养成分（鲜重）Table 1 The main nutritional components of tubers of sweet potato cultivas（FW）

由表1可知，碳水化合物是甘薯块根的主要营养成分，淀粉约占50%。不同肉色甘薯块根营养成分存在差异，其中胡萝卜素、花青素、黄酮、多酚与果糖等含量差异较大。块根各营养成分既相互独立又相互联系，大多数成分之间具有一定的相关性。

作为甘薯地上部分的甘薯茎叶同样富含多种营养物质，而且产量高，抗病虫害能力强，近年来受到越来越高的关注。对比了30种蔬菜中的多酚含量和抗氧化活性，发现甘薯茎叶的抗氧化活性最高[12]。测定不同品种甘薯茎叶的营养物质含量并分析了其抗氧化活性，发现甘薯茎叶富含粗蛋白、粗脂肪、总膳食纤维、β胡萝卜素、维生素和多酚类物质等，主要的抗氧化活性物质为多酚类物质[13-14]。甘薯茎叶含有丰富的功能成分，它们可以作为新鲜蔬菜食用或加工食品。

2 甘薯的功能性质研究

甘薯是药食同源性植物，是提供碳水化合物、蛋白质、维生素、必需脂肪酸、花青素、微量元素和其他营养物质的膳食来源，这些活性物质发挥着重要作用。

2.1 抗肿瘤作用

体内外实验研究表明，甘薯花色苷、蛋白、多糖、黄酮等活性物质对肝癌、肺癌、肠癌、乳腺癌和膀胱癌细胞等具有抑制作用。紫甘薯花色苷可以通过死亡受体介导的外源性凋亡通路和丝裂原活化蛋白激酶信号通路参与介导肝癌细胞SNU-387的凋亡过程[15]。紫甘薯花色苷可通过诱导细胞凋亡抑制膀胱癌BIU87细胞的增殖，且具有剂量-依赖性。随着花色苷浓度的升高，BIU87细胞数量减少、细胞体积缩小、细胞间隙增大、细胞黏附性变差、细胞变形[16]。张靖杰等[17]评价甘薯蛋白对结直肠癌移植瘤荷瘤鼠肿瘤相关因子的调控作用，发现甘薯蛋白干预后，肿瘤总质量及个数略有减少，肿瘤组织内小血管数量减少，纤维组织增加，甘薯蛋白具有下调LOVO细胞移植瘤荷瘤鼠肿瘤中胰岛素样生长因子受体、环氧酶-2、血管内皮生长因子A、β链蛋白表达和分泌的作用。张晓鹏等[18]研究发现甘薯提取物有助于改善荷瘤鼠体内的氨基酸代谢失衡状况，显著降低肠道炎症介质钙卫蛋白和乳铁蛋白的水平，并提高二胺氧化酶的含量，有助于保护肠黏膜的完整性和抑制肿瘤。范智彦等[19]研究发现紫甘薯花色苷可能通过下调KTN1-AS1表达抑制肺癌A549细胞增殖，并促进细胞凋亡。紫甘薯花色苷通过Circ_0003998/MiR-145轴抑制乳腺癌MDA-MB-231细胞的增殖、迁移和侵袭[20]。Han等[21]研究从甘薯中提取的3种植物甾醇：胡萝卜苷亚麻酸酯（daucosterol linolenate，DLA）、胡萝卜苷亚油酸酯（daucosterollinoleate，DL）和胡萝卜苷棕榈酸酯（daucosterol palmitate，DP）在MCF-7原位异种移植裸鼠模型中的抗乳腺肿瘤活性，发现DLA、DL和DP通过调节MCF-7异种移植裸鼠的肿瘤生长肠道微生物群的稳态，产生短链脂肪酸，干扰肿瘤相关蛋白的表达。

2.2 调节免疫作用

甘薯中的花色苷、多糖、多酚、类胡萝卜素、黄酮等具有调节免疫作用。研究表明紫薯花色苷通过促进淋巴细胞增殖、提高CD4+/CD8+亚群比值、增加进入s期细胞的百分率，从而调节淋巴细胞的免疫功能[22]。Tang等[23]研究发现从紫甘薯中提取的3种多糖通过诱导细胞表面的微绒毛样结构形成，促进正常巨噬细胞的吞噬活性，显著提高巨噬细胞中一氧化氮、细胞因子白介素-1β和白介素-8的水平，从而促进正常小鼠和环磷酰胺诱导的免疫抑制小鼠抗体IgA、IgM、IgG和Siga的分泌功能来积极调节适应性免疫。甘薯皮的植物混合物剂量依赖性地促进了RAW264巨噬细胞中一氧化氮和促炎细胞因子的产生，细胞因子INF-γ和IL-10水平显著增加，以剂量依赖性方式抑制AGS人胃癌细胞的生长[24]。紫甘薯中提取的新型葡聚糖可以促进RAW264.7巨噬细胞的增殖，改善RAW264.7吞噬活性和一氧化氮、活性氧及细胞因子产生的免疫功能；可以激活Toll样受体2和Toll样受体4介导的通路，显著提高MyD88依赖性丝裂原活化蛋白激酶信号通路、核因子κB、转录激活因子AP-1和TRIF依赖性通路，从而增强免疫力，可以作为免疫调节剂进行探索[25]。

