槟榔芋淀粉物性研究

杜秀杰 陈发河 吴光斌

槟榔芋淀粉物性研究

杜秀杰 陈发河 吴光斌

(集美大学生物工程学院，厦门 361021)

从槟榔芋淀粉颗粒的形态、大小，淀粉糊特性黏度，糊化温度，透光率，凝沉性，冻融稳定性等几个方面对槟榔芋淀粉物性进行研究。同时以玉米、小麦、马铃薯等淀粉作对照进行比较，从而得到一系列槟榔芋淀粉的物性参数。研究结果表明，其直链淀粉的质量分数约为10．0%，槟榔芋淀粉颗粒较小，糊化温度较高，属于弱凝胶，透明度低，冻融稳定性差，凝沉性好，能与乳化剂形成复合物。回转速度，储存pH和温度，对其淀粉的黏度都有一定影响，pH中性时黏度最高。

槟榔芋 淀粉 物理性质

槟榔芋又称香芋、荔浦芋，属天南星科，为多年生单子宿根性草本植物，在我国常作1年生栽培［1］，槟榔芋在我国栽培历史悠久，早在1682年的《农政全书》中就有记载，被视为珍贵蔬菜。据相关对槟榔芋营养成分组成研究表明，其球茎中各种成分含量为:淀粉38．2%，粗纤维15．2%，粗蛋白17．3%，还原糖4．29%，此外还含有丰富的VC、VB1、VB2及多种微量元素和氨基酸［2］。槟榔芋球茎中淀粉含量较高，因此与其他块茎和块根植物相比槟榔芋有更高的营养价值。目前的广西荔浦县、平乐、恭城和福建的闽南地区为槟榔芋的主产区。由于芋头淀粉中含有一种既黏又滑的黏多糖，这种黏多糖将很小的淀粉颗粒包围，使淀粉颗粒不易用常规方法提取，影响了其性能及应用的研究。一些学者在芋头淀粉方面也做了一定的研究工作［3－5］，但是对于槟榔芋淀粉的物性研究相对较少，本试验对闽南地区主栽的槟榔芋淀粉物理特性进行研究，旨在为其进一步加工利用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1．1 试验材料

槟榔芋淀粉:实验室自制，采用氨水提取法［6］将市售槟榔芋制成槟榔芋淀粉，淀粉样品中蛋白质、粗脂肪、灰分和水分含量按照常规化学成分分析［7］，测得其质量分数分别为0．35%，0．36%，0．15%和8．7%。

槟榔芋淀粉制备工艺:

槟榔芋→去皮→刨丝→切碎→料液比1∶2浸泡3 min→组织捣碎机捣碎→浆乳在料液比1∶4下浸泡70 min→过80目筛→弃去残渣滤液再过260目筛→滤液离心→水洗离心3次→45℃干燥48 h→粉碎过80目筛→槟榔芋淀粉

玉米淀粉、马铃薯淀粉、小麦淀粉、红薯淀粉:均购自超市，为优级产品。所用化学试剂均为分析纯。

1．2 主要仪器

扫描电子显微镜S－4800型:日本日立公司;FT/IR－480Plus型红外光谱仪:日本Jasco公司;LVDE－E黏度计:美国Brookfield公司;Micro Vicso－Amylo－Graph黏度计:德国Brabender公司;CARY50型紫外可见分光光度计:美国Varian公司;Avanti－25型高速离心机:美国Beckman公司。

1．3 试验方法

1．3．1 槟榔芋淀粉的颗粒形貌［8］

将干燥的槟榔芋淀粉用导电双面胶固定到扫描电子显微镜金属载物台上，用真空镀膜仪，样品喷镀钯金，对淀粉样品进行不同放大倍数的电镜观察。

1．3．2 槟榔芋淀粉的红外光谱测定

红外光谱使用FT/IR－480Plus型傅里叶变换红外光谱仪，溴化钾压片法对槟榔芋淀粉进行傅里叶变换红外光谱测定，测量范围是400～4 000 cm－1，光谱分辨率为0．01 cm－1，试验时将样品称取约1 mg，KBr 100 mg，充分混匀，在玛瑙研钵中研磨成细粉状，压片后放入样品室，测定槟榔芋醋酸酯淀粉的红外光谱图。

