疣柄魔芋淀粉理化及功能性质研究

2016-12-26 06:21孟凡冰熊家艳张仁龙张晨曦
中国粮油学报 2016年4期
关键词:木薯魔芋凝胶

孟凡冰 蒋 勇 熊家艳 张仁龙 张晨曦 钟 耕

(西南大学食品科学学院,重庆 400715)(重庆西大魔芋科技开发有限公司,重庆 400700)(万源金桥魔芋开发有限责任公司,万源 636450)

疣柄魔芋淀粉理化及功能性质研究

孟凡冰1, 2蒋 勇1熊家艳1张仁龙3张晨曦1钟 耕1

(西南大学食品科学学院,重庆 400715)(重庆西大魔芋科技开发有限公司,重庆 400700)(万源金桥魔芋开发有限责任公司,万源 636450)

为了探索一种新的淀粉资源,对疣柄魔芋淀粉的性质进行了研究。通过电子显微镜、激光粒度分析、X-衍射分析、红外光谱分析等分析手段,并以玉米淀粉和木薯淀粉进为比较,结果显示:疣柄魔芋淀粉淀粉颗粒呈多面体形,棱角较尖锐突出;其粒径小于木薯淀粉和玉米淀粉;结晶型为A-型,相对结晶度为37.4%;红外光谱吸收峰、吸收强度与木薯淀粉和玉米淀粉基本相同;凝胶强度、糊化起始温度和糊化热焓高于木薯淀粉和玉米淀粉;且其抗酶解性优于木薯淀粉和玉米淀粉。因此,疣柄魔芋淀粉是一种潜在的可被开发为抗性淀粉的新资源淀粉。

疣柄魔芋淀粉 玉米淀粉 木薯淀粉 理化性质 功能性质

淀粉是仅次于纤维素的第二大资源,需求量巨大,已经被应用于各个行业。淀粉属于高分子聚合物,来源不同的淀粉结构千差万别,从而其性质也存在较大不同。性质的差异决定了淀粉应用的特异性,因而研究者一直致力于开发不同来源的淀粉,寻求新资源淀粉一直是淀粉研究领域的热点。

魔芋属(Amorphophallus)为天南星科多年生草本植物。魔芋属有100多种,可分为3种类型:葡甘聚糖型,如花魔芋、白魔芋等;淀粉型,如疣柄魔芋、甜魔芋及南蛇棒;介于两者之间的中间型,如攸乐魔芋、西盟魔芋[1-2]。疣柄魔芋资源分布广泛,例如越南、泰国、老挝、缅甸、印度、孟加拉国、马来西亚及我国的云南、广西、广东、海南、香港等地区均有分布,是一种可开发利用的天然野生植物资源。张盛林等[3]报道了鸡爪芋(即疣柄魔芋)含淀粉77%,且不含葡甘聚糖。目前,国内外鲜见关于疣柄魔芋淀粉研究的详细报道,基本都集中在研究疣柄魔芋的有机溶剂提取物及其生理作用方向,例如护肝[4]、镇痛[5]、清除肠道寄生虫[6]等。本试验以玉米和木薯淀粉作为对照,对疣柄魔芋淀粉的性质进行了研究,以期为疣柄魔芋的深加工利用和疣柄魔芋淀粉的应用提供一定的理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

疣柄魔芋淀粉:参照翟琨等[7]的方法提取;木薯淀粉:云南红河红枫农业开发有限公司;玉米淀粉:西安国维淀粉有限责任公司。其他试剂均为分析纯:成都市科龙化工试剂厂。

1.2 仪器与设备

5810型台式高速离心机:德国Eppendorf公司;UV-2450紫外可见分光光度计:日本Shimadzu公司;A-Vatar360型傅里叶红外光谱分析仪,DSC4000差示量热扫描仪:美国Perkin Elmer公司;S-300N扫描电镜:日本尼康公司;XRD-6000X射线衍射仪:日本Shimadzu公司;Mastersizer-2000激光粒度仪:英国Malvern公司;DHR-1流变仪:美国TA公司;MVAG803202黏度仪:德国Brabender GmbH公司。

