马铃薯抗性淀粉理化性质的研究

章丽琳，曾希珂，张　喻，胡新喜（1.湖南农业大学 食品科学技术学院，湖南 长沙 410128；2.食品科学与生物技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410128；.湖南农业大学 园艺园林学院，湖南 长沙 410128）

马铃薯抗性淀粉理化性质的研究

章丽琳1，2，曾希珂1，2，张喻1，2*，胡新喜3
（1.湖南农业大学 食品科学技术学院，湖南 长沙 410128；2.食品科学与生物技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410128；3.湖南农业大学 园艺园林学院，湖南 长沙 410128）

以马铃薯原淀粉为对照，研究了纤维素酶-压热法制备的马铃薯抗性淀粉的理化性质。结果表明，马铃薯原淀粉颗粒呈椭球形，表面光滑；而抗性淀粉的颗粒状结构消失，形成了连续的致密结构，表面不再光滑。红外光谱分析表明，抗性淀粉分子中未出现新的基团，只较原淀粉形成了更多的氢键。马铃薯原淀粉的分子晶型为A型，整体结晶度为22.82%；抗性淀粉的分子晶型为B型，整体结晶度为29.64%。马铃薯抗性淀粉的溶解度、透明度远远低于原淀粉；膨润度、持水性优于原淀粉。抗性淀粉的沉降速度较快，沉降性比原淀粉强。原淀粉糊化温度为65.8℃，峰值黏度可达到10 770 mPa·s；而抗性淀粉其糊化温度高于95℃。

马铃薯淀粉；抗性淀粉；理化性质

抗性淀粉（resistant starch，RS）是指不能在健康人体小肠中消化吸收，而能在大肠中被发酵分解的一类淀粉及其降解物，是一种具有良好生理功能和食品加工特性的原料［1］。其具有降低甘油三酯和胆固醇的浓度，预防直肠癌和肠道疾病，改善肠道菌群，防止糖尿病，促进维生素和矿物质的吸收等生理功能［2-4］。根据其来源和抗酶解性的不同可将其分为4类：RS1（物理包埋淀粉）、RS2（抗性淀粉颗粒）、RS3（老化淀粉）、RS4（化学改性淀粉）［5］。目前，关于抗性淀粉制备的研究较多，而关于抗性淀粉的理化性质研究尚不深入、系统。抗性淀粉的理化性质研究能够为其加工利用提供理论依据，并推进其加工利用的步伐。一些抗性淀粉理化性质研究显示，抗性淀粉为以氢键连接的回生状的分散的线性多糖类物质，基本特性与淀粉相似，是白色无异味的多孔性粉末，加到食品中不影响食品的感官和质地，持水性低，颗粒粒度低，可膨化，RS3的糊化温度较高（超过150℃），因此RS3具有较高的热稳定性。

马铃薯在国内种植面积广、产量高且其淀粉比其他淀粉纯度高、质量好、易转化，适宜生产抗性淀粉。酶解法是制备抗性淀粉的常用方法，其中纤维素酶酶解法可破坏纤维素等阻碍淀粉分子聚集的非淀粉物质，从而可大大提高回生抗性淀粉的得率［6］。压热法是制备回生抗性淀粉较为常用的方法，通过高温高压作用使一定浓度的淀粉乳充分糊化，再利用淀粉的老化特性，在低温条件下静置一定时间，使淀粉糊慢速冷却形成老化淀粉，即回生抗性淀粉［7］。该试验采用纤维素酶-压热法制备并纯化得到马铃薯抗性淀粉，重点研究了抗性淀粉的微观结构、晶体结构、糊化特性、溶解度等理化性质，以期为马铃薯抗性淀粉的加工利用提供理论依据。

1　材料与方法

1.1材料与试剂

马铃薯原淀粉（其中淀粉质量分数为83.5%，含水率为16.5%）：甘肃兴达淀粉工业有限公司；马铃薯抗性淀粉；实验室自制；葡萄糖淀粉酶（100U/mg）、α-淀粉酶（4000U/g）：上海奥诺生物科技有限公司；纤维素酶（15 000 U/g）、磷酸氢二钠、柠檬酸、盐酸、氢氧化钠、苯酚等（均为分析纯）：国药集团化学试剂有限公司。

