3種不同類型山藥品種的性狀比較分析

徐寸發，張 芳，徐 蓉，周 昊，徐世偉，徐為民

(江蘇省農業科學院 中心實驗室，江蘇 南京 210014)

3種不同類型山藥品種的性狀比較分析

徐寸發，張 芳*，徐 蓉，周 昊，徐世偉，徐為民**

(江蘇省農業科學院 中心實驗室，江蘇 南京 210014)

采用掃描電子顯微鏡(SEM)、傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)、X射線衍射儀(XRD)和差示掃描量熱儀(DSC)，研究了3種不同類型山藥品種紫山藥、鐵棍山藥、白山藥的性狀差異。結果表明：3種山藥均富含淀粉，淀粉顆粒形狀及尺寸不一，鐵棍山藥所含淀粉顆粒尺寸相對較??；相比鐵棍山藥，紫山藥和白山藥的紅外譜圖和X射線衍射圖中的特征峰基本一致，但白山藥結晶度最高，為16.5%；鐵棍山藥熔融熱焓值為(12.97±0.15) J/g，是紫山藥的1.1倍、白山藥的1.4倍。綜上所述，3種山藥在微觀形貌、結晶性、熱學性質等方面存在一定差異。

山藥；掃描電子顯微鏡；傅立葉變換紅外光譜儀；X射線衍射儀；差示掃描量熱儀；性狀

山藥又名薯蕷(DioscoreaopositaThunb)，屬薯蕷科薯蕷屬植物，是一年生或多年生纏繞性藤本植物，能形成肥大的地下莖，肉質細膩，風味鮮美[1]，廣泛分布在非洲、亞洲、中東、南美及加勒比地區。自古以來，山藥是一種藥食同源的食材，富含維生素、微量元素、淀粉、多糖、蛋白質、多種氨基酸、礦物元素等營養成分[2]，在《神農本草經》上將其列為上品。在中醫藥學上山藥可益精氣、健脾胃、滋肺益腎，一直被用于治療糖尿病、腹瀉、哮喘以及其他疾病[3-4]，具有預防肥胖，預防心血管疾病，抗腫瘤、突變，促消化，增強免疫力的功效。

目前，全世界共發現的山藥品種有600種之多[5]，中國約有55種、11變種、1亞種[6-7]，主要分布于長江以南各省區，并且形成了很多地方品種，如白山藥、鐵棍山藥、水山藥、懷山藥、麻山藥、紫山藥等。其中，鐵棍山藥營養成分含量高，以“今人多用懷慶者，肉白指喜細，緊實者入藥”而被認為山藥中精品，主產于河南，以焦作、溫縣一帶最為有名[8]。而紫山藥，又稱紫蒔藥、紫參薯，因其肉質為紫色而得名，含有豐富的花青素[9]，相比白山藥，其富含更多的營養成分，且口感明顯強于同類白山藥。劉影等[10]對浙江紫山藥和白山藥營養成分檢測發現，紫山藥粗蛋白平均含量為13.82%，明顯高于白山藥的9.22%，且紫山藥富含對人體有益的Se元素，微量元素Mg、Ca、Zn、Cu的含量均高于白山藥[11]。顯然，由于生長環境、栽培技術、種質等的不同，導致山藥之間的化學性狀、物理性狀、生物性狀存在較大差異。據已有文獻報道，學者對山藥的研究主要集中于栽培技術、營養成分提取及其活性、深加工等[12-14]領域，也有一些對不同山藥間特性差異比較方面的研究，但是研究手段比較單一，缺乏全面性，如孫素琴等[15]用紅外光譜鑒定道地與非道地山藥，張景超等[16]用X射線衍射法鑒別不同產地山藥。因此，本文以來自不同產地的紫山藥、鐵棍山藥和白山藥作為研究對象，通過顯微觀察法、熱分析法、紅外光譜法和X射線衍射法比較全面地分析了3種不同類型山藥間性狀差異，以期為山藥的鑒別提供更全面的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料來源