1.3 方法

1.3.1 淀粉化学组成测定

淀粉含量测定GB/T 5009.9—2008;灰分含量测定GB/T 5009.3—2010;蛋白质含量测定GB/T 5009.5—2010;含水量测定GB/T 5009.10—2003;粗脂肪含量测定GB/T 5512—2008;直链淀粉含量测定GB/T 15683—2008/ISO 6647-1∶2007。

1.3.2 淀粉的扫描电镜观察

采用扫描电镜对淀粉的颗粒形态及表面结构进行研究。将干燥的淀粉样品均匀涂于固定于载样器的双面胶上,洗耳球吹去多余淀粉,离子溅射喷金后20 min,将载样器置于扫描电镜中,加速电压为15 kV,在不同放大倍数下观察拍照[8]。

1.3.3 淀粉的粒度分布测定

以蒸馏水为分散剂,配置1%(W/V)的淀粉悬浮液,在涡旋混合器上振荡,使淀粉颗粒均匀分散。将样液移入加有蒸馏水的仪器分散槽中,并调节遮光度为15%~20%,采用激光测粒仪测试淀粉粒度范围及分布[9]。

1.3.4 淀粉的X-射线衍射试验

将淀粉样品进行充分干燥,在测定室中放置过夜,采用XRD-6000 X-射线衍射仪对其进行分析。测定参数为:采用Cu靶、石墨单色器,扫描范围为2=4°~70°,管压为40 kV,电流为30 mA,扫描速度为4(°)/min。步宽0.02°[10]。

1.3.5 淀粉的红外光谱分析

采用红外光谱仪进行测定,将待测淀粉和KBr在105 ℃分别干燥2 h,按淀粉∶KBr为1∶50比例混匀,研磨均匀,压片后置于红外光谱仪上测定。测定系数为:扫描波数范围为4 000~400 cm-1,分辨率为4 cm-1[11]。

为了实现边界地区夜间无人值守对非法越界人的智能监测,论文提出首先使用混合高斯背景建模提取前景图像并裁剪目标区域,减少HOG特征提取的计算复杂度,提高了算法的速度。进而通过STC跟踪算法得出的目标运动轨迹,根据提出的轨迹判别方法,完成对目标的二次判断达到正确监测出越界人的目的。论文虽然提高了夜间越界人自动智能识别算法的速度和精度,但是精度还是不够高,后续工作将结合深度学习算法提高算法的精度。

1.3.6 淀粉的凝胶强度测定

称取一定量的淀粉样品放入50 mL烧杯中,配置成质量分数为6%(W/W,以干基计)的淀粉乳,于磁力搅拌器上水化30 min,转速为500 r/min,后于沸水中加热糊化15 min,并适当搅拌,冷却至室温,于4 ℃的冰箱中冷藏,24、72 h后取出放置至室温,采用物性测试仪对其凝胶特性进行分析。测定参数为:探头TA5,测前速度2.0 mm/s,测试速度1.0 mm/s,返回速度1.0 mm/s,下压距离20 mm,触发力2.0 g,每个样品重复压2次[12]。

1.3.7 淀粉的布拉班德黏度测定

称取一定量的淀粉,以14%含水量为标准水分含量,调整淀粉用量,配制成质量分数为6%的淀粉乳。测定参数为:转速250 r/min,测试范围700 cmg,黏度单位BU。过程设定:从35 ℃开始计时,以1.5 ℃/min的速率升温至95 ℃,95 ℃保温30 min,再以1.5 ℃/min的速度降温至50 ℃,在50 ℃保温30 min[13]。

1.3.8 淀粉的DSC 差热分析

准确称取5 mg干燥的淀粉样品于铝制样品盘中,用微量移液器加入10 μL去离子水,上盖密封,放置于室温下平衡1~2 h。操作参数:加热范围20~120 ℃,加热速率 10 ℃/min。记录淀粉的糊化起始温度(To)、糊化峰值温度(Tp)、糊化结束温度(Tc)和糊化焓值(ΔH)[14-15]。

