山藥淀粉加工特性研究

杜雙奎 周麗卿 于修燭 李志西

(西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，楊凌 712100)

山藥淀粉加工特性研究

杜雙奎 周麗卿 于修燭 李志西

(西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，楊凌 712100)

采用水磨法制備山藥淀粉，以馬鈴薯淀粉和玉米淀粉為對照，比較系統(tǒng)地研究山藥淀粉的顆粒特性和糊化特性。結(jié)果表明，山藥淀粉顆粒多為扁卵圓形，顆粒大小在8～30 μm之間，長軸平均粒徑為20 μm;偏光十字中心偏向一邊，呈“X”型。山藥淀粉溶解度和膨脹度明顯小于玉米淀粉和馬鈴薯淀粉。與對照相比，山藥淀粉糊具有較低的透明度，較差的凍融穩(wěn)定性。山藥淀粉起糊溫度較高，糊的熱穩(wěn)定性好，抗剪切能力強(qiáng)。增加淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH，淀粉糊冷熱穩(wěn)定性降低。添加蔗糖、NaCl和Na2CO3，提高了山藥淀粉的起糊溫度，增強(qiáng)熱穩(wěn)定性，提高抗剪切能力，但添加明礬使糊熱穩(wěn)定性降低，抗剪切能力下降。除蔗糖外，NaCl、Na2CO3、明礬添加劑對山藥淀粉的糊化特性影響明顯。

山藥淀粉 理化性質(zhì) 流變性

山藥為薯蕷科薯蕷屬(Dioscorea opposita)植物薯蕷的塊根，具有補(bǔ)脾養(yǎng)胃、補(bǔ)肺益腎的功效［1］。山藥，既是食用的滋補(bǔ)保健佳品，又是常用的藥材。山藥不僅含有蛋白質(zhì)、糖類、維生素、脂肪、膽堿和淀粉酶等成分，還含有碘、鈣、鐵和磷等人體不可缺少的無機(jī)鹽和微量元素，其營養(yǎng)價(jià)值、藥用價(jià)值及抗病機(jī)理正逐步被發(fā)現(xiàn)和證實(shí)［2］，愈來愈受到人們的青睞。

目前，山藥多以新鮮塊莖消費(fèi)為主，主要加工產(chǎn)品有山藥干、山藥飲料及山藥酸奶等。研究表明，山藥中含糖蛋白1．5%左右，黏多糖2．15% ～2．92%，淀粉16%～20%。近年來，國內(nèi)外對山藥所含黏多糖、糖蛋白、膽堿等功能保健成分及應(yīng)用進(jìn)行了較為深入的研究［3－5］，而淀粉作為提取功能成分后的副產(chǎn)物多隨生產(chǎn)廢水流失。淀粉是山藥中的主要碳水化合物，國內(nèi)外對山藥淀粉已有部分研究報(bào)道，但涉及山藥淀粉加工特性的研究報(bào)道尚未多見。李昌文等［6］以石灰水為浸泡劑，采用稀堿法從山藥中提取淀粉，研究了pH值、液固比、浸泡時(shí)間、沉降時(shí)間對淀粉產(chǎn)率的影響;聶凌鴻［7］對淮山藥抗性淀粉的制備工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化;Wang S J等［8－10］對12種山藥淀粉的顆粒特性、晶體結(jié)構(gòu)、熱特性、糊化特性以及酸解特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。因此，對山藥淀粉加工特性的系統(tǒng)研究，可以為山藥資源的開發(fā)利用和新產(chǎn)品的研制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)材料

山藥淀粉、馬鈴薯淀粉:自制;玉米淀粉:市購，符合 GB/T 8885—2008;NaCl、鹽酸、氫氧化鈉:分析純，西安化學(xué)試劑廠;明礬、蔗糖、Na2CO3:分析純，天津市化學(xué)試劑六廠。3種淀粉的化學(xué)組成見表1。

表1 淀粉的化學(xué)組成

1．2 試驗(yàn)儀器

FW100型高速萬能粉碎機(jī):天津泰斯特儀器有限公司;DMBA400型數(shù)碼顯微鏡:麥克奧迪實(shí)業(yè)集團(tuán)中國有限公司;JSM－6360LV型掃描電子顯微鏡:日本電子株式會社;UV1240型紫外可見分光光度計(jì):捷森科技發(fā)展有限公司;TDL－5－A型低速臺式大容量離心機(jī):上海安亭科學(xué)儀器廠;Brabender803200型微型黏度糊化儀(MICRO VISCO－AMYLOGRAPH):德國布拉本德公司。

