富含 Taioba 叶片生物活性提取物的淀粉：干燥行为、热力学性质与功能稳定性

《Journal of Food Measurement and Characterization》：Drying behavior, thermodynamic properties, and functional stability of taioba starch enriched with leaf bioactive extracts

　　

本研究评估了源自 Xanthosoma sagittifolium 的天然和富集 Taioba 淀粉的干燥动力学、热力学性质、理化特性、生物活性化合物和抗氧化活性。天然淀粉（CS，native starch）以及用 in natura 提取物（ES-I）、煎煮提取物（ES-D）和蒸汽处理提取物（ES-V）富集的淀粉在 30、40 和 50 °C 下干燥。采用数学方程对干燥行为建模，Midilli 模型对实验数据拟合最佳。升高干燥温度显著缩短干燥时间并提高有效水分扩散率（effective moisture diffusivity, D_ef），其值为 1.84 × 10^?10 至 8.55 × 10^?10 m²/s。富集淀粉的扩散率值低于天然淀粉，表明淀粉与生物活性化合物之间的相互作用降低了干燥过程中的水迁移性。Arrhenius 分析表明，提取物改变了淀粉基质的活化能（activation energy, E_a）和热敏感性。热力学性质揭示干燥过程为吸热且非自发，特征为正值吉布斯自由能（Gibbs free energy, ΔG）和负值熵（entropy, ΔS）。理化分析显示低水分含量和水活度（water activity, a_w），有助于提高贮存稳定性。Taioba 叶片表现出高浓度的酚类化合物、类胡萝卜素、叶绿素、类黄酮、花青素和抗坏血酸，导致抗氧化活性升高。富集显著增加了淀粉的生物活性含量和抗氧化能力，尤其是在 ES-I 处理中。结果表明，Taioba 叶片提取物是有前景的生物活性化合物天然来源，并且富集 Taioba 淀粉具有作为食品体系功能性配料的应用潜力。

Taioba（Xanthosoma sagittifolium (L.) Schott）原产于中美洲和南美洲热带地区，属于非传统食品植物（non-conventional food plant, PANC），其根茎是重要淀粉来源，叶片富含蛋白质、纤维、钙、镁、维生素 C 及具抗氧化活性的生物活性化合物。然而，天然淀粉常存在技术和功能限制，工业应用受限，需寻求较传统化学改性更安全、可持续的改性或富集方式。生物活性化合物热敏性强，提取物制备方式和干燥温度会影响其组成、稳定性及淀粉基质的水分传递。已有研究多关注 Taioba 根茎淀粉提取或淀粉改性，但同时评价叶片提取物富集 Taioba 淀粉、干燥行为、热力学性质、理化稳定性及生物活性保留的研究仍少，且不同叶片提取物制备方式对富集淀粉功能和技术性质的影响未见报道。因此，研究人员评估 Taioba 叶片和根茎的理化、矿物、抗氧化和功能组成，并研究不同叶片提取物制备方法及干燥温度对富集淀粉的理化性质、生物活性化合物、抗氧化活性、干燥动力学和热力学性质的影响，以拓展其在食品、制药和化妆品工业中的应用潜力。研究结果表明，Taioba 叶片提取物是有前景的天然生物活性化合物来源，富集 Taioba 淀粉具有作为食品体系功能性配料的潜力。

关键技术方法（≤250字）：样本来源为巴西 Acre 州 Xapuri 农林中心（南纬 10°38′10″，西经 68°29′41″，西亚马逊地区），采集约一年生 Taioba 叶片和根茎。方法包括：制备鲜叶水提物（EI）、煎煮提取物（ED）和蒸汽处理提取物（EV）；水提根茎淀粉得天然淀粉（CS），将淀粉糊与提取物按 1:2 富集为 ES-I、ES-D、ES-V；在 30、40、50 °C、1.8 m/s 风速、3 mm 厚度下对流干燥；拟合干燥数学模型；按 Fick 第二定律估算有效水分扩散率（D_ef），以 Arrhenius 方程求活化能（E_a）；计算焓（ΔH）、熵（ΔS）、吉布斯自由能（ΔG）；测定理化、矿物、生物活性、ABTS^•+、DPPH^•、FRAP、颜色和草酸；采用 ANOVA、Tukey、Pearson、HCA 和 PCA。

研究结果：

“Taioba 叶片和根茎的物理与理化表征”：通过 AOAC 等方法测定，叶片水分 85.50%、a_w 0.982，根茎水分 67.80%、a_w 0.951，均易发生微生物和酶促变化。叶片灰分高于根茎，根茎碳水化合物 27.92%高于叶片 8.31%，pH 分别为叶片 4.44、根茎 5.64；根茎为淀粉储存器官，叶片矿质较高。

“Taioba 叶片和根茎的矿物谱”：以能量色散 X 射线荧光光谱（EDX）测定，含 K、Ca、Na、P、Mg、Mn、Fe、Zn、Cu。叶片 Ca、Mg、Mn、Fe 较高；根茎 K 达 1010.66 mg/100 g，Na、Zn、Cu 较高。与膳食参考摄入量（DRI）比较，显示其作为必需微量元素来源的潜力。

“干燥动力学与数学模型”：在 30、40、50 °C 下对流干燥，Midilli 模型整体最佳，R²一般高于 0.990，RMSE 和 χ²较低。模型参数 k 随温度升高而增加，b 接近零或略负。50 °C 约 150 min 达吸湿平衡，30 °C 部分处理需 270 min；30 至 50 °C 总时间约减少 41%。ES-I30 较 CS30、ES-D30、ES-V30 干燥短；40 °C 时 ES-I40 和 ES-D40 较快。表明提取物改变淀粉基质结构和水迁移。

