3種栗屬堅果淀粉的結構及其理化特性

段春月 劉 靜 劉 暢,2

(河北科技師范學院食品科技學院1，秦皇島 066600) (河北省板栗產業協同創新中心2，秦皇島 066600)

我國栗屬植物(Castanea)主要有板栗(CastaneamollissimaBlume)、茅栗(CastaneaseguiniiDode)、錐栗(CastaneahenryiRehder.et Wils.)和日本栗(CastaneacrenataSieb.et Zucc.)[1]，栗屬植物在我國的栽培歷史有2 000多年，對國民經濟有巨大的貢獻。我國板栗種植主要在中部、東北部、東部和東南部區域；錐栗分布于我國南方亞熱帶地區十幾個省區，但規模種植僅限于閩北、浙南山區；日本栗原產自日本，在我國主要集中在遼寧東部山區種植[2，3]。栗屬堅果含有豐富碳水化合物、蛋白質、脂肪等成分，具有較高的營養價值和藥用價值[4]。淀粉是栗屬堅果的重要組成成分，占干物質的38%～80%[5]，栗屬堅果的食用品質和加工特性均與淀粉的理化特性密不可分。

我國栗屬資源豐富，栗屬堅果淀粉作為一種新型非糧淀粉資源，具有獨特的物化特性，在食品和非食品工業中具有廣闊的開發應用前景。雖然前人對板栗和錐栗淀粉的結構和功能特性進行了研究，但目前針對我國優質品種的板栗、錐栗和日本栗淀粉特性的比較研究鮮見報道[6-8]。本研究選用我國產地為南北方的3種栗屬的14個主栽品種為材料，研究栗屬堅果淀粉的顆粒結構和理化特性，并探索其結構和功能的相關性，揭示淀粉顆粒內在結構對其理化性質的影響，為栗屬堅果淀粉的深加工及淀粉資源的開發和利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與試劑

1.1.1 實驗材料

參照《中國果樹志·板栗 榛子卷》[1]對板栗品種群的劃分，以10個板栗品種、3個錐栗品種和1種日本栗的堅果為實驗材料：

板栗：(1)北方品種群：河北(早豐)、北京(燕山紅)；(2)中間品種群：山東(石豐、岱岳早豐)、安徽(葉里藏、二水早)、河南(七月紅)；(3)南方品種群：湖北(烏殼栗、金優2號)、廣西(東蘭油栗)。

錐栗：福建(白露仔、烏殼長芒、長芒仔)。

日本栗：遼寧(大峰)。

樣品于2018年9月采收，4 ℃冷庫貯藏，經1個月后熟，進行實驗。

1.1.2 試劑

A3176 α-淀粉酶(15 U/mg)；E-AMGDF淀粉葡萄糖苷酶(200 U/mL)；GOPOD試劑盒；淀粉葡萄糖苷酶(3 300 U/mL)。

1.2 實驗儀器與設備

D/max-2500vk/pc X射線衍射儀；LA-920激光衍射粒度分析儀；SU-8010掃描電鏡；DSC Q2000差示掃描量熱分析儀；TechMaster RVA-4500快速黏度儀。

1.3 方法

1.3.1 淀粉的提取和直鏈淀粉含量測定

板栗和錐栗淀粉根據Liu等[5]的方法進行提取。將提取的淀粉樣品于40 ℃烘干，研缽研細。直鏈淀粉含量參照Chrastil[9]方法測定，蛋白質含量與脂肪含量采用GB/T 5009.5—2016的凱氏定氮法和GB/T 5009.6—2016的索氏提取法測定[10,11]。

1.3.2 微觀形貌觀察

用導電雙面膠將適量淀粉樣品固定在載物臺上，真空噴金處理后，將樣品置于掃描電子顯微鏡中，掃描過程的加速電壓為5 kV，觀察樣品的形態[12]。

1.3.3 淀粉的粒度分析

以無水乙醇作為分散介質，配制淀粉懸浮液，超聲波振蕩滴入分散槽，遮光率低于25%，測定粒徑大小。

1.3.4 晶體特性分析

樣品在飽和NaCl溶液中(相對濕度75%)平衡水分。分析條件：CoKa輻射，管壓為40 KV，管流為40 mA，掃描速度設為4 deg/min，掃描范圍的2θ為3°～40°，步長為0.02°[13]。XRD圖采用系統軟件Integral進行平滑，相對結晶度用Nara等[14]方法計算。