紫山藥：購買于浙江省瑞安市產地；鐵棍山藥：購買于河南省溫縣產地；白山藥：購買于浙江省臺州市產地。

1.2 方法

將3種不同類型的新鮮山藥清洗干凈后切成片狀，放置鼓風干燥箱于65 ℃烘干至恒重，然后將烘干的山藥塊體粉碎過100目篩備用。最后利用掃描電子顯微鏡(SEM)、傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)、X射線衍射儀(XRD)、差示掃描量熱儀(DSC)測定過篩的3種山藥粉末的相關理化指標。

1.2.1 山藥的SEM表征 SEM測試在德國ZEISS EVO-LS10型掃描電鏡上完成，工作電壓20 kV。實驗時，將適量的干燥山藥粉末樣品盡可能地均勻粘置于導電膠上，然后用離子濺射儀鍍10 nm厚的金膜，最后將制作好的樣品放入腔室中觀察粉末的表面形貌特征。

1.2.2 山藥的FTIR表征 紅外光譜測試在美國Thermo Scientific Nicolet iS-50型傅立葉變換紅外光譜儀上完成，測量范圍：520～4000 cm-1，光譜分辨率為4 cm-1，掃描次數32次。實驗時，采用該儀器的衰減全反射模式，扣除大氣背景后，直接取適量混合均勻的山藥粉末放置金剛石樣品臺，壓實測定，按上述條件測定山藥的紅外光譜。

1.2.3 山藥的XRD表征 XRD的表征在德國BRUKER D2 Phaser型X射線衍射儀上完成。將干燥的山藥粉末裝入樣品盤中壓片后放至樣品臺測試，測試條件為：Cu Kα(λ=0.15406 nm)，Lynx Eye陣列探測器，Ni濾波片，管電壓30 kV，管電流10 mA，步進掃描模式，掃描范圍：5～60°，步長為0.02°，掃描速度為7°/min。

1.2.4 山藥的DSC測定 DSC測試在美國TA Q20型差示掃描量熱儀上完成。稱取6 mg左右的山藥粉末置于固體鋁坩堝中，將盛有樣品的鋁坩堝放入樣品腔室，從30 ℃升溫至280 ℃，升溫速率10 ℃/min。

1.3 數據處理與分析

文中數據均由相關儀器自帶軟件分析所得，圖表由軟件Origin 8.0和Excel 2003繪制。

2 結果與分析

2.1 山藥的表觀形貌特征分析

將3種不同類型的山藥烘干粉碎后，發現3種山藥粉末間表觀顏色存在差異，如圖1所示。相比鐵棍山藥和白山藥，紫山藥因含有花青素而呈紫色，故而紫山藥粉末呈淺紫色，而鐵棍山藥粉末和白山藥粉末顏色差異較小，分別淡黃白色和黃白色。根據掃描電子顯微鏡觀察山藥粉末表面微觀特征明顯地發現(圖2)，3種山藥粉末主要含淀粉顆粒且顆粒形狀及大小不一，表面相對光滑，顆粒尺寸在8～40 μm之間，以卵圓形、橢圓形、長餅形為主。不過，相比其他2種山藥，發現鐵棍山藥中淀粉顆粒相對較小，而小的淀粉顆粒易形成密實體，從而形成鐵棍山藥肉質密實，且含水率相對較低的特點。

a.紫山藥，b.鐵棍山藥，c.白山藥圖1 山藥粉末的表觀形色

2.2 山藥的紅外譜圖分析

紅外光譜是檢測高分子物質組成與結構的最重要方法之一，已廣泛用于鑒別高聚物。山藥中因富含淀粉，干基淀粉含量達60%～85%[17]，而紅外光譜則是表征手段之一。不同類型的3種山藥的紅外光譜圖如圖3所示，從譜圖(1)中可以看出中3種類型山藥的譜圖極其相似，這主要是因為不同山藥中的各種化學成分相對一致。不過，從譜圖(2)中可以發現3種山藥紅外譜圖中峰值大小略有不同，鐵棍山藥在3200、2900、1630、1360、1000 cm-1等附近的紅外吸收峰明顯均強于紫山藥和白山藥，這可能是因為山藥質地的差異而導致光程有所不同，且化學性質存在一定的差異[18]。