“有效水分扩散率与热力学性质”：D_ef 为 1.84 × 10^?10 至 8.55 × 10^?10 m²/s，随温度升高而增加；CS 从 30 °C 的 2.90 × 10^?10 增至 50 °C 的 8.55 × 10^?10，ES-I 为 1.84–5.17 × 10^?10，ES-D 为 2.36–3.96 × 10^?10，ES-V 为 1.96–4.20 × 10^?10 m²/s。富集淀粉 D_ef 低于对照。Arrhenius 拟合 R² 为 0.9595–0.9999，E_a 为 ES-D 21.09、ES-V 30.96、ES-I 42.16、CS 44.24 kJ/mol。ΔH 为正值并随温度升高略降，ΔS 为负值，ΔG 为正值且随温度升高而增。结论为干燥过程吸热、非自发并需持续外部能量，相关参数应视为表观描述。

“Taioba 淀粉理化表征”：淀粉水分 3.83%–9.64%，a_w 低于 0.263，蛋白和脂质低，碳水化合物 86.81%–93.45%，pH 微酸。说明干燥有效降低自由水，提高贮存稳定性和微生物稳定性。

“生物活性化合物与抗氧化活性”：叶片总酚（TPC）达 1719.35 mg GAE/100 g d.b.，总类胡萝卜素（TCC）13,913.37 μg/100 g d.b.，叶绿素等较高；叶片抗氧化活性最高，ABTS^•+ 6.02 mmol TE/L、DPPH^• 4.20 mmol TE/L、FRAP 59.65 mmol Fe²⁺/L。根茎居中，天然淀粉最低。富集显著提高淀粉生物活性，ES-I30 的 TPC 为 176.39 mg GAE/100 g d.b.，总类黄酮 3.02 mg/100 g d.b.，总花青素 1.70 mg/100 g d.b.，TCC 828.08 μg/100 g d.b.；DPPH^• 最高达 2.65 mmol TE/L，FRAP 最高达 11.47 mmol Fe²⁺/L。层次聚类、热图和 Pearson 分析显示生物活性与抗氧化参数均正相关，r > 0.56；主成分分析解释 90.30%总方差，PC1 为 72.23%、PC2 为 18.07%，叶片、根茎、天然淀粉和富集淀粉分组明显。结论为富集增强淀粉抗氧化能力。

“颜色分析”：叶片 L* 最低（26.59），根茎 L* 最高（80.00）；对照淀粉较亮，ES-I 最低，ES-I40 的 L* 为 40.80。叶片呈强负 a*、b* 为 23.63；ES-I 和 ES-V 介于中间。叶片 C* 为 25.82、h° 为 113.73°，根茎 h°约 93°；ES-I 的 C*约 4.3、h°约 77–80°，对照淀粉 h°约 34–42°。视觉上对照淀粉更白，ES-I 呈奶油至微黄色，ES-D 较浅，ES-V 居中。表明提取和热处理影响色素保留和颜色。草酸含量方面，叶片为 1405.57 mg/100 g d.b.，根茎 455.47 mg/100 g d.b.；对照淀粉最低 11.36–12.75 mg/100 g d.b.，ES-I 最高 90.26–95.51 mg/100 g d.b.，ES-V 为 70.53–79.50 mg/100 g d.b.，ES-D 为 44.77–49.31 mg/100 g d.b.；干燥温度无显著影响，煎煮最有效降低草酸。

讨论部分总结：干燥温度和叶片提取物掺入共同影响富集淀粉的干燥动力学、表观扩散率、活化能和热力学描述。富集淀粉 D_ef 较低，可能与淀粉-生物活性化合物相互作用、水分结合、基质组织和迁移路径改变有关；但简化 Fick 模型未显式考虑外部传质阻力、收缩、孔隙变化、结构塌陷和溶质迁移，因此 D_ef、E_a、ΔG 等应视为表观参数而非本征或平衡热力学参数。热力学显示吸热、非自发、负熵，反映水去除需外部能量且体系组织化增强。低水分和低 a_w 有助于贮存稳定。叶片生物活性浓度和抗氧化能力高于根茎，富集提高淀粉抗氧化潜力，ES-I 保留最高；煎煮和蒸汽处理可不同程度降低草酸和色素。结论翻译：天然和富集 Taioba 淀粉的干燥动力学受干燥温度和叶片提取物掺入强烈影响。Midilli 模型对实验数据拟合良好，适用于描述淀粉基质干燥行为。干燥温度从 30 提高到 50 °C 显著缩短干燥时间，改善传热传质并提高效率；但更高温度可能损害热敏性生物活性化合物，需平衡干燥效率和产品质量。富集淀粉有效扩散率低于天然淀粉，表明生物活性提取物与淀粉基质相互作用，降低水迁移性并增加内部水分扩散阻力。Arrhenius 参数证实提取物改变水去除的能量需求，影响热敏感性和扩散机制。热力学分析表明干燥过程吸热且非自发，需持续外部能量输入；负熵值表明水去除过程中分子组织化增加。理化表征显示所有淀粉均低水分含量和低水活度，有助于提高贮存期间理化与微生物稳定性。碳水化合物为主要成分，蛋白和脂质保持低浓度，符合富淀粉基质特征；微酸性 pH 也可能改善贮存稳定性。Taioba 叶片生物活性化合物浓度和抗氧化活性显著高于根茎，证实其作为酚类化合物、类胡萝卜素、叶绿素、类黄酮、花青素和抗坏血酸丰富来源的潜力。富集过程显著提高淀粉生物活性潜力，尤其是 ES-I 处理，其酚类化合物保留和抗氧化活性最高。总体而言，富集 Taioba 淀粉在食品工业中作为具改善技术和生物活性特性的功能性配料具有较强应用潜力，尤其适用于天然抗氧化剂掺入和清洁标签产品配方。