1．3．3 槟榔芋淀粉中直链淀粉、支链淀粉含量测定

1．3．3．1 直链淀粉标准曲线的绘制［9］

对槟榔芋淀粉进行分离纯化，制得槟榔芋直链淀粉与支链淀粉［6］。分别称取50．00 mg纯直链淀粉和支链淀粉，用少量无水乙醇润湿，然后加入10 mL 0．5 mol/L NaOH溶液，沸水浴上加热10 min后冷却，用蒸馏水配制成50 mL标准液。分别吸取不同量的直链淀粉与支链淀粉标准溶液，放入50 mL容量瓶，再加入20 mL蒸馏水，调节至pH 3左右，加0．5 mL碘液，用蒸馏水定容至刻度，静置10 min，在波长620 nm下测其吸光度。以吸光值为纵坐标，直链淀粉质量分数为横坐标，得标准曲线图及回归方程和相关系数。

1．3．3．2 直链淀粉含量的测定

准确称取槟榔芋淀粉样品50．00 mg(干基)置于50 mL三角瓶中，方法同1．3．3．1，配置成槟榔芋淀粉溶液，放置10 min后比色，查标准曲线，按回归方程计算出直链淀粉与支链淀粉的质量分数。

1．3．4 淀粉 － 乳化剂蓝值的测定［10］

将0．02 g乳化剂加入到40 mL、0．5%的槟榔芋淀粉溶液中，在不同温度下保温20 min;将1 mL、0．02 mol/L碘液加入到2．5 mL淀粉溶液中，定容至100 mL;用分光光度计于660 nm下测定其吸光度，得不同温度下淀粉－乳化剂的蓝值。

1．3．5 槟榔芋淀粉糊黏度曲线

准确称取一定量的样品(干基)，配置6%淀粉乳，将搅匀后的淀粉乳样品倒入黏度计的测量杯中。测定程序为:开动仪器，从50℃开始升温，以1．5℃/min的速率加热到95℃，保温15 min，再以1．5℃/min的速率冷却到40℃，保温2 min，由Brabender黏度计自动绘出随温度和时间变化的连续黏度曲线。

1．3．6 不同条件下槟榔芋淀粉糊黏度的测定

1．3．6．1 不同回转速度淀粉糊黏度的测定

配制质量分数为4%的槟榔芋淀粉糊溶液，沸水浴完全糊化后于室温(25℃)下，测定不同转速下淀粉糊的黏度。

1．3．6．2 不同pH储存条件下淀粉糊黏度的测定

将淀粉配置成质量分数为4%的淀粉糊，调pH分别为3、4、5、6、7、8、9，然后沸水浴糊化20 min，冷却到室温后，4℃条件下储存7 d后取出，25℃水浴锅中放置1 h到室温后测其黏度。观察pH对其黏度的影响。

1．3．6．3 不同储存温度下淀粉糊黏度的测定

将配置好的4%淀粉糊分别放置在－18、4、25、37、55℃，储存7 d后取出，25℃水浴中锅放置1 h到室温后测其黏度。观察不同储存温度对其黏度的影响。

1．3．7 淀粉糊透明度测定［11］

准确称取1．0 g淀粉于100 mL烧杯中，配成1%淀粉悬浊液，置沸水浴中加热30 min，不时搅拌，使淀粉完全糊化，取出，冷却至室温(25℃)，再用室温的蒸馏水调至淀粉糊原体积，均匀后以蒸馏水为参比，用1 cm比色皿在分光光度计上，用波长650 nm测量透光率T%，透光率越高则透明度越高。

1．3．8 淀粉糊的冻融稳定性测定［12］

称取槟榔芋淀粉配成质量分数为6%的淀粉乳，沸水浴加热20 min完全糊化后，冷却至室温，放到塑料离心管中，再放入－18℃的冰箱内，冷冻18 h后取出自然解冻6 h，3 000 r/min离心20 min，观察淀粉糊的状态，反复多次直至分层或有水析出，弃去上清液，计算淀粉糊的析水率以及冷冻次数。

