刘 蒙 曲智雅 李小定 范任海 李 杰张 芸 朱少华 曲 露 王 萌 刘 硕

(华中农业大学食品科技学院1，武汉 430070)

(湖北紫鑫生物科技有限公司2，黄石 435000)

紫甘薯(Ipomoea batatas L.)又称紫薯，为旋花科番薯属一年生草本植物，富含维生素、矿物质、碳水化合物和花青素等，具有甘薯栽培简便、适应性广、产量高等优点。目前，其研究主要集中在食用、药用和食品研发三个范畴［1］，其主要用途是提取色素，但是面临的问题是提取色素后紫甘薯废渣无法处理，目前大多以低价当饲料出售，未能充分利用造成资源浪费，处理不当还会造成环境污染。水提紫甘薯色素废渣中还含有大量的营养物质，淀粉的含量尤其丰富。杨解顺［1］通过小鼠试验来研究水提紫甘薯废渣的安全性，结果表明水提紫甘薯废渣安全性高，对试验动物既无毒副作用也无致突变作用。因此，研究紫薯渣中的淀粉具有重要意义。

关于淀粉理化性质的研究国内外有很多，通常淀粉的理化性质包括淀粉的颗粒表面构造、淀粉的糊化特性、热力学性质、流变特性以及淀粉糊的凝胶质构等。对所提紫薯渣淀粉进行理化性质的研究，是为了了解其组成、结构和性质，从而对其加工特性和应用进行指导。单珊等［2］以川山紫鲜薯为原料研究了紫薯淀粉的基本理化性质，并通过对比研究得出紫薯淀粉糊化温度高，热稳定性、凝胶性好，透明度低等结论。关于淀粉的性质、用途和改性等方面的研究已经十分全面和成熟，但是关于紫薯淀粉理化性质的研究鲜有报道。为此，本试验对紫薯淀粉的理化性质进行了研究，并与马铃薯淀粉、玉米淀粉和甘薯淀粉作比较，旨在了解紫薯淀粉的性质和应用价值，从而为紫薯渣淀粉的开发和综合利用提供科学参考依据，进而指导实际生产和加工。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

紫薯淀粉、甘薯淀粉:实验室制备;马铃薯淀粉、玉米淀粉:小神厨食品调味公司。

Pb(Ac)2、3，5－二硝基水杨酸、酒石酸钾钠、硼酸、溴甲酚绿、亚甲基蓝、十二烷基苯磺酸钠:均为分析纯、国药集团化学试剂有限公司生产。马铃薯直链淀粉标准品、支链淀粉标准品:Sigma公司。

1.2 主要仪器和设备

752紫外可见分光光度计:上海著化科技仪器有限公司;JJ－2组织捣碎匀浆机:常州国华电器有限公司;日立S－3000N扫描电子显微镜:日本日立公司;TATExpress物性仪:英国SMS公司;D/Max－ⅢA型X射线衍射仪:美国伊诺斯公司;AL204电子分析天平、FE30pH计:上海梅特勒仪器有限公司;Ultra Scan XE色度仪:美国Hunter Lab;TDZ5－WS离心机:长沙湘智仪器有限公司;DSC200F3差示扫描量热仪:德国耐驰公司。

1.3 方法

1.3.1 紫薯渣淀粉的提取

紫薯渣淀粉提取工艺流程:将湿的紫甘薯废渣于50℃烘干，称取一定质量的紫薯渣放入组织捣碎匀浆机，以料液比1∶5加水打浆。将磨碎的紫薯渣浆液加水调节至pH 5，于25℃下浸泡1.5 h。将浸泡好的紫薯渣浆液过滤:先过20目的粗筛，再过200目的纱布，洗涤5次。所得滤液静置34 h后除去上清液，沉淀于50℃烘干，粉碎后过100目筛，装袋备用，即得成品紫薯淀粉。

甘薯淀粉的提取方法参照罗志刚等［3］甘薯淀粉提取法进行。

1.3.2 化学组分分析和直链淀粉含量的测定

含水量的测定:直接干燥法(GB/T 5009.3—2003)［4］;蛋白质含量的测定:半微量凯氏定氮法(GB/T 5009.5—2010)［5］;脂肪含量的测定:索式抽提法(GB/T 14772—2008)［6］;灰分含量的测定:按照GB/T 5009.4—2010［7］进行;淀粉含量的测定:DNS法，按侯曼玲［8］的方法进行。

