沙土与垆土种植怀山药中淀粉及抗性淀粉的理化性质比较

◎ 孟世龙，焦 芬，何青云，任泽玥，马凡怡

（河南大学药学院天然药物与免疫工程重点实验室，河南 开封 475004）

怀山药作为河南“四大怀药”之首，主产于河南沁阳、武陟、温县地区（古怀庆府），是一种药食同源的常见中药，有消渴生津、补脾益肺等功效。怀山药中淀粉含量约为65.2%～76.6%，是一种常见的淀粉源[1]。

河南焦作地区（北纬35°10' ～35°21'，东经113°4' ～113°26'）主要种植怀山药的土壤分为临近黄河的沙质土壤和临近太行山脉的垆质土壤[2]。

沙土和垆土种植的怀山药中，水分、氨基酸、淀粉等营养成分[3]以及非淀粉多糖[2]均具有显著差别。为了研究2种怀山药淀粉制备的抗性淀粉的物理化学性质差别，本文利用压热法制备了怀山药抗性淀粉，对比了沙土怀山药原淀粉（SNS）及其抗性淀粉（SRS），垆土怀山药原淀粉（LNS）及其抗性淀粉（LRS）的微观结构、直链淀粉含量、含水量、溶解性、持水性以及乳化性等理化性质。

1 材料与方法

1.1 材料

沙土怀山药和垆土怀山药均购自河南保和堂（焦作）制药有限公司；大豆油购自上海易恩化学技术有限公司；直链淀粉试剂盒购自英国Megazyme有限公司；HgCl2、中链甘油三酯（MCT）等试剂购自天津基准化学试剂有限公司，均为分析纯试剂。

1.2 方法

1.2.1 怀山药抗性淀粉的制备

1.2.1.1 怀山药原淀粉的提取

分别将垆土和沙土怀山药洗净，去皮，并切成1～3 mm薄片，干燥粉碎后过100目筛，得到山药粉。根据Wang[4]等人的方法提取原淀粉，过筛后的山药粉立即浸泡在含有0.1% HgCl2的水中，以防止微生物生长。沉淀后，除去上清液，再用蒸馏水将淀粉反复水洗和沉降10次，以3000 r/min的速度离心10 min。倒掉上清液，刮去上层非白色层。将白色层用蒸馏水重新悬浮并离心3～5次，收集并在室温下自然干燥，即得到沙土怀山药原淀粉（SNS）和垆土怀山药原淀粉（LNS）。原淀粉产率的计算公式见式（1）：

1.2.1.2 怀山药抗性淀粉的制备

根据Dundar[5]等人的方法，利用循环压热法制备抗性淀粉。分别将14%（w/v）的SNS和LNS置于高压灭菌锅中，130 ℃压热处理40 min，4 ℃冷却沉降24 h，反复三次，干燥粉碎，过100目筛，即得沙土怀山药抗性淀粉（SRS）和垆土怀山药抗性淀粉（LRS）。抗性淀粉的淀粉产率计算公式见式（2）：

1.2.2 怀山药抗性淀粉的理化性质检测

1.2.2.1 直链淀粉含量

使用Megazyme试剂盒对SNS、SRS、LNS、LRS进行直链淀粉含量的测定。

1.2.2.2 含水量

分别取SNS、SRS、LNS、LRS样品2 g，置于105 ℃烘箱中，干燥至恒重，称重。含水量的计算公式见式（3）：

1.2.2.3 扫描电镜

分别将SNS、SRS、LNS、LRS样品用导电胶固定于铜台上，喷金，用扫描电镜（JSM-7001F，日本电子株式会社）观察淀粉的微观结构[6]。

1.2.2.4 X-射线衍射

使用X-射线粉末衍射仪（D8 Advance，德国布鲁克光谱仪器公司），对SNS、SRS、LNS、LRS的结晶性质进行考察。加速电压40 kV，管电流40 mA加测量角度2θ为5°-70°，扫描速度4°/min[7]。

