紫薯淀粉理化性質的研究

劉 蒙 曲智雅 李小定 范任海 李 杰張 蕓 朱少華 曲 露 王 萌 劉 碩

(華中農業大學食品科技學院1，武漢 430070)

(湖北紫鑫生物科技有限公司2，黃石 435000)

紫甘薯(Ipomoea batatas L.)又稱紫薯，為旋花科番薯屬一年生草本植物，富含維生素、礦物質、碳水化合物和花青素等，具有甘薯栽培簡便、適應性廣、產量高等優點。目前，其研究主要集中在食用、藥用和食品研發三個范疇［1］，其主要用途是提取色素，但是面臨的問題是提取色素后紫甘薯廢渣無法處理，目前大多以低價當飼料出售，未能充分利用造成資源浪費，處理不當還會造成環境污染。水提紫甘薯色素廢渣中還含有大量的營養物質，淀粉的含量尤其豐富。楊解順［1］通過小鼠試驗來研究水提紫甘薯廢渣的安全性，結果表明水提紫甘薯廢渣安全性高，對試驗動物既無毒副作用也無致突變作用。因此，研究紫薯渣中的淀粉具有重要意義。

關于淀粉理化性質的研究國內外有很多，通常淀粉的理化性質包括淀粉的顆粒表面構造、淀粉的糊化特性、熱力學性質、流變特性以及淀粉糊的凝膠質構等。對所提紫薯渣淀粉進行理化性質的研究，是為了了解其組成、結構和性質，從而對其加工特性和應用進行指導。單珊等［2］以川山紫鮮薯為原料研究了紫薯淀粉的基本理化性質，并通過對比研究得出紫薯淀粉糊化溫度高，熱穩定性、凝膠性好，透明度低等結論。關于淀粉的性質、用途和改性等方面的研究已經十分全面和成熟，但是關于紫薯淀粉理化性質的研究鮮有報道。為此，本試驗對紫薯淀粉的理化性質進行了研究，并與馬鈴薯淀粉、玉米淀粉和甘薯淀粉作比較，旨在了解紫薯淀粉的性質和應用價值，從而為紫薯渣淀粉的開發和綜合利用提供科學參考依據，進而指導實際生產和加工。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫薯淀粉、甘薯淀粉:實驗室制備;馬鈴薯淀粉、玉米淀粉:小神廚食品調味公司。

Pb(Ac)2、3，5－二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉、硼酸、溴甲酚綠、亞甲基藍、十二烷基苯磺酸鈉:均為分析純、國藥集團化學試劑有限公司生產。馬鈴薯直鏈淀粉標準品、支鏈淀粉標準品:Sigma公司。

1.2 主要儀器和設備

752紫外可見分光光度計:上海著化科技儀器有限公司;JJ－2組織搗碎勻漿機:常州國華電器有限公司;日立S－3000N掃描電子顯微鏡:日本日立公司;TATExpress物性儀:英國SMS公司;D/Max－ⅢA型X射線衍射儀:美國伊諾斯公司;AL204電子分析天平、FE30pH計:上海梅特勒儀器有限公司;Ultra Scan XE色度儀:美國Hunter Lab;TDZ5－WS離心機:長沙湘智儀器有限公司;DSC200F3差示掃描量熱儀:德國耐馳公司。

1.3 方法

1.3.1 紫薯渣淀粉的提取

紫薯渣淀粉提取工藝流程:將濕的紫甘薯廢渣于50℃烘干，稱取一定質量的紫薯渣放入組織搗碎勻漿機，以料液比1∶5加水打漿。將磨碎的紫薯渣漿液加水調節至pH 5，于25℃下浸泡1.5 h。將浸泡好的紫薯渣漿液過濾:先過20目的粗篩，再過200目的紗布，洗滌5次。所得濾液靜置34 h后除去上清液，沉淀于50℃烘干，粉碎后過100目篩，裝袋備用，即得成品紫薯淀粉。