1．3 試驗(yàn)方法

1．3．1 山藥淀粉的提取

采用水提法制備，工藝流程如下:

1．3．2 淀粉顆粒性質(zhì)分析

1．3．2．1 淀粉顆粒形貌觀察

光學(xué)形貌觀察:用甘油和水1∶1(體積比)作溶劑，制備適宜濃度的淀粉乳，滴于載玻片上，蓋上蓋玻片，采用DMBA400數(shù)碼偏光顯微鏡觀察淀粉顆粒的偏光十字。

掃描電子顯微鏡觀察:將淀粉顆粒均勻撒在貼有雙面膠的樣品臺上，并做標(biāo)記，然后進(jìn)行噴金固定，用掃描電鏡觀察，放大倍數(shù)1 200倍。

1．3．2．2 溶解度和膨脹度

采用Leach法［11］。制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的淀粉乳50 mL，在試驗(yàn)設(shè)定溫度下加熱攪拌30 min后，以2 780 g離心20 min，取上清液水浴蒸干，于105℃下烘至恒重、稱重，計(jì)算其溶解度;用膨脹淀粉質(zhì)量計(jì)算其膨脹度。計(jì)算公式如下:

式中:A為清液烘干至恒重后的殘留物質(zhì)量/g;W為樣品干基質(zhì)量/g;P為沉淀物質(zhì)量/g。

1．3．3 淀粉糊性質(zhì)分析

1．3．3．1 透明度

制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的淀粉乳，在沸水浴中加熱20 min，使之充分糊化，并不時(shí)加入蒸餾水保持原有體積，然后冷卻至室溫，用紫外可見分光光度計(jì)，以蒸餾水為空白，在600 nm波長下測定淀粉糊的透光率。

1．3．3．2 凍融穩(wěn)定性

制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的淀粉糊，冷卻至室溫，取定量倒入離心管中，放入－15℃下冷凍24 h后取出，自然解凍后在2 780 g下離心20 min，去掉上清液，稱取沉淀物重量，計(jì)算析水率。析水率越小，說明淀粉糊的凍融穩(wěn)定性越好。

式中:I為析水率/%;m1為淀粉糊質(zhì)量/g;m2為沉淀物質(zhì)量/g。

1．3．4 淀粉糊化特性

1．3．4．1 不同淀粉樣品的糊化特性

準(zhǔn)確稱取淀粉和蒸餾水，混勻成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的淀粉乳，用微型黏度糊化儀分析其糊化黏度特性。測定參數(shù)設(shè)定:從30℃開始計(jì)時(shí)，以7．5℃/min的速度程序升溫至 93℃，并保溫 5 min，再以－7．5℃/min的速度冷卻到50℃，并保溫2 min。

1．3．4．2 淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對山藥淀粉糊化特性的影響

分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%、10%的淀粉乳，用微型黏度糊化儀分析其黏度特性。

1．3．4．3 pH 對山藥淀粉糊化特性影響

配置2份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的淀粉乳，分別用HCl和NaOH調(diào)至pH為2．0和12．0，用微型黏度糊化儀分析pH對淀粉糊化特性的影響。

1．3．4．4 蔗糖對山藥淀粉糊化特性影響

淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%。以蒸餾水為基準(zhǔn)，按質(zhì)量比計(jì)算(下同)，分別加入5%、10%蔗糖，用微型黏度糊化儀分析蔗糖加量對淀粉糊化特性的影響。

1．3．4．5 NaCl對山藥淀粉糊化特性影響

淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%。分別加入1%、4%、7%NaCl，用微型黏度糊化儀分析NaCl加量對淀粉糊化特性的影響。

1．3．4．6 Na2CO3對山藥淀粉糊化特性的影響

淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%。分別加入0．5%、1．0%Na2CO3，用微型黏度糊化儀分析Na2CO3加量對淀粉糊化特性的影響。

