塊根塊莖類(lèi)植物淀粉的研究進(jìn)展*

齊海伶，殷鐘意，鄭旭煦，**

（1．重慶工商大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院，重慶 400067；2．重慶工商大學(xué)催化與功能有機(jī)分子重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400067）

塊根塊莖類(lèi)植物淀粉的研究進(jìn)展*

齊海伶1，殷鐘意2，鄭旭煦1，2**

（1．重慶工商大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院，重慶 400067；2．重慶工商大學(xué)催化與功能有機(jī)分子重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400067）

主要介紹了國(guó)內(nèi)外有關(guān)塊根塊莖類(lèi)植物淀粉的提取工藝、理化性質(zhì)、淀粉糊的功能特性等方面的研究現(xiàn)狀，為塊根塊莖類(lèi)植物淀粉的進(jìn)一步研究提供參考，同時(shí)為其在食品行業(yè)的充分利用提供理論指導(dǎo)。

塊根塊莖類(lèi)植物；淀粉；提取工藝；理化特性；功能特性

淀粉是植物經(jīng)光合作用生成的天然高分子化合物，是高等植物中的常見(jiàn)組分，同時(shí)也是碳水化合物貯藏的主要形式。它主要以顆粒形式存在于植物種子、根莖中。雖然各類(lèi)植物中的淀粉含量都較高，但不同來(lái)源的淀粉，在顆粒大小、形狀和物理性質(zhì)等方面存在較大差異［1］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)來(lái)源將淀粉分成四類(lèi)，一是儲(chǔ)存于胚乳細(xì)胞中的谷類(lèi)淀粉，二是儲(chǔ)存于植物的塊根和塊莖中的薯類(lèi)淀粉，三是儲(chǔ)存于植物的種子和子葉中的豆類(lèi)淀粉，四是菱角、蓮藕、百合、生姜等其他淀粉［2］。塊根塊莖類(lèi)植物大部分生長(zhǎng)在熱帶潮濕地區(qū)，含有70%～80%的水分、16%～24%的淀粉和少量的蛋白質(zhì)和脂肪［3］。目前，該類(lèi)植物淀粉的結(jié)構(gòu)和物理特性尚未被大量研究。擬通過(guò)對(duì)塊根塊莖類(lèi)植物淀粉的提取工藝、理化性質(zhì)、淀粉糊的功能特性等方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，以期為這些淀粉在食品行業(yè)的充分利用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 塊根塊莖類(lèi)植物淀粉的提取工藝研究進(jìn)展

不同的提取方法在一定程度上影響淀粉的提取率、純度和性質(zhì)等。目前塊根塊莖類(lèi)植物淀粉的提取主要是通過(guò)破碎、勻漿、浸泡、過(guò)篩等一系列步驟而獲得。國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)選擇浸泡液以及優(yōu)化各種提取工藝參數(shù)從而獲得較高的提取率和較優(yōu)質(zhì)的淀粉產(chǎn)品。將從浸泡液的選擇、細(xì)胞破碎的方法等方面介紹淀粉的提取工藝現(xiàn)狀。

1．1 酸液浸泡法

楊瑩，等［4］采取檸檬酸液浸泡勻漿法提取紅薯中的淀粉，并對(duì)酸處理和酸堿共處理工藝進(jìn)行了比較，得到檸檬酸液浸泡的最佳工藝條件是：料液比1∶3，漿料pH為5，浸泡時(shí)間為2 h；酸堿共用處理工藝的提取率低于酸處理工藝的提取率，但是傳統(tǒng)酸堿共用處理工藝得到的淀粉白度高、純度高，可稱(chēng)為精白淀粉；而酸處理工藝得到的淀粉白度稍差，但其中所含的蛋白質(zhì)提高了淀粉的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。林曉嵐，等［5］根據(jù)紫甘薯含有豐富的紅色素，采用檸檬酸代替水作為浸泡劑，以提高淀粉和紅色素的提取率及淀粉品質(zhì)。結(jié)果表明，新鮮紫甘薯的淀粉最優(yōu)提取工藝為：料液比為1∶3，漿料pH為5，浸泡時(shí)間為1．5 h，浸泡溫度為30℃，而紫甘薯薯干的淀粉最優(yōu)提取工藝為：料液比為1∶8，浸泡時(shí)間為3 h；相對(duì)薯干而言，以新鮮薯為原料可得到更高含量的淀粉及紅色素。

