三种山药淀粉性质的差异分析

朱赞江，汪潇，褚浩，赵彩宏，向国红，2，陈致印，敬媛蓉

(1.湖南人文科技学院农业与生物技术学院，湖南 娄底 417000；2.娄底市农业科学研究所，湖南 娄底 417000；3.娄底市农业农村局，湖南 娄底 417000)

山药，又名薯蓣、怀参、土薯，是薯蓣属薯蓣科植物薯蓣(DioscoreaoppositeThunb.)的干燥块茎[1].山药原产于中国，在中国北部、中部和南部较暖的丘陵及浅山都有广泛的种植[2].铁棍山药、白玉山药都是中国典型山药品种，青树坪山药作为湖南地方特色品种，产自“全国重点镇”湖南双峰青树坪镇，具有山药界的“丑”山药之名，青树坪山药外形毛多、疙瘩多、弯曲不整齐，但口感细腻，性粉，粉中带糯，可媲美河南铁棍山药.山药营养丰富，富含淀粉、维生素、微量元素、多糖、氨基酸、薯蓣皂甙、尿囊素等营养元素[3-7].中医认为，山药具有益精气、健脾胃、滋肺肾等功效[8].国内外多项研究表明，山药提取物具有良好的调节肠胃，抗氧化，延缓衰老，降血糖、血脂，免疫调节，抗肿瘤，抗突变等生理功能[9-11].

淀粉是薯蓣中最丰富的碳水化合物，山药中淀粉一般占干基60%～85%左右[12]，其淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成，但直链与支链淀粉含量的比率，因山药品种、基因类型、生长环境的不同而有所差异[13].淀粉的组成不仅影响食用口感，而且对功效也影响显著[12].目前有关铁棍山药淀粉的研究已有文献报道，但青树坪山药淀粉的研究尚未见报道.因此，本研究将铁棍山药作为对照，将其淀粉与青树坪山药、白玉山药淀粉作比较，测定直链淀粉与支链淀粉比率，分析淀粉透明度、膨润力、稳定性等性质，旨为当地山药的精深加工提供技术支撑.

1 材料与仪器

1.1 试验材料

青树坪山药、铁棍山药、白玉山药来自青树坪山药种植基地鲜样(河南焦作品种)；支链淀粉标准品，Sigma公司；直链淀粉标准品，Sigma公司；碘化钾(KI)，广东化学试剂工程技术研究开发中心；氢氧化钠(NaOH)，湖南汇虹试剂有限公司；氢氧化钾(KOH)，天津市风船化学试剂科技有限公司；碘(I2)，湖南汇虹试剂有限公司；盐酸(HCl)，邵阳市方华化工有限公司化学试剂厂.

1.2 试验仪器

101型电热鼓风干燥箱，北京中兴伟业仪器有限公司；TDL-5C低速大容量离心机，上海安亭科技仪器厂；雷磁phs-3E pH计，仪电科学仪器；FA2004分析天平，上海良平仪器仪表有限公司；HH-8数显恒温水浴锅，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司；7230G可见分光光度计，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；索氏提取器加热抽提CY-SXT-02脂肪测定仪，杭州川一实验仪器有限公司.

2 试验方法

2.1 3种山药栽培管理方式

3种山药均是在青树坪山药种植基地露天栽培，篱架种植，各50株，株距0.3 m，行距0.5 m，混合种植，分品种标识，统一肥水管理，统一采样.因此，本研究结果的差异可以排除栽培管理及其他因素的影响.

2.2 淀粉含量的测定

2.2.1 淀粉标准液的制备 称取直链淀粉标准品0.1000 g，置于100 mL容量瓶中，加入0.5 mol/L KOH 10 mL，在85℃恒温水浴锅中进行溶解，边溶解边搅拌15 min，后冷却至室温，加去离子水定容至100 mL，即为1 mg/mL直链淀粉标准溶液.支链淀粉的标准溶液制备同上，现配现用.