1．3．4．7 明礬對山藥淀粉糊化特性影響

淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%。分別加入0．5%、1．0%的明礬，用微型黏度糊化儀分析明礬加量對淀粉糊化特性的影響。

2 結(jié)果與分析

2．1 淀粉顆粒性質(zhì)

2．1．1 淀粉顆粒形貌觀察

山藥淀粉、馬鈴薯淀粉和玉米淀粉顆粒大小和形狀見圖1。由圖1可以看出，山藥淀粉顆粒多為扁卵圓形，顆粒表面較光滑，顆粒比較完整，沒有裂縫和破損，有些顆粒表面有少量絮狀粘附物質(zhì)，這可能是一些黏性糖蛋白類物質(zhì)殘留所致。玉米淀粉為圓形或多角形，淀粉顆粒大小差異較大，表面光滑;馬鈴薯淀粉顆粒多為圓形和橢圓形，有的顆粒表面有凹陷。用電鏡標(biāo)尺估量3種淀粉顆粒粒徑，結(jié)果見表2。山藥淀粉顆粒大小介于玉米淀粉(13 μm)和馬鈴薯淀粉(25 μm)之間。淀粉顆粒的形狀大小是由遺傳因素決定的，它與淀粉的生物合成機(jī)理和生長組織環(huán)境有關(guān)，淀粉及其組分的性質(zhì)與淀粉粒的大小有關(guān)系［12］。

圖1 淀粉顆粒的電鏡形貌(1 200×)

表2 淀粉顆粒的粒徑

山藥淀粉、馬鈴薯淀粉和玉米淀粉顆粒的偏光十字見圖2。由圖2可以看出，山藥淀粉、馬鈴薯淀粉和玉米淀粉顆粒都有可見的偏光十字，山藥淀粉和馬鈴薯淀粉的偏光十字交叉點(diǎn)偏向顆粒一端，呈“X”型，小顆粒馬鈴薯淀粉的偏光十字交叉點(diǎn)在中心，而玉米淀粉顆粒的偏光十字交叉點(diǎn)均位于顆粒的中心，呈“十”字。不同淀粉顆粒的偏光十字以及位置有其獨(dú)有的特征，可以根據(jù)其位置、形狀來判斷淀粉顆粒品種。

圖2 淀粉顆粒的偏光十字(1 000×)

2．1．2 溶解度和膨脹度

吸水性會影響淀粉的加工特性，研究淀粉－水體系特性在食品加工中具有重要的意義。淀粉膨脹反映了支鏈淀粉的特性，而淀粉溶解主要與直鏈淀粉由膨脹顆粒中的逸出相關(guān)。

圖3 不同淀粉的溶解度

圖4 不同淀粉的膨脹度

由圖3、圖4可以看出，3種淀粉溶解度和膨脹度都隨著溫度的升高而增大。在60～95℃之間，山藥淀粉溶解度明顯小于玉米淀粉和馬鈴薯淀粉。與馬鈴薯淀粉相比，山藥淀粉和玉米淀粉具有較小的膨脹度，在95℃時(shí)分別為13．8%和20．7%，屬于限制型膨脹淀粉，而馬鈴薯淀粉的膨脹力相當(dāng)大，在75℃時(shí)為24．2%，85℃已高達(dá)70．6%，屬于高膨脹型淀粉［11，13］。淀粉的溶解和膨脹受淀粉顆粒的微晶質(zhì)量、直鏈淀粉－脂類復(fù)合物以及支鏈淀粉分子結(jié)構(gòu)影響［8－9］。山藥淀粉、玉米淀粉以及馬鈴薯淀粉在溶解度和膨脹度上的差異反映它們的直、支鏈淀粉的比例，直、支鏈淀粉分子的分子質(zhì)量及分布、支鏈度和長度以及形態(tài)不同，馬鈴薯淀粉的高溶解度和膨脹度可能與其支鏈淀粉中高的含磷量有關(guān)［11］。