1.3.5 淀粉的膨脹度

參考Konik-Rose等[15]的方法，采用40 mg(干基)樣品進行測定，膨脹度公式為：SP=B/S。

式中：B為沉淀物的質量；S為淀粉樣品的質量。

1.3.6 淀粉的凍融穩定性

將樣品配制成6%(m/m)的淀粉-水的懸液，90 ℃的水浴糊化15 min，平衡10 min，于4 ℃下冷藏2 h增加晶核，再置于-18 ℃冷凍20 h，常溫解凍4 h，于3 000 r/min離心20 min，24 h為1個循環。進行5次凍融循環，計算析水率。

1.3.7 淀粉的熱特性

將淀粉與去離子水按1∶3(m/V)的比例混合置于鋁盤中，密封后平衡水分12 h。測定條件為：溫度范圍 20～100 ℃；升溫速率 10 ℃/min。記錄相關參數：起始溫度To，峰頂溫度Tp，結束溫度Tc。

1.3.8 淀粉的黏度特性

制備8%(m/m)、總質量為28 g的淀粉-水懸液。測定條件為：50 ℃下保持1 min，以12 ℃/min的速率加熱至95 ℃，保持3 min，以12 ℃/min的速率冷卻至50 ℃保持2 min[5]。前10 s混合槳的轉速960 r/min，其余為160 r/min。從RVA特征譜測得下列參數：峰值黏度(PV)、谷值黏度(TV)、崩解值(BD)、最終黏度(FV)、回生值(SB)和起始糊化溫度(PT)。

1.3.9 數據處理

數值表示為平均值±標準差，實驗重復2～3次，數據采用Duncan多重檢驗法進行顯著性分析(P<0.05)，采用SPSS21軟件進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 直鏈淀粉含量、蛋白質和脂肪含量

由表1可知，不同品種栗屬堅果的直鏈淀粉質量分數存在顯著差異，岱岳早豐的直鏈淀粉含量最低，二水早最高。14個品種的直鏈淀粉含量與Liu等[5]和Torres等[16]的報道相近。淀粉樣品的蛋白質含量較低，其中3種錐栗淀粉蛋白質質量分數較其他淀粉高。淀粉樣品脂肪質量分數為0.68%～1.63%，3種錐栗淀粉的脂肪質量分數較高，為1.50%～1.63%，日本栗大峰的脂肪質量分數為1.48%。

表1 3種栗屬堅果淀粉的組成分析

注：同列中字母不同表示差異顯著(P<0.05)，余同。

2.2 微觀形貌及粒度

如圖1所示，淀粉樣品顆粒表面光滑，形狀復雜，有不規則形、橢圓形、鵝卵石形、蕎麥籽形等，淀粉顆粒的粒徑小于20 μm。錐栗淀粉的顆粒形態較規則，多為圓形和橢圓形，棱角較圓。淀粉顆粒粒徑相差較大，分為大尺寸和小尺寸兩種顆粒，顆粒粒徑分布呈單峰狀且分布范圍較窄。中位徑D50是分布曲線中累積分布為50%時的最大顆粒的等效直徑。如表1所示，不同品種淀粉的中位徑有顯著差異，錐栗的長芒仔淀粉中位徑最大，烏殼長芒的中位徑最小。

圖1 栗屬淀粉顆粒的掃描電鏡圖(×2 000)

