包尕紅，司美雙，吳修利

（長春大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130022）

油莎豆（Cyperus esculentus L.）屬莎草科一年生植物，原產(chǎn)地是非洲及地中海沿岸國家，具有極強的適應性，在我國南北各地的沙灘、丘陵、崗地等均有大量種植[1]。油莎豆可食塊莖中脂肪含量21%～25%，淀粉含量高達26%～30%[2]，在老化和凍融穩(wěn)定性方面，油莎豆淀粉優(yōu)于馬鈴薯或玉米淀粉[3]，因此，具有很大的潛在開發(fā)價值。

近年來，對于油莎豆的研究主要集中在油脂特性等方面，而對油莎豆淀粉的研究主要是提取工藝的優(yōu)化和理化性質分析。王璐陽等[4]對脫皮油莎豆壓榨餅提取淀粉的研究表明，油莎豆淀粉的顆粒大小、分布比較均勻，且凝膠質構特性優(yōu)于玉米淀粉。于淑艷等[5]研究發(fā)現(xiàn)，油莎豆淀粉具有較低的透明度、溶解度和膨脹度，但其凍融穩(wěn)定性和老化性優(yōu)于玉米淀粉，藍值也顯著高于馬鈴薯淀粉。目前，有關以油莎豆淀粉為原料制備多孔淀粉的探索研究報道較少，張鐵華等[6]發(fā)明了一種高壓脈沖電場輔助酶法制備油莎豆多孔淀粉的方法，以高壓脈沖電場作為酶解預處理方式，使用糖化酶水解油莎豆淀粉，得到孔徑小、吸附力強、應用范圍廣的油莎豆多孔淀粉。

目前為止，多孔淀粉的制備方法主要包括物理、化學、酶和協(xié)同法。酶法具有反應條件溫和，催化效率和底物特異性高等優(yōu)點，常被選擇用來進行多孔淀粉的制備[7-8]。本試驗以油莎豆淀粉為原料，采用復合酶法對油莎豆淀粉進行改性處理制備多孔淀粉，復合酶可以產(chǎn)生協(xié)同效應，能夠更好地促進淀粉表面和內部發(fā)生水解，形成更多的孔隙結構，為油莎豆淀粉的深加工產(chǎn)業(yè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

油莎豆淀粉：長春大學化學實驗室制；大豆油（食品級）：九三集團哈爾濱惠康食品有限公司；α-淀粉酶（10 000 U/g）、葡萄糖淀粉酶（100 000 U/mL）、磷酸氫二鈉（分析純）、檸檬酸（分析純）、氫氧化鈉（分析純）、溴化鉀（光譜純）：上海麥克林生化科技有限公司；豬胰α-淀粉酶（50 U/mg）、糖化酶（100 000 U/g）：大連美侖生物技術有限公司；氫氧化鉀、冰醋酸、無水乙酸鈉、3，5-二硝基水楊酸（均為分析純）：北京化工廠。

1.2 儀器與設備

臺式高速冷凍離心機（H-1850R）：長沙湘儀離心機有限公司；掃描電子顯微鏡（S-3400N）：日本Hitachi公司；傅里葉紅外光譜儀（Nicolet iS5）：美國賽默飛世爾科技有限公司；質構儀（EZ-SX）：日本島津公司；快速黏度分析儀（3JK-1）：澳大利亞Perten公司。

1.3 方法

1.3.1 多孔淀粉的制備

稱取20.0 g油莎豆原淀粉于250 mL錐形瓶中，加入pH值為4.73的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液60 mL，置于50℃恒溫水浴鍋中攪拌預熱10min，按質量分數(shù)3%加入復合酶，α-淀粉酶與糖化酶質量比1∶5，于50℃恒溫培養(yǎng)搖床中（120 r/min）反應10 h后加入5mL的4%氫氧化鈉溶液終止反應，將懸浮液3000r/min離心10 min，去掉上清液，沉淀水洗3次，最后用乙醇洗1次，在50℃烘箱干燥24 h，研磨后過孔徑0.150 mm標準篩，得油莎豆多孔淀粉[9]。

1.3.2 吸油率、吸水率的測定

準確稱取油莎豆原淀粉和油莎豆多孔淀粉各1.0 g（m1），置于已知質量的15 mL離心管中，恒溫下與10 mL的大豆油或去離子水混合攪拌30 min，以4 000 r/min轉速離心10 min，倒掉上層液體（油或水），直至無油滴或水滴滴下，稱取離心管的質量。根據(jù)式（1）計算吸油率（ω）。