1．2 堿液浸泡法

孫昌波，等［6］考慮到蕨根植物含有大量的果膠物質(zhì)，將增大體系的粘度，不利于淀粉的提取，則采用石灰水作浸泡劑，同時(shí)探討了堿液pH、料液比、浸泡時(shí)間、沉降時(shí)間對(duì)淀粉提取率的影響，通過(guò)正交試驗(yàn)確定的最佳提取工藝為：pH為8．0、料液比為1∶4、浸泡時(shí)間為3 h、沉降時(shí)間為7h，在此條件下得到淀粉提取率為82．61%。李大峰，等［7］采用NaOH溶液作為浸泡劑，對(duì)白芷淀粉的提取工藝進(jìn)行了研究，通過(guò)正交試驗(yàn)確定的最佳提取工藝條件為：pH為9、料液比為1∶6、浸泡時(shí)間為6 h、浸泡溫度為30℃，在此條件下得到淀粉提取率為84．56%。丘苑新，等［8］對(duì)比了不同堿液對(duì)香芋淀粉的提取率及性質(zhì)的影響，結(jié)果表明，用濃度為0．3 mol／L的氨水溶液提取香芋淀粉效果較好。

堿液浸泡提取法是淀粉提取工藝中常用的提取方法，低濃度的堿液可以去除一部分蛋白質(zhì)，但是不能去除和淀粉結(jié)合緊密的蛋白，此種方法簡(jiǎn)單、易操作、成本低，但是會(huì)產(chǎn)生堿性廢液，不利于環(huán)保。

1．3 生物酶法

姜紹通，等［9］采用堿性蛋白酶法提取芋頭淀粉，通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝參數(shù)，得到最佳工藝參數(shù)條件為：堿性蛋白酶用量0．9%、溶液pH為10、酶解時(shí)間為137 min、酶解溫度為41℃，在此條件下淀粉的提取率為88．92%，且獲得了高純度淀粉。張晶，等［10］采用木聚糖酶和中性蛋白酶對(duì)芋頭淀粉的提取工藝進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：先添加木聚糖酶而后添加中性蛋白酶的二次分步加酶法所得淀粉提取率達(dá)78．77%，兩種酶解的最佳工藝條件為：木聚糖酶的酶添加量為750 u．g－1、溶液pH值為5．0、酶處理時(shí)間為2 h，酶處理溫度為50℃；中性蛋白酶的酶添加量500 u．g－1、溶液pH值為7．0、酶處理時(shí)間為3 h、酶處理溫度為50℃。

生物酶法提取工藝主要是去除塊根塊莖類(lèi)植物中與淀粉結(jié)合緊密的蛋白質(zhì)等。與傳統(tǒng)的堿液提取法相比，生物酶法提取淀粉的工藝具有條件溫和、沉降時(shí)間短、淀粉質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，但也有可能會(huì)造成微生物的污染。

1．4 超聲波輔助法

王大為，等［11］采用超聲波輔助提取馬鈴薯淀粉，并探討與傳統(tǒng)水提法相比的淀粉特性，結(jié)果表明，馬鈴薯在超聲功率為500 W、超聲時(shí)間為4 min、破碎粒度60目、料水比為1∶1（g／mL）條件下淀粉的提取率高達(dá)94．22%，比傳統(tǒng)水提法增加6．88%；而且超聲波輔助提取方法增加了直鏈淀粉的含量，提高了淀粉糊的溶解度、膨潤(rùn)度以及凝沉性，但是降低了淀粉糊的粘度、透明度。

超聲波是頻率為2×104～l×109Hz的聲波，具有方向性好、穿透力強(qiáng)等特點(diǎn)，可產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)和空化效應(yīng)。淀粉提取過(guò)程中主要是通過(guò)機(jī)械作用和空化作用破壞細(xì)胞壁，從而提高淀粉流離率。因此采用超聲波輔助提取淀粉，結(jié)合酸、堿、酶法，不僅具有作用時(shí)間短、安全無(wú)副作用等優(yōu)點(diǎn)，而且還可以提高淀粉的提取率。

2 塊根塊莖類(lèi)植物淀粉的理化性質(zhì)

2．1 組成和分子結(jié)構(gòu)

塊根塊莖類(lèi)植物淀粉主要由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成。直鏈淀粉是由葡萄糖單元通過(guò)α－1，4糖苷鍵連接而成的直鏈大分子；直鏈淀粉的分子大小差別很大，在100～6 000之間，聚合的葡萄糖單元一般為300～800個(gè)。支鏈淀粉的主鏈主要是以α－1，4糖苷鍵連接的直鏈結(jié)構(gòu)，而側(cè)鏈則是以α－1，6糖苷鍵連接的支杈結(jié)構(gòu)；聚合的葡萄糖單元在1 000～3 000 000個(gè)之間，一般在6 000個(gè)以上，是最大的天然高分子化合物。