1.3.9 淀粉的抗酶解性测定

称取淀粉0.2 g于50 mL的烧杯中,加入2 mL 5%的淀粉酶、20 mL蒸馏水,39 ℃水浴90 min,不断搅拌。加l mol/L HCl 1 mL,定容至50 mL,摇匀后过滤,滤液稀释至6倍,取0.5 mL稀释液和0.5 mL DNS于比色管中,沸水浴5 min,迅速冷却,再加10 mL蒸馏水,在540 nm波长下测定吸光值,以蒸馏水做空白。用每克淀粉的吸光值表示酶解力[16]。

1.4 数据处理方法

测定结果以平均值±标准差表示,使用Excel、SPSS进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 淀粉的化学成分分析

由表1可看出,疣柄魔芋淀粉的蛋白质含量明显高于木薯淀粉和玉米淀粉,与翟琨等[7]在研究魔芋淀粉的理化性质时所得出的结果基本一致,可能是由于在大量提取疣柄魔芋淀粉时,在离心或者自然沉降的过程中,有微量的蛋白质与淀粉分子吸附在一起而共同沉降,因此,魔芋淀粉中的蛋白质分离应重点关注。3种淀粉的水分含量不存在显著性差异。玉米淀粉中的粗脂肪含量最高,木薯和魔芋淀粉次之。疣柄魔芋淀粉的灰分含量略高于木薯淀粉和玉米淀粉,但3种样品的各基本化学成分都在适宜范围内,不会对淀粉的性质造成影响。疣柄魔芋淀粉的总淀粉质量分数在85%(湿基)以上,结合其他成分指标可知所提取的疣柄魔芋淀粉纯度较高。

表1 淀粉的主要化学成分/%

注:同一列上标字母相同表示数据在5%水平没有显著差异,不同表示有差异,试验次数n=3,余同。

从表1中还可得出,疣柄魔芋淀粉的直链淀粉含量高于玉米淀粉、木薯淀粉,这可能与淀粉的来源和品种有关。淀粉的直链淀粉含量会直接影响淀粉某些方面的性质,例如淀粉糊化特性、溶解性及抗酶解作用等,进而影响淀粉的各项加工性能[17]。

2.2 扫描电镜观察

图1分别展示了疣柄魔芋淀粉在放大1 000、2 000、3 000倍下的颗粒形态和表面结构。从图1中可以看出,疣柄魔芋淀粉颗粒的典型颗粒形貌主要呈无规则多面体形,有少量的近圆球形,前者棱角比较尖锐突出,部分颗粒有1个多边形面较平滑,而其余各面都是比较平整的多边形平面。王绍清等[18]在用扫描电镜分析常见的食用淀粉颗粒超微形貌时,总结出木薯淀粉的颗粒形态为半球体颗粒或多面体锥形,而玉米淀粉的颗粒形态为多面体形,但棱角圆滑,颗粒表面略有凹凸不平。由此可知,疣柄魔芋淀粉的颗粒形貌与木薯、玉米淀粉均不同。

图1 疣柄魔芋淀粉的扫描电镜观察图

2.3 淀粉的粒度分布

由表2可知,疣柄魔芋淀粉颗粒的体积平均粒径、比表面积、中值粒径,均小于木薯淀粉和玉米淀粉,3种淀粉的颗粒大小为:疣柄魔芋淀粉<木薯淀粉<玉米淀粉。

表2 淀粉的粒度分布特征量

注:D(0.1)-粒径小于该直径的颗粒占10%;D(0.5)-粒径小于该直径的颗粒占50%;D(0.9)-粒径小于该直径的颗粒占90%。

由表3可知,疣柄魔芋淀粉的颗粒粒径主要分布在0~20 μm范围内,所占比例为95.72%,余下比例的颗粒其粒径全部分布在20~45 μm的范围内。木薯淀粉、玉米淀粉中分别有89.54%和81.96%的颗粒,其粒径分布在0~45 μm的范围内。因此可知,疣柄魔芋淀粉的颗粒粒径分布较为集中。研究表明,淀粉的物化性质如膨胀力、透光率等与淀粉颗粒大小有关,研究淀粉颗粒大小对探究淀粉间性质差异具有实际意义。

