不同品種甘薯淀粉加工特性及其與磷含量的相關(guān)性研究

靳艷玲,楊 林,丁 凡,方 揚,譚 力,易卓林,何開澤,趙 海,*

(1.中國科學(xué)院成都生物研究所,中國科學(xué)院環(huán)境與應(yīng)用微生物重點實驗室, 環(huán)境微生物四川省重點實驗室,四川成都 610041; 2.綿陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,四川綿陽 621023)

我國是薯類生產(chǎn)大國,甘薯的種植面積和總產(chǎn)量均居世界第一位,其中,四川省的甘薯產(chǎn)量居全國首位,在保障食品安全和滿足消費需求多樣化方面發(fā)揮了重要作用。加工是促進(jìn)農(nóng)業(yè)持續(xù)增效、農(nóng)民持續(xù)增收的重要途徑,因此,相關(guān)科研單位和企業(yè)一直在持續(xù)地開展甘薯加工新產(chǎn)品的研發(fā)工作。甘薯可加工利用的主要成份是其所含的淀粉,最直接的產(chǎn)品為淀粉及衍生物淀粉;甘薯還可以通過微生物發(fā)酵將其中的淀粉轉(zhuǎn)化生產(chǎn)酒精、飲料、飼料、調(diào)味品以及其他大宗工業(yè)產(chǎn)品。隨著消費者對甘薯保健功能的認(rèn)可,甘薯食品的研制和生產(chǎn)開發(fā)得到較快的發(fā)展,質(zhì)量亦不斷提高,出現(xiàn)了甘薯方便食品、休閑食品、甘薯飲料、功能保健產(chǎn)品等[1-4]。但因技術(shù)門檻和設(shè)備投入要求較低,而且甘薯淀粉類產(chǎn)品價位相對玉米淀粉和馬鈴薯淀粉產(chǎn)品較高,所以目前甘薯加工的主要形式仍為淀粉、粉絲、粉條等產(chǎn)品,“三粉”加工仍占據(jù)主導(dǎo)地位。農(nóng)戶和企業(yè)加工的積極性也較高,北方薯區(qū)淀粉加工所占比例為58.7%,南方薯區(qū)為31.3%,長江中下游薯區(qū)為44.4%[5-7]。

不同甘薯品種的淀粉含量、出粉率以及加工粉條的品質(zhì)差異很大,直接影響加工利潤。而在實際生產(chǎn)過程中,絕大多數(shù)加工企業(yè)使用的甘薯原料品種較為混雜,不利于發(fā)揮最大效益、保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性。另外,淀粉除用于烹調(diào)和食品加工外,用途非常廣泛,如在工業(yè)上用于粘合、成膜、上膠,在藥品里用于增稠、崩解等。不同的應(yīng)用方向?qū)τ诘矸鄣钠焚|(zhì)具有不同的要求,為此,本研究對國內(nèi)近年來育成的24個品種甘薯的加工性能參數(shù)進(jìn)行了比較,對加工產(chǎn)品品質(zhì)相關(guān)的因素進(jìn)行分析,以期為淀粉及相關(guān)產(chǎn)品加工專用甘薯品種育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

渝薯1號、濟(jì)薯25、渝薯198、渝薯27、冀薯98、商薯19、漯薯11、運薯271、桂粉3號、秦薯9號、湛薯12、萬薯34、鄂薯6號、龍薯28、蘇薯24、秦薯5號、煙薯26、廣薯87、湘薯98、皖薯7號、川薯221、阜薯24、鄭紅23、萬薯9號等24個品種甘薯 由國家甘薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系提供;鹽酸、氫氧化鈉、葡萄糖、醋酸鉛、乙酸鋅、亞鐵氰化鉀、苯酚、硫酸、無水乙醇、硝酸銀等 分析純,成都科龍化工試劑公司。

