桂淮系列淮山淀粉結(jié)構(gòu)研究

趙小梅 李清明 蘇小軍 郭時(shí)印 熊興耀 譚興和 韋本輝

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1，長(zhǎng)沙 410128)(永州工貿(mào)學(xué)校2，永州 425000)(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所3，北京 100081)(廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所4，南寧 530007)

淮山又名山藥，屬于薯蕷科薯蕷屬，其品種多達(dá)650多種，營(yíng)養(yǎng)成分豐富，并含有多種生物活性物質(zhì)，作為一種藥食同源的食物而受到人們的重視[1]。淀粉是淮山主要的儲(chǔ)能物質(zhì)，部分淮山品種的干基淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)80%[2]。淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)受品種以及生長(zhǎng)環(huán)境的共同影響。研究發(fā)現(xiàn)不同品種稻米的直鏈淀粉含量與其糊化的峰值黏度、終值黏度以及回生值有顯著相關(guān)性[3]；小麥的直鏈淀粉含量與其膨潤(rùn)力以及糊化峰值黏度有極顯著負(fù)相關(guān)性[4]；糯小麥淀粉的結(jié)晶度與其糊化峰值溫度以及糊化焓變存在顯著正相關(guān)性[5]。Chen等[6]研究發(fā)現(xiàn)不同直/支鏈比的玉米淀粉在加熱過程中淀粉顆粒直徑的增長(zhǎng)率與其直/支鏈比呈正相關(guān)。淀粉的重結(jié)晶及其結(jié)晶度直接影響淀粉相關(guān)產(chǎn)品的加工及和應(yīng)用，而淀粉的分子結(jié)構(gòu)特性是淀粉重結(jié)晶產(chǎn)生的主要內(nèi)因。由此可見研究淀粉的結(jié)構(gòu)特性對(duì)于淀粉及其產(chǎn)品的加工應(yīng)用至關(guān)重要。亦可根據(jù)淀粉結(jié)構(gòu)性質(zhì)與加工性能的相關(guān)性，選擇培育出適用于相應(yīng)加工需求的新品種植物。研究淮山淀粉顆粒形態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)以及粒度等性質(zhì)，對(duì)于促進(jìn)淮山的加工利用具有非常重要的理論意義及實(shí)踐價(jià)值。

目前研究表明不同品種淮山淀粉的結(jié)構(gòu)性質(zhì)存在差異，但這些結(jié)果相對(duì)比較零散，不成系統(tǒng)?；瓷降矸垲w粒表面光滑無裂痕，呈圓形，卵圓形、不規(guī)則多角形以及立方形等多種形態(tài)；淮山淀粉偏光一般呈“X”型[7]，其臍點(diǎn)位于淀粉顆粒的一端；淮山淀粉大小不一，粒徑小的只有3～4 μm，大的可達(dá)20～60 μm[8-9]；淮山淀粉的主要晶體類型為C型，部分呈B型，結(jié)晶度26%～34%[10-11]。

在我國(guó)，淮山主要作為蔬菜鮮食或加工成中藥飲片，但對(duì)于產(chǎn)量高、淀粉含量高的淮山品種關(guān)注和研究較少。近年來廣西地區(qū)選育了一批產(chǎn)量高、淀粉含量高和適應(yīng)性廣的淮山品種，對(duì)種植環(huán)境要求不高，適合在貧瘠土壤和林下推廣種植[12]。在南方邊際土地推廣宜糧型淮山品種，實(shí)現(xiàn)淮山品種的差異化發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)扶貧，對(duì)保障我國(guó)糧食安全和促進(jìn)農(nóng)民增收等意義重大。對(duì)新選育的4個(gè)淮山品種的淀粉的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了研究，旨在為這些淮山品種的推廣和加工應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

桂淮5號(hào)、桂淮7號(hào)、桂淮8號(hào)、紫淮山均來自廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，均為新鮮成熟淮山。

1.2 儀器與設(shè)備

JSM-6380 LV型掃描電鏡 日本電子株式會(huì)社；E600偏光顯微鏡 Nikon公司； AV400型核磁共振譜儀 Bruker公司；S3000 激光粒度分析儀 美國(guó)Microtrac公司。

