生姜淀粉的分子結(jié)構(gòu)及理化特性

袁甜甜，李奕霏，葉發(fā)銀，2*，劉栗君，陳 婷，趙國(guó)華，2

淀粉是大多數(shù)植物的主要儲(chǔ)能物質(zhì)，也是重要的食品配料。與大宗糧食作物如玉米、小麥、大米、馬鈴薯中的淀粉得到廣泛研究不同，具有藥食同源特色植物中淀粉的研究相對(duì)不足。近年來(lái)，傳統(tǒng)藥食同源食材包括板栗[1]、蓮子[2]、銀杏果[3]、山藥[4]、葛根[5]、貝母[6]、薏苡仁[7]等的淀粉結(jié)構(gòu)及功能特性得以解析。Zeng 等[5]研究結(jié)果表明葛根淀粉中慢消化及抗消化組分含量高達(dá)59%，經(jīng)普魯蘭酶脫支及溫度循環(huán)處理，其抗性淀粉含量最大增幅81.9%。Chen 等[4]研究發(fā)現(xiàn)40 ℃及80 ℃熱風(fēng)干燥的山藥粉的抗性淀粉含量最高，升糖指數(shù)GI<55；在其它溫度熱風(fēng)干燥的山藥粉GI 值則較高，其原因在于淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)及近程有序結(jié)構(gòu)因干燥條件不同而發(fā)生不同程度改變，山藥粉中多酚等共存組分在干燥中的變化對(duì)淀粉消化性可能存在影響有待闡明。Zeng 等[2，8]發(fā)現(xiàn)3 型蓮子抗性淀粉（LRS3）能促進(jìn)益生菌增殖，促進(jìn)雙歧桿菌生長(zhǎng)的活性強(qiáng)于高直鏈玉米淀粉；LRS3 的20%乙醇沉淀物可以提高長(zhǎng)雙歧桿菌和德氏乳桿菌等益生菌對(duì)胃酸和膽酸耐受性。這些藥食同源植物淀粉在對(duì)應(yīng)食材里所起的營(yíng)養(yǎng)作用及健康效應(yīng)逐漸受到重視，其特殊的化學(xué)組成及分子結(jié)構(gòu)為開(kāi)發(fā)新型淀粉功能性配料提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

生姜（Zingiber officinale Roscoe）是姜科姜屬多年生草本植物，種植廣泛，是我國(guó)的特色農(nóng)產(chǎn)品之一。其塊莖不僅是傳統(tǒng)中藥材、常用烹飪和炮制輔料，而且是重要的加工原料，可加工成姜片、泡姜、糖姜、姜汁、姜茶、生姜精油等產(chǎn)品?，F(xiàn)有研究主要關(guān)注姜多糖、姜黃酮、姜辣素等生姜中的生物活性成分，對(duì)生姜淀粉認(rèn)識(shí)不夠深入。有研究報(bào)道生姜中淀粉含量從12.3%[9]，45%[10]到56.0%[11]不等，加工副產(chǎn)物姜渣中淀粉含量更高[12-13]，對(duì)其研究不僅有利于生姜資源綜合利用，而且對(duì)探索新型淀粉配料大有裨益。Tetchi 等[14]研究指出，相比于山藥、芋艿、木薯、甘薯等的淀粉，生姜淀粉的溶解性和膨潤(rùn)性小，具有良好的耐熱性。Vieira 等[15]指出生姜淀粉經(jīng)濕熱處理相對(duì)結(jié)晶度無(wú)變化，而淀粉酶水解率增加了28.3%，回生值和冷糊黏度大幅降低。Braga 等[10]研究發(fā)現(xiàn)超臨界流體法提取精油不會(huì)對(duì)姜渣淀粉組成及結(jié)晶度產(chǎn)生影響，而會(huì)造成崩解值增加和回生值降低。本研究以農(nóng)藝學(xué)性狀及種植環(huán)境存在較大差異的四川竹根姜和萊蕪大姜的淀粉為對(duì)象，對(duì)比分析其結(jié)構(gòu)組成和理化特性，以期為生姜淀粉的開(kāi)發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

萊蕪大姜和四川竹根姜（如圖1），當(dāng)?shù)爻校获R鈴薯直鏈淀粉及蠟質(zhì)玉米支鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)品、真菌淀粉葡萄糖苷酶，豬胰腺α-淀粉酶，Sigma 公司；氫氧化鈉、鹽酸、碘、無(wú)水乙醇、葡萄糖、3，5-二硝基水楊酸，均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；其它試劑為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

