趙小梅 李清明 蘇小軍 郭時印 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，長沙 410128)(永州工貿(mào)學(xué)校2，永州 425000)(中國農(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650多種，營養(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能物質(zhì)，部分淮山品種的干基淀粉質(zhì)量分數(shù)高達80%[2]。淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)受品種以及生長環(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力以及糊化峰值黏度有極顯著負相關(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)，對于促進淮山的加工利用具有非常重要的理論意義及實踐價值。

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)果相對比較零散，不成系統(tǒng)。淮山淀粉顆粒表面光滑無裂痕，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，淮山主要作為蔬菜鮮食或加工成中藥飲片，但對于產(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，實現(xiàn)淮山品種的差異化發(fā)展，可實現(xiàn)精準扶貧，對保障我國糧食安全和促進農(nóng)民增收等意義重大。對新選育的4個淮山品種的淀粉的結(jié)構(gòu)特性進行了研究，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、桂淮7號、桂淮8號、紫淮山均來自廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所，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

水分測定參照烘箱法 GB/T 12087—2008；灰分測定參照GB/T 22427.1—2008；蛋白質(zhì)測定參照GB/T22427.10—2008；脂肪測定參照GB/T 22427.3—2008；直鏈淀粉含量測定參照GBT 15683—2008；磷含量測定參照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，運行平均數(shù)為2，流體Ref指數(shù)為1.36，負載因數(shù)為0.081 7，流量為40%，測定時間15 s，然后按照激光粒度分析儀分析程序進行測定。

1.3.4 偏光十字測定

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)電膠的載物臺上，再在真空條件下進行噴金處理，最后將處理好的淀粉放入樣品室觀察拍照。

1.3.6 X射線衍射測定

將樣品粉末(粒度小于200目)壓后，用X射線衍射儀測定試樣的結(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：1.5406 ?。

1.3.7 紅外光譜測定

紅外光譜測定采用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(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 核磁共振測定

參照Wang等[15]的方法進行檢測，13C-NMR檢測條件：管徑5 mm，轉(zhuǎn)速5 kHz，質(zhì)子共振頻率為 125.75 MHz，補償時間20 ms，接觸時間1 ms，兩個脈沖時間延遲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個品種淮山淀粉灰分質(zhì)量分數(shù)在0.18%～0.40%之間，其中桂淮7號灰分含量最高。桂淮5號淀粉中脂肪含量顯著較高外，其余3個品種淮山淀粉的脂肪含量差異不顯著。桂淮8號中蛋白質(zhì)含量顯著高于其他3個品種。4個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]，本實驗4個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?；瓷降矸壑兄举|(zhì)量分數(shù)一般小于1%，遠低于大多數(shù)谷物淀粉，也有文獻報道D.abyssinica和D.ballophylla兩種淮山淀粉中脂肪質(zhì)量分數(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4個品種淮山淀粉的粒度分布進行測定，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號的超大尺寸顆粒數(shù)目多于其他3種淮山淀粉，桂淮7號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4個品種淮山淀粉的顆粒形貌進行觀察，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較大。這可能是由于生長過程中淀粉顆粒平行生長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產(chǎn)生偏光十字現(xiàn)象[26]。采用偏光十字顯微鏡對4個品種淮山淀粉的偏光現(xiàn)象進行了測定，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的位置也存在差異。桂淮5號的臍點以中心位置為主，桂淮7號則偏向顆粒較窄的一端，紫淮山的臍點嚴重偏向淀粉顆粒的尖端。淮山淀粉的偏光十字呈“X”型，其臍點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4個品種淮山淀粉的晶體結(jié)構(gòu)進行了分析，其結(jié)果見圖3。

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

由圖3可知4個不同品種淮山淀粉的X-射線衍射圖中存在三個明顯的特征衍射峰，各個吸收峰的位置及強度存在些許差異。其中紫淮山淀粉、桂淮7號淮山淀粉以及桂淮8號淮山淀粉的第一個和第三個特征衍射峰的強度弱于其他三個品種的淮山淀粉。桂淮5號淮山淀粉的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號淮山淀粉以及桂淮8號淮山淀粉在2θ為15°、17°和22°有較強的特征峰，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)受植物固有的生理條件和溫度、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的種類及含量會會影響吸收峰的位置及形狀[32]。紅外光譜中官能團的特征吸收峰通常在1 300～4 000 cm-1這個范圍內(nèi)，而600～1 300 cm-1這個范圍則屬于指紋區(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個明顯的吸收峰，但不同品種淮山淀粉的吸收峰的位置及強度存在差異；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?；瓷降矸鄹魑辗寮翱赡芄倌軋F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

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

紅外光譜對淀粉鏈的構(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個信號區(qū)域，C1區(qū)域為94～105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；C4區(qū)域為80～84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)域的主要官能團為>CHO—[35]。從表5可以看出，淮山淀粉在4個化學(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號和桂淮8號淮山則出現(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，這與前面實驗結(jié)果存在差異，其原因有待進一步研究。

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號與紫淮山的粒度都顯示出比較好的均勻度，桂淮7號和紫淮山淀粉的最大顆粒大于其余2種淮山；桂淮8號的蛋白質(zhì)含量以及直鏈淀粉含量也相對其他培育品種有所提高；桂淮7號和桂淮5號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號和桂淮8號淮山淀粉屬于B型淀粉，說明其高直鏈淀粉含量對于淀粉結(jié)晶狀態(tài)產(chǎn)生了影響。