沙土與壚土種植懷山藥中淀粉及抗性淀粉的理化性質(zhì)比較

◎ 孟世龍，焦 芬，何青云，任澤玥，馬凡怡

（河南大學(xué)藥學(xué)院天然藥物與免疫工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 開封 475004）

懷山藥作為河南“四大懷藥”之首，主產(chǎn)于河南沁陽(yáng)、武陟、溫縣地區(qū)（古懷慶府），是一種藥食同源的常見(jiàn)中藥，有消渴生津、補(bǔ)脾益肺等功效。懷山藥中淀粉含量約為65.2%～76.6%，是一種常見(jiàn)的淀粉源[1]。

河南焦作地區(qū)（北緯35°10' ～35°21'，東經(jīng)113°4' ～113°26'）主要種植懷山藥的土壤分為臨近黃河的沙質(zhì)土壤和臨近太行山脈的壚質(zhì)土壤[2]。

沙土和壚土種植的懷山藥中，水分、氨基酸、淀粉等營(yíng)養(yǎng)成分[3]以及非淀粉多糖[2]均具有顯著差別。為了研究2種懷山藥淀粉制備的抗性淀粉的物理化學(xué)性質(zhì)差別，本文利用壓熱法制備了懷山藥抗性淀粉，對(duì)比了沙土懷山藥原淀粉（SNS）及其抗性淀粉（SRS），壚土懷山藥原淀粉（LNS）及其抗性淀粉（LRS）的微觀結(jié)構(gòu)、直鏈淀粉含量、含水量、溶解性、持水性以及乳化性等理化性質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 材料

沙土懷山藥和壚土懷山藥均購(gòu)自河南保和堂（焦作）制藥有限公司；大豆油購(gòu)自上海易恩化學(xué)技術(shù)有限公司；直鏈淀粉試劑盒購(gòu)自英國(guó)Megazyme有限公司；HgCl2、中鏈甘油三酯（MCT）等試劑購(gòu)自天津基準(zhǔn)化學(xué)試劑有限公司，均為分析純?cè)噭?/p>

1.2 方法

1.2.1 懷山藥抗性淀粉的制備

1.2.1.1 懷山藥原淀粉的提取

分別將壚土和沙土懷山藥洗凈，去皮，并切成1～3 mm薄片，干燥粉碎后過(guò)100目篩，得到山藥粉。根據(jù)Wang[4]等人的方法提取原淀粉，過(guò)篩后的山藥粉立即浸泡在含有0.1% HgCl2的水中，以防止微生物生長(zhǎng)。沉淀后，除去上清液，再用蒸餾水將淀粉反復(fù)水洗和沉降10次，以3000 r/min的速度離心10 min。倒掉上清液，刮去上層非白色層。將白色層用蒸餾水重新懸浮并離心3～5次，收集并在室溫下自然干燥，即得到沙土懷山藥原淀粉（SNS）和壚土懷山藥原淀粉（LNS）。原淀粉產(chǎn)率的計(jì)算公式見(jiàn)式（1）：

1.2.1.2 懷山藥抗性淀粉的制備

根據(jù)Dundar[5]等人的方法，利用循環(huán)壓熱法制備抗性淀粉。分別將14%（w/v）的SNS和LNS置于高壓滅菌鍋中，130 ℃壓熱處理40 min，4 ℃冷卻沉降24 h，反復(fù)三次，干燥粉碎，過(guò)100目篩，即得沙土懷山藥抗性淀粉（SRS）和壚土懷山藥抗性淀粉（LRS）?？剐缘矸鄣牡矸郛a(chǎn)率計(jì)算公式見(jiàn)式（2）：

1.2.2 懷山藥抗性淀粉的理化性質(zhì)檢測(cè)

1.2.2.1 直鏈淀粉含量

使用Megazyme試劑盒對(duì)SNS、SRS、LNS、LRS進(jìn)行直鏈淀粉含量的測(cè)定。

1.2.2.2 含水量

分別取SNS、SRS、LNS、LRS樣品2 g，置于105 ℃烘箱中，干燥至恒重，稱重。含水量的計(jì)算公式見(jiàn)式（3）：

1.2.2.3 掃描電鏡

分別將SNS、SRS、LNS、LRS樣品用導(dǎo)電膠固定于銅臺(tái)上，噴金，用掃描電鏡（JSM-7001F，日本電子株式會(huì)社）觀察淀粉的微觀結(jié)構(gòu)[6]。

1.2.2.4 X-射線衍射

使用X-射線粉末衍射儀（D8 Advance，德國(guó)布魯克光譜儀器公司），對(duì)SNS、SRS、LNS、LRS的結(jié)晶性質(zhì)進(jìn)行考察。加速電壓40 kV，管電流40 mA加測(cè)量角度2θ為5°-70°，掃描速度4°/min[7]。

1.2.2.5 傅里葉紅外光譜

使用傅里葉紅外光譜儀（VERTEX 70，德國(guó)布魯克光譜儀器公司），對(duì)山藥淀粉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。使用KBr壓片法分別處理SNS、SRS、LNS、LRS樣品，掃描波長(zhǎng)為400～4000 cm-l，樣品測(cè)量溫度為25 ℃[6]。