1.3.2.1 标准曲线的绘制

按表1制备系列标准溶液，然后用分光光度计在720 nm处测定系列标准溶液的吸光度。

表1 系列标准溶液表

以直链淀粉含量为横坐标，720 nm处的吸光度为纵坐标，绘制标准曲线。所得标准曲线如图1所示。

图1 直链淀粉标准曲线

1.3.2.2 测定样品溶液

用空白溶液调零，在720 nm处测定样品溶液的吸光度，根据直链淀粉标准曲线算出样品直链淀粉的含量(参照 GB/T 15683—2008)［9］。

1.3.3 淀粉颗粒表面结构的测定

先将少量紫薯淀粉粉末喷上一层铂金，然后用日立S－3000N扫描电子显微镜观察紫薯淀粉颗粒的表面结构，分别放大1 000倍和3 000倍拍照。计算淀粉颗粒的粒径范围和平均粒径:分别从淀粉扫描电镜照片中数出30颗分散的淀粉颗粒，然后用刻度尺测量其长径和短径，将长和宽分别平均后相加再除以2，得出淀粉颗粒的平均粒径［10］。采用同样方法分别对甘薯淀粉、马铃薯淀粉、玉米淀粉进行处理。

1.3.4 淀粉颗粒结晶结构的测定

采用粉末衍射法，用X射线衍射仪扫描紫薯淀粉粉末，设置衍射条件为:Cu－Ka辐射，电压40 kV，电流100 mA，扫描范围 2θ =550 °，Step 0.02 deg，扫描速度12 deg/min。采用同样方法和条件分别对甘薯淀粉、马铃薯淀粉、玉米淀粉进行处理。

1.3.5 凝胶特性的测定

配置8%的紫薯淀粉乳，在沸水中加热30 min，使之完全糊化，取出冷却至室温后，在4℃的冰箱中放置16 h。在室温下用TATExpress物性仪测定淀粉凝胶的质构特性，每个样品做6次平行。

质构仪参数校准:返回距离:20 mm;返回速度:10 mm/s;接触力:5 g。

主要的测试参数如下:模式:循环测试，测前速度:2 mm/s，触发力:2.0 g，测试速度:2.0 mm/s，返回速度:5.0 mm/s，测试距离:10.0 mm，测试循环次数:1，探头:P/0.5 圆柱型。

采用同样方法和条件分别对甘薯淀粉、马铃薯淀粉、玉米淀粉进行处理。

1.3.6 热力学性质的测定

准确称取样品2.5 mg，置于铝坩埚中，加入7.5 mg蒸馏水(料液比1∶3)，盖好铝坩埚的盖子密封，于室温下平衡1 h后测定。以密封好的空坩埚为对照，准确称取其质量，设定参数:温度扫描范围:30130℃，升温速率10℃/min，样品室N2流量:30 mL/min。测定紫薯淀粉的DSC热效应曲线。用紫薯淀粉糊化的起始温度(To)、峰值温度(Tp)、终止温度(Tc)和热焓(ΔH)表示紫薯淀粉的DSC特征参数。每个样品重复3次。

1.3.7 紫薯淀粉流变学特性的测试

将适量充分糊化的紫薯淀粉糊置于AR2000ex流变仪测试平台上，待转子到达设定位置后，涂硅油密封。

1.3.7.1 紫薯淀粉糊的剪切应力变化

平板:直径40 mm，设置间隙:1 000 μm，测定模式:Flow，温度:25℃，剪切速率:从21 500 s－1上升，再下降。

测定8%的紫薯淀粉糊在剪切速率的上升和下降过程中剪切应力的变化情况。

1.3.7.2 不同温度下紫薯淀粉糊剪切应力与剪切速率的关系

分别设置温度为20、40、70、90℃，剪切速率从2到1 500 s－1递增，其他参数同上，测定3%紫薯淀粉糊的剪切应力与剪切速率的关系。

1.3.7.3 不同浓度的紫薯淀粉糊剪切应力与剪切速率的关系

分别配置2%、3%、5%、8%的紫薯淀粉乳，经充分糊化后，设置温度为45℃，剪切速率从2到1 500 s－1递增，再从 1 500 到 2 s－1递减，其他参数同上，分别测定不同浓度的紫薯淀粉糊剪切应力与剪切速率的关系。

1.4 数据处理

采用Origin做出淀粉的X－衍射图谱，SPSS数据处理系统对试验数据进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 化学组分和直链淀粉含量

紫薯淀粉、马铃薯淀粉、玉米淀粉和甘薯淀粉的含水量分别为(7.96 ±0.03)%、(16.53 ±0.14)%、(13.62 ±0.22)%和(9.43 ±0.12)%。4 种淀粉烘干后化学成分的测定结果如表2所示，与其他3种淀粉相比，紫薯淀粉的淀粉含量相对较高，蛋白质含量偏高;紫薯淀粉的粗脂肪含量和灰分含量都较高，和甘薯淀粉相近，马铃薯淀粉粗脂肪含量最低，玉米淀粉的灰分含量最低。