表3 淀粉颗粒的粒度分布范围/%

2.4 X-射线衍射试验

淀粉颗粒结构包括结晶区和无定形,根据X-射线衍射(XRD)波谱,淀粉结晶形态主要分为3种:A-型、B-型、C-型。具有A-型结晶形态的淀粉属高结晶淀粉,主要存在于禾谷类作物的种子;具有B-型结晶形态的淀粉属弱结晶型淀粉,主要存在于植物块茎的种子;C-型结晶形态兼具前两者特征,主要存在于薯蓣类植物的根状茎和豆类作物种子中[19]。疣柄魔芋淀粉的晶型为A-型,且3个峰的位置分别位于15.2°、17.5°、23.2°,与木薯淀粉、玉米淀粉的晶体形态相似。疣柄魔芋淀粉的相对结晶度为37.5%,略高于玉米淀粉(36%)和木薯淀粉(37%)。

图2 淀粉颗粒的X-射线衍射图

2.5 红外光谱分析

图3为疣柄魔芋淀粉与木薯淀粉、玉米淀粉的红外光谱图,图3中显示了3种淀粉的特征吸收峰。对比发现,疣柄魔芋淀粉的红外光谱图中的特征吸收峰及其峰强度与木薯淀粉、玉米淀粉基本相同。其中在3 350~3 450 cm-1波数范围内的宽峰为淀粉葡萄糖单元上—OH的伸缩振动峰,2 935 cm-1附近出现的一个较强峰为饱和C—H的伸缩振动吸收峰,1 638 cm-1处为烯醇式羰基振动吸收峰,1 350~1 450 cm-1范围之间的峰为C—H的弯曲振动吸收峰,1 160 cm-1附近、1 182 cm-1附近及1 020 cm-1处的吸收峰属于脱水葡萄糖单元的C—O伸缩振动吸收峰,此外578、655、763 cm-1附近均可见淀粉中葡萄糖单元环状结构特征吸收峰,可见疣柄魔芋淀粉的红外光谱图属于典型的淀粉红外光谱图[20],其淀粉分子也主要由O—H、C—H构成,且另含有伯、仲醇羟基的a-D吡喃环等特征结构。

图3 淀粉红外光谱图(4 000~400 cm-1)

2.6 淀粉的凝胶强度测定

表4反映了3种淀粉的凝胶性质及放置24、72 h后凝胶性质变化的情况。可以看出,疣柄魔芋淀粉凝胶的硬度、黏性、弹性、内聚性、咀嚼性各项值均最大,而玉米淀粉凝胶的硬度、黏性、弹性、咀嚼性各值略大于木薯淀粉,木薯淀粉凝胶的内聚性值大于玉米淀粉凝胶。在放置72 h后,疣柄魔芋淀粉凝胶的硬度、黏性、弹性、咀嚼性各值显著增大,而内聚性值降低;玉米淀粉凝胶性质变化趋势与疣柄魔芋淀粉类似,但各指标的绝对值低于疣柄魔芋淀粉,且硬度值增幅不明显;木薯淀粉凝胶除内聚性、咀嚼性外,各指标变化趋势与前两者相同,且硬度值增大较为明显,绝对数值超过玉米淀粉。

表4 淀粉放置24 h与72 h后的凝胶质构特征值

淀粉凝胶性质不仅与淀粉浓度有关,且与淀粉颗粒结构、支/直链淀粉比例[21]、支、直链淀粉与淀粉颗粒的相互作用[22]、加热条件(温度、时间、加热速度、搅拌力)等因素相关[23]。疣柄魔芋淀粉与木薯、玉米淀粉在相同贮存条件下放置后表现出不同的凝胶性质,且随着放置时间的延长,淀粉凝胶的老化程度也有差异,这可能与淀粉组成、分子结构、形态等相关。