2．2 淀粉糊性質(zhì)分析

2．2．1 透明度

淀粉糊的透明度用透光率來反映。透光率的大小反映了淀粉與水的互溶能力，以及膨脹溶解能力的好壞，與淀粉中直、支鏈比例有關(guān)，直鏈淀粉含量越高，透明度越低。直鏈淀粉易相互締合使淀粉糊回生，使光線發(fā)生散射，減弱光的透光率，從而降低糊的透明度［14］。由圖5可以看出，山藥淀粉糊的透光率最小，僅為1．66%，玉米淀粉糊次之，馬鈴薯淀粉的透光率最大，高達(dá)16．53%。透光率愈大，淀粉糊的透明度愈好。淀粉糊的透明度取決于淀粉的種類和品種，支鏈淀粉含量對透光率有一定的影響。山藥淀粉的透光率差可能與其難糊化有一定關(guān)聯(lián)［15］。

圖5 淀粉糊的透明度

2．2．2 凍融穩(wěn)定性

由圖6可以看出，山藥淀粉糊的析水率最大，玉米淀粉糊次之，而馬鈴薯淀粉糊的析水率相對較小。表明山藥淀粉糊的凍融穩(wěn)定性最差，不宜在低溫下使用。凍融穩(wěn)定性的好壞與淀粉中直支鏈比例、濃度以及其他組分有關(guān)。山藥淀粉凍融穩(wěn)定性差可能與山藥淀粉分子結(jié)構(gòu)特性、直支鏈比例有關(guān)。

圖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

由圖7可以看出，不同淀粉的糊化特性差異較大。山藥淀粉的起糊溫度(81．4℃)明顯高于馬鈴薯淀粉(63．0℃)和玉米淀粉(78．6℃)。這可能與山藥淀粉中含有較多直鏈淀粉、直鏈淀粉－脂質(zhì)復(fù)合物有關(guān);另外，山藥淀粉顆粒的剛性、分子鏈間較強(qiáng)的作用力都會導(dǎo)致較高起糊溫度。與對照相比，在高溫保溫段(93℃)，山藥淀粉糊的黏度幾乎沒有變化，破損值最低，表現(xiàn)出很好的熱糊穩(wěn)定性和抗剪切能力。山藥淀粉峰值黏度、最終黏度高于玉米淀粉，而明顯低于馬鈴薯淀粉。山藥淀粉糊回生值低于玉米淀粉和馬鈴薯淀粉。這與淀粉顆粒的潤脹能力、剛性、直/支鏈淀粉比例有關(guān)。淀粉顆粒的潤脹能力越大，淀粉顆粒在糊化過程中所占據(jù)的空間就越大，顆粒之間的相互摩擦力增大，淀粉糊的黏度就會增高。此外，淀粉顆粒的剛性程度也直接決定了糊黏度，淀粉顆粒的剛性越大，淀粉糊黏度越大［8－9］。淀粉分子之間的相互作用力越大，淀粉的糊黏度就越低。淀粉中支鏈淀粉含量越大，黏度越大［15］。

圖7 不同淀粉的糊化黏度曲線

2．3．2淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對山藥淀粉糊化特性的影響

由圖8可以看出，淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不會改變淀粉的黏度曲線類型，而僅改變其糊化黏度特征值。隨著淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，除起糊溫度沒有明顯變化外，其余各特征值均有所升高，淀粉糊的熱穩(wěn)定性、冷穩(wěn)定性變差。這主要是因?yàn)殡S著淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，淀粉糊中淀粉顆粒數(shù)目增多，增加了顆粒之間、顆粒與攪拌子之間相互作用機(jī)會，從而引起淀粉糊的黏度特征值明顯變化。

圖8 淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對山藥淀粉糊化黏度特性的影響

2．3．3 pH對山藥淀粉糊化特性的影響

體系pH對山藥淀粉糊化特性有影響(圖9)。在酸性或堿性條件下，體系起糊溫度低于中性條件。在pH 2．0時(shí)，山藥淀粉的峰值黏度、最終黏度、回生值均低于中性條件，而破損值明顯高于中性條件，這與淀粉在高溫、高酸性條件下發(fā)生水解生成短鏈分子而引起體系黏度下降有關(guān)。在堿性的條件下，山藥淀粉的峰值黏度、最終黏度升高，熱穩(wěn)定性、冷穩(wěn)定性降低，凝膠性增強(qiáng)。這與堿促進(jìn)淀粉糊化有必然關(guān)系。