L535-1 低速離心機(jī)，湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司；JA3003B 分析天平，上海精天電子儀器有限公司；HH-W420 恒溫水浴鍋，金壇市大地自動(dòng)化儀器廠；HQ60 漩渦振蕩器，北方同正生物技術(shù)發(fā)展公司；JA3003B 數(shù)顯酸度計(jì)，杭州雷磁分析儀器廠；DHG-9070A 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；JSM-6510 掃描電子顯微鏡，日本電子（JEOL）公司；TechMaster RVA 快速黏度分析儀，澳大利亞Newport Scientific 公司；D8 Advace 粉末X-衍射儀，德國(guó)Bruker 公司；L6可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海精科科學(xué)儀器廠。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 生姜淀粉提取 將生姜洗去泥沙，刮去表皮后切碎，加水打漿，將漿液經(jīng)100 目尼龍濾布過(guò)濾，濾渣再加水打漿提取一次，渣漿分離，合并漿液在室溫下靜置，去除上層清液，將剩余漿液進(jìn)行離心（4 000 r/min，5 min），傾掉上清，刮去沉淀物表面褐色層物質(zhì)（如圖1），向沉淀中加入純水，混勻后離心，重復(fù)上述操作直至沉淀物為潔凈白色。將沉淀物置于45 ℃烘箱中干燥16 h，制得生姜淀粉。

圖1 生姜原料及提取的生姜淀粉照片F(xiàn)ig.1 Images of ginger rhizomes and the extracted starches

1.3.2 生姜淀粉顯微結(jié)構(gòu)及結(jié)晶特性表征 顯微結(jié)構(gòu)：將少許淀粉樣品用雙面膠固定在載物臺(tái)上，放入鍍金設(shè)備中，使用離子濺射鍍膜法給淀粉樣品鍍金20 min，置入掃描電鏡中觀測(cè)，電子槍加速電壓15 kV，放大倍率1 000。淀粉顆粒尺寸測(cè)量及統(tǒng)計(jì)采用Nano Measurer 1.2 軟件進(jìn)行。結(jié)晶結(jié)構(gòu)：取0.5 g 淀粉樣品置于D8 Advace-Bruker X-衍射儀的樣品盒中，采用步進(jìn)掃描法。靶及波長(zhǎng)：Cu，Kα，1.5406 A，Ni 濾波片；狹縫系統(tǒng)：DS/RS/SS=1.0/0.1/1.0 mm；探測(cè)器：閃爍計(jì)數(shù)器；電壓：40 kV；電流：40 mA；掃描速度：2°/min；掃描范圍：5～50°；步寬：0.02°。淀粉顆粒相對(duì)結(jié)晶度的計(jì)算方法參考Zhang 等[16]的計(jì)算方法，并采用MDI jade 6.5進(jìn)行圖形處理，相對(duì)結(jié)晶度=（衍射峰強(qiáng)度/總強(qiáng)度）×100%。近程結(jié)構(gòu)：采用配制衰減全反射ATR組件的Nicolet iS50 傅里葉變換紅外光譜儀（Thermo Fisher 公司），波數(shù)400～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)32。

1.3.3 生姜淀粉基本組分分析 水分：直接干燥法測(cè)定（GB 5009.3-2016）；灰分：灼燒法測(cè)定（GB 5009.4-2016）；表觀直鏈淀粉：碘比色法測(cè)定（GB/T 15683-2008）；總淀粉：酸水解法測(cè)定（GB/T 5009.9-2016 第二法）。

1.3.4 生姜淀粉相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)定 生姜淀粉的相對(duì)分子質(zhì)量采用凝膠滲透色譜-示差-多角度激光光散射儀（GPC-RI-MALLS）測(cè)定[17]。取10 mg 淀粉樣品，加入1 mL 含0.45% LiBr 的DMSO，混勻后沸水浴使淀粉分子充分溶解，過(guò)0.22 μm PTFE膜去除不溶性雜質(zhì)，取100 μL 上 樣。分析 柱Styragel HR 3，Styragel HMW 6E 及Styragel HMW 7 三柱依次串聯(lián)，流動(dòng)相含0.45% LiBr 的DMSO（色譜級(jí)），流速0.3 mL/min，多角度激光光散射儀He-Ne，λ=658 nm。采用系統(tǒng)自帶軟件Astra 5.3.4.20 計(jì)算重均分子質(zhì)量（Mw）及數(shù)均分子質(zhì)量（Mn）。

