8個品種甘薯淀粉的理化性質及其相關性分析

張令文,琚 星,李欣欣,胡新月,計紅芳,畢繼才,馬漢軍

(河南科技學院食品學院,河南新鄉(xiāng) 453003)

甘薯(IpomoeabatatasL.)是一種雙子葉植物,屬于旋花科,是人類和動物營養(yǎng)豐富的食物來源,是世界上第六大重要的農作物[1-2]。我國大部分地區(qū)均可種植甘薯,其中,南方產區(qū)以種植食用型品種為主,北方產區(qū)以淀粉加工型為主,長江流域產區(qū)兼有加工與食用品種[3]。我國甘薯產量約占世界總產量的90%,年產量達1.17億噸。

淀粉是甘薯塊莖的主要成分,占其干重的50%～80%[2-3]。甘薯淀粉可廣泛用于面條、焙烤食品、糖果產品、紡織行業(yè)等[4-5]。國內外學者對甘薯淀粉的制備、性質改良等進行了廣泛深入的研究。超聲波不僅能夠引起甘薯淀粉表面出現孔洞和裂紋,而且導致甘薯淀粉的短程分子有序度和有序分子結構更加明顯[6];噴霧干燥可增加甘薯淀粉的糊化溫度,但降低了糊化焓值;增加預熱溫度,可提高甘薯淀粉的溶解度和膨脹度[7];干熱處理提高了甘薯淀粉的糊化溫度和透光率,但降低了黏度、溶解度和膨脹度[8]。然而,人們對不同品種甘薯淀粉的理化性質了解有限。周嬋媛等研究發(fā)現,白心薯、紅心薯和紫心薯等三種甘薯來源淀粉的凝沉性、透明度、溶解度、膨潤度、表觀黏度、凍融穩(wěn)定性等物理特性存在顯著差異[9];余樹璽等研究表明,不同品種(盧選1號、徐薯22、冀薯65和冀薯98)甘薯淀粉的成分和物化性質與其粉條品質間具有相關性[10];甘薯淀粉的糊化參數與直鏈淀粉和支鏈淀粉含量間均無顯著差異[11]。盡管國內外學者在甘薯淀粉的分離制備和物化性質等方面開展了大量的研究工作,但對不同品種甘薯淀粉的結構性質和功能特性進行系統研究的文獻相對較少,這不利于充分利用優(yōu)良甘薯品種,一定程度上也造成甘薯原料的浪費。

本文探討了我國東部地區(qū)8個品種甘薯淀粉的主要結構參數(顆粒形態(tài)大小、直鏈淀粉含量)和淀粉的功能特性(糊化、溶解性、膨脹度、凍融穩(wěn)定性和質構特性),分析了甘薯淀粉的主要結構參數與功能特性之間的關系,以期為我國甘薯淀粉的開發(fā)利用提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

8個品種甘薯:濟薯5號、蘇薯8號、徐薯18號、商薯19S、商薯19H、龍巖73號、濟薯21號、龍薯9號(2015年產) 由山東棗莊山亭甘薯合作社提供,貯藏一個月后提取淀粉;馬鈴薯直鏈淀粉 分析純,Sigma公司;馬鈴薯支鏈淀粉 分析純,Fluka公司;其他試劑 均為國產分析純。

101-2A電熱鼓風干燥箱 天津市通利信達儀器廠;BSA124S電子天平 賽多利斯科學儀器有限公司;BT-9300H激光粒度分析儀 丹東百特儀器有限公司;Quanta 200型掃描電鏡 美國FEI公司;D8 Adance X-射線衍射儀 德國Bruker公司;STA449C差示掃描量熱儀 德國NETZSCH公司;Lambda 35紫外/可見分光光度計 美國珀金埃爾默公司;Super 3快速黏度分析儀 澳大利亞新港科技公司;TA-XT2i質構儀 英國Stable Micro System。