圖9 pH對山藥淀粉糊化黏度特性的影響

2．3．4 蔗糖對山藥淀粉糊化特性的影響

由表3可以看出，隨著蔗糖加量的增加，起糊溫度有所上升，糊的熱穩(wěn)定性增強(qiáng)，冷穩(wěn)定性減弱，這與蔗糖分子中有多個羥基，易溶于水，使淀粉乳中的淀粉顆粒吸水膨脹的機(jī)會減少，顆粒膨脹受到阻礙有關(guān)。另外，由于蔗糖可以使水中各種成分的活動性減弱，導(dǎo)致水和體系中其他成分的相互作用減?。?6］。

表3 蔗糖加量對山藥淀粉糊化黏度特性值的影響

2．3．5 NaCl對山藥淀粉糊化特性的影響

由表4可以看出，NaCl對山藥淀粉的糊化黏度特性影響很大。隨著NaCl加量的增大，體系起糊溫度明顯升高，峰值黏度、破損值、最終黏度以及回生值呈顯著下降，表明體系中的淀粉顆粒難以潤脹糊化，淀粉糊黏度下降，糊的熱穩(wěn)定性、冷穩(wěn)定性增強(qiáng)，回生速度減慢。分析原因，可能由于NaCl是一種強(qiáng)電解質(zhì)，在水中可完全電離成Na+和Cl－，這兩種離子的存在會影響體系中水分子和淀粉分子之間的相互作用，阻礙淀粉的糊化過程。此外，NaCl中的Na+還可以與淀粉顆粒中的羥基發(fā)生作用［16－17］，導(dǎo)致淀粉糊化性質(zhì)發(fā)生變化。加入NaCl可以改善山藥淀粉糊的熱穩(wěn)定性和抗老化性能。

表4 NaCl對山藥淀粉糊化黏度特性的影響

2．3．6 Na2CO3對山藥淀粉糊化特性的影響

由表5可以看出，加入Na2CO3后，淀粉的起糊溫度有所變化，峰值黏度、最終黏度以及回生值呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，糊的冷穩(wěn)定性降低，熱穩(wěn)定性增強(qiáng)，抗剪切能力提高。

表5 Na2CO3對山藥淀粉糊化黏度特性的影響

2．3．7 明礬對山藥淀粉糊化特性的影響

由圖10可以看出，明礬對淀粉糊的黏度特性有明顯影響。淀粉糊的峰值黏度、破損值高于原淀粉糊，山藥淀粉糊的熱穩(wěn)定性降低，抗剪切能力下降，凝膠性能減弱。其原因可能是明礬的添加改變了體系pH值、陰陽離子濃度，從而導(dǎo)致淀粉糊黏度性質(zhì)發(fā)生變化［18］。

圖10 明礬對山藥淀粉糊化黏度特性的影響

3 結(jié)論

山藥淀粉顆粒多為扁卵圓形，可見的偏光十字中心偏向一邊，呈“X”型。山藥淀粉顆粒大小在8～30 μm 之間，長軸平均粒徑為 20 μm。

山藥淀粉溶解度和膨脹度明顯小于玉米淀粉和馬鈴薯淀粉，屬于限制型膨脹淀粉。與玉米淀粉糊、馬鈴薯淀粉糊相比，山藥淀粉糊的透明度低，凍融穩(wěn)定性差，不適宜在低溫冷凍條件下使用。

山藥淀粉起糊溫度較高，破損值、回生值較低，表現(xiàn)出淀粉糊糊化較難、熱穩(wěn)定性好、抗剪切能力強(qiáng)特性。濃度、pH、蔗糖、NaCl等對山藥淀粉的糊化特性有影響。隨著山藥淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH的增大，淀粉糊冷熱穩(wěn)定性降低，凝膠性增強(qiáng)。蔗糖、NaCl、Na2CO3的加入均使得山藥淀粉的起糊溫度有所升高，熱穩(wěn)定性增強(qiáng)、抗剪切能力提高;明礬的加入使得山藥淀粉峰黏度增大，熱穩(wěn)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

西北農(nóng)林科技大學(xué)科研啟動基金項(xiàng)目(Z111020903)

2010－04－26

杜雙奎，男，1972出生，副教授，博士，食品科學(xué)

李志西，男，1958出生，教授，博士生導(dǎo)師，食品科學(xué)