一、药食同源物质的概念


药食同源亦称食药同源或药食两用,为了规范食品与保健食品行业,官方对药食同源物质的范围做出限定。药食同源物质是指在传统医学中既具有药用价值又可作为食物使用的天然物质,其经过特定的加工和制备工艺后,可直接食用或作为食品配料使用,且需列入《中华人民共和国药典》。

目前,国务院卫生行政部门(国家卫生健康委员会)共发布了5批《既是食品又是中药材的物质目录》(见下表)。根据国家卫生健康委员会的定义,食药物质是指传统上作为食品食用,并列入《中华人民共和国药典》的物质,且需满足以下条件:①有传统食用习惯;②已列入《中国药典》;③安全性评估未发现食品安全问题;④符合中药材资源保护、野生动植物保护、生态保护等相关法律法规规定。管理政策的出台旨在协调这类物质因双重身份带来的监管问题,进一步规范和推动其应用与发展。

表.药食同源中药材变革目录

(1)药食同源物质的分类

对药食同源物质进行分类时,可以根据其来源进行分类,来自于植物相同部位的药食同源物质,在营养成分上具有较高的相似度,因而在营养指标的选择上也可以互相借鉴参考。 
  • 根茎类药食同源物质:药食同源物质中有多个品种来源于植物的根茎部分如山药、葛根、西洋参、甘草、百合、黄精等。植物的根部是其储存营养的重要部位,根据药食同源物质现有的营养成分研究,根茎类部位含量较高的营养成分为多糖与蛋白质。

  • 果实类药食同源物质:可根据主要用途简单分为两类。一类是黑胡椒、花椒、小茴香、草果、砂仁等品种,具有浓烈的芳香气息,一般多作为调味料使用。对于此类辛香调味料,国内外的食品标准都较为健全,挥发油是其主要营养性成分指标。另一类是山楂、枸杞子、沙棘、覆盆子、山茱萸等,从产品而言,这些品种主要被开发为果干、代茶饮、果酒、复合饮品,其甜度对最终的产品有着较大的影响。果实中主要营养成分为多糖,如枸杞子中的枸杞多糖,且枸杞多糖也是枸杞子的主要药效成分,具有增强免疫力在内的多种药理作用。因此在此类物质的营养性评价中,可以针对多糖建立评价指标。

  • 花叶类药食同源物质:营养成分的研究表明桑叶和金银花的蛋白质含量丰富,菊花的营养性成分中,除了多糖外,可溶性蛋白与氨基酸的含量也非常可观,而荷叶的多糖与黄酮类成分则格外突出。 因此,在花叶的营养指标选择中,蛋白质与黄酮类成分是较优的候选评价指标。

  • 种子类药食同源物质:种子中的主体营养成分主要为高油脂类和高蛋白类。在药食同源物质中,紫苏籽油脂类物质含量占其干重的 47.89%,杏仁与桃仁的质量分数均超过 45%,白果、火麻仁、薏苡仁、酸枣仁中也富含大量油脂。因此针对大部分种子类药食同源物质,可以采用油脂含量作为其营养价值的评价指标。蛋白质也是种子中重要的一类成分,刀豆中粗蛋白平均质量分数为 33.47%,白扁豆蛋白含量占其干重的 18% – 25%。针对这部分药食同源物质,可以选择蛋白质作为其营养性指标。

  • 茎叶类药食同源物质:多以地上全草作为使用部位,但不同品种之间差别较大,它们所含有的主要营养成分相似度较低。例如,小蓟中含量最高的营养性成分为蛋白质,而蒲公英中则是多糖,马齿苋中则主要是维生素,香薷、鱼腥草、紫苏和藿香中则以挥发油为主。因此对于此类药食同源物质,不能简单地使用一类营养物质来判断其营养价值,而是应针对不同品种的特点,选择合适的指标。

  • 此外,还有一些药食同源物质虽然来源不同,但可以根据其特点组成一个类别。如橘皮、肉桂、小茴香、白芷等,虽然植物来源不同,但均作为香辛调味料使用,因此可以选择挥发油作为其主要营养性指标。而像乌梢蛇、阿胶等动物来源的品种,则应以蛋白质为主。

