劉 燕,李文亞,李 寧,李宗浩,王向紅,孫紀錄

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,河北保定 071001)

山藥是薯蕷科植物,是排在木薯、馬鈴薯和甘薯之后的第四主要的塊根作物[1]。山藥在中國許多地區(qū)發(fā)展迅速,并且出口到俄羅斯、日本、韓國及東南亞、歐盟等國家和地區(qū)[2]。山藥也廣泛地種植于熱帶地區(qū),在西非5個沿海國家,產(chǎn)出了世界上超過90%的產(chǎn)量[3]。山藥營養(yǎng)豐富,含有淀粉、蛋白質(zhì)、氨基酸等營養(yǎng)素[4]。此外,山藥還含有許多生物活性成分,如粘蛋白、薯蕷皂甙、尿囊素、膽堿、植物甾醇、低聚糖等[5]。

新鮮山藥水分含量大,常溫條件下儲藏穩(wěn)定性很差,容易發(fā)生褐變、萌發(fā)或腐爛,山藥的成分嚴重損失,影響品質(zhì)與口感[6-7]。山藥的價格也受到供需量影響,如果沒有較好的保存方法,會直接使山藥的利用率降低[8]。所以,干燥的山藥粉和山藥片是市場上的主要產(chǎn)品形式,易于長期儲存,并便于消費。山藥(干重)由約75%～84%淀粉,6%～8%粗蛋白和1.2%～1.8%粗纖維組成[9]。因此,淀粉質(zhì)量是山藥產(chǎn)品質(zhì)量的最主要因素。

山藥其他產(chǎn)品加工工藝中,大都有去皮工序,該工序產(chǎn)生了大量的山藥皮廢渣,容易造成環(huán)境污染和資源浪費[10]。麻澤宇等[11]研究了去皮的山藥粉的營養(yǎng)成分以及抗氧化活性;關(guān)倩倩[12]研究了去皮的山藥粉的理化性質(zhì)和活性成分;廖曉鈴[13]測定了去皮處理得到的佛手山藥粉的生物活性含量。在已報道的文獻中,都是關(guān)于山藥去皮以后對其相關(guān)成分與特性進行測定,尚未報道不去皮制備山藥粉的相關(guān)特性,而山藥皮中含有多種生物活性成分,如皂苷、多糖、多酚和黃酮[14],這些成分會影響山藥粉的特性。所以,本文對經(jīng)過去皮與不去皮兩種預(yù)處理制備山藥粉,進行了比較系統(tǒng)的理化性質(zhì)和生物活性研究,以期可以根據(jù)不同山藥粉的特點,應(yīng)用于不同的食品中。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

山藥棒藥 產(chǎn)自河北保定蠡縣;糖化酶(100000 U/g) 北京索萊寶科技有限公司;α-淀粉酶(3700 U/g)北京索萊寶科技有限公司;豬胰腺α-淀粉酶(13 U/mg)上海源葉生物;二甲基亞砜 天津市天力化學(xué)試劑有限公司;1,1-二苯基-2-苦基肼自由基(DPPH)梯希愛(上海)化成工業(yè)發(fā)展有限公司;抗壞血酸 國藥集團化學(xué)試劑有限公司;葡萄糖氧化酶/過氧化物酶(GOD-POD)試劑盒 上海榮盛藥業(yè)有限公司;蘆丁 上海源葉生物;聚乙烯袋 泰安市鵬躍工程材料有限公司。

WGL-125B熱風(fēng)干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司;721G可見分光光度計 上海儀電分析儀器有限公司;TG16-WS臺式高速離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司;PHS-3DW微機型酸度計 合肥橋斯儀器設(shè)備有限公司;HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市良友儀器有限公司;FA1004電子天平 上海良單儀器儀表有限公司;EVOLSI5掃描電子顯微鏡 卡爾蔡司;XD6多晶X射線衍射儀 北京普析通用;Spectrum 65傅里葉變換紅外光譜 鉑金埃爾默儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 山藥粉的制備 清洗山藥塊莖,分成兩組,分別為去皮組和不去皮組,然后切成片(厚度約為0.3 cm),燙漂護色(100 ℃,1 min)[15]。然后置于熱風(fēng)干燥箱干燥至恒重,風(fēng)速為0.15 m/s,溫度為60 ℃。將干燥的山藥片在粉碎機中研磨,最后,用160目篩子篩分,得到了兩種山藥粉,分別為去皮山藥粉(peeling yam powder,PYP)和不去皮山藥粉(no peeling yam powder,NPYP)。將山藥粉密封在聚乙烯袋中,然后放在干燥器中存放。

