芋艿淀粉的功能特性

沈舒民，仇丹，李羅飛，嚴(yán)雨婷，敖天瑜，孔祥禮*

1(浙江大學(xué) 農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州，310058)2(寧波工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 寧波，315211)3(寧波工程學(xué)院 奉化研究院，浙江 寧波，315500)

芋艿(Colocasiaesculenta(L.) Schott)俗稱為芋頭，別名為芋魁、毛芋、土芝、岷紫，屬天南星科單子葉多年生草本植物，在云南、四川、貴州、福建、海南、浙江等地均有栽培，其中寧波奉化享有“芋艿之鄉(xiāng)”的美名，奉化芋艿是深受大眾消費(fèi)者歡迎的蔬菜之一，也是寧波市傳統(tǒng)的名特優(yōu)農(nóng)產(chǎn)品。據(jù)記載，奉化在宋代就種植芋艿，至今已有700多年的歷史。明代中葉從浙南一帶傳入魁芋類大芋艿，其母芋、子芋都適宜速凍加工，因主食母芋，故又名奉化芋艿頭[1]。傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)認(rèn)為，芋性辛、甘平，入胃、腸，具有通便散結(jié)、補(bǔ)中益氣的功效。

因奉化特殊的地域環(huán)境、氣候和土壤條件，造就了營養(yǎng)豐富、品質(zhì)佳、風(fēng)味獨(dú)特的芋艿頭，一直以來頗受廣大消費(fèi)者青睞，名聲響徹海內(nèi)外。奉化芋艿頭肉質(zhì)較細(xì)膩、粉質(zhì)，無明顯紅筋，口感較糯滑，風(fēng)味獨(dú)特，營養(yǎng)豐富。奉化芋艿富含淀粉、蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素，以及鈣、磷、鐵、鉀、鎂、鈉、胡蘿卜素、煙酸等，而其中干基淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)70%左右[2]。奉化芋艿母芋(芋艿頭)一般為近球形或橢圓形，外表呈棕黃色，肉質(zhì)呈乳白色，子芋(芋艿子)10個左右，其中芋艿頭占芋艿產(chǎn)量的65%左右，其余大部分為芋艿子[3]。不同植物來源的淀粉，其化學(xué)組成、顆粒形狀、大小和糊化溫度、流變學(xué)特性以及酶解消化等功能特征有著較大的差異，進(jìn)而導(dǎo)致其在應(yīng)用領(lǐng)域有不同的價值，目前對芋頭淀粉的研究主要集中于加工方式及改性方法，例如張琳琳等利用芋頭淀粉顆粒較小的特點(diǎn)通過熱改性方法制成了較優(yōu)的淀粉乳液[4]，而對不同來源芋艿原淀粉之間的差異研究較少。本研究采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡、快速黏度分析儀、差示掃描量熱儀、流變儀、體外酶解消化法對奉化芋艿頭、奉化芋艿子及溫嶺芋艿的淀粉結(jié)構(gòu)與功能特征進(jìn)行深入分析，以期為相關(guān)產(chǎn)品加工及消費(fèi)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

奉化芋艿頭、芋艿子及溫嶺芋艿樣品，寧波工程學(xué)院奉化研究院；NaOH、KOH、HCl、KI、醋酸鈉、冰醋酸、無水乙醇(均為分析純)，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；MilliQ超純水(采用MilliQ純水系統(tǒng)純化)，德國Merk Millipore公司；豬胰腺α-淀粉酶、淀粉轉(zhuǎn)葡萄糖苷酶，美國Sigma公司；GOPOD測試試劑盒,愛爾蘭Megazyme公司。

1.2 儀器與設(shè)備

漩渦混合器，美國SI公司；TDZ5-WS離心機(jī)：湖南湘儀公司；GeminiSEM 300場發(fā)射掃描電子顯微鏡，德國蔡司公司；Q100差示掃描量熱儀、DHR-1型流變分析儀，美國TA公司；3D型快速黏度儀，澳大利亞Newport公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 芋艿淀粉提取