1.2 實驗方法

1.2.1 甘薯淀粉分離 采用Abegunde等[1]法并進行了一定修改。將甘薯塊莖洗凈,切成小塊(長×寬×高:0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm),放入0.1%(w/v)亞硫酸氫鈉溶液(500 g塊莖,500 mL溶液)處理10 min后用勻漿機勻漿3 min。所得漿液用100 目篩過濾3次得懸浮液,然后在25 ℃下沉淀18 h。收集沉淀,45 ℃干燥48 h后粉碎、過150 目篩,裝入塑料瓶中,置于4 ℃下,備用。

1.2.2 水分、灰分、總淀粉和表觀直鏈淀粉含量測定 淀粉水分和灰分測定分別采用AACC法44-15A和AOAC法923.03[12-13],表觀直鏈淀粉含量按AACC法61-03[12]進行測定。每個樣品平行3次。

1.2.3 顆粒大小 采用激光粒度分析儀以去離子水為溶劑,對甘薯淀粉顆粒的粒度進行分析。每個樣品平行3次。

1.2.4 顆粒形貌 樣品用雙膠帶活性炭固定在掃描電鏡(SEM)的樣品盤上,然后噴一層金,在電壓為15 kV下觀察淀粉顆粒形貌。

1.2.5 結晶特性 采用X射線衍射儀測定淀粉粉末的X射線圖譜。測定條件:40 kV,40 mA,掃描速率3 °/min,步長0.02°,衍射角(2θ)為4°～45°。

1.2.6 糊化性質 利用快速黏度分析儀測定淀粉的糊化性能[14]。在RVA鋁盒中加入3 g淀粉樣品(干基)后加入25 mL去離子水,用塑料槳攪拌均勻?；鞈乙涸?0～95 ℃范圍內加熱,升溫速率為6 ℃/min,在95 ℃下保持5 min,再以相同的升溫速率冷卻至50 ℃,在50 ℃下保溫2 min。每個樣品做3次平行。

1.2.7 凝膠質構 參考Zhang等[15]法并稍作修改。將RVA分析后的淀粉糊冷卻至室溫,并覆蓋保鮮膜,4 ℃保存48 h,去除薄膜后取出凝膠,置于測試板上。利用質構儀選擇P50探頭進行分析。測試前后的速度為4 mm/s,測試中的速度為1 mm/s。通過質構分析軟件計算硬度、內聚性、膠著性、咀嚼性和回復性。每個樣品重復3次。

1.2.8 溶解度和膨脹度 淀粉的溶解度和膨脹度參考文獻方法并稍作修改[16]。將0.50 g淀粉(干基)與30 mL去離子水混合,分別在55、65、75、85、95 ℃水浴中加熱20 min,并不斷攪拌。所得糊液冷卻至25 ℃,并在4800 r/min離心30 min。上清液倒入稱量皿中,105 ℃烘干4 h。分別對烘干的上清液和沉淀物進行稱重。溶解度(Sol,%)、膨脹度(SP,g/g,干基)計算如下:Sol(%)=100×干上清液質量/干淀粉質量;SP(g/g)=沉淀物重量/[干淀粉質量×(1-Sol/100)]。每個樣品做3次平行。

1.2.9 凍融穩(wěn)定性 采用Hoover等[17]法并進行了一些修改。10%(w/w)淀粉懸浮液在100 ℃下加熱20 min(保持體積不變),冷卻至25 ℃后在4 ℃保存16 h,接著在-18 ℃下冷凍24 h,隨后在25 ℃下解凍6 h,完成一次凍融循環(huán)。將經三次凍融循環(huán)處理的樣品轉移至離心機,在4000 r/min條件下離心20 min,計算析水率。通過析水率分析淀粉的凍融穩(wěn)定性。每個樣品重復3次。

表1 不同品種甘薯淀粉的化學組成(w/w,%)Table 1 The analysis of chemical composition of starch from different sweet potato cultivars(w/w,%)

