甘薯的營(yíng)養(yǎng)功能與加工利用研究進(jìn)展

師一璇，胡佳樂(lè)，李麗

（陜西理工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723001）

甘薯[Ipomoea batatas（L.）Lam]屬雙子葉植物綱旋花科番薯屬的一年生或多年生蔓生草本，是世界第六大作物[1]，富含碳水化合物（淀粉、單糖和膳食纖維）和生物活性物質(zhì)（胡蘿卜素、花青素和抗壞血酸）等，作為能量和營(yíng)養(yǎng)來(lái)源在人類飲食中發(fā)揮著重要作用，被視為營(yíng)養(yǎng)平衡的優(yōu)質(zhì)食物資源[2-3]。中國(guó)是世界上最大的甘薯生產(chǎn)國(guó)，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的60%以上，其栽培歷史悠久，各地均有栽培，產(chǎn)量?jī)H次于水稻、小麥和玉米[4-5]。目前國(guó)內(nèi)甘薯大多以農(nóng)戶種植，自產(chǎn)自銷的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式為主。消費(fèi)以鮮食和食品加工為主。隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，甘薯產(chǎn)業(yè)將逐步向優(yōu)勢(shì)區(qū)集中，甘薯生產(chǎn)、加工及銷售規(guī)模將不斷擴(kuò)大，甘薯產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也將顯著提升[6]。但目前對(duì)甘薯及其產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)利用率還不高，甘薯深加工轉(zhuǎn)化技術(shù)發(fā)展較為緩慢，造成產(chǎn)品附加值較低，不僅浪費(fèi)資源且容易造成環(huán)境污染[7]。因此，對(duì)甘薯主要加工環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化并對(duì)其進(jìn)行綜合利用，最大限度地保留和提高其產(chǎn)品中所含的功能性物質(zhì)，對(duì)于提高甘薯資源利用率、實(shí)現(xiàn)資源的良性循環(huán)具有重要意義。本文綜述了甘薯的營(yíng)養(yǎng)成分和功能性質(zhì)，闡述了甘薯產(chǎn)品的加工現(xiàn)狀，為甘薯食品和工業(yè)加工環(huán)節(jié)優(yōu)化及其綜合利用方面研究提供參考。

1 甘薯的營(yíng)養(yǎng)成分

甘薯富含多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其塊根富含淀粉、蛋白質(zhì)、糖類、粗纖維、多酚、黃酮、維生素、類胡蘿卜素、花青素和礦物質(zhì)等。淀粉、可溶性糖類、蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)等是評(píng)價(jià)甘薯品質(zhì)的基本指標(biāo)，胡蘿卜素和花青素型甘薯品種（系）的出現(xiàn)，使甘薯的功能性物質(zhì)成為研究熱點(diǎn)。不同品種甘薯塊根具有獨(dú)特的顏色，如白色、黃色、橙色、紫色等，黃色和紫色分別是由脂溶性β胡蘿卜素和水溶性花青素的積累形成的，隨著β胡蘿卜素含量的增加，黃色塊根逐漸變成橙色。白色塊根含有非常低的β胡蘿卜素，不含花青素[3，8]。甘薯塊根主要營(yíng)養(yǎng)成分見(jiàn)表1。

表1 甘薯塊根主要營(yíng)養(yǎng)成分（鮮重）Table 1 The main nutritional components of tubers of sweet potato cultivas（FW）

由表1可知，碳水化合物是甘薯塊根的主要營(yíng)養(yǎng)成分，淀粉約占50%。不同肉色甘薯塊根營(yíng)養(yǎng)成分存在差異，其中胡蘿卜素、花青素、黃酮、多酚與果糖等含量差異較大。塊根各營(yíng)養(yǎng)成分既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，大多數(shù)成分之間具有一定的相關(guān)性。

