馬鈴薯粉品質(zhì)特性研究進(jìn)展

王麗，李淑榮，句榮輝，王輝，汪慧華，賈紅亮，潘妍，田文靜

（北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院食品與生物工程系，北京 102442）

馬鈴薯在世界各地種植廣泛，每年全球產(chǎn)量為3.68億噸，其中中國(guó)產(chǎn)量占比約四分之一，位居世界首位。目前馬鈴薯與小麥、水稻、玉米一起被稱為世界四大農(nóng)產(chǎn)品，也是世界五大農(nóng)作物之一。馬鈴薯富含淀粉、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、脂類、維生素、酚類和生物堿等重要的營(yíng)養(yǎng)成分[1]，但馬鈴薯水分含量約有70%以上，常溫貯藏易于發(fā)芽，產(chǎn)生毒素，因此常被加工成粉末以減少水分來降低運(yùn)輸成本，保證食品安全；以馬鈴薯粉為原料也已開發(fā)出面條、面包、饅頭、蛋糕、松餅、餅干、膨化點(diǎn)心、湯等產(chǎn)品[2,3]。馬鈴薯的農(nóng)藝性狀、化學(xué)性狀和理化性狀的多樣性可以改善馬鈴薯粉的品質(zhì)特性[1,3]，進(jìn)而改善馬鈴薯粉相關(guān)產(chǎn)品的品質(zhì)特性，馬鈴薯基因型的鑒定和篩選是馬鈴薯理想功能和獨(dú)特性的必要條件。本文以馬鈴薯粉為分析對(duì)象，歸納總結(jié)馬鈴薯粉的基本化學(xué)組成、物理特性、加工品質(zhì)特性以及各品質(zhì)特性之間的相互關(guān)系，為馬鈴薯粉更好的加工利用提供一定的依據(jù)。

1 馬鈴薯粉的基本化學(xué)組成

馬鈴薯粉的化學(xué)組成直接受馬鈴薯品質(zhì)特性的影響，也受天氣條件、基因變化、品種培育技術(shù)和土壤條件等影響。研究表明，不同品種馬鈴薯粉品質(zhì)特性差異顯著，并將直接影響到馬鈴薯加工產(chǎn)品的質(zhì)量，具體內(nèi)容見表1。

表1 馬鈴薯粉中化學(xué)組成及作用Table 1 Chemical composition and function of potato powder

2 馬鈴薯粉的物理特性

2.1 質(zhì)量密度

是決定原料用于加工成不同包裝方式和不同攝入量食品的重要依據(jù)[11]。Klang[5]研究結(jié)果顯示質(zhì)量密度和食物攝入量具有相反的作用，質(zhì)量密度的變化范圍是0.60～0.70 g/mL，不同品種間差異不顯著。

2.2 pH值

影響著馬鈴薯粉的功能特性，如食品的可消化性，持水性和持油性及食品的可接受性，不同品種馬鈴薯粉的pH值變化范圍是5.00～5.70，而食品的最佳pH值推薦值為6.00～6.80[11]，因此馬鈴薯粉可以和堿性食品混合加工使用。

2.3 持水性/持油性

該指標(biāo)主要與碳水化合物和蛋白質(zhì)在乳化液中油水界面的吸附能力有關(guān)[12]，反映了油水的結(jié)合能力。持水和持油的能力越好對(duì)復(fù)雜的食品體系越有利，如甜甜圈、蛋糕、麥片粥。Mingle[11]研究結(jié)果顯示不同品種持水性/持油性比值的變化范圍是1.41～1.70，并發(fā)現(xiàn)馬鈴薯粉中高碳水化合物含量使得馬鈴薯粉對(duì)水分的固定性大于對(duì)油的。

