关于马铃薯营养与健康功能的研究

　　摘要：铃薯是世界第三大粮食作物, 是欧美等发达国家和部分发展中国家的主要食物来源。马铃薯营养和健康功能受其品种、加工方式、食物组成等诸多因素的影响, 已成为研究热点。主要对马铃薯营养与健康功能的研究进展进行综述。

　　关键词：马铃薯,营养,健康功能

　　马铃薯起源于秘鲁安第斯山脉。16世纪, 西班牙人将其带到欧洲后, 在全世界范围内广泛栽培, 目前已培育出5000余个品种。马铃薯适应性强、耐瘠薄干旱、产量高, 与其他主要作物相比, 马铃薯可在土地面积更少, 气候更恶劣、更干旱的条件下生产出更多富有营养的食物, 其可供人类食用部分高达85%[1]。为提高马铃薯作为全球重要意义的粮食作物和商品的形象, 重视其生物和营养特点, 从而促进其生产、加工、消费、销售和贸易, 联合国粮食及农业组织 (FAO) 曾将2008年确定为国际马铃薯年。与其他主要谷物不同, 马铃薯并非全球贸易商品, 其价格通常取决于当地的生产成本, 受国际市场的影响很小。因此, 马铃薯越来越被视为重要的粮食安全作物, 可作为昂贵的进口谷物替代品。另外, 马铃薯营养丰富, 是欧美等发达国家和部分发展中国家的主要食物来源。不同国家/地区的马铃薯消费量差异较大, 在发达国家, 马铃薯为每人每天提供540k J (130kcal) 的能量, 而发展中国家马铃薯仅为每人每天提供170k J (42kcal) 的能量。除了可以提供能量 (主要源自碳水化合物) , 马铃薯还含有蛋白质、膳食纤维、维生素、矿物质、类胡萝卜素以及绿原酸等对人体健康有益的活性物质, 食用马铃薯还能解决营养失衡问题。近年来, 马铃薯主要成分的营养与健康功能已成为研究热点, 并取得诸多研究进展。

　　1 马铃薯淀粉

　　淀粉是马铃薯的主要成分之一, 不同品种马铃薯中淀粉含量差异显著, 生鲜马铃薯中淀粉含量为9%~23%, 马铃薯干物质中淀粉含量为66%~80%。马铃薯淀粉颗粒较大, 呈椭圆形或圆形, 平均粒径为23~30μm, 粒径范围为5~100μm, 具有单峰粒度分布。尽管扫描电子显微镜和原子力显微镜结果显示, 马铃薯原淀粉颗粒表面有突起和凹槽, 但总体来说马铃薯原淀粉颗粒表面光滑[2,3,4]。马铃薯原淀粉水分含量为14%~18%, 而其他谷物淀粉水分含量一般为10%~12%。马铃薯淀粉中直连淀粉占比约为25%~33%。与其他谷物淀粉相比, 马铃薯淀粉中脂肪和蛋白含量较低, 磷含量较高 (含量范围为36~116mg磷/100g马铃薯淀粉, 平均含量为60~80mg磷/100g马铃薯淀粉) 。与其他主要谷物淀粉相比, 马铃薯淀粉颗粒的结晶度、表面积/体积比以及表面结合物均不同, 未经烹饪的马铃薯原淀粉大部分为抗性淀粉 (约占总淀粉的70%~80%) , 在人体小肠中难以消化, 大部分进入大肠, 而其他主要谷物淀粉可在生物体内缓慢消化直至完全消化吸收。

　　马铃薯品种、成熟度、淀粉结构、加工方式及食物组成对马铃薯的消化特性有显著影响, 马铃薯淀粉对人体营养和健康的影响尚未完全解明。有学者比较分析了水煮、烘焙、微波烹饪、烤箱烤制、螺杆挤出和油炸等不同加工方式对马铃薯淀粉的糊化、结晶度的影响。研究表明, 油炸马铃薯中含有更多的抗性淀粉, 而水煮马铃薯和马铃薯泥中可消化淀粉含量显著增加。挤出加工条件亦会影响马铃薯淀粉的理化结构和营养价值。与传统烹饪方法相比, 挤出加工使马铃薯淀粉糊化度升高[5]。同时, 水煮马铃薯、烤制马铃薯等随着马铃薯品种的不同, GI值 (升糖指数) 差异显著, 与其淀粉结构存在差异有关。马铃薯GI值的差异性导致人们对马铃薯的营养健康功能存在认识误区, 关于马铃薯是否为高GI值食物的争论和误解影响了马铃薯的消费。