SHIMADZU AUY 120電子天平 日本島津公司;ELSD 6000高效液相色譜儀 美國奧泰公司;Optima 8300電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀 美國PerkinElmer公司;754N分光光度計 上海奧普勒儀器有限公司;MVAG 803202微量快速黏度儀 德國Brabender公司;ZRD-A7230鼓風(fēng)干燥箱 上海智城分析儀器制造有限公司;HAD-ED54石墨消解儀 北京恒泰奧德科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 干物質(zhì)率測定 參照GB5009.3-2016《食品中水分的測定》采用105 ℃烘干重量分析法測定。取潔凈稱量瓶置于105 ℃干燥箱中,瓶蓋斜支于瓶邊,加熱1 h,取出蓋好,置干燥器內(nèi)冷卻0.5 h,稱量,并重復(fù)干燥至前后兩次質(zhì)量差不超過2 mg,即為恒重。將薯塊切成小于5 mm的薯丁,混合均勻,稱取試樣(精確至0.0001 g),放入此稱量瓶中,105 ℃干燥2～4 h后,同法冷卻、稱量至恒重。樣品干燥后的重量占初始重量的比例即為干物質(zhì)率。

1.2.2 淀粉含量測定 參照GB/T 5009.9-2016《食品中淀粉的測定》改進(jìn)后的方法,薯漿酸水解后的葡萄糖以高效液相色譜-蒸發(fā)光檢測器法(HPLC-ELSD)測定[8-9]。水解液處理:吸取一定量水解液,依次通過預(yù)先以甲醇活化好的C18固相萃取小柱和0.22 μm水系濾膜過濾。色譜條件:以超純水為流動相,采用BIO-RAD Aminex RHPX-87P色譜柱,流速0.6 mL/min,柱溫79 ℃,蒸發(fā)光檢測器溫度105 ℃,進(jìn)樣量20 μL。以系列濃度葡萄糖溶液和相應(yīng)的色譜峰面積繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算水解液中的葡萄糖濃度并根據(jù)水解樣品重量折算甘薯中的葡萄糖濃度,此為淀粉水解和可溶性糖溶解獲得的總葡萄糖濃度,減去同法測得未水解甘薯的可溶性葡萄糖濃度,再除以1.1即為淀粉含量。

1.2.4 褐變指數(shù)測定 參照袁潔等[11]的方法采用分光光度計測定,隨機(jī)選取大小一致的甘薯,從相同部位切取2.0 g于研缽中,分別加入蒸餾水20.0 mL,研磨5 min,低溫下離心5 min(4000 r/min,4 ℃),取上清2.0 mL于試管中,加入0.05 mol/L的FeCl32.0 mL,25 ℃水浴2 h,以蒸餾水調(diào)零,測定410 nm的吸光值,以10·A410表示褐變度。

1.2.5 淀粉的提取 參照張正茂等[12]的方法提取,稱取潔凈薯塊約1.0 kg,粉碎、勻漿,加入3.0 kg自來水,混勻后立即過100目尼龍濾布;濾液靜置8 h后棄去上清,加入3倍淀粉質(zhì)量的自來水,與沉淀的淀粉混合均勻后立即過200目尼龍濾布;濾液靜置8 h后以相同方法清洗、過濾、沉淀第三次。最后將淀粉風(fēng)干至無肉眼可見水,置于45 ℃干燥,過100目篩。

1.2.6 淀粉糊化特性測定 采用Brabender微型糊化黏度儀測定。添加0.05 mol/L硝酸銀鈍化α-淀粉酶以消除α-淀粉酶在升溫過程中對糊化特征參數(shù)的干擾[13-14]。糊化黏度測定參數(shù)及溫控程序:轉(zhuǎn)速250 r/min,升溫速度7.5 ℃/min,升至92 ℃后保溫5 min,然后以同樣速度降溫至50 ℃,保溫1 min。黏度結(jié)果以布拉班德黏度單位BU表示。

