去皮对山药粉理化性质和生物活性的影响

刘 燕,李文亚,李 宁,李宗浩,王向红,孙纪录

(河北农业大学食品科技学院,河北保定 071001)

山药是薯蓣科植物,是排在木薯、马铃薯和甘薯之后的第四主要的块根作物[1]。山药在中国许多地区发展迅速,并且出口到俄罗斯、日本、韩国及东南亚、欧盟等国家和地区[2]。山药也广泛地种植于热带地区,在西非5个沿海国家,产出了世界上超过90%的产量[3]。山药营养丰富,含有淀粉、蛋白质、氨基酸等营养素[4]。此外,山药还含有许多生物活性成分,如粘蛋白、薯蓣皂甙、尿囊素、胆碱、植物甾醇、低聚糖等[5]。

新鲜山药水分含量大,常温条件下储藏稳定性很差,容易发生褐变、萌发或腐烂,山药的成分严重损失,影响品质与口感[6-7]。山药的价格也受到供需量影响,如果没有较好的保存方法,会直接使山药的利用率降低[8]。所以,干燥的山药粉和山药片是市场上的主要产品形式,易于长期储存,并便于消费。山药(干重)由约75%～84%淀粉,6%～8%粗蛋白和1.2%～1.8%粗纤维组成[9]。因此,淀粉质量是山药产品质量的最主要因素。

山药其他产品加工工艺中,大都有去皮工序,该工序产生了大量的山药皮废渣,容易造成环境污染和资源浪费[10]。麻泽宇等[11]研究了去皮的山药粉的营养成分以及抗氧化活性;关倩倩[12]研究了去皮的山药粉的理化性质和活性成分;廖晓铃[13]测定了去皮处理得到的佛手山药粉的生物活性含量。在已报道的文献中,都是关于山药去皮以后对其相关成分与特性进行测定,尚未报道不去皮制备山药粉的相关特性,而山药皮中含有多种生物活性成分,如皂苷、多糖、多酚和黄酮[14],这些成分会影响山药粉的特性。所以,本文对经过去皮与不去皮两种预处理制备山药粉,进行了比较系统的理化性质和生物活性研究,以期可以根据不同山药粉的特点,应用于不同的食品中。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

山药棒药 产自河北保定蠡县;糖化酶(100000 U/g) 北京索莱宝科技有限公司;α-淀粉酶(3700 U/g)北京索莱宝科技有限公司;猪胰腺α-淀粉酶(13 U/mg)上海源叶生物;二甲基亚砜 天津市天力化学试剂有限公司;1,1-二苯基-2-苦基肼自由基(DPPH)梯希爱(上海)化成工业发展有限公司;抗坏血酸 国药集团化学试剂有限公司;葡萄糖氧化酶/过氧化物酶(GOD-POD)试剂盒 上海荣盛药业有限公司;芦丁 上海源叶生物;聚乙烯袋 泰安市鹏跃工程材料有限公司。

WGL-125B热风干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司;721G可见分光光度计 上海仪电分析仪器有限公司;TG16-WS台式高速离心机 湖南湘仪实验室仪器开发有限公司;PHS-3DW微机型酸度计 合肥桥斯仪器设备有限公司;HH-4数显恒温水浴锅 金坛市良友仪器有限公司;FA1004电子天平 上海良单仪器仪表有限公司;EVOLSI5扫描电子显微镜 卡尔蔡司;XD6多晶X射线衍射仪 北京普析通用;Spectrum 65傅里叶变换红外光谱 铂金埃尔默仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 山药粉的制备 清洗山药块茎,分成两组,分别为去皮组和不去皮组,然后切成片(厚度约为0.3 cm),烫漂护色(100 ℃,1 min)[15]。然后置于热风干燥箱干燥至恒重,风速为0.15 m/s,温度为60 ℃。将干燥的山药片在粉碎机中研磨,最后,用160目筛子筛分,得到了两种山药粉,分别为去皮山药粉(peeling yam powder,PYP)和不去皮山药粉(no peeling yam powder,NPYP)。将山药粉密封在聚乙烯袋中,然后放在干燥器中存放。