作為甘薯地上部分的甘薯莖葉同樣富含多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而且產(chǎn)量高，抗病蟲(chóng)害能力強(qiáng)，近年來(lái)受到越來(lái)越高的關(guān)注。對(duì)比了30種蔬菜中的多酚含量和抗氧化活性，發(fā)現(xiàn)甘薯莖葉的抗氧化活性最高[12]。測(cè)定不同品種甘薯莖葉的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量并分析了其抗氧化活性，發(fā)現(xiàn)甘薯莖葉富含粗蛋白、粗脂肪、總膳食纖維、β胡蘿卜素、維生素和多酚類物質(zhì)等，主要的抗氧化活性物質(zhì)為多酚類物質(zhì)[13-14]。甘薯莖葉含有豐富的功能成分，它們可以作為新鮮蔬菜食用或加工食品。

2 甘薯的功能性質(zhì)研究

甘薯是藥食同源性植物，是提供碳水化合物、蛋白質(zhì)、維生素、必需脂肪酸、花青素、微量元素和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的膳食來(lái)源，這些活性物質(zhì)發(fā)揮著重要作用。

2.1 抗腫瘤作用

體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究表明，甘薯花色苷、蛋白、多糖、黃酮等活性物質(zhì)對(duì)肝癌、肺癌、腸癌、乳腺癌和膀胱癌細(xì)胞等具有抑制作用。紫甘薯花色苷可以通過(guò)死亡受體介導(dǎo)的外源性凋亡通路和絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)通路參與介導(dǎo)肝癌細(xì)胞SNU-387的凋亡過(guò)程[15]。紫甘薯花色苷可通過(guò)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡抑制膀胱癌BIU87細(xì)胞的增殖，且具有劑量-依賴性。隨著花色苷濃度的升高，BIU87細(xì)胞數(shù)量減少、細(xì)胞體積縮小、細(xì)胞間隙增大、細(xì)胞黏附性變差、細(xì)胞變形[16]。張靖杰等[17]評(píng)價(jià)甘薯蛋白對(duì)結(jié)直腸癌移植瘤荷瘤鼠腫瘤相關(guān)因子的調(diào)控作用，發(fā)現(xiàn)甘薯蛋白干預(yù)后，腫瘤總質(zhì)量及個(gè)數(shù)略有減少，腫瘤組織內(nèi)小血管數(shù)量減少，纖維組織增加，甘薯蛋白具有下調(diào)LOVO細(xì)胞移植瘤荷瘤鼠腫瘤中胰島素樣生長(zhǎng)因子受體、環(huán)氧酶-2、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子A、β鏈蛋白表達(dá)和分泌的作用。張曉鵬等[18]研究發(fā)現(xiàn)甘薯提取物有助于改善荷瘤鼠體內(nèi)的氨基酸代謝失衡狀況，顯著降低腸道炎癥介質(zhì)鈣衛(wèi)蛋白和乳鐵蛋白的水平，并提高二胺氧化酶的含量，有助于保護(hù)腸黏膜的完整性和抑制腫瘤。范智彥等[19]研究發(fā)現(xiàn)紫甘薯花色苷可能通過(guò)下調(diào)KTN1-AS1表達(dá)抑制肺癌A549細(xì)胞增殖，并促進(jìn)細(xì)胞凋亡。紫甘薯花色苷通過(guò)Circ_0003998/MiR-145軸抑制乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲[20]。Han等[21]研究從甘薯中提取的3種植物甾醇：胡蘿卜苷亞麻酸酯（daucosterol linolenate，DLA）、胡蘿卜苷亞油酸酯（daucosterollinoleate，DL）和胡蘿卜苷棕櫚酸酯（daucosterol palmitate，DP）在MCF-7原位異種移植裸鼠模型中的抗乳腺腫瘤活性，發(fā)現(xiàn)DLA、DL和DP通過(guò)調(diào)節(jié)MCF-7異種移植裸鼠的腫瘤生長(zhǎng)腸道微生物群的穩(wěn)態(tài)，產(chǎn)生短鏈脂肪酸，干擾腫瘤相關(guān)蛋白的表達(dá)。