1.2.7 磷含量測定 采用GB 5009.87-2016《食品中磷的測定》改進(jìn)后的方法測定。稱取試樣1.0～1.5 g(精確至0.001 g并記錄)于消化管中,加入10 mL硝酸、1 mL高氯酸、2 mL硫酸,在石墨消解爐上消解(參考條件:120 ℃/0.5～1 h，升至180 ℃/2～4 h，升至200～220 ℃)至消化液呈無色透明或略帶黃色,消化液放冷,加10 mL水,趕酸。放冷后轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中,用超純水多次洗滌消化管,合并洗液于容量瓶中定容、混勻。同法做試劑空白試驗。消化的樣品以電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測定磷濃度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

以上測定均為3個重復(fù),結(jié)果以平均值±SD表示。采用SPSS 19.0進(jìn)行描述性統(tǒng)計、Duncan檢驗差異分析和復(fù)合曲線模型擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種薯塊淀粉加工相關(guān)品質(zhì)指標(biāo)

根據(jù)國家甘薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系2017年開展的不同用途甘薯品質(zhì)需求調(diào)研,淀粉加工企業(yè)和農(nóng)戶最關(guān)注的薯塊品質(zhì)參數(shù)有:高淀粉、低褐變、高干物質(zhì)率、低糖。其中,淀粉含量是關(guān)注度最高的指標(biāo),直接關(guān)系到出粉率和經(jīng)濟(jì)效益。由表1可見,試驗品種薯塊的平均淀粉含量為22.14%,以渝薯1號最高,達(dá)31.45%,其次為濟(jì)薯25、渝薯198、渝薯27、冀薯98、商薯19,選用高淀粉含量的品種用于生產(chǎn)淀粉,原料出粉率較高,有利于減少運輸成本、提高設(shè)備利用率。干物質(zhì)率是指塊根的干物質(zhì)含量,是甘薯品種最重要的經(jīng)濟(jì)性狀之一,干物質(zhì)率排在前三位的依次為濟(jì)薯25、渝薯1號、運薯271,平均干物質(zhì)率為31.38%,24個品種之間的干物質(zhì)率差異較小,變異系數(shù)13.45。而可溶性糖含量差異較大,變異系數(shù)達(dá)43.97,平均含量2.32%,可溶性糖含量直接影響廢水COD,因此以含量較低的品種更利于后續(xù)廢水環(huán)保處理。褐變是影響甘薯淀粉品質(zhì)的一個重要指標(biāo),在多酚氧化酶作用下薯塊中的酚類物質(zhì)被氧化形成醌,醌自我聚合或者通過共價修飾,與其他物質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生黑色或褐色的色素沉淀,使淀粉的白度降低，從而影響淀粉的商品性[15-16],另外,褐變指數(shù)較高的品種,淀粉加工廢水的顏色也較深,處理過程中也要增加脫色的成本。試驗品種褐變指數(shù)7.00～20.01,褐變指數(shù)最低的為渝薯27。已有學(xué)者開發(fā)了多種方法抑制褐變,如加入亞硫酸鹽、加入蛋白酶抑制劑、隔絕氧氣等[11],但這些方法均依賴化學(xué)試劑或設(shè)備,成本較高且有藥劑殘留問題。選用渝薯27、渝薯1號等淀粉含量高、且褐變指數(shù)低的甘薯品種,則是一條從源頭上減少褐變、提高淀粉白度的安全、有效的途徑。

表1 24個品種甘薯薯塊主要淀粉加工相關(guān)品質(zhì)指標(biāo)數(shù)Table 1 Main processing related indexes of starch from 24 varieties of sweet potato