2.2.2 直链淀粉与支链淀粉检测波长的测定 吸取10.0 mL支链淀粉标准液和5.0 mL直链淀粉标准液，分别置于100 mL的烧杯中，加入去离子水25 mL，用0.1 mol/L HCl溶液调pH到3.0，再分别加入0.5 mL碘试剂，用50 mL容量瓶定容[14].室温下静置30 min后，用去离子水作为空白对照，在分光光度计400～800 nm波段光谱扫描，分别获得支链淀粉和直链淀粉的吸收光谱图，根据等吸收点作图，确定直链淀粉的测定波长(λ1)、参比波长(λ3)和支链淀粉的测定波长(λ2)、参比波长(λ4).

2.2.3 双波长淀粉标准曲线的制作 在400～800 nm之间进行扫描，得到直链淀粉与支链淀粉的扫描曲线，确定了直链淀粉的测定波长(λ1)为618 nm，参比波长(λ3)为437 nm；支链淀粉的测定波长(λ2)为775 nm，参比波长(λ4)为540 nm.

图1 直链淀粉与支链淀粉扫描曲线Figure 1 Scanning curve of amylose and amylopection

分别称取直链淀粉标准品0、0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8 mg，置于7个50 mL容量瓶中，加入25 mL去离子水，用0.1 mol/L HCl溶液调pH至3.5，加入碘试剂0.5 mL，再用去离子水定容.室温下静置25 min，以去离子水为空白，用1 cm比色杯在λ1、λ3这两个波长下分别测定Aλ1、Aλ3，得ΔA直=Aλ3-Aλ1，得到的ΔA直为纵坐标，以直链淀粉的含量(mg)为横坐标，得双波长直链淀粉标准曲线(图2).

分别称取支链淀粉标准品0、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、5.0 mg，置于7只50 mL容量瓶中，加入25 mL去离子水，用0.1 mol/L HCl溶液调pH至3.5，加入碘试剂0.5 mL，再用去离子水定容.室温下静置25 min，以去离子水为空白对照，用1 cm比色杯在λ2、λ4这两波长下分别测定其Aλ2、Aλ4，即得ΔA支=Aλ2-Aλ4.以ΔA支为纵坐标，以支链淀粉的含量(mg)为横坐标，得双波长支链淀粉标准曲线(图3).

图2 直链淀粉标准曲线Figure 2 Standard curve of amylose

图3 支链淀粉标准曲线Figure 3 Standard curve of amylopectin

2.2.4 山药中脂肪的测定 利用索氏脂肪抽提器，加入石油醚80 mL，加热回流脱脂4 h，再将样品放入鼓风干燥箱中干燥至恒质量，平行3次，测得粗脂肪的含量.

2.2.5 山药淀粉含量的测定 称取0.100 g脱脂后的样品，加入10 mL 1 mol/L的KOH溶液，在80 ℃恒温水浴锅中进行溶解，边溶解边搅拌15 min，室温下用50 mL容量瓶定容，静置30 min后过滤，所有待测样品液取滤液3 mL，加入30 mL去离子水，用0.1 mol/L HCl溶液调pH至3.0，再加入0.5 mL碘试剂，待测液与空白液均用去离子水定容至50 mL.室温下静置30 min，以去离子水为空白对照，测定待测样品的吸收光值，根据前面的支链淀粉与直链淀粉的双波长标准曲线计算出样品中待测样品中的直链淀粉和支链淀粉含量[15]，二者之和即为烘干样品中总淀粉含量.支链淀粉与直链淀粉计算公式如下：

目前不少军工科研单位固定资产投资项目计划制定不科学、不合理，建设周期呈现前松后紧的状况，导致批复周期内无法完成项目建设，项目周期一拖再拖，影响科研任务的开展。另一方面，项目的经费预算计划随意申报，导致项目执行力差。许多单位为了保证项目的执行率，出现年底突击花钱的现象，大大地增加了项目的投资风险，存在着重大隐患。