1.3.5 支鏈淀粉鏈長(zhǎng)分布測(cè)定 采用丁醇沉淀法去除樣品中的直鏈淀粉[18]，接著對(duì)支鏈淀粉進(jìn)行脫支處理制備分析樣品，采用陰離子交換色譜（HPAEC-DAD）測(cè)定其鏈長(zhǎng)分布[19]。步驟為，樣品采用0.5 mol/L 氫氧化鈉溶液制備懸液，在沸水浴中攪拌至體系清澈透明，離心 （8 000 r/min）10 min，用2 mol/L 鹽酸調(diào)至中性，加入丁醇-異戊醇（3∶1）混合液，沸水浴中攪拌10 min 后，冷卻至室溫，于4 ℃冰箱中靜置24 h 取出，離心（8 000 r/min）10 min，上清液即為粗支鏈淀粉。上清液置于分液漏斗中，加入體積比1∶1 的丁醇-異戊醇混合液，沸水浴10 min，冷卻后4 ℃冰箱中靜置48 h，離心（8 000 r/min）10 min，離心液中緩緩加入兩倍體積無(wú)水乙醇，4 ℃冰箱中靜置24 h，將沉淀溶于熱的0.5 mol/L 氫氧化鈉溶液中，用無(wú)水乙醇洗滌，室溫下干燥48 h 得純支鏈淀粉。稱(chēng)取5 mg 樣品，加5 mL ddH2O，沸水浴60 min。取2.5 mL 糊化樣品，加入125 μL 乙酸鈉，25 μL NaN3和5 μL 異淀粉酶，38 ℃放置24 h，滅酶、干燥。將樣品溶于600 μL 流動(dòng)相，離心10 min，取上清上樣。HPAEC-DAD 測(cè)定條件為，流動(dòng)相：0.1 mol/L NaOH+0.5 mol/L NaAC。流速：0.5 mL/min。采用Chromeleon 7.2 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以鏈長(zhǎng)（DP）為橫坐標(biāo)，百分比為縱坐標(biāo)生成柱狀圖。

1.3.6 生姜淀粉的水合性質(zhì)測(cè)定 稱(chēng)取0.1 g 干淀粉（預(yù)先105 ℃處理2 h）于試管，向其中加入10 mL 去離子水，室溫下攪拌30 min；接著將樣品分別置于65，75，85，95 ℃水浴中保溫1 h。然后迅速將其冷卻到室溫，并轉(zhuǎn)移到離心管中離心（3 000 r/min，15 min）。溶解性（%）為上清液干物質(zhì)（105 ℃烘干至恒重）占干淀粉（0.1 g）的百分比；膨潤(rùn)性（g/g）為濕淀粉（離心沉淀物）與其干物質(zhì)之比。

1.3.7 生姜淀粉的糊化性質(zhì)測(cè)定 準(zhǔn)確稱(chēng)取3.000 g 淀粉，倒入已加入定量蒸餾水（根據(jù)淀粉含水量，由軟件得出）的RVA 專(zhuān)用鋁盒中，混合均勻，置于RVA 儀測(cè)定糊化參數(shù)。測(cè)定條件：10 s 內(nèi)轉(zhuǎn)速由960 r/min 的速度降到160 r/min 并保持穩(wěn)定。50 ℃維持1 min，以10 ℃/min 升溫至95 ℃，在95 ℃保持5 min，然后以10 ℃/min 的速度冷卻到50 ℃，在50 ℃保持2 min。測(cè)得淀粉糊黏度曲線(xiàn)，并通過(guò)RVA 專(zhuān)用測(cè)試軟件分析計(jì)算糊化溫度、峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度和回生值等參數(shù)[20]。

1.3.8 生姜淀粉的流變學(xué)性質(zhì)測(cè)定 取生姜淀粉樣品在RVA 儀器下制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的淀粉糊，參考張雅媛等[21]的方法，采用平板-平板測(cè)量系統(tǒng)，平板直徑40 mm，設(shè)置間隙1 mm。動(dòng)態(tài)黏彈性測(cè)定：測(cè)定溫度25 ℃，通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)中對(duì)線(xiàn)性黏彈區(qū)的測(cè)定，確定掃描應(yīng)變值為1%，測(cè)定振蕩頻率設(shè)為0.1～10 Hz 內(nèi)貯能模量 （G'）、損耗模量（G''）、損耗角正切tanδ 隨角頻率（0～500 rad s-1）變化的情況，測(cè)定樣品的黏彈性。動(dòng)態(tài)時(shí)間掃描：將樣品置于平板上進(jìn)行溫度平衡5 min，溫度25℃，掃描應(yīng)變1%，在頻率1 Hz 條件下測(cè)定2 400 s內(nèi)樣品貯能模量（G'）和tanδ 的變化情況。