2.4 膨脹性

即淀粉顆粒聚合物的非晶態(tài)和晶態(tài)區(qū)域的內(nèi)聚力強(qiáng)度[13]，淀粉顆粒膨脹性的增加與內(nèi)聚力強(qiáng)度增加呈負(fù)相關(guān)[14]。Klang[5]研究結(jié)果表明，淀粉顆粒的膨脹性在30.00 ℃～ 50.00℃沒有發(fā)生明顯的變化。主要原因是淀粉分子之間的氫鍵阻礙了淀粉和水分子之間氫鍵的結(jié)合，進(jìn)而使得膨脹性沒有發(fā)生變化。另外非碳水合物如蛋白質(zhì)、脂類和纖維與淀粉分子的羥基相互作用，阻礙了與水分子的結(jié)合性和膨脹性[15]。

3 馬鈴薯粉的加工品質(zhì)

3.1 流變學(xué)特性

在加熱過程中，馬鈴薯粉的動(dòng)態(tài)模量（G"）和損耗模量（G?）升高到一定溫度后降低，G"表征體系的彈性，G?表征體系的黏性，表明馬鈴薯粉的彈性和黏性隨著溫度的升高先增加后降低，這在很大程度上是由于淀粉顆粒的膨脹和隨后的塌陷導(dǎo)致的。在冷卻過程中，由于糊化淀粉分子的重新排序，G"增加。研究表明馬鈴薯粉的G"、G?比玉米粉高，這可能是由于在玉米粉中存在脂質(zhì)和玉米淀粉顆粒較硬的性質(zhì)。馬鈴薯粉的G"的變化范圍是2467.00～3383.00 Pa，G?的變化范圍是593.00～739.00 Pa，損耗因子（tanδ為損耗模量與動(dòng)態(tài)模量的比值）的變化范圍是0.22～0.25，該值越小，表明彈性越強(qiáng)，該值越大，說明黏性越大；動(dòng)態(tài)粘度（η"）的變化范圍是4.58～11.15 Pa·s，該值越大，表明流動(dòng)性越大。不同品種G"、G?和η"的數(shù)值差異顯著，這些差異可能是由于它們的天然顆粒大小和形狀的不同。馬鈴薯粉中大淀粉顆粒的存在可能是造成G"和G?值高于玉米粉的原因[10]。

馬鈴薯粉中具有較低的轉(zhuǎn)變溫度（起始溫度T0、峰值溫度Tp、結(jié)束溫度Tc）而具有較高的糊化焓（ΔHgel），淀粉的高轉(zhuǎn)變溫度是由于較高的結(jié)晶度，這提供了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并使顆粒更難以凝膠化，這可能影響了淀粉顆粒的膨脹性，從而引起了馬鈴薯粉流變學(xué)性質(zhì)的變化。馬鈴薯粉含有較多數(shù)量的小顆粒可能是導(dǎo)致具有低的G"、G?和η"的原因。馬鈴薯粉的Tanδ隨著頻率的增加而降低。高G"、G?和η"和低的Tanδ表明淀粉顆粒具有更硬的黏度結(jié)構(gòu)。馬鈴薯淀粉的流變性與顆粒結(jié)構(gòu)、直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例以及磷酸鹽酯的存在有關(guān)[16]。

3.2 黏度特性

馬鈴薯粉的黏度特性（如糊化溫度、峰值黏度、保持黏度、衰減值、最低黏度、回升值、穩(wěn)定性、回升率等）主要用于估算產(chǎn)品的黏度和烹飪特性，也用于歸納總結(jié)食品配方中馬鈴薯粉的功能特性。馬鈴薯粉的糊化溫度一般與淀粉的顆粒大小、直鏈淀粉/支鏈淀粉比值和淀粉-脂類或淀粉-蛋白質(zhì)的相互作用有關(guān)，為食品加工和凝膠化的最低溫度提供一定的信息[17]。Shimelis[18]研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯粉的糊化溫度為70.90 ℃～ 77.87℃，Eke-Ejiofor[19]研究發(fā)現(xiàn)木薯粉的糊化溫度為70.20 ℃，木薯比馬鈴薯中含有更低的蛋白質(zhì)和脂類，降低了淀粉-脂類或淀粉-蛋白質(zhì)的相互作用而使得木薯粉的糊化溫度較低。Tumwine[20]研究發(fā)現(xiàn)谷物中含有大量酚類化合物，可能會(huì)阻礙淀粉分子的熱量轉(zhuǎn)換，進(jìn)而影響谷物的糊化。