1.3 數據分析

試驗數據采用單因素方差分析(ANOVA),以平均值±標準差表示。使用SPSS 13.0的Pearson分析相關關系,進行LSD檢驗,P<0.05。

2 結果與分析

2.1 不同品種甘薯淀粉的化學組成

8個品種甘薯淀粉的主要化學組成如表1所示。甘薯淀粉水分含量約為5%,純度較高(總淀粉含量>88%)。研究發(fā)現,徐薯18號品種的水分含量低于文獻中的數據(其值為8.7%[1]和6.25%[18])。這種差異可能與干燥方法和淀粉的水結合能力不同有關[19]。

圖1 不同品種甘薯淀粉的掃描電鏡圖Fig.1 Scanning electron micrographs of starch from different sweet potato cultivars

淀粉中直鏈淀粉含量差異顯著,其值介于17.73%～26.64%之間,與文獻報道的結果相近[20]。8種甘薯淀粉中,龍巖73的直鏈淀粉含量最高,顯著高于其他品種(P<0.05),而徐薯18的直鏈淀粉含量最低(表1)。淀粉的直鏈淀粉含量在影響淀粉的功能性質方面起著重要作用。直鏈淀粉含量高的淀粉凝膠強度高[21-22]。甘薯淀粉直鏈淀粉含量的差異可能與基因類型、環(huán)境因素和淀粉處理方法有關[20,23]。

2.2 不同品種甘薯淀粉的形態(tài)和粒徑分布

不同品種甘薯淀粉顆粒的掃描電鏡如圖1所示。8個品種甘薯淀粉的形態(tài)稍有差異。這些淀粉由小顆粒、中顆粒和大顆粒組成,呈橢圓形、半球形、五角形和六角形等形狀,表面光滑(見圖1)。濟薯5和商薯19H的淀粉顆粒較大的多呈橢圓形和半球形,多邊形的較少;而龍巖73較小的多呈多邊形(見圖1)。這與文獻報道的關于甘薯淀粉顆粒形貌的文獻一致[15,24]。

表2 不同品種甘薯淀粉的顆粒大小Table 2 Granule size of starch from different sweet potato cultivars

表3 不同品種甘薯淀粉的糊化特性Table 3 Pasting properties of starch from different sweet potato cultivars

不同品種甘薯淀粉的粒度分布特征相似,顆粒大小在品種間存在顯著差異(表2)。商薯19H的平均粒徑最大(14.88 μm),其粒徑范圍為3.42～36.07 μm。龍薯9號的平均粒徑最低(8.78 μm),其粒徑范圍僅為1.45～18.97 μm。本試驗測得的所有樣品的平均粒徑為12.65 μm,與Noda等[25]報道相似,但是大于Abegunde等[1]研究的結果。這可能與甘薯遺傳基因、生長環(huán)境和淀粉分離方法的不同有關[26]。

2.3 不同品種甘薯淀粉的結晶特性

可利用X-射線衍射技術研究淀粉的顆粒特性[27]。通過XRD分析,通常存在A、B和C型等三種類型淀粉。A型淀粉主要來自谷類,2θ在15°和23°左右有較強的衍射峰,在17°和18°左右有未分解的雙峰。B型淀粉主要來自塊狀淀粉和高直鏈淀粉,2θ在約17°處產生最強的衍射峰,在15°、20°、22°和24°附近有幾個小的峰,在約5.6°處具有特征峰。C型淀粉主要來自豆類、根、部分果實和莖,同時含有A型和B型多態(tài)性。C型淀粉2θ在17°和23°左右有較強的衍射峰,在5.6°和15°左右有少量小的衍射峰[28]。

圖2為不同品種甘薯淀粉的X射線衍射圖。8種甘薯淀粉2θ在15°、17°和23°左右均表現出較強的峰值。另外,在23°附近只有一個較強的衍射峰。分析表明,這些淀粉的晶體類型為典型的A型。這與肖瑀等[29]、Gou等[30]報道的結果相同,而Noda等[31]研究發(fā)現甘薯淀粉的晶型為C型。這可能與甘薯品種來源、種植和收獲日期不同有關[25]。