1.3.9 生姜淀粉凝膠的凍融穩(wěn)定性測(cè)定 配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.0%的淀粉乳，于沸水浴中加熱糊化并維持15 min。稱(chēng)取一定質(zhì)量的淀粉糊置于離心管中，在-18 ℃的冰箱中放置，每隔24 h 取出于室溫下解凍，離心（3 000 r/min，15 min）棄上清，稱(chēng)取沉淀物質(zhì)量，按照式（1）計(jì)算析水率。

式中：P——析水率，%；M1——脫水前淀粉凝膠的質(zhì)量，g；M2——脫水后淀粉凝膠的質(zhì)量，g。

1.3.10 生姜淀粉凝膠的質(zhì)構(gòu)特性表征 配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的生姜淀粉乳沸水浴加熱糊化并保溫20 min，取一定量的淀粉糊置于10 mL 燒杯中，靜置冷卻至室溫，密封，于4 ℃冰箱中靜置24 h，切成φ20 mm，高10 mm 的圓柱形樣品。樣品用TA-XT2i 質(zhì)構(gòu)分析儀測(cè)定，測(cè)定模式為T(mén).P.A 模式；TA4/1000 探頭（直徑0.4 英寸的圓柱狀平頭探頭）；測(cè)試前探頭速率：2.0 mm/s；測(cè)試時(shí)探頭速率：1.0 mm/s；測(cè)試后探頭速率：1.0 mm/s；壓縮程度：45%；觸發(fā)類(lèi)型：自動(dòng)；觸發(fā)力：4 g。

1.3.11 生姜淀粉的消化特性表征 分別測(cè)定生淀粉和糊化后淀粉的酶解消化性，參照Miao 等[22]的方法，具體步驟為，將樣品加入到磷酸鹽緩沖液（0.2 mol/L，pH 5.2）中，與豬胰腺α-淀粉酶、真菌淀粉葡萄糖苷酶混合，37 ℃振蕩（150 r/min），分別于20，120 和180 min 取樣，用無(wú)水乙醇終止反應(yīng)后，3，5-二硝基水楊酸法測(cè)定還原糖含量。對(duì)于熟淀粉，用磷酸鹽緩沖液制備淀粉懸液，沸水浴中充分糊化后于37 ℃保溫5 min，按前述方法酶解?？煜矸郏≧DS）、慢消化淀粉（SDS）及抗性淀粉（RS）分別按照式（2）、式（3）和式（4）計(jì)算[6]。

式中：G20和G120分別為20 min 及120 min 時(shí)葡萄糖的釋放量（mg）；FG 和TG 分別為原樣中游離葡萄糖含量（mg）和總葡萄糖當(dāng)量（mg）。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

所有試驗(yàn)至少重復(fù)3 次，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示；通過(guò)SPSS 18.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，采用Duncan's 多重比較，以P<0.05 為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與討論

2.1 生姜淀粉的顆粒形態(tài)及結(jié)構(gòu)特性

2.1.1 生姜淀粉的顯微結(jié)構(gòu) 由圖2可知，生姜淀粉顆粒呈現(xiàn)不同形態(tài)特征，較大顆粒呈葵花籽型（長(zhǎng)軸30～37 μm，短軸15～23 μm），與芒果姜（Curcuma amada Roxb.）淀粉的形態(tài)極相似[23]；中等大小的顆粒呈圓盤(pán)狀（直徑10～15 μm）；較小顆粒呈橢球或多角型（5～10 μm）。Reyes 等[9]報(bào)道生姜淀粉長(zhǎng)軸均值（24.4±8.7）μm，短軸均值（21.1±7.0）μm。Braga 等[10]報(bào)道生姜淀粉顆粒長(zhǎng)軸10～28 μm。萊蕪大姜淀粉與Braga 等[10]報(bào)道的生姜淀粉的形態(tài)大小基本一致。四川竹根姜淀粉的平均粒徑 （16.83±0.89）μm 大于萊蕪大姜淀粉（13.63±1.60）μm，這一方面與品種有關(guān)，另一方面可能與生長(zhǎng)周期有關(guān)。相對(duì)而言四川竹根姜生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)，因而淀粉顆粒有較長(zhǎng)的生長(zhǎng)時(shí)間。此外，Li等[24]的研究發(fā)現(xiàn)姜黃淀粉同樣具有形態(tài)和尺寸上的多樣性。

