桂淮系列淮山淀粉结构研究

赵小梅 李清明 苏小军 郭时印 熊兴耀 谭兴和 韦本辉

(湖南农业大学食品科学与技术学院1，长沙 410128)(永州工贸学校2，永州 425000)(中国农业科学院蔬菜花卉研究所3，北京 100081)(广西农业科学院经济作物研究所4，南宁 530007)

淮山又名山药，属于薯蓣科薯蓣属，其品种多达650多种，营养成分丰富，并含有多种生物活性物质，作为一种药食同源的食物而受到人们的重视[1]。淀粉是淮山主要的储能物质，部分淮山品种的干基淀粉质量分数高达80%[2]。淀粉颗粒的结构以及性质受品种以及生长环境的共同影响。研究发现不同品种稻米的直链淀粉含量与其糊化的峰值黏度、终值黏度以及回生值有显著相关性[3]；小麦的直链淀粉含量与其膨润力以及糊化峰值黏度有极显著负相关性[4]；糯小麦淀粉的结晶度与其糊化峰值温度以及糊化焓变存在显著正相关性[5]。Chen等[6]研究发现不同直/支链比的玉米淀粉在加热过程中淀粉颗粒直径的增长率与其直/支链比呈正相关。淀粉的重结晶及其结晶度直接影响淀粉相关产品的加工及和应用，而淀粉的分子结构特性是淀粉重结晶产生的主要内因。由此可见研究淀粉的结构特性对于淀粉及其产品的加工应用至关重要。亦可根据淀粉结构性质与加工性能的相关性，选择培育出适用于相应加工需求的新品种植物。研究淮山淀粉颗粒形态、晶体结构以及粒度等性质，对于促进淮山的加工利用具有非常重要的理论意义及实践价值。

目前研究表明不同品种淮山淀粉的结构性质存在差异，但这些结果相对比较零散，不成系统。淮山淀粉颗粒表面光滑无裂痕，呈圆形，卵圆形、不规则多角形以及立方形等多种形态；淮山淀粉偏光一般呈“X”型[7]，其脐点位于淀粉颗粒的一端；淮山淀粉大小不一，粒径小的只有3～4 μm，大的可达20～60 μm[8-9]；淮山淀粉的主要晶体类型为C型，部分呈B型，结晶度26%～34%[10-11]。

在我国，淮山主要作为蔬菜鲜食或加工成中药饮片，但对于产量高、淀粉含量高的淮山品种关注和研究较少。近年来广西地区选育了一批产量高、淀粉含量高和适应性广的淮山品种，对种植环境要求不高，适合在贫瘠土壤和林下推广种植[12]。在南方边际土地推广宜粮型淮山品种，实现淮山品种的差异化发展，可实现精准扶贫，对保障我国粮食安全和促进农民增收等意义重大。对新选育的4个淮山品种的淀粉的结构特性进行了研究，旨在为这些淮山品种的推广和加工应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

桂淮5号、桂淮7号、桂淮8号、紫淮山均来自广西农业科学院经济作物研究所，均为新鲜成熟淮山。

1.2 仪器与设备

JSM-6380 LV型扫描电镜 日本电子株式会社；E600偏光显微镜 Nikon公司； AV400型核磁共振谱仪 Bruker公司；S3000 激光粒度分析仪 美国Microtrac公司。

1.3 方法

1.3.1 淮山淀粉的制备

参照李昌文等[13]的方法。

1.3.2 淮山淀粉成分分析

水分测定参照烘箱法 GB/T 12087—2008；灰分测定参照GB/T 22427.1—2008；蛋白质测定参照GB/T22427.10—2008；脂肪测定参照GB/T 22427.3—2008；直链淀粉含量测定参照GBT 15683—2008；磷含量测定参照GB/T5009.87—2003。

1.3.3 粒度

参照Wang等[14]的方法，将一定量的淮山淀粉样品分散在乙醇溶液中，运行平均数为2，流体Ref指数为1.36，负载因数为0.081 7，流量为40%，测定时间15 s，然后按照激光粒度分析仪分析程序进行测定。