析水率=(m2－m3)/(m2－m1)×100%

式中:m1为离心管的质量/g;m2为离心管加淀粉的质量/g;m3为冻融离心去水后离心管加淀粉的质量/g。

1．3．9 淀粉糊的凝沉稳定性测定［13］

将1%的淀粉悬浮液在沸水浴中，用磁力棒搅拌糊化30 min，冷却至室温，置于50 mL的具塞比色管中，观察糊液的分层及其界面的下降情况，记下糊高，室温(25℃)下静置24 h，沉降物所占的体积即为沉降体积，以体积(mL)表示，沉降体积越大表示凝沉稳定性越好。

1．3．10 淀粉糊溶解度与膨胀力［11］

取一定质量的淀粉(干基)样品，加蒸馏水配置成2%的淀粉乳，在沸水浴中搅拌加热糊化30 min，冷却室温，然后将淀粉糊倒入离心管，3 000 r/min离心15 min，将上清液倒入铝盒中，先在80℃烘至少许水分后再于105℃烘干至恒重(或置于蒸发器中蒸干)，得到溶解淀粉量。溶解度为离心后上清干燥物与总淀粉干重的比值，膨胀度为离心后离心管中沉淀的淀粉糊重与糊中所含淀粉干重的比值。每个处理作3次平行，取平均值。

溶解度(s)=(A/W)×100%

膨胀度(F)=P/W(1－s)

式中:A为上清液蒸干恒重后的质量/g;W为绝干样品质量/g;P为离心后沉淀物质量/g。

2 结果与分析

2．1 槟榔芋淀粉颗粒的形貌

通过电子显微镜观察槟榔芋淀粉颗粒，结果如图1所示，槟榔芋淀粉颗粒较小且表面光滑、均匀、大小不一，颗粒形状呈不规则多面体，表面直径在1～5μm，平均直径在2μm，是块茎类淀粉中粒径最小的［14－15］。淀粉颗粒的大小是由遗传因素决定的，且与淀粉的生物合成机理有关，其性质及其成分的性质与淀粉粒的大小也有关系［16］。槟榔芋淀粉颗粒大小不同可能导致加热糊化过程中物性的差别，特别是对不同温度的吸水膨胀力的影响较大，这一研究结果与前人在绿豆淀粉颗粒性质的研究结果相一致［17］。

图1 槟榔芋淀粉扫描电镜图片(2 500倍)

2．2 槟榔芋淀粉红外光谱特征

红外光谱检测结果(图2)可反映槟榔芋淀粉的结构特征，槟榔芋淀粉分子中含有伯、仲醇羟基的α－D吡喃环等结构特，与其他原淀粉相同。槟榔芋淀粉由O—H和C—H构成，在红外区域可以观察到多处吸收作为分析波长。3 374 cm－1附近是羟基的特征振动吸收峰，且在2 100 cm－1处附近有一个强的羟基合频吸收峰。符合淀粉特征振动吸收峰［18］。

图2 槟榔芋淀粉的红外吸收光谱图

2．3 槟榔芋淀粉－乳化剂蓝值

经试验测定槟榔芋淀粉中直链淀粉的质量分数约为10．0%，直链淀粉约为90．0%。槟榔芋淀粉比西米、马铃薯、木薯淀粉的直链淀粉含量都要低［19］。由于地域、品种及环境的不同，芋头中碳水化合物的含量是不同的［14］。

直链淀粉溶于热水不呈糊状，而支链淀粉不溶于水，溶于水中的直链淀粉呈弯曲形式，同时借助分子内氢键卷曲成螺旋状。加入碘液后，碘分子钻入螺旋间隙，并借助于范德华力与直链淀粉联在一起，从而形成络合物，这种络合物能够较均匀地吸收除蓝光以外的其他可见光，从而使淀粉变为深蓝色。由图3可以看出，整体变化趋势接近，随着温度的升高，槟榔芋淀粉的碘蓝值也随之升高，在到达80℃附近时最大。但温度继续升高蓝值反而有下降趋势，原因可能是由于高温导致部分淀粉水解的结果。