1.2.2 山藥粉理化性質(zhì)的測定

1.2.2.1 山藥粉中總淀粉含量的測定 葡萄糖標準曲線的制作[16]:在7支試管中分別加入0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0和1.2 mL的1 mg/mL的葡萄糖標準溶液;再加蒸餾水均補至2 mL;然后加入1.5 mL的3,5-二硝基水楊酸(DNS)試劑,搖勻;然后在沸水浴中加熱5 min,取出,冰浴,冷卻至室溫。然后,用蒸餾水將溶液定容到25 mL,搖勻;用分光光度計于540 nm處測定吸光度,用空白對照管調(diào)零。分別以葡萄糖濃度(mg/mL)和A540為橫、縱坐標,繪制出葡萄糖標準曲線,并得到方程為Y=1.2082X-0.0218(R2=0.9953)。

總淀粉含量測定[17]:將0.1 g山藥粉與1 mL二甲基亞砜混合,58 ℃保溫處理24 h。將山藥粉分散液與30 mL乙酸鹽緩沖液(0.1 mol/L,pH4.5)混合。取出2 mL樣品,來測定游離的葡萄糖(free sugar glucose,FSG)含量。將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。水解產(chǎn)物用0.3 mL葡萄糖淀粉酶(100000 U/mL)進一步消化(58 ℃,2 h)。然后,10000×g離心10 min。上清液按1∶10稀釋,然后,按照制作標準曲線時測定葡萄糖的DNS法來測定總糖和游離糖?？偟钠咸烟?total glucose,TG)含量和游離的葡萄糖含量根據(jù)標準曲線來定量?？偲咸烟呛勘硎緸間葡萄糖/100 g干重。樣品的總淀粉含量(total starch,TS)按下式計算:

TS(%)=(TG-FSG)×0.9

式中:TS為總淀粉含量(g/100 g干重);TG為總的葡萄糖含量(g/100 g干重);FSG為游離的葡萄糖含量(g/100 g干重)。

1.2.2.2 山藥粉的快速消化淀粉、緩慢消化淀粉與抗性淀粉含量的測定 采用Englyst[18]提出的體外模擬酶水解法測定淀粉的體外消化性。將1 g山藥粉與975 U豬胰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含有氯化鈣(4 mmol/L)的0.1 mol/L的乙酸-乙酸鈉緩沖液(pH5.0),37 ℃水浴振蕩保溫處理。分時段(0、20、40、60、90、120、150和180 min)取樣0.1 mL,置于1.5 mL微量離心管中,加入0.9 mL乙醇(95%)終止反應(yīng)。9000×g離心2 min,上清液的葡萄糖含量使用GOD-POD試劑盒測定。水解淀粉的百分比在獲得葡萄糖含量后使用0.9的放大系數(shù)計算。在產(chǎn)物中,快速消化淀粉(rapidly digestible starch,RDS)、緩慢消化淀粉(slowly digestible starch,SDS)和抗性淀粉(resistant starch,RS)的百分比的計算如下:

RDS(%)=(G20-FG)×0.9

SDS(%)=(G120-G20)×0.9

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

式中:G20是水解20 min后釋放的葡萄糖含量(g/100 g干重);G120是水解120 min后釋放的葡萄糖含量(g/100 g干重);FG是水解0 min時的游離葡萄糖(g/100 g干重);TS為用于每次測試的淀粉樣品的總重量(g/100 g干重)。

1.2.2.3 山藥粉的水結(jié)合能力測定 參考Wang等[19]的方法稍加修改。稱取山藥粉2.5 g,加入37.5 mL的蒸餾水,然后將懸濁液在恒溫恒速磁力攪拌器上攪拌(20 ℃,860 r/min)1 h,3000×g離心10 min。棄去上清液,然后,將濕粉在烘箱中干燥(60 ℃,10 min),稱重。樣品的水結(jié)合能力WBC(water binding capacity)計算如下:

式中:MW是濕粉重量(g);Md是粉的干重(g)。

1.2.2.4 山藥粉的膨脹力與溶解度測定 參考Jiang等[20]的方法,計算山藥粉的膨脹力(swelling power,SP)和溶解度(solubility,SOL)。將山藥粉的水懸浮液(2% w/v)分別在溫度50、60、70、80、90 ℃下,于振蕩水浴搖床中加熱1 h。隨后,懸浮液在3793×g離心15 min,然后樣品被冷卻至環(huán)境溫度。上清液倒入蒸發(fā)皿中,在烘箱中110 ℃干燥至恒重。