2.2 調(diào)節(jié)免疫作用

甘薯中的花色苷、多糖、多酚、類胡蘿卜素、黃酮等具有調(diào)節(jié)免疫作用。研究表明紫薯花色苷通過(guò)促進(jìn)淋巴細(xì)胞增殖、提高CD4+/CD8+亞群比值、增加進(jìn)入s期細(xì)胞的百分率，從而調(diào)節(jié)淋巴細(xì)胞的免疫功能[22]。Tang等[23]研究發(fā)現(xiàn)從紫甘薯中提取的3種多糖通過(guò)誘導(dǎo)細(xì)胞表面的微絨毛樣結(jié)構(gòu)形成，促進(jìn)正常巨噬細(xì)胞的吞噬活性，顯著提高巨噬細(xì)胞中一氧化氮、細(xì)胞因子白介素-1β和白介素-8的水平，從而促進(jìn)正常小鼠和環(huán)磷酰胺誘導(dǎo)的免疫抑制小鼠抗體IgA、IgM、IgG和Siga的分泌功能來(lái)積極調(diào)節(jié)適應(yīng)性免疫。甘薯皮的植物混合物劑量依賴性地促進(jìn)了RAW264巨噬細(xì)胞中一氧化氮和促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生，細(xì)胞因子INF-γ和IL-10水平顯著增加，以劑量依賴性方式抑制AGS人胃癌細(xì)胞的生長(zhǎng)[24]。紫甘薯中提取的新型葡聚糖可以促進(jìn)RAW264.7巨噬細(xì)胞的增殖，改善RAW264.7吞噬活性和一氧化氮、活性氧及細(xì)胞因子產(chǎn)生的免疫功能；可以激活Toll樣受體2和Toll樣受體4介導(dǎo)的通路，顯著提高M(jìn)yD88依賴性絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)通路、核因子κB、轉(zhuǎn)錄激活因子AP-1和TRIF依賴性通路，從而增強(qiáng)免疫力，可以作為免疫調(diào)節(jié)劑進(jìn)行探索[25]。

2.3 保肝作用

研究發(fā)現(xiàn)紫甘薯花青素對(duì)急性和亞急性酒精肝損傷有預(yù)防作用[26]，這說(shuō)明紫甘薯花青素在酒精肝損傷的預(yù)防和治療中可以作為輔助添加劑。Wang等[27]根據(jù)紫甘薯花青素清除自由基和抗氧化性效應(yīng)評(píng)估其作為保肝藥的潛能，建立了3個(gè)急性化學(xué)性肝損傷模型（酒精、對(duì)乙酰氨基酚和四氯化碳），紫甘薯花青素中劑量和高劑量明顯降低了血清和肝臟指數(shù)，表明紫甘薯花青素可以作為治療急性肝損傷的藥物。Cai等[28]研究紫薯花青素對(duì)酒精性肝損傷的影響，灌胃紫薯花青素后，酒精性肝損傷小鼠在肝臟指標(biāo)/組織學(xué)、血清丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶水平、氧化應(yīng)激狀態(tài)等方面均有明顯改善，甚至能夠恢復(fù)至正常水平。甘薯的膳食果汁含有豐富的酚類物質(zhì)，這些酚類化合物具有與L-抗壞血酸相似的高自由基清除活性、還原能力和抗氧化能力，通過(guò)DNA保護(hù)、脂質(zhì)積累抑制和細(xì)胞保護(hù)對(duì)四氯化碳或過(guò)氧化氫誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性起到保護(hù)作用，表明甘薯的膳食果汁的攝入可以預(yù)防肝臟疾病[29]。甘薯可以開(kāi)發(fā)成保肝系列功能性食品。