芋艿樣品洗凈削皮切片后放入大燒杯中，并用2.5 g/L的氫氧化鈉浸泡，錫箔紙封口后置于4 ℃冰箱內(nèi)過夜，浸泡好的樣品放入攪拌機(jī)粉碎，然后依次過70、 270、 400目的網(wǎng)篩，將含淀粉濾液轉(zhuǎn)入250 mL離心瓶，3 000 r/min離心10 min。倒掉上層液體，除去上層蛋白，加蒸餾水將淀粉沉淀再次攪拌成懸濁液，3 000 r/min離心10 min。重復(fù)此步驟至離心后淀粉沉淀表面無黃色蛋白層為止，并用0.1 mol/L HCl溶液調(diào)pH至中性，再重復(fù)離心洗滌步驟3次，淀粉沉淀轉(zhuǎn)入40 ℃烘箱中干燥48 h。烘干后的芋艿淀粉樣品用研缽磨成粉并過70目網(wǎng)篩，樣品密封于自封袋備用。

1.3.2 芋艿淀粉顆粒掃描電鏡觀測

淀粉表觀顆粒形態(tài)采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀測，淀粉粉末樣品分散均勻置于載物臺，用掃描電鏡在2 kV加速電壓下分別放大5 000倍、10 000倍和30 000倍觀測拍照，分析芋艿淀粉顆粒的表觀形態(tài)。

1.3.3 芋艿淀粉表觀直鏈淀粉含量測定

芋艿表觀直鏈淀粉含量測定采用碘量法[5]，稱取20 mg芋艿淀粉樣品(干基)于100 mL燒杯中，加入0.5 mol/L的KOH溶液10 mL，用旋渦混合器混勻，然后加入1 mol/L HCl溶液5 mL和0.5 mL碘試劑，用MilliQ水定容至100 mL，顯色20 min后，在620 nm處用分光光度計讀取吸光值。芋艿表觀直鏈淀粉含量根據(jù)不同比例直鏈淀粉和支鏈淀粉的混合樣繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線計算。

1.3.4 芋艿淀粉糊化黏度特征分析

芋艿淀粉的糊化黏度特征采用快速黏度儀進(jìn)行分析，準(zhǔn)確稱取3.00 g芋艿淀粉(14%水分含量基礎(chǔ))，加入MilliQ水至總重為28 g，于快速黏度分析樣品鋁罐中攪拌使淀粉成均勻的懸濁液。程序化降溫及升溫測定程序：在50 ℃ 條件下保持1 min，然后在7.5 min內(nèi)均勻加熱至95 ℃，在95 ℃ 條件下保持5 min，之后在7.5 min內(nèi)降溫至50 ℃，最后在50 ℃下保持2 min。記錄并分析得出芋艿淀粉的峰值黏度(peak viscosity,PV)、熱值黏度(hot peak viscosity,HPV)、最終黏度(conclusion pasting viscosity,CPV)、崩解值(break down,BD)、消減值(setback,SB)和糊化溫度(PTemp)等參數(shù)值。

1.3.5 芋艿淀粉熱力學(xué)及回生特性分析

稱取2 mg左右(干基)芋艿淀粉樣品于鋁坩堝中，然后用注射器加入6 μL MilliQ水后壓盤機(jī)密封，將樣品置于4 ℃冰箱中24 h，使淀粉樣品與水充分混勻。采用差示掃描量熱儀分析芋艿淀粉的熱力學(xué)及回生特性，從30 ℃加熱至110 ℃，設(shè)定速率為5 ℃/min。采用儀器自帶分析軟件計算得出糊化起始溫度(To)、糊化峰值溫度(Tp)、糊化終止溫度(Tc)和糊化吸收熱焓值(ΔH)。