峰值黏度表征馬鈴薯粉中直鏈淀粉含量、持水能力和淀粉膨脹性的重要指標(biāo)[21]，也預(yù)示著淀粉在凝膠形成過程中達(dá)到最大的粘度值。Klang[5]研究發(fā)現(xiàn)不同品種馬鈴薯粉的峰值黏度的變化范圍是550.00 cP～3990.50 cP，其中直鏈淀粉含量高的品種具有較高的峰值黏度，不同品種峰值黏度差異顯著的主要原因是磷、直鏈淀粉、脂類和蛋白質(zhì)組成，山藥淀粉的研究也得到的同樣的結(jié)論[22]。Tumwine[20]研究發(fā)現(xiàn)直鏈淀粉的含量較低的品種具有較低的峰值黏度，而直鏈淀粉是對(duì)持水性和膨脹性有主要作用的物質(zhì)。具有較低的峰值黏度更加適合嬰兒食品的配方，而具有較高峰值黏度的品種更加適合蛋糕和面包的配方。

最終黏度是指經(jīng)過一定溫度保持后的黏度，該指標(biāo)也表征了淀粉穩(wěn)定性，間接的提供了直鏈淀粉/支鏈淀粉比值的信息[23]。Tumwine[20]研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯粉最終黏度的變化范圍是1053.00～4543.00 cP，最終黏度偏小的主要原因是淀粉顆粒被破壞，導(dǎo)致凝膠化溫度早已經(jīng)達(dá)到，說明最終黏度高的樣品可能更適合用于加工面包和熟食肉制品。

衰減值指淀粉凝膠化后黏度的降低程度，該降低程度可以預(yù)測(cè)面團(tuán)凝固和被酶消化的難易程度[24]。從研究結(jié)果可以看出，衰減值降低較小的樣品更加適合加工嬰幼兒食品，因?yàn)樗鼈兙哂休^低的黏性并易于消化吸收[25]。

回升值與直鏈淀粉含量和鏈長(zhǎng)呈正相關(guān)[26]。該指標(biāo)是反映淀粉的降解程度或者是淀粉經(jīng)糊化后，舒展的分子鏈重新定向排列，形成微晶結(jié)構(gòu)的過程。該指標(biāo)進(jìn)一步證實(shí)衰減值。Tumwine[20]研究結(jié)果顯示，不同樣品回升值的變化范圍是503.00 cP～1762.00 cP，該指標(biāo)表明樣品在處理過程中直鏈淀粉降解作用程度，低的回升值意味著低的降解程度，因此更加適合作為嬰幼兒食品的配方。

保持黏度指剪切最后階段的黏度，不同樣品間的變化范圍為0.00～3198.00 cP，各樣品差異顯著的主要原因是膨脹淀粉顆粒化學(xué)鍵的穩(wěn)定性、營(yíng)養(yǎng)組成的差異所導(dǎo)致的，尤其是蛋白質(zhì)和脂類保護(hù)了淀粉顆粒，使得淀粉在糊化階段很難被水解。高的剪切力值意味著膨脹的淀粉可以抵擋低的溫度變化和剪切力[27]。

回生率和穩(wěn)定性是表征淀粉能力的重要指標(biāo)，因此給維持淀粉結(jié)構(gòu)和加工利用提供了很好的建議?；厣实臏p少可能歸因于直鏈淀粉分子中α-1→4糖苷鍵在加工過程中的水解而減少。另外研究發(fā)現(xiàn)具有高回升率的樣品受其中直鏈淀粉含量的比例影響，使得樣品具有較高的最終黏度而不推薦作為嬰幼兒食品的配方。穩(wěn)定性受支鏈淀粉含量、淀粉鏈分支的長(zhǎng)度和磷含量的影響[28]，具有高穩(wěn)定性的樣品在加工過程中具有較高的凝膠穩(wěn)定性[27]。

