芋艿淀粉的功能特性

芋艿(Colocasia esculenta (L.) Schott)俗称为芋头，别名为芋魁、毛芋、土芝、岷紫，属天南星科单子叶多年生草本植物，在云南、四川、贵州、福建、海南、浙江等地均有栽培，其中宁波奉化享有“芋艿之乡”的美名，奉化芋艿是深受大众消费者欢迎的蔬菜之一，也是宁波市传统的名特优农产品。据记载，奉化在宋代就种植芋艿，至今已有700多年的历史。明代中叶从浙南一带传入魁芋类大芋艿，其母芋、子芋都适宜速冻加工，因主食母芋，故又名奉化芋艿头[1]。传统医学认为，芋性辛、甘平，入胃、肠，具有通便散结、补中益气的功效。

因奉化特殊的地域环境、气候和土壤条件，造就了营养丰富、品质佳、风味独特的芋艿头，一直以来颇受广大消费者青睐，名声响彻海内外。奉化芋艿头肉质较细腻、粉质，无明显红筋，口感较糯滑，风味独特，营养丰富。奉化芋艿富含淀粉、蛋白质、氨基酸、维生素，以及钙、磷、铁、钾、镁、钠、胡萝卜素、烟酸等，而其中干基淀粉质量分数达70%左右[2]。奉化芋艿母芋(芋艿头)一般为近球形或椭圆形，外表呈棕黄色，肉质呈乳白色，子芋(芋艿子)10个左右，其中芋艿头占芋艿产量的65%左右，其余大部分为芋艿子[3]。不同植物来源的淀粉，其化学组成、颗粒形状、大小和糊化温度、流变学特性以及酶解消化等功能特征有着较大的差异，进而导致其在应用领域有不同的价值，目前对芋头淀粉的研究主要集中于加工方式及改性方法，例如张琳琳等利用芋头淀粉颗粒较小的特点通过热改性方法制成了较优的淀粉乳液[4]，而对不同来源芋艿原淀粉之间的差异研究较少。本研究采用场发射扫描电子显微镜、快速黏度分析仪、差示扫描量热仪、流变仪、体外酶解消化法对奉化芋艿头、奉化芋艿子及温岭芋艿的淀粉结构与功能特征进行深入分析，以期为相关产品加工及消费提供理论依据和指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

奉化芋艿头、芋艿子及温岭芋艿样品，宁波工程学院奉化研究院；NaOH、KOH、HCl、KI、醋酸钠、冰醋酸、无水乙醇(均为分析纯)，国药集团化学试剂有限公司；MilliQ超纯水(采用MilliQ纯水系统纯化)，德国Merk Millipore公司；猪胰腺α-淀粉酶、淀粉转葡萄糖苷酶，美国Sigma公司；GOPOD测试试剂盒,爱尔兰Megazyme公司。

1.2 仪器与设备

漩涡混合器，美国SI公司；TDZ5-WS离心机：湖南湘仪公司；GeminiSEM 300场发射扫描电子显微镜，德国蔡司公司；Q100差示扫描量热仪、DHR-1型流变分析仪，美国TA公司；3D型快速黏度仪，澳大利亚Newport公司。

1.3 实验方法

1.3.1 芋艿淀粉提取

芋艿样品洗净削皮切片后放入大烧杯中，并用2.5 g/L的氢氧化钠浸泡，锡箔纸封口后置于4 ℃冰箱内过夜，浸泡好的样品放入搅拌机粉碎，然后依次过70、 270、 400目的网筛，将含淀粉滤液转入250 mL离心瓶，3 000 r/min离心10 min。倒掉上层液体，除去上层蛋白，加蒸馏水将淀粉沉淀再次搅拌成悬浊液，3 000 r/min离心10 min。重复此步骤至离心后淀粉沉淀表面无黄色蛋白层为止，并用0.1 mol/L HCl溶液调pH至中性，再重复离心洗涤步骤3次，淀粉沉淀转入40 ℃烘箱中干燥48 h。烘干后的芋艿淀粉样品用研钵磨成粉并过70目网筛，样品密封于自封袋备用。