1.3.6 芋艿淀粉流變學(xué)特性分析

在燒杯中配制10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的芋艿淀粉溶液，并90 ℃水浴中不斷攪拌加熱糊化30 min，燒杯用錫箔紙密封以防止水分揮發(fā)，糊化完成后將芋艿淀粉糊轉(zhuǎn)移至流變儀帕爾貼平板。使用的夾具為40 mm不銹鋼平板，設(shè)置樣品厚度為1 mm并刮去多余淀粉糊樣品，設(shè)置升溫過程和降溫過程分別為25～95 ℃和95～25 ℃，并在95 ℃平衡5 min，升降溫速率均為1 ℃/min、應(yīng)變設(shè)置為1%、頻率設(shè)置為6.28 rad/s進(jìn)行溫度掃描，溫度掃描結(jié)束后，平衡5 min，然后在25 ℃條件下進(jìn)行頻率掃描，掃描范圍為0.628～125.6 rad/s。通過流變儀自帶分析軟件記錄儲能模量(storage modulus,G′)和損耗模量(loss modulus,G″)。

1.3.7 芋艿淀粉消化特性分析

淀粉消化特性分析參考已經(jīng)報道的方法[6]，準(zhǔn)確稱取550 mg芋艿淀粉樣品(干基)于50 mL旋蓋離心管中，通過重量法用移液槍加入10 mL去離子水，旋緊管蓋并用漩渦混合器充分振蕩均勻使淀粉均一分散于水相中形成懸濁液。將淀粉懸濁液樣品置于沸水浴中加熱20 min，不時取出離心管漩渦振蕩使淀粉糊化均勻(避免出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象)，糊化完畢后置于室溫自然冷卻，然后用移液槍加入10 mL醋酸鈉緩沖液(0.25 mol/L，pH 5.2)至冷卻的離心管中，加入15顆玻璃珠(粒徑4～5 mm)和0.05 g瓜爾膠，漩渦混合均勻，加入50 U α-淀粉酶(來自豬胰腺)和35 U淀粉轉(zhuǎn)葡萄糖苷酶，置于37 ℃振蕩水浴鍋中進(jìn)行體外消化實(shí)驗(yàn)。分別于消化20 min和120 min時，用移液槍吸取0.5 mL酶解消化樣品液轉(zhuǎn)移至體積為20 mL的體積分?jǐn)?shù)80%的乙醇溶液中，充分混勻使淀粉酶失活，離心后采用GOPOD試劑盒測定葡萄糖釋放量。芋艿淀粉中快消化淀粉(rapidly digestible starch, RDS)、慢消化淀粉(slowly digestible starch, SDS)及抗性淀粉(resistant starch, RS)的含量根據(jù)ENGLYST等提出的方法進(jìn)行計算[7]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3次實(shí)驗(yàn)重復(fù)所得的平均值，數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行分析和作圖，顯著性差異分析采用SigmaStat 3.11軟件的Tukey′s法(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 芋艿淀粉表觀顆粒形態(tài)

利用掃描電子顯微鏡觀察淀粉顆粒形態(tài)，研究淀粉顆粒的微觀結(jié)構(gòu)，對淀粉的深加工和淀粉的品種來源鑒定都有重要意義[8]。由圖1可知，不同種芋艿淀粉顆粒在粒徑大小以及形狀上呈現(xiàn)較大的變化，有些呈多面體形或近圓球形，在放大倍數(shù)較高時可看到芋艿淀粉顆粒表面呈褶皺狀并有裂紋，大部分淀粉顆粒大小介于0.5～2 μm，顆粒較小，這與喬星等對于奉化芋艿淀粉顆粒的研究結(jié)果較為一致[2]，但比其他品種及產(chǎn)地的芋艿淀粉顆粒要小[9-14]。在本研究中，溫嶺芋艿淀粉顆粒大多介于3～5 μm，明顯大于奉化芋艿頭和芋艿子淀粉顆粒，形狀也較奉化芋艿淀粉規(guī)則。顆粒大小的差異會導(dǎo)致淀粉在加熱糊化過程中的物性差異[15]，粒徑較小的淀粉可作為粉底應(yīng)用于化妝品行業(yè)，且在煮熟后，口感細(xì)膩、粉滑，從而解釋了奉化芋艿口感較好的原因。