淀粉的糊化与直链淀粉含量关系密切，而直链淀粉含量是影响淀粉类食品品质的重要指标。由表2可知，4种淀粉直链淀粉含量的关系为:玉米淀粉＞马铃薯淀粉＞紫薯淀粉＞甘薯淀粉。

表2 淀粉的化学成分分析(干重%，n=3)

2.2 淀粉颗粒的电子扫描显微镜观察图

图2 4种淀粉的扫描电镜照片

4种淀粉的扫描电镜照片如图2所示。紫薯淀粉的颗粒形态与马铃薯淀粉和玉米淀粉差异略大，但与甘薯淀粉较为接近。其中紫薯淀粉多为圆形或半圆形，部分有凹陷，大小不均一，表面不光滑，有裂痕，而甘薯淀粉颗粒表面则较为光滑，颗粒多为圆形、半圆形或多角形;玉米淀粉颗粒呈多边型或圆形，表面不光滑，有凹陷点，颗粒大小较为均匀;马铃薯淀粉多为椭圆型和圆形，表面光滑，颗粒大小分布极不均匀。淀粉颗粒的大小和形状与其来源的组织器官关系十分密切，从块茎或块根中提取的淀粉颗粒呈现球形、椭圆形、多角形或不规则构型［11－12］。

用电镜的标尺测量这4种淀粉的颗粒粒径，并计算其各自平均值，结果见表3。

表3 4种淀粉颗粒大小

由表3可知，紫薯淀粉的平均粒径为17 μm，紫薯淀粉可以被划分为中粒淀粉［12］。马铃薯淀粉粒大小差别大，大粒呈卵形、椭圆形，小粒呈圆形［13］。淀粉颗粒的形状与大小因淀粉种类和品种的不同，存在较大差异。一般含水量高，蛋白质少的植物淀粉颗粒比较大，形状也比较整齐，相反则颗粒小，呈多边形。

2.3 X－射线衍射扫描

4种淀粉的X－射线衍射图谱和衍射特征参数分别如图3和表4所示。根据天然淀粉的X射线衍射图形的不同，淀粉可被分为A型，B型和C型3种。由图3结合表4中的数据可以看出，紫薯淀粉在2θ为17°左右有强吸收峰，强度达到100%;在15°、18°和23°有较强的峰;在 5.6°2θ 附近有弱吸收峰，既具有A型晶体的峰形特征又具有B型的特征，所以紫薯淀粉的晶型应属于C型晶型，又由于B型的特征不太明显，更偏向A型，所以为CA型。玉米淀粉在15°、17°和23°2θ附近有强吸收峰，是 A 型淀粉晶型的特征。马铃薯淀粉在 5°、15°、17°和 22°2θ 处均有吸收峰，为B型图谱的特征，应属B型。甘薯淀粉在 15°、17°、18°和 23°2θ 有吸收峰，在 5.6°附近也有吸收峰，与典型的A型图谱不相同，不属于典型的A、B晶型，而是C型图谱，这与相关文献的结论一致［14］。

一般来说，块根或块茎类淀粉呈现B型图谱［11］而衍射图谱除了受其植物来源的影响，还与其他因素如支链淀粉的链长、直链淀粉和水分的含量有关，含水量低于10%时粉末衍射图通常会被弱化［15］，试验中所用的紫薯淀粉含水量在8% 左右，这是对所得结果的一种解释。马铃薯淀粉衍射图在 20°2θ(d=4.4)附近有吸收峰，这可能对应淀粉中的直链淀粉－脂类复合物［15］。

图3 4种淀粉的X射线衍射图谱

表4 4种淀粉的X射线衍射数据

2.4 凝胶特性

将制备好的4种淀粉凝胶用物性仪测定其凝胶强度，结果如表5所示。从表5中可以看出，紫薯渣淀粉凝胶弹性和咀嚼性强，比玉米淀粉和甘薯淀粉大，比马铃薯淀粉小;硬度适中，小于马铃薯淀粉凝胶，大于玉米和甘薯淀粉凝胶;内聚性和黏着性小于玉米淀粉凝胶，大于马铃薯和甘薯淀粉凝胶;回复性小于甘薯淀粉。紫薯渣淀粉凝胶具有较好的弹性和咀嚼性，硬度不大，黏着性适中，在受到外力作用后容易回复到原有形状。

除黏着性外，紫薯渣淀粉和甘薯淀粉的各项凝胶强度指标都相差较小。淀粉在凝胶特性上的差异，与淀粉的种类和分子结构关系密切。马铃薯淀粉凝胶硬度明显高于其他3种淀粉凝胶，这可能与马铃薯淀粉直链淀粉含量较高和含有磷酸基团有关。