　　另外, 直链/支链淀粉比亦会影响马铃薯淀粉的营养特性。通常的加工条件下, 线性直链淀粉分子易于发生逆向排列和重结晶, 形成大量规则区域, 抑制其在小肠中酶解和吸收。此外, 加工过程中淀粉的糊化、溶胀不充分, 进一步阻碍了直链淀粉与水解酶发生反应。马铃薯中直链淀粉含量受基因和生长条件的影响, 存在一定差异, 其含量范围为24%~32%。目前, 已有学者通过调控2种功能相反的淀粉分支酶异构体, 使马铃薯淀粉中直链淀粉的占比增加至60%~89%, 可与商用高链玉米淀粉相媲美[6]。

　　马铃薯中脂质亦会与直链淀粉结合形成复合物, 从而影响淀粉的消化特性。直链淀粉-脂质复合物可由加工过程中的内源性和外源性脂质产生。同时, 关于直链淀粉-脂质复合物对淀粉消化特性的影响存在截然相反的报道。Holm等[7]发现直链淀粉-脂质复合物可在大鼠小肠内完全消化和吸收, 而Eggum等[8]发现该复合物不能在大鼠小肠内消化。导致这两种截然相反结果的可能原因是存在两种不同类型的直链淀粉-脂质复合物:复合物Ⅰ和复合物Ⅱ。差式扫描量热法 (DSC) 检测结果表明, 复合物I在低于100℃即可发生熔解, 且晶体结构几乎未观察到;而复合物Ⅱ的熔解温度高于100℃, 同时晶体结构较多。相对完整的晶体结构会降低复合物II的酶降解敏感性。Mercier等[9]发现纯马铃薯直链淀粉与不饱和脂肪酸形成的复合物对酶降解具有较高的抵抗性。

　　冷却过程中, 马铃薯淀粉分子部分聚集形成网络, 最终导致淀粉回生。在回生过程中, 淀粉分子开始结晶, 形成抗性淀粉。回生后的马铃薯直链淀粉对淀粉水解具有极高的抗性。反复循环的冷却和再加热可使抗性淀粉含量增加, 延缓消化吸收, 从而降低血糖反应。因此, 通过优化食品加工工艺控制淀粉糊化和回生的程度可降低马铃薯加工产品的GI值, 加工处理的马铃薯经冷却和贮藏后, 淀粉分子发生回生而使GI值显著降低。

　　2 马铃薯蛋白

　　块根块茎类作物中, 马铃薯的蛋白含量最高 (湿基含量约为2.1%) 。与其他蔬菜和谷物来源蛋白相比, 其氨基酸模式与人类的需求非常匹配, 营养价值较高, 特别是赖氨酸含量较高, 这是其他谷物不具有的。马铃薯蛋白分为马铃薯糖蛋白 (patain, 约占40%) 、蛋白酶抑制剂 (protease inhibitors, 约占50%) 和其他高分子蛋白 (约占10%) 。马铃薯糖蛋白是一种二聚体糖蛋白, 分子量约为40~45k Da, 呈现多种异构体, 具有抗氧化活性和脂酰基水解酶活性, 以及良好的起泡性和乳化性。马铃薯蛋白酶抑制剂分子量为5~25k Da, 具有抗癌、抗菌活性, 可通过分泌饥饿抑制剂胆囊收缩素获得高饱腹感。马铃薯蛋白酶抑制剂可溶于较宽的p H范围, 而马铃薯糖蛋白仅在p H4时呈现较低的溶解度[10,11,12]。

　　马铃薯蛋白含量、氨基酸组成、营养价值与马铃薯品种密切相关。Galdo?n等[13]分析检测了10种不同马铃薯品种氨基酸组成、氨基酸评分和总蛋白含量, 结果发现不同品种马铃薯总蛋白含量、氨基酸组成差异显著。不同品种马铃薯蛋白营养价值差异显著, 含硫氨基酸是10个马铃薯品种的第一限制性氨基酸, 赖氨酸是Borralla品种马铃薯的第一限制性氨基酸及其他品种的第二限制性氨基酸。聚类分析结果表明, 选取甘氨酸、组氨酸、亮氨酸和总蛋白为变量可将马铃薯样品进行正确分类[13]。种植产地对马铃薯氨基酸含量无显著影响。Ba?rtova等[14]比较分析了南美5种不同马铃薯品种的蛋白质含量、氨基酸组成、营养质量和马铃薯糖蛋白含量, 结果发现, S.andigenum和S.stenotomum两个品种的蛋白质含量 (以干基计) 最高, 分别为7.9%和8.0%, 其中马铃薯糖蛋白占比分别为41.7%和34.0%。马铃薯糖蛋白的必需氨基酸指数[相对于FAO/WHO推荐的成年人必需氨基酸指数 (EAAIadult) 参考值]范围为93.0% (S.phureja) ~112.5% (S.goniocalyx) 。S.g o n i o c a l y x品种马铃薯糖蛋白组分是较优质的蛋白。