1.3.4 偏光十字测定

甘油跟水按1∶1的比例配成溶剂，称取0.2 mg样品于10 mL溶剂中配成2%的淀粉乳溶液。取一滴溶液滴于载玻片上，盖上盖玻片，将制好的样品放于载物台上，在普通模式下找到淀粉颗粒，再调到偏振光模式下观察淮山淀粉颗粒的偏光十字。

1.3.5 淀粉颗粒的扫描电镜

将干燥后的淮山淀粉样品用吹气球均匀的吹到粘有导电胶的载物台上，再在真空条件下进行喷金处理，最后将处理好的淀粉放入样品室观察拍照。

1.3.6 X射线衍射测定

将样品粉末(粒度小于200目)压后，用X射线衍射仪测定试样的结晶结构。扫描速度：4(°)/min，扫描范围 5°～80°，扫描方式为连续，步宽：0.02°，靶：Cu,管压：40 kV，管流：30 mA，狭缝：0.3°、0.15°、0.3°。波长：1.5406 å。

1.3.7 红外光谱测定

红外光谱测定采用KBr压片法。取100 mg左右的KBr于玛瑙钵中研碎，加约1 mg样品，研匀，压片。将其在400～4 000 cm-1范围内扫描，以波长(μm)或波数(cm-1)为横坐标，百分透过率为纵坐标，得到红外吸收光谱。

1.3.8 核磁共振测定

参照Wang等[15]的方法进行检测，13C-NMR检测条件：管径5 mm，转速5 kHz，质子共振频率为 125.75 MHz，补偿时间20 ms，接触时间1 ms，两个脉冲时间延迟3 ms，得到相应的碳谱(13C-NMR)。

2 结果与分析

2.1 淮山淀粉成分分析

淮山淀粉中组成成分的不同会导致结构性质、功能特性及加工品质产生差异。由表1可以看出，4个品种淮山淀粉灰分质量分数在0.18%～0.40%之间，其中桂淮7号灰分含量最高。桂淮5号淀粉中脂肪含量显著较高外，其余3个品种淮山淀粉的脂肪含量差异不显著。桂淮8号中蛋白质含量显著高于其他3个品种。4个品种淮山淀粉中直链淀粉含量和磷含量都比较低，且差异显著，其中桂淮8号直链淀粉含量最高，紫淮山最低；与之相反，紫淮山淀粉中磷含量最高，而桂淮8号最低。不同品种淮山中直链淀粉含量差异显著，从1.4%～50%均有报道[16-17]。淮山淀粉蛋白质和脂肪的含量与提取方法和品种有关[18]，本实验4个品种淀粉提取的方法一致，说明产生差异的主要原因是品种。淮山淀粉中脂肪质量分数一般小于1%，远低于大多数谷物淀粉，也有文献报道D.abyssinica和D.ballophylla两种淮山淀粉中脂肪质量分数高于1%，灰分的含量主要与品种有关，淮山淀粉中灰分一般低于0.3%，在不同品种中磷含量差异显著。表1中结果也与Jayakody[19]、Yang[20]等报道的淀粉的化学组成及直链淀粉含量范围基本一致。

表1 淮山淀粉基本化学成分

注：不同小写字母表示同一列数值之间存在显著性差异(P<0.05)，表2～表4同。

表2 淮山淀粉粒径分布

2.2 淮山淀粉颗粒粒径分析

利用激光粒度分析仪对4个品种淮山淀粉的粒度分布进行测定，其结果见表2。

不同品种淮山淀粉的粒径分布较广，从 1 μm (D.esculenta)到 90 μm (D.alata) ，由表2可知，4个品种的淀粉颗粒粒径呈单峰型分布，超过50%集中在15.5～26.16 μm之间，小尺寸颗粒和大尺寸颗粒数目较少，4个品种淮山淀粉的粒径分布存在显著差异。紫淮山淀粉在<15.5 μm 的粒径范围内数目少于其他3种淮山淀粉；桂淮7号的超大尺寸颗粒数目多于其他3种淮山淀粉，桂淮7号和紫淮山的最大颗粒尺寸大于玉米、小麦及甘薯淀粉[21-23]。