1.2.2.5 傅里叶红外光谱

使用傅里叶红外光谱仪（VERTEX 70，德国布鲁克光谱仪器公司），对山药淀粉的内部结构进行分析。使用KBr压片法分别处理SNS、SRS、LNS、LRS样品，扫描波长为400～4000 cm-l，样品测量温度为25 ℃[6]。

1.2.2.6 怀山药抗性淀粉的持水力

分别取SNS、SRS、LNS、LRS样品50 mg，将其置于10 mL蒸馏水中，在45、55、65、75、85和95 ℃中水浴1 h，冷却至室温。6000 r/min离心15 min，舍去上清液后称重[6]。持水力的计算公式见式（4）：

其中：WHC为持水力；m1为沉淀质量（g）；m2为样品质量（g）。

1.2.2.7 怀山药抗性淀粉的溶解度

分别将SNS、SRS、LNS、LRS样品（2 g）转移到4支含有20 mL蒸馏水的离心管中，在50、60、70、80和90 ℃的水浴中加热40 min。为确保加热均匀，样品每5 min搅拌1次。将淀粉样品冷却至25 ℃后，在3000 r/min下离心10 min，分离不溶性淀粉。将淀粉在105 ℃干燥至恒重，称重[7]。溶解度的计算公式见式（5）：

其中：S为溶解度；A为上清液烘干后残渣的质量（g）；W为样品质量（g）。

1.2.2.8 怀山药抗性淀粉的乳化性质

分别取SNS、SRS、LNS、LRS样品2 g，将其置于150 mL蒸馏水中，混匀。60 ℃水浴加热15 min，加入50 mL大豆油，2000 r/min均质1 min后，3000 r/min离心10 min。根据式（6）和（7），分别计算其乳化能力和乳化稳定性。

1.2.3 数据与分析

每组实验测定3次，以平均数±标准偏差表示。

2 结果与讨论

2.1 产率、直链淀粉含量及含水量

SNS的产率约为64.80%，LNS约为74.60%，SRS和LRS的产率分别为96.33%和89.68，说明在制备抗性淀粉过程中，可以保证较高的产率。

直链淀粉的含量可以直观反映抗性淀粉在样品中的实际占比，故可以通过检测直链淀粉推测抗性淀粉的纯度。经压热法处理后的SRS和LRS所含直链淀粉比例分别由14.78%（SNS）和28.90%（LNS）显著提高至80.77%（SRS）和85.43%（LRS），说明原淀粉组中，垆土山药中含有更多的直链淀粉；经高温高压后制备得到的抗性淀粉组中，直链淀粉含量均显著增大，且沙土山药较垆土山药提高更多。

SNS、SRS、LNS和LRS的含水量分别是1.03%、2.91%、4.71%和3.15%，SNS的含水量显著低于LNS（P< 0.05），说明在储藏过程中，沙土怀山药原淀粉更易保持其原有品质。经压热处理后的SRS含水量显著升高，而LRS的含水量显著降低，说明SRS结构经高温高压破坏重组后更易保留水分子，而LRS片层状结构更易失去水分子。

2.2 微观结构

利用扫描电镜观察4种淀粉的微观结构。SNS和LNS微观结构基本相同，淀粉颗粒表面光滑完整，呈不规则的椭球形态。经压热处理后，二者的微观结构发生了显著变化，SRS和LRS均不再具有颗粒特征，而是呈现片层状结构。原因可能是淀粉在高温高压条件下发生糊化，直链淀粉从其被破坏的颗粒结构中溶出，待冷却时再重新排列，因此，呈现为片层状结构。

2.3 X射线衍射

由XRD图谱（图1a）可知，SNS在衍射角为14.88°、17.00°和22.89°时有较强的衍射峰，LNS在衍射角为14.91°、16.90°和22.77°时有较强的衍射峰。SRS仅在17.04°和22.10°处，LRS仅在18.86°和22.25°处有较强的衍射峰，且峰型分散。这说明经压热法处理后，怀山药的淀粉结构被打乱重排，形成了新的晶体结构。