上述分类只是一个基础的分类,在实际应用中,仍需对药食同源物质的营养成分进行检测,并结合其主要食用方式来确定合适的营养指标。

(2)药食同源的原料与产品

药食同源原料指既是食品又是药品的物质或原辅材料,包括药食同源植物、动物或提取物等,如虾青素、胶原蛋白及γ-氨基丁酸等。药食同源产品指以药食同源原料作为主要原料制成的普通/保健食品等,具有营养保健功能,产品功能声称须遵守国家食品、卫生行政部门的规定。
药食同源原料在传统中药和现代中成药中应用广泛,广义的药食同源产品包括中成药、功能食品、特医食品等各种药食同源物质衍生产品(见下图)。狭义的药食同源产品通常指以药食两用中药为原料制备的特医食品、保健食品、功能食品及休闲食品等,通常不包括药品,现阶段我国市场消费的滋补品、代用茶、药膳及食品添加剂等均可纳入药食同源产品。

图.药食同源产品。

(3)药食同源的研究热点

目前药食同源性物质的研究热点主要集中在以下几个方面:

  • 药食同源物质的生物活性成分研究:研究表明,多糖、多酚、挥发油、皂苷等生物活性成分,对健康有积极作用。

  • 抗疲劳活性研究表明,从板栗果酒中提取的多糖CFWP-1和CFWP-2具有良好的抗疲劳效果,可以显著提高小鼠血清中超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶的活性,降低乳酸脱氢酶、血清尿素氮、血乳酸、丙二醛和肌酸激酶的水平,增加糖原储存水平,对小鼠骨骼肌有良好的保护作用。

  • 药食同源植物中酚类、萜类、多糖、生物碱、脂质等有效化学成分的合成调控途径,关于了其细胞器基因组学的研究进展,并发现在药食同源植物中,有效化学成分合成途径的候选基因可通过模式植物转化体系进行功能验证。

  • 药食同源理念在日常健康管理中的应用:药食同源理念在日常健康管理中的应用与实践,探索了药食同源的理论知识、食疗应用及现代发展趋势。




二、药食同源物质的检测


药食同源物质在种植过程中易受病虫害侵袭,为保证产量和质量,生产中常使用化学农药进行防治。这导致农药残留成为其潜在风险之一。同时,由于生长环境(土壤、水、空气)污染、采收后加工及储存不当等因素,药食同源物质还可能受到重金属、二氧化硫残留、真菌毒素、致病微生物及其他环境污染物等外源性有毒有害物质的污染。因此,需重点关注这些外源性有毒有害物质的残留水平。
目前,质谱技术 [气相色谱-质谱联用(GC-MS)、液相色谱-质谱联用(LC-MS)] 已成为检测农药残留的主流方法。质谱技术具有极高的定性和定量检测能力,能够实现对复杂样品中多种农药残留的精准分析。
(1)气相色谱与质谱联用技术(GC-MS)

GC-MS在检测挥发性和疏水性化合物方面有独特优势,广泛用于有机氯类、拟除虫菊酯类和部分低极性有机磷农药的残留检测。该技术结合了气相色谱的高分离性能和质谱的高鉴别性能,具备灵敏度高、抗干扰能力强、定性准确等特点。此外,气相色谱与质谱联用技术不仅在单类型的农药检测中表现出色,也适用于农药多残留分析。王莹等则基于GC-MS/MS技术,优化了对提取溶剂、净化方法及色谱质谱条件,建立了对192种农药残留的快速筛查方法。张艳峰等优化了QuEChERS预处理方法,应用多反应监测模式进行GC-MS/MS检测,成功实现了对花椒中115种农药残留的快速分析,证实了GC-MS/MS在多种农药检测中的优越性。GC-MS/MS通过不断优化检测方法,已成为农药残留检测中高效、可靠的工具,具有广泛的应用前景和重要的实际意义。
(2)液相色谱与质谱联用技术(LC-MS)

LC-MS结合了液相色谱和质谱两种分析方法,在农药残留分析中具有显著优势,特别是对高极性、热不稳定、高沸点、非挥发性物质的分析,广泛用于有机磷农药、氨基甲酸酯类农药及农药多残留分析。HPLC-MS/MS技术的应用使农药残留检测的检测限达到ng/g,可进行二级质谱分析,具有高灵敏、高选择和较强的抗干扰力,能够对样品中的目标化合物进行准确定量和鉴定。

总而言之,LC-MS技术凭借其高灵敏度、高选择性和低检测限,已在药食同源中药材中的应用展示了显著优势。通过结合先进的样品前处理方法,如分散固相萃取和QuEChERS,能够实现多种农药残留的同时检测与精准定量。这不仅提高了分析效率,还满足了复杂样品中低浓度农药残留的检测需求,推动了该领域的技术进步与应用发展。