1.2.2 山药粉理化性质的测定

1.2.2.1 山药粉中总淀粉含量的测定 葡萄糖标准曲线的制作[16]:在7支试管中分别加入0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0和1.2 mL的1 mg/mL的葡萄糖标准溶液;再加蒸馏水均补至2 mL;然后加入1.5 mL的3,5-二硝基水杨酸(DNS)试剂,摇匀;然后在沸水浴中加热5 min,取出,冰浴,冷却至室温。然后,用蒸馏水将溶液定容到25 mL,摇匀;用分光光度计于540 nm处测定吸光度,用空白对照管调零。分别以葡萄糖浓度(mg/mL)和A540为横、纵坐标,绘制出葡萄糖标准曲线,并得到方程为Y=1.2082X-0.0218(R2=0.9953)。

总淀粉含量测定[17]:将0.1 g山药粉与1 mL二甲基亚砜混合,58 ℃保温处理24 h。将山药粉分散液与30 mL乙酸盐缓冲液(0.1 mol/L,pH4.5)混合。取出2 mL样品,来测定游离的葡萄糖(free sugar glucose,FSG)含量。将0.1 mLα-淀粉酶(3700 U/mL)添加到剩余的溶液部分,然后在60 ℃水解1 h。水解产物用0.3 mL葡萄糖淀粉酶(100000 U/mL)进一步消化(58 ℃,2 h)。然后,10000×g离心10 min。上清液按1∶10稀释,然后,按照制作标准曲线时测定葡萄糖的DNS法来测定总糖和游离糖。总的葡萄糖(total glucose,TG)含量和游离的葡萄糖含量根据标准曲线来定量。总葡萄糖含量表示为g葡萄糖/100 g干重。样品的总淀粉含量(total starch,TS)按下式计算:

TS(%)=(TG-FSG)×0.9

式中:TS为总淀粉含量(g/100 g干重);TG为总的葡萄糖含量(g/100 g干重);FSG为游离的葡萄糖含量(g/100 g干重)。

1.2.2.2 山药粉的快速消化淀粉、缓慢消化淀粉与抗性淀粉含量的测定 采用Englyst[18]提出的体外模拟酶水解法测定淀粉的体外消化性。将1 g山药粉与975 U猪胰α-淀粉酶和70 U淀粉葡糖苷酶置于三角瓶中,然后加入50 mL含有氯化钙(4 mmol/L)的0.1 mol/L的乙酸-乙酸钠缓冲液(pH5.0),37 ℃水浴振荡保温处理。分时段(0、20、40、60、90、120、150和180 min)取样0.1 mL,置于1.5 mL微量离心管中,加入0.9 mL乙醇(95%)终止反应。9000×g离心2 min,上清液的葡萄糖含量使用GOD-POD试剂盒测定。水解淀粉的百分比在获得葡萄糖含量后使用0.9的放大系数计算。在产物中,快速消化淀粉(rapidly digestible starch,RDS)、缓慢消化淀粉(slowly digestible starch,SDS)和抗性淀粉(resistant starch,RS)的百分比的计算如下:

RDS(%)=(G20-FG)×0.9

SDS(%)=(G120-G20)×0.9

RS(%)=TS-(RDS+SDS)

式中:G20是水解20 min后释放的葡萄糖含量(g/100 g干重);G120是水解120 min后释放的葡萄糖含量(g/100 g干重);FG是水解0 min时的游离葡萄糖(g/100 g干重);TS为用于每次测试的淀粉样品的总重量(g/100 g干重)。

1.2.2.3 山药粉的水结合能力测定 参考Wang等[19]的方法稍加修改。称取山药粉2.5 g,加入37.5 mL的蒸馏水,然后将悬浊液在恒温恒速磁力搅拌器上搅拌(20 ℃,860 r/min)1 h,3000×g离心10 min。弃去上清液,然后,将湿粉在烘箱中干燥(60 ℃,10 min),称重。样品的水结合能力WBC(water binding capacity)计算如下:

式中:MW是湿粉重量(g);Md是粉的干重(g)。

1.2.2.4 山药粉的膨胀力与溶解度测定 参考Jiang等[20]的方法,计算山药粉的膨胀力(swelling power,SP)和溶解度(solubility,SOL)。将山药粉的水悬浮液(2% w/v)分别在温度50、60、70、80、90 ℃下,于振荡水浴摇床中加热1 h。随后,悬浮液在3793×g离心15 min,然后样品被冷却至环境温度。上清液倒入蒸发皿中,在烘箱中110 ℃干燥至恒重。

SP(%)=(Sw×100)/[Flourdwb×(1-SOL)]

式中:SOL为溶解度(%);Flourdwb为山药粉的干重(g);SP为膨胀力(%);Sw为沉淀的重量。

1.2.3 山药粉的X射线衍射观察 使用XD6多晶X射线衍射仪,在40 kV和200 mA运行,分析山药粉的X射线衍射图。检测散射辐射,角度范围从3～60°(2θ),扫描速度为8°(2θ)/min。利用MDI Jade 6对样品的结晶度进行定量分析。

1.2.4 山药粉的扫描电镜观察 使用扫描电子显微镜EVOLSI5,工作电压10 kV,将山药粉样品铺在导电胶上,并固定在电镜样品托上,10 mA喷金40 s,抽真空并扫描拍照。

1.2.5 山药粉的傅里叶变换红外光谱观察 将山药粉与溴化钾按1∶100的重量比混合和研磨。然后,60 mg的混合物被压成片。傅里叶变换红外光谱按照Tensor27光谱仪记录,吸收光谱在4000～400 cm-1被收集,分辨率为4 cm-1,4次扫描。

1.2.6 山药粉中生物活性物质含量测定

1.2.6.1 山药粉的甲醇提取物制备 将山药粉(4 g)放进试管中,加入15 mL的80%的甲醇;室温,超声处理(功率40 kHz)30 min;5410 r/min离心5 min,收集上清液。为了提取更多的溶解物,所以提取和收集重复三次。在50 ℃下,真空旋转蒸发浓缩甲醇提取液;然后溶解到80%的甲醇中,制成总共10 mL的溶液,储存在-20 ℃,以备进一步使用。

1.2.6.2 山药粉中总黄酮含量的测定 将2.0 mL山药粉提取液(400 mg/mL)加入到10 mL的具塞试管中,加入0.4 mL的5%亚硝酸钠溶液。将混合物静置6 min,然后加入0.4 mL 的5%硝酸铝溶液,然后,再静置6 min。最后,加入4 mL的4%NaOH溶液和3.2 mL乙醇。将混合物剧烈振荡,放置15 min,然后在510 nm记录吸光度。用芦丁作为校正曲线的标准物,绘制标准曲线并从中得到标曲方程为Y=2.0872X-0.0049(R2=0.9964)来确定样品的总黄酮含量。黄酮含量以mg芦丁(RE)当量/g干基表示[21]。

1.2.6.3 山药粉中总可溶性多酚含量测定 参考张爽[22]的方法测定山药粉的总可溶性多酚含量。称取没食子酸标准品50 mg于烧杯中,加入少量水使其全部溶解,然后放到50 mL的容量瓶中,用蒸馏水定容至刻度处,得到1 mg/mL没食子酸溶液。然后吸取1 mL的没食子酸(1 mg/mL)溶液放入10 mL的容量瓶中,加蒸馏水,定容至刻度处,配制得0.1 mg/mL的没食子酸溶液。分别精密量取浓度为0.1 mg/mL的没食子酸0.0、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 mL标准溶液于5 mL的具塞试管中,用蒸馏水定容至1 mL,分别加入福林酚试剂1 mL,充分振荡后静置3～4 min,再分别加入1 mL碳酸钠溶液(10%),充分摇匀,放在25 ℃恒温水浴锅中反应1 h,以加入0.0 ml标准溶液作为空白对照,于波长765 nm处测定吸光度值。以没食子酸浓度(mg/mL)为纵坐标,吸光度为横坐标,绘制标准工作曲线从中得到方程为Y=126.34X+0.0162(R2=0.9991)。总可溶性多酚含量以mg没食子酸(GA)当量/g干基表示。