2.3 保肝作用

研究发现紫甘薯花青素对急性和亚急性酒精肝损伤有预防作用[26]，这说明紫甘薯花青素在酒精肝损伤的预防和治疗中可以作为辅助添加剂。Wang等[27]根据紫甘薯花青素清除自由基和抗氧化性效应评估其作为保肝药的潜能，建立了3个急性化学性肝损伤模型（酒精、对乙酰氨基酚和四氯化碳），紫甘薯花青素中剂量和高剂量明显降低了血清和肝脏指数，表明紫甘薯花青素可以作为治疗急性肝损伤的药物。Cai等[28]研究紫薯花青素对酒精性肝损伤的影响，灌胃紫薯花青素后，酒精性肝损伤小鼠在肝脏指标/组织学、血清丙氨酸氨基转移酶水平、氧化应激状态等方面均有明显改善，甚至能够恢复至正常水平。甘薯的膳食果汁含有丰富的酚类物质，这些酚类化合物具有与L-抗坏血酸相似的高自由基清除活性、还原能力和抗氧化能力，通过DNA保护、脂质积累抑制和细胞保护对四氯化碳或过氧化氢诱导的细胞毒性起到保护作用，表明甘薯的膳食果汁的摄入可以预防肝脏疾病[29]。甘薯可以开发成保肝系列功能性食品。

2.4 降血糖、血脂作用

随着人们生活水平的提高，糖尿病的发病率呈逐年上升趋势，肥胖也严重威胁人类健康。因此，防治高血糖和高血脂的功能性食品备受人们青睐。研究表明紫甘薯花青素提取物可以显著降低高血糖大鼠血液、肝脏和肾脏系统中的丙二醛水平[30]。Luo等[31]研究发现给2型糖尿病小鼠口服甘薯叶多酚，可以减轻体重、降低空腹血糖水平；可以缓解肝脏炎症、维持胰岛结构、抑制β细胞凋亡；可以上调磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/糖原合酶激酶-3β信号通路以改善葡萄糖代谢并上调磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/骨骼肌中的葡萄糖转运蛋白4信号通路以增强葡萄糖转运。高纤维和β胡萝卜素饮食可以降低高甘油三酯血症大鼠中的甘油三酯水平，可以通过抑制肝脏中高甾醇调节结合蛋白1c来改善胰岛素抵抗基因表达[32]。甘薯具有开发成调控血糖、血脂和预防代谢综合症等方面的功能性食品的应用价值。

2.5 抗氧化作用

甘薯中的多糖、多酚、黄酮、类胡萝卜素、花色苷等均具有体内外抗氧化活性。陈树俊等[33]研究发现，甘薯渣多糖对1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基、超氧阴离子自由基和羟基自由基的清除能力较强。用超高效液相色谱检测到甘薯叶中的13种酚酸和10种黄酮类物质，采用自由基清除能力和铁还原抗氧化剂粉末测定法分析其抗氧化和降血糖活性，发现二者具有较强的抗氧化能力[34]。而且研究表明，耐贮藏甘薯品种较不耐贮藏甘薯品种有着更好的抗氧化能力[35]。甘薯具有抗氧化的作用，可以用于开发功能性食品。

3 甘薯的加工现状

目前我国甘薯主要用于鲜食和初级加工产品，产品加工以淀粉和酒精的生产规模最大，主要的加工方式是提取淀粉生产粉丝和粉条。目前，中国的甘薯加工企业多为中小型企业，技术落后和资源利用率低等导致甘薯的加工利用大部分停留在初加工阶段，精深加工的产品种类少、档次低并且质量参差不齐。近年来，随着研究的深入，研究人员更多的关注于甘薯变性淀粉、天然色素的提取应用、以甘薯淀粉为基料转化生产可降解薄膜、包装材料、超强吸水树脂及副产物的综合利用等。

3.1 甘薯新型休闲食品

目前，甘薯除蒸煮、烘烤等鲜食外，由甘薯淀粉制成的各类休闲食品色、香、味俱佳，营养丰富、食用方便，符合现代人的消费习惯，备受国内外各地人们的高度喜爱，国内外市场需求日益增加[36]。近年来，随着科学技术的不断进步，甘薯食品的研制和生产开发得到较快的发展，加工的产品种类在逐渐增多，质量也不断提高[37]。当前，甘薯休闲食品有膨化脆片、甘薯果脯、甘薯糕点、甘薯酱、甘薯果冻、甘薯罐头等[38-40]。甘薯休闲食品正在向健康、营养、安全的方向发展。