三、文献分享


山药(Dioscorea opposita Thunb.)发芽过程中芽组成和淀粉特性的变化
期刊名称:International Journal of Biological Macromolecules
影响因子:8.5
DOI:https:///10.1016/j.ijbiomac.2025.144055

1.研究内容
山药块茎以其营养和药用特性而闻名。然而,发芽对其芽苗成分和淀粉特性的影响尚不清楚。本研究考察了山药芽苗在发芽过程中的理化变化,并分析了山药淀粉的结构、理化性质和消化性。发芽显著增加了山药芽苗的营养成分,氨基酸、酚类化合物含量,尤其是在发芽16天和24天时。与未发芽样品相比,发芽的淀粉样品具有较低的A链和B1链、储能模量、短程有序度,以及较高的B3链、直链淀粉含量、相对结晶度和抗性淀粉水平。此外,发芽淀粉的XRD峰(15°、17°、18°、22°)符合A型淀粉的多晶衍射图谱。发芽增强了芽苗的功能性成分和淀粉的抗消化性。研究结果表明,发芽增强了芽苗的健康促进特性,为开发功能性食品的功能性成分提供了一种有前景的策略。

2.研究结果

(1)两种山药块茎的发芽

图1A描绘了喷洒后山药块茎的水位。图1B表示发芽过程中纸张的封面状态。发芽2天后,乳白色的初芽开始从山药块茎的芽眼中冒出(图1C-D)。直到发芽32天,山药芽相对较长(图1E-F)。这种生长现象是由储存在块茎中的储备营养物质的酶促动员驱动的,这些营养物质被水解成代谢活性化合物,为发芽提供能量和碳骨架。发芽过程启动了一系列协调的生化反应,主要由内源性酶的激活介导,以促进储存的大分子转化为生物可利用的代谢物。发芽过程中的酶激活涉及一系列水解酶,包括淀粉酶、植酸酶、蛋白酶、木聚糖酶、葡聚糖酶和脂肪酶,它们共同促进了发芽发育所必需的营养物质的释放。这些酶催化复杂的大分子水解成低分子量代谢物,如葡萄糖、氨基酸和游离脂肪酸,这些代谢物随后被用作能源和生物合成前体,以支持新芽的生长和发育。

图1.中国山药块茎发芽过程中的图像。A,山药块茎发芽时喷水后水位;B,山药块茎发芽过程中覆盖的育苗纸;C,乳白色初芽开始从山药块茎的芽眼中冒出的远景图;D,乳白色初芽开始从山药块茎的芽眼中冒出的近景图;E,山药块茎发芽32天的远景图;F,山药块茎发芽32天时的特写视图。

(2)山药芽中的氨基酸

表1展示了不同萌发阶段山药芽的氨基酸组成。分析结果表明存在6种非蛋白质氨基酸(编号1、8、10、17-19)和13种蛋白质氨基酸。蛋白质氨基酸包括6种必需氨基酸(编号6-9、14和15)以及7种非必需氨基酸(编号2-5、12、13和16)。定量分析表明,在特定的萌发时期,氨基酸含量与未萌发对照(0天)相比有显著增加(p<0.05)。值得注意的是,与0天对照相比,在16天和24天萌发的芽中,L-天冬氨酸和L-脯氨酸的含量分别显著增加了约4倍(从2.02μg/g增加到8.51μg/g)和20倍(从4.81μg/g增加到83.22μg/g)。L-天冬氨酸的积累表明在萌发过程中氮同化和能量产生增强,这对于支持芽的快速生长至关重要。此外,L-天冬氨酸是合成其他氨基酸(如天冬酰胺)的前体,而天冬酰胺对于氮运输和植物储存至关重要。L-天冬氨酸含量的增加反映了代谢向氮同化和应激适应的方向转变。L-脯氨酸是一种常见的抗氧化剂,其在萌发期间显著增加可能反映了其在保护细胞免受氧化应激和维持渗透平衡方面的作用,尤其是在与发芽相关的生理变化下。L-脯氨酸的积累还与在应激条件下蛋白质稳定性和细胞完整性的改善有关,这表明萌发激活了应激反应途径,以维持不同生理变化下的芽生长。

