赵康云，朴春红，徐 飞，陈小爱，张彦军,*

1. 中国热带农业科学院香料饮料研究所，海南万宁 571533；2. 梧州学院食品与制药工程学院（六堡茶现代产业学院），广西梧州 543002；3. 国家重要热带作物工程技术研究中心，海南万宁 571533；4. 海南省特色热带作物适宜性加工与品质控制重点实验室，海南万宁 571533

胡椒（Piper nigrumL.）作为一种重要的香辛料因其独特的风味广受欢迎，主要生长于热带地区，原产于东南亚，在我国，胡椒主要分布在海南省、台湾省、云南省和广东省。胡椒果实采摘后经不同加工方式得到黑胡椒和白胡椒，黑胡椒是由成熟的鲜果在热水中加热，使果实中的微生物灭活，由于酶促褐变表皮呈黑色，烘干得到。白胡椒是将成熟的果实浸水去外果皮得到[1]。胡椒中含有蛋白（25.5%）、脂肪（5.3%）、粗纤维（23.6%），水分（4.7%）和碳水化合物（61.0%）[1]。关于胡椒的研究主要集中在胡椒碱、精油和挥发性风味化合物方面，OKUMURA等[2]发现胡椒及其辛辣成分胡椒碱对小鼠有减脂作用，BISWAS等[3]研究了关于胡椒碱-磷脂复合物提高生物利用度和保肝活性，JEENA等[4]报道黑胡椒精油具有抗氧化、抗炎和镇痛特性，VAN RUTH等[5]通过比较黑胡椒和白胡椒中的挥发性化合物对胡椒品质进行分级。但是，胡椒提取精油和胡椒碱之后还有大量高价值的淀粉资源被浪费，作为胡椒中的主要成分，它可能有助于胡椒的烹调和营养品质，然而，对胡椒这种非常规作物淀粉还缺乏系统的研究，尤其是淀粉理化性质与结构方面的认知。

淀粉是重要的营养素之一，主要来源于植物的果实，种子和块茎，是一种由α-葡聚糖分子聚合而成的半晶结构，即包括由支链淀粉组成的结晶区域和直链淀粉与支链淀粉分支点组成的无定形区[6]。按照淀粉来源和晶型的不同，每种淀粉都有其独特的结构和性质，可作为不同的用途。目前关于胡椒淀粉仅存在少量报道，ZHU等[7]研究了黑胡椒淀粉的结构特性，侧重于分析直链淀粉含量与链长分布的关系，以及支链淀粉内部分子结构对性质得到影响，但是缺乏直链淀粉含量、短程有序结构与糊化特性和热特性的研究。因此，本文综合前人的研究，将胡椒淀粉与小麦、大米、玉米、马铃薯、菠萝蜜种子淀粉和木薯淀粉等大宗作物淀粉[8]进行比较，进一步探究胡椒淀粉的结构与理化特性的关系。

因此，本研究选取黑胡椒和白胡椒为研究对象，通过多种分析方法对2种胡椒淀粉样品的结构和理化特性进行研究。所报道的内容包括用扫描电镜观察胡椒淀粉的颗粒形态，快速糊化粘度分析仪（RVA）测定淀粉的糊化特性，粒径分析仪分析淀粉的粒径分布，傅立叶变换红外光谱（FTIR）分析淀粉结构-分子短程有序性，X射线衍射（XRD）分析淀粉结构-长程有序性，质构仪分析淀粉的质构特性，差示扫描量热仪（DSC）测定了淀粉的凝胶特性。通过参考前人报道的淀粉基础数据，尝试将黑胡椒和白胡椒淀粉试验结果与其他大宗作物淀粉结果进行比较，以期试验结果可为有待开发的胡椒淀粉资源应用提供更好的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