2.4 降血糖、血脂作用

隨著人們生活水平的提高，糖尿病的發(fā)病率呈逐年上升趨勢(shì)，肥胖也嚴(yán)重威脅人類健康。因此，防治高血糖和高血脂的功能性食品備受人們青睞。研究表明紫甘薯花青素提取物可以顯著降低高血糖大鼠血液、肝臟和腎臟系統(tǒng)中的丙二醛水平[30]。Luo等[31]研究發(fā)現(xiàn)給2型糖尿病小鼠口服甘薯葉多酚，可以減輕體重、降低空腹血糖水平；可以緩解肝臟炎癥、維持胰島結(jié)構(gòu)、抑制β細(xì)胞凋亡；可以上調(diào)磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/糖原合酶激酶-3β信號(hào)通路以改善葡萄糖代謝并上調(diào)磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/骨骼肌中的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4信號(hào)通路以增強(qiáng)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)。高纖維和β胡蘿卜素飲食可以降低高甘油三酯血癥大鼠中的甘油三酯水平，可以通過(guò)抑制肝臟中高甾醇調(diào)節(jié)結(jié)合蛋白1c來(lái)改善胰島素抵抗基因表達(dá)[32]。甘薯具有開(kāi)發(fā)成調(diào)控血糖、血脂和預(yù)防代謝綜合癥等方面的功能性食品的應(yīng)用價(jià)值。

2.5 抗氧化作用

甘薯中的多糖、多酚、黃酮、類胡蘿卜素、花色苷等均具有體內(nèi)外抗氧化活性。陳樹(shù)俊等[33]研究發(fā)現(xiàn)，甘薯渣多糖對(duì)1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基、超氧陰離子自由基和羥基自由基的清除能力較強(qiáng)。用超高效液相色譜檢測(cè)到甘薯葉中的13種酚酸和10種黃酮類物質(zhì)，采用自由基清除能力和鐵還原抗氧化劑粉末測(cè)定法分析其抗氧化和降血糖活性，發(fā)現(xiàn)二者具有較強(qiáng)的抗氧化能力[34]。而且研究表明，耐貯藏甘薯品種較不耐貯藏甘薯品種有著更好的抗氧化能力[35]。甘薯具有抗氧化的作用，可以用于開(kāi)發(fā)功能性食品。

3 甘薯的加工現(xiàn)狀

目前我國(guó)甘薯主要用于鮮食和初級(jí)加工產(chǎn)品，產(chǎn)品加工以淀粉和酒精的生產(chǎn)規(guī)模最大，主要的加工方式是提取淀粉生產(chǎn)粉絲和粉條。目前，中國(guó)的甘薯加工企業(yè)多為中小型企業(yè)，技術(shù)落后和資源利用率低等導(dǎo)致甘薯的加工利用大部分停留在初加工階段，精深加工的產(chǎn)品種類少、檔次低并且質(zhì)量參差不齊。近年來(lái)，隨著研究的深入，研究人員更多的關(guān)注于甘薯變性淀粉、天然色素的提取應(yīng)用、以甘薯淀粉為基料轉(zhuǎn)化生產(chǎn)可降解薄膜、包裝材料、超強(qiáng)吸水樹(shù)脂及副產(chǎn)物的綜合利用等。

3.1 甘薯新型休閑食品

目前，甘薯除蒸煮、烘烤等鮮食外，由甘薯淀粉制成的各類休閑食品色、香、味俱佳，營(yíng)養(yǎng)豐富、食用方便，符合現(xiàn)代人的消費(fèi)習(xí)慣，備受國(guó)內(nèi)外各地人們的高度喜愛(ài)，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求日益增加[36]。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，甘薯食品的研制和生產(chǎn)開(kāi)發(fā)得到較快的發(fā)展，加工的產(chǎn)品種類在逐漸增多，質(zhì)量也不斷提高[37]。當(dāng)前，甘薯休閑食品有膨化脆片、甘薯果脯、甘薯糕點(diǎn)、甘薯醬、甘薯果凍、甘薯罐頭等[38-40]。甘薯休閑食品正在向健康、營(yíng)養(yǎng)、安全的方向發(fā)展。