图3 不同温度保温20 min淀粉－乳化剂的蓝值

从图3还可以看出，温度对淀粉－乳化剂复合物的蓝值影响很大，不同乳化剂的蓝值随温度的变化并不相同，说明不同的乳化剂与淀粉的络合的能力相差很大，从图中可以看出分子蒸馏单甘酯在整个升温过程中对淀粉的蓝值影响比其他乳化剂大，作用效果最为明显。这主要是因为本试验所用乳化剂为α－晶型，而淀粉－乳化剂复合物的形成与乳化剂的晶型密切相关，以α－晶型最为有效［20］。淀粉－乳化剂复合物的形成与乳化剂的结构有关，哪些分子能够嵌入淀粉，决定于化学因素和几何因素。乳化剂脂肪酸基团的链长、不饱和度及不饱和脂肪酸的顺反构型都会对淀粉－乳化剂的络合有影响［21－23］。支链淀粉的直链状螺旋结构少，与乳化剂形成复合物的能力较小，但乳化剂可以借助氢键加成到淀粉表面上，即支链淀粉的外部分枝上，而发生支链淀粉与乳化剂的相互作用，所以乳化剂能与直链淀粉与支链淀粉同时作用，影响其淀粉－乳化剂蓝值，利用这种特性，可将乳化剂应用在淀粉食品的抗老化方面。

2．4 槟榔芋淀粉糊黏度曲线

图4是质量分数为6%的槟榔芋淀粉的布拉班德黏度曲线。布拉班德黏度曲线能够完整地记录整个加热升温、热保温、降温以及冷保温过程中的黏度与时间的变化值。因此，在布拉班德黏度曲线上反映的不是某个淀粉颗粒的溶胀，而是淀粉与水整个混合物体系的糊化状态。其中布拉班德黏度曲线上分析的最关键的几个特征量分别是:起糊温度(GT)，峰值温度(PT)、糊化开始黏度(A)、峰值黏度(B)、升到95℃时黏度(C)、95℃保温后黏度(D)、降温到40℃后糊黏度(E)和40℃保温后黏度(F)。E－F差值表示淀粉的冷稳定性，值小说明淀粉糊低温下的冷糊稳定性差，B－D表示淀粉糊的热稳定性，变化小则表示黏度热稳定性高，E－D的差值反映淀粉糊的回升值或老化程度，同时也表示冷却时形成凝胶的强弱，差值大凝胶性强，易老化。测定5种淀粉糊的黏度变化其特征值如表1所示。

图4 槟榔芋淀粉糊黏度曲线

表1 不同淀粉黏度曲线特征值

由表1数据分析槟榔芋淀粉糊的黏度曲线的形状与红薯和马铃薯淀粉的黏度曲线大致相同，由表1可以看出，淀粉种类对淀粉糊黏度影响很大。槟榔芋淀粉起糊温度为76．6℃，高于马铃薯、玉米、红薯淀粉。加热时黏度上升慢，峰值黏度487 mPa·s与其他淀粉相比较低，峰值黏度的温度82．3℃，仅低于小麦淀粉比其他几种淀粉都高，且有最高热黏度。淀粉糊成糊温度、最高热黏度，淀粉糊冷热稳定性等会受到淀粉糊浓度的影响，一般起糊温度随着浓度的增加而降低峰值黏度随浓度的增加而增加。淀粉的糊化温度高表明淀粉颗粒结构紧密，淀粉分子间的结合力较强。还可能与其所含有的脂质与直链淀粉形成包含化合物或复合体，抑制了淀粉颗粒膨胀和糊化［24］。