直链淀粉(%)=X直×50×50×10/3×M×1000×(1-P1)×100

(1)

支链淀粉(%)=X支×50×50×10/3×M×1000×(1-P1)×100

(2)

总淀粉(%)=支链淀粉(%)+直链淀粉(%)

(3)

式中，X直为查双波长直链淀粉标准曲线得样品液中直链淀粉含量(mg)；X支为查双波长支链淀粉标准曲线得样品液中支链淀粉含量(mg)；M为烘干样品质量(此式中M=1)；P1为样品中粗脂肪含量.

2.3 山药淀粉的性质测定

2.3.1 山药淀粉的制备 对新鲜待测山药进行清洗，去皮，切片，放入榨汁机，并加入去离子水，以水与料液的比例为6∶1进行粉碎，静置5 min，再进行一次粉碎处理，倒入容器内.用0.1 mol/L的NaOH溶液调节pH至11.5，在50 ℃的恒温条件下，边加热边搅拌90 min，静置6 h，分层.倒去上清液，得到山药浆，对山药浆进行3次洗涤，每次用纱布进行过滤，再用0.1 mol/L的NaOH调节pH至11.5，静置12 h，将上层清液以及下层淀粉上的有色物质一并去除，得到的山药淀粉浆液用3 000 r/min离心20 min，用电热鼓风干燥箱50 ℃的条件下干燥12 h，用研钵研碎，过100目筛得到山药淀粉成品.

2.3.2 透明度的测定 根据李鑫等[16]的方法，准确称取1.00 g的烘干至恒质量的山药淀粉样品，加入去离子水至100 g，配成1%的山药淀粉乳液，在沸水浴中加热30 min糊化，边加热边搅拌，完全糊化后，冷却至室温.以去离子水为空白对照，用紫外分光光度计在620 nm的波长下测定山药淀粉样品的透光率，平行测定3次，取平均值.

2.3.3 凝沉性的测定 准确称取1.00 g烘干至恒质量的山药淀粉样品，加入去离子水至100 g，配成1%的山药淀粉乳液，沸水浴加热糊化20 min，室温下冷却，在 25 mL的具塞带刻度的试管内加入20 mL冷却的淀粉样品糊液，摇匀后静置，每30 min记录上清液的体积(mL)、沉淀体积(mL)及其沉淀现象，平行测定3次，取平均值[17].

溶解度(%)=(T1/T)×100

(5)

膨润力(%)=T2×100/T×(100-Y)

(6)

式中：T为山药淀粉样品的质量，g；T1为上清液中溶解的山药淀粉质量，g；T2为下层沉淀的质量，g；Y为山药淀粉样品的溶解度，%.

2.3.5 冻融稳定性的测定 称取4.0 g干燥至恒质量的山药淀粉样品，置于烧杯中，加入去离子水至100 g，得4%山药淀粉乳液，沸水浴30 min，并不断搅拌，冷却至室温，放入离心管内在-15 ℃的条件下冷冻24 h，25 ℃条件下解冻2 h，再重复上述操作一次后，在3 000 r/min下离心30 min，倒掉上清液，准确称取下层沉淀的质量T1，按照公式(7)计算析水率[19].平行测定3次，取平均值.

析水率(%)=(T-T1)/T×100

(7)

式中：T为山药淀粉糊的质量，g；T1为沉淀物质的质量，g.

2.4 数据处理

试验数据用GraphPad 8.0分析作图和T检验.