3.2 甘薯發(fā)酵飲品

甘薯淀粉含量高，營(yíng)養(yǎng)豐富。作為原材料發(fā)酵生產(chǎn)酒類，具有悠久的歷史，既適合家庭和小作坊釀制，也可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。利用甘薯為原料釀造甘薯酒，口感豐富，具有甘薯獨(dú)特的香味，同時(shí)符合現(xiàn)代人們對(duì)于低度且具有營(yíng)養(yǎng)成分的酒類飲品的追求趨勢(shì)，具有一定的商業(yè)價(jià)值[41]。甘薯通過(guò)醋酸發(fā)酵釀造醋能最大限度地增加經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)避免原料浪費(fèi)[42]。近年已有利用甘薯與其他原料結(jié)合開(kāi)發(fā)新型食品，如用紫甘薯、燕麥和山羊乳為主要原料研發(fā)復(fù)合型羊酸奶，為紫甘薯燕麥的深加工提供了新方向，同時(shí)也豐富了酸奶的品種，具有重要的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值[43]。以甘薯黃肉品種“運(yùn)薯9801”和紫肉品種“漯紫4號(hào)”為原料，乳酸菌葡聚糖明串珠菌為發(fā)酵菌株，發(fā)酵釀制益生菌發(fā)酵甘薯汁，在改善了甘薯汁口感的同時(shí)，還可改善體內(nèi)微生物不平衡現(xiàn)象，提高宿主抵抗力，幫助消化和增強(qiáng)新陳代謝等[44]。利用新鮮的甘薯生產(chǎn)發(fā)酵飲料，具有很好的保健作用，同時(shí)可提升甘薯的利用價(jià)值。

3.3 甘薯變性淀粉研究

甘薯中淀粉約占其干重的50%～80%，淀粉加工是甘薯加工的主要方式，甘薯淀粉廣泛應(yīng)用于食品、化工和醫(yī)藥領(lǐng)域。食品工業(yè)中它通常作為加工原料、添加劑和增稠劑等。因此，研究并提高甘薯淀粉的性質(zhì)在食品加工中起著重要的作用。熱濕處理（heat-moisture treatment，HMT）可誘導(dǎo)甘薯淀粉的凝膠特性和結(jié)構(gòu)變化，HMT提高了甘薯淀粉的相對(duì)結(jié)晶度，增加了回縮黏度并降低了分解黏度，使淀粉具有更強(qiáng)的彈性行為。HMT淀粉粉絲表現(xiàn)出更高的硬度、彈性和咀嚼性[45]。甘薯淀粉硬度高，透明度差，從而降低了消費(fèi)者的接受度。轉(zhuǎn)葡糖苷酶（transglucosidase，TGAN）、麥芽糖 α-淀粉酶（maltogenic α-amylase，MABS）和 β-淀粉酶（β-amylase，BA）結(jié)合處理，有利于調(diào)節(jié)甘薯淀粉的特性，MABS→BA→TGAN處理后最初的C型淀粉多晶型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)锽型結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)晶度降低，溶解度顯著增加，這為調(diào)節(jié)甘薯淀粉的理化性質(zhì)開(kāi)辟了新途徑[46]。研究發(fā)現(xiàn)，添加甘油可改善天然淀粉的加工特性并可開(kāi)發(fā)其作為塑料的潛在用途[47]。甘薯天然淀粉（native starch，NS）提取物經(jīng)處理得到的堿性改性淀粉（alkaline modified starch，AMS）可作為酸性環(huán)境下低碳鋼的腐蝕抑制劑，協(xié)同使用碘化鉀會(huì)提高AMS的抑制作用[48]。未來(lái)高新技術(shù)在甘薯淀粉改性上的應(yīng)用，必將有力地推動(dòng)我國(guó)甘薯淀粉加工行業(yè)朝著健康和可持續(xù)性發(fā)展的軌道前進(jìn)。

