3種栗屬堅(jiān)果淀粉的結(jié)構(gòu)及其理化特性

段春月 劉 靜 劉 暢,2

(河北科技師范學(xué)院食品科技學(xué)院1，秦皇島 066600) (河北省板栗產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心2，秦皇島 066600)

我國(guó)栗屬植物(Castanea)主要有板栗(CastaneamollissimaBlume)、茅栗(CastaneaseguiniiDode)、錐栗(CastaneahenryiRehder.et Wils.)和日本栗(CastaneacrenataSieb.et Zucc.)[1]，栗屬植物在我國(guó)的栽培歷史有2 000多年，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有巨大的貢獻(xiàn)。我國(guó)板栗種植主要在中部、東北部、東部和東南部區(qū)域；錐栗分布于我國(guó)南方亞熱帶地區(qū)十幾個(gè)省區(qū)，但規(guī)模種植僅限于閩北、浙南山區(qū)；日本栗原產(chǎn)自日本，在我國(guó)主要集中在遼寧東部山區(qū)種植[2，3]。栗屬堅(jiān)果含有豐富碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪等成分，具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值[4]。淀粉是栗屬堅(jiān)果的重要組成成分，占干物質(zhì)的38%～80%[5]，栗屬堅(jiān)果的食用品質(zhì)和加工特性均與淀粉的理化特性密不可分。

我國(guó)栗屬資源豐富，栗屬堅(jiān)果淀粉作為一種新型非糧淀粉資源，具有獨(dú)特的物化特性，在食品和非食品工業(yè)中具有廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景。雖然前人對(duì)板栗和錐栗淀粉的結(jié)構(gòu)和功能特性進(jìn)行了研究，但目前針對(duì)我國(guó)優(yōu)質(zhì)品種的板栗、錐栗和日本栗淀粉特性的比較研究鮮見報(bào)道[6-8]。本研究選用我國(guó)產(chǎn)地為南北方的3種栗屬的14個(gè)主栽品種為材料，研究栗屬堅(jiān)果淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)和理化特性，并探索其結(jié)構(gòu)和功能的相關(guān)性，揭示淀粉顆粒內(nèi)在結(jié)構(gòu)對(duì)其理化性質(zhì)的影響，為栗屬堅(jiān)果淀粉的深加工及淀粉資源的開發(fā)和利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

參照《中國(guó)果樹志·板栗 榛子卷》[1]對(duì)板栗品種群的劃分，以10個(gè)板栗品種、3個(gè)錐栗品種和1種日本栗的堅(jiān)果為實(shí)驗(yàn)材料：

板栗：(1)北方品種群：河北(早豐)、北京(燕山紅)；(2)中間品種群：山東(石豐、岱岳早豐)、安徽(葉里藏、二水早)、河南(七月紅)；(3)南方品種群：湖北(烏殼栗、金優(yōu)2號(hào))、廣西(東蘭油栗)。

錐栗：福建(白露仔、烏殼長(zhǎng)芒、長(zhǎng)芒仔)。

日本栗：遼寧(大峰)。

樣品于2018年9月采收，4 ℃冷庫(kù)貯藏，經(jīng)1個(gè)月后熟，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.1.2 試劑

A3176 α-淀粉酶(15 U/mg)；E-AMGDF淀粉葡萄糖苷酶(200 U/mL)；GOPOD試劑盒；淀粉葡萄糖苷酶(3 300 U/mL)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

D/max-2500vk/pc X射線衍射儀；LA-920激光衍射粒度分析儀；SU-8010掃描電鏡；DSC Q2000差示掃描量熱分析儀；TechMaster RVA-4500快速黏度儀。

1.3 方法

1.3.1 淀粉的提取和直鏈淀粉含量測(cè)定

板栗和錐栗淀粉根據(jù)Liu等[5]的方法進(jìn)行提取。將提取的淀粉樣品于40 ℃烘干，研缽研細(xì)。直鏈淀粉含量參照Chrastil[9]方法測(cè)定，蛋白質(zhì)含量與脂肪含量采用GB/T 5009.5—2016的凱氏定氮法和GB/T 5009.6—2016的索氏提取法測(cè)定[10,11]。

1.3.2 微觀形貌觀察

用導(dǎo)電雙面膠將適量淀粉樣品固定在載物臺(tái)上，真空噴金處理后，將樣品置于掃描電子顯微鏡中，掃描過程的加速電壓為5 kV，觀察樣品的形態(tài)[12]。