圖2 生姜淀粉的掃描電鏡圖Fig.2 Scanning electron micrographs of ginger starches

2.1.2 生姜淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu) 由圖3可知，生姜淀粉在15.0°，17.3°，18.2°和23.1°具有典型衍射峰，不同之處是四川竹根姜淀粉在5.8°有一個(gè)小衍射峰。四川竹根姜淀粉為CA 型（即接近A 型的C 型[25]），萊蕪大姜淀粉為A 型。Reyes 等[9]報(bào)道生姜淀粉為A 型結(jié)晶；Zhang 等[16]報(bào)道黃姜（Dioscorea zingiberensis C.H.Wright） 以及Li 等[24]報(bào)道姜黃（Curcumae longae L.）的淀粉均為A 型結(jié)晶，而B(niǎo)raga 等[10]報(bào)道生姜淀粉為C 型結(jié)晶。同一作物的淀粉具有多種晶型是常見(jiàn)現(xiàn)象，例如甘薯淀粉有A、B、CA、CB 及CC 等多種晶型[25-26]。萊蕪大姜淀粉的相對(duì)結(jié)晶度為29.9%，而四川竹根姜淀粉的為37.5%，與Li 等[24]報(bào)道姜黃淀粉的結(jié)果（相對(duì)結(jié)晶度39.62%）接近。

圖3 生姜淀粉的X-射線(xiàn)衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction pattern of starches from two ginger cultivars

2.1.3 生姜淀粉的近程結(jié)構(gòu) 紅外光譜常與X-射線(xiàn)衍射組合用于解析淀粉分子的有序結(jié)構(gòu)[1，6]。由圖4a 可知，兩個(gè)品種生姜的淀粉在IR 吸收譜帶上無(wú)明顯差異。3 000～3 650 cm-1范圍的寬峰為淀粉的游離羥基（-OH）的伸縮振動(dòng)峰，1 154 cm-1是C-O 鍵伸縮振動(dòng)峰，928 cm-1是D-吡喃葡萄糖環(huán)的非對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰[27]。同時(shí)，IR 譜帶上（1 045/1 022） cm-1及（1 022/995） cm-1峰強(qiáng)度比值常被看作是淀粉分子近程有序結(jié)構(gòu)的指征，原因在于1 022 cm-1附近吸收峰的吸光值隨無(wú)定型程度增加而增加，1 045 cm-1對(duì)應(yīng)吸收峰的吸光值隨近程有序 （short-order） 程度增加而增加，995 cm-1對(duì)應(yīng)吸收峰則隨淀粉分子螺旋結(jié)構(gòu)的增加而增加[6，24]。結(jié)果表明，四川竹根姜淀粉及萊蕪大姜淀粉的（1 045/1 020） cm-1分別為0.545±0.004 和0.528±0.002（P<0.05）；對(duì)于（1 020/995） cm-1前者0.907±0.006 后者0.918±0.003，表明四川竹根姜淀粉（CA型）近程有序程度高于萊蕪大姜淀粉（A型）。

圖4 生姜淀粉的FT-IR 圖譜（a）和FT-IR 局部放大圖譜1 100～900 cm-1（b）Fig.4 The full range of FT-IR spectra （a） and enlarged FT-IR spectra in the range of 1 100～900 cm-1 （b）of ginger starches

2.2 生姜淀粉的基本成分

結(jié)果表明，四川竹根姜淀粉及萊蕪大姜淀粉的水分含量分別為（8.51±0.11）g/100 g、（9.83±0.47）g/100 g；灰分含量：前者（0.41±0.06）g/100 g（干基），后者（0.52±0.08）g/100 g（干基）；總淀粉含量依次為（86.40±0.50）g/100 g（干基）和（87.85±0.36）g/100 g （干基）；表觀直鏈淀粉含量分別為（34.10±0.45）g/100 g（干基）和（31.67±0.52）g/100 g（干基），具有顯著性差異（P<0.05）。Reyes 等[9]報(bào)道生姜淀粉中直鏈淀粉含量為22.2%，李媛等[12]報(bào)道萊蕪生姜直鏈淀粉含量為27.47%，而B(niǎo)raga 等[10]報(bào)道生姜淀粉中直鏈淀粉含量為34%。

2.3 生姜淀粉的分子結(jié)構(gòu)

