甘薯塊根膨大后期β-淀粉酶和淀粉含量相關(guān)性分析

陳顯讓，李紅兵，康 樂，3，郭尚洙，鄧西平，*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌712100;2.黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌712100;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西楊凌712100;4.韓國生命工學(xué)研究院，韓國大田305-806)

β-淀粉酶是廣泛存在于微生物和植物中的一種水解酶，它能從非還原末端開始，依次按麥芽糖單位降解淀粉分子的α-1，4 糖苷鍵，進而使產(chǎn)物從α 麥芽糖變?yōu)棣?麥芽糖［1］。β-淀粉酶廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，既可以水解淀粉生成高濃度麥芽糖糖漿，在啤酒的生產(chǎn)中代替大麥芽［2］，也可以作為飴糖、飲料等生產(chǎn)過程的糖化劑［3］。β-淀粉酶是甘薯塊根中僅次于貯藏蛋白的一種蛋白質(zhì)成分，約占根可溶性蛋白的5%［4-5］。甘薯在蒸煮過程中產(chǎn)生的香味也部分歸因于β-淀粉酶水解淀粉產(chǎn)生的麥芽糖的作用，并且β-淀粉酶含量低的甘薯的甜度也會大大小于含量高的［6］。目前，我國β-淀粉酶的生產(chǎn)主要以微生物生產(chǎn)和植物中提取為主，利用微生物生產(chǎn)有耐熱性差、成本高昂等缺點，而從植物中獲得的β-淀粉酶具有酶活力高、耐熱性好、作用pH 范圍廣等優(yōu)點［7］，因而得到了廣泛應(yīng)用。甘薯塊根中的β-淀粉酶含量較高，提取成本低廉，是較為理想的生產(chǎn)β-淀粉酶的原料［8］。廖愛君等人研究了利用甘薯淀粉生產(chǎn)中的廢水資源獲得β-淀粉酶的方法［9］，這種方法吸附劑用量少、成本低，1kg 鮮薯可制備110g 的酶制劑，每克酶活力達7 萬單位，總回收率在80%以上，可以明顯提高甘薯深加工的經(jīng)濟效益。本文從果實膨大后期到收獲期間對十個甘薯品系和兩個甘薯品種的淀粉率和β-淀粉酶含量進行了測定，以期為選用提取β-淀粉酶的優(yōu)質(zhì)甘薯做參考。

表1 栽種品種產(chǎn)量和淀粉率對照表Table 1 Comparisons of yields and starch contents

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

徐薯28、徐薯8344，以及10 個高代品系甘薯徐州甘薯研究所提供，分別于果實膨大后期到收獲期間每7 天采集甘薯塊根一次，一半用于測量甘薯干率，另一半保存于-80℃冰箱中，共采集樣品五次。

主要試劑:PVP Sigma;β-巰基乙醇 Amresco;可溶性淀粉 科密歐;磷酸緩沖液 華大;DNS 試劑 圣宇;麥芽糖 科密歐。

1.2 儀器與設(shè)備

島津UV-2550 分光光度計、sigma 3K30 離心機、AISET YLE-1000 恒溫水浴鍋、人和SHZ-A 水浴恒溫振蕩器、Sartorius PB-10 pH 計、島津UX220H 分析天平等。

1.3 實驗方法

1.3.1 甘薯的栽種 10 個高代品系，兩個對照品種，隨機區(qū)組排列，3 重復(fù)，每小區(qū)3 行，行長4.4m，行距0.8m，株距0.22m，60 株/區(qū);走道0.5m，栽插密度3788 株/667m2，實驗凈面積316.8m2。生育期為2011年6 月14 日到10 月29 日，共計137d。

1.3.2 淀粉率的測定 收獲期前28d 開始，7d 取一次樣品。每種甘薯取個體重量150g 左右的薯塊，三個重復(fù)，切成顆粒，在105℃下殺青15min，烘箱中80℃烘至恒重，準確測量干樣重量并計算甘薯烘干率，根據(jù)烘干率換算法［10］確定淀粉率:

淀粉率=烘干率×0.7781-0.0014

1.3.3 β-淀粉酶的提取 取各品系甘薯塊根中心處2.0g(每2 塊薯塊樣合為1 個重復(fù)，設(shè)3 次重復(fù))于研缽中，加入液氮研磨成粉，裝入離心管中，按1∶5(W/V)加入酶提取液(50mmol/L Tris- HCl，pH7.5，含1%PVP，5mmol/L 的2-巰基乙醇)，離心(12000r/min，4℃)30min，取上清液倒入25mL 容量瓶，定容至刻度，即為所提取的粗酶液［11］。