2.7 布拉班德黏度测定

由图4、表5可得,疣柄魔芋淀粉的起始糊化温度为77.8 ℃,高于玉米淀粉、木薯淀粉,即表明疣柄魔芋淀粉更不易糊化。起始糊化温度的高低受多种因素的影响,通常情况下,直链淀粉含量愈高、结晶度愈高、淀粉晶体结构愈紧密,晶体溶解所需热量也愈大,糊化温度也相应升高[24]。

图4 淀粉的布拉班德黏度曲线图

样品A/℃B/BUC/BUD/BU魔芋淀粉77.8±1.2a209±2.1b166±0.7a97±1.0a木薯淀粉60.4±1.5b258±0.9a125±2.7b88±1.4b玉米淀粉77.3±0.9a133±1.8c118±1.1c73±0.5c样品E/bUF/bUb-D/bUE-D/bU魔芋淀粉194±4.3a171±0.9a112±1.1b97±3.3a木薯淀粉180±2.1b162±3.7b170±0.5a92±0.7b玉米淀粉150±1.0c134±2.2c60±1.3c77±0.5c

注:A为起始糊化温度;B为峰值黏度;C为95 ℃开始保温时的黏度;D为5 ℃保温结束后的黏度;E为50 ℃开始保温时的黏度;F为50 ℃保温结束后的黏度;B-D为崩解值;E为D-回生值。

B值代表峰值黏度,疣柄魔芋淀粉的峰值黏度低于木薯淀粉,高于玉米淀粉。可能与淀粉中直链淀粉含量[25]、淀粉中长支链比例、磷脂含量有关,淀粉的峰值黏度越低,加工中所需的机械搅拌力也越小,且流动性好,便于输送。疣柄魔芋淀粉的峰值黏度不高,这有利于在食品加工中的应用。

B-D值为崩解值,反映淀粉糊的热稳定性,即淀粉糊在持续高温下耐剪切的能力,变化小则淀粉糊的热稳定性较高。疣柄魔芋淀粉的崩解值为112 BU,低于木薯淀粉、高于玉米淀粉,说明疣柄魔芋淀粉的热稳定性介于木薯淀粉与玉米淀粉之间。

E-D值为回生值,反映淀粉糊的老化或回生的程度,亦可表示冷却时形成凝胶的能力,值大则形成凝胶能力强,且易老化。疣柄魔芋淀粉的回生值为97 BU,分别大于木薯淀粉、玉米淀粉,表明疣柄魔芋淀粉在冷却保温阶段的黏度上升高,凝沉性强,更易老化。

2.8 DSC 差热分析

由表6可知,疣柄魔芋淀粉的糊化热焓为分别为11.156 J/g,高于木薯淀粉和玉米淀粉,糊化温度范围14.4 ℃。这种差异,是因为淀粉糊化为吸热反应,所吸收的热能主要用于淀粉晶体的熔解、颗粒的膨胀和直链淀粉分子从淀粉颗粒中的释放,不同来源淀粉的膨胀速度和直链淀粉溶解速度、及支/直链淀粉比例存在着差异[14]。疣柄魔芋淀粉的吸热焓最大,说明疣柄魔芋淀粉在加工过程中破环分子结构需要消耗的能量较高。

图5 淀粉的DSC图谱

样品To/℃Tp/℃Tc/℃ΔH/(J/g)Tc-To/℃疣柄魔芋淀粉74.27±1.23a80.90±1.05a88.67±2.12a11.156±0.916a14.40±2.009c木薯淀粉56.49±0.92c67.22±1.33b80.12±1.10b6.507±0.512c23.63±1.294a玉米淀粉60.69±1.16b69.62±0.72b79.68±0.88b9.083±1.247b18.99±0.751b