1.3 方法

1.3.1 淮山淀粉的制備

參照李昌文等[13]的方法。

1.3.2 淮山淀粉成分分析

水分測(cè)定參照烘箱法 GB/T 12087—2008；灰分測(cè)定參照GB/T 22427.1—2008；蛋白質(zhì)測(cè)定參照GB/T22427.10—2008；脂肪測(cè)定參照GB/T 22427.3—2008；直鏈淀粉含量測(cè)定參照GBT 15683—2008；磷含量測(cè)定參照GB/T5009.87—2003。

1.3.3 粒度

參照Wang等[14]的方法，將一定量的淮山淀粉樣品分散在乙醇溶液中，運(yùn)行平均數(shù)為2，流體Ref指數(shù)為1.36，負(fù)載因數(shù)為0.081 7，流量為40%，測(cè)定時(shí)間15 s，然后按照激光粒度分析儀分析程序進(jìn)行測(cè)定。

1.3.4 偏光十字測(cè)定

甘油跟水按1∶1的比例配成溶劑，稱取0.2 mg樣品于10 mL溶劑中配成2%的淀粉乳溶液。取一滴溶液滴于載玻片上，蓋上蓋玻片，將制好的樣品放于載物臺(tái)上，在普通模式下找到淀粉顆粒，再調(diào)到偏振光模式下觀察淮山淀粉顆粒的偏光十字。

1.3.5 淀粉顆粒的掃描電鏡

將干燥后的淮山淀粉樣品用吹氣球均勻的吹到粘有導(dǎo)電膠的載物臺(tái)上，再在真空條件下進(jìn)行噴金處理，最后將處理好的淀粉放入樣品室觀察拍照。

1.3.6 X射線衍射測(cè)定

將樣品粉末(粒度小于200目)壓后，用X射線衍射儀測(cè)定試樣的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。掃描速度：4(°)/min，掃描范圍 5°～80°，掃描方式為連續(xù)，步寬：0.02°，靶：Cu,管壓：40 kV，管流：30 mA，狹縫：0.3°、0.15°、0.3°。波長(zhǎng)：1.5406 ?。

1.3.7 紅外光譜測(cè)定

紅外光譜測(cè)定采用KBr壓片法。取100 mg左右的KBr于瑪瑙缽中研碎，加約1 mg樣品，研勻，壓片。將其在400～4 000 cm-1范圍內(nèi)掃描，以波長(zhǎng)(μm)或波數(shù)(cm-1)為橫坐標(biāo)，百分透過率為縱坐標(biāo)，得到紅外吸收光譜。

1.3.8 核磁共振測(cè)定

參照Wang等[15]的方法進(jìn)行檢測(cè)，13C-NMR檢測(cè)條件：管徑5 mm，轉(zhuǎn)速5 kHz，質(zhì)子共振頻率為 125.75 MHz，補(bǔ)償時(shí)間20 ms，接觸時(shí)間1 ms，兩個(gè)脈沖時(shí)間延遲3 ms，得到相應(yīng)的碳譜(13C-NMR)。

2 結(jié)果與分析

2.1 淮山淀粉成分分析

淮山淀粉中組成成分的不同會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性質(zhì)、功能特性及加工品質(zhì)產(chǎn)生差異。由表1可以看出，4個(gè)品種淮山淀粉灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.18%～0.40%之間，其中桂淮7號(hào)灰分含量最高。桂淮5號(hào)淀粉中脂肪含量顯著較高外，其余3個(gè)品種淮山淀粉的脂肪含量差異不顯著。桂淮8號(hào)中蛋白質(zhì)含量顯著高于其他3個(gè)品種。4個(gè)品種淮山淀粉中直鏈淀粉含量和磷含量都比較低，且差異顯著，其中桂淮8號(hào)直鏈淀粉含量最高，紫淮山最低；與之相反，紫淮山淀粉中磷含量最高，而桂淮8號(hào)最低。不同品種淮山中直鏈淀粉含量差異顯著，從1.4%～50%均有報(bào)道[16-17]?；瓷降矸鄣鞍踪|(zhì)和脂肪的含量與提取方法和品種有關(guān)[18]，本實(shí)驗(yàn)4個(gè)品種淀粉提取的方法一致，說明產(chǎn)生差異的主要原因是品種。淮山淀粉中脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般小于1%，遠(yuǎn)低于大多數(shù)谷物淀粉，也有文獻(xiàn)報(bào)道D.abyssinica和D.ballophylla兩種淮山淀粉中脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于1%，灰分的含量主要與品種有關(guān)，淮山淀粉中灰分一般低于0.3%，在不同品種中磷含量差異顯著。表1中結(jié)果也與Jayakody[19]、Yang[20]等報(bào)道的淀粉的化學(xué)組成及直鏈淀粉含量范圍基本一致。

