沙土與壚土種植懷山藥中淀粉及抗性淀粉的理化性質比較

◎ 孟世龍，焦 芬，何青云，任澤玥，馬凡怡

（河南大學藥學院天然藥物與免疫工程重點實驗室，河南 開封 475004）

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

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

沙土和壚土種植的懷山藥中，水分、氨基酸、淀粉等營養成分[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性質差別，本文利用壓熱法制備了懷山藥抗性淀粉，對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）的微觀結構、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。

1 材料與方法

1.1 材料

沙土懷山藥和壚土懷山藥均購自河南保和堂（焦作）制藥有限公司；大豆油購自上海易恩化學技術有限公司；直鏈淀粉試劑盒購自英國Megazyme有限公司；HgCl2、中鏈甘油三酯（MCT）等試劑購自天津基準化學試劑有限公司，均為分析純試劑。

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100目篩，得到山藥粉。根據Wang[4]等人的方法提取原淀粉，過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。沉淀后，除去上清液，再用蒸餾水將淀粉反復水洗和沉降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）。原淀粉產率的計算公式見式（1）：

1.2.1.2 懷山藥抗性淀粉的制備

根據Dundar[5]等人的方法，利用循環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，反復三次，干燥粉碎，過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）。抗性淀粉的淀粉產率計算公式見式（2）：

1.2.2 懷山藥抗性淀粉的理化性質檢測

1.2.2.1 直鏈淀粉含量

使用Megazyme試劑盒對SNS、SRS、LNS、LRS進行直鏈淀粉含量的測定。

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。含水量的計算公式見式（3）：

1.2.2.3 掃描電鏡

分別將SNS、SRS、LNS、LRS樣品用導電膠固定于銅臺上，噴金，用掃描電鏡（JSM-7001F，日本電子株式會社）觀察淀粉的微觀結構[6]。

1.2.2.4 X-射線衍射

使用X-射線粉末衍射儀（D8 Advance，德國布魯克光譜儀器公司），對SNS、SRS、LNS、LRS的結晶性質進行考察。加速電壓40 kV，管電流40 mA加測量角度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，德國布魯克光譜儀器公司），對山藥淀粉的內部結構進行分析。使用KBr壓片法分別處理SNS、SRS、LNS、LRS樣品，掃描波長為400～4000 cm-l，樣品測量溫度為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]。持水力的計算公式見式（4）：

其中：WHC為持水力；m1為沉淀質量（g）；m2為樣品質量（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]。溶解度的計算公式見式（5）：

其中：S為溶解度；A為上清液烘干后殘渣的質量（g）；W為樣品質量（g）。

1.2.2.8 懷山藥抗性淀粉的乳化性質

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1 min后，3000 r/min離心10 min。根據式（6）和（7），分別計算其乳化能力和乳化穩定性。

1.2.3 數據與分析

每組實驗測定3次，以平均數±標準偏差表示。

2 結果與討論

2.1 產率、直鏈淀粉含量及含水量

SNS的產率約為64.80%，LNS約為74.60%，SRS和LRS的產率分別為96.33%和89.68，說明在制備抗性淀粉過程中，可以保證較高的產率。

直鏈淀粉的含量可以直觀反映抗性淀粉在樣品中的實際占比，故可以通過檢測直鏈淀粉推測抗性淀粉的純度。經壓熱法處理后的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），說明原淀粉組中，壚土山藥中含有更多的直鏈淀粉；經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），說明在儲藏過程中，沙土懷山藥原淀粉更易保持其原有品質。經壓熱處理后的SRS含水量顯著升高，而LRS的含水量顯著降低，說明SRS結構經高溫高壓破壞重組后更易保留水分子，而LRS片層狀結構更易失去水分子。

2.2 微觀結構

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

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°時有較強的衍射峰，LNS在衍射角為14.91°、16.90°和22.77°時有較強的衍射峰。SRS僅在17.04°和22.10°處，LRS僅在18.86°和22.25°處有較強的衍射峰，且峰型分散。這說明經壓熱法處理后，懷山藥的淀粉結構被打亂重排，形成了新的晶體結構。

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鍵的振動吸收峰。1654～1642 cm-1處的強吸收峰對應的是羰基C-O的伸縮振動；1161 cm-1附近的特征峰為與伯醇羥基相連的C-O伸縮振動吸收峰；1039～997 cm-1處為與仲醇羥基相連的C-O-C伸縮振動峰。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影響山藥中淀粉的分子結構，也進一步證明懷山藥淀粉在壓熱過程中主要發生了物理變化，沒有新的官能團產生。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處出現了雙峰，表明抗性淀粉中有的羥基出現締合形成氫鍵。

2.5 持水力

淀粉持水力表示羥基與淀粉分子鏈由共價結合所產生的結合水量的大小，4種淀粉的持水力如圖2（a）所示。SNS和LNS在45～65 ℃時，持水力無顯著變化；當溫度大于65 ℃時，持水力顯著升高，可能是由于溫度升高，原淀粉糊化時大量吸水所致。SRS和LRS在45～95 ℃區間內，持水力無顯著變化（P> 0.05），相較于原淀粉，持水力變差。此現象可能是淀粉經壓熱處理后結構被破壞，更多的親水羥基被暴露，形成的片層結構無法吸水。

圖2 4種淀粉的持水力（a）、溶解度（b）和乳化性質（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，常被用來衡量淀粉的品質。4種淀粉在50～90 ℃的溶解度如圖2（b）所示。SNS和LNS在50～60 ℃時，溶解度無顯著變化（P> 0.05）；當溫度大于60 ℃時，溶解度顯著提高（P< 0.05）。LRS和SRS在50～90 ℃下，溶解度一直保持穩定，未發生顯著性變化（P> 0.05）。結果表明，沙土懷山藥的溶解度大于壚土懷山藥的溶解度，可能是因為沙土懷山藥多為粉質，持水力強。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），說明抗性淀粉在制備過程中結構發生改變，支鏈結構被破壞，短直鏈增多暴露了更多的羥基基團，溶解力顯著升高。

2.7 乳化性質

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。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定性分別為99.3%和97.6%，SRS在大豆油和MCT中的乳化穩定性分別為100.0%和94.4%，二者在大豆油和MCT中均能保持良好的乳化穩定性，無顯著性差異（P> 0.05）。LNS和LRS的乳化能力和穩定性同樣保持了此趨勢，與SNS和SRS無顯著性差異。

3 結論

本文對沙土懷山藥和壚土懷山藥原淀粉（SNS和LNS）進行循環壓熱處理，制備了抗性淀粉（SRS和LRS），并對4種淀粉進行了結構分析及表征。結果表明，SNS和LNS、SRS和LRS的直鏈淀粉含量、含水量具有顯著區別；沙土和壚土懷山藥的原淀粉及抗性淀粉理化性質變化無顯著性差異。原淀粉顆粒為表面光滑的橢球狀結構，而抗性淀粉則為凸凹不平的片層狀結構，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，說明壓熱處理的過程中主要發生物理變化，無新化合物生成。對比原淀粉，抗性淀粉的溶解度、持水力隨著溫度的變化可以保持穩定，且乳化能力顯著下降。