1.2.2.6 懷山藥抗性淀粉的持水力

分別取SNS、SRS、LNS、LRS樣品50 mg，將其置于10 mL蒸餾水中，在45、55、65、75、85和95 ℃中水浴1 h，冷卻至室溫。6000 r/min離心15 min，舍去上清液后稱重[6]。持水力的計(jì)算公式見(jiàn)式（4）：

其中：WHC為持水力；m1為沉淀質(zhì)量（g）；m2為樣品質(zhì)量（g）。

1.2.2.7 懷山藥抗性淀粉的溶解度

分別將SNS、SRS、LNS、LRS樣品（2 g）轉(zhuǎn)移到4支含有20 mL蒸餾水的離心管中，在50、60、70、80和90 ℃的水浴中加熱40 min。為確保加熱均勻，樣品每5 min攪拌1次。將淀粉樣品冷卻至25 ℃后，在3000 r/min下離心10 min，分離不溶性淀粉。將淀粉在105 ℃干燥至恒重，稱重[7]。溶解度的計(jì)算公式見(jiàn)式（5）：

其中：S為溶解度；A為上清液烘干后殘?jiān)馁|(zhì)量（g）；W為樣品質(zhì)量（g）。

1.2.2.8 懷山藥抗性淀粉的乳化性質(zhì)

分別取SNS、SRS、LNS、LRS樣品2 g，將其置于150 mL蒸餾水中，混勻。60 ℃水浴加熱15 min，加入50 mL大豆油，2000 r/min均質(zhì)1 min后，3000 r/min離心10 min。根據(jù)式（6）和（7），分別計(jì)算其乳化能力和乳化穩(wěn)定性。

1.2.3 數(shù)據(jù)與分析

每組實(shí)驗(yàn)測(cè)定3次，以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)率、直鏈淀粉含量及含水量

SNS的產(chǎn)率約為64.80%，LNS約為74.60%，SRS和LRS的產(chǎn)率分別為96.33%和89.68，說(shuō)明在制備抗性淀粉過(guò)程中，可以保證較高的產(chǎn)率。

直鏈淀粉的含量可以直觀反映抗性淀粉在樣品中的實(shí)際占比，故可以通過(guò)檢測(cè)直鏈淀粉推測(cè)抗性淀粉的純度。經(jīng)壓熱法處理后的SRS和LRS所含直鏈淀粉比例分別由14.78%（SNS）和28.90%（LNS）顯著提高至80.77%（SRS）和85.43%（LRS），說(shuō)明原淀粉組中，壚土山藥中含有更多的直鏈淀粉；經(jīng)高溫高壓后制備得到的抗性淀粉組中，直鏈淀粉含量均顯著增大，且沙土山藥較壚土山藥提高更多。

SNS、SRS、LNS和LRS的含水量分別是1.03%、2.91%、4.71%和3.15%，SNS的含水量顯著低于LNS（P< 0.05），說(shuō)明在儲(chǔ)藏過(guò)程中，沙土懷山藥原淀粉更易保持其原有品質(zhì)。經(jīng)壓熱處理后的SRS含水量顯著升高，而LRS的含水量顯著降低，說(shuō)明SRS結(jié)構(gòu)經(jīng)高溫高壓破壞重組后更易保留水分子，而LRS片層狀結(jié)構(gòu)更易失去水分子。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)

利用掃描電鏡觀察4種淀粉的微觀結(jié)構(gòu)。SNS和LNS微觀結(jié)構(gòu)基本相同，淀粉顆粒表面光滑完整，呈不規(guī)則的橢球形態(tài)。經(jīng)壓熱處理后，二者的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，SRS和LRS均不再具有顆粒特征，而是呈現(xiàn)片層狀結(jié)構(gòu)。原因可能是淀粉在高溫高壓條件下發(fā)生糊化，直鏈淀粉從其被破壞的顆粒結(jié)構(gòu)中溶出，待冷卻時(shí)再重新排列，因此，呈現(xiàn)為片層狀結(jié)構(gòu)。

2.3 X射線衍射

由XRD圖譜（圖1a）可知，SNS在衍射角為14.88°、17.00°和22.89°時(shí)有較強(qiáng)的衍射峰，LNS在衍射角為14.91°、16.90°和22.77°時(shí)有較強(qiáng)的衍射峰。SRS僅在17.04°和22.10°處，LRS僅在18.86°和22.25°處有較強(qiáng)的衍射峰，且峰型分散。這說(shuō)明經(jīng)壓熱法處理后，懷山藥的淀粉結(jié)構(gòu)被打亂重排，形成了新的晶體結(jié)構(gòu)。