SP(%)=(Sw×100)/[Flourdwb×(1-SOL)]

式中:SOL為溶解度(%);Flourdwb為山藥粉的干重(g);SP為膨脹力(%);Sw為沉淀的重量。

1.2.3 山藥粉的X射線衍射觀察 使用XD6多晶X射線衍射儀,在40 kV和200 mA運行,分析山藥粉的X射線衍射圖。檢測散射輻射,角度范圍從3～60°(2θ),掃描速度為8°(2θ)/min。利用MDI Jade 6對樣品的結(jié)晶度進行定量分析。

1.2.4 山藥粉的掃描電鏡觀察 使用掃描電子顯微鏡EVOLSI5,工作電壓10 kV,將山藥粉樣品鋪在導(dǎo)電膠上,并固定在電鏡樣品托上,10 mA噴金40 s,抽真空并掃描拍照。

1.2.5 山藥粉的傅里葉變換紅外光譜觀察 將山藥粉與溴化鉀按1∶100的重量比混合和研磨。然后,60 mg的混合物被壓成片。傅里葉變換紅外光譜按照Tensor27光譜儀記錄,吸收光譜在4000～400 cm-1被收集,分辨率為4 cm-1,4次掃描。

1.2.6 山藥粉中生物活性物質(zhì)含量測定

1.2.6.1 山藥粉的甲醇提取物制備 將山藥粉(4 g)放進試管中,加入15 mL的80%的甲醇;室溫,超聲處理(功率40 kHz)30 min;5410 r/min離心5 min,收集上清液。為了提取更多的溶解物,所以提取和收集重復(fù)三次。在50 ℃下,真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮甲醇提取液;然后溶解到80%的甲醇中,制成總共10 mL的溶液,儲存在-20 ℃,以備進一步使用。

1.2.6.2 山藥粉中總黃酮含量的測定 將2.0 mL山藥粉提取液(400 mg/mL)加入到10 mL的具塞試管中,加入0.4 mL的5%亞硝酸鈉溶液。將混合物靜置6 min,然后加入0.4 mL 的5%硝酸鋁溶液,然后,再靜置6 min。最后,加入4 mL的4%NaOH溶液和3.2 mL乙醇。將混合物劇烈振蕩,放置15 min,然后在510 nm記錄吸光度。用蘆丁作為校正曲線的標準物,繪制標準曲線并從中得到標曲方程為Y=2.0872X-0.0049(R2=0.9964)來確定樣品的總黃酮含量。黃酮含量以mg蘆丁(RE)當(dāng)量/g干基表示[21]。

1.2.6.3 山藥粉中總可溶性多酚含量測定 參考張爽[22]的方法測定山藥粉的總可溶性多酚含量。稱取沒食子酸標準品50 mg于燒杯中,加入少量水使其全部溶解,然后放到50 mL的容量瓶中,用蒸餾水定容至刻度處,得到1 mg/mL沒食子酸溶液。然后吸取1 mL的沒食子酸(1 mg/mL)溶液放入10 mL的容量瓶中,加蒸餾水,定容至刻度處,配制得0.1 mg/mL的沒食子酸溶液。分別精密量取濃度為0.1 mg/mL的沒食子酸0.0、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 mL標準溶液于5 mL的具塞試管中,用蒸餾水定容至1 mL,分別加入福林酚試劑1 mL,充分振蕩后靜置3～4 min,再分別加入1 mL碳酸鈉溶液(10%),充分搖勻,放在25 ℃恒溫水浴鍋中反應(yīng)1 h,以加入0.0 ml標準溶液作為空白對照,于波長765 nm處測定吸光度值。以沒食子酸濃度(mg/mL)為縱坐標,吸光度為橫坐標,繪制標準工作曲線從中得到方程為Y=126.34X+0.0162(R2=0.9991)?？偪扇苄远喾雍恳詍g沒食子酸(GA)當(dāng)量/g干基表示。