表1.不同发芽时间芽苗氨基酸含量。

数值表示为平均值±SD;不同字母代表差异显著(P<0.05)。

γ-氨基丁酸(GABA)是一种具有生物活性的非蛋白质氨基酸,是哺乳动物中枢神经系统中的主要抑制性神经递质。其生理意义可以调节神经元兴奋性、血糖稳态和血压调节。山药芽的GABA积累表现出明显的时间特异性,在发芽16天时达到最高含量116.99μg/g,在发芽68天时逐渐下降至68.46μg/g(表1)。发芽过程中GABA的积累归因于L-谷氨酸的酶促脱羧,由谷氨酸脱羧酶的激活催化。发芽的大豆和羽扇豆表现出持续的GABA积累。不同的GABA积累模式可能是由于谷氨酸脱羧酶活性和底物可用性的物种特异性变化。这也表明,山药芽可能会优化GABA生产以缓解瞬态压力,而不是持续积累。此外,发芽16天的山药芽表现出较高的β-丙氨酸含量(表1)。作为唯一天然存在的β-氨基酸,β-丙氨酸在植物、动物和微生物的代谢过程中起着至关重要的作用。β-丙氨酸不仅是维生素B5、酰基载体蛋白和辅酶的结构成分,而且作为肌肽合成的前体在运动营养中也显示出显着的潜力,肌肽合成增强了肌肉缓冲能力并延缓了疲劳,而其抗氧化特性有助于细胞抵御氧化应激。β-丙氨酸在羽扇豆种子中检测不到,但在其芽中逐渐增加,这可能是由于发芽过程中天冬氨酸脱羧酶的激活。这些发现共同表明,发芽代表了一种很有前途的生物技术策略,可以提高山药芽的营养和功能价值,这有助于功能性食品和营养保健品的发展。

药食同源的检测和指标推荐
(3)山药芽中的酚类物质

山药芽在发芽的各个阶段的酚类成分见表2。色谱分析确定了16种不同的酚类化合物,每种化合物都表现出时间积累特征。值得注意的是,月桂素和对香豆酸的含量在发芽3d达到峰值,而4-O-阿魏酰奎宁酸、槐花异黄烷酮A、反式白藜芦醇和24-羟基苯甲醛在2天达到最高水平(表2)。有研究报道,发芽显著增强了藜麦的生物活性多酚,降低了藜麦的抗营养因子。

表2.不同发芽时间芽的酚类物质含量。

数值表示为平均值±SD;不同字母代表差异显著(P<0.05)。

与未发芽的对照相比,到24天观察到反式白藜芦醇含量显着增加4.3倍(0.52μg/g至2.23μg/g)(表2)。这一发现具有相当大的药理学意义,因为与顺式异构体相比,反式异构体表现出更高的生物活性,这主要是由于它与细胞靶标如去乙酰化酶和核因子-κB(NF-κB)具有更高的结合亲和力。反式白藜芦醇表现出广泛的治疗特性,包括抗糖尿病、心脏保护、抗炎、抗氧化和抗肿瘤活性。其化学预防作用已在多个器官系统中得到证实,包括肝脏、前列腺、胰腺、结直肠和乳房,以及神经胶质瘤。植物中白藜芦醇的生物合成是通过苯丙烷途径发生的,涉及一系列酶促反应。这种现象与其他植物物种中报道的各种生物活性化合物(包括白藜芦醇、GABA和异黄酮)的发芽诱导的生物合成一致。

(4)山药芽中的类黄酮

在山药芽中鉴定出了31种黄酮类化合物。只有两种黄酮类化合物,即木犀草素和异木犀草素B,在未发芽对照(0天)中的浓度高于发芽样本。值得注意的是,在发芽16天或24天时观察到山药芽中黄酮类化合物的含量最高。这些结果表明,16天和24天的发芽期是山药芽中大多数黄酮类化合物积累量最大的最佳时期。在发芽过程中,芹菜素与β-丙氨酸之间存在显著的正相关(r=0.90)(图4C),这表明发芽过程可能通过共同的代谢调节机制同时促进黄酮类化合物和氨基酸的积累。同样,藜麦在发芽后总多酚和黄酮类化合物的含量显著升高,并且在发芽36-72小时期间观察到藜麦的最佳营养品质和抗氧化能力。这些发现进一步表明,发芽是一种广泛适用的策略,可用于增强植物芽中生物活性化合物的积累。总体而言,这些发现表明,诸如γ-氨基丁酸(GABA)和β-丙氨酸之类的抗胁迫成分在发芽16天时达到峰值水平,而包括反式白藜芦醇和类黄酮在内的抗氧化化合物在发芽24天时达到最高浓度。这种时间上的变化表明16-24天是山药芽的关键代谢阶段,可能涉及三个关键的生理转变:(1)氮同化增强(以L-天冬氨酸增加4倍为证据);(2)次生代谢物的合成(例如多酚);(3)氧化应激防御系统的激活(例如L-脯氨酸积累20倍)。基于这些发现,我们提出了一个特定时间的收获策略:发芽16天的芽富含GABA和β-丙氨酸;发芽24天的芽富含抗氧化化合物。