1.3.4 β-淀粉酶的活性測定參照Bernfeld 方法［12］，并根據(jù)實際情況加以優(yōu)化。在具塞試管中加入5mL 1%的可溶性淀粉、1mL 0.2mol/L pH6.8 的磷酸緩沖液(當pH 為5.0～7.0 時，甘薯塊莖β-淀粉酶同工酶的活力最高［13］)、3.9mL 超純水，40℃下預(yù)熱5min，再加入0.1mL 待測酶液并立即保溫30min，之后再取出試管在水浴中煮沸10min。待水解液冷卻后吸取1mL 用3，5- DNS 顯色，使用島津UV-2550Probe 分光光度計在520nm 下測定還原糖吸光值(按麥芽糖毫克數(shù)計算)。一個酶活力單位(U)為30min 內(nèi)產(chǎn)生1mg 麥芽糖所需酶量。

1.3.5 分析方法 采用SPSS、SAS 軟件進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品系的產(chǎn)量和淀粉含量比較

甘薯收獲之后，經(jīng)過多次稱重、計算平均值，計算干率和淀粉率，獲得畝產(chǎn)比較值、收獲期干率和淀粉率，結(jié)果見表1。從膨大后期到收獲期，總體上淀粉率升幅為1%～5%。

從表1 可以看出，作為淀粉性的甘薯品系YL04表現(xiàn)出了收獲期最高的淀粉率，YL03 和兩種紫薯(YL01 和YL09)次之;食用型桔紅心甘薯品系YL02和YL08 表現(xiàn)出了較低的淀粉率，生食口感較好。徐薯8344 較其它甘薯品系產(chǎn)量具有顯著差異，不同甘薯品系產(chǎn)量差異較大，平均畝產(chǎn)從1758.72kg/畝到3839.28kg/畝，然而，成熟品種徐薯28 和徐薯8344平均畝產(chǎn)量分別為2706.56kg/畝和3839.28kg/畝，居所有實驗品種的第三和第一，明顯高于大多高代品系品種，由于二者淀粉率較低，所以口感較好，綜合畝產(chǎn)和淀粉含量，二者仍為較理想的能源型和食用型兼用甘薯。

2.2 根據(jù)干率的分類比較各淀粉酶變化趨勢

作為甘薯塊根品質(zhì)的重要指標之一，β-淀粉酶只存在于植物和少數(shù)微生物中［14］。甘薯塊根中含有大量的淀粉酶，其中以β-淀粉酶為主［15］。甘薯塊根中β-淀粉酶基因表達受蔗糖［16］、多聚半乳糖醛酸、機械損傷和ABA［17］等的誘導(dǎo)。β-淀粉酶是一種蛋白質(zhì)，不適宜的溫度會破壞活力部位三維結(jié)構(gòu)的完整性，從而顯著影響酶的活力。據(jù)鄂巍、李新華等人［15］報道，β-淀粉酶酶活力在40℃時最高，高于或低于此溫度酶活力均降低，并且在70℃時，β-淀粉酶幾乎完全失活。因此本實驗在40℃下進行酶活測定，在煮沸狀態(tài)下使酶失活。

表2 12 個品系塊根膨大后期5 個時間點β-淀粉酶活性和淀粉率變化相關(guān)性分析結(jié)果Table 2 Correlation analysis between β-amylase activity change and starch contents change of 12 strains at 5 time points

由于干率和淀粉率成正比，可以將收獲期淀粉率按照大于22%、20% ～22%、小于20% 分成高干率、中干率、低干率三組。進行酶活性比較分析。紫薯YL01、YL09 在高干率一組，而食用型桔紅心甘薯YL02 和YL08 在低干率一組，這也體現(xiàn)出了甘薯塊根顏色、品種的差異所帶來的淀粉率的差異。

由圖1～圖3 可以看出，除YL01 外，其余品系在甘薯塊根膨大后期至收獲期β-淀粉酶活性均有下降趨勢，這與甘薯塊根成熟淀粉含量增加有關(guān)。其中，中、低干率品系中有多個品系在收獲前14d時表現(xiàn)出了最高的β-淀粉酶活性，高中低干率三組甘薯中每組都有3 個品系的β-淀粉酶活性在收獲期時水平相當，說明除了個別品系，大部分干率接近的品系在收獲期β-淀粉酶活性較為相近。區(qū)別于其它品系，圖2 中的YL06 表現(xiàn)出較低的β-淀粉酶活性。