1.2仪器与设备

ZHWY-C2102恒温培养振荡器：上海智城分析仪器制造有限公司；LMQ.J立式灭菌器：山东新华医疗器械股份有限公司；101-2AB电热鼓风干燥箱：天津市泰斯特仪器有限公司；TDZ5-WS台式低速离心机：湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；WFJ-7200可见分光光度计：尤尼柯（上海）仪器有限公司；MDJ-D4072磨豆机：广东小熊电器有限公司；PHS-3C型精密pH计：上海精密科学仪器有限公司；JSM-6360LV型扫描电子显微镜：日本电子公司；RVA-S/N2112681快速黏度测定仪：瑞典Perten仪器有限公司；VECTOR33型傅里叶变换红外光谱仪：德国Bruker公司；D/MAX-3A型X射线衍射仪：日本理学公司。

1.3试验方法

1.3.1马铃薯抗性淀粉制备的工艺流程及操作要点

操作要点：配制马铃薯原淀粉为10%的淀粉乳溶液，调pH至5.0，在80℃水浴中进行糊化，冷却至适宜温度，纤维素酶添加量为30 U/mL进行酶解（酶解温度40℃，酶解时间40 min），放入高压灭菌锅中进行压热处理，压热温度为120℃、压热时间为30 min后取出冷却至室温，于4℃条件下静置18 h，取出后于室温放置4 h，后放入60℃烘箱中烘干，粉碎过80目筛。

1.3.2马铃薯抗性淀粉的提取分离

称取一定质量的处理样，溶于磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液（pH6.0）中，加入2mL1%耐高温α-淀粉酶，90℃水浴振荡30 min，冷却至室温；用柠檬酸调节pH至4.5，加入2 mL 1%葡萄糖淀粉酶，60℃水浴振荡30 min，冷却，3 000 r/min离心15 min，除去上清液，将沉淀用蒸馏水洗，并80℃干燥，粉碎过筛［8］，即得到马铃薯抗性淀粉。

1.3.3电子扫描显微镜观察

将马铃薯原淀粉及抗性淀粉置于105℃烘箱中干燥4～5 h，取少量淀粉样品在红外灯下用导电胶均匀地固定在样品台面上，做喷金处理，将处理后的样品保存于干燥器中，经过短暂干燥后，在扫描电子显微镜下观察并拍摄具有代表性的淀粉颗粒形貌［9］。

1.3.4红外光谱分析

采用溴化钾压片法，在波数400～4 000 cm-1范围进行马铃薯原淀粉及抗性淀粉红外光谱分析。

1.3.5 X-射线衍射分析

采用X-射线衍射仪测定淀粉的晶体特性。衍射条件：特征射线CuKα，石墨单色器，管电压40kV，管电流30mA，扫描范围2θ为470°，扫描速度10°/min。样品的结晶度按照蹇华丽等［10］提出的方法进行计算。

1.3.6溶解度和膨润度的测定

称取2.00g马铃薯淀粉及抗性淀粉，计为m0，溶于100mL蒸馏水中，并添加至恒质量m1的离心管中，分别在40℃、50℃、60℃、70℃、80℃条件下搅拌30 min，冷却，3 000 r/min离心30 min，取上清液在80℃蒸干少许水分，然后105℃烘干至恒质量后称质量m3，并称离心管及沉淀物总质量m4，按以下公式计算淀粉溶解度及膨润度［11］。

1.3.7持水力的测定

称取2g马铃薯淀粉及抗性淀粉，计为m0，置于恒质量m1离心管，添加20 mL蒸馏水，分别在40℃、50℃、60℃、70℃和80℃条件下水浴加热15 min，每5 min振荡1次。将水浴后的样品3 000 r/min离心15 min，弃去上清液，称质量m2，按以下公式计算持水性［11］。