注:To为糊化起始温度;Tp为糊化峰值温;Tc为糊化峰值温度;ΔH为糊化焓值;Tc-To为糊化温度范围。

2.9 淀粉的抗酶解性测定

酶解性用每克淀粉的吸光值表示,吸光值越大,α-淀粉酶对淀粉的酶解作用就越强,反之淀粉的抗酶解性就越差。经过检测分析,疣柄魔芋淀粉、木薯淀粉和玉米淀粉的酶解性分别为0.150±0.010c、0.299±0.015a和0.234±0.009b,因此,疣柄魔芋淀粉的抗酶解性优于玉米淀粉和木薯淀粉。研究发现,直链淀粉是以紧密的双螺旋结构存在于淀粉颗粒中,而支链淀粉主要是其外链通过微晶束形成淀粉的骨架,晶体结构较为松弛,易被水解[26]。而疣柄魔芋淀粉直链淀粉含量高于玉米淀粉、木薯淀粉,晶体度也较高,故可能使其抗酶解能力较强,可望用于开发抗性淀粉。

3 结论

疣柄魔芋淀粉基本成分均在适宜范围内,直链淀粉含量稍高于木薯淀粉、玉米淀粉;其颗粒形态呈多面体形;颗粒小于木薯淀粉和玉米淀粉;晶型为A-型,相对结晶度37.4°%;疣柄魔芋淀粉与木薯淀粉和玉米淀粉的红外光谱吸收峰、吸收强度基本相同;其凝胶的硬度、黏性、弹性、内聚性、咀嚼性各项值均较大;起始糊化温度高于玉米淀粉、木薯淀粉,峰值黏度和崩解值介于木薯淀粉与玉米淀粉之间,回生值大于木薯淀粉、玉米淀粉,早期老化作用明显;糊化热焓高于木薯淀粉和玉米淀粉;抗酶解性大于玉米淀粉和木薯淀粉,因此可考虑将其用作粉丝加工与抗性淀粉制备的原料。本试验对疣柄魔芋淀粉的性质进行了系统全面的研究,为今后疣柄魔芋淀粉新资源的开发提供了一定的理论参考。

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The Study on Physicochemical and Functional Properties of Elephant Yam Starch

Meng Fanbing1,2Jiang Yong1Xiong Jiayan1Zhang Renlong3Zhang Chenxi1Zhong Geng1

(College of Food Science, Southwest University1, Chongqing 400715)(Chongqing Southwestern University Science and Technology Development Co., Ltd.2, Chongqing 400700)(Wanyuan Konjac Jinqiao Development Co., Ltd.3,Wanyuan 636450)

In order to explore a new starch resource, the character of elephant yam starch was studied in this paper. The electron microscope, laser particle size analyzer, X-diffraction analyzer, infrared spectrum analyzer, and so on which were used to evaluate the characteristics of the starch, and the corn starch and cassava starch were served as control. The results indicated that elephant yam starch had a polyhedron shape with sharp and protruding edges, smaller than corn and cassava starch, and the starch displayed an A-type and had a relative crystallinity of 37.4%. The IR absorption peaks and absorption intensity were similar to corn and cassava starch. The gel strength, pasting temperature and anti-enzymatic hydrolysis ability of the starch was higher than that of corn and cassava starch. And the enzymatic hydrolysis resistance was better than cassava starch and corn starch. The above results suggested that the elephant yam starch could be exploited as a new potential starch resource.

Elephant yam starch, corn starch, cassava starch, physicochemical properties, functional properties

TS231

A

1003-0174(2016)04-0041-06

重庆市前沿与应用基础研究(cstc2014jcyj A80040),四川省重大产业技术创新专项 (2013DZWY225)

2014-08-23

孟凡冰,女,1985年出生,博士,现代食品加工理论与技术

钟耕,男,1964年出生,教授,粮油食品加工及天然产物开发

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魔芋产业化,打开致富新大门
“冻结的烟”——气凝胶
柬埔寨拜灵木薯喜获大丰收,市场价格保持稳定
魔芋优质高产栽培管理技术研究
挖木薯
尼日利亚木薯农民合作联盟签署协议促进木薯生产