3.3 熱力學(xué)特性

馬鈴薯粉的熱力學(xué)主要轉(zhuǎn)化階段取決于淀粉的凝膠特征。研究結(jié)果表明，制備得到的馬鈴薯粉中淀粉的凝膠溫度和焓值轉(zhuǎn)化階段比分離出的淀粉的數(shù)值低，因?yàn)榉勰┲械钠渌堑矸鄱嗵?、蛋白質(zhì)等稀釋了反應(yīng)[29]。Méndez-Montealvo[30]研究結(jié)果表明所有的處理方法與對(duì)照相比均可以增加峰值溫度，降低焓值，同樣該結(jié)果也與物質(zhì)的屬性和淀粉的組成密切相關(guān)，其他因素如顆粒的類型和大小，異質(zhì)性程度，淀粉與脂類、蛋白質(zhì)和纖維的相互作用類型，都將影響著熱力學(xué)特性。

3.4 微觀特性（SEM）

圖1 馬鈴薯粉的淀粉微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of starch in potato flour

微觀結(jié)構(gòu)特征是粉末通過電子掃描顯微鏡觀察馬鈴薯粉中淀粉結(jié)構(gòu)的變化情況。Trancoso-Reyes[31]研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯粉中的淀粉顆粒具有不同的大小，主要是橢圓和多邊形的形狀（如圖1所示）。Lee[32]研究表明馬鈴薯淀粉的顆粒表面光滑無(wú)裂紋即顆粒保持完好。馬鈴薯粉的微觀結(jié)構(gòu)受預(yù)處理時(shí)間的增加而發(fā)生明顯的變化，如水熱處理由于凝膠化影響著結(jié)構(gòu)和淀粉顆粒的多孔性，影響著他們的完整性和初始形狀；當(dāng)蒸汽和微波處理6.00 min將影響著以淀粉顆粒形式出現(xiàn)的顯著損失，同樣顯著影響著熱力學(xué)特性和X-射線衍射結(jié)果[31]。在微觀結(jié)構(gòu)圖中，當(dāng)預(yù)處理時(shí)間為4.00 min比預(yù)處理時(shí)間為2.00 min的樣品中有更多的膨脹淀粉顆粒，預(yù)處理時(shí)間為6.00 min的樣品具有更高的淀粉凝塊，主要原因是長(zhǎng)時(shí)間的水熱處理導(dǎo)致糊化淀粉的產(chǎn)生（如圖2所示）。

圖2 不同處理時(shí)間對(duì)馬鈴薯淀粉微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.2 Effects of different treatment time on the microstructure of potato starch

4 不同樣品品質(zhì)特性之間的相關(guān)性

4.1 理化品質(zhì)特性間的相關(guān)性

馬鈴薯粉中含有淀粉、蛋白質(zhì)、脂類、灰分、纖維等多種成分，各組分在溶液中會(huì)相互作用，相互之間促進(jìn)或抑制功能特性，進(jìn)而影響馬鈴薯粉的加工特性。Svihus[33]研究發(fā)現(xiàn)粉末中的蛋白質(zhì)含量與直鏈淀粉含量（r=0.78）和持水性（r=-0.77）具有顯著的相關(guān)性，主要原因是蛋白質(zhì)和脂類存在于淀粉分子的表面，與淀粉分子形成復(fù)合物結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)遮蓋了淀粉成分的親水基團(tuán)限制了其與水的相互作用。另外，蛋白質(zhì)中具有較多的非極性氨基酸因?yàn)椴荒苁`更多的水分子而降低淀粉的親水性[34]。Klang[5]研究發(fā)現(xiàn)灰分含量與蛋白質(zhì)（r=0.70），直鏈淀粉含量（r=0.71），持水性（r=-0.52）呈顯著的相關(guān)性?；曳质侵参锘騽?dòng)物組成中的無(wú)機(jī)物質(zhì)，其代表性成分是金屬離子。在細(xì)胞中，金屬離子和蛋白質(zhì)、淀粉相結(jié)合，如血紅蛋白中的鐵和淀粉表面磷的存在方式，這些金屬離子阻礙了粉末持水能力[35]。