1.3.8透明度测定

称取淀粉样品各1.00g加入100mL蒸馏水，在沸水浴中搅拌加热30 min，冷却至室温，再用水调整淀粉糊至原体积，以蒸馏水为参比，在波长620 nm处测定淀粉糊的透光率［12］。以透光率反映样品透明度，透光率越高，透明度越好。

1.3.9沉降曲线的测定

将1.00 g/100 mL的马铃薯淀粉及抗性淀粉乳在沸水中搅拌加热30 min，冷却至室温，放入100 mL的刻度量筒中，每隔2 h记录上层清液体积，上清液体积对应时间的变化曲线即为淀粉糊的沉降曲线。24 h后的上清液体积即为沉降体积［13］。

1.3.10糊化特性测定

用快速黏度仪对马铃薯原淀粉及抗性淀粉的糊化特性进行测定，称取3.00g左右样品放入专用铝筒中，加入25mL蒸馏水，放入仪器中进行测定。采用升温/降温循环糊化程序，50℃保持1 min，4 min内加热至95℃并保持5.5 min，4 min内冷却至50℃并保持4 min，旋转浆在起始10 s内旋转速度为960 r/min，后保持160 r/min至结束［14］。

2　结果与分析

2.1马铃薯抗性淀粉颗粒结构

马铃薯原淀粉及抗性淀粉的扫描电子显微镜照片如图1所示。从图1可以看出，马铃薯原淀粉颗粒完整，为不规则椭球形，表面光滑；而马铃薯抗性淀粉的微观结构发生显著变化，其颗粒状结构消失，呈不规则块状堆积结构，表面粗糙，有不规则的凸起。造成这种结构变化的原因可能是，纤维素酶处理可破坏纤维素等阻碍淀粉分子聚集的非淀粉物质［6］；在糊化过程中，直链淀粉从原淀粉颗粒中溶出，回生过程中，直链淀粉分子相互靠近依靠氢键及范德华力形成双螺旋结构并沉降［15］；在纯化过程中，粗抗性淀粉中的无定性部分被酶解，剩下高度结晶的直链淀粉［16］。

图1　淀粉颗粒扫描电子显微镜图Fig.1 Scanning electron microscope of starch granules

2.2马铃薯抗性淀粉红外光谱分析

马铃薯抗性淀粉及原淀粉的红外光谱图如图2所示，其数据分析结果见表1。

图2　马铃薯抗性淀粉（A）及马铃薯原淀粉（B）的红外光谱图Fig.2 Infrared spectra of potato resistant starch（A）and potato starch（B）

表1　马铃薯抗性淀粉及原淀粉的特征吸收峰Table 1 Characteristic absorption peaks of potato resistant starch and potato starch

从图2、表1可以看出，马铃薯抗性淀粉及马铃薯原淀粉的红外光谱图没有显著差异，其具有相似的主要特征吸收峰，说明纤维素酶-压热法制备抗性淀粉过程中没有形成新的基团，即没有发生化学反应；对比两者的红外光谱图发现，马铃薯抗性淀粉在2 995.45 cm-1处吸收峰的相对强度增大，说明抗性淀粉较原淀粉形成了更多的氢键。

2.3马铃薯抗性淀粉结晶结构

马铃薯抗性淀粉及马铃薯原淀粉的X-射线衍射图谱如图3所示，其各型晶体的质量分数及结晶度如表2所示。

图3　马铃薯抗性淀粉及马铃薯原淀粉的X-射线衍射图谱Fig.3 X-ray diffraction patterns of potato resistant starch and potato starch

由图3和表2可看出，马铃薯抗性淀粉的结晶结构发生了变化，马铃薯原淀粉的晶体类型为A型，抗性淀粉的晶体类型为B型；相比原淀粉，抗性淀粉的A型及V型晶体所占比例减少，B型晶体的比例显著增加；且抗性淀粉的整体结晶度升高，为29.64%，原淀粉的整体结晶度为22.82%。B型晶体相比V型晶体更为稳定［17］，由此可知，马铃薯抗性淀粉的晶体结构更加稳定。这是因为抗性淀粉的制备过程中，其分子链通过断裂、重组，趋向于形成更为稳定的晶体结构［18］。