3.4 紫色甘薯花色素提取

紫甘薯提取的色素色澤艷麗、無(wú)污染，優(yōu)于化學(xué)合成色素，可以加工成保健紫甘薯食品，并且這些產(chǎn)品已進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)，是當(dāng)前流行的黑色食品的發(fā)展方向[49]，紫甘薯色素還被應(yīng)用于羊毛、蠶絲和纖維織物的印染中[50]。Yong等[51]將富含花青素的紫色甘薯提取物加入殼聚糖基質(zhì)中，制備的抗氧化型和智能型pH傳感膜，可延長(zhǎng)食品保質(zhì)期，并可同時(shí)監(jiān)控食品質(zhì)量。基于紫甘薯花青素的特性和生物活性，其在食品、化妝品、醫(yī)藥領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。

3.5 甘薯副產(chǎn)物的綜合利用

甘薯渣和甘薯莖葉都是甘薯加工后的副產(chǎn)物，由于這些副產(chǎn)物中仍含有很多的營(yíng)養(yǎng)成分，可將其進(jìn)行進(jìn)一步的合理利用，提高原料的利用率及產(chǎn)品的附加值。

甘薯渣含水量大，極易腐敗，除作為飼料外，通常被當(dāng)作廢棄物丟棄。如果能開(kāi)發(fā)和利用甘薯渣資源，可以大大提高其附加值。甘薯皮廢料具有納米添加劑潛力，甘薯皮是酚類化合物的來(lái)源，酚類化合物被廣泛認(rèn)為是對(duì)人類健康有益的抗氧化劑，采用乳化-溶劑蒸發(fā)法制備低分子量聚乳酸（polylactic acid，PLA）包覆提取物納米膠囊，通過(guò)溶液澆鑄法制備的PLA薄膜與負(fù)載抗氧化劑提取物的納米顆粒具有良好的相容性，而且由于納米顆粒的存在，PLA薄膜的機(jī)械性能得到了明顯的改善。納米膠囊作為添加劑或浸入薄膜中以控制釋放抗氧化劑，從而使植物副產(chǎn)物增值[52]。

甘薯莖葉具有很高的營(yíng)養(yǎng)和功能價(jià)值，而且一年可以收獲多次，但是約95%～98%的甘薯葉被丟棄，約2%～5%用于動(dòng)物飼料，導(dǎo)致大量的資源浪費(fèi)。甘薯葉提取物合成的Fe/Cu納米復(fù)合材料可用于水溶液中去除堿性品紅色，這個(gè)吸附過(guò)程是吸熱和自發(fā)的。研究表明，甘薯葉提取物合成的Fe/Cu納米復(fù)合材料在廢水處理中具有潛在應(yīng)用價(jià)值[53]。

4 展望

甘薯富含營(yíng)養(yǎng)和活性物質(zhì)，是營(yíng)養(yǎng)平衡的優(yōu)質(zhì)糧食作物，由甘薯制成的休閑食品和功能性食品，得到國(guó)內(nèi)外消費(fèi)者的廣泛喜愛(ài)，發(fā)展甘薯產(chǎn)業(yè)符合全球大興甘薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的潮流與趨勢(shì)。通過(guò)甘薯深加工提高甘薯產(chǎn)品的附加值，可為甘薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供更廣闊的發(fā)展空間。

現(xiàn)階段，甘薯功能性成分利用率較低。為了充分利用甘薯資源，開(kāi)發(fā)富含功能性成分的新型甘薯保健食品、新用途的甘薯工業(yè)產(chǎn)品，可大幅度提高其附加值，提高甘薯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。引進(jìn)新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝對(duì)甘薯及其加工副產(chǎn)物進(jìn)行綜合利用，可以促進(jìn)甘薯加工產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展。