式中：m1為淀粉樣品質量，g；m2為離心后管與樣品的總質量，g；m0為離心管質量，g。

1.3.3 淀粉比容積的測定

準確稱取2.0 g淀粉于10 mL量筒中，使淀粉自由落下，晃動量筒保持淀粉面水平，讀數(shù)，計算每克淀粉所占的體積，即為淀粉的比容積[10]。

1.3.4 抗性淀粉含量的測定

根據(jù)McCleary法[11]測定抗性淀粉含量，準確稱取0.1 g樣品于離心管中，加入4.0 mL豬胰α-淀粉酶和糖化酶混合液，渦旋混勻，水平放置于恒溫振蕩器中，在37℃、200 r/min處理16 h。取出離心管，加入4 mL無水乙醇，渦旋混勻，3 500 r/min離心10 min，倒出上清液。加2 mL 50%乙醇，漩渦混勻，再加6 mL 50%乙醇，3 500 r/min離心10 min，倒出上清液，重復此步驟。漩渦混勻后加2 mL 2 mol/L的KOH溶液，將沉淀冰浴20 min。然后加入8 mL醋酸鈉緩沖液（pH3.8），并立即加入0.1 mL糖化酶酶液，50℃水浴30 min，期間間歇混勻。處理后的溶液3 500 r/min離心10 min。

吸取0.1 mL待測液于25 mL比色管中，加入1 mL蒸餾水和5 mL 3，5-二硝基水楊酸（3，5-dinitrosalicylic acid，DNS）溶液，沸水浴5 min后，迅速流水冷卻，并定容至25 mL，在波長510 nm處測其吸光值。采用DNS法測葡萄糖含量，抗性淀粉（resistant starch，RS）含量按式（2）計算。

式中：G為葡萄糖含量，mg；V為吸取的待測液體積，mL；M為待測樣品質量，g。

1.3.5 掃描電子顯微鏡

將樣品均勻地撒在樣品臺的導電膠上，噴金后置于電子顯微鏡樣品室中，在15 kV的加速電壓下對樣品放大10 000倍進行觀察，并選取有代表性的圖片拍照[12]。

1.3.6 傅里葉變換紅外光譜

采用溴化鉀壓片法，在波數(shù)4 000 cm-1～400 cm-1，以4 cm-1的分辨率繪制樣品的紅外光譜。

1.3.7 黏度測定

使用快速黏度分析儀（rapid visco analysis，RVA）測定樣品糊化特性[13]。取2.5 g淀粉樣品（校正為12%水分基準）加入18.5 mL蒸餾水中，并在RVA樣品鋁罐中攪拌。升溫-降溫循環(huán)：加熱至50℃并保持1 min，以12℃/min在3.75 min內升溫至95℃，在95℃下保持2.5 min，然后在3.75 min內冷卻至50℃，并保持100 s。在測量過程中，槳葉轉速設置為160 r/min。

1.3.8 質構特性測定

參考劉佳等[14]的方法并加以改動，將糊化后的油莎豆淀粉在室溫條件下冷卻，密封，4℃條件下冷藏24 h，用于質構測定。測試條件：TPA模式，P 0.5探頭，探頭下行速度模式為測試前速率1.0 mm/s，測試速率1.0 mm/s，測試后速率1.0 mm/s；壓縮變形為樣品高度的40%；觸發(fā)值5 g。觀察凝膠硬度、彈性、內聚性、膠黏性和咀嚼性能的變化。

1.4 數(shù)據(jù)處理

作圖和數(shù)據(jù)處理與分析使用Origin 2019b和SPSS 22.0軟件進行，試驗3次重復取平均值。

2 結果與分析

2.1 油莎豆原淀粉與多孔淀粉的性質比較

對油莎豆原淀粉和油莎豆多孔淀粉的性質進行測定，結果如表1所示。

表1 油莎豆原淀粉與多孔淀粉的性質比較Table 1 Comparison of the properties of original starch and porous starch of Cyperus esculentus

從表1可知，油莎豆多孔淀粉樣品吸油和吸水率顯著提升，吸油率和吸水率提升至原淀粉的2倍多；吸水率和吸油率可以在一定程度上反映多孔淀粉的成孔情況，隨著部分油莎豆結構發(fā)生改變，使得多孔淀粉孔洞增多，比表面積增大，吸附性能得到明顯提高。油莎豆多孔淀粉的比容積為3.40 g/cm3，近似為原淀粉的2倍，這是因為在同等質量下，由于多孔淀粉內部中空結構的形成，體積相比于原淀粉變大，使得比容積也發(fā)生明顯改變。有些淀粉天然具有抗消化性，油莎豆原淀粉抗性淀粉含量24.82%，經(jīng)復合酶法處理后降低為17.30%，王金花等[15]采用α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶處理玉米淀粉，在不同酶解時間下，抗性淀粉含量相比于玉米原淀粉也呈下降趨勢。

2.2 掃描電子顯微鏡分析

對油莎豆原淀粉和油莎豆多孔淀粉進行掃描電鏡分析，結果如圖1所示。

圖1 油莎豆原淀粉及其多孔淀粉電鏡圖Fig.1 SEM images of original starch and porous starch of Cyperus esculentus