2.3 淀粉的晶體結構

淀粉的晶型分為A型、B型和C型3種類型。A型淀粉在2θ為15°、17°、18°和23°處有較強衍射峰；B型淀粉在2θ為5.6°、17°、22°和24°有較強衍射峰；C型為A型和B型的綜合[5]。由圖2可知，3種堅果淀粉在衍射角2θ為5.8°、15.3°、17.0°以及23.0°附近出現較強衍射峰，2θ為20.0°附近出現較弱的衍射峰，表明所測樣品均為C型晶體，該結果和Wang等[17]報道的板栗淀粉一致，與謝濤等[18]報道的錐栗淀粉為A型晶體結果不一致。在衍射角2θ為5.8°處衍射峰強度不同，板栗的早豐、金優2號和錐栗的長芒仔衍射峰強度較大，表明其淀粉顆粒含有較多的B型晶體[13]。

圖2 栗屬堅果淀粉的X-射線衍射圖

如表2所示，栗屬堅果淀粉的結晶度有顯著差異，板栗的二水早結晶度最高，日本栗大峰的結晶度較高，金優2號最低。淀粉之間結晶度的差異由結晶大小、晶體數量和雙螺旋結構間相互作用等因素決定[19]。供試淀粉的結晶度差異不能單獨用直鏈淀粉含量來解釋，因為二水早直鏈淀粉含量較高，卻表現了較高的結晶度。所以結晶度可能是由于顆粒內部微晶的取向、支鏈淀粉的鏈長度以及雙螺旋結構之間相互作用力等因素的相互制約決定。

表2 栗屬堅果淀粉的結晶度、膨脹度及凍融析水率

2.4 淀粉的膨脹度

如表2所示，隨著溫度升高，淀粉膨脹度逐漸增大；相同溫度下，不同品種淀粉的膨脹度存在顯著差異。80 ℃時，烏殼栗的膨脹度最大，二水早最低；90 ℃時，大峰的膨脹度最高，燕山紅最低。淀粉膨脹度表明淀粉在特定的加熱條件下淀粉分子的水合能力[20]，燕山紅的膨脹度低于其他淀粉，可能與其直鏈淀粉含量較低、結晶度較高有關。該實驗結果與Cruz等[21]報道的歐洲板栗以及Liu等[5]報道的板栗淀粉膨脹度相近。

2.5 淀粉的凍融穩定性

如表2所示，不同品種淀粉在相同凍融次數的條件下，析水率存在顯著差異。經過1次凍融后，除早豐、大峰、金優2號和白露仔，其他淀粉的析水率均為0，說明栗屬淀粉具有較好的持水能力。5次凍融后，東蘭油栗的析水率最低，錐栗的白露仔析水率最高。經過多次凍融后，東蘭油栗、岳岱早豐和烏殼長芒的凍融穩定性最好，適合加工冷藏和冷凍食品。栗屬淀粉膠凍融后形成海綿狀結構，持水性好，說明在低溫凍融的過程中，淀粉分子間有較強的相互作用，使水分子能很好地固定在直鏈淀粉的網絡結構中。

2.6 淀粉的熱特性

如表3所示，不同品種間淀粉的熱特性參數存在顯著差異。較高的To表明淀粉結晶具有較高的穩定性，結構缺陷的數量較少。較高的凝膠化溫度表明淀粉糊化的起始需要更多的能量；淀粉顆粒的結晶度越大，凝膠化越困難[22]。淀粉凝膠化溫度可能是由直鏈淀粉的數量、支鏈淀粉的結構、淀粉顆粒的分子結構和質量分布以及顆粒結構包括大小和形狀等多種因素造成的[23]。供試淀粉的To、Tp和Tc的范圍與Guo等[8]報道的結果相近。金優2號的凝膠化溫度最低，其直鏈淀粉含量較高、結晶度最低。燕山紅淀粉的To最高，二水早淀粉的Tp和Tc最高。錐栗及日本栗大峰的To、Tp和Tc較低，適合生產較低加工溫度的產品。ΔH反映了雙螺旋結構的消失，岱岳早豐的ΔH最高，七月紅的ΔH最低。