王書(shū)軍，等［12］對(duì)12種山藥進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，山藥淀粉的直鏈淀粉含量為19．38%～25．94%，比馬鈴薯淀粉中直鏈淀粉的含量略微偏低，通常馬鈴薯淀粉中直鏈淀粉含量為20．1%～31%。淀粉中直鏈淀粉含量會(huì)隨著淀粉植物來(lái)源的不同而不同，且氣候條件和土壤類(lèi)型也會(huì)影響淀粉中直鏈淀粉的含量。因此塊根塊莖類(lèi)植物中直鏈淀粉的含量也有著明顯的差異。

2．2 塊根塊莖類(lèi)淀粉的顆粒特性

2．2．1 顆粒形態(tài)

由表1可知，塊根塊莖類(lèi)植物淀粉的形貌大部分是圓形、橢圓形，也存在多邊形和不規(guī)則形。根據(jù)不同植物淀粉的來(lái)源，淀粉顆粒的平均粒徑從1～100 μm不等，其中馬鈴薯和藕的粒徑相對(duì)較大，而魔芋、人參、荸薺的粒徑相對(duì)偏小。淀粉顆粒的形態(tài)和尺寸主要取決于植物來(lái)源，其中淀粉顆粒的形態(tài)主要取決于植物葉綠體和造粉質(zhì)體的生物化學(xué)以及植物的生理學(xué)。淀粉顆粒的顆粒形貌和尺寸的鑒別通常采用電子掃描顯微鏡（SEM）。

表1 塊根塊莖類(lèi)植物淀粉的顆粒形態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)［13－20］

2．2．2 晶體結(jié)構(gòu)

X－射線衍射儀被廣泛應(yīng)用于淀粉中晶體結(jié)構(gòu)的存在和特性研究。原淀粉顆粒X－射線衍射圖可分為A、B、C型，其中A型對(duì)應(yīng)的X－射線衍射圖是在15°、17°、18°和23°有較強(qiáng)的衍射峰，B型對(duì)應(yīng)的較強(qiáng)衍射峰主要出現(xiàn)在5．6°、17°、22°和24°左右，而C型包含有A、B兩種類(lèi)型。A型和B型的差異在于A型結(jié)構(gòu)中雙螺旋間的水分子排列緊密，而B(niǎo)型中包含更多的水分子，且位于6個(gè)雙螺旋包圍的中心。由表1可知，大多數(shù)塊根塊莖類(lèi)植物淀粉為B型，但甘薯、山藥、葛根、荸薺等為C型，木薯、竹芋等為A型，而生姜的晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型尚未見(jiàn)報(bào)道。

2．3 塊根塊莖類(lèi)植物淀粉糊的功能特性

2．3．1 糊化特性

當(dāng)?shù)矸廴楸患訜岬揭欢囟?，淀粉顆粒開(kāi)始出現(xiàn)不規(guī)則變化，同時(shí)伴隨著顆粒結(jié)構(gòu)的破壞，直鏈淀粉從顆粒中溶出、晶體結(jié)構(gòu)消失，淀粉乳變成粘稠的糊狀。這種現(xiàn)象稱(chēng)為糊化。發(fā)生糊化時(shí)的溫度稱(chēng)為糊化溫度。

S．A．Kolawole，等［21］對(duì)生姜的糊化特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，生姜的淀粉糊化溫度為78℃。而玉米淀粉的糊化溫度為72．5℃，表明生姜被煮熟所消耗的能量要高于玉米所消耗的能量。李媛，等［32］也對(duì)生姜淀粉的糊化特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，生姜淀粉的糊化溫度為84．98℃，并且認(rèn)為生姜淀粉的糊化溫度比其他淀粉的糊化溫度高，是因?yàn)榻矸垲w粒的結(jié)構(gòu)比較緊密，破壞這種結(jié)構(gòu)將需要較高的能量。Kerelilk G R，等［22］指出同一種淀粉由于顆粒大小不同，糊化溫度也會(huì)有所不同。