2.2 芋艿淀粉表觀直鏈淀粉含量及糊化黏度特征

淀粉的糊化黏度特征在較大程度上決定了淀粉的食用特性及功能特征，由于芋艿中淀粉含量占比較高(干基達(dá)70%左右)，因此分析其糊化黏度特征具有一定參考意義。采用碘量法測得奉化芋艿頭、芋艿子及溫嶺芋艿表觀直鏈淀粉含量(apparent amylose content，AAC)分別為11.9%、11.3%和17.4%，溫嶺芋艿直鏈淀粉含量顯著高于奉化芋艿(表1)，喬星等測得的奉化芋艿直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.23%[2]，與本研究所取得的結(jié)果較為一致，且低于國外學(xué)者對于外國芋艿直鏈淀粉含量的報道[12,16-18]。芋艿淀粉的糊化PV、HPV、CPV、BD和SB數(shù)值均為溫嶺芋艿>奉化芋艿子>奉化芋艿頭(表2)，而快速黏度儀測得的奉化芋艿淀粉PTemp稍高于溫嶺芋艿。淀粉的黏度特征值受直鏈淀粉含量的影響，較高的直鏈淀粉含量通常會導(dǎo)致較高的糊化黏度特征值，另外，黏度特征值也受支鏈淀粉結(jié)構(gòu)的影響[5-6,9,19]。

從左至右分別為淀粉顆粒放大5 000倍、10 000倍和30 000倍；a，b，c分別為奉化芋艿頭、奉化芋艿子及溫嶺芋艿淀粉圖1 芋艿淀粉顆粒形態(tài)Fig.1 Starch granule morphology of taro

表1 芋艿淀粉表觀直鏈淀粉含量單位：%

表2 芋艿淀粉糊化特征Table 2 Pasting properties of taro starches

2.3 芋艿淀粉熱學(xué)與回生特性

不同品種和不同產(chǎn)地芋艿淀粉熱學(xué)特性有很大的差別[10,13]，另外，據(jù)報道芋艿淀粉熱學(xué)特征也受種植季節(jié)的影響[20]。差示掃描量熱儀分析顯示，奉化芋艿頭、芋艿子和溫嶺芋艿淀粉的糊化起始溫度分別為76.2、75.6和75.2 ℃，糊化峰值溫度分別為83.3、84.3和80.3 ℃，糊化終止溫度為87.6 、91.1和89.3 ℃，而糊化吸收熱焓值分別為12.5 、14.8和18.3 J/g(表3)，糊化起始溫度高低順序?yàn)榉罨筌殿^>奉化芋艿子>溫嶺芋艿，糊化峰值溫度高低順序?yàn)榉罨筌底?奉化芋艿頭>溫嶺芋艿，糊化終止溫度高低順序?yàn)榉罨筌底?溫嶺芋艿>奉化芋艿頭，而糊化吸收熱晗值順序?yàn)闇貛X芋艿>奉化芋艿子>奉化芋艿頭。差示掃描量熱儀測定的糊化溫度反映了淀粉中微晶質(zhì)量的優(yōu)劣程度(有效的雙螺旋長度)，而熱焓值反映了淀粉的整體結(jié)晶度和淀粉結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[21]。溫嶺芋艿淀粉糊化峰值溫度顯著低于奉化芋艿淀粉，但熱晗值則顯著高于奉化芋艿淀粉。淀粉糊化溫度的差異與直鏈淀粉含量、淀粉顆粒形態(tài)和淀粉的保水性有關(guān)[12]，淀粉的糊化溫度與直鏈淀粉含量成反比[5]，而較小的淀粉顆粒則會降低糊化吸收熱晗值[9]。在本研究中，溫嶺芋艿直鏈淀粉含量較高導(dǎo)致其糊化溫度較低，而其淀粉顆粒大于奉化芋艿淀粉，導(dǎo)致了其糊化吸收熱晗值較高。