淀粉的兩個(gè)主要成分直鏈淀粉和支鏈淀粉。直鏈淀粉代表著少部分組分和小分子質(zhì)量，當(dāng)粉末中富含直鏈淀粉時(shí)將具有較低的分子質(zhì)量。pH和可滴定酸度受化合物中電離勢(shì)和有機(jī)酸的影響，直鏈淀粉中具有磷離子，表面有蛋白質(zhì)，這些物質(zhì)在一定條件下會(huì)發(fā)生離子化進(jìn)而影響pH和可滴定酸度。粉末中含有較高的直鏈淀粉時(shí)具有很強(qiáng)的降解趨勢(shì)，因此降低了水分的保留水平。直鏈淀粉含量越高，在較高的溫度條件下具有較低的持水性，研究發(fā)現(xiàn)直鏈淀粉與持水性（r=-0.91）有顯著的負(fù)相關(guān)性[5]。

還原糖是表面含有羥基的化合物，這些極性基團(tuán)具有很強(qiáng)的結(jié)合和保留水分子的能力，還原糖與持水性具有顯著的正相關(guān)性（r=0.51）[18]。同樣纖維和還原糖（r=0.79）、質(zhì)量密度（r=0.70）呈顯著的正相關(guān)。纖維是具有較高分子質(zhì)量的化合物，他們將增加質(zhì)量密度，富含纖維的粉末會(huì)形成不穩(wěn)定的凝膠并且在一定溫度條件下他們會(huì)重新結(jié)合水分。質(zhì)量密度和pH（r=-0.88）、可滴定酸度（r=-0.71）、持水性（r=0.77）具有顯著的相關(guān)性，質(zhì)量密度受分子大小和營(yíng)養(yǎng)成分的影響，尤其是脂肪、蛋白質(zhì)和碳水化合物。碳水化合物具有很強(qiáng)的親水性和與水的相互作用，這些化學(xué)成分具有較差的電離能力因此降低pH值。pH與持水性具有顯著的負(fù)相關(guān)性(r=-0.85)，因此，持水性的最高峰表現(xiàn)在7.00～7.50[5]。pH值的降低將導(dǎo)致親水基團(tuán)離子化的改變，因此導(dǎo)致固定水分子的能力降低?？傻味ㄋ岫扰c持水性、持油性均呈顯著的負(fù)相關(guān)，可滴定酸度受植物組成中的有機(jī)化合物的影響，如乳酸。這些極性有機(jī)化合物與水的相互作用很弱，進(jìn)而導(dǎo)致低的凝膠黏度。

4.2 理化品質(zhì)特性與加工品質(zhì)特性間的相關(guān)性

研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)添加馬鈴薯粉可以改善面包、饅頭、面條的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、口感、彈性、柔軟度、適口性和貨架期等。Liu[36]研究表明添加0.00%～35.00%的馬鈴薯粉可以顯著影響?zhàn)z頭的品質(zhì)；Liu[37]，Curti[38]研究表明，當(dāng)添加15.00%～20.00%馬鈴薯粉時(shí)，面包的品質(zhì)最好。同時(shí)，適量的添加馬鈴薯粉可以減緩面包的老化程度，有助于保持面包的新鮮度，還能帶來一種獨(dú)特的、令人愉悅的味道，并改善烤面包的質(zhì)量，延長(zhǎng)貨架期[3]。Xu[39]研究表明，添加馬鈴薯粉可以改善面條的口感和風(fēng)味，當(dāng)馬鈴薯粉添加量為35.00%左右時(shí)，面條具有很好的品質(zhì)。

