馬鈴薯抗性淀粉理化性質(zhì)的研究

章麗琳，曾希珂，張　喻，胡新喜（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.食品科學(xué)與生物技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410128；.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝園林學(xué)院，湖南 長沙 410128）

馬鈴薯抗性淀粉理化性質(zhì)的研究

章麗琳1，2，曾希珂1，2，張喻1，2*，胡新喜3
（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.食品科學(xué)與生物技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410128；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝園林學(xué)院，湖南 長沙 410128）

以馬鈴薯原淀粉為對照，研究了纖維素酶-壓熱法制備的馬鈴薯抗性淀粉的理化性質(zhì)。結(jié)果表明，馬鈴薯原淀粉顆粒呈橢球形，表面光滑；而抗性淀粉的顆粒狀結(jié)構(gòu)消失，形成了連續(xù)的致密結(jié)構(gòu)，表面不再光滑。紅外光譜分析表明，抗性淀粉分子中未出現(xiàn)新的基團(tuán)，只較原淀粉形成了更多的氫鍵。馬鈴薯原淀粉的分子晶型為A型，整體結(jié)晶度為22.82%；抗性淀粉的分子晶型為B型，整體結(jié)晶度為29.64%。馬鈴薯抗性淀粉的溶解度、透明度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原淀粉；膨潤度、持水性優(yōu)于原淀粉?？剐缘矸鄣某两邓俣容^快，沉降性比原淀粉強(qiáng)。原淀粉糊化溫度為65.8℃，峰值黏度可達(dá)到10 770 mPa·s；而抗性淀粉其糊化溫度高于95℃。

馬鈴薯淀粉；抗性淀粉；理化性質(zhì)

抗性淀粉（resistant starch，RS）是指不能在健康人體小腸中消化吸收，而能在大腸中被發(fā)酵分解的一類淀粉及其降解物，是一種具有良好生理功能和食品加工特性的原料［1］。其具有降低甘油三酯和膽固醇的濃度，預(yù)防直腸癌和腸道疾病，改善腸道菌群，防止糖尿病，促進(jìn)維生素和礦物質(zhì)的吸收等生理功能［2-4］。根據(jù)其來源和抗酶解性的不同可將其分為4類：RS1（物理包埋淀粉）、RS2（抗性淀粉顆粒）、RS3（老化淀粉）、RS4（化學(xué)改性淀粉）［5］。目前，關(guān)于抗性淀粉制備的研究較多，而關(guān)于抗性淀粉的理化性質(zhì)研究尚不深入、系統(tǒng)?？剐缘矸鄣睦砘再|(zhì)研究能夠?yàn)槠浼庸だ锰峁├碚撘罁?jù)，并推進(jìn)其加工利用的步伐。一些抗性淀粉理化性質(zhì)研究顯示，抗性淀粉為以氫鍵連接的回生狀的分散的線性多糖類物質(zhì)，基本特性與淀粉相似，是白色無異味的多孔性粉末，加到食品中不影響食品的感官和質(zhì)地，持水性低，顆粒粒度低，可膨化，RS3的糊化溫度較高（超過150℃），因此RS3具有較高的熱穩(wěn)定性。

馬鈴薯在國內(nèi)種植面積廣、產(chǎn)量高且其淀粉比其他淀粉純度高、質(zhì)量好、易轉(zhuǎn)化，適宜生產(chǎn)抗性淀粉。酶解法是制備抗性淀粉的常用方法，其中纖維素酶酶解法可破壞纖維素等阻礙淀粉分子聚集的非淀粉物質(zhì)，從而可大大提高回生抗性淀粉的得率［6］。壓熱法是制備回生抗性淀粉較為常用的方法，通過高溫高壓作用使一定濃度的淀粉乳充分糊化，再利用淀粉的老化特性，在低溫條件下靜置一定時(shí)間，使淀粉糊慢速冷卻形成老化淀粉，即回生抗性淀粉［7］。該試驗(yàn)采用纖維素酶-壓熱法制備并純化得到馬鈴薯抗性淀粉，重點(diǎn)研究了抗性淀粉的微觀結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、糊化特性、溶解度等理化性質(zhì)，以期為馬鈴薯抗性淀粉的加工利用提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

馬鈴薯原淀粉（其中淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為83.5%，含水率為16.5%）：甘肅興達(dá)淀粉工業(yè)有限公司；馬鈴薯抗性淀粉；實(shí)驗(yàn)室自制；葡萄糖淀粉酶（100U/mg）、α-淀粉酶（4000U/g）：上海奧諾生物科技有限公司；纖維素酶（15 000 U/g）、磷酸氫二鈉、檸檬酸、鹽酸、氫氧化鈉、苯酚等（均為分析純）：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2儀器與設(shè)備