表2　马铃薯抗性淀粉及马铃薯原淀粉X-射线衍射图谱数据分析Table 2 X-ray diffraction spectral data of potato resistant starch and potato starch

2.4溶解度及膨润度

马铃薯原淀粉及抗性淀粉的溶解度、膨润度随温度升高的变化分别如图4、图5所示。

图4　马铃薯抗性淀粉及马铃薯原淀粉的溶解度变化Fig.4 Solubility changes of potato resistant starch and potato starch

图5　马铃薯抗性淀粉及马铃薯原淀粉的膨润度变化Fig.5 Swelling capacity changes of potato resistant starch and potato starch

由图4可知，马铃薯抗性淀粉的溶解度大大低于马铃薯原淀粉的溶解度；且两种淀粉的溶解度都随温度的升高而逐渐增大。这是因为压热处理使直链淀粉从淀粉颗粒中游离出来，且部分支链淀粉发生降解，增加了淀粉乳液中直链淀粉的含量，在冷却阶段，直链淀粉分子又重新取向、排列，形成致密的结晶结构［19］。这种致密的结晶结构使得淀粉溶解度减小。

由图5可知，马铃薯抗性淀粉的膨润度优于原淀粉，但随着温度的升高，原淀粉的膨润度增大幅度较大。原因可能是抗性淀粉中直链淀粉的含量较大，使得膨润度较大，但抗性淀粉结构较稳定，在温度升高的情况下结构变化不明显，膨润度变化不明显。

2.5持水性

持水性表示羟基与淀粉分子链由共价结合所产生的结合水量的大小。马铃薯原淀粉及抗性淀粉的持水性随温度升高的变化如图6所示。

图6　马铃薯抗性淀粉及马铃薯原淀粉的持水性变化Fig.6 Water binding capacity changes of potato resistant starch and potato starch

由图6可知，马铃薯抗性淀粉的持水性优于马铃薯原淀粉；但随温度升高，马铃薯原淀粉的持水性升高幅度更明显。原因可能是原淀粉经压热处理形成抗性淀粉过程中，短直链淀粉分子增多，葡萄糖单元上外侧的亲水性羟基也增加，且糊化后淀粉分子在凝沉过程中分子重新聚集成有序结晶，使得持水性增强［20］。

2.6透明度

透明度直接关系到产品的外在特征。马铃薯抗性淀粉及马铃薯原淀粉的透明度结果如图7所示。

图7　马铃薯抗性淀粉及马铃薯原淀粉的透光率Fig.7 Transparency of potato resistant starch and potato starch

由图7可知，马铃薯抗性淀粉的透明度大大低于原淀粉的透明度。有研究表明，直链淀粉含量影响着淀粉糊的透明度，直链淀粉含量高更易促使淀粉糊回生，降低透光率［12］。可能是因为马铃薯抗性淀粉中的直链淀粉含量高于马铃薯原淀粉，前者中的直链淀粉分子相互缔合使光线散射的能力更强，从而导致透明度下降。

2.7沉降性

马铃薯抗性淀粉及马铃薯原淀粉的沉降曲线如图8所示。

图8　马铃薯抗性淀粉及马铃薯原淀粉糊的沉降曲线Fig.8 Settlement curve of potato resistant starch and potato starch

由图8可知，马铃薯原淀粉不易沉降，沉降体积较小；而马铃薯抗性淀粉的沉降较明显，沉降体积较大，沉降速度较快。马铃薯淀粉颗粒较大，具有良好的溶胀性，同时，其带有同性电荷，淀粉颗粒之间相互排斥，避免了淀粉颗粒的凝聚，使得淀粉糊较稳定［21］；而马铃薯抗性淀粉的颗粒性消失。且沉降性还与淀粉分子的结构有关，支链淀粉分子因为分支结构的关系不易发生沉降，所以含直链淀粉多的淀粉沉降性较强［21］。