(5)中国山药粉中的碳水化合物、脂质和蛋白质

中国山药粉的基本成分总结于表3。未发芽的山药粉淀粉含量约为70.55%(表3)。随着发芽时间的延长,淀粉含量逐渐降低(p<0.05)。淀粉含量的降低主要归因于淀粉降解酶的激活,主要是发芽过程中的α-淀粉酶和β-淀粉酶。活化的酶催化淀粉水解成麦芽糖和葡萄糖,两者都是种子呼吸和合成代谢的底物,导致淀粉含量显著降低。

表3.不同发芽时间的山药粉的基本成分。

数值表示为平均值±SD;不同字母代表差异显著(P<0.05)。

除了淀粉外,中国薯蓣块茎中的蛋白质含量也是其主要成分之一。在32天的发芽过程中,蛋白质含量从10.88%上升至13.21%(见表3)。其他研究也表明,发芽过程中粗蛋白质含量显著增加,这一现象归因于这取决于种子的类型。总膳食纤维含量的增加可能归因于在发芽过程中对淀粉和脂肪作为能量来源的优先利用,从而导致膳食纤维的比例相对增加。有研究指出,发芽期间膳食纤维含量的增加可能是由于其他成分的优先降解,从而导致剩余生物量中纤维成分的相对富集。

(6)山药淀粉的形态

与中国山药淀粉的扫描电子显微镜图像如图2所示。未发芽的山药淀粉呈圆形至椭圆形形态,表面光滑。尽管发芽时间延长,但山药淀粉的表面形态保持光滑完整,没有可见的孔隙或裂缝(图2)。相比之下,对在30℃和35℃下发芽的大米淀粉的研究表明,由于淀粉酶的优先水解,颗粒表面变得粗糙和被侵蚀,导致形成多孔结构。大多数研究表明,发芽会在淀粉颗粒中诱导多孔结构。这是由于α-淀粉酶的激活优先渗透到颗粒内部并水解无定形区域,导致在颗粒表面形成凹坑和孔隙。一些淀粉颗粒自然形成内部通道结构,这些通道的存在使酶很容易渗透。山药淀粉表面光滑度的保持表明这些酶可能通过这些通道进入内部以水解淀粉分子,而不是直接攻击颗粒表面。此外,有研究报道,一些淀粉的表面结构可能由更稳定的结晶区域组成。这也可能是山药淀粉发芽后颗粒形态基本保持不变的原因。

图2.不同发芽时间山药淀粉的扫描电子显微镜图像。

(7)山药淀粉链长分布

支链淀粉的链长分布是指根据淀粉链的聚合度(DP)对淀粉链进行分类,范围从短到长的葡萄糖链。淀粉的链长分布根据其DP分为四大组:A(DP6–12)、B1(DP13–24)、B2(DP25–36)和B3链(DP≥37)。一条链(DP6-12)形成外部分支,B1(DP13-24)、B2(DP25-36)和B3链(DP≥37)分别跨越单个、两个和多个簇。

山药淀粉发芽后A1链含量显著下降(p<0.05)(表4)。较短的链(DP6-12)由于尺寸较小,酶消化速度较快,而DP>12的较长链倾向于在结晶区域内形成双螺旋,表现出更高的酶解抗性。因此,A链含量较低的发芽样品可能比未发芽的样品具有更高的酶解抗性,这将通过较高的抗性淀粉含量来证明。发芽过程中产生的酶仅水解山药淀粉的A链和B1链,A链的降解速率超过B1链(表4),表明较短的外链先于内链顺序降解。图4D表明,淀粉的A链(r=−0.89)和B1链(r=−0.96)与山药粉的蛋白质含量呈负相关,表明淀粉A/B1链的水解衍生物优先进入氨基酸合成代谢途径。