表1 淮山淀粉基本化學(xué)成分

注：不同小寫字母表示同一列數(shù)值之間存在顯著性差異(P<0.05)，表2～表4同。

表2 淮山淀粉粒徑分布

2.2 淮山淀粉顆粒粒徑分析

利用激光粒度分析儀對(duì)4個(gè)品種淮山淀粉的粒度分布進(jìn)行測(cè)定，其結(jié)果見表2。

不同品種淮山淀粉的粒徑分布較廣，從 1 μm (D.esculenta)到 90 μm (D.alata) ，由表2可知，4個(gè)品種的淀粉顆粒粒徑呈單峰型分布，超過50%集中在15.5～26.16 μm之間，小尺寸顆粒和大尺寸顆粒數(shù)目較少，4個(gè)品種淮山淀粉的粒徑分布存在顯著差異。紫淮山淀粉在<15.5 μm 的粒徑范圍內(nèi)數(shù)目少于其他3種淮山淀粉；桂淮7號(hào)的超大尺寸顆粒數(shù)目多于其他3種淮山淀粉，桂淮7號(hào)和紫淮山的最大顆粒尺寸大于玉米、小麥及甘薯淀粉[21-23]。

2.3 淮山淀粉的顆粒形貌觀察

采用掃描電鏡對(duì)4個(gè)品種淮山淀粉的顆粒形貌進(jìn)行觀察，其結(jié)果見圖1。由圖1可看出，大部分淮山淀粉顆粒呈橢圓形或卵形，表面光滑，但也有部分存在裂縫或者凹陷，這與Zhang等[24]的研究結(jié)果較為一致。桂淮7號(hào)淮山淀粉顆粒表面不是很光滑，有些表面有裂痕(圖1箭頭所示)，有些顆粒表面有少量絮狀物質(zhì)黏附，可能是一些黏性糖蛋白。紫淮山淀粉顆粒表面亦有部分絮狀物?；瓷降矸垲w粒大小大多為中等尺寸，但不同品種中大小尺寸淀粉顆粒的比例存在差異。小尺寸顆粒多為圓形或橢圓形，中等尺寸顆粒以橢圓形為主，圓餅形顆粒的尺寸相對(duì)較大。這可能是由于生長(zhǎng)過程中淀粉顆粒平行生長(zhǎng)相互擠壓將原本為圓形的淀粉顆粒擠壓成了橢圓形或者圓餅形[25]。

圖1 淮山淀粉的電鏡形貌

2.4 淮山淀粉的偏光十字觀察

天然淀粉存在有序結(jié)構(gòu)和無定型結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)在密度和折射率上存在差異，由于各向異性，當(dāng)偏振光通過淀粉顆粒時(shí)產(chǎn)生偏光十字現(xiàn)象[26]。采用偏光十字顯微鏡對(duì)4個(gè)品種淮山淀粉的偏光現(xiàn)象進(jìn)行了測(cè)定，其結(jié)果見圖2。由圖2可見，在偏振光下淮山淀粉顆粒有可見的偏光十字，但不同品種淮山淀粉的偏光十字存在差異。說明不同品種淮山淀粉中其有序結(jié)構(gòu)與無定型結(jié)構(gòu)的比例存在差異[27]。桂淮5號(hào)的偏光十字較其他品種弱，這可能是由于淀粉顆粒的大小存在差異所造成的現(xiàn)象[28]。不同品種淮山淀粉臍點(diǎn)的位置也存在差異。桂淮5號(hào)的臍點(diǎn)以中心位置為主，桂淮7號(hào)則偏向顆粒較窄的一端，紫淮山的臍點(diǎn)嚴(yán)重偏向淀粉顆粒的尖端?；瓷降矸鄣钠馐殖省癤”型，其臍點(diǎn)偏向淀粉顆粒的一端。而杜雙奎等[29]研究發(fā)現(xiàn)小顆粒馬鈴薯淀粉以及玉米淀粉的臍點(diǎn)均位于顆粒的中心位置，且玉米淀粉的偏光十字呈“十”字。因此可根據(jù)淮山淀粉偏光十字的形狀以及位置來區(qū)分淮山淀粉與其他種類淀粉。