1.3.2 芋艿淀粉颗粒扫描电镜观测

淀粉表观颗粒形态采用场发射扫描电子显微镜进行观测，淀粉粉末样品分散均匀置于载物台，用扫描电镜在2 kV加速电压下分别放大5 000倍、10 000倍和30 000倍观测拍照，分析芋艿淀粉颗粒的表观形态。

1.3.3 芋艿淀粉表观直链淀粉含量测定

芋艿表观直链淀粉含量测定采用碘量法[5]，称取20 mg芋艿淀粉样品(干基)于100 mL烧杯中，加入0.5 mol/L的KOH溶液10 mL，用旋涡混合器混匀，然后加入1 mol/L HCl溶液5 mL和0.5 mL碘试剂，用MilliQ水定容至100 mL，显色20 min后，在620 nm处用分光光度计读取吸光值。芋艿表观直链淀粉含量根据不同比例直链淀粉和支链淀粉的混合样绘制的标准曲线计算。

1.3.4 芋艿淀粉糊化黏度特征分析

芋艿淀粉的糊化黏度特征采用快速黏度仪进行分析，准确称取3.00 g芋艿淀粉(14%水分含量基础)，加入MilliQ水至总重为28 g，于快速黏度分析样品铝罐中搅拌使淀粉成均匀的悬浊液。程序化降温及升温测定程序：在50 ℃ 条件下保持1 min，然后在7.5 min内均匀加热至95 ℃，在95 ℃ 条件下保持5 min，之后在7.5 min内降温至50 ℃，最后在50 ℃下保持2 min。记录并分析得出芋艿淀粉的峰值黏度(peak viscosity,PV)、热值黏度(hot peak viscosity,HPV)、最终黏度(conclusion pasting viscosity,CPV)、崩解值(break down,BD)、消减值(setback,SB)和糊化温度(PTemp)等参数值。

1.3.5 芋艿淀粉热力学及回生特性分析

称取2 mg左右(干基)芋艿淀粉样品于铝坩埚中，然后用注射器加入6 μL MilliQ水后压盘机密封，将样品置于4 ℃冰箱中24 h，使淀粉样品与水充分混匀。采用差示扫描量热仪分析芋艿淀粉的热力学及回生特性，从30 ℃加热至110 ℃，设定速率为5 ℃/min。采用仪器自带分析软件计算得出糊化起始温度(To)、糊化峰值温度(Tp)、糊化终止温度(Tc)和糊化吸收热焓值(ΔH)。

样品盘冷却后于4 ℃冰箱中放置120 h后，置于40 ℃烘箱中放置24 h。将样品盘放入差示扫描热量仪，从25 ℃加热至110 ℃，加热速率为5 ℃/min，用软件分析得出芋艿回生淀粉糊化起始温度

糊化峰值温度

糊化终止温度

和糊化吸收热焓值(ΔH′)。

1.3.6 芋艿淀粉流变学特性分析

在烧杯中配制10%(质量分数)的芋艿淀粉溶液，并90 ℃水浴中不断搅拌加热糊化30 min，烧杯用锡箔纸密封以防止水分挥发，糊化完成后将芋艿淀粉糊转移至流变仪帕尔贴平板。使用的夹具为40 mm不锈钢平板，设置样品厚度为1 mm并刮去多余淀粉糊样品，设置升温过程和降温过程分别为25～95 ℃和95～25 ℃，并在95 ℃平衡5 min，升降温速率均为1 ℃/min、应变设置为1%、频率设置为6.28 rad/s进行温度扫描，温度扫描结束后，平衡5 min，然后在25 ℃条件下进行频率扫描，扫描范围为0.628～125.6 rad/s。通过流变仪自带分析软件记录储能模量(storage modulus, G′)和损耗模量(loss modulus, G″)。