1.3.3 淀粉的粒度分析

以無(wú)水乙醇作為分散介質(zhì)，配制淀粉懸浮液，超聲波振蕩滴入分散槽，遮光率低于25%，測(cè)定粒徑大小。

1.3.4 晶體特性分析

樣品在飽和NaCl溶液中(相對(duì)濕度75%)平衡水分。分析條件：CoKa輻射，管壓為40 KV，管流為40 mA，掃描速度設(shè)為4 deg/min，掃描范圍的2θ為3°～40°，步長(zhǎng)為0.02°[13]。XRD圖采用系統(tǒng)軟件Integral進(jìn)行平滑，相對(duì)結(jié)晶度用Nara等[14]方法計(jì)算。

1.3.5 淀粉的膨脹度

參考Konik-Rose等[15]的方法，采用40 mg(干基)樣品進(jìn)行測(cè)定，膨脹度公式為：SP=B/S。

式中：B為沉淀物的質(zhì)量；S為淀粉樣品的質(zhì)量。

1.3.6 淀粉的凍融穩(wěn)定性

將樣品配制成6%(m/m)的淀粉-水的懸液，90 ℃的水浴糊化15 min，平衡10 min，于4 ℃下冷藏2 h增加晶核，再置于-18 ℃冷凍20 h，常溫解凍4 h，于3 000 r/min離心20 min，24 h為1個(gè)循環(huán)。進(jìn)行5次凍融循環(huán)，計(jì)算析水率。

1.3.7 淀粉的熱特性

將淀粉與去離子水按1∶3(m/V)的比例混合置于鋁盤中，密封后平衡水分12 h。測(cè)定條件為：溫度范圍 20～100 ℃；升溫速率 10 ℃/min。記錄相關(guān)參數(shù)：起始溫度To，峰頂溫度Tp，結(jié)束溫度Tc。

1.3.8 淀粉的黏度特性

制備8%(m/m)、總質(zhì)量為28 g的淀粉-水懸液。測(cè)定條件為：50 ℃下保持1 min，以12 ℃/min的速率加熱至95 ℃，保持3 min，以12 ℃/min的速率冷卻至50 ℃保持2 min[5]。前10 s混合槳的轉(zhuǎn)速960 r/min，其余為160 r/min。從RVA特征譜測(cè)得下列參數(shù)：峰值黏度(PV)、谷值黏度(TV)、崩解值(BD)、最終黏度(FV)、回生值(SB)和起始糊化溫度(PT)。

1.3.9 數(shù)據(jù)處理

數(shù)值表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，實(shí)驗(yàn)重復(fù)2～3次，數(shù)據(jù)采用Duncan多重檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性分析(P<0.05)，采用SPSS21軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)和脂肪含量

由表1可知，不同品種栗屬堅(jiān)果的直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在顯著差異，岱岳早豐的直鏈淀粉含量最低，二水早最高。14個(gè)品種的直鏈淀粉含量與Liu等[5]和Torres等[16]的報(bào)道相近。淀粉樣品的蛋白質(zhì)含量較低，其中3種錐栗淀粉蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較其他淀粉高。淀粉樣品脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.68%～1.63%，3種錐栗淀粉的脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，為1.50%～1.63%，日本栗大峰的脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.48%。

表1 3種栗屬堅(jiān)果淀粉的組成分析

注：同列中字母不同表示差異顯著(P<0.05)，余同。

2.2 微觀形貌及粒度

如圖1所示，淀粉樣品顆粒表面光滑，形狀復(fù)雜，有不規(guī)則形、橢圓形、鵝卵石形、蕎麥籽形等，淀粉顆粒的粒徑小于20 μm。錐栗淀粉的顆粒形態(tài)較規(guī)則，多為圓形和橢圓形，棱角較圓。淀粉顆粒粒徑相差較大，分為大尺寸和小尺寸兩種顆粒，顆粒粒徑分布呈單峰狀且分布范圍較窄。中位徑D50是分布曲線中累積分布為50%時(shí)的最大顆粒的等效直徑。如表1所示，不同品種淀粉的中位徑有顯著差異，錐栗的長(zhǎng)芒仔淀粉中位徑最大，烏殼長(zhǎng)芒的中位徑最小。

圖1 栗屬淀粉顆粒的掃描電鏡圖(×2 000)

2.3 淀粉的晶體結(jié)構(gòu)

淀粉的晶型分為A型、B型和C型3種類型。A型淀粉在2θ為15°、17°、18°和23°處有較強(qiáng)衍射峰；B型淀粉在2θ為5.6°、17°、22°和24°有較強(qiáng)衍射峰；C型為A型和B型的綜合[5]。由圖2可知，3種堅(jiān)果淀粉在衍射角2θ為5.8°、15.3°、17.0°以及23.0°附近出現(xiàn)較強(qiáng)衍射峰，2θ為20.0°附近出現(xiàn)較弱的衍射峰，表明所測(cè)樣品均為C型晶體，該結(jié)果和Wang等[17]報(bào)道的板栗淀粉一致，與謝濤等[18]報(bào)道的錐栗淀粉為A型晶體結(jié)果不一致。在衍射角2θ為5.8°處衍射峰強(qiáng)度不同，板栗的早豐、金優(yōu)2號(hào)和錐栗的長(zhǎng)芒仔衍射峰強(qiáng)度較大，表明其淀粉顆粒含有較多的B型晶體[13]。