ZHWY-C2102恒溫培養(yǎng)振蕩器：上海智城分析儀器制造有限公司；LMQ.J立式滅菌器：山東新華醫(yī)療器械股份有限公司；101-2AB電熱鼓風(fēng)干燥箱：天津市泰斯特儀器有限公司；TDZ5-WS臺(tái)式低速離心機(jī)：湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司；WFJ-7200可見分光光度計(jì)：尤尼柯（上海）儀器有限公司；MDJ-D4072磨豆機(jī)：廣東小熊電器有限公司；PHS-3C型精密pH計(jì)：上海精密科學(xué)儀器有限公司；JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡：日本電子公司；RVA-S/N2112681快速黏度測定儀：瑞典Perten儀器有限公司；VECTOR33型傅里葉變換紅外光譜儀：德國Bruker公司；D/MAX-3A型X射線衍射儀：日本理學(xué)公司。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1馬鈴薯抗性淀粉制備的工藝流程及操作要點(diǎn)

操作要點(diǎn)：配制馬鈴薯原淀粉為10%的淀粉乳溶液，調(diào)pH至5.0，在80℃水浴中進(jìn)行糊化，冷卻至適宜溫度，纖維素酶添加量為30 U/mL進(jìn)行酶解（酶解溫度40℃，酶解時(shí)間40 min），放入高壓滅菌鍋中進(jìn)行壓熱處理，壓熱溫度為120℃、壓熱時(shí)間為30 min后取出冷卻至室溫，于4℃條件下靜置18 h，取出后于室溫放置4 h，后放入60℃烘箱中烘干，粉碎過80目篩。

1.3.2馬鈴薯抗性淀粉的提取分離

稱取一定質(zhì)量的處理樣，溶于磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖液（pH6.0）中，加入2mL1%耐高溫α-淀粉酶，90℃水浴振蕩30 min，冷卻至室溫；用檸檬酸調(diào)節(jié)pH至4.5，加入2 mL 1%葡萄糖淀粉酶，60℃水浴振蕩30 min，冷卻，3 000 r/min離心15 min，除去上清液，將沉淀用蒸餾水洗，并80℃干燥，粉碎過篩［8］，即得到馬鈴薯抗性淀粉。

1.3.3電子掃描顯微鏡觀察

將馬鈴薯原淀粉及抗性淀粉置于105℃烘箱中干燥4～5 h，取少量淀粉樣品在紅外燈下用導(dǎo)電膠均勻地固定在樣品臺(tái)面上，做噴金處理，將處理后的樣品保存于干燥器中，經(jīng)過短暫干燥后，在掃描電子顯微鏡下觀察并拍攝具有代表性的淀粉顆粒形貌［9］。

1.3.4紅外光譜分析

采用溴化鉀壓片法，在波數(shù)400～4 000 cm-1范圍進(jìn)行馬鈴薯原淀粉及抗性淀粉紅外光譜分析。

1.3.5 X-射線衍射分析

采用X-射線衍射儀測定淀粉的晶體特性。衍射條件：特征射線CuKα，石墨單色器，管電壓40kV，管電流30mA，掃描范圍2θ為470°，掃描速度10°/min。樣品的結(jié)晶度按照蹇華麗等［10］提出的方法進(jìn)行計(jì)算。

1.3.6溶解度和膨潤度的測定

稱取2.00g馬鈴薯淀粉及抗性淀粉，計(jì)為m0，溶于100mL蒸餾水中，并添加至恒質(zhì)量m1的離心管中，分別在40℃、50℃、60℃、70℃、80℃條件下攪拌30 min，冷卻，3 000 r/min離心30 min，取上清液在80℃蒸干少許水分，然后105℃烘干至恒質(zhì)量后稱質(zhì)量m3，并稱離心管及沉淀物總質(zhì)量m4，按以下公式計(jì)算淀粉溶解度及膨潤度［11］。

1.3.7持水力的測定

稱取2g馬鈴薯淀粉及抗性淀粉，計(jì)為m0，置于恒質(zhì)量m1離心管，添加20 mL蒸餾水，分別在40℃、50℃、60℃、70℃和80℃條件下水浴加熱15 min，每5 min振蕩1次。將水浴后的樣品3 000 r/min離心15 min，棄去上清液，稱質(zhì)量m2，按以下公式計(jì)算持水性［11］。