5种淀粉只有玉米淀粉在蒸煮期间存在泻现象，但槟榔芋淀粉冷糊稳定性较差，稍强于小麦和玉米而弱于马铃薯和红薯。淀粉热稳定性玉米﹥马铃薯﹥红薯﹥槟榔芋﹥小麦。淀粉的冷热糊稳定性与淀粉糊化后，淀粉分子空间结构排列紧密，淀粉分子的运动受到一定限制有关。槟榔芋淀粉的回升值最小，属于弱凝胶，这与他们的直链淀粉的聚合度和支链淀粉的结构有关，直连淀粉聚合度高，支链淀粉外链长的淀粉易于老化，冷糊稳定性差［25］。6%质量分数的槟榔芋淀粉糊凝胶性很差，凝胶产品弹性不大。凝胶强度与直链淀粉的含量有关，直链淀粉含量多，分子间相互生成氢键，重新排列缔合成结晶度较高的结构，因槟榔芋淀粉中直链淀粉含量相对较少，因此不适于制作如软糖等凝胶类淀粉食品，要通过改性才能将槟榔芋淀粉应用于凝胶性的淀粉食品。由于品种、生长环境等因素影响，淀粉的黏度特性也会有所差异。

2．5 不同条件下槟榔芋淀粉糊黏度的变化

用黏度计对淀粉糊进行不同回转速度的黏度测定，回转速度小其黏度较大，随着黏度计回转速度的增大，槟榔芋淀粉糊的黏度逐渐下降(表2)，因此槟榔芋淀粉糊有“剪切稀化”现象。

pH对槟榔芋淀粉糊黏度的影响很大，pH 7．0时糊黏度最高，达1 226 mPa·s;pH在7．0～9．0之间，糊黏度逐渐下降;pH＜7．0时糊黏度随pH的减小而迅速下降，在pH 3．0时糊黏度仅为650 mPa·s，黏性很小。在酸性储存条件下，槟榔芋淀粉糊的黏度会随着pH的降低而急速下降，是由于淀粉发生酸水解引起的，这说明槟榔芋淀粉糊的抗酸能力差(表2)。

槟榔芋淀粉糊的黏度随着储存糊温度的升高而升高。这是因为储存温度高，促进了淀粉糊分子的运动，提高了分子间的相互作用而处于一种杂乱无章的状态，分子之间不能相互聚拢形成微晶束状，虽然有些分子之间即使能形成少量的氢键，也很容易被破坏，使淀粉糊回生速度减慢，从而使黏度相对较高，所以淀粉糊黏度的测定也是判断淀粉回生程度的指标。但在－18℃冻结过程中水形成的冰晶对淀粉结构造成的破坏性也增强。因其淀粉冻融稳定性较差，当在室温下解冻后测其黏度减小，说明正常情况下淀粉在4℃时淀黏度最小，易于淀粉老化进行(表2)。

表2 不同条件下槟榔芋淀粉糊黏度

2．6 槟榔芋淀粉糊性质

透明度是淀粉糊所表现的重要外在特征之一，受多种因素的影响。淀粉分子的分支特性与淀粉的透明度有关［26］，其次糊化后淀粉分子发生相互缔合产生凝沉，以及支链淀粉的含量对透光率也有一定的影响。如表3中4种淀粉的透光率大小为马铃薯＞玉米＞槟榔芋＞小麦。透光率越大说明淀粉的透明度越好。芋头淀粉的透光率较差与其难糊化有一定的关联［27］。

表3 几种淀粉糊的物性比较

槟榔芋淀粉的溶解度小于玉米和小麦淀粉。淀粉的溶解度反映了其无定型和结晶域淀粉链相互作用的量值［28］。这种溶解度大小的差异，与其淀粉的颗粒大小有关，槟榔芋淀粉颗粒较小，故不容易溶解，所以溶解度也小。膨胀度大小表明淀粉颗粒内部结合键力的大小，沸水条件下糊化的槟榔芋淀粉的内部键力强于马铃薯而比玉米和小麦弱。