3.2 甘薯发酵饮品

甘薯淀粉含量高，营养丰富。作为原材料发酵生产酒类，具有悠久的历史，既适合家庭和小作坊酿制，也可进行大规模生产。利用甘薯为原料酿造甘薯酒，口感丰富，具有甘薯独特的香味，同时符合现代人们对于低度且具有营养成分的酒类饮品的追求趋势，具有一定的商业价值[41]。甘薯通过醋酸发酵酿造醋能最大限度地增加经济效益，同时避免原料浪费[42]。近年已有利用甘薯与其他原料结合开发新型食品，如用紫甘薯、燕麦和山羊乳为主要原料研发复合型羊酸奶，为紫甘薯燕麦的深加工提供了新方向，同时也丰富了酸奶的品种，具有重要的实践应用价值[43]。以甘薯黄肉品种“运薯9801”和紫肉品种“漯紫4号”为原料，乳酸菌葡聚糖明串珠菌为发酵菌株，发酵酿制益生菌发酵甘薯汁，在改善了甘薯汁口感的同时，还可改善体内微生物不平衡现象，提高宿主抵抗力，帮助消化和增强新陈代谢等[44]。利用新鲜的甘薯生产发酵饮料，具有很好的保健作用，同时可提升甘薯的利用价值。

3.3 甘薯变性淀粉研究

甘薯中淀粉约占其干重的50%～80%，淀粉加工是甘薯加工的主要方式，甘薯淀粉广泛应用于食品、化工和医药领域。食品工业中它通常作为加工原料、添加剂和增稠剂等。因此，研究并提高甘薯淀粉的性质在食品加工中起着重要的作用。热湿处理（heat-moisture treatment，HMT）可诱导甘薯淀粉的凝胶特性和结构变化，HMT提高了甘薯淀粉的相对结晶度，增加了回缩黏度并降低了分解黏度，使淀粉具有更强的弹性行为。HMT淀粉粉丝表现出更高的硬度、弹性和咀嚼性[45]。甘薯淀粉硬度高，透明度差，从而降低了消费者的接受度。转葡糖苷酶（transglucosidase，TGAN）、麦芽糖 α-淀粉酶（maltogenic α-amylase，MABS）和 β-淀粉酶（β-amylase，BA）结合处理，有利于调节甘薯淀粉的特性，MABS→BA→TGAN处理后最初的C型淀粉多晶型结构转变为B型结构，同时结晶度降低，溶解度显著增加，这为调节甘薯淀粉的理化性质开辟了新途径[46]。研究发现，添加甘油可改善天然淀粉的加工特性并可开发其作为塑料的潜在用途[47]。甘薯天然淀粉（native starch，NS）提取物经处理得到的碱性改性淀粉（alkaline modified starch，AMS）可作为酸性环境下低碳钢的腐蚀抑制剂，协同使用碘化钾会提高AMS的抑制作用[48]。未来高新技术在甘薯淀粉改性上的应用，必将有力地推动我国甘薯淀粉加工行业朝着健康和可持续性发展的轨道前进。

3.4 紫色甘薯花色素提取

紫甘薯提取的色素色泽艳丽、无污染，优于化学合成色素，可以加工成保健紫甘薯食品，并且这些产品已进行产业化开发，是当前流行的黑色食品的发展方向[49]，紫甘薯色素还被应用于羊毛、蚕丝和纤维织物的印染中[50]。Yong等[51]将富含花青素的紫色甘薯提取物加入壳聚糖基质中，制备的抗氧化型和智能型pH传感膜，可延长食品保质期，并可同时监控食品质量。基于紫甘薯花青素的特性和生物活性，其在食品、化妆品、医药领域有着巨大的应用潜力。

3.5 甘薯副产物的综合利用

甘薯渣和甘薯茎叶都是甘薯加工后的副产物，由于这些副产物中仍含有很多的营养成分，可将其进行进一步的合理利用，提高原料的利用率及产品的附加值。

甘薯渣含水量大，极易腐败，除作为饲料外，通常被当作废弃物丢弃。如果能开发和利用甘薯渣资源，可以大大提高其附加值。甘薯皮废料具有纳米添加剂潜力，甘薯皮是酚类化合物的来源，酚类化合物被广泛认为是对人类健康有益的抗氧化剂，采用乳化-溶剂蒸发法制备低分子量聚乳酸（polylactic acid，PLA）包覆提取物纳米胶囊，通过溶液浇铸法制备的PLA薄膜与负载抗氧化剂提取物的纳米颗粒具有良好的相容性，而且由于纳米颗粒的存在，PLA薄膜的机械性能得到了明显的改善。纳米胶囊作为添加剂或浸入薄膜中以控制释放抗氧化剂，从而使植物副产物增值[52]。

甘薯茎叶具有很高的营养和功能价值，而且一年可以收获多次，但是约95%～98%的甘薯叶被丢弃，约2%～5%用于动物饲料，导致大量的资源浪费。甘薯叶提取物合成的Fe/Cu纳米复合材料可用于水溶液中去除碱性品红色，这个吸附过程是吸热和自发的。研究表明，甘薯叶提取物合成的Fe/Cu纳米复合材料在废水处理中具有潜在应用价值[53]。