圖1 高干率甘薯中β-淀粉酶活性變化趨勢Fig.1 Variation trend of β-amylase activity in high-rate dry matter content types

2.3 不同品系間β-淀粉酶活性變化和淀粉率變化的相關(guān)性分析

圖2 中干率甘薯中β-淀粉酶活性變化趨勢Fig.2 Variation trend of β-amylase activity in middle-rate dry matter content types

圖3 低干率甘薯中β-淀粉酶活性變化趨勢Fig.3 Variation trend of β-amylase activity in low-rate dry matter content types

根據(jù)上述測定五個時間點的酶活的變化，結(jié)合淀粉率的變化加以分析。SPSS 軟件分析5 個時間點的淀粉酶活性和對應(yīng)時間點的淀粉率的線性相關(guān)性，并以顯著性加以排序。

從表2 可以看出，除品系YL01 外，其余品系在收獲期均表現(xiàn)較低的β-淀粉酶活性，并且收獲期β-淀粉酶活性要低于五個時期的均值。表2 結(jié)果表明除YL01 和YL08 表現(xiàn)為正相關(guān)外，其他品系β-淀粉酶活性和各時期淀粉率均表現(xiàn)為負相關(guān)。YL02、YL06、YL07、YL09、YL10、徐薯8344 表現(xiàn)出極顯著相關(guān)性，YL01、YL04、YL05、徐薯28 表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。YL03 和YL08 相關(guān)性不顯著。從以上分析看出，大部分品種β-淀粉酶活性變化和淀粉率的變化都有一定的相關(guān)性，多為負相關(guān)，這與前人報道相似［18-19］，淀粉酶主要是將淀粉分解為糖，從理論上講，淀粉酶活性越高，淀粉被分解的越快，淀粉率應(yīng)該是下降的，但并不是所有品種都符合這一理論。從β-淀粉酶活性變化來看，YL01、YL07、徐薯8344、YL09 變幅較大，其中包含紫薯YL01 和YL09，而桔紅心甘薯YL02 和YL08 變幅較低。

從活性水平來看，成熟品種徐薯8344 表現(xiàn)出了最高的酶活性均值，但是收獲期活性和均值差異巨大。收獲期YL08 和YL03 的β-淀粉酶活性較高，且均值亦較高。

綜合考慮，β-淀粉酶活性與淀粉率多呈負相關(guān)關(guān)系，且從果實膨大后期到收獲期，薯塊淀粉含量多為升高趨勢，但是變幅也根據(jù)不同品系的基因型有所不同，可以說淀粉分解轉(zhuǎn)化速度的快慢，不完全由淀粉酶活性的高低決定，可能還受更多的因素控制。

3 結(jié)論與討論

3.1 淀粉率和β-淀粉酶活性是甘薯品質(zhì)的兩個重要指標，在膨大后期和貯藏期的變化會影響甘薯的利用價值［18-19］。本研究測定了幾種甘薯膨大后期到收獲的β-淀粉酶活性和淀粉率，根據(jù)實驗結(jié)果來看，總體上淀粉含量和β-淀粉酶有較為顯著的相關(guān)性，且多為負相關(guān)。不同淀粉率薯品系β-淀粉酶活性差異顯著，但淀粉率高的品系淀粉酶活性不一定高，這可以為選擇提取β-淀粉酶的優(yōu)質(zhì)甘薯來源提供依據(jù)。

3.2 甘薯在果實膨大期β-淀粉酶活性峰值多出現(xiàn)在收獲前28d，部分出現(xiàn)在收獲前14d，從初始到收獲變幅從6.08%～88.73%不等，說明品種之間存在不小差異，在考慮從甘薯中提取β-淀粉酶效益時需要從這幾個時期的淀粉率、酶活性以及產(chǎn)量綜合分析。

3.3 薯塊顏色不同、功用不同，淀粉含量和β-淀粉酶活性差異也較為明顯，如紫薯品系(YL01 和YL09)相對于桔紅心品系(YL02 和YL08)表現(xiàn)出了較高的收獲期淀粉率和較低的平均β-淀粉酶活性，并且紫薯品系β-淀粉酶活性變幅亦較高。在之前的研究中，N.T.Dziedzoave［20］報道了同期栽種的甘薯皮顏色不同，β 淀粉酶活性水平也是在不同的結(jié)論，但沒有深入研究，本文進行了一些探究，這也是今后需要更加深入探討的一個方向。

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