2.2 不同品種甘薯淀粉黏度譜(RVA)的差異

淀粉是一種親水性的膠體,淀粉在適當(dāng)?shù)臏囟认略谒腥苊?、分裂、形成均勻的糊狀溶液的過程被稱為糊化,糊化的直接表現(xiàn)為黏度增加,黏度在淀粉產(chǎn)品加工及最終產(chǎn)品的功能方面非常重要,不同產(chǎn)品要求使用具有不同的流變特性的淀粉。不同品種甘薯糊化淀粉的特征黏度譜間存在明顯差異,在加熱(糊化)和冷卻(膠凝化)過程中流變特征不同可以滿足不同產(chǎn)品的需要。

表2 24個品種甘薯淀粉黏度譜Table 2 Rapid viscosity analysis(RVA)profiling of starch from 24 varieties of sweet potato

使淀粉達(dá)到糊化狀態(tài)的溫度是糊化溫度,受淀粉晶型、結(jié)構(gòu)、顆粒大小的影響,不同作物以及同一作物不同品種淀粉的糊化溫度存在差別[17]。較低的糊化溫度有利于降低加工能耗和時間、有利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn);而較高的糊化溫度表明淀粉晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,不易被破壞。受試甘薯淀粉的糊化溫度范圍為66.8～77.1 ℃,其中,秦薯9號、蘇薯24、煙薯26和濟(jì)薯25淀粉的糊化溫度均低于70 ℃,以其為原料進(jìn)行淀粉類產(chǎn)品加工有利于減少糊化能耗。峰值黏度與淀粉糊的粘結(jié)性和增稠性密切相關(guān)[18-19],受試品種甘薯淀粉的峰值黏度變化范圍為922～1207 BU,最高的為運薯271,其次為濟(jì)薯25、煙薯26、商薯19,用作增稠劑時增稠效果較優(yōu)。崩解值越小,代表其溶脹后的淀粉顆粒強(qiáng)度越大、不易破裂,導(dǎo)致其抗剪切性和熱糊穩(wěn)定性好[17]?？娿慬20]研究表明,塊根類淀粉崩解值與慢消化淀粉顯著負(fù)相關(guān),崩解值較低的淀粉能夠緩慢消化吸收、持續(xù)釋放能量。受試品種甘薯淀粉的崩解值變化范圍為69～526 BU,其中,桂粉3號具有最低的崩解值,為381BU。食用以桂粉3號等崩解值較低的淀粉生產(chǎn)的食品,有利于穩(wěn)定餐后血糖。淀粉的回生值越大表示其越容易老化,雖然凝膠性強(qiáng),但易失水、硬度增加[19,21],受試品種甘薯淀粉回生值變化幅度較大,變異系數(shù)為16,其中秦薯5號回生值最低,為241 BU,其次為漯薯11和鄭紅23,這些回生值較低的淀粉用作醬汁等的穩(wěn)定劑時,保水性強(qiáng)。以淀粉為原料加工生產(chǎn)的產(chǎn)品類型非常豐富,建議選擇原料的時候根據(jù)不同品種甘薯淀粉的特征參數(shù)確定其用途,實現(xiàn)物盡其用。

2.3 淀粉磷含量

影響淀粉黏度特征的因素除作物種類(如不同作物導(dǎo)致的淀粉晶型和顆粒大小不同)外,同一種作物間還受品種差異的影響,主要因素為直鏈淀粉和支鏈淀粉的含量[22],但根據(jù)前期研究的結(jié)果,不同品種甘薯淀粉的直鏈、支鏈淀粉含量差異較小,變異系數(shù)僅1.03[23]。另有報道,磷與馬鈴薯淀粉的黏度特征具有顯著相關(guān)性,磷是存在于淀粉中的非碳水化合物結(jié)構(gòu),以磷酸單酯形式結(jié)合于支鏈淀粉后可以增加淀粉的黏度和透明度[24]。

但甘薯淀粉的磷含量鮮有研究,因此測定了不同品種甘薯淀粉的磷含量。結(jié)果表明:24個品種甘薯淀粉磷含量變化幅度較大(82～231 mg/kg)(見圖1),變異系數(shù)達(dá)22.33。總體來講,甘薯淀粉的磷含量高于木薯和山藥淀粉的磷含量[25],低于馬鈴薯淀粉的磷含量[26]。