圖2 栗屬堅(jiān)果淀粉的X-射線衍射圖

如表2所示，栗屬堅(jiān)果淀粉的結(jié)晶度有顯著差異，板栗的二水早結(jié)晶度最高，日本栗大峰的結(jié)晶度較高，金優(yōu)2號(hào)最低。淀粉之間結(jié)晶度的差異由結(jié)晶大小、晶體數(shù)量和雙螺旋結(jié)構(gòu)間相互作用等因素決定[19]。供試淀粉的結(jié)晶度差異不能單獨(dú)用直鏈淀粉含量來(lái)解釋，因?yàn)槎缰辨湹矸酆枯^高，卻表現(xiàn)了較高的結(jié)晶度。所以結(jié)晶度可能是由于顆粒內(nèi)部微晶的取向、支鏈淀粉的鏈長(zhǎng)度以及雙螺旋結(jié)構(gòu)之間相互作用力等因素的相互制約決定。

表2 栗屬堅(jiān)果淀粉的結(jié)晶度、膨脹度及凍融析水率

2.4 淀粉的膨脹度

如表2所示，隨著溫度升高，淀粉膨脹度逐漸增大；相同溫度下，不同品種淀粉的膨脹度存在顯著差異。80 ℃時(shí)，烏殼栗的膨脹度最大，二水早最低；90 ℃時(shí)，大峰的膨脹度最高，燕山紅最低。淀粉膨脹度表明淀粉在特定的加熱條件下淀粉分子的水合能力[20]，燕山紅的膨脹度低于其他淀粉，可能與其直鏈淀粉含量較低、結(jié)晶度較高有關(guān)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Cruz等[21]報(bào)道的歐洲板栗以及Liu等[5]報(bào)道的板栗淀粉膨脹度相近。

2.5 淀粉的凍融穩(wěn)定性

如表2所示，不同品種淀粉在相同凍融次數(shù)的條件下，析水率存在顯著差異。經(jīng)過1次凍融后，除早豐、大峰、金優(yōu)2號(hào)和白露仔，其他淀粉的析水率均為0，說(shuō)明栗屬淀粉具有較好的持水能力。5次凍融后，東蘭油栗的析水率最低，錐栗的白露仔析水率最高。經(jīng)過多次凍融后，東蘭油栗、岳岱早豐和烏殼長(zhǎng)芒的凍融穩(wěn)定性最好，適合加工冷藏和冷凍食品。栗屬淀粉膠凍融后形成海綿狀結(jié)構(gòu)，持水性好，說(shuō)明在低溫凍融的過程中，淀粉分子間有較強(qiáng)的相互作用，使水分子能很好地固定在直鏈淀粉的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。

2.6 淀粉的熱特性

如表3所示，不同品種間淀粉的熱特性參數(shù)存在顯著差異。較高的To表明淀粉結(jié)晶具有較高的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)缺陷的數(shù)量較少。較高的凝膠化溫度表明淀粉糊化的起始需要更多的能量；淀粉顆粒的結(jié)晶度越大，凝膠化越困難[22]。淀粉凝膠化溫度可能是由直鏈淀粉的數(shù)量、支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)、淀粉顆粒的分子結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布以及顆粒結(jié)構(gòu)包括大小和形狀等多種因素造成的[23]。供試淀粉的To、Tp和Tc的范圍與Guo等[8]報(bào)道的結(jié)果相近。金優(yōu)2號(hào)的凝膠化溫度最低，其直鏈淀粉含量較高、結(jié)晶度最低。燕山紅淀粉的To最高，二水早淀粉的Tp和Tc最高。錐栗及日本栗大峰的To、Tp和Tc較低，適合生產(chǎn)較低加工溫度的產(chǎn)品。ΔH反映了雙螺旋結(jié)構(gòu)的消失，岱岳早豐的ΔH最高，七月紅的ΔH最低。

表3 栗屬堅(jiān)果淀粉的熱特性參數(shù)

2.7 淀粉的黏度特性

如表4所示，樣品的糊化參數(shù)存在顯著差異。板栗淀粉的葉里藏和二水早淀粉的糊化溫度最高，金優(yōu)2號(hào)最低，錐栗淀粉的糊化溫度較低。一般來(lái)說(shuō)，直鏈淀粉含量高、結(jié)晶度高的淀粉晶體結(jié)構(gòu)緊密，晶體熔解所需熱量大，導(dǎo)致糊化溫度較高[24]。葉里藏、二水早、石豐淀粉的結(jié)晶度較高，其糊化溫度高；而金優(yōu)2號(hào)、白露仔、烏殼長(zhǎng)芒和長(zhǎng)芒仔的糊化溫度較低，表明淀粉顆粒結(jié)構(gòu)松散，易吸水膨脹、糊化。