1.3.7 芋艿淀粉消化特性分析

淀粉消化特性分析参考已经报道的方法[6]，准确称取550 mg芋艿淀粉样品(干基)于50 mL旋盖离心管中，通过重量法用移液枪加入10 mL去离子水，旋紧管盖并用漩涡混合器充分振荡均匀使淀粉均一分散于水相中形成悬浊液。将淀粉悬浊液样品置于沸水浴中加热20 min，不时取出离心管漩涡振荡使淀粉糊化均匀(避免出现结块现象)，糊化完毕后置于室温自然冷却，然后用移液枪加入10 mL醋酸钠缓冲液(0.25 mol/L，pH 5.2)至冷却的离心管中，加入15颗玻璃珠(粒径4～5 mm)和0.05 g瓜尔胶，漩涡混合均匀，加入50 U α-淀粉酶(来自猪胰腺)和35 U淀粉转葡萄糖苷酶，置于37 ℃振荡水浴锅中进行体外消化实验。分别于消化20 min和120 min时，用移液枪吸取0.5 mL酶解消化样品液转移至体积为20 mL的体积分数80%的乙醇溶液中，充分混匀使淀粉酶失活，离心后采用GOPOD试剂盒测定葡萄糖释放量。芋艿淀粉中快消化淀粉(rapidly digestible starch, RDS)、慢消化淀粉(slowly digestible starch, SDS)及抗性淀粉(resistant starch, RS)的含量根据ENGLYST等提出的方法进行计算[7]。

1.4 数据统计与分析

各实验数据均为3次实验重复所得的平均值，数据采用Excel 2010进行分析和作图，显著性差异分析采用SigmaStat 3.11软件的Tukey′s法(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 芋艿淀粉表观颗粒形态

利用扫描电子显微镜观察淀粉颗粒形态，研究淀粉颗粒的微观结构，对淀粉的深加工和淀粉的品种来源鉴定都有重要意义[8]。由图1可知，不同种芋艿淀粉颗粒在粒径大小以及形状上呈现较大的变化，有些呈多面体形或近圆球形，在放大倍数较高时可看到芋艿淀粉颗粒表面呈褶皱状并有裂纹，大部分淀粉颗粒大小介于0.5～2 μm，颗粒较小，这与乔星等对于奉化芋艿淀粉颗粒的研究结果较为一致[2]，但比其他品种及产地的芋艿淀粉颗粒要小[9-14]。在本研究中，温岭芋艿淀粉颗粒大多介于3～5 μm，明显大于奉化芋艿头和芋艿子淀粉颗粒，形状也较奉化芋艿淀粉规则。颗粒大小的差异会导致淀粉在加热糊化过程中的物性差异[15]，粒径较小的淀粉可作为粉底应用于化妆品行业，且在煮熟后，口感细腻、粉滑，从而解释了奉化芋艿口感较好的原因。

2.2 芋艿淀粉表观直链淀粉含量及糊化黏度特征

淀粉的糊化黏度特征在较大程度上决定了淀粉的食用特性及功能特征，由于芋艿中淀粉含量占比较高(干基达70%左右)，因此分析其糊化黏度特征具有一定参考意义。采用碘量法测得奉化芋艿头、芋艿子及温岭芋艿表观直链淀粉含量(apparent amylose content，AAC)分别为11.9%、11.3%和17.4%，温岭芋艿直链淀粉含量显著高于奉化芋艿(表1)，乔星等测得的奉化芋艿直链淀粉质量分数为10.23%[2]，与本研究所取得的结果较为一致，且低于国外学者对于外国芋艿直链淀粉含量的报道[12,16-18]。芋艿淀粉的糊化PV、HPV、CPV、BD和SB数值均为温岭芋艿>奉化芋艿子>奉化芋艿头(表2)，而快速黏度仪测得的奉化芋艿淀粉PTemp稍高于温岭芋艿。淀粉的黏度特征值受直链淀粉含量的影响，较高的直链淀粉含量通常会导致较高的糊化黏度特征值，另外，黏度特征值也受支链淀粉结构的影响[5-6,9,19]。