2.3 淮山淀粉的颗粒形貌观察

采用扫描电镜对4个品种淮山淀粉的颗粒形貌进行观察，其结果见图1。由图1可看出，大部分淮山淀粉颗粒呈椭圆形或卵形，表面光滑，但也有部分存在裂缝或者凹陷，这与Zhang等[24]的研究结果较为一致。桂淮7号淮山淀粉颗粒表面不是很光滑，有些表面有裂痕(图1箭头所示)，有些颗粒表面有少量絮状物质黏附，可能是一些黏性糖蛋白。紫淮山淀粉颗粒表面亦有部分絮状物。淮山淀粉颗粒大小大多为中等尺寸，但不同品种中大小尺寸淀粉颗粒的比例存在差异。小尺寸颗粒多为圆形或椭圆形，中等尺寸颗粒以椭圆形为主，圆饼形颗粒的尺寸相对较大。这可能是由于生长过程中淀粉颗粒平行生长相互挤压将原本为圆形的淀粉颗粒挤压成了椭圆形或者圆饼形[25]。

图1 淮山淀粉的电镜形貌

2.4 淮山淀粉的偏光十字观察

天然淀粉存在有序结构和无定型结构，这两种结构在密度和折射率上存在差异，由于各向异性，当偏振光通过淀粉颗粒时产生偏光十字现象[26]。采用偏光十字显微镜对4个品种淮山淀粉的偏光现象进行了测定，其结果见图2。由图2可见，在偏振光下淮山淀粉颗粒有可见的偏光十字，但不同品种淮山淀粉的偏光十字存在差异。说明不同品种淮山淀粉中其有序结构与无定型结构的比例存在差异[27]。桂淮5号的偏光十字较其他品种弱，这可能是由于淀粉颗粒的大小存在差异所造成的现象[28]。不同品种淮山淀粉脐点的位置也存在差异。桂淮5号的脐点以中心位置为主，桂淮7号则偏向颗粒较窄的一端，紫淮山的脐点严重偏向淀粉颗粒的尖端。淮山淀粉的偏光十字呈“X”型，其脐点偏向淀粉颗粒的一端。而杜双奎等[29]研究发现小颗粒马铃薯淀粉以及玉米淀粉的脐点均位于颗粒的中心位置，且玉米淀粉的偏光十字呈“十”字。因此可根据淮山淀粉偏光十字的形状以及位置来区分淮山淀粉与其他种类淀粉。

图2 淮山淀粉的偏光十字图

2.5 淮山淀粉的晶体性质分析

采用广角X-射线衍射对4个品种淮山淀粉的晶体结构进行了分析，其结果见图3。

注：a 紫淮山淀粉；b 桂淮7号淮山淀粉；c 桂淮5号淮山淀粉；d 桂淮8号淮山淀粉。下同。
图3 淮山淀粉的X-射线衍射图

由图3可知4个不同品种淮山淀粉的X-射线衍射图中存在三个明显的特征衍射峰，各个吸收峰的位置及强度存在些许差异。其中紫淮山淀粉、桂淮7号淮山淀粉以及桂淮8号淮山淀粉的第一个和第三个特征衍射峰的强度弱于其他三个品种的淮山淀粉。桂淮5号淮山淀粉的X-射线衍射图中，分别在2θ为15°、17°和23°有明显的特征峰，都是典型的A型淀粉特征衍射峰，但其在2θ为5.6°处亦有衍射峰，因此为C型淀粉。紫淮山淀粉、桂淮7号淮山淀粉以及桂淮8号淮山淀粉在2θ为15°、17°和22°有较强的特征峰，其中在2θ为22°处为双峰，是B型淀粉的特征峰，因此这3种淀粉属于B型淀粉。

本研究的4种淮山淀粉分别为B型和C型淀粉，张丽芳[30]等研究报道了白玉淮山等品种的淮山淀粉为C型淀粉。B型淀粉来源于块茎淀粉，C型淀粉来源于豆类、根类以及水果类淀粉[31]，其结晶形态受植物固有的生理条件和温度、光照等诸多环境因素的影响，可能是品种或气候差异导致了B型淀粉的形成。