　　3 马铃薯多酚等植物化学物质

　　Ezekiel等[15]研究结果表明, 马铃薯含有多酚、黄酮类、多胺及类胡萝卜素等多种植物化学物质, 对人体健康有益, 可改善日常饮食营养。该类化合物的含量和稳定性受基因、栽培技术、采后贮藏、烹饪加工条件等诸多因素的影响。Arun等[16]采用正己烷、乙酸乙酯、甲醇提取生长期和成熟期的马铃薯皮中的植物化合物, 结果发现不论是生长期还是成熟期, 马铃薯皮乙酸乙酯提取物中酚类含量最高, 分别为83.2mg GAE (没食子酸当量) /g和44.14 mg GAE/g (以干基计) , 自由基清除活性最高。生长期马铃薯皮的乙酸乙酯提取物可增加L6大鼠骨骼肌肉细胞中的α-葡萄糖苷酶抑制活性、细胞内活性氧去除活性以及还原糖摄取量。高效液相色谱 (HPLC) 分析结果表明, 马铃薯皮中多酚物质包括没食子酸、咖啡酸、阿魏酸和绿原酸等。生长期马铃薯皮中的生物活性物质优于成熟期马铃薯皮。同时, 马铃薯皮中还含有α-茄碱 (0.001~47.2mg/100g) 等抗营养因子, 但是低含量状态下具有抗癌作用。

　　4 其他营养成分

　　马铃薯还含有膳食纤维、维生素、矿物质等人体所需的营养成分。马铃薯中膳食纤维含量约为3.3%, 维生素C含量约为42mg/100g, 钾含量约为693.8mg/100g。一个中等大小的马铃薯中维生素C含量约为WHO建议的正常人日摄入量的一半, 钾含量约为WHO建议的正常人建议日摄入量的1/5。马铃薯中营养素含量受很多因素影响, 其中马铃薯品种是最重要的影响因素。

　　5 马铃薯主食营养特性

　　自我国实施马铃薯主粮化战略以来, 已陆续开发出3大类300余种马铃薯主食产品, 产品品质得到不断改善[17]。马铃薯加工成为主食时的营养特性亦成为研究热点。谌珍等[18]以添加50%马铃薯全粉的米粉为研究对象, 比较分析了其与普通米粉在维生素、矿物质、膳食纤维、氨基酸等营养成分的不同以及食用品质之间的差异。结果表明, 马铃薯米粉中粗蛋白、膳食纤维、矿物质、维生素B族、多数矿物元素和多种氨基酸含量均明显高于普通米粉, 马铃薯米粉中必需氨基酸占氨基酸总量的比值 (E/T) 及必需氨基酸与非必需氨基酸比值 (E/N) 均高于普通米粉的E/T和E/N值, 更接近WHO和FAO提出的参考值。营养质量指数法分析结果表明, 马铃薯米粉的营养价值高于普通米粉。Xu等[19]通过在小麦粉中添加一定比例大西洋马铃薯全粉或夏波蒂马铃薯全粉制作面条, 并对鲜湿面、干面、煮制后鲜湿面、煮制后干面等4个不同状态的面条营养成分进行了比较分析。结果表明, 两种马铃薯面条中粗蛋白、粗纤维、维生素、膳食纤维、多数矿物元素、多种氨基酸含量均显著高于小麦面条。营养质量指数法评价结果表明两种马铃薯面条营养价值均高于小麦面条, 且夏波蒂马铃薯面条营养价值高于大西洋马铃薯面条。

　　展望

　　马铃薯仅占全球食物能量供应的2%左右, 但却是许多国家的主要食物。现代农耕技术和气候变化致使马铃薯生物多样性减少, 从而导致了营养素生物合成途径基因的丢失。低GI值食物有益健康, 欧洲糖尿病研究协会、加拿大糖尿病协会、澳大利亚营养师协会等多家健康组织建议多摄食低GI值食物以控制2型糖尿病, 同时亦被FAO、WHO推荐为普通人群的健康膳食。因此, 培育慢消化淀粉含量高、低GI值的马铃薯品种成为研究方向[20]。同时, 加工方式及食物组成对马铃薯GI值有显著影响, 低GI值马铃薯主食产品的开发是马铃薯和食品工业面临的挑战。

　　参考文献
　　[1]LUTALADIO N, CASTALDI L.Potato:the hidden treasure[J].Jou r nal of Food Composition and A nalysis, 2009, 22 (6) :491-493.
　　[2]BUR LI NGA M E B, MOU I L L E B, C H A R RON DI E R E R.Nutrients, bioactive non-nutrients and anti-nutrients in potatoes[J].Jou r nal of Food Composition and A nalysis, 2009, 22 (6) :494-502.
　　[3]LIU Q, TARN R, LYNCH D, et al.Physicochemical properties of dry matter and starch from potatoes grown in Canada[J].Food Chemistry, 2007, 105 (3) :897-907.
　　[4]LIU Q, WEBER E, CURRIE V, et al.Physicochemical properties of st a rches du r i ng pot ato g row t h[J].Ca rbohyd r ate Poly mer s, 2003, 51 (2) :213-221.