表4.不同发芽时间山药的四种基本成分。

数值以均值±标准差表示;不同字母代表差异显着(P<0.05);E,氢键能;D,氢键距离。

(8)山药淀粉的晶体结构

山药淀粉在发芽前后的X射线衍射图谱中显示出特征性峰,这些峰出现在2θ角为15°、17°、18°和23°的位置(图3A)。峰分布与A型淀粉分类相匹配,表明主要存在斜方纳米晶结构。与山药淀粉类似,青稞淀粉在发芽后仍保留其原始的XRD模式。

图3.X射线衍射(A)、FT-IR光谱(B)、去卷积FT-IR光谱(C)、3400-3650cm−1处红外光谱的二阶导数(D)和3200-3350cm−1(E)和不同发芽时间山药淀粉直链淀粉含量(F)。

发芽的淀粉相对结晶度(RC)比未发芽的淀粉更高(表4)。相对结晶度较高的淀粉具有更强的抗消化性。图4D还呈现RC与抗性淀粉水平之间的正相关(r=0.96)。短的外链可能会导致晶体结构缺陷,阻碍颗粒状晶体薄片的排列和积累,而不是参与有利于晶体形成的双螺旋结构。因此,发芽山药淀粉RC较高可能与A链减少有关。

图4.不同发芽时间山药淀粉的流变曲线、消化率及相关性。A,流变曲线;B、消化率;C、芽成分与淀粉性质的相关性;D、山药淀粉结构与消化性能的相关性。RC,相对结晶度;PV,峰值粘度;BD,崩解值;FV,最终粘度;ST,回生值;PT,糊化温度;FHB,自由氢键;ISHB,链间氢键;IDHHB,双螺旋间氢键;Asp,L-天冬氨酸;Pro,L-脯氨酸;GABA,γ-氨基丁酸;β-Ala,β-丙氨酸;SRT,反式白藜芦醇;EC,儿茶素;Tyr,L-酪氨酸;Gen,染料木黄酮。

发芽8天和16天(33.59% VS 33.44%)、16天和24天(33.44% VS 32.62%)或24天和32天(32.62% VS 32.23%)的样品之间的相对结晶度没有显著差异(表4)。发芽8天前产生的酶最初靶向无定形区域,并得到减少的A链的支持。一旦无定形区域充分水解,就会出现平行的水解模式,这种平行的酶解模式可能在发芽8-16天、16-24天或24-32天的样品中持续存在,一致的相对结晶度和链长分布证明了这一点(表4)。在粪便发酵过程中,在结晶和无定形区域都观察到平行的水解模式,导致相对结晶度没有显着变化。因为之前的研究主要集中在无定形和结晶区域的顺序水解上,这种平行水解模式代表了发芽研究中的一个新发现。

(9)山药淀粉的短程有序结构

图3B展示了山药淀粉在发芽前后红外光谱中的相似特征峰,表明发芽处理不会影响淀粉样品的功能基团。1047和1022cm-1处的吸光度分别与淀粉的结晶区和无定形区有关。通过1047cm-1/1022cm-1的红外吸光度比值来评估淀粉的短程有序性,而淀粉颗粒内双螺旋的程度则由995cm-1/1022cm-1的比值来表示。

发芽的样品表现出更高的结晶度,但缩短了短程阶(表4),表明发芽诱导的水解优先降解短链(A/B1链),使剩余的长链(B2/B3)重组为更紧密的结晶区域(RC增加)。然而,这种结构重排可能会引入晶格缺陷,从而减少近表面分子的排列(短程阶递减)。图4D还表明短程顺序与A(r=0.81)或B(r=0.94)链之间存在相关性。此外,发芽样品在8天和16天的相对结晶度无显著差异,但在短程顺序上存在显著差异(p<0.05)。萌发过程中的平行水解模式在保留整体晶体框架的同时,在内部晶体区域诱发局部缺陷(边缘双螺旋断裂和氢键结构松动)。双螺旋度的降低将证明主要边缘双螺旋断裂,而松散的氢键结构将通过链间氢键波数的增加来证明。

此外,山药淀粉的双螺旋度在发芽8天后增加(表4)。双螺旋度的增加是由于无序无定形区域的优先酶水解,丰富了有序螺旋结构的比例。但双螺旋度随萌发时间的延长而降低。尽管结晶区和无定形区可能同时发生水解,但淀粉的晶体结构最终松动,降低了双螺旋度。