由圖5a 可知，兩個(gè)品種的生姜淀粉在GPCRI-MALLS 圖譜上的洗脫峰基本相似，均方根半徑矩（rms radius moments） 四川竹根姜淀粉Rw=102.7 nm，萊蕪大姜淀粉Rw=97.4 nm；重均分子質(zhì)量，前者M(jìn)w=2.22×107g/mol，后者M(jìn)w=1.58×107g/mol；同時(shí)，四川竹根姜淀粉中淀粉分子的多分散性（Mw/Mn=1.28）要高于萊蕪大姜淀粉（Mw/Mn=1.05）。從圖5b 可見(jiàn)，兩種淀粉顆粒的淀粉分子的共同點(diǎn)在于均呈多峰分布，主峰均在（1～1.5）×107g/mol，第二峰在（1.5～2）×107g/mol；區(qū)別在于萊蕪大姜淀粉只檢測(cè)到（1.05～2.24）×107g/mol 范圍的組分，而且存在精細(xì)分離的小峰，說(shuō)明其組分的聚合度不是連續(xù)變化的，但是四川竹根姜淀粉中存在可檢測(cè)的物質(zhì)的量大于2.24×107g/mol 的組分，這些組分占比達(dá)20.1%，最大分子質(zhì)量可能達(dá)到4.81×107g/mol，故四川竹根姜淀粉的重均分子質(zhì)量更大且分子質(zhì)量的分布更寬。Li 等[24]報(bào)道姜黃淀粉Mw=2.208×107g/mol，Mw/Mn=1.146，與本研究的結(jié)果相近。

圖5 生姜淀粉摩爾質(zhì)量及MALLS 信號(hào)的洗脫時(shí)間曲線(xiàn)（a）和相對(duì)分子質(zhì)量分布（b）Fig.5 GPC-RI-MALLS chromatograms （a） and the molar distribution profiles （b） of starches extracted from ginger

由圖6可知，兩種生姜的淀粉具有不同的支鏈淀粉鏈長(zhǎng)分布特征。其中，四川竹根姜淀粉中的支鏈淀粉鏈長(zhǎng)呈雙峰（DP12 和DP46）分布，且含有相對(duì)較多的長(zhǎng)鏈（DP≥37），而萊蕪大姜淀粉的支鏈淀粉鏈長(zhǎng)呈單峰分布，分子中以短鏈（DP=6～12）為主。結(jié)果表明，四川竹根姜淀粉的平均鏈長(zhǎng)為31.08，萊蕪大姜淀粉平均鏈長(zhǎng)為20.78，具有顯著性差異。由此可見(jiàn)兩種原料因品種及栽培環(huán)境不同，使得合成的淀粉顆粒中支鏈分子存在鏈長(zhǎng)分布的多樣性。在塊莖塊根類(lèi)淀粉如馬鈴薯和甘薯淀粉（主峰在DP13，次峰在DP48）及山藥淀粉中，支鏈淀粉側(cè)鏈鏈長(zhǎng)一般呈雙峰分布[28-29]。支鏈淀粉的鏈長(zhǎng)分布主要與淀粉分支酶的活性有關(guān)，如玉米粒中分支酶I 優(yōu)先催化DP>10 的支鏈生成且分支位點(diǎn)較稀疏，而分支酶II 主要催化DP3～9支鏈生成且促使形成較高支化度的支鏈淀粉[30]。Sawada 等[31]通過(guò)基因工程手段可將稻米胚乳中支鏈淀粉的鏈長(zhǎng)分布從雙峰調(diào)整為單峰。因此，相對(duì)于萊蕪大姜淀粉，四川竹根姜淀粉中DP≤12 的短鏈減少以及DP≥37 的長(zhǎng)鏈增加可能與各自對(duì)分支酶活性的調(diào)節(jié)有關(guān)。此外，鑒于四川竹根姜淀粉中表觀直鏈淀粉含量與支鏈淀粉平均鏈長(zhǎng)均高于萊蕪大姜淀粉，有可能顆粒結(jié)合型淀粉合成酶I（GBSSI）在負(fù)責(zé)催化直鏈淀粉合成的同時(shí)，參與了支鏈淀粉側(cè)鏈的合成[32]。

圖6 生姜淀粉支鏈淀粉鏈長(zhǎng)分布譜圖Fig.6 Chain length distribution of amylopectin molecules from ginger starches

2.4 生姜淀粉的水合性質(zhì)