甘薯淀粉的相對結晶度在不同品種間存在差別(見圖2)。8個不同品種甘薯淀粉的相對結晶度在27.85%～35.6%之間。其中蘇薯8甘薯淀粉具有最低的相對結晶度,商薯19S和商薯19H甘薯淀粉具有較高的相對結晶度,龍薯9甘薯淀粉具有最高的相對結晶度。本研究所測定的甘薯淀粉的結晶度數據接近于Ye等[32]報道的結果,但與Wang等[6]和Gou等[8]報道的數據存在較大差別。淀粉的相對結晶度除與植物來源有關外,淀粉的水分含量、結晶結構測試手段和結晶度計算方法等也會影響淀粉的結晶度大小。

圖2 不同品種甘薯淀粉的X-射線衍射圖譜Fig.2 X-ray diffraction patterns of starch from different sweet potato cultivars注:(a)濟薯5,(b)蘇薯8,(c)徐薯18,(d)商薯19S,(e)商薯19H,(f)龍巖 73,(g)濟薯21,(h)龍薯9。

2.4 不同品種甘薯淀粉的糊化特性

糊化特性是淀粉的重要流變性能之一,直接影響淀粉的加工性能和產品質量。用RVA測定甘薯淀粉的糊化特性如表3所示。結果表明,不同品種甘薯淀粉的糊化特性差異顯著。所測樣品的峰值黏度范圍為4418～7323 cP,其中蘇薯8顯著高于其他品種(P<0.05),濟薯5顯著低于其他品種(P<0.05)。所測甘薯淀粉的谷值黏度范圍為1963～3776 cP,破損值范圍為2455～3955 cP。最終黏度和回生值分別在2657～4334和558～916 cP之間。此外,被測樣品的糊化溫度范圍為68.75～77.73 ℃,其中商薯19H淀粉糊化溫度最高,龍薯9淀粉糊化溫度最低。

2.5 不同品種甘薯淀粉凝膠的質構特性

表4 不同品種甘薯淀粉的凝膠質構特性Table 4 Gel textural-properties of starch from different sweet potato cultivars

不同品種甘薯淀粉凝膠的質構參數測定結果如表4所示。甘薯淀粉凝膠在不同品種間差異較大。龍巖73的硬度最高(559.03 g),膠著性(513.18 g)和咀嚼性(421.69)也最高,而蘇薯8號的硬度(165.21 g)和膠著性(164.95 g)最低。凝膠回復性范圍為0.69(龍巖73)～0.87(濟薯 21)。蘇薯8號的內聚性最高(1.00),龍薯9號(0.99)次之。淀粉凝膠的力學性能可能與直鏈淀粉含量和支鏈淀粉的結構有關[33]。另有研究表明,長鏈支鏈淀粉含量與蒸煮大米的硬度呈正相關,而直鏈淀粉尺寸大小與蒸煮大米的硬度呈負相關[34];直鏈淀粉峰的第一個峰的聚合度與甘薯淀粉凝膠的硬度呈顯著負相關(r=-0.562,P<0.05),與膠著性呈極顯著負相關(r=-0.681,P<0.01);支鏈淀粉峰的第二峰高與甘薯淀粉凝膠的膠著性呈負相關(r=-0.659,P<0.05)[35]。

表5 不同品種甘薯淀粉的溶解度Table 5 Water solubility of starch from different sweet potato cultivars

表6 不同品種甘薯淀粉的膨脹度Table 6 Swelling power of starch from different sweet potato cultivars

2.6 不同品種甘薯淀粉的溶解度和膨脹度

溶解度反映了淀粉在膨脹過程中溶解的程度,膨脹度表示淀粉的持水能力;它們均體現凝膠化特性[2]。甘薯淀粉在55、65、75、85和95 ℃時的溶解度和膨脹度見表5和表6。結果表明,甘薯淀粉的溶解度和膨脹度均隨溫度的升高而增大,這與Lai等報道相似[2]。在95 ℃時,溶解度和膨脹度的數值最大。95 ℃下的溶解度為8.40%(濟薯21)～13.89%(濟薯5)之間,95 ℃下膨脹度為12.53～21.28 g/g。龍薯9號在95和55 ℃時的膨脹度顯著高于其他品種(P<0.05),而濟薯5在95和55 ℃時的溶解度高于其他品種。淀粉膨脹度和溶解度的差異與淀粉的直鏈淀粉含量、磷和顆粒性質的差異有關[36]。