1.2.7 山藥粉的抗氧化性測定

1.2.7.1 還原力測定 取不同濃度(0、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 mg/mL)的抗壞血酸各1.0 mL,分別加入2.0 mL pH6.6的磷酸鹽緩沖液,2.0 mL 0.1%鐵氰化鉀,充分混合均勻后,在50 ℃水浴中反應(yīng)20 min;快速冷卻,再加入10%的三氯乙酸2.0 mL,混合均勻,3000 r/min離心10 min。取2.0 mL上清液于試管中,加入2.0 mL蒸餾水及0.4 mL 0.4%的三氯化鐵,在室溫下靜置5 min后,測定吸光度(λ=700 nm)[23]。分別以抗壞血酸濃度(mg/mL)和A700為橫、縱坐標繪制抗壞血酸還原力的標準曲線,得到標曲方程為Y=6.0411X-0.0728(R2=0.9908)。山藥粉的甲醇提取液(400 mg/mL)按上述的方法進行測定。樣品的還原力根據(jù)標曲計算,且還原力用mg VC/g干基表示。

1.2.7.2 DPPH自由基清除能力測定 將山藥粉的甲醇提取液(400 mg/mL)稀釋到下列濃度:10、20、30、40、50、60、70 mg/mL,用于DPPH自由基清除試驗。將4 mL各種濃度的山藥粉提取液分別與2 mL DPPH溶液混合。劇烈振蕩,然后,在黑暗中室溫下保持20 min。然后,測定反應(yīng)溶液在517 nm處的吸光度。使用80%甲醇溶液作為空白。EC50值是在50%的DPPH自由基被清除時的有效濃度,通過從線性回歸分析差值獲得。自由基清除率的百分比計算如下:

表1 不同山藥粉的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 不同山藥粉在不同溫度下的膨脹力與溶解度Table 2 The swelling power and solubility of different yam powders at different temperatures

式中:A1為空白上清液的吸光度;A2為樣品上清液的吸光度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本實驗的所有實驗數(shù)據(jù)都是重復(fù)三次測量取平均值的結(jié)果。使用IBM SPSS Statistics 20 進行統(tǒng)計學(xué)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 去皮對山藥粉總淀粉含量、快速消化淀粉、緩慢消化淀粉與抗性淀粉含量以及水結(jié)合能力的影響

從表1可以看出,不去皮山藥粉(NPYP)的總淀粉(TS)含量小于去皮山藥粉(PYP),這是由于山藥皮中的淀粉含量低于等質(zhì)量的山藥肉中的含量。兩種山藥粉的快速消化淀粉(RDS)含量相差不大。NPYP中緩慢消化淀粉(SDS)較PYP多,可能是因為皮中的一些物質(zhì)増加了淀粉內(nèi)部的空間位阻,延緩了酶與淀粉內(nèi)部作用點的相互接觸,從而產(chǎn)生慢消化特性[24]。對于抗性淀粉(RS)含量,PYP中較多,可抵抗酶解。NPYP的水結(jié)合能力(194.53 g/100 g)明顯高于PYP,這可能是由于NPYP的水結(jié)合位點的可利用度較高,從而增大水結(jié)合能力[25],也有可能是皮中有大量的纖維素,持水能力強,導(dǎo)致NPYP的WBC較強。

2.2 去皮對山藥粉膨脹力與溶解度的影響

溶解度表示淀粉樣品在一定溫度下溶解的質(zhì)量分數(shù),膨脹力表示在一定溫度下每克干基質(zhì)量的淀粉吸水的質(zhì)量分數(shù)[26]。由表2可以看出,山藥粉的膨脹力和溶解度隨溫度的升高而不斷增加。這是因為隨著溫度的升高,水分會更快進入到顆粒中,顆粒吸水膨脹,同時造成未結(jié)晶部分直鏈淀粉因受熱作用而逐漸溶于水中,因而使山藥粉的溶解度增加[27]。在不同溫度下，NPYP的膨脹力與溶解度都要大于PYP；在70 ℃時，NPYP膨脹力提高了43%，在90 ℃時，NPYP溶解度提高了18%。這可能是由于NPYP的顆粒較疏松,導(dǎo)致較高的溶解度;當(dāng)達到淀粉糊化溫度時,顆粒吸水膨脹能力較強,導(dǎo)致較高的膨脹力。

2.3 山藥粉的X射線衍射觀察

圖1 不同山藥粉的X射線衍射圖譜Fig.1 The X-Ray diffraction Patterns of different yam powders

兩種山藥粉的X射線衍射圖如圖1所示。從圖1可以看出,PYP和NPYP樣品在15.0°、17.0°、17.8°、19.5°和23°的2θ值有較大的反射強度,都顯示了高度相似的A型X射線衍射圖[28]。