2．3．2 老化特性

淀粉的老化也叫淀粉回生，是一個(gè)淀粉從有序到無(wú)序的過(guò)程。國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為淀粉回生可分為短期回生和長(zhǎng)期回生兩個(gè)階段。短期回生主要涉及直鏈淀粉，長(zhǎng)期回生主要涉及支鏈淀粉，過(guò)程是一個(gè)慢長(zhǎng)的過(guò)程。其中，透明度下降，淀粉糊產(chǎn)生渾濁現(xiàn)象，兩相分離產(chǎn)生沉淀，凝膠硬度上升，水分析出，淀粉分子內(nèi)部產(chǎn)生自組織現(xiàn)象，形成結(jié)晶、抗化學(xué)試劑能力增強(qiáng)，酶解力下降，黏性下降等，都是淀粉老化的特征。

田翠華，等［23］采用X－射線衍射儀、差示掃描量熱儀等方法，對(duì)蓮藕淀粉的老化特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，探討了蓮藕淀粉的老化機(jī)理；通過(guò)測(cè)定存放過(guò)程中蓮藕淀粉糊透明度和凝沉性變化、淀粉糊的碘蘭值和酶解力以及再結(jié)晶特性，提出淀粉老化的本質(zhì)是淀粉分子凝聚，微弱的重結(jié)晶促進(jìn)了淀粉的老化。

杜秀杰，等［24］以檳榔芋為原料，測(cè)定了淀粉的老化度及抗老化的方法。結(jié)果表明，檳榔芋淀粉的冷、熱糊穩(wěn)定性較差，屬于弱凝膠，短期不易回生；同時(shí)報(bào)道了通過(guò)添加乳化劑、食品膠和變性淀粉等來(lái)抑制檳榔芋淀粉老化，其中分子蒸餾單甘酯、瓜爾豆膠和麥芽糊精對(duì)檳榔芋淀粉老化的抑制效果較好。

塊根塊莖類(lèi)植物淀粉的老化特性因來(lái)自不同的植物、不同的直鏈淀粉和支鏈淀粉含量而導(dǎo)致無(wú)法統(tǒng)一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為直鏈淀粉含量是引起支鏈淀粉老化的原因，同時(shí)發(fā)現(xiàn)直鏈淀粉含量與淀粉回生速率成正比，這種回生被證明是由支鏈淀粉的結(jié)晶導(dǎo)致的，直鏈對(duì)支鏈淀粉的結(jié)晶速率有協(xié)同作用，但并未影響其結(jié)晶度。孫忠偉［25］對(duì)芋頭淀粉的研究發(fā)現(xiàn)，支鏈淀粉含量較高，不同品種芋頭淀粉中支鏈淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86．0%～59．6%；芋頭支鏈淀粉中，長(zhǎng)支鏈所占比例大于短支鏈，且短支鏈重均聚合度DP為13．4，這也是芋頭淀粉支鏈淀粉含量多卻容易老化的原因。

3 展 望

主要綜述了國(guó)內(nèi)外有關(guān)塊根塊莖類(lèi)植物淀粉的提取工藝、理化特性、淀粉糊的功能特性。國(guó)內(nèi)外主要是對(duì)塊根塊莖類(lèi)中馬鈴薯等薯類(lèi)淀粉的研究比較深入，但是這些淀粉的提取工藝和理化性質(zhì)并不能代表所有塊根塊莖類(lèi)植物淀粉的提取工藝和性質(zhì)，并且很難將塊根塊莖類(lèi)植物淀粉的某一性質(zhì)與豆類(lèi)、谷物類(lèi)等淀粉的對(duì)應(yīng)性質(zhì)進(jìn)行明確的對(duì)比。因此，采用不同方法在不同條件下對(duì)不同來(lái)源的塊根塊莖類(lèi)植物淀粉的提取和性質(zhì)研究還需進(jìn)一步加強(qiáng)，而且對(duì)塊根塊莖類(lèi)植物淀粉的應(yīng)用領(lǐng)域也需進(jìn)一步拓寬。

［1］石文娟．姜黃淀粉性質(zhì)研究［D］．重慶：西南大學(xué)，2008

［2］張燕萍．變性淀粉制造與應(yīng)用［Ml．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007

［3］HOOVER R．Composition Molecular Structure and Physicochemical Properties of Tuber and Root Starches［J］．Carbohydrate Polymers，2001，45（3），253-267

［4］楊瑩，夏延斌．酸堿處理方式提取紅薯淀粉的比較研究［J］．糧食食品科技，2008，16（2）：47-49

［5］林曉嵐，陳惠芳，陳麒麟．紫甘薯淀粉提取工藝優(yōu)化［J］．福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32（4）：527-530