糊化后的芋艿淀粉經(jīng)過冷藏用于測定淀粉的回生特性，回生是糊化后的直鏈淀粉和支鏈淀粉通過氫鍵重新排列成有序微晶的過程，其實(shí)質(zhì)是分子鏈在氫鍵等分子間力的作用下從無序到有序的過程[22]?；厣筌档矸鄣暮瘻囟群秃諢彡现碉@著低于芋艿原淀粉，表明回生過程形成的淀粉晶體較小且結(jié)構(gòu)較為松散。奉化芋艿頭、芋艿子和溫嶺芋艿淀粉經(jīng)過回生后糊化溫度差異較小，但溫嶺芋艿回生淀粉糊化吸收熱晗值顯著低于奉化芋艿，說明溫嶺芋艿回生過程形成的淀粉晶體結(jié)構(gòu)比奉化芋艿松散，可能與溫嶺芋艿直鏈淀粉含量較高，使得其支鏈淀粉在回生過程中形成的結(jié)構(gòu)不夠緊密有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，玉米直鏈淀粉含量顯著高于芋艿淀粉，其回生淀粉的糊化吸收熱晗值低于芋艿淀粉[16]。

表3 芋艿淀粉熱力學(xué)及回生特征Table 3 Thermal and retrogradation properties of taro starches

2.4 芋艿淀粉動態(tài)流變學(xué)特性

淀粉糊流變學(xué)特性測得的參數(shù)包括儲能模量(G′)和損耗模量(G″)。升溫掃描過程中(圖2-a)，3種芋艿淀粉膠的儲能模量和損耗模量均呈下降趨勢，奉化芋艿頭、芋艿子和溫嶺芋艿淀粉的儲能模量從25 ℃下的51.5、53.9和87.1 Pa分別下降到了95 ℃下的28.7、25.9和36.5 Pa，損耗模量則從25 ℃下的17.2、15.3和20.4 Pa分別下降到了95 ℃下的11.1、9.5和15.1 Pa。在升溫掃描過程中大部分時間里里，儲能模量的大小順序?yàn)闇貛X芋艿>奉化芋艿子>奉化芋艿頭，其中溫嶺芋艿儲能模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于奉化芋艿子和奉化芋艿頭，溫嶺芋艿的損耗模量高于奉化芋艿子和奉化芋艿頭，而奉化芋艿頭和芋艿子之間差異較小。降溫掃描過程中(圖2-b)，奉化芋艿頭、芋艿子和溫嶺芋艿淀粉膠的儲能模量先從95 ℃下的28.8、24.6和35.3 Pa分別減小到24.2(80.5 ℃)、22.4(80.0 ℃)和30.4 Pa(82.5 ℃)，然后分別逐步上升到25 ℃下的38.9、35.1和55.1 Pa，而損耗模量則從95 ℃下的11.1、9.0和14.1 Pa先分別減小到9.2(80.5 ℃)、8.0(80.0 ℃)和12.2(80.5 ℃)，然后分別逐步上升到25 ℃下的13.1、10.8和14.6 Pa，說明在低溫條件下，芋艿淀粉膠表現(xiàn)出更強(qiáng)的彈性特征。降溫掃描過程中，儲能模量和損耗模量的大小順序均為溫嶺芋艿>奉化芋艿頭>奉化芋艿子。芋艿淀粉膠儲能模量和損耗模量在25 ℃條件下隨頻率變化過程如圖2-C，隨著頻率增大，儲能模量和損耗模量均增大，說明芋艿淀粉膠的彈性和黏性都增加，隨著頻率從0.628 rad/s增加到125.6 rad/s，奉化芋艿頭、芋艿子和溫嶺芋艿的儲能模量從27.2、24.7和42.5 Pa分別增加到94.6、70.7和94.9，損耗模量則從6.8、5.6和8.4 Pa分別大幅增加到36.8、29.5和36.1 Pa，說明在高頻率條件下，淀粉膠的黏性特征比彈性特征增加更為顯著。其中在頻率掃描過程中的大部分頻率條件下，溫嶺芋艿儲能模量遠(yuǎn)大于奉化芋艿頭和芋艿子，而損耗模量差異較小。淀粉的流變模量參數(shù)與直鏈淀粉的含量有關(guān)，較高的直鏈淀粉含量會形成更加穩(wěn)固的淀粉膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此其模量參數(shù)值也較高。在本研究中，直鏈淀粉含量為溫嶺芋艿>奉化芋艿頭>奉化芋艿子，因此流變模量參數(shù)也基本遵從這一規(guī)律，另外支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)特征也會影響淀粉膠的流變模量參數(shù)。