1.3.8透明度測定

稱取淀粉樣品各1.00g加入100mL蒸餾水，在沸水浴中攪拌加熱30 min，冷卻至室溫，再用水調(diào)整淀粉糊至原體積，以蒸餾水為參比，在波長620 nm處測定淀粉糊的透光率［12］。以透光率反映樣品透明度，透光率越高，透明度越好。

1.3.9沉降曲線的測定

將1.00 g/100 mL的馬鈴薯淀粉及抗性淀粉乳在沸水中攪拌加熱30 min，冷卻至室溫，放入100 mL的刻度量筒中，每隔2 h記錄上層清液體積，上清液體積對應(yīng)時(shí)間的變化曲線即為淀粉糊的沉降曲線。24 h后的上清液體積即為沉降體積［13］。

1.3.10糊化特性測定

用快速黏度儀對馬鈴薯原淀粉及抗性淀粉的糊化特性進(jìn)行測定，稱取3.00g左右樣品放入專用鋁筒中，加入25mL蒸餾水，放入儀器中進(jìn)行測定。采用升溫/降溫循環(huán)糊化程序，50℃保持1 min，4 min內(nèi)加熱至95℃并保持5.5 min，4 min內(nèi)冷卻至50℃并保持4 min，旋轉(zhuǎn)漿在起始10 s內(nèi)旋轉(zhuǎn)速度為960 r/min，后保持160 r/min至結(jié)束［14］。

2　結(jié)果與分析

2.1馬鈴薯抗性淀粉顆粒結(jié)構(gòu)

馬鈴薯原淀粉及抗性淀粉的掃描電子顯微鏡照片如圖1所示。從圖1可以看出，馬鈴薯原淀粉顆粒完整，為不規(guī)則橢球形，表面光滑；而馬鈴薯抗性淀粉的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，其顆粒狀結(jié)構(gòu)消失，呈不規(guī)則塊狀堆積結(jié)構(gòu)，表面粗糙，有不規(guī)則的凸起。造成這種結(jié)構(gòu)變化的原因可能是，纖維素酶處理可破壞纖維素等阻礙淀粉分子聚集的非淀粉物質(zhì)［6］；在糊化過程中，直鏈淀粉從原淀粉顆粒中溶出，回生過程中，直鏈淀粉分子相互靠近依靠氫鍵及范德華力形成雙螺旋結(jié)構(gòu)并沉降［15］；在純化過程中，粗抗性淀粉中的無定性部分被酶解，剩下高度結(jié)晶的直鏈淀粉［16］。

圖1　淀粉顆粒掃描電子顯微鏡圖Fig.1 Scanning electron microscope of starch granules

2.2馬鈴薯抗性淀粉紅外光譜分析

馬鈴薯抗性淀粉及原淀粉的紅外光譜圖如圖2所示，其數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表1。

圖2　馬鈴薯抗性淀粉（A）及馬鈴薯原淀粉（B）的紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectra of potato resistant starch（A）and potato starch（B）

表1　馬鈴薯抗性淀粉及原淀粉的特征吸收峰Table 1 Characteristic absorption peaks of potato resistant starch and potato starch

從圖2、表1可以看出，馬鈴薯抗性淀粉及馬鈴薯原淀粉的紅外光譜圖沒有顯著差異，其具有相似的主要特征吸收峰，說明纖維素酶-壓熱法制備抗性淀粉過程中沒有形成新的基團(tuán)，即沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；對比兩者的紅外光譜圖發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯抗性淀粉在2 995.45 cm-1處吸收峰的相對強(qiáng)度增大，說明抗性淀粉較原淀粉形成了更多的氫鍵。

2.3馬鈴薯抗性淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)

馬鈴薯抗性淀粉及馬鈴薯原淀粉的X-射線衍射圖譜如圖3所示，其各型晶體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及結(jié)晶度如表2所示。

圖3　馬鈴薯抗性淀粉及馬鈴薯原淀粉的X-射線衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction patterns of potato resistant starch and potato starch

由圖3和表2可看出，馬鈴薯抗性淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，馬鈴薯原淀粉的晶體類型為A型，抗性淀粉的晶體類型為B型；相比原淀粉，抗性淀粉的A型及V型晶體所占比例減少，B型晶體的比例顯著增加；且抗性淀粉的整體結(jié)晶度升高，為29.64%，原淀粉的整體結(jié)晶度為22.82%。B型晶體相比V型晶體更為穩(wěn)定［17］，由此可知，馬鈴薯抗性淀粉的晶體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。這是因?yàn)榭剐缘矸鄣闹苽溥^程中，其分子鏈通過斷裂、重組，趨向于形成更為穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)［18］。