圖1 24個品種甘薯淀粉磷含量Fig.1 Phosphorus content of starch from 24 varieties of sweet potato

2.4 淀粉磷含量與黏度譜的相關(guān)性

皮爾森(Pearson)相關(guān)性分析表明,淀粉磷含量與其峰值黏度呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)(圖2a),與崩解值(圖2b)和回生值(圖2c)也呈正相關(guān),但相關(guān)性不顯著。Zaidul和Noda等[24-26]的研究結(jié)果表明,馬鈴薯淀粉磷含量與其糊化溫度呈顯著正相關(guān),但甘薯淀粉與馬鈴薯淀粉不同,磷含量與糊化溫度相關(guān)性不顯著(圖2d)。

圖2 甘薯淀粉磷含量與峰值黏度的相關(guān)性擬合曲線Fig.2 Fitting curve of correlation between phosphorus content and peak viscosity of sweet potato starch注：a:磷含量與峰值黏度的擬合曲線;b:磷含量與回生值的擬合曲線; c:磷含量與崩解值的似合曲線;d:磷含量與糊化溫度的擬合曲線。

根據(jù)廖盧艷等[27]的研究,峰值黏度與粉條品質(zhì)極顯著正相關(guān)。因此,淀粉磷含量高的品種生產(chǎn)的粉條可能具有更好的品質(zhì)。結(jié)果提示:磷含量可以作為粉條加工用甘薯品種育種的參考指標(biāo)。除通過育種手段選育淀粉磷含量較高的甘薯品種外,現(xiàn)有研究表明還可以通過施肥調(diào)節(jié)甘薯莖葉和薯塊的磷含量[28],但施肥對甘薯淀粉磷含量的影響尚無相關(guān)研究報道,可作為下一步的研究方向,嘗試通過調(diào)節(jié)磷肥使用量等途徑影響甘薯淀粉磷含量,從而改變其黏度特征。

3 結(jié)論

本研究對24個品種甘薯薯塊及淀粉品質(zhì)進(jìn)行了比較分析,糊化溫度較低的品種有秦薯9號、蘇薯24、煙薯26和濟(jì)薯25,糊化時需要的熱量較少;糊化溫度最高的品種為桂粉3號,熱穩(wěn)定性強(qiáng);峰值黏度最高的為運薯271,其次為濟(jì)薯25、煙薯26、商薯19,用作增稠劑時增稠效果較優(yōu);桂粉3號具有最低的崩解值,制作食品易于穩(wěn)定餐后血糖;秦薯5號、漯薯11和鄭紅23的回生值較低,適于制作穩(wěn)定劑。另外,淀粉磷含量與淀粉糊的峰值黏度呈極顯著正相關(guān),可嘗試通過育種或土肥技術(shù)調(diào)節(jié)磷含量,從而影響淀粉品質(zhì)。

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為,淀粉加工用甘薯只要求淀粉含量高,所以長期以來農(nóng)戶和企業(yè)在引種、加工時對其他指標(biāo)并無過多關(guān)注。隨著企業(yè)技術(shù)和管理水平的提升,已逐漸認(rèn)識到高淀粉含量確實是淀粉及相關(guān)產(chǎn)品加工的基本指標(biāo),但加工品質(zhì)指標(biāo)同樣重要,不同產(chǎn)品對淀粉的品質(zhì)指標(biāo)需求有較大差異,是否選擇了合適的品種關(guān)系到原料能否物盡其用、生產(chǎn)能否提質(zhì)增效以及廢棄物能否實現(xiàn)減量化,與經(jīng)濟(jì)和環(huán)境息息相關(guān)。本研究篩選出各類品質(zhì)特性突出的品種,可以為后續(xù)育種工作提供材料和參考。