黑胡椒和白胡椒原料由海南兴科热带作物工程技术有限公司提供；硫代硫酸钠，西陇化工股份有限公司；乙醇等其余试剂均为国产分析纯。

80胶体磨，上海科劳机械厂；高速冷冻离心机，美国Beckman Coulter公司；UV-2700紫外分光光度计，岛津仪器（苏州）有限公司；TechMaster快速黏度分析仪，瑞典Perten仪器公司；Phenom ProX台式显微能谱一体机，荷兰Phenom-World科学仪器有限公司；Nicolet 6700衰减全反射傅立叶变换近红外光谱，美国Thermo公司；SmartLab 3KW X射线衍射仪，日本理学株式会社；Mastersizer 3000激光粒度分析仪，英国Malvern仪器有限公司；TA. XT plus质构分析仪，英国Stable Micro System公司；TA Q2000差示扫描量热仪，美国TA仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 提取胡椒淀粉 胡椒淀粉的提取根据ZHANG等[9]的方法，进行了一些修改。胡椒（1.0 kg，干基）在硫代硫酸钠溶液（6.0 L，0.5%）中浸泡24 h后倒掉上清液。浸泡过的样品重新悬浮于冰水中，用胶体磨打浆，得到的浆液用纱布过滤，重复2次。将浆液以10 000g离心10 min，弃去上清液，刮掉表面棕色物质，剩余沉淀用蒸馏水溶解，重复多次，最后用盐酸（1.0 mol/L）调整溶液pH为7.0，再次以10 000g离心10 min。淀粉真空冷冻干燥至水分含量<5%，用研钵磨碎，过100目筛网，密封在干燥器中保存备用。

1.2.2 胡椒淀粉的组成 提取的胡椒淀粉中总淀粉含量用酶水解法测定，蛋白质含量用杜马斯定氮仪测定（氮含量%×6.25），水分含量用快速水分测定仪测定，脂肪含量用索氏抽提法测定，灰分含量用灼烧法测定，直链淀粉含量用碘染色法测定[10]。

1.2.3 颗粒形貌 使用SEM观察淀粉颗粒的表面形态，将少量样品用双面导电胶固定在样品台上，喷金，然后在10 kV的加速电压下观察样品，样品在放大倍数为5000×和10 000×下进行观察。

1.2.4 粒度分布 按照张雨桐[11]的方法进行修改，采用湿法对淀粉粒径分析，加入样品的量根据遮光度数值来定，分散均匀后开始测定，粒径分布按照体积加权平均（D[4, 3]）来计。

1.2.5 胡椒淀粉短程有序结构 2种胡椒淀粉样品与溴化钾粉末按照1∶100混合，200 ℃烘干3 min后在研钵中研磨，进行压片。置于红外光谱仪中分析，用溴化钾作为背景，波长范围选择4000~400 cm-1，分辨率4 cm-1，扫描64次。在1200~800 cm-1范围内傅里叶自去卷积，半峰宽26，增强因子2.4，并计算在1047 cm-1和1022 cm-1处的吸光度比值。

1.2.6 胡椒淀粉长程有序性和相对结晶度 用XRD测定淀粉分子长程有序性和相对结晶度。将样品先进行水分平衡，用Cu-Kα铜靶（40 kV，20 mA）对淀粉进行了测定，扫描范围是4~40°，扫描速度是5°/min，步长为0.02°。得到的结果用MDI Jade 6.5软件进行处理，通过比较结晶峰下的面积与结晶区和非晶区的总面积来定量估算淀粉的相对结晶度。

1.2.7 糊化特性 按照先前的方法[12]，利用RVA对胡椒淀粉的糊化特性进行了分析。称取3.0 g样品加入铝罐与25.0 mL蒸馏水混合，前10 s以转速960 r/min分散样品，之后整个实验保持160 r/min。在50 ℃平衡1 min后，以6 ℃/min的速率升温至95 ℃，保持此温度糊化5 min，再以6 ℃/min的速率冷却至50 ℃，保持2 min。

1.2.8 凝胶质构测定 将RVA糊化后的2种胡椒淀粉样品在4 ℃保存24 h，用质构仪TPA模式分析。探头选择P/36 R圆柱形探头，数据采集率200 pps，测试前速度3.0 mm/s，测试速度2.0 mm/s，测试后速度5.0 mm/s，模式选择下压，测试类型为50%形变量，触发点载荷5.0 g。

1.2.9 胡椒淀粉热特性 用DSC测定胡椒淀粉的热特性，准确称取3.00 mg胡椒淀粉样品和6 μL蒸馏水置于铝坩埚中，压片密封，用空坩埚作为对照。温度范围25 ℃~110 ℃，升温速率10 ℃/min，氮气流速100 mL/min，记录升温曲线。

1.3 数据处理

每组实验重复3次，使用Origin 2021软件对数据处理绘图，IBM SPSS 26软件进行统计分析，选择独立样本t检验，显著水平为P˂0.05。

2 结果与分析

2.1 成分分析

如表1所示，黑胡椒淀粉和白胡椒淀粉的水分含量、蛋白质含量、脂肪含量、灰分含量分别为9.42%和8.92%、2. 81%和1.73%、0.24%和0.18%、0.56%和0.39%，蛋白质、脂肪和灰分含量均较低，淀粉含量分别为96.38%和97.70%（干基）。根据课题组前期试验结果[13]，表明用硫代硫酸钠提取胡椒淀粉的纯度达到高纯度淀粉标准。