2.9糊化特性研究

糊化是淀粉的基本性质，淀粉的糊化特性会影响到食品的加工性能、储藏和口感。马铃薯原淀粉及马铃薯抗性淀粉的快速黏度仪（rapid visco analyser，RVA）谱图分别如图9、图10所示。

图9　马铃薯原淀粉糊化特性RVA谱图Fig.9 RVA spectrum of potato starch

由图9可知，马铃薯原淀粉的糊化温度为65.8℃，糊化黏度随温度的变化呈有规律地上升，到达峰值黏度后下降，到达谷值黏度再上升，到达最终黏度，表现出淀粉类样品特有的RVA曲线。由图10可以看出，马铃薯抗性淀粉样品的RVA曲线随温度升高，黏度变化不明显，说明马铃薯抗性淀粉在95℃以下没有发生糊化，淀粉分子在不断加热搅拌过程中只发生了吸水溶胀，没有经历崩解、直链淀粉聚合等过程。说明马铃薯抗性淀粉分子间及分子内部的相互作用力较大，显著大于马铃薯原淀粉。

图10　马铃薯抗性淀粉糊化特性RVA谱图Fig.10 RVA spectrum of potato resistant starch

3　结论

马铃薯原淀粉颗粒完整，为不规则椭球形，表面光滑；而马铃薯抗性淀粉的颗粒状结构消失，呈不规则块状堆积结构，表面粗糙。

马铃薯抗性淀粉及马铃薯原淀粉的红外光谱图没有显著差异，具有相似的主要特征吸收峰；但较原淀粉，抗性淀粉形成了更多的氢键。

抗性淀粉的晶体类型为B型，原淀粉的晶体类型为A型；相比原淀粉，抗性淀粉中的A型及V型晶体所占比例减少，B型晶体的比例显著增加；抗性淀粉的结晶度为29.64%，原淀粉的结晶度为22.82%。

抗性淀粉的溶解度低于原淀粉；膨润度、持水性优于原淀粉，且随着温度的升高，变化不明显；透明度大大低于原淀粉；抗性淀粉的沉降较明显，沉降体积较大，原淀粉不易沉降。

抗性淀粉的糊化温度高于95℃，其RVA曲线随温度升高，黏度变化不明显；马铃薯淀粉的糊化温度为65.8℃，具有典型的RVA曲线，且峰值黏度较大。

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Physicochemical properties of potato resistant starch

ZHANG Lilin1，2，ZENG Xike1，2，ZHANG Yu1，2*，HU Xinxi3
（1.College of Food Science and Technology，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China；2.Food Science and Biotechnology Key Laboratory of Hunan Province，Changsha 410128，China；3.College of Gardening，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China）

Contrasted with potato starch，the physicochemical properties of potato resistant starch prepared with cellulase-pressure thermal treatment were studied.Results showed that potato starch granules were in ellipsoid and smooth.Resistant starch had no granule structure，formed a continuous compact structure，and their surfaces were not smooth.The chemical structure of two kinds of starch was similar but the resistant starch formed more hydrogen bonds.The crystal form of potato starch was type A.Its crystallization degree was 22.82%.The crystal form of resistant starch was type B. Its crystallization was 29.64%.The solubility and transparency of resistant starches were far lower than potato starch and the swelling capacity and water-holding capacity were better than potato starch.The settling speed of resistant starch was faster and settling properties were stronger than those of potato starch.The gelatinization temperature of potato starch were 65.8℃and the peak viscosity could be 10 770 mPa·s.Gelatinization temperature of resistant starch was higher than 95℃.

potato starch；resistant starch；physicochemical properties

TS235.9

0254-5071（2016）07-0117-06

10.11882/j.issn.0254-5071.2016.07.025

2016-03-22

公益性行业科研专项经费项目（201203096）；湖南省教育厅优秀青年项目（11B061）

章丽琳（1991-），女，硕士研究生，研究方向为农产品加工与贮藏。

张喻（1972-），女，教授，博士，研究方向为农产品加工与贮藏。