甘薯淀粉的提取方法參照羅志剛等［3］甘薯淀粉提取法進行。

1.3.2 化學組分分析和直鏈淀粉含量的測定

含水量的測定:直接干燥法(GB/T 5009.3—2003)［4］;蛋白質含量的測定:半微量凱氏定氮法(GB/T 5009.5—2010)［5］;脂肪含量的測定:索式抽提法(GB/T 14772—2008)［6］;灰分含量的測定:按照GB/T 5009.4—2010［7］進行;淀粉含量的測定:DNS法，按侯曼玲［8］的方法進行。

1.3.2.1 標準曲線的繪制

按表1制備系列標準溶液，然后用分光光度計在720 nm處測定系列標準溶液的吸光度。

表1 系列標準溶液表

以直鏈淀粉含量為橫坐標，720 nm處的吸光度為縱坐標，繪制標準曲線。所得標準曲線如圖1所示。

圖1 直鏈淀粉標準曲線

1.3.2.2 測定樣品溶液

用空白溶液調零，在720 nm處測定樣品溶液的吸光度，根據直鏈淀粉標準曲線算出樣品直鏈淀粉的含量(參照 GB/T 15683—2008)［9］。

1.3.3 淀粉顆粒表面結構的測定

先將少量紫薯淀粉粉末噴上一層鉑金，然后用日立S－3000N掃描電子顯微鏡觀察紫薯淀粉顆粒的表面結構，分別放大1 000倍和3 000倍拍照。計算淀粉顆粒的粒徑范圍和平均粒徑:分別從淀粉掃描電鏡照片中數出30顆分散的淀粉顆粒，然后用刻度尺測量其長徑和短徑，將長和寬分別平均后相加再除以2，得出淀粉顆粒的平均粒徑［10］。采用同樣方法分別對甘薯淀粉、馬鈴薯淀粉、玉米淀粉進行處理。

1.3.4 淀粉顆粒結晶結構的測定

采用粉末衍射法，用X射線衍射儀掃描紫薯淀粉粉末，設置衍射條件為:Cu－Ka輻射，電壓40 kV，電流100 mA，掃描范圍 2θ =550 °，Step 0.02 deg，掃描速度12 deg/min。采用同樣方法和條件分別對甘薯淀粉、馬鈴薯淀粉、玉米淀粉進行處理。

1.3.5 凝膠特性的測定

配置8%的紫薯淀粉乳，在沸水中加熱30 min，使之完全糊化，取出冷卻至室溫后，在4℃的冰箱中放置16 h。在室溫下用TATExpress物性儀測定淀粉凝膠的質構特性，每個樣品做6次平行。

質構儀參數校準:返回距離:20 mm;返回速度:10 mm/s;接觸力:5 g。

主要的測試參數如下:模式:循環測試，測前速度:2 mm/s，觸發力:2.0 g，測試速度:2.0 mm/s，返回速度:5.0 mm/s，測試距離:10.0 mm，測試循環次數:1，探頭:P/0.5 圓柱型。

采用同樣方法和條件分別對甘薯淀粉、馬鈴薯淀粉、玉米淀粉進行處理。

1.3.6 熱力學性質的測定

準確稱取樣品2.5 mg，置于鋁坩堝中，加入7.5 mg蒸餾水(料液比1∶3)，蓋好鋁坩堝的蓋子密封，于室溫下平衡1 h后測定。以密封好的空坩堝為對照，準確稱取其質量，設定參數:溫度掃描范圍:30130℃，升溫速率10℃/min，樣品室N2流量:30 mL/min。測定紫薯淀粉的DSC熱效應曲線。用紫薯淀粉糊化的起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、終止溫度(Tc)和熱焓(ΔH)表示紫薯淀粉的DSC特征參數。每個樣品重復3次。