表1 黑胡椒淀粉和白胡椒淀粉组成分析Tab. 1 Composition analysis of black and white pepper starches

白胡椒淀粉直链淀粉含量（24.21%）显著高于黑胡椒淀粉（19.78%）（P<0.05），这可能是由于2种胡椒的加工方式不同，胡椒外果皮中的淀粉可能支链淀粉含量更高，白胡椒去皮后导致直链淀粉含量比黑胡椒更高。但是，2种胡椒淀粉的直链淀粉含量均高于BHAT等[14]报道的黑胡椒直链淀粉含量（17.2%），产生差异的原因可以归因于产地、品种、成熟度和处理条件等。根据JULIANO[15]的分类，2种胡椒淀粉都具有典型的直链淀粉含量，与高直链淀粉（≥25%）相比，正常直链淀粉（<25%）通常具有更好的人体消化率，表明黑胡椒淀粉和白胡椒淀粉是一种优质的新型食用和非食用淀粉来源[16]。

2.2 胡椒淀粉的颗粒形态

黑胡椒和白胡椒淀粉的SEM如图1A~D所示，观察到2种淀粉结构较为相似，颗粒均呈现形状不规则，多面体，表面无孔隙。2种淀粉形态与JAN等[17]报道的藜麦淀粉颗粒多边形结构类似，淀粉颗粒形态的不同主要是生物来源、直链淀粉、支链淀粉及其结构的差异。

图1 黑胡椒淀粉和白胡椒淀粉颗粒形态Fig. 1 Scanning electron microscope morphology of black and white pepper starches

胡椒淀粉粒度分布结果如表2所示，其中黑胡椒淀粉粒径分布较宽，白胡椒淀粉的粒径分布[D(0.9)=4.83 μm]显著小于黑胡椒淀粉[D(0.9)=51.20 μm](P<0.05)，这可能是加工方式的不同，外果皮的淀粉粒径会更大，导致黑胡椒淀粉颗粒出现了粒度分布范围较大的现象。白胡椒淀粉的体积加权平均直径D [4, 3]和表面积加权平均直径D [3, 2]（4.83、3.70 μm）均显著高于黑胡椒淀粉（3.44、2.24 μm）（P<0.05），与大宗作物淀粉相比，2种胡椒淀粉的粒径远小于JAN等[17]报道的玉米淀粉（9.76 μm）。根据FALADE等[18]对淀粉颗粒大小的分类，胡椒淀粉属于小颗粒淀粉，比已知谷物中最小颗粒的大米淀粉平均粒径更小[8]，这种非常规作物小颗粒淀粉可以作为药物载体、可降解薄膜、化妆品辅料等，在食品和非食品领域具有广泛潜在应用前景。

表2 黑胡椒和白胡椒淀粉粒径分布Tab. 2 Particles size distribution of black and white pepper starches

2.3 胡椒淀粉的短程分子有序性

FTIR光谱常用来分析官能团的伸缩和弯曲振动，描述淀粉分子短程有序性。在图2黑胡椒淀粉和白胡椒淀粉的FTIR光谱中，2种淀粉都显示出几乎相似的条带，因为条带的出现主要是由于直链淀粉和支链淀粉的振动模式。A图是淀粉在4000~400 cm-1范围内的红外吸收光谱。本研究中胡椒淀粉在3900~3300 cm-1范围内表现出强的吸收峰，根据KONG等[19]报道3900~3300 cm-1范围内的宽带与氢键的存在以及羟基的分子内和分子间张力有关。2种胡椒淀粉在2930 cm-1处的峰值是C-H基团的对称伸展结果，1660 cm-1左右的吸收峰归因于胡椒淀粉的吸湿性，H-O-H弯曲振动代表水和无定形淀粉的分子间和分子内氢键（吸附或结合水）。特别在1155、1080和998 cm-1处，2种胡椒淀粉均表现出较强的C-O和C-C拉伸，并有一定的C-OH振动，这表明A型淀粉中存在较高密度的强氢键相互作用。