由圖7可知，兩種生姜淀粉的溶解性及膨潤(rùn)性均隨溫度上升而增加，且85 ℃以上時(shí)增加幅度明顯增大。這是因?yàn)槠鸪鯗囟容^低水分子主要進(jìn)入淀粉顆粒的無(wú)定型區(qū)，淀粉顆粒吸水膨脹及淀粉分子漏出程度有限；當(dāng)溫度上升到可以使結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，水分子大量進(jìn)入此區(qū)域與淀粉分子結(jié)合，淀粉顆粒迅速吸水膨脹且漏出量大幅增加[24]。Reyes 等[9]研究也發(fā)現(xiàn)生姜淀粉的溶解性和膨潤(rùn)性在90 ℃以上時(shí)才大幅上升。Afolayan 等[33]報(bào)道生姜淀粉的膨潤(rùn)性為11.07 g/g，與本研究接近。兩種淀粉在不同溫度條件下的膨潤(rùn)性無(wú)顯著性差異，但溶解性有所不同，萊蕪大姜淀粉溶解性高于四川竹根姜淀粉，這可能與其直鏈淀粉更易漏出有關(guān)。相對(duì)于馬鈴薯、木薯等的淀粉，生姜淀粉具有較低的膨潤(rùn)性[34]。

圖7 兩種生姜淀粉的溶解性及膨潤(rùn)性比較Fig.7 The solubility and swelling power of starches extracted from two ginger cultivars

2.5 生姜淀粉的糊化及膠凝特性

從圖8可知，四川竹根姜淀粉比萊蕪大姜淀粉的糊化起始時(shí)間靠前，其糊化溫度（87.8 ℃±0.5℃） 顯著低于后者（91.06 ℃±0.49 ℃），且在整個(gè)RVA 圖譜上，前者的黏度呈單調(diào)上升趨勢(shì)，這與Reyes 等[9]對(duì)生姜淀粉進(jìn)行布拉班德黏度測(cè)試時(shí)觀測(cè)的結(jié)果一致。在對(duì)應(yīng)于萊蕪大姜淀粉熱糊失穩(wěn)區(qū)間（指從峰值黏度到熱糊黏度的溫度區(qū)間）上，四川竹根姜淀粉體系的黏度從（2 314.33±127.89）cp 上升到（2 418±105）cp，而萊蕪大姜淀粉體系從峰值黏度（1 999.33±73.8）cp 下降到（1 923±55.05）cp，后者表現(xiàn)出輕度的熱糊失穩(wěn) （衰減值76.33 cp±19.03 cp），表明四川竹根姜淀粉具有良好的耐熱及耐剪切性[29]。在從95 ℃到50 ℃的程序降溫過(guò)程中，川竹根姜淀粉體系的回生值 （1 327.67±31.02）cp（冷糊黏度與降溫點(diǎn)黏度的差值）顯著高于川竹根姜淀粉體系的回生值（699±14.42）cp，且前者冷糊黏度為（3 642±155）cp，遠(yuǎn)高于后者（2 622±64.55）cp，表明川竹根姜淀粉具有更強(qiáng)的增稠能力[1]。

圖8 生姜淀粉的糊化曲線(xiàn)Fig.8 Pasting profiles of ginger starches

由圖9可知，從0～360 rad/s，淀粉糊的彈性模量（G′）和儲(chǔ)能模量（G′′）表現(xiàn)出一定的頻率依賴(lài)性；同時(shí)，兩種生姜淀粉糊的損耗角正切值（tanδ）均＜1，表明淀粉糊具有一定剛性。四川竹根姜的tanδ 更小，糊的剛性更強(qiáng)[35]。隨著角頻率增加，兩種淀粉糊的tanδ 均呈增大趨勢(shì)，表明淀粉糊的剛性隨之減弱。

圖9 生姜淀粉糊的彈性模量（G′）、儲(chǔ)能模量（G′′）和損耗角正切值（tanδ）隨角頻率變化圖譜Fig.9 Variation of G′，G′′，and tanδ with angular frequency for ginger starch pastes

由圖10可知，生姜淀粉糊在保溫期間（0～2 400 s）彈性模量（G′）隨時(shí)間增加，tanδ 則逐漸降低，表明淀粉糊因淀粉分子重結(jié)晶使得剛性逐漸增強(qiáng)，淀粉糊發(fā)生了明顯的膠凝作用[36]。由于兩個(gè)樣品的G′隨時(shí)間逐漸拉大，四川竹根姜淀粉具有較大的重結(jié)晶速度[37]。

圖10 生姜淀粉糊（質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%）的時(shí)間掃描圖譜Fig.10 Time sweeps of the ginger starch pastes （6% w/w）