3 结果与分析

3.1 3种山药直链淀粉、支链淀粉和总淀粉含量

总淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成，直链淀粉和支链淀粉比例的差异，与山药粉脆口感直接相关[20].从图4可知，青树坪山药的总淀粉含量明显高于铁棍山药和白玉山药，且支链淀粉的含量大约是直链淀粉含量的2倍，达到47.49%.白玉山药总淀粉含量低于青树坪山药，但高于铁棍山药，支链淀粉和直链淀粉的含量相当.铁棍山药的总淀粉含量最低，且支链淀粉的含量比直链淀粉的含量少5%左右.由T检验可知，3种山药的支链淀粉和总淀粉的含量之间均有极显著差异(P<0.01).

图4 3种山药淀粉含量Figure 4 Three kinds of yam starch content

3.2 3种山药脂肪含量的比较

由图5可知，3种山药的脂肪含量都较低，均不到0.1%，但三者差别很大.相比较而言，铁棍山药的脂肪含量略高于青树坪山药，是白玉山药脂肪含量的2倍有余.青树坪山药的脂肪含量与铁棍山药的脂肪含量存在显著差异(P<0.05)，铁棍山药与白玉山药，青树坪山药与白玉山药的脂肪含量存在显著差异(P<0.05).脂肪含量会影响直链和支链淀粉含量的计算，其显著的差异也可能是导致直链和支链淀粉含量差异的影响因素之一.

图5 3种山药的脂肪含量Figure 5 Fat content of three kinds of yam

3.3 3种山药淀粉透明度的比较

淀粉的透明度受直链淀粉与支链淀粉含量的影响，在淀粉加热糊化的过程中，由于淀粉的分散性不稳定，容易导致淀粉老化，从而使光线不能透过[21].如图6可知，铁棍山药淀粉的透明度明显低于青树坪山药和白玉山药，表明铁棍山药的淀粉分散不稳定，较易糊化，从而使光反射.同时，由T检验可知，青树坪山药与白玉山药，铁棍山药与白玉山药，青树坪山药与铁棍山药淀粉的透明度之间均存在极显著差异(P<0.01)，故利用淀粉透明度制作产品时，3种山药淀粉的适制性有明显的区别.

图6 3种山药淀粉的透明度Figure 6 The transparency of three kinds of yam starch

3.4 3种山药淀粉凝沉性的比较

凝沉性主要是淀粉分子之间发生重新排列的一个过程，凝沉性的强弱主要由沉淀时间决定，预先达到稳定状态，则凝沉性较佳.凝成作用的强弱与淀粉的品种与类型、直链淀粉与支链淀粉的含量比例有密切关系[22].由图7可知，3种山药淀粉的沉淀体积随着时间的延长,都呈现下降趋势，尤其在120 min之内，下降趋势非常明显，而后相对趋于稳定.然而，在相同时间里，3种山药淀粉糊液的凝沉性变化存在较大的差异，铁棍山药的沉淀体积下降速度最快，在90 min之内，由最初的20 mL下降至2.5 mL，而后达到稳定，而白玉山药和青树坪山药沉降体积稳定时间相对较长.说明了形成凝胶能力强弱依次是铁棍山药>青树坪山药>白玉山药，凝胶能力的强弱也反应了淀粉的一个回生作用，白玉山药淀粉不容易发生回生，而铁棍山药易发生回生现象.