由圖1a可知，油莎豆原淀粉呈球形或橢圓形，表面光滑且圓潤。圖1b顯示，經(jīng)雙酶法處理制備的油莎豆多孔淀粉表面產(chǎn)生了少量不均勻、大小不一的孔洞，比表面積增大。將兩種不同類型的酶結合在一起使用可產(chǎn)生協(xié)同效應，提高孔隙形成的效率，α-淀粉酶能有效地水解α，1-4糖苷鍵，這是非晶態(tài)區(qū)的主要結構，且α-淀粉酶和糖化酶兩者都能提供內切和外切效應[8]。

2.3 傅里葉變換紅外光譜分析

為了研究酶解對淀粉結構的影響，進行了傅里葉變換紅外光譜分析，油莎豆原淀粉和油莎豆多孔淀粉的紅外光譜如圖2所示。

圖2 油莎豆原淀粉及其多孔淀粉紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectra of original starch and porous starch of Cyperus esculentus

由圖2可知，酶促反應后，油莎豆多孔淀粉基本分子結構保持不變，光譜帶最大值沒有偏移。油莎豆原淀粉的FT-IR光譜特征吸收峰在3 439 cm-1處出現(xiàn)—OH振動形成的吸收峰，在2 921、1 415 cm-1處的特征峰分別歸屬于—CH2的伸縮振動和變形振動，在1643cm-1處的特征峰歸屬于C—O—O的伸縮振動峰，在1 156 cm-1處的特征峰歸屬于C—C，C—O的伸縮振動峰，在1 081cm-1處的特征峰歸屬于C—O—H的伸縮振動峰[16]。試驗發(fā)現(xiàn)，雙酶法制備的油莎豆多孔淀粉光譜與原淀粉相似，特征吸收峰無明顯差異，證明酶解并未改變淀粉的基本化學結構。

2.4 RVA黏度分析

油莎豆原淀粉和油莎豆多孔淀粉的糊化參數(shù)如表2所示。

表2 油莎豆原淀粉及其多孔淀粉的糊化特性參數(shù)Table 2 Gelatinization characteristic parameters of original starch and porous starch of Cyperus esculentus

淀粉顆粒在加熱過程中受熱膨脹，從而導致淀粉懸浮液黏度增加，然后淀粉顆粒發(fā)生膨脹破裂，黏度也因此下降。由表2中數(shù)據(jù)可知，油莎豆多孔淀粉的峰值黏度和谷值黏度均低于油莎豆原淀粉，這可能是由于淀粉的無定形區(qū)發(fā)生酶解，使得淀粉的顆粒結構被削弱。多孔淀粉在糊化過程中溶脹不能達到最大，導致其黏度下降[17]。崩解值反映了淀粉的耐剪切性能，崩解值越大耐剪切能力越差，油莎豆多孔淀粉崩解值較油莎豆原淀粉降低?；厣蹬c淀粉在冷卻過程中的重結晶和重排有關[18]，油莎豆多孔淀粉的回升值低于油莎豆原淀粉，表明多孔淀粉相比于原淀粉不易老化。

2.5 油莎豆淀粉凝膠質構分析

淀粉的凝膠質構特性通常與富含淀粉類食品的加工品質和速食性能有直接關系，因為淀粉糊化后形成半透明凝膠，凝膠的黏彈性和強度會發(fā)生一定程度的改變[19]，油莎豆原淀粉和油莎豆多孔淀粉質構特性參數(shù)結果如表3所示。

表3 二次壓縮模式測定參數(shù)值Table 3 Parameters by texture profile analysis

由表3可知，油莎豆多孔淀粉的硬度、內聚性、膠黏性、咀嚼性指標均明顯高于油莎豆原淀粉，說明油莎豆多孔淀粉的凝膠質構特性優(yōu)于原淀粉；而其彈性數(shù)值略有下降，凝膠彈性大小顯示出對外界破壞抵抗能力的強弱，油莎豆原淀粉和油莎豆多孔淀粉經(jīng)糊化后形成半透明凝膠，淀粉分子的部分鏈段會發(fā)生位移產(chǎn)生黏性流動，而黏性流動一定程度上會影響到淀粉凝膠的彈性性質[20]。

3 結論

以油莎豆原淀粉為原料，采用復合酶法制備油莎豆多孔淀粉。結果表明，油莎豆多孔淀粉的吸油率、吸水率和比容積增大為油莎豆原淀粉的2倍左右，糊化后抗性淀粉含量降低，油莎豆多孔淀粉表面產(chǎn)生部分新的孔洞。油莎豆多孔淀粉與油莎豆原淀粉相比，峰值黏度、谷值黏度和終值黏度降低，峰值時間增長，硬度、內聚性、膠黏性和咀嚼性增大。試驗結果為油莎豆淀粉的改性提供了理論基礎。