图1 4种淀粉的XRD（a）和FTIR（b）图

2.4 傅里叶红外光谱

由图1（b）可知，沙土和垆土怀山药的原淀粉及抗性淀粉有共同的吸收峰：3500～3317 cm-1处的吸收峰均为-OH的伸缩吸收峰；2935～2925 cm-1的特征峰为饱和-CH键的振动吸收峰。1654～1642 cm-1处的强吸收峰对应的是羰基C-O的伸缩振动；1161 cm-1附近的特征峰为与伯醇羟基相连的C-O伸缩振动吸收峰；1039～997 cm-1处为与仲醇羟基相连的C-O-C伸缩振动峰。4种淀粉主要吸收峰基本重合，证明沙土种植和垆土种植并不会影响山药中淀粉的分子结构，也进一步证明怀山药淀粉在压热过程中主要发生了物理变化，没有新的官能团产生。值得注意的是，SNS在3406 cm-1处只有单吸收峰，而SRS在3500 cm-1和3317 cm-1处出现了双峰，表明抗性淀粉中有的羟基出现缔合形成氢键。

2.5 持水力

淀粉持水力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，4种淀粉的持水力如图2（a）所示。SNS和LNS在45～65 ℃时，持水力无显著变化；当温度大于65 ℃时，持水力显著升高，可能是由于温度升高，原淀粉糊化时大量吸水所致。SRS和LRS在45～95 ℃区间内，持水力无显著变化（P> 0.05），相较于原淀粉，持水力变差。此现象可能是淀粉经压热处理后结构被破坏，更多的亲水羟基被暴露，形成的片层结构无法吸水。

图2 4种淀粉的持水力（a）、溶解度（b）和乳化性质（c和d）图

2.6 溶解度

淀粉的溶解度反映了在一定温度下，淀粉颗粒在膨胀中的溶解能力，常被用来衡量淀粉的品质。4种淀粉在50～90 ℃的溶解度如图2（b）所示。SNS和LNS在50～60 ℃时，溶解度无显著变化（P> 0.05）；当温度大于60 ℃时，溶解度显著提高（P< 0.05）。LRS和SRS在50～90 ℃下，溶解度一直保持稳定，未发生显著性变化（P> 0.05）。结果表明，沙土怀山药的溶解度大于垆土怀山药的溶解度，可能是因为沙土怀山药多为粉质，持水力强。在不同温度下，抗性淀粉的溶解度均显著高于原淀粉（P< 0.05），说明抗性淀粉在制备过程中结构发生改变，支链结构被破坏，短直链增多暴露了更多的羟基基团，溶解力显著升高。

2.7 乳化性质

图2 （c）（d）显示了4种淀粉分别在MCT（c）和大豆油（d）中的乳化性质。SNS在MCT和大豆油中的乳化能力分别为96.2%和97.6%，SRS仅为11.6%和13.7%，SRS的乳化能力显著降低（P< 0.05）。SNS在MCT和大豆油中的乳化稳定性分别为99.3%和97.6%，SRS在大豆油和MCT中的乳化稳定性分别为100.0%和94.4%，二者在大豆油和MCT中均能保持良好的乳化稳定性，无显著性差异（P> 0.05）。LNS和LRS的乳化能力和稳定性同样保持了此趋势，与SNS和SRS无显著性差异。

3 结论

本文对沙土怀山药和垆土怀山药原淀粉（SNS和LNS）进行循环压热处理，制备了抗性淀粉（SRS和LRS），并对4种淀粉进行了结构分析及表征。结果表明，SNS和LNS、SRS和LRS的直链淀粉含量、含水量具有显著区别；沙土和垆土怀山药的原淀粉及抗性淀粉理化性质变化无显著性差异。原淀粉颗粒为表面光滑的椭球状结构，而抗性淀粉则为凸凹不平的片层状结构，虽均保持了C型晶型，但XRD图谱显示衍射峰消失或峰型变宽。4种淀粉红外光谱的主要特征峰基本一致，说明压热处理的过程中主要发生物理变化，无新化合物生成。对比原淀粉，抗性淀粉的溶解度、持水力随着温度的变化可以保持稳定，且乳化能力显著下降。