1.3.7 紫薯淀粉流變學特性的測試

將適量充分糊化的紫薯淀粉糊置于AR2000ex流變儀測試平臺上，待轉子到達設定位置后，涂硅油密封。

1.3.7.1 紫薯淀粉糊的剪切應力變化

平板:直徑40 mm，設置間隙:1 000 μm，測定模式:Flow，溫度:25℃，剪切速率:從21 500 s－1上升，再下降。

測定8%的紫薯淀粉糊在剪切速率的上升和下降過程中剪切應力的變化情況。

1.3.7.2 不同溫度下紫薯淀粉糊剪切應力與剪切速率的關系

分別設置溫度為20、40、70、90℃，剪切速率從2到1 500 s－1遞增，其他參數同上，測定3%紫薯淀粉糊的剪切應力與剪切速率的關系。

1.3.7.3 不同濃度的紫薯淀粉糊剪切應力與剪切速率的關系

分別配置2%、3%、5%、8%的紫薯淀粉乳，經充分糊化后，設置溫度為45℃，剪切速率從2到1 500 s－1遞增，再從 1 500 到 2 s－1遞減，其他參數同上，分別測定不同濃度的紫薯淀粉糊剪切應力與剪切速率的關系。

1.4 數據處理

采用Origin做出淀粉的X－衍射圖譜，SPSS數據處理系統對試驗數據進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 化學組分和直鏈淀粉含量

紫薯淀粉、馬鈴薯淀粉、玉米淀粉和甘薯淀粉的含水量分別為(7.96 ±0.03)%、(16.53 ±0.14)%、(13.62 ±0.22)%和(9.43 ±0.12)%。4 種淀粉烘干后化學成分的測定結果如表2所示，與其他3種淀粉相比，紫薯淀粉的淀粉含量相對較高，蛋白質含量偏高;紫薯淀粉的粗脂肪含量和灰分含量都較高，和甘薯淀粉相近，馬鈴薯淀粉粗脂肪含量最低，玉米淀粉的灰分含量最低。

淀粉的糊化與直鏈淀粉含量關系密切，而直鏈淀粉含量是影響淀粉類食品品質的重要指標。由表2可知，4種淀粉直鏈淀粉含量的關系為:玉米淀粉＞馬鈴薯淀粉＞紫薯淀粉＞甘薯淀粉。

表2 淀粉的化學成分分析(干重%，n=3)

2.2 淀粉顆粒的電子掃描顯微鏡觀察圖

圖2 4種淀粉的掃描電鏡照片

4種淀粉的掃描電鏡照片如圖2所示。紫薯淀粉的顆粒形態與馬鈴薯淀粉和玉米淀粉差異略大，但與甘薯淀粉較為接近。其中紫薯淀粉多為圓形或半圓形，部分有凹陷，大小不均一，表面不光滑，有裂痕，而甘薯淀粉顆粒表面則較為光滑，顆粒多為圓形、半圓形或多角形;玉米淀粉顆粒呈多邊型或圓形，表面不光滑，有凹陷點，顆粒大小較為均勻;馬鈴薯淀粉多為橢圓型和圓形，表面光滑，顆粒大小分布極不均勻。淀粉顆粒的大小和形狀與其來源的組織器官關系十分密切，從塊莖或塊根中提取的淀粉顆粒呈現球形、橢圓形、多角形或不規則構型［11－12］。

用電鏡的標尺測量這4種淀粉的顆粒粒徑，并計算其各自平均值，結果見表3。

表3 4種淀粉顆粒大小

由表3可知，紫薯淀粉的平均粒徑為17 μm，紫薯淀粉可以被劃分為中粒淀粉［12］。馬鈴薯淀粉粒大小差別大，大粒呈卵形、橢圓形，小粒呈圓形［13］。淀粉顆粒的形狀與大小因淀粉種類和品種的不同，存在較大差異。一般含水量高，蛋白質少的植物淀粉顆粒比較大，形狀也比較整齊，相反則顆粒小，呈多邊形。