1.2.7 山药粉的抗氧化性测定

1.2.7.1 还原力测定 取不同浓度(0、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 mg/mL)的抗坏血酸各1.0 mL,分别加入2.0 mL pH6.6的磷酸盐缓冲液,2.0 mL 0.1%铁氰化钾,充分混合均匀后,在50 ℃水浴中反应20 min;快速冷却,再加入10%的三氯乙酸2.0 mL,混合均匀,3000 r/min离心10 min。取2.0 mL上清液于试管中,加入2.0 mL蒸馏水及0.4 mL 0.4%的三氯化铁,在室温下静置5 min后,测定吸光度(λ=700 nm)[23]。分别以抗坏血酸浓度(mg/mL)和A700为横、纵坐标绘制抗坏血酸还原力的标准曲线,得到标曲方程为Y=6.0411X-0.0728(R2=0.9908)。山药粉的甲醇提取液(400 mg/mL)按上述的方法进行测定。样品的还原力根据标曲计算,且还原力用mg VC/g干基表示。

1.2.7.2 DPPH自由基清除能力测定 将山药粉的甲醇提取液(400 mg/mL)稀释到下列浓度:10、20、30、40、50、60、70 mg/mL,用于DPPH自由基清除试验。将4 mL各种浓度的山药粉提取液分别与2 mL DPPH溶液混合。剧烈振荡,然后,在黑暗中室温下保持20 min。然后,测定反应溶液在517 nm处的吸光度。使用80%甲醇溶液作为空白。EC50值是在50%的DPPH自由基被清除时的有效浓度,通过从线性回归分析差值获得。自由基清除率的百分比计算如下:

表1 不同山药粉的TS、RDS、SDS、RDS和RS含量及WBCTable 1 Contents of TS,RDS,SDS and RS and WBC in different yam powders

表2 不同山药粉在不同温度下的膨胀力与溶解度Table 2 The swelling power and solubility of different yam powders at different temperatures

式中:A1为空白上清液的吸光度;A2为样品上清液的吸光度。

1.3 数据处理

本实验的所有实验数据都是重复三次测量取平均值的结果。使用IBM SPSS Statistics 20 进行统计学分析。

2 结果与分析

2.1 去皮对山药粉总淀粉含量、快速消化淀粉、缓慢消化淀粉与抗性淀粉含量以及水结合能力的影响

从表1可以看出,不去皮山药粉(NPYP)的总淀粉(TS)含量小于去皮山药粉(PYP),这是由于山药皮中的淀粉含量低于等质量的山药肉中的含量。两种山药粉的快速消化淀粉(RDS)含量相差不大。NPYP中缓慢消化淀粉(SDS)较PYP多,可能是因为皮中的一些物质増加了淀粉内部的空间位阻,延缓了酶与淀粉内部作用点的相互接触,从而产生慢消化特性[24]。对于抗性淀粉(RS)含量,PYP中较多,可抵抗酶解。NPYP的水结合能力(194.53 g/100 g)明显高于PYP,这可能是由于NPYP的水结合位点的可利用度较高,从而增大水结合能力[25],也有可能是皮中有大量的纤维素,持水能力强,导致NPYP的WBC较强。

2.2 去皮对山药粉膨胀力与溶解度的影响

溶解度表示淀粉样品在一定温度下溶解的质量分数,膨胀力表示在一定温度下每克干基质量的淀粉吸水的质量分数[26]。由表2可以看出,山药粉的膨胀力和溶解度随温度的升高而不断增加。这是因为随着温度的升高,水分会更快进入到颗粒中,颗粒吸水膨胀,同时造成未结晶部分直链淀粉因受热作用而逐渐溶于水中,因而使山药粉的溶解度增加[27]。在不同温度下，NPYP的膨胀力与溶解度都要大于PYP；在70 ℃时，NPYP膨胀力提高了43%，在90 ℃时，NPYP溶解度提高了18%。这可能是由于NPYP的颗粒较疏松,导致较高的溶解度;当达到淀粉糊化温度时,颗粒吸水膨胀能力较强,导致较高的膨胀力。