從表3可以看出,NPYP的結(jié)晶度為5.71%,PYP則為6.06%,兩種山藥粉的結(jié)晶度相差不大,這表明去皮這一操作對晶體結(jié)構(gòu)影響不大。993 cm-1處的吸收峰是淀粉的無定型結(jié)構(gòu)的特征,1022 cm-1是無定型區(qū)域的特征,而1047 cm-1處的吸收峰與淀粉的結(jié)晶有關(guān)[29],R1047/1022與R993/1022的吸收比值代表了結(jié)晶度或分子的有序程度[30]。由表3可以看出,NPYP與PYP的紅外吸收比值相差不大,這結(jié)果與結(jié)晶度的結(jié)果相一致。

表3 不同山藥粉的結(jié)晶度和紅外吸收比值Table 3 Infrared ratios of absorbance and relative crystallinity of different yam powders

2.4 山藥粉的掃描電鏡觀察

圖2 不同山藥粉的掃描電鏡觀察(500×)Fig.2 The scanning electron microscope observation of different yam powders(500×)注:A:NPYP;B:PYP。

兩種山藥粉的掃描電鏡觀察如圖2所示。由圖2可以看出,兩種山藥粉都有大塊的顆粒,它們顯示了特征性的塊狀和不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。相比于PYP,NPYP的顆粒略有裂隙和粗糙的表面,且碎顆粒比較多。這可能是由于山藥皮中淀粉顆粒比較粗糙,有其他的雜質(zhì)。

2.5 山藥粉的傅里葉變換紅外光譜觀察

淀粉的FT-IR光譜對分子水平(短程有序)的結(jié)構(gòu)變化敏感,例如鏈構(gòu)象和雙螺旋次序的變化。圖3為不同山藥粉的紅外特征圖譜,可以看出NPYP和PYP的FT-IR光譜相似,這表明經(jīng)過去皮處理不會影響到山藥粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

圖3 不同山藥粉的傅立葉變換紅外光譜Fig.3 The fourier transform infrared spectroscopy of different yam powders

2.6 去皮對山藥粉中生物活性物質(zhì)含量的影響

根據(jù)表4可以看出,NPYP的總黃酮和總可溶性多酚含量較高,分別為0.059 mg RE/g 與0.028 mg GA/g,明顯高于PYP,這是由于山藥皮中富含黃酮類等多酚類活性物質(zhì),去掉皮以后，這些物質(zhì)就會流失[31]。

2.7 去皮對山藥粉的抗氧化性的影響

2.7.1 鐵離子還原力 從圖4中可以看出,NPYP的還原力較高為0.223 mg VC/g,其抗氧化活性與去皮以后得到的山藥粉末比較較強,這可能是由于皮中富含多酚類物質(zhì)增加了不去皮山藥粉的還原力。

圖4 不同山藥粉的還原力Fig.4 Reducing power of different yam powders

2.7.2 DPPH·清除能力 從圖5中可以得到山藥粉的甲醇提取液的濃度與清除效果的關(guān)系式,從而可以計算出EC50值,NPYP和PYP的EC50值分別為43.86和76.49 mg/mL,即NPYP的DPPH自由基清除能力較強,可以更好的起到抗氧化作用。

總黃酮含量與DPPH自由基的半數(shù)清除率呈負相關(guān)(r=-0.998,P≤0.01),還原力和總可溶性多酚含量呈正相關(guān)(r=0.991,P≤0.01),這與張子琪等測定的結(jié)果相一致[32]。

圖5 不同山藥粉的DPPH·清除能力Fig.5 The DPPH· scavenging ability of different yam powders

3 結(jié)論

從淀粉相關(guān)性質(zhì)看,經(jīng)過去皮工序得到的山藥粉的總淀粉和抗性淀粉含量較大分別為45.39%和31.11%,是制備降血糖和降脂功能性食品的良好來源。沒有去皮工序制得的山藥粉,水結(jié)合能力和膨脹力較強,溶解度較高。去皮工序?qū)ι剿幏鄣慕Y(jié)晶結(jié)構(gòu)影響不大。從生物活性方面來說,不去皮山藥粉的總黃酮和總可溶性多酚含量較高,分別為0.059 mg RE/g和0.028 mg GA/g,其清除DPPH·能力和還原能力較強,是當(dāng)今日益普及的抗氧化功能食品的潛在來源。我們可以根據(jù)不同山藥粉特點,將其有針對性地應(yīng)用于不同食品中。