［6］孫昌波，李忠海，楊海榮，等．蕨根淀粉提取工藝的研究［J］．食品與機(jī)械，2006，22（5）：55-57

［7］李大峰，賈冬英，姚開(kāi)，等．白芷淀粉的提取工藝研究［J］．現(xiàn)代食品科技，2011，27（2）：203-205

［8］丘苑新，吳雪君，于新．香芋淀粉提取工藝及部分特性研究［J］．農(nóng)產(chǎn)品加工學(xué)刊，2010（4）：32-34

［9］姜紹通，殷嘉憶，王華林，等．酶法提取芋頭淀粉工藝參數(shù)優(yōu)化［J］．食品科學(xué)，2014（13）：1-10

［10］張晶，張瀅瀅，陳海華，等．雙酶法提取芋頭淀粉的工藝及性質(zhì)研究［J］．中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2014，29（7）：87-90

［11］王大為，劉鴻鋮，宋春春，等．超聲波輔助提取馬鈴薯淀粉及其特性的分析［J］．食品科學(xué)，2013，34（16）：17-22

［12］王書(shū)軍．富含淀粉中藥貝母、山藥中淀粉的研究［D］．天津：天津大學(xué)，2006

［13］羅志剛，高群玉，楊連生．甘薯淀粉性質(zhì)的研究［J］．食品科技，2003（2）：15-17

［14］楊曉惠．木薯淀粉的理化性質(zhì)及其抗性淀粉制備工藝研究［D］．廣州：暨南大學(xué)，2011

［15］陳曉，劉欣，趙力超．竹芋淀粉的性質(zhì)研究［J］．食品科學(xué)，2008，29（12）：132-136

［16］鐘耕．葛根淀粉和藕淀粉的理化性質(zhì)及血糖指數(shù)體外測(cè)定的研究［D］．重慶：西南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2003

［17］周瓊，石文娟，張麗瓊，等．黃姜淀粉的基本性質(zhì)研究［J］．食品科學(xué)，2007，28（12）：40-42

［18］萬(wàn)智巍，楊曉燕，葛全勝，等．中國(guó)南方現(xiàn)代塊根塊莖類(lèi)植物淀粉粒形態(tài)分析［J］．第四紀(jì)研究，2011，31（4）：736-744

［19］KOO H，PARK S，JO J．Physicochemical Characteristics of 6-year-old Korean Ginseng Starches［J］．LWT-Food Science and Technology，2005，38（8）：801-807

［20］宋志剛．白首烏淀粉提取工藝及其與粉葛淀粉理化特性的研究［D］．山東：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006

［21］KOLAWOLE S A，IGWEMMAR N C，BELLO H A．Comparison of the Physicochemical Properties of Starch from Ginger（Zingiber officinale）and Maize（Zea mays）［J］．International Journal of Science and Research，2013（2）：71-75

［22］李媛，喬旭光．生姜淀粉的基本性質(zhì)［J］．食品科學(xué)，2011，32（13）：131-135

［23］田翠華，嚴(yán)守雷，李潔，等．蓮藕淀粉的老化特性研究［J］．食品科學(xué)，2009，30（3）：67-70

［24］杜秀杰．檳榔芋淀粉特性及其抗老化研究［D］．廈門(mén)：集美大學(xué)，2009

［25］張忠偉．芋頭淀粉的提取及其性質(zhì)的研究［D］．江蘇：江南大學(xué)，2004

Study Progress on Starches of Root and Tuber Plants

QI Hai-ling1，YIN Zhong-yi2，ZHENG Xu-xu1，2

（1．School of Environmental and Biological Engineering，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China；2．Chongqing Key Lab of Catalysis＆Functional Organic Molecules，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China）

This paper mainly summarizes researches of state quo on extraction process，physicochemical properties and functional properties of starch pastes of root and tuber plants．This review can provide a reference for further researches on root and tuber plants starches，and theoretically guides the application of root and tuber plants starches in food industry．

root and tuber plants；starch；extraction process；physicochemical properties；functional properties

Q947

A

1672－058X（2015）03－0067－05

10．16055／j．issn．1672－058X．2015．0003．015

2014－07－10；

2014－08－10．

學(xué)術(shù)學(xué)科領(lǐng)軍人才培養(yǎng)計(jì)劃（渝教人［2011］60號(hào)）．

齊海伶（1988－），女，碩士研究生，從事環(huán)境生物工程研究．

**通訊作者：鄭旭煦（1964－），女，教授，博士，從事生物資源與天然藥物研究．E－mail：xuxuzheng＠ctbu．edu．cn．