2.3 山药粉的X射线衍射观察

图1 不同山药粉的X射线衍射图谱Fig.1 The X-Ray diffraction Patterns of different yam powders

两种山药粉的X射线衍射图如图1所示。从图1可以看出,PYP和NPYP样品在15.0°、17.0°、17.8°、19.5°和23°的2θ值有较大的反射强度,都显示了高度相似的A型X射线衍射图[28]。

从表3可以看出,NPYP的结晶度为5.71%,PYP则为6.06%,两种山药粉的结晶度相差不大,这表明去皮这一操作对晶体结构影响不大。993 cm-1处的吸收峰是淀粉的无定型结构的特征,1022 cm-1是无定型区域的特征,而1047 cm-1处的吸收峰与淀粉的结晶有关[29],R1047/1022与R993/1022的吸收比值代表了结晶度或分子的有序程度[30]。由表3可以看出,NPYP与PYP的红外吸收比值相差不大,这结果与结晶度的结果相一致。

表3 不同山药粉的结晶度和红外吸收比值Table 3 Infrared ratios of absorbance and relative crystallinity of different yam powders

2.4 山药粉的扫描电镜观察

图2 不同山药粉的扫描电镜观察(500×)Fig.2 The scanning electron microscope observation of different yam powders(500×)注:A:NPYP;B:PYP。

两种山药粉的扫描电镜观察如图2所示。由图2可以看出,两种山药粉都有大块的颗粒,它们显示了特征性的块状和不规则的结构。相比于PYP,NPYP的颗粒略有裂隙和粗糙的表面,且碎颗粒比较多。这可能是由于山药皮中淀粉颗粒比较粗糙,有其他的杂质。

2.5 山药粉的傅里叶变换红外光谱观察

淀粉的FT-IR光谱对分子水平(短程有序)的结构变化敏感,例如链构象和双螺旋次序的变化。图3为不同山药粉的红外特征图谱,可以看出NPYP和PYP的FT-IR光谱相似,这表明经过去皮处理不会影响到山药粉的结晶结构。

图3 不同山药粉的傅立叶变换红外光谱Fig.3 The fourier transform infrared spectroscopy of different yam powders

2.6 去皮对山药粉中生物活性物质含量的影响

根据表4可以看出,NPYP的总黄酮和总可溶性多酚含量较高,分别为0.059 mg RE/g 与0.028 mg GA/g,明显高于PYP,这是由于山药皮中富含黄酮类等多酚类活性物质,去掉皮以后，这些物质就会流失[31]。

2.7 去皮对山药粉的抗氧化性的影响

2.7.1 铁离子还原力 从图4中可以看出,NPYP的还原力较高为0.223 mg VC/g,其抗氧化活性与去皮以后得到的山药粉末比较较强,这可能是由于皮中富含多酚类物质增加了不去皮山药粉的还原力。

图4 不同山药粉的还原力Fig.4 Reducing power of different yam powders

2.7.2 DPPH·清除能力 从图5中可以得到山药粉的甲醇提取液的浓度与清除效果的关系式,从而可以计算出EC50值,NPYP和PYP的EC50值分别为43.86和76.49 mg/mL,即NPYP的DPPH自由基清除能力较强,可以更好的起到抗氧化作用。

总黄酮含量与DPPH自由基的半数清除率呈负相关(r=-0.998,P≤0.01),还原力和总可溶性多酚含量呈正相关(r=0.991,P≤0.01),这与张子琪等测定的结果相一致[32]。

图5 不同山药粉的DPPH·清除能力Fig.5 The DPPH· scavenging ability of different yam powders

3 结论

从淀粉相关性质看,经过去皮工序得到的山药粉的总淀粉和抗性淀粉含量较大分别为45.39%和31.11%,是制备降血糖和降脂功能性食品的良好来源。没有去皮工序制得的山药粉,水结合能力和膨胀力较强,溶解度较高。去皮工序对山药粉的结晶结构影响不大。从生物活性方面来说,不去皮山药粉的总黄酮和总可溶性多酚含量较高,分别为0.059 mg RE/g和0.028 mg GA/g,其清除DPPH·能力和还原能力较强,是当今日益普及的抗氧化功能食品的潜在来源。我们可以根据不同山药粉特点,将其有针对性地应用于不同食品中。