表5 淀粉糊的凝胶强度

2.5 热力学性质

来源不同的淀粉热力学性质会有差异，这是由多种因素影响的结果，例如淀粉的生长条件、淀粉的提取方法和加工条件、不同的直连淀粉含量及分子结构等，这些因素都会对测定结果产生不同程度的影响［17］。

表6显示了4种淀粉在糊化过程中DSC参数的变化情况，由表6可知，甘薯淀粉的糊化起始温度、峰值温度和终止温度都是最高的;紫薯淀粉次之，其糊化温度范围为61.5℃到78.0℃，大于玉米淀粉和马铃薯淀粉。研究表示，假设淀粉中的直链淀粉分子大多数在淀粉颗粒的无定形区，那么直连淀粉含量越高，则凝胶温度越低［18］。同时，从表6中数据也可以看出，甘薯淀粉和紫薯淀粉的热焓值较高，说明这两种淀粉在糊化过程中需要较多的热量才能糊化。马铃薯淀粉的热焓值较小，这可能是由于马铃薯淀粉颗粒较大，结构疏松，吸水时膨胀力也较大，所以在较低的温度下就容易发生糊化，同时糊化所需要的热量也较少。

表6 4种淀粉的DSC曲线参数

2.6 流变学特性

图4是8%的紫薯淀粉糊在90℃下剪切应力随剪切速率的变化关系图。由图4可知，当剪切速率增大时，紫薯淀粉糊在越来越高的剪切速率下逐渐变稀，紫薯渣淀粉糊的凝胶网状结构被破坏，淀粉分子的方向和排列也发生改变，从而淀粉糊黏度降低。当剪切速率逐渐减小时，紫薯淀粉糊的内部结构又慢慢重建，凝胶网络结构逐渐恢复，黏度也渐渐增大，向初值恢复。

图4 8%的紫薯淀粉糊在90℃下剪切应力随剪切速率变化图

图5和图6分别为不同浓度和不同温度下紫薯淀粉糊的剪切应力随剪切速率变化的关系曲线图，由图5和图6可知，当剪切速率上升时，剪切应力增大;当剪切速率下降时，剪切应力减小。由于紫薯淀粉糊的浓度和温度条件不同，所以出现的滞后面积大小不同，但是都是具有屈服应力的开口型滞后回路。

由图5看出，随着浓度的增大，屈服应力增大，滞后面积增大，越不容易恢复到剪切前的状态。由图6可知，温度越高，屈服应力越小，滞后面积也越小，这是因为温度越低，紫薯淀粉越容易凝结成凝胶，形成凝胶之后，经过剪切被破坏的内部结构就很难再恢复，从而导致滞后面积增大。温度较高时，紫薯淀粉糊一直保持着糊的状态，被剪切破坏的内部结构比较容易恢复，因此滞后面积较小。

淀粉悬浮体液加热时测量其黏度或稠度变化对估计其或其改性物的应用性质具有实际意义。通常剪切应力与剪切速率之间成线性关系的，称为牛顿流体型，非线性关系为非牛顿型流体。因此紫薯渣淀粉糊属于非牛顿流体。

流动体系受到搅动结构可能会遭到破坏，静置后结构又能自动复原。体系结构一旦遭到破坏，则束缚介质以自由介质的形式被释放出来，所以体系的表观黏度不断随切变速率的增加而减少。结构破坏后，粒子必须经过一定时间，才能移动到一定的几何位置以形成新的结构。这样，在切变速率增加的过程中，结构恢复的速度总是落后于拆散的速度，因而体系增加的过程中，结构恢复的速度总是落后于拆散的速度，这就是体系的触变性，可以用滞后环的面积来表示，面积范围在表示结构恢复越滞后，则触变性大。

3 结论

干基紫薯淀粉含量为98.78%，直链淀粉含量较小，为 19.74%。

紫薯淀粉颗粒形状多为圆形或半圆形，部分有凹陷，表面不光滑，有裂痕，其平均粒径为17 μm，属于中粒淀粉;其晶型为C型。

紫薯淀粉凝胶弹性和咀嚼性高，硬度适中，为3.095 × 102g，黏着性适中，为 24.72 g·s。

紫薯淀粉的糊化起始温度为61.5℃，峰值温度为72.6℃，终止温度为78℃，糊化温度范围为61.5℃到78.0℃。

当剪切速率上升时，紫薯淀粉的剪切应力增大;当剪切速率下降时，剪切应力减小。紫薯淀粉糊为有屈服应力的非牛顿型流体。浓度越高，屈服应力越大，滞后面积也越大，越不容易恢复到剪切前的状态。温度越高，屈服应力越小，滞后面积也越小。

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