表2　馬鈴薯抗性淀粉及馬鈴薯原淀粉X-射線衍射圖譜數(shù)據(jù)分析Table 2 X-ray diffraction spectral data of potato resistant starch and potato starch

2.4溶解度及膨潤度

馬鈴薯原淀粉及抗性淀粉的溶解度、膨潤度隨溫度升高的變化分別如圖4、圖5所示。

圖4　馬鈴薯抗性淀粉及馬鈴薯原淀粉的溶解度變化Fig.4 Solubility changes of potato resistant starch and potato starch

圖5　馬鈴薯抗性淀粉及馬鈴薯原淀粉的膨潤度變化Fig.5 Swelling capacity changes of potato resistant starch and potato starch

由圖4可知，馬鈴薯抗性淀粉的溶解度大大低于馬鈴薯原淀粉的溶解度；且兩種淀粉的溶解度都隨溫度的升高而逐漸增大。這是因?yàn)閴簾崽幚硎怪辨湹矸蹚牡矸垲w粒中游離出來，且部分支鏈淀粉發(fā)生降解，增加了淀粉乳液中直鏈淀粉的含量，在冷卻階段，直鏈淀粉分子又重新取向、排列，形成致密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)［19］。這種致密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)使得淀粉溶解度減小。

由圖5可知，馬鈴薯抗性淀粉的膨潤度優(yōu)于原淀粉，但隨著溫度的升高，原淀粉的膨潤度增大幅度較大。原因可能是抗性淀粉中直鏈淀粉的含量較大，使得膨潤度較大，但抗性淀粉結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，在溫度升高的情況下結(jié)構(gòu)變化不明顯，膨潤度變化不明顯。

2.5持水性

持水性表示羥基與淀粉分子鏈由共價(jià)結(jié)合所產(chǎn)生的結(jié)合水量的大小。馬鈴薯原淀粉及抗性淀粉的持水性隨溫度升高的變化如圖6所示。

圖6　馬鈴薯抗性淀粉及馬鈴薯原淀粉的持水性變化Fig.6 Water binding capacity changes of potato resistant starch and potato starch

由圖6可知，馬鈴薯抗性淀粉的持水性優(yōu)于馬鈴薯原淀粉；但隨溫度升高，馬鈴薯原淀粉的持水性升高幅度更明顯。原因可能是原淀粉經(jīng)壓熱處理形成抗性淀粉過程中，短直鏈淀粉分子增多，葡萄糖單元上外側(cè)的親水性羥基也增加，且糊化后淀粉分子在凝沉過程中分子重新聚集成有序結(jié)晶，使得持水性增強(qiáng)［20］。

2.6透明度

透明度直接關(guān)系到產(chǎn)品的外在特征。馬鈴薯抗性淀粉及馬鈴薯原淀粉的透明度結(jié)果如圖7所示。

圖7　馬鈴薯抗性淀粉及馬鈴薯原淀粉的透光率Fig.7 Transparency of potato resistant starch and potato starch

由圖7可知，馬鈴薯抗性淀粉的透明度大大低于原淀粉的透明度。有研究表明，直鏈淀粉含量影響著淀粉糊的透明度，直鏈淀粉含量高更易促使淀粉糊回生，降低透光率［12］。可能是因?yàn)轳R鈴薯抗性淀粉中的直鏈淀粉含量高于馬鈴薯原淀粉，前者中的直鏈淀粉分子相互締合使光線散射的能力更強(qiáng)，從而導(dǎo)致透明度下降。

2.7沉降性

馬鈴薯抗性淀粉及馬鈴薯原淀粉的沉降曲線如圖8所示。

圖8　馬鈴薯抗性淀粉及馬鈴薯原淀粉糊的沉降曲線Fig.8 Settlement curve of potato resistant starch and potato starch

由圖8可知，馬鈴薯原淀粉不易沉降，沉降體積較??；而馬鈴薯抗性淀粉的沉降較明顯，沉降體積較大，沉降速度較快。馬鈴薯淀粉顆粒較大，具有良好的溶脹性，同時(shí)，其帶有同性電荷，淀粉顆粒之間相互排斥，避免了淀粉顆粒的凝聚，使得淀粉糊較穩(wěn)定［21］；而馬鈴薯抗性淀粉的顆粒性消失。且沉降性還與淀粉分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)，支鏈淀粉分子因?yàn)榉种ЫY(jié)構(gòu)的關(guān)系不易發(fā)生沉降，所以含直鏈淀粉多的淀粉沉降性較強(qiáng)［21］。