图7 3种山药淀粉的凝沉性Figure 7 The congeability of three kinds of yam starch

3.5 3种山药淀粉溶解度和膨润力的比较

淀粉的溶解度和膨润力可以反映淀粉的吸水能力，它与受直链淀粉与支链淀粉的比例等因素有关.从图8～9可知，3种山药淀粉的溶解度相对较低，最高值都未达到20%，但3种山药淀粉在不同的温度下差异较大.3种山药淀粉的膨润力最低值在40%左右，最高值将近80%，且随温度的变化相对较小.具体而言，当温度在50～90 ℃时，青树坪山药和铁棍山药溶解度随温度变化相对较小，而白玉山药淀粉溶解度变化较大，且除50 ℃时，白玉山药与铁棍山药的淀粉溶解度存在极显著差异(P<0.01)，和90 ℃时青树坪山药与铁棍山药淀粉差异不显著外，其余温度，青树坪山药与铁棍山药，青树坪山药与白玉山药，铁棍山药与白玉山药淀粉两两之间都存在极显著差异(P<0.01).在70 ℃时，白玉山药淀粉的溶解度最强，接近20%.青树坪山药淀粉的膨润力随温度变化不大，当温度在50～70 ℃时，随着温度的升高，白玉山药和铁棍山药淀粉的膨润力都在逐步上升，而后随着温度的升高，变化渐小，在50～60 ℃，青树坪山药与白玉山药，青树坪山药与铁棍山药两两之间的淀粉膨润力存在显著差异，随着温度的升高，其差异性逐渐缩小.

图8 3种山药淀粉的膨润力Figure 8 The swelling power of three kinds of yam starch

图9 3种山药淀粉的溶解度Figure 9 The dissolution of three kinds of yam starch

3.8 3种山药淀粉冻融稳定性的比较

析水的多少直接反应淀粉冻融稳定性，直链淀粉容易老化，不能较好的锁住水分，使得冻融性较差，3种山药冻融稳定性见图10.由析水率反映出3种山药淀粉的冻融稳定性依次为白玉山药>青树坪山药>铁棍山药，白玉山药淀粉相对于其他两种山药淀粉更适合做冷冻食品；另外铁棍山药直链淀粉含量位于中间位置.由方差分析可知，青树坪山药与铁棍山药，青树坪山药与白玉山药淀粉的冻融稳定性都存在极显著差异(P<0.01).

图10 3种山药淀粉的析水率Figure 10 Water separation rate of three kinds of yam starch

4 讨论

淀粉作为食品工业重要的原料，一直是淀粉科学领域研究的热点和难点[23].淀粉的性质差异会导致产品的品质差异，淀粉的性质与淀粉来源、淀粉所处的环境密切相关.山药是药食同源的作物.它作为鲜材炖汤时，青树坪山药汤较浓稠，质地粉糯，而铁棍山药汤汁较为清澈，质地脆性较好，这可能与两者总淀粉含量和支链淀粉含量差别较大有关.作为鲜材炒制时，青树坪山药较易黏连，故而炒之前一般需经水洗，减少黏连的程度，而铁棍山药和白玉山药黏稠程度较低，这可能是由于淀粉受热影响，发生糊化现象所致，也可能是因两者黏多糖含量的差异有关.

本研究认为，青树坪山药总淀粉和支链淀粉含量高，淀粉的透明度好，但是膨润力不佳，适宜用于淀粉膜的加工[24]，也可用于提高淀粉皮的亮度和透明性，或作为品质改良剂用于面包和糕点加工，制作果酱、沙司、肉汁等食品[25].铁棍山药的淀粉凝成性好，淀粉易回生，易老化，透明度和冻融稳定性差，适宜作食品增稠剂和稳定剂[26].白玉山药淀粉具有较好的溶解度，膨润力较大，冻融稳定性好，凝成性差，不易回生，适宜做冷冻食品，色拉调味汁的增稠剂、交联淀粉[27]及淀粉胶黏剂等[28].

5 结论

用双波长比色法测定了青树坪山药、铁棍山药、白玉山药的直链淀粉、支链淀粉及总淀粉含量，测定得出，3种山药淀粉的透明度、凝沉性、溶解度、膨润力、冻融稳定性等存在明显差异.青树坪山药支链淀粉的含量远远高于铁棍山药和白玉山药，而3种山药的直链淀粉相差不大，故青树坪山药总淀粉含量较高.3种山药透明度的高低为青树坪山药>白玉山药>铁棍山药；铁棍山药的凝沉性高于青树坪山药和白玉山药；3种山药淀粉的溶解度和膨润力随着温度的变化差异较大；白玉山药淀粉的冻融稳定性好于青树坪山药和铁棍山药.