2.3 山藥的晶體結構分析

從圖4可知，紫山藥、鐵棍山藥和白山藥的X射線衍射圖的幾何拓撲分布規律與紅外光譜圖極其相似。但是仔細對比發現，紫山藥和白山藥在2θ角為17.0°、20.0°、22.0°附近出現明顯的特征衍射峰；而鐵棍山藥則在15.0°、17.0°、22.0°、26.0°附近出現明顯特征衍射峰，這表明3種不同類型的山藥在成分(或晶形)上存在一定的差異，符合客觀規律。此外，從圖4還可以發現，白山藥的特征衍射峰值較其他2種高，說明白山藥的結晶度相對高。根據X射線衍射儀自帶軟件計算也發現白山藥的結晶度為16.5%，高于鐵棍山藥的16.0%、紫山藥的14.4%，低于山藥淀粉的結晶度(平均36.0%)[19]。

圖3 3種山藥的紅外光譜圖

圖4 3種山藥的X射線衍射圖

2.4 山藥的熱分析

3種不同類型山藥的DSC曲線如圖5所示，3條DSC曲線變化規律基本一致。曲線中第一個較大峰為山藥粉末結構水揮發產生的吸收峰，第二個峰則是山藥粉末開始熔融產生的熔融吸收峰。根據第一個吸收峰分析看出，峰值大小順序為：鐵棍山藥(123.06 ℃)>白山藥(118.05 ℃)>紫山藥(109.87 ℃)，表明鐵棍山藥結構水含量相對較少，這可能與鐵棍山藥含水率低有關。由第二個吸收峰分析計算得到3種山藥熔融特性，結果表明：3種山藥的熔融起始溫度、峰值溫度和終止溫度差值并不明顯，鐵棍山藥熔融熱焓值為(12.97±0.15) J/g，是紫山藥的1.1倍、白山藥的1.4倍(表1)。據路宏民等[20]發現淀粉顆粒結構越緊密，分子間相互作用力越強，則熱焓值越大，本實驗結果中鐵棍山藥熱焓值高于其他2種山藥，原因可能就是鐵棍山藥淀粉顆粒相對較小，形成的結構比較緊密(圖2)。

圖5 3種山藥的DSC曲線表1 3種山藥的熔融特性

品種起始溫度T0/℃峰值溫度Tp/℃終止溫度Tc/℃熱焓值△H/(J/g)紫山藥179.23±0.48215.37±0.23243.59±0.1111.68±0.26鐵棍山藥178.55±0.56214.17±0.10248.82±0.6812.97±0.15白山藥184.69±1.07215.34±0.05244.72±0.349.10±0.25

3 結論

通過SEM、FTIR、XRD、DSC這4種方法分析紫山藥、鐵棍山藥和白山藥的性狀，得出以下結論：(1)山藥粉末中以淀粉顆粒為主，顆粒形狀及大小不一，鐵棍山藥淀粉顆粒較紫山藥和白山藥??；(2)3種山藥的化學成分、晶體結構存在一定差異，白山藥結晶度高于紫山藥和鐵棍山藥，而鐵棍山藥的熱焓值則高于紫山藥和白山藥。

[1] 張發春,趙慶云,彭鳳梅,等.不同山藥地方品種的特征特性分析[J].種子,2001(3):55-56.

[2] 李月仙,黃東益,黃小龍,等.山藥的研究進展[J].中國農學通報,2009,25(9):91-96.

[3] Li Q, Zhang L, Ye Y, et al. Effect of salts on the gelatinization process of Chinese Yam (Dioscoreaopposita) starch with digital image analysis method[J]. Food Hydrocolloids, 2015(51): 468-475.

[4] Zhang L, Liu P, Wang Y, et al. Study on physico-chemical properties of dialdehyde yam starch with different aldehyde group contents[J]. Thermochimica Acta, 2011 , 512 (1/2): 196-201.