2.3 芋艿淀粉热学与回生特性

不同品种和不同产地芋艿淀粉热学特性有很大的差别[10,13]，另外，据报道芋艿淀粉热学特征也受种植季节的影响[20]。差示扫描量热仪分析显示，奉化芋艿头、芋艿子和温岭芋艿淀粉的糊化起始温度分别为76.2、75.6和75.2 ℃，糊化峰值温度分别为83.3、84.3和80.3 ℃，糊化终止温度为87.6 、91.1和89.3 ℃，而糊化吸收热焓值分别为12.5 、14.8和18.3 J/g(表3)，糊化起始温度高低顺序为奉化芋艿头>奉化芋艿子>温岭芋艿，糊化峰值温度高低顺序为奉化芋艿子>奉化芋艿头>温岭芋艿，糊化终止温度高低顺序为奉化芋艿子>温岭芋艿>奉化芋艿头，而糊化吸收热晗值顺序为温岭芋艿>奉化芋艿子>奉化芋艿头。差示扫描量热仪测定的糊化温度反映了淀粉中微晶质量的优劣程度(有效的双螺旋长度)，而热焓值反映了淀粉的整体结晶度和淀粉结构的稳定性[21]。温岭芋艿淀粉糊化峰值温度显著低于奉化芋艿淀粉，但热晗值则显著高于奉化芋艿淀粉。淀粉糊化温度的差异与直链淀粉含量、淀粉颗粒形态和淀粉的保水性有关[12]，淀粉的糊化温度与直链淀粉含量成反比[5]，而较小的淀粉颗粒则会降低糊化吸收热晗值[9]。在本研究中，温岭芋艿直链淀粉含量较高导致其糊化温度较低，而其淀粉颗粒大于奉化芋艿淀粉，导致了其糊化吸收热晗值较高。

糊化后的芋艿淀粉经过冷藏用于测定淀粉的回生特性，回生是糊化后的直链淀粉和支链淀粉通过氢键重新排列成有序微晶的过程，其实质是分子链在氢键等分子间力的作用下从无序到有序的过程[22]。回生芋艿淀粉的糊化温度和糊化吸收热晗值显著低于芋艿原淀粉，表明回生过程形成的淀粉晶体较小且结构较为松散。奉化芋艿头、芋艿子和温岭芋艿淀粉经过回生后糊化温度差异较小，但温岭芋艿回生淀粉糊化吸收热晗值显著低于奉化芋艿，说明温岭芋艿回生过程形成的淀粉晶体结构比奉化芋艿松散，可能与温岭芋艿直链淀粉含量较高，使得其支链淀粉在回生过程中形成的结构不够紧密有关。研究发现，玉米直链淀粉含量显著高于芋艿淀粉，其回生淀粉的糊化吸收热晗值低于芋艿淀粉[16]。