2.9糊化特性研究

糊化是淀粉的基本性質(zhì)，淀粉的糊化特性會(huì)影響到食品的加工性能、儲(chǔ)藏和口感。馬鈴薯原淀粉及馬鈴薯抗性淀粉的快速黏度儀（rapid visco analyser，RVA）譜圖分別如圖9、圖10所示。

圖9　馬鈴薯原淀粉糊化特性RVA譜圖Fig.9 RVA spectrum of potato starch

由圖9可知，馬鈴薯原淀粉的糊化溫度為65.8℃，糊化黏度隨溫度的變化呈有規(guī)律地上升，到達(dá)峰值黏度后下降，到達(dá)谷值黏度再上升，到達(dá)最終黏度，表現(xiàn)出淀粉類樣品特有的RVA曲線。由圖10可以看出，馬鈴薯抗性淀粉樣品的RVA曲線隨溫度升高，黏度變化不明顯，說明馬鈴薯抗性淀粉在95℃以下沒有發(fā)生糊化，淀粉分子在不斷加熱攪拌過程中只發(fā)生了吸水溶脹，沒有經(jīng)歷崩解、直鏈淀粉聚合等過程。說明馬鈴薯抗性淀粉分子間及分子內(nèi)部的相互作用力較大，顯著大于馬鈴薯原淀粉。

圖10　馬鈴薯抗性淀粉糊化特性RVA譜圖Fig.10 RVA spectrum of potato resistant starch

3　結(jié)論

馬鈴薯原淀粉顆粒完整，為不規(guī)則橢球形，表面光滑；而馬鈴薯抗性淀粉的顆粒狀結(jié)構(gòu)消失，呈不規(guī)則塊狀堆積結(jié)構(gòu)，表面粗糙。

馬鈴薯抗性淀粉及馬鈴薯原淀粉的紅外光譜圖沒有顯著差異，具有相似的主要特征吸收峰；但較原淀粉，抗性淀粉形成了更多的氫鍵。

抗性淀粉的晶體類型為B型，原淀粉的晶體類型為A型；相比原淀粉，抗性淀粉中的A型及V型晶體所占比例減少，B型晶體的比例顯著增加；抗性淀粉的結(jié)晶度為29.64%，原淀粉的結(jié)晶度為22.82%。

抗性淀粉的溶解度低于原淀粉；膨潤度、持水性優(yōu)于原淀粉，且隨著溫度的升高，變化不明顯；透明度大大低于原淀粉；抗性淀粉的沉降較明顯，沉降體積較大，原淀粉不易沉降。

抗性淀粉的糊化溫度高于95℃，其RVA曲線隨溫度升高，黏度變化不明顯；馬鈴薯淀粉的糊化溫度為65.8℃，具有典型的RVA曲線，且峰值黏度較大。

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Physicochemical properties of potato resistant starch

ZHANG Lilin1，2，ZENG Xike1，2，ZHANG Yu1，2*，HU Xinxi3
（1.College of Food Science and Technology，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China；2.Food Science and Biotechnology Key Laboratory of Hunan Province，Changsha 410128，China；3.College of Gardening，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China）

Contrasted with potato starch，the physicochemical properties of potato resistant starch prepared with cellulase-pressure thermal treatment were studied.Results showed that potato starch granules were in ellipsoid and smooth.Resistant starch had no granule structure，formed a continuous compact structure，and their surfaces were not smooth.The chemical structure of two kinds of starch was similar but the resistant starch formed more hydrogen bonds.The crystal form of potato starch was type A.Its crystallization degree was 22.82%.The crystal form of resistant starch was type B. Its crystallization was 29.64%.The solubility and transparency of resistant starches were far lower than potato starch and the swelling capacity and water-holding capacity were better than potato starch.The settling speed of resistant starch was faster and settling properties were stronger than those of potato starch.The gelatinization temperature of potato starch were 65.8℃and the peak viscosity could be 10 770 mPa·s.Gelatinization temperature of resistant starch was higher than 95℃.

potato starch；resistant starch；physicochemical properties

TS235.9

0254-5071（2016）07-0117-06

10.11882/j.issn.0254-5071.2016.07.025

2016-03-22

公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201203096）；湖南省教育廳優(yōu)秀青年項(xiàng)目（11B061）

章麗琳（1991-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。

張喻（1972-），女，教授，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。