[5] Ju Y, Xue Y, Huang J, et al. Antioxidant Chinese Yam polysaccharides and its pro-proliferative effect on endometrial epithelial cells[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2014, 66(5): 81-85.

[6] 中國植物研究所.中國高等植物圖鑒[J].第5冊.北京:科學出版社,1983:557-579.

[7] 丁志遵,張美珍.中國薯蕷科新分類群[J].植物分類學報,1982,20(2):205-209.

[8] 陳佳希.鐵棍山藥有效成分提取分離及其活性研究[D].西安：西北大學,2011.

[9] 周志林，唐君，史新敏，等.6個不同類型山藥品種引種鑒定及特色品種篩選[J].江西農業學報，2010,22(5):66-67.

[10] 劉影,史珊珊,汪財生.浙江紫山藥營養成分及薯蕷皂苷元含量測定[J].安徽農業科學,2010,38(9):4563-4567.

[11] 徐皓,劉水英.濕法消解-原子吸收光譜法測定紫山藥中礦質元素[J].食品科學,2015,36(16):192-196.

[12] 宋君柳.山藥品種資源及化學成分研究進展[J].長江蔬菜,2009,26(6):1-5.

[13] 何小平,江法源,鄧澤周,等.密度和施肥方式對定向槽淺生栽培紫山藥產量的影響[J].中國農學通報,2016,32(1):39-42.

[14] 周曉薇,王靜,段浩,等.鐵棍山藥蛋白質的分離純化及體外抗氧化活性[J].食品科學,2011,32(9):31-35.

[15] 孫素琴,湯俊明,袁子民,等.道地山藥紅外指紋圖譜和聚類分析的鑒別研究[J].光譜學與光譜分析,2003,23(2):258-261.

[16] 張景超,朱艷英,丁喜峰,等.不同產地山藥的XRF和PXRD分析與表征[J].光譜學與光譜分析,2012,32(7):1972-1974.

[17] 孟祥艷,趙國華.山藥淀粉的特性及應用研究[J].食品工業科技,2008,29(1):292-294.

[18] 杜敏,吳志生,鞏穎,等.基于近紅外光譜技術的道地山藥快速無損分析[J].世界中醫藥,2013,8(11):1277-1279.

[19] 王旭,高文遠,張黎明,等.不同取代度山藥醋酸淀粉的合成及表征[J].中國科學,2008,38(7):613-617.

[20] 路宏民,周文超,曹龍奎.小米淀粉顆粒特性與熱特性的相關性研究[J].農產品加工·學刊：下,2013(8):1-4.

(責任編輯：曾小軍)

Comparative Analysis of Characters of Three Different Types of Chinese Yam (Dioscoreaopposita) Varieties

XU Cun-fa, ZHANG Fang*, XU Rong, ZHOU Hao, XU Shi-wei, XU Wei-min**

(Central Laboratory, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China)

This paper studied the character differences among three different types of Chinese yam (Dioscoreaopposita) varieties (purple yam, tiegun yam and white yam) by using scanning electron microscope (SEM), fourier transform infrared spectrometer (FTIR), X-ray diffractometer (XRD) and differential scanning calorimeter (DSC). The results indicated that three types of yam varieties all contained abundant starch with various shapes and sizes of grains, and the size of starch grains in tiegun yam was smaller than that in other two yam varieties. The characteristic peaks about FTIR and XRD of purple yam were almost the same as those of white yam. However, the crystallinity of white yam was the highest (16.5%) among three yam varieties. In addition, the melting enthalpy of tiegun yam was (12.97±0.15) J/g, being 10% and 40% higher than that of purple yam and white yam, respectively. Therefore, there were certain differences in micro-morphology, crystallinity and thermal property among three types of yam varieties.

Chinese yam; SEM; FTIR; XRD; DSC; Character

2017-03-07

徐寸發(1991─)，男，碩士，從事儀器管理及其功能開發的研究。*并列第一作者：張芳，**通訊作者：徐為民。

S632.1

A

1001-8581(2017)07-0048-05