2.3 X－射線衍射掃描

4種淀粉的X－射線衍射圖譜和衍射特征參數分別如圖3和表4所示。根據天然淀粉的X射線衍射圖形的不同，淀粉可被分為A型，B型和C型3種。由圖3結合表4中的數據可以看出，紫薯淀粉在2θ為17°左右有強吸收峰，強度達到100%;在15°、18°和23°有較強的峰;在 5.6°2θ 附近有弱吸收峰，既具有A型晶體的峰形特征又具有B型的特征，所以紫薯淀粉的晶型應屬于C型晶型，又由于B型的特征不太明顯，更偏向A型，所以為CA型。玉米淀粉在15°、17°和23°2θ附近有強吸收峰，是 A 型淀粉晶型的特征。馬鈴薯淀粉在 5°、15°、17°和 22°2θ 處均有吸收峰，為B型圖譜的特征，應屬B型。甘薯淀粉在 15°、17°、18°和 23°2θ 有吸收峰，在 5.6°附近也有吸收峰，與典型的A型圖譜不相同，不屬于典型的A、B晶型，而是C型圖譜，這與相關文獻的結論一致［14］。

一般來說，塊根或塊莖類淀粉呈現B型圖譜［11］而衍射圖譜除了受其植物來源的影響，還與其他因素如支鏈淀粉的鏈長、直鏈淀粉和水分的含量有關，含水量低于10%時粉末衍射圖通常會被弱化［15］，試驗中所用的紫薯淀粉含水量在8% 左右，這是對所得結果的一種解釋。馬鈴薯淀粉衍射圖在 20°2θ(d=4.4)附近有吸收峰，這可能對應淀粉中的直鏈淀粉－脂類復合物［15］。

圖3 4種淀粉的X射線衍射圖譜

表4 4種淀粉的X射線衍射數據

2.4 凝膠特性

將制備好的4種淀粉凝膠用物性儀測定其凝膠強度，結果如表5所示。從表5中可以看出，紫薯渣淀粉凝膠彈性和咀嚼性強，比玉米淀粉和甘薯淀粉大，比馬鈴薯淀粉小;硬度適中，小于馬鈴薯淀粉凝膠，大于玉米和甘薯淀粉凝膠;內聚性和黏著性小于玉米淀粉凝膠，大于馬鈴薯和甘薯淀粉凝膠;回復性小于甘薯淀粉。紫薯渣淀粉凝膠具有較好的彈性和咀嚼性，硬度不大，黏著性適中，在受到外力作用后容易回復到原有形狀。

除黏著性外，紫薯渣淀粉和甘薯淀粉的各項凝膠強度指標都相差較小。淀粉在凝膠特性上的差異，與淀粉的種類和分子結構關系密切。馬鈴薯淀粉凝膠硬度明顯高于其他3種淀粉凝膠，這可能與馬鈴薯淀粉直鏈淀粉含量較高和含有磷酸基團有關。

表5 淀粉糊的凝膠強度

2.5 熱力學性質

來源不同的淀粉熱力學性質會有差異，這是由多種因素影響的結果，例如淀粉的生長條件、淀粉的提取方法和加工條件、不同的直連淀粉含量及分子結構等，這些因素都會對測定結果產生不同程度的影響［17］。

表6顯示了4種淀粉在糊化過程中DSC參數的變化情況，由表6可知，甘薯淀粉的糊化起始溫度、峰值溫度和終止溫度都是最高的;紫薯淀粉次之，其糊化溫度范圍為61.5℃到78.0℃，大于玉米淀粉和馬鈴薯淀粉。研究表示，假設淀粉中的直鏈淀粉分子大多數在淀粉顆粒的無定形區，那么直連淀粉含量越高，則凝膠溫度越低［18］。同時，從表6中數據也可以看出，甘薯淀粉和紫薯淀粉的熱焓值較高，說明這兩種淀粉在糊化過程中需要較多的熱量才能糊化。馬鈴薯淀粉的熱焓值較小，這可能是由于馬鈴薯淀粉顆粒較大，結構疏松，吸水時膨脹力也較大，所以在較低的溫度下就容易發生糊化，同時糊化所需要的熱量也較少。