2.4 芋艿淀粉动态流变学特性

淀粉糊流变学特性测得的参数包括储能模量(G′)和损耗模量(G″)。升温扫描过程中(图2-a)，3种芋艿淀粉胶的储能模量和损耗模量均呈下降趋势，奉化芋艿头、芋艿子和温岭芋艿淀粉的储能模量从25 ℃下的51.5、53.9和87.1 Pa分别下降到了95 ℃下的28.7、25.9和36.5 Pa，损耗模量则从25 ℃下的17.2、15.3和20.4 Pa分别下降到了95 ℃下的11.1、9.5和15.1 Pa。在升温扫描过程中大部分时间里里，储能模量的大小顺序为温岭芋艿>奉化芋艿子>奉化芋艿头，其中温岭芋艿储能模量远远高于奉化芋艿子和奉化芋艿头，温岭芋艿的损耗模量高于奉化芋艿子和奉化芋艿头，而奉化芋艿头和芋艿子之间差异较小。降温扫描过程中(图2-b)，奉化芋艿头、芋艿子和温岭芋艿淀粉胶的储能模量先从95 ℃下的28.8、24.6和35.3 Pa分别减小到24.2(80.5 ℃)、22.4(80.0 ℃)和30.4 Pa(82.5 ℃)，然后分别逐步上升到25 ℃下的38.9、35.1和55.1 Pa，而损耗模量则从95 ℃下的11.1、9.0和14.1 Pa先分别减小到9.2(80.5 ℃)、8.0(80.0 ℃)和12.2(80.5 ℃)，然后分别逐步上升到25 ℃下的13.1、10.8和14.6 Pa，说明在低温条件下，芋艿淀粉胶表现出更强的弹性特征。降温扫描过程中，储能模量和损耗模量的大小顺序均为温岭芋艿>奉化芋艿头>奉化芋艿子。芋艿淀粉胶储能模量和损耗模量在25 ℃条件下随频率变化过程如图2-C，随着频率增大，储能模量和损耗模量均增大，说明芋艿淀粉胶的弹性和黏性都增加，随着频率从0.628 rad/s增加到125.6 rad/s，奉化芋艿头、芋艿子和温岭芋艿的储能模量从27.2、24.7和42.5 Pa分别增加到94.6、70.7和94.9，损耗模量则从6.8、5.6和8.4 Pa分别大幅增加到36.8、29.5和36.1 Pa，说明在高频率条件下，淀粉胶的黏性特征比弹性特征增加更为显著。其中在频率扫描过程中的大部分频率条件下，温岭芋艿储能模量远大于奉化芋艿头和芋艿子，而损耗模量差异较小。淀粉的流变模量参数与直链淀粉的含量有关，较高的直链淀粉含量会形成更加稳固的淀粉胶网络结构，因此其模量参数值也较高。在本研究中，直链淀粉含量为温岭芋艿>奉化芋艿头>奉化芋艿子，因此流变模量参数也基本遵从这一规律，另外支链淀粉的结构特征也会影响淀粉胶的流变模量参数。

2.4 芋艿淀粉消化特性分析

3种不同来源芋艿淀粉中有超过60%的组分为快消化淀粉(表4)，其中奉化芋艿头快消化淀粉质量分数最高(71.1%)，其次为奉化芋艿子淀粉(69.4%)，而温岭芋艿快消化淀粉质量分数最低(64.8%)。温岭芋艿中的缓慢消化淀粉质量分数最高(16.4%)，其次为奉化芋艿子(14.9%)，远远高于奉化芋艿头(7.8%)。抗性淀粉质量分数顺序则为奉化芋艿头(21.1%)>温岭芋艿(18.8%)>奉化芋艿子(15.8%)。SIMSEK等报道，土耳其产芋艿快消化淀粉质量分数约为65%[23]，与本研究中的温岭芋艿接近，而快消化淀粉和抗性淀粉质量分数分别约为17%和14%，与温岭芋艿和奉化芋艿子较为接近，相比于马铃薯淀粉，芋艿淀粉抗酶解消化的能力更强。芋艿淀粉的酶解消化特性与直链淀粉含量呈负相关，直链淀粉含量越高的芋艿淀粉，其酶解消化速率越低[18]。适量的慢消化淀粉和抗性淀粉含量又使得芋艿比较适合特定人群如糖尿病人患者食用，另外对于预防一些健康问题也有一定作用[23]。

3 结论

芋艿淀粉颗粒粒径较小，为0.5～2 μm，有些呈多面体形或近圆球形，在放大倍数较高时可看到芋艿淀粉颗粒表面呈褶皱状并有裂纹。温岭芋艿淀粉糊化峰值温度显著低于奉化芋艿淀粉，但热晗值则显著高于奉化芋艿淀粉，奉化芋艿头、芋艿子和温岭芋艿淀粉经过回生后淀粉糊化温度差异较小，但温岭芋艿回生淀粉糊化吸收热晗值显著低于奉化芋艿淀粉。动态流变学分析发现，芋艿淀粉形成的淀粉胶在升温扫描过程中，其储能模量和损耗模量均逐渐下降，而在降温扫描过程中，其储能模量和损耗模量则先轻微下降，而后逐步升高，在频率扫描过程中，芋艿淀粉胶储能模量和损耗模量均显著升高，而损耗模量增加幅度更大，说明在高频条件下，其黏性特征比弹性特征增加的更为明显。芋艿淀粉中绝大部分为快消化淀粉，但也含有一定量的慢消化淀粉和抗性淀粉，因此对于特定人群以及一些疾病预防具有一定意义。

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