碳水化合物是親水性化合物，在其表面上有羥基可以束縛水分子的能力，因此可以增加膨脹性。淀粉分子中的直鏈淀粉/支鏈淀粉比值影響著其功能特性，尤其是膨脹能力和穩(wěn)定性。直鏈淀粉含量和膨脹力（r=0.81）間具有顯著的相關(guān)性，當(dāng)在高溫條件下，富含直鏈淀粉顆粒分子打開，逐漸釋放直鏈淀粉分子；直鏈淀粉在較低溫度條件下將重新組合導(dǎo)致最終黏度增加和膨脹度降低[31]。淀粉與酚類化合物（r=0.67）和糊化溫度（r=0.69）呈顯著的相關(guān)性。酚類化合物是極性化合物限制了水-淀粉的相互作用，因此限制了淀粉的膨脹。由于酚類化合物分子的束縛將需要較高的溫度形成凝膠[5]。糊化溫度與膨脹力呈顯著的負(fù)相關(guān)（r=-0.66），當(dāng)?shù)矸鄯肿拥哪z性達(dá)到最高峰值時(shí)也具有較高的膨脹性，同時(shí)看到分子化合物的斷裂和散開而變成他們?cè)嫉臓顟B(tài)，這個(gè)高的膨脹性將導(dǎo)致較低的凝膠化溫度。

峰值黏度和保持黏度與直鏈淀粉含量相關(guān)，而膨脹性和支鏈淀粉含量相關(guān)，峰值黏度和保持黏度具有顯著的正相關(guān)性（r=0.98）。峰值黏度代表了凝膠化溫度的黏度，淀粉的膨脹性越高，峰值黏度越大，保持黏度表征當(dāng)溫度下降時(shí)凝膠的穩(wěn)定性。衰減值與最終黏度（r=0.97）、回升值（r=0.87）呈顯著的正相關(guān)。衰減值反映淀粉抵抗剪切和溫度的能力，衰減值導(dǎo)致直鏈淀粉分解釋放水分并回歸到原始狀態(tài)。最終黏度提供了淀粉凝膠的能力，回升值反映了淀粉分解的能力[5]。當(dāng)超過淀粉最終凝膠化溫度時(shí)，淀粉分子，尤其是富含直鏈淀粉的，分解加速并釋放了他們的含量。再變大的直鏈淀粉分子重新相互結(jié)合導(dǎo)致最終黏度增加[27]。Srichuwong[40]證明最終黏度和回升值具有顯著的正相關(guān)，主要原因是分解的淀粉分子顆粒的重新結(jié)合。最終黏度和回升值具有顯著的正相關(guān)（r=0.96）可以被解釋為富含淀粉的粉末具有較高比例的直鏈淀粉分解而使得在較低溫度下具有較高一致性的凝膠特性。

5 結(jié)論

淀粉是馬鈴薯的主要成分，其對(duì)馬鈴薯粉的物理化學(xué)特性具有很大的影響。研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯淀粉的分子結(jié)構(gòu)、組成、微觀結(jié)構(gòu)、流變學(xué)性能、熱特性等性質(zhì)的顯著差異影響了馬鈴薯粉性質(zhì)的差異[1,10]。未來的研究應(yīng)該探索馬鈴薯中淀粉的結(jié)構(gòu)和功能特性，進(jìn)一步探討馬鈴薯淀粉與馬鈴薯粉品質(zhì)特性之間的關(guān)系，將馬鈴薯粉開發(fā)新的 “ 健康 ” 食品，如馬鈴薯粉可用于制作面包、面條和餅干等一系列產(chǎn)品[3]，以馬鈴薯粉代替小麥粉可提高產(chǎn)品的膳食纖維和多酚含量等營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。