a-升溫過程;b-降溫過程;c-I頻率掃描過程圖2 芋艿淀粉動態(tài)流變學(xué)特性Fig.2 Dynamic rheological properties of taro starches

2.4 芋艿淀粉消化特性分析

3種不同來源芋艿淀粉中有超過60%的組分為快消化淀粉(表4)，其中奉化芋艿頭快消化淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高(71.1%)，其次為奉化芋艿子淀粉(69.4%)，而溫嶺芋艿快消化淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低(64.8%)。溫嶺芋艿中的緩慢消化淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高(16.4%)，其次為奉化芋艿子(14.9%)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于奉化芋艿頭(7.8%)。抗性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)順序則為奉化芋艿頭(21.1%)>溫嶺芋艿(18.8%)>奉化芋艿子(15.8%)。SIMSEK等報道，土耳其產(chǎn)芋艿快消化淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為65%[23]，與本研究中的溫嶺芋艿接近，而快消化淀粉和抗性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別約為17%和14%，與溫嶺芋艿和奉化芋艿子較為接近，相比于馬鈴薯淀粉，芋艿淀粉抗酶解消化的能力更強(qiáng)。芋艿淀粉的酶解消化特性與直鏈淀粉含量呈負(fù)相關(guān)，直鏈淀粉含量越高的芋艿淀粉，其酶解消化速率越低[18]。適量的慢消化淀粉和抗性淀粉含量又使得芋艿比較適合特定人群如糖尿病人患者食用，另外對于預(yù)防一些健康問題也有一定作用[23]。

表4 芋艿淀粉消化特征 單位：%

3 結(jié)論

芋艿淀粉顆粒粒徑較小，為0.5～2 μm，有些呈多面體形或近圓球形，在放大倍數(shù)較高時可看到芋艿淀粉顆粒表面呈褶皺狀并有裂紋。溫嶺芋艿淀粉糊化峰值溫度顯著低于奉化芋艿淀粉，但熱晗值則顯著高于奉化芋艿淀粉，奉化芋艿頭、芋艿子和溫嶺芋艿淀粉經(jīng)過回生后淀粉糊化溫度差異較小，但溫嶺芋艿回生淀粉糊化吸收熱晗值顯著低于奉化芋艿淀粉。動態(tài)流變學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，芋艿淀粉形成的淀粉膠在升溫掃描過程中，其儲能模量和損耗模量均逐漸下降，而在降溫掃描過程中，其儲能模量和損耗模量則先輕微下降，而后逐步升高，在頻率掃描過程中，芋艿淀粉膠儲能模量和損耗模量均顯著升高，而損耗模量增加幅度更大，說明在高頻條件下，其黏性特征比彈性特征增加的更為明顯。芋艿淀粉中絕大部分為快消化淀粉，但也含有一定量的慢消化淀粉和抗性淀粉，因此對于特定人群以及一些疾病預(yù)防具有一定意義。