氢键,包括双螺旋间、链间分子键和自由氢键,维持了淀粉晶格的结构完整性和稳定性。研究了山药淀粉在发芽过程中游离氢键、链间分子氢键和双螺旋间氢键的变化(表4)。链间氢键和双螺旋间氢键位置在3515cm-1左右和328cm-1。氢键数量的减少和氢键的松动可能导致带移向高频。发芽8天样品的光谱波数低于对照(表4),表明山药淀粉发芽后氢键数量增加,氢键结构更紧密。随着发芽时间的延长,发芽8天和16天样品的双螺旋间氢键和游离氢键没有变化;然而,链间分子氢键发生了变化(表4)。这一观察结果表明,发芽8至16天之间的平行水解主要破坏了链间分子氢键,而双螺旋间和游离氢键基本上不受影响。游离氢键的波数与A链(r=0.94)和B1链(r=0.98)的含量呈正相关(图4D)。怀疑A/B1链形成稳定双螺旋或结晶区域的能力较差,导致其葡萄糖单位羟基保持游离状态的可能性较高。这一结果进一步表明,较短的链由于尺寸较小而更容易消化。

(10)山药淀粉的直链淀粉含量

山药淀粉发芽过程中的直链淀粉含量曲线如图3F所示。8天发芽淀粉的直链淀粉含量明显高于未发芽的对照(图3F)。发芽诱导的酶最初降解了富含直链淀粉的松散堆积的无定形区域,导致直链淀粉含量降低。我们的研究结果表明,一种更复杂的机制,涉及无定形和结晶区域同时水解,其中结晶结构域中的选择性支链淀粉降解是直链淀粉含量增加的主要原因。研究证明支链酶在淀粉代谢过程中将支链淀粉转化为直链淀粉中起着至关重要的作用。

大量研究表明,降解无定形区域通常会降低直链淀粉含量。本研究在发芽后期(0d)山药淀粉直链淀粉含量显著降低(p<0.05)。这种减少不太可能归因于非晶区域的降解,因为这种降解通常会增加相对结晶度。然而,我们的研究结果表明,山药淀粉在发芽32天后相对结晶度降低。因此,我们推测观察到的直链淀粉含量的降低可能是由于发芽后期α淀粉酶和β淀粉酶活性增强所致。这些酶将直链淀粉水解成麦芽糖和葡萄糖,为芽生提供所需的能量。研究还报道了淀粉酶将直链淀粉转化为还原糖,以满足生长芽的代谢需求。

(11)山药淀粉粒度

D[3,2]和D[4,3]分别代表了淀粉颗粒的表面积加权平均直径和体积加权平均直径。随着发芽时间的延长,中国薯蓣淀粉的d(0.5)在最初的16天内从22.08μm降至20.75μm(表5)。发芽过程中产生的酶会水解中国薯蓣淀粉中的直链淀粉或支链淀粉链,导致淀粉颗粒的破碎,并使颗粒尺寸显著减小。然而,在随后的发芽阶段,中国薯蓣淀粉的颗粒尺寸显著增加(表5),这可能是由于破碎的淀粉分子的聚集所致。高地大麦淀粉颗粒与未发芽的对照相比尺寸有所增加,这与破碎的淀粉分子的聚集密切相关,这种聚集是由分子间力驱动的。值得注意的是,颗粒尺寸与GABA的含量呈负相关(r=-0.956)(图4C)。γ-氨基丁酸的积累可能通过调节酶的活性来调节淀粉代谢,最终影响淀粉颗粒的大小。

表5.不同发芽时间山药淀粉粒径分布及黏度分析。

数值以均值±标准差表示;不同字母代表差异显着(P<0.05);D[4,3],体积加权平均直径;D[3,2],表面加权平均直径;d(0.5),体积中径;d(0.1),10%的颗粒小于此直径;d(0.9),90%的颗粒小于此直径。

(12)山药淀粉的粘度

不同发芽时间山药淀粉的黏度见表5。山药淀粉样品在24天发芽前的峰值黏度高于未发芽的对照。藜麦淀粉发芽后黏度降低。α-淀粉酶在发芽过程中破坏了α-1,4-葡萄糖苷键,增加了短支链的比例,从而破坏了颗粒间相互作用并降低了粘度。相比之下,山药淀粉发芽后的高粘度与其光滑的颗粒表面相关。

山药淀粉黏度在发芽前24天内显著增加(p<0.05)(表5),表明适当的发芽期增强了淀粉的增稠能力。然而,发芽32天后,粘度显着下降(表5),这是由于结晶区降解所致。具体来说,酶诱导的淀粉降解会破坏晶体结构,导致整体不稳定和抗膨胀性能丧失。内因子(如脂肪、蛋白质、直链淀粉含量)和外因子(如酶修饰)共同决定淀粉糊化特性。