图2 黑胡椒淀粉和白胡椒淀粉FTIR红外光谱Fig. 2 FTIR spectroscopy of black and white pepper starch

图2B是1200~800 cm-1范围内去卷积的图，1047 cm-1和1022 cm-1处的吸光度分别对应淀粉的结晶区和无定形区，2种胡椒淀粉在1022 cm-1处有强的吸收峰，说明2种胡椒淀粉中无定形区比例高。直链淀粉存在于无定形区，这结果与前面胡椒淀粉直链淀粉含量结果（表1）相一致。根据ZHANG等[20]的报道，R1047/1022已被广泛用于研究淀粉样品的短程有序性，无定形部分的螺旋组织程度越高，半结晶片层中的晶体越有序，淀粉颗粒中的分子有序性就越高。本研究中黑胡椒的短程有序性（0.74）显著高于白胡椒淀粉（0.67），因此白胡椒淀粉比黑胡椒淀粉有更高的无定型区组织程度。2种胡椒淀粉的R1047/1022结果比WAN等[21]研究大米淀粉（0.92）小，与LI等[22]面包果种子淀粉（0.74）相似，表明2种胡椒淀粉具有较高的无定形区结构。此外，还计算了2种胡椒淀粉在998 cm-1和1022 cm-1处的吸光度之比R998/1022以表示其双螺旋程度，之前的研究表明支链淀粉中间链的比例与淀粉颗粒有序结构中的双螺旋数量之间存在相关性[23]，本研究中黑胡椒淀粉和白胡椒淀粉的双螺旋程度（R998/1022=1.45和1.48）与WANG等[24]报道的玉米淀粉（R998/1022=1.01）相比更高，表明2种胡椒淀粉双螺旋程度更高。

2.4 胡椒淀粉的长程有序结构

用XRD分析了长程有序性和相对结晶度，淀粉颗粒的结晶结构是由双螺旋堆积决定，如图3所示，观察到黑胡椒和白胡椒淀粉的特征衍射峰在2θ=15.3°和23.0°处有单峰，在2θ=17.2°和18.0°处有双峰，这些值表明黑胡椒淀粉和白胡椒淀粉为典型的A型淀粉结构。如表3所示，黑胡椒淀粉和白胡椒淀粉的相对结晶度分别为30.11%和34.21%，这与FTIR得到的短程有序性结果一致，说明不同的加工方式对胡椒淀粉中直链和支链淀粉含量有影响，进而对淀粉分子长程有序性和相对结晶度产生影响。本研究中2种胡椒淀粉的相对结晶度高于先前报道的藜麦淀粉、面包果淀粉、玉米淀粉（20.01%、17.20%、30.00%）[22,24-25]，这种差异可能是胡椒淀粉通过紧密堆积直链淀粉双螺旋来提高位于结晶层的双螺旋取向有序度，从而获得更高的相对结晶度。

图3 黑胡椒和白胡椒淀粉的XRD图谱Fig. 3 XRD spectra of black and white pepper starches

表3 黑胡椒淀粉和白胡椒淀粉分子短程有序性和相对结晶度Tab. 3 Molecular short-range order and relative crystallinity of black and white pepper starches

2.5 胡椒淀粉的糊化特性

用RVA分析了2种胡椒淀粉的糊化曲线如图4所示，淀粉的组成结构决定了其糊化特性，包括直链淀粉和支链淀粉的比例、淀粉颗粒的形态、大小和溶胀特性等方面的影响。由表4可知，白胡椒淀粉的峰值粘度（3074.00 cP）、谷值粘度（2615.67 cP）和最终粘度（3909.67 cP）均显著低于黑胡椒淀粉的峰值粘度（3596.00 cP）、谷值粘度（3151.67 cP）和最终粘度（4051.00 cP）（P<0.05）。根据SINGH的说法[25]，当达到糊化温度时，直链淀粉开始从无定型区域渗出，说明糊化过程中直链淀粉沉淀速率对峰值粘度、最终粘度和回生值有显著影响。与黑胡椒淀粉相比，白胡椒淀粉中非晶区直链淀粉含量高渗出更快，从而有较低的最终粘度和较高的回生值。本研究中直链淀粉含量高的白胡椒淀粉其水结合能力较低，具有抗膨胀、抗热断裂的能力。