圖2 淮山淀粉的偏光十字圖

2.5 淮山淀粉的晶體性質(zhì)分析

采用廣角X-射線衍射對(duì)4個(gè)品種淮山淀粉的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，其結(jié)果見圖3。

注：a 紫淮山淀粉；b 桂淮7號(hào)淮山淀粉；c 桂淮5號(hào)淮山淀粉；d 桂淮8號(hào)淮山淀粉。下同。
圖3 淮山淀粉的X-射線衍射圖

由圖3可知4個(gè)不同品種淮山淀粉的X-射線衍射圖中存在三個(gè)明顯的特征衍射峰，各個(gè)吸收峰的位置及強(qiáng)度存在些許差異。其中紫淮山淀粉、桂淮7號(hào)淮山淀粉以及桂淮8號(hào)淮山淀粉的第一個(gè)和第三個(gè)特征衍射峰的強(qiáng)度弱于其他三個(gè)品種的淮山淀粉。桂淮5號(hào)淮山淀粉的X-射線衍射圖中，分別在2θ為15°、17°和23°有明顯的特征峰，都是典型的A型淀粉特征衍射峰，但其在2θ為5.6°處亦有衍射峰，因此為C型淀粉。紫淮山淀粉、桂淮7號(hào)淮山淀粉以及桂淮8號(hào)淮山淀粉在2θ為15°、17°和22°有較強(qiáng)的特征峰，其中在2θ為22°處為雙峰，是B型淀粉的特征峰，因此這3種淀粉屬于B型淀粉。

本研究的4種淮山淀粉分別為B型和C型淀粉，張麗芳[30]等研究報(bào)道了白玉淮山等品種的淮山淀粉為C型淀粉。B型淀粉來源于塊莖淀粉，C型淀粉來源于豆類、根類以及水果類淀粉[31]，其結(jié)晶形態(tài)受植物固有的生理?xiàng)l件和溫度、光照等諸多環(huán)境因素的影響，可能是品種或氣候差異導(dǎo)致了B型淀粉的形成。

2.6 淮山淀粉顆粒的紅外光譜

紅外光譜常用于淀粉分子結(jié)構(gòu)的分析。具有紅外活性的官能團(tuán)的種類及含量會(huì)會(huì)影響吸收峰的位置及形狀[32]。紅外光譜中官能團(tuán)的特征吸收峰通常在1 300～4 000 cm-1這個(gè)范圍內(nèi)，而600～1 300 cm-1這個(gè)范圍則屬于指紋區(qū)，該區(qū)域內(nèi)分子結(jié)構(gòu)稍有不同，吸收峰就存在差異，因此可用于區(qū)分結(jié)構(gòu)類似的化合物。由圖4可以看出4個(gè)品種淮山淀粉的紅外光譜波形基本一致，在500～4 000 cm-1之間存在9個(gè)明顯的吸收峰，但不同品種淮山淀粉的吸收峰的位置及強(qiáng)度存在差異；其中紫淮山淀粉在1 750～2 500 cm-1出現(xiàn)吸收峰的位置有別于其余3種淮山淀粉，說明其可能存在不同于其余3種淀粉的官能團(tuán)?；瓷降矸鄹魑辗寮翱赡芄倌軋F(tuán)見表3。

圖4 淮山淀粉的紅外光譜圖

表3 淮山淀粉紅外光譜的吸收峰及官能團(tuán)

特征峰cm-1官能團(tuán)3 378～3 425O—H鍵伸縮振動(dòng)吸收2 927～2 930CH2的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)1 645～1 651醛基的CO1 456～1 462CH2彎曲振動(dòng)1 417～1 423CH2彎曲振動(dòng)、C—O—O 伸縮振動(dòng)1 369～1 380CH彎曲振動(dòng)1 340C—O—H鍵彎曲振動(dòng)以及CH2扭曲振動(dòng)1 158～1 162C—O以及C—C鍵的伸縮振動(dòng)1 083～1 085C—H鍵的彎曲振動(dòng)991～995C—O 鍵的伸縮振動(dòng)C—OH彎曲振動(dòng)928～929淀粉的非對(duì)稱環(huán)模式[α-1,4 糖苷鍵(C—O—C)]的骨架振動(dòng)760～765C—C 鍵的伸縮振動(dòng)703～709D—吡喃葡萄糖的Ⅲ型吸收帶574～575淀粉的骨架模式振動(dòng)