表6 4種淀粉的DSC曲線參數

2.6 流變學特性

圖4是8%的紫薯淀粉糊在90℃下剪切應力隨剪切速率的變化關系圖。由圖4可知，當剪切速率增大時，紫薯淀粉糊在越來越高的剪切速率下逐漸變稀，紫薯渣淀粉糊的凝膠網狀結構被破壞，淀粉分子的方向和排列也發生改變，從而淀粉糊黏度降低。當剪切速率逐漸減小時，紫薯淀粉糊的內部結構又慢慢重建，凝膠網絡結構逐漸恢復，黏度也漸漸增大，向初值恢復。

圖4 8%的紫薯淀粉糊在90℃下剪切應力隨剪切速率變化圖

圖5和圖6分別為不同濃度和不同溫度下紫薯淀粉糊的剪切應力隨剪切速率變化的關系曲線圖，由圖5和圖6可知，當剪切速率上升時，剪切應力增大;當剪切速率下降時，剪切應力減小。由于紫薯淀粉糊的濃度和溫度條件不同，所以出現的滯后面積大小不同，但是都是具有屈服應力的開口型滯后回路。

由圖5看出，隨著濃度的增大，屈服應力增大，滯后面積增大，越不容易恢復到剪切前的狀態。由圖6可知，溫度越高，屈服應力越小，滯后面積也越小，這是因為溫度越低，紫薯淀粉越容易凝結成凝膠，形成凝膠之后，經過剪切被破壞的內部結構就很難再恢復，從而導致滯后面積增大。溫度較高時，紫薯淀粉糊一直保持著糊的狀態，被剪切破壞的內部結構比較容易恢復，因此滯后面積較小。

淀粉懸浮體液加熱時測量其黏度或稠度變化對估計其或其改性物的應用性質具有實際意義。通常剪切應力與剪切速率之間成線性關系的，稱為牛頓流體型，非線性關系為非牛頓型流體。因此紫薯渣淀粉糊屬于非牛頓流體。

流動體系受到攪動結構可能會遭到破壞，靜置后結構又能自動復原。體系結構一旦遭到破壞，則束縛介質以自由介質的形式被釋放出來，所以體系的表觀黏度不斷隨切變速率的增加而減少。結構破壞后，粒子必須經過一定時間，才能移動到一定的幾何位置以形成新的結構。這樣，在切變速率增加的過程中，結構恢復的速度總是落后于拆散的速度，因而體系增加的過程中，結構恢復的速度總是落后于拆散的速度，這就是體系的觸變性，可以用滯后環的面積來表示，面積范圍在表示結構恢復越滯后，則觸變性大。

3 結論

干基紫薯淀粉含量為98.78%，直鏈淀粉含量較小，為 19.74%。

紫薯淀粉顆粒形狀多為圓形或半圓形，部分有凹陷，表面不光滑，有裂痕，其平均粒徑為17 μm，屬于中粒淀粉;其晶型為C型。

紫薯淀粉凝膠彈性和咀嚼性高，硬度適中，為3.095 × 102g，黏著性適中，為 24.72 g·s。

紫薯淀粉的糊化起始溫度為61.5℃，峰值溫度為72.6℃，終止溫度為78℃，糊化溫度范圍為61.5℃到78.0℃。

當剪切速率上升時，紫薯淀粉的剪切應力增大;當剪切速率下降時，剪切應力減小。紫薯淀粉糊為有屈服應力的非牛頓型流體。濃度越高，屈服應力越大，滯后面積也越大，越不容易恢復到剪切前的狀態。溫度越高，屈服應力越小，滯后面積也越小。

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