表3 栗屬堅果淀粉的熱特性參數

2.7 淀粉的黏度特性

如表4所示，樣品的糊化參數存在顯著差異。板栗淀粉的葉里藏和二水早淀粉的糊化溫度最高，金優2號最低，錐栗淀粉的糊化溫度較低。一般來說，直鏈淀粉含量高、結晶度高的淀粉晶體結構緊密，晶體熔解所需熱量大，導致糊化溫度較高[24]。葉里藏、二水早、石豐淀粉的結晶度較高，其糊化溫度高；而金優2號、白露仔、烏殼長芒和長芒仔的糊化溫度較低，表明淀粉顆粒結構松散，易吸水膨脹、糊化。

表4 栗屬堅果淀粉的糊化特征參數

表5 淀粉的相關性分析

注：AM為直鏈淀粉質量分數；D50為中位徑；RC為相對結晶度；SP90為90 ℃膨脹度；To、Tp和Tc為凝膠化起始、峰值和終止溫度；ΔH為凝膠化熱焓；PV為峰值黏度；TV為谷值黏度；BD為崩解值；FV為最終黏度；SB為回生值；PT為糊化溫度；*為P<0.05差異顯著；**為P<0.01差異極顯著。

金優2號和大峰的峰值黏度最大，葉里藏淀粉峰值黏度最小。峰值黏度反映淀粉和水的結合能力[25]，其值越高淀粉顆粒內部結合越松散，具有較好的膨脹性能，增稠效果較好。崩解值反映淀粉的熱糊穩定性，崩解值越小，溶脹后的淀粉顆粒強度越大、其抗剪切性和熱糊穩定性好。葉里藏和石豐的崩解值最低，表明其淀粉糊具有較好的熱糊穩定性。由表4可知，金優2號的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度及回生值均顯著高于其他品種，其糊化溫度最低。葉里藏的峰值黏度、谷值黏度及崩解值均低于其他品種。東蘭油栗、白露仔和大峰具有較低的回生值，表明淀粉的老化程度低，具有良好的加工適宜性。板栗品種的金優2號和東蘭油栗的糊化溫度低、熱糊穩定性較高，適用于生產需要較低的加工溫度和較高黏度的產品。日本栗大峰的峰值和谷值黏度較高，直鏈淀粉含量較高，表明其糯性品質較好。

2.8 相關性分析

如表5所示，供試淀粉的物化特性與直鏈淀粉含量和結晶度顯著相關。直鏈淀粉含量分別與峰值黏度PV、谷值黏度TV和最終黏度FV呈顯著正相關，與結晶度、Tp和RVA糊化溫度PT呈極顯著負相關。隨著直鏈淀粉含量增加，結晶度降低，糊化所需的溫度降低，淀粉糊黏度增大，說明在樣品淀粉顆粒中直鏈淀粉屬于無定形區結構的組成部分。相對結晶度分別與To顯著正相關，與Tc、Tp和PT呈極顯著正相關,與最終黏度呈顯著負相關。表明結晶度影響淀粉的相轉變，結晶度越大，破壞其晶體結構所需的溫度越高。90 ℃的膨脹度分別與TV、BD和FV呈極顯著正相關，與ΔH呈顯著正相關，與To呈極顯著負相關，與Tc和PT呈顯著負相關。Tp與PV和FV呈極顯著負相關，與TV呈顯著負相關。

3 結論

對14個主栽品種的栗屬堅果淀粉進行特性研究。結果表明，淀粉的結構和理化特性有顯著差異。栗屬堅果淀粉的直鏈淀粉含量差異較大，顆粒形態多樣，大小不均，均為C型晶體。供試淀粉的直鏈淀粉含量與峰值、谷值和最終黏度PV、TV和FV呈顯著正相關，結晶度與淀粉的凝膠化初始、峰值和終止溫度To、Tp和Tc呈顯著正相關，說明直鏈淀粉含量和結晶度是影響淀粉的理化性質的主要因素。

東蘭油栗、岳岱早豐和烏殼長芒的凍融穩定性最好，適合加工冷凍食品。錐栗及日本栗的To、Tp和Tc較低，適合生產低溫加工產品。供試淀粉的糊化特征參數差異較大，日本栗大峰的直鏈淀粉含量較高、峰值和谷值黏度較高、回生值較低，具有良好的加工適宜性。