凝沉现象是糊化的逆现象，由于淀粉糊分子通过羟基间氢键的作用，重新排列缔合，发生沉淀，水分析出，胶体被破坏，这种现象称为凝沉。由表3可见，放置24 h后，槟榔芋芋淀粉糊的上清液体积为4．1 mL，相对其他淀粉的沉降积较大，说明槟榔芋淀粉糊的凝沉稳定性好。凝沉性大小是淀粉分子链间经氢键结合成束状结构，而使其溶解度降低的结果［29］。还有可能与淀粉的组成及分子的大小有关，直链淀粉在溶液中空间阻碍小，易于取向及重排，因此，直链淀粉含量越高，淀粉凝沉性越强，分子链不太长也不过短，淀粉也易凝沉［30］。由于槟榔芋淀粉直链淀粉含量少，所以不易凝沉。

槟榔芋淀粉冻融一次析水率达到近50%，冻融稳定性强弱为小麦＞玉米＞马铃薯＞槟榔芋。槟榔芋淀粉与其他淀粉相比冻融性较差，通常冻融稳定性与淀粉中直链淀粉含量有关，直链淀粉易老化，其冻融性差，但是槟榔芋淀粉中直链淀粉含量相对较低，其冻融稳定性的原因需要进一步研究。

3 结论

3．1 槟榔芋淀粉颗粒较小且表面光滑、均匀、大小不一，颗粒形状呈不规则多面体，表面直径在1～5 μm，平均直径在2μm。红外光谱显示了槟榔芋淀粉的特征结构。试验测得槟榔芋淀粉中直链淀粉质量分数约为10．0%，支链淀粉约为90．0%，直连淀粉含量较低。淀粉糊化温度较高为76．6℃低于小麦而高于马铃薯、玉米、红薯。峰值黏度为487 mPa·s，槟榔芋淀粉的冷、热糊稳定性较差，槟榔芋淀粉属于弱凝胶，短期不易回生。

3．2 槟榔芋淀粉和乳化剂可形成复合物，其中与分子蒸馏单甘酯的络合能力最强。与淀粉络合能力强的乳化剂嵌入淀粉分子的螺旋间隙，对于淀粉食品保水性及抗老化效果会比络合能力差的效果好。

3．3 槟榔芋淀粉透明度较差为3．6%，4种淀粉透明度大小为小麦﹤槟榔芋﹤玉米﹤马铃薯。冻融稳定性差，第二次冻融就成海绵状。凝沉性稳定性好于玉米、小麦及马铃薯淀粉。槟榔芋淀粉的溶解度相对较小但膨胀度较大。

3．4 槟榔芋淀粉糊黏度随着黏度计回转速度的增大而减小，并且有“剪切稀化”现象。储存pH和温度对槟榔芋淀粉的黏度影响较大，说明pH和温度对其淀粉的老化有影响。槟榔芋淀粉抗酸碱能力较差，pH中性时淀粉糊黏度最大。储存温度在4℃时黏度较小，说明此温度下易于槟榔芋淀粉老化的进行，对于槟榔芋淀粉制品可以避免此条件下储存。

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Study on Physical Properties of Pinang Taro(colocasia escuclenta)Starch

Du Xiujie Chen Fahe Wu Guangbin
(College of Bio － E ngineering，Jimei University，Xiamen 361021)

The physical characteristics of pinang taro starch were studied from these respects:particle shape，particle size，viscosity of starch paste，gelatinization temperature，clarity，retrogradation，freeze－thaw stability，and so on．Property parameters of pinang taro starch was compared with those of corn，wheat，and potato．Then，A set of physical parameters of pinang Taro amylum were got．The results showed that the ratio of the amylose content was about 10．0%．Pinang taro starch granules were smaller，gelatinization temperature was higher and belonged to weak gel．It had properties of lower clarity，poor freeze －thaw stability and good retrogradation，emulsifier and could form starchemulsifier complex．The storage of temperature，rotation rate and pH had a certain impact on the viscosity of starch．And the neutral environment produced the highest viscosity．

pinang taro，amylum，physical properties

TS231

A

1003－0174(2012)07－0052－07

厦门市科技计划(3502Z20103024)，集美大学创新团队基金(C19515)

2011－10－12

杜秀杰，女，1983年出生，硕士，食品加工技术

陈发河，男，1960年出生，教授，农产品贮藏与加工技术