淀粉凝膠在反復(fù)凍融過(guò)程中常發(fā)生析水，這是由于凍融過(guò)程中淀粉分子鏈之間的自聚集造成水合能力下降和凝膠網(wǎng)絡(luò)收縮，使水從凝膠結(jié)構(gòu)中析出[38]。由圖11可知，生姜淀粉糊在首次冷凍-解凍處理后即產(chǎn)生析水，且析水率隨凍融次數(shù)增加而增加，但第3 次的析水速度明顯放慢；此外，相同循環(huán)次數(shù)時(shí)兩種生姜淀粉糊的析水率并無(wú)顯著性差異（P＞0.05）。析水率過(guò)高會(huì)影響其在凝膠食品中的應(yīng)用[39]。生姜淀粉凝膠的析水率高于木薯、糯粳稻等的淀粉凝膠，但相對(duì)而言仍偏低，遠(yuǎn)低于疣柄魔芋、芭蕉芋、土豆和板栗等的淀粉凝膠[1，40]。

由表1可知，四川竹根姜淀粉凝膠比萊蕪大姜淀粉凝膠的硬度高，彈性更好，這可能與前者含有較多直鏈淀粉及較長(zhǎng)側(cè)鏈的支鏈淀粉分子有關(guān)，更有利于形成機(jī)械強(qiáng)度更好的凝膠結(jié)構(gòu)[35]，這與圖11觀測(cè)到的結(jié)果一致。黏性指下壓1 次后將探頭從試樣中拔出所需的能量，反映了凝膠被咀嚼時(shí)，其對(duì)口腔咀嚼接觸面黏著的性質(zhì)。表1中四川竹根姜淀粉凝膠比萊蕪大姜淀粉凝膠的黏性低，表明前者可賦予淀粉制品更好的口感，實(shí)際上四川竹根姜淀粉凝膠的咀嚼性顯著高于萊蕪大姜淀粉凝膠（表1）。

表1 生姜淀粉凝膠的質(zhì)構(gòu)參數(shù)Table 1 Texture parameters of ginger starch

圖11 生姜淀粉糊的析水率Fig.11 Syneresis of ginger starch pastes

2.6 生姜淀粉的消化特性

由表2可知，生淀粉顆粒對(duì)淀粉酶不敏感，兩種淀粉的RDS 和RS 組分含量無(wú)顯著性差異，但萊蕪大姜淀粉的SDS 組分含量高于四川竹根姜淀粉。這可能與萊蕪大姜淀粉的支鏈淀粉分子中具有較高比例的短鏈有關(guān)，這些短鏈分布在外鏈，由于無(wú)法形成螺旋結(jié)構(gòu)而容易酶解[41]。生姜淀粉糊化后，淀粉分子從結(jié)晶區(qū)解聚，對(duì)酶的敏感性增強(qiáng)，因而RS 組分含量大幅下降[42]。此外，萊蕪大姜熟淀粉含有較多RDS 組分和較少SDS 及RS 組分，這可能與它含有短側(cè)鏈的支鏈淀粉分子以及較慢的重結(jié)晶速度有關(guān)。

表2 未糊化的及已糊化的生姜淀粉體外消化后RDS，SDS 和RS 的質(zhì)量百分比Table 2 The percentage of RDS，SDS and RS of uncooked and cooked ginger starches

3 結(jié)論

從四川竹根姜和萊蕪大姜中提取淀粉，對(duì)比研究了兩種淀粉的結(jié)構(gòu)組成和功能特性。研究發(fā)現(xiàn)，生姜淀粉顆粒具有形態(tài)多樣性，四川竹根姜淀粉的平均粒徑較大。四川竹根姜淀粉為CA 型，而萊蕪大姜淀粉為A 型。四川竹根姜淀粉分子的近程有序程度更高，重均分子質(zhì)量、分子質(zhì)量分布系數(shù)、直鏈淀粉含量以及支鏈淀粉平均鏈長(zhǎng)均大于萊蕪大姜淀粉。兩種生姜淀粉的溶解性及膨潤(rùn)性隨溫度升高而增加；快速黏度分析結(jié)果表明，生姜淀粉具有良好的耐熱及耐剪切能力，成糊后容易回生；流變學(xué)分析結(jié)果表明，生姜淀粉呈現(xiàn)一定剛性，且剛性隨著老化時(shí)間延長(zhǎng)而增強(qiáng)。生姜淀粉經(jīng)凍融處理會(huì)產(chǎn)生析水，但兩種淀粉析水率無(wú)顯著性差異。質(zhì)構(gòu)分析結(jié)果表明，四川竹根姜淀粉凝膠比萊蕪大姜淀粉凝膠的硬度高，彈性更好，咀嚼性更佳。體外消化結(jié)果表明，生淀粉顆粒較難被淀粉酶水解，但糊化后抗消化組分含量大幅降低，但糊化后的四川竹根姜淀粉比萊蕪大姜淀粉含有更多抗消化組分。