图4 黑胡椒和白胡椒淀粉糊化曲线Fig. 4 Pasting propertiesof black and white pepper starches

表4 黑胡椒淀粉和白胡椒淀粉的糊化特性Tab. 4 Pasting properties of black and white pepper starches

2.6 胡椒淀粉的质构特性

质构特性对于淀粉在食品和非食品应用密切相关。由于质构分析容易且快速执行，测试结果可以使用糊化和凝胶质构来预测其他理化特性，TPA试验用来模拟口腔咀嚼过程。表5通过计算得到凝胶硬度、粘附性、胶粘性、内聚性和咀嚼性，白胡椒淀粉的硬度（1466.72 g）显著高于黑胡椒淀粉（1047.90 g）。ZHANG等[26]报道，直链淀粉双螺旋的结晶速度显著影响凝胶硬度。因此，较硬的白胡椒淀粉凝胶可能是由于其直链淀粉的回生速率高于黑胡椒淀粉所致。LI等[10]研究的面包果淀粉中也得到凝胶硬度更高的样品双螺旋结晶速度快。白胡椒淀粉的粘附性（-58.37 g·sec）显著小于黑胡椒淀粉的粘附性（-5.08 g·sec），归因于非晶区直链淀粉的快速回生导致晶片和非晶片之间的密度较高，从而降低了凝胶的粘附性。WU等[27]研究发现直链淀粉含量与凝胶质构高度相关，本试验结果也表明短期回生主要由直链淀粉含量决定，这与前面结果中白胡椒淀粉的直链淀粉含量高和糊化特性温度高相吻合。

表5 黑胡椒和白胡椒淀粉的凝胶质构分析Tab. 5 Textural and thermal analysis of black and white pepper starches

2.7 胡椒淀粉的热特性

用DSC测定了淀粉凝胶的To、Tp、Tc和ΔH的值，以研究淀粉微晶从有序到无序状态或熔化的转变程度[28]。如图5和表6所示，黑胡椒和白胡椒淀粉To，Tp、Tc和ΔH分别为78.43和77.35 ℃、82.57和85.03 ℃、90.99和92.05 ℃、12.26和15.80 J/g。淀粉玻璃化转变温度的变化代表了多种因素的相互作用，包括直链淀粉和支链淀粉的比例、淀粉颗粒的结构、结晶度以及长和短分子有序性，其中直链淀粉对淀粉的凝胶峰值温度（Tp）有显著影响[29]。本研究中由于白胡椒直链淀粉含量显著高于黑胡椒淀粉，因此白胡椒淀粉峰值温度（85.03 ℃）显著高于黑胡椒淀粉（82.57 ℃），直链淀粉抑制了淀粉的糊化。淀粉凝胶焓值高，结晶度越明显，有序双螺旋数目越多，需要更多的能量打破淀粉分子间的键，本研究中白胡椒淀粉的凝胶焓值（12.26 J/g）显著小于黑胡椒淀粉（15.80 J/g），因此表明白胡椒淀粉具有更多的双螺旋数量。本研究中胡椒淀粉的凝胶温度与GOVINDARAJU等[30]报道的大米淀粉凝胶峰值温度（79.41 ℃）的结果类似。

图5 黑胡椒和白胡椒淀粉DSC曲线Fig. 5 DSC curve of black and white pepper starches

表6 黑胡椒和白胡椒淀粉的热特性分析Tab. 6 Textural and thermal analysis of black and white pepper starches

3 讨论

由于胡椒中含有大量淀粉，在胡椒果实干重中占比20%~50%，作为胡椒中的主要成分，有助于提升胡椒中胡椒碱等活性成分的食用营养品质。本研究采用硫代硫酸钠法提取了2种加工方式生产的胡椒淀粉，因为胡椒淀粉颗粒小，酶法提取会导致水解的部分杂质与淀粉难以分离，影响胡椒淀粉的得率和纯度，综合选用了弱碱性的硫代硫酸钠，并对胡椒淀粉结构和理化特性进行了探究。

结果发现，硫代硫酸钠法提取的胡椒淀粉中干基总淀粉达到96.38%~97.70%，其余杂质少，达到高纯度淀粉。在粒径方面，2种胡椒淀粉体积加权平均直径为3.44~4.83 μm，属于小颗粒淀粉，形状为不规则多边形，黑胡椒淀粉和白胡椒淀粉均为A型淀粉。白胡椒淀粉的直链淀粉含量、粒度分布、回生值、凝胶硬度和凝胶焓值均显著高于黑胡椒淀粉，而峰值粘度、终值粘度、崩解值和粘附性显著小于黑胡椒淀粉（P˂0.05）。以上结果表明，白胡椒淀粉具有更高的直链淀粉含量和短程有序性，结构对淀粉的糊化和凝胶质构特性至关重要，因此白胡椒淀粉具有较强的分子间相互作用力和凝胶性能，有利于糊化淀粉短期回生时的再结晶，从而获得更高的回生值。

这些研究结果可为胡椒淀粉作为一种非常规作物小颗粒淀粉在食品和非食品领域的潜在利用价值提供理论依据。本研究中2种加工方式得到的胡椒淀粉主要在于有无外果皮，发现去皮前后胡椒淀粉中直链淀粉含量有显著区别，接下来我们将在此基础上继续探究胡椒颗粒外表皮中淀粉的性质与结构，以期为胡椒的深加工和综合利用提供技术支撑。