圖1 4種淀粉的XRD（a）和FTIR（b）圖

2.4 傅里葉紅外光譜

由圖1（b）可知，沙土和壚土懷山藥的原淀粉及抗性淀粉有共同的吸收峰：3500～3317 cm-1處的吸收峰均為-OH的伸縮吸收峰；2935～2925 cm-1的特征峰為飽和-CH鍵的振動(dòng)吸收峰。1654～1642 cm-1處的強(qiáng)吸收峰對(duì)應(yīng)的是羰基C-O的伸縮振動(dòng)；1161 cm-1附近的特征峰為與伯醇羥基相連的C-O伸縮振動(dòng)吸收峰；1039～997 cm-1處為與仲醇羥基相連的C-O-C伸縮振動(dòng)峰。4種淀粉主要吸收峰基本重合，證明沙土種植和壚土種植并不會(huì)影響山藥中淀粉的分子結(jié)構(gòu)，也進(jìn)一步證明懷山藥淀粉在壓熱過(guò)程中主要發(fā)生了物理變化，沒(méi)有新的官能團(tuán)產(chǎn)生。值得注意的是，SNS在3406 cm-1處只有單吸收峰，而SRS在3500 cm-1和3317 cm-1處出現(xiàn)了雙峰，表明抗性淀粉中有的羥基出現(xiàn)締合形成氫鍵。

2.5 持水力

淀粉持水力表示羥基與淀粉分子鏈由共價(jià)結(jié)合所產(chǎn)生的結(jié)合水量的大小，4種淀粉的持水力如圖2（a）所示。SNS和LNS在45～65 ℃時(shí)，持水力無(wú)顯著變化；當(dāng)溫度大于65 ℃時(shí)，持水力顯著升高，可能是由于溫度升高，原淀粉糊化時(shí)大量吸水所致。SRS和LRS在45～95 ℃區(qū)間內(nèi)，持水力無(wú)顯著變化（P> 0.05），相較于原淀粉，持水力變差。此現(xiàn)象可能是淀粉經(jīng)壓熱處理后結(jié)構(gòu)被破壞，更多的親水羥基被暴露，形成的片層結(jié)構(gòu)無(wú)法吸水。

圖2 4種淀粉的持水力（a）、溶解度（b）和乳化性質(zhì)（c和d）圖

2.6 溶解度

淀粉的溶解度反映了在一定溫度下，淀粉顆粒在膨脹中的溶解能力，常被用來(lái)衡量淀粉的品質(zhì)。4種淀粉在50～90 ℃的溶解度如圖2（b）所示。SNS和LNS在50～60 ℃時(shí)，溶解度無(wú)顯著變化（P> 0.05）；當(dāng)溫度大于60 ℃時(shí)，溶解度顯著提高（P< 0.05）。LRS和SRS在50～90 ℃下，溶解度一直保持穩(wěn)定，未發(fā)生顯著性變化（P> 0.05）。結(jié)果表明，沙土懷山藥的溶解度大于壚土懷山藥的溶解度，可能是因?yàn)樯惩翍焉剿幎酁榉圪|(zhì)，持水力強(qiáng)。在不同溫度下，抗性淀粉的溶解度均顯著高于原淀粉（P< 0.05），說(shuō)明抗性淀粉在制備過(guò)程中結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，支鏈結(jié)構(gòu)被破壞，短直鏈增多暴露了更多的羥基基團(tuán)，溶解力顯著升高。

2.7 乳化性質(zhì)

圖2 （c）（d）顯示了4種淀粉分別在MCT（c）和大豆油（d）中的乳化性質(zhì)。SNS在MCT和大豆油中的乳化能力分別為96.2%和97.6%，SRS僅為11.6%和13.7%，SRS的乳化能力顯著降低（P< 0.05）。SNS在MCT和大豆油中的乳化穩(wěn)定性分別為99.3%和97.6%，SRS在大豆油和MCT中的乳化穩(wěn)定性分別為100.0%和94.4%，二者在大豆油和MCT中均能保持良好的乳化穩(wěn)定性，無(wú)顯著性差異（P> 0.05）。LNS和LRS的乳化能力和穩(wěn)定性同樣保持了此趨勢(shì)，與SNS和SRS無(wú)顯著性差異。

3 結(jié)論

本文對(duì)沙土懷山藥和壚土懷山藥原淀粉（SNS和LNS）進(jìn)行循環(huán)壓熱處理，制備了抗性淀粉（SRS和LRS），并對(duì)4種淀粉進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析及表征。結(jié)果表明，SNS和LNS、SRS和LRS的直鏈淀粉含量、含水量具有顯著區(qū)別；沙土和壚土懷山藥的原淀粉及抗性淀粉理化性質(zhì)變化無(wú)顯著性差異。原淀粉顆粒為表面光滑的橢球狀結(jié)構(gòu)，而抗性淀粉則為凸凹不平的片層狀結(jié)構(gòu)，雖均保持了C型晶型，但XRD圖譜顯示衍射峰消失或峰型變寬。4種淀粉紅外光譜的主要特征峰基本一致，說(shuō)明壓熱處理的過(guò)程中主要發(fā)生物理變化，無(wú)新化合物生成。對(duì)比原淀粉，抗性淀粉的溶解度、持水力隨著溫度的變化可以保持穩(wěn)定，且乳化能力顯著下降。