击穿值反映了剪切条件下淀粉的稳定性和损伤程度。与发芽长达24天的样品相比,未发芽的山药淀粉表现出较低的分解值(表5)。这可能归因于未发芽淀粉的颗粒尺寸较大,支链淀粉含量较高,这增加了外力下对机械剪切和颗粒破碎的敏感性。回退值代表糊化淀粉的短期回行,反映了直链淀粉分子的重新缔合。24天前退缩值无显著差异,但显著下降(p<0.05)。直链淀粉含量高的山药淀粉不易逆行,在发芽24天前山药淀粉直链淀粉含量的增加进一步支持了这一结论,因为它增强了淀粉糊的稳定性。

(13)山药淀粉的流变特性

山药淀粉在不同发芽时间的储藏模量(G′)和损失模量(G“)如图4A所示。两种模量都随角频率的增加而增加,表现出特征的频率依赖性和三维网络结构。G′和G“曲线的不重叠表明稳定的凝胶样行为。G′代表弹性分量,反映变形过程中储存的能量,而G“代表粘性分量,反映以热量形式耗散的能量,为了解被测样品的粘弹性行为提供了见解。值得注意的是,G′始终高于G“表明淀粉颗粒聚集形成弹性弱凝胶系统。G′和G“值的增加表明分子内连接增强和连接区更紧密。

随着发芽时间的延长,G′逐渐降低(p<0.05)(图4A)。其他研究发现,淀粉中较高的直链淀粉含量通过直链淀粉分子之间的双螺旋结构导致更强的纠缠网络,从而增强淀粉凝胶的流变性能。然而,在目前的研究中没有观察到这种趋势。尽管直链淀粉含量从0天增加到24天,但粘弹性显着下降(p<0.05),这可能是由于酶解破坏了淀粉的有序结构并抑制了凝胶的形成。此外,酶优先水解发芽过程中形成的松散结构,留下致密、有序的淀粉结构,在回生过程中难以引起弱凝胶。

(14)山药淀粉的体外消化率

山药淀粉发芽后的体外消化率如图4B所示。根据水解速度,淀粉可分为速消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)。RDS的结构以分子排列无序为特征,主要位于无定形区域,消化酶高度容易接近。SDS的结构相对紧密,由短的双螺旋链组成,部分位于松散的结晶区域或无定形区域,消化酶的可及性有限。RS主要由完美结晶的淀粉分子片段、更致密的短程有序结构和长双螺旋链组成。发芽淀粉比未发芽的对照含有更高的RS含量(图4B)。较高的RS含量表现出更强的抗酶消化能力。图4D揭示了A链与RS含量之间的负相关关系(r=-0.81),他们报告DP为6-12的淀粉链(A链)更容易受到酶消化的影响。

随着发芽时间的增加,RDS和SDS含量在发芽16天前下降(图4B)。图4D在山药粉淀粉含量与RDS淀粉水平之间呈负相关(r=-0.99),表明发芽过程没有利用传统上构成无定形区域的RDS组分。进一步证明,在发芽过程中,结晶区和无定形区都存在平行的水解模式。

同时,多酚、GABA等功能组分在萌发16或24天期间主要集中,与RS含量最高,表明芽菜功能组分的积累与淀粉的抗消化性呈协同关系。因此,发芽过程选择性地降解了无定形和无序的结晶区域,有助于芽中功能成分的积累,同时保留了有序的结晶区域,稳定的RS含量和相对结晶度证明了这一点。

3.研究小结

本研究系统揭示了山药发芽过程中芽苗成分与淀粉特性的动态变化规律。发芽显著提升了芽苗的营养功能:16天时,γ-氨基丁酸(GABA,116.99μg/g)和β-丙氨酸等应激保护成分达到峰值;24天时,反式白藜芦醇(增长4.3倍)及黄酮类抗氧化物质积累最大。同时,淀粉结构发生定向改变:短链(A/B1链)减少而长链(B3链)增加,维持A型结晶结构且相对结晶度提高至33.6%,导致抗性淀粉(RS)含量显著上升,消化抗性增强。研究首次提出发芽中淀粉的“平行水解”机制—酶同步降解无定形区与结晶区,解释了结晶度稳定与表面结构完整的矛盾现象。综上,16-24天发芽期可协同优化山药芽苗功能成分与淀粉慢消化特性,为开发营养强化型功能食品提供新策略。

1.检测指标

2.合作流程