表4 栗屬堅(jiān)果淀粉的糊化特征參數(shù)

表5 淀粉的相關(guān)性分析

注：AM為直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)；D50為中位徑；RC為相對(duì)結(jié)晶度；SP90為90 ℃膨脹度；To、Tp和Tc為凝膠化起始、峰值和終止溫度；ΔH為凝膠化熱焓；PV為峰值黏度；TV為谷值黏度；BD為崩解值；FV為最終黏度；SB為回生值；PT為糊化溫度；*為P<0.05差異顯著；**為P<0.01差異極顯著。

金優(yōu)2號(hào)和大峰的峰值黏度最大，葉里藏淀粉峰值黏度最小。峰值黏度反映淀粉和水的結(jié)合能力[25]，其值越高淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)合越松散，具有較好的膨脹性能，增稠效果較好。崩解值反映淀粉的熱糊穩(wěn)定性，崩解值越小，溶脹后的淀粉顆粒強(qiáng)度越大、其抗剪切性和熱糊穩(wěn)定性好。葉里藏和石豐的崩解值最低，表明其淀粉糊具有較好的熱糊穩(wěn)定性。由表4可知，金優(yōu)2號(hào)的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度及回生值均顯著高于其他品種，其糊化溫度最低。葉里藏的峰值黏度、谷值黏度及崩解值均低于其他品種。東蘭油栗、白露仔和大峰具有較低的回生值，表明淀粉的老化程度低，具有良好的加工適宜性。板栗品種的金優(yōu)2號(hào)和東蘭油栗的糊化溫度低、熱糊穩(wěn)定性較高，適用于生產(chǎn)需要較低的加工溫度和較高黏度的產(chǎn)品。日本栗大峰的峰值和谷值黏度較高，直鏈淀粉含量較高，表明其糯性品質(zhì)較好。

2.8 相關(guān)性分析

如表5所示，供試淀粉的物化特性與直鏈淀粉含量和結(jié)晶度顯著相關(guān)。直鏈淀粉含量分別與峰值黏度PV、谷值黏度TV和最終黏度FV呈顯著正相關(guān)，與結(jié)晶度、Tp和RVA糊化溫度PT呈極顯著負(fù)相關(guān)。隨著直鏈淀粉含量增加，結(jié)晶度降低，糊化所需的溫度降低，淀粉糊黏度增大，說(shuō)明在樣品淀粉顆粒中直鏈淀粉屬于無(wú)定形區(qū)結(jié)構(gòu)的組成部分。相對(duì)結(jié)晶度分別與To顯著正相關(guān)，與Tc、Tp和PT呈極顯著正相關(guān),與最終黏度呈顯著負(fù)相關(guān)。表明結(jié)晶度影響淀粉的相轉(zhuǎn)變，結(jié)晶度越大，破壞其晶體結(jié)構(gòu)所需的溫度越高。90 ℃的膨脹度分別與TV、BD和FV呈極顯著正相關(guān)，與ΔH呈顯著正相關(guān)，與To呈極顯著負(fù)相關(guān)，與Tc和PT呈顯著負(fù)相關(guān)。Tp與PV和FV呈極顯著負(fù)相關(guān)，與TV呈顯著負(fù)相關(guān)。

3 結(jié)論

對(duì)14個(gè)主栽品種的栗屬堅(jiān)果淀粉進(jìn)行特性研究。結(jié)果表明，淀粉的結(jié)構(gòu)和理化特性有顯著差異。栗屬堅(jiān)果淀粉的直鏈淀粉含量差異較大，顆粒形態(tài)多樣，大小不均，均為C型晶體。供試淀粉的直鏈淀粉含量與峰值、谷值和最終黏度PV、TV和FV呈顯著正相關(guān)，結(jié)晶度與淀粉的凝膠化初始、峰值和終止溫度To、Tp和Tc呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明直鏈淀粉含量和結(jié)晶度是影響淀粉的理化性質(zhì)的主要因素。

東蘭油栗、岳岱早豐和烏殼長(zhǎng)芒的凍融穩(wěn)定性最好，適合加工冷凍食品。錐栗及日本栗的To、Tp和Tc較低，適合生產(chǎn)低溫加工產(chǎn)品。供試淀粉的糊化特征參數(shù)差異較大，日本栗大峰的直鏈淀粉含量較高、峰值和谷值黏度較高、回生值較低，具有良好的加工適宜性。