2.6 淮山淀粉颗粒的红外光谱

红外光谱常用于淀粉分子结构的分析。具有红外活性的官能团的种类及含量会会影响吸收峰的位置及形状[32]。红外光谱中官能团的特征吸收峰通常在1 300～4 000 cm-1这个范围内，而600～1 300 cm-1这个范围则属于指纹区，该区域内分子结构稍有不同，吸收峰就存在差异，因此可用于区分结构类似的化合物。由图4可以看出4个品种淮山淀粉的红外光谱波形基本一致，在500～4 000 cm-1之间存在9个明显的吸收峰，但不同品种淮山淀粉的吸收峰的位置及强度存在差异；其中紫淮山淀粉在1 750～2 500 cm-1出现吸收峰的位置有别于其余3种淮山淀粉，说明其可能存在不同于其余3种淀粉的官能团。淮山淀粉各吸收峰及可能官能团见表3。

图4 淮山淀粉的红外光谱图

表3 淮山淀粉红外光谱的吸收峰及官能团

特征峰cm-1官能团3 378～3 425O—H键伸缩振动吸收2 927～2 930CH2的反对称伸缩振动1 645～1 651醛基的CO1 456～1 462CH2弯曲振动1 417～1 423CH2弯曲振动、C—O—O 伸缩振动1 369～1 380CH弯曲振动1 340C—O—H键弯曲振动以及CH2扭曲振动1 158～1 162C—O以及C—C键的伸缩振动1 083～1 085C—H键的弯曲振动991～995C—O 键的伸缩振动C—OH弯曲振动928～929淀粉的非对称环模式[α-1,4 糖苷键(C—O—C)]的骨架振动760～765C—C 键的伸缩振动703～709D—吡喃葡萄糖的Ⅲ型吸收带574～575淀粉的骨架模式振动

红外光谱对淀粉链的构象和螺旋的有序比较敏感，常用来研究淀粉有序区域与无定型区域的比例。红外光谱的1 045/1 022 cm-1和1 022/995 cm-1峰强度比值通常被看作淀粉有序结构的指标，其中1 045/1 022 cm-1峰强度比值通常表示淀粉分子结构中的有序结构与无定型结构的比例关系，比例越大，有序结构越多[33]。由表4可以看出不同品种淮山淀粉有序结构与无定型结构的比例存在明显差异，其中桂淮7号淀粉有序结构与无定型结构的比例最低，桂淮8号淀粉最高。

表4 淮山淀粉的ATR数值

2.7 淮山淀粉颗粒的核磁共振

淀粉核磁共振13C谱可分为4个信号区域，C1区域为94～105峰位，该区域主要反应的有定型区与无定型区的部分信号；C4区域为80～84峰位，主要反应无定型形态；68～78范围为C2、C3和C5区域，主要反应直链淀粉中B-型双螺旋结构的信息58～65则为C6区域[34]。不同品种淮山淀粉13C谱的峰位图见表5。

表5 淮山淀粉13C谱的峰位图

不同含碳官能团在13C谱中的化学位移不同，由表5可知，淮山淀粉在C1～C6区域的主要官能团为>CHO—[35]。从表5可以看出，淮山淀粉在4个化学位移区域的主要区别在C1区域，而C1区域主要反映有定型区与无定型区的信息[36]。A型淀粉以轴对称的双螺旋结构为主，在C1区域体现为三重峰；B型淀粉则主要是螺旋对称的双螺旋结构，在C1区域体现为双重峰[37]。由表5可知，桂淮7号和桂淮8号淮山则出现双重峰，因此其主要晶型为B型，这与前面X-射线衍射分析结果相一致；桂淮5号和紫淮山在C1区域出现三重峰，其主要晶型为A型，这与前面实验结果存在差异，其原因有待进一步研究。

图5 淮山淀粉核磁共振13C谱图

3 结论

淀粉颗粒的粒径大小、颗粒外观分析等数据显示不同品种的淮山具有不同的特征。选育的品种桂淮5、7、8号与紫淮山的粒度都显示出比较好的均匀度，桂淮7号和紫淮山淀粉的最大颗粒大于其余2种淮山；桂淮8号的蛋白质含量以及直链淀粉含量也相对其他培育品种有所提高；桂淮7号和桂淮5号分别具有最高的灰分含量和脂肪含量。所有淮山品种均具有明显的偏光十字，说明天然淀粉都具有典型的晶体结构。桂淮7号和桂淮8号淮山淀粉属于B型淀粉，说明其高直链淀粉含量对于淀粉结晶状态产生了影响。