紅外光譜對(duì)淀粉鏈的構(gòu)象和螺旋的有序比較敏感，常用來研究淀粉有序區(qū)域與無定型區(qū)域的比例。紅外光譜的1 045/1 022 cm-1和1 022/995 cm-1峰強(qiáng)度比值通常被看作淀粉有序結(jié)構(gòu)的指標(biāo)，其中1 045/1 022 cm-1峰強(qiáng)度比值通常表示淀粉分子結(jié)構(gòu)中的有序結(jié)構(gòu)與無定型結(jié)構(gòu)的比例關(guān)系，比例越大，有序結(jié)構(gòu)越多[33]。由表4可以看出不同品種淮山淀粉有序結(jié)構(gòu)與無定型結(jié)構(gòu)的比例存在明顯差異，其中桂淮7號(hào)淀粉有序結(jié)構(gòu)與無定型結(jié)構(gòu)的比例最低，桂淮8號(hào)淀粉最高。

表4 淮山淀粉的ATR數(shù)值

2.7 淮山淀粉顆粒的核磁共振

淀粉核磁共振13C譜可分為4個(gè)信號(hào)區(qū)域，C1區(qū)域?yàn)?4～105峰位，該區(qū)域主要反應(yīng)的有定型區(qū)與無定型區(qū)的部分信號(hào)；C4區(qū)域?yàn)?0～84峰位，主要反應(yīng)無定型形態(tài)；68～78范圍為C2、C3和C5區(qū)域，主要反應(yīng)直鏈淀粉中B-型雙螺旋結(jié)構(gòu)的信息58～65則為C6區(qū)域[34]。不同品種淮山淀粉13C譜的峰位圖見表5。

表5 淮山淀粉13C譜的峰位圖

不同含碳官能團(tuán)在13C譜中的化學(xué)位移不同，由表5可知，淮山淀粉在C1～C6區(qū)域的主要官能團(tuán)為>CHO—[35]。從表5可以看出，淮山淀粉在4個(gè)化學(xué)位移區(qū)域的主要區(qū)別在C1區(qū)域，而C1區(qū)域主要反映有定型區(qū)與無定型區(qū)的信息[36]。A型淀粉以軸對(duì)稱的雙螺旋結(jié)構(gòu)為主，在C1區(qū)域體現(xiàn)為三重峰；B型淀粉則主要是螺旋對(duì)稱的雙螺旋結(jié)構(gòu)，在C1區(qū)域體現(xiàn)為雙重峰[37]。由表5可知，桂淮7號(hào)和桂淮8號(hào)淮山則出現(xiàn)雙重峰，因此其主要晶型為B型，這與前面X-射線衍射分析結(jié)果相一致；桂淮5號(hào)和紫淮山在C1區(qū)域出現(xiàn)三重峰，其主要晶型為A型，這與前面實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異，其原因有待進(jìn)一步研究。

圖5 淮山淀粉核磁共振13C譜圖

3 結(jié)論

淀粉顆粒的粒徑大小、顆粒外觀分析等數(shù)據(jù)顯示不同品種的淮山具有不同的特征。選育的品種桂淮5、7、8號(hào)與紫淮山的粒度都顯示出比較好的均勻度，桂淮7號(hào)和紫淮山淀粉的最大顆粒大于其余2種淮山；桂淮8號(hào)的蛋白質(zhì)含量以及直鏈淀粉含量也相對(duì)其他培育品種有所提高；桂淮7號(hào)和桂淮5號(hào)分別具有最高的灰分含量和脂肪含量。所有淮山品種均具有明顯的偏光十字，說明天然淀粉都具有典型的晶體結(jié)構(gòu)。桂淮7號(hào)和桂淮8號(hào)淮山淀粉屬于B型淀粉，說明其高直鏈淀粉含量對(duì)于淀粉結(jié)晶狀態(tài)產(chǎn)生了影響。