2.7 不同品種甘薯淀粉的析水性

脫水收縮與凍融穩(wěn)定性有關,可作為淀粉回生的指標[17,37]。不同品種甘薯淀粉的析水率隨凍融循環(huán)處理次數的增加而增加,品種間甘薯淀粉析水率不同(表7)。經1次凍融循環(huán)處理后,商薯19S甘薯淀粉的析水率最高(75.62%);濟薯21、蘇薯8、商薯19H的甘薯淀粉析水率較高,分別為75.20%、73.52%、73.40%;徐薯18甘薯淀粉的析水率最低(70.89%)。經3次凍融處理后,商薯19S的析水率最高(83.96%),龍巖73次之,龍薯9最低(78.06%)。 由表7可知,龍薯9號甘薯淀粉的凍融穩(wěn)定性較好,更適宜加工冷凍食品。

表7 不同品種甘薯淀粉凝膠的析水性Table 7 Thegel syneresis of starchfrom different sweet potato cultivars

表8 不同甘薯淀粉性質間的相關系數Table 8 Correlation coefficients among different properties of the various sweet potato starches

2.8 甘薯淀粉各項特性間相關性分析

甘薯淀粉各項理化性質間關系的Pearson相關系數如表8所示。直鏈淀粉含量與淀粉糊的回生值、凝膠的硬度、膠著性、咀嚼性和析水率均呈顯著正相關,相關系數(r)分別為0.807、0.721、0.722、0.734、0.803;但與凝膠回復性呈顯著負相關(r=-0.832,P<0.05)。Sandhu也報道了直鏈淀粉與硬度間類似的正相關關系[38]。直鏈淀粉含量與回生值間的關系與文獻報道相似[39]。

甘薯淀粉顆粒的平均粒徑與谷值黏度、最終黏度、內聚性及膨脹度間均呈負相關,相關系數分別為-0.838、-0.778、-0.762、-0.775,而與糊化溫度呈顯著正相關(r=0.769,P<0.05)。周文超發(fā)現,小米淀粉顆粒的中位徑與糊化性能沒有顯著相關性[40]。

不同品種甘薯淀粉糊化參數間存在相關性。峰值黏度與谷值黏度、破損值和最終黏度間均呈正相關,相關系數分別為0.871、0.807、0.907;甘薯淀粉的谷值黏度與最終黏度,回生值與糊化溫度間也具有正相關關系。而Sandhu等研究報道,淀粉回生值與糊化溫度間呈負相關關系[38]。

不同品種甘薯淀粉糊化參數與凝膠質構參數間具有相關關系。甘薯淀粉回生值與凝膠硬度、膠著性、咀嚼性均具有正相關關系,相關系數分別為0.838、0.826、0.802。此外,甘薯淀粉凝膠質構參數間也存在相關關系。甘薯淀粉凝膠的硬度與膠著性呈正相關(r=0.994,P<0.01),而與內聚性、回復性卻具有負相關關系。膠著性與內聚性呈負相關關系(r=-0.823,P<0.05),而與咀嚼性具有正相關關系(r=0.720,P<0.05)。

3 結論

不同品種甘薯淀粉糊化特性指標間有明顯差異。甘薯淀粉的峰值黏度分布范圍為4418～7323 cP,最終黏度在2657～4334 cP之間,回生值在558～916 cP之間,糊化溫度在68.75～77.73 ℃之間。在試驗范圍內,隨溫度增加,甘薯淀粉的溶解度和膨脹度均增大。隨凍融循環(huán)次數的增加,供試品種甘薯淀粉的析水率均逐漸增大。經過3次凍融循環(huán)后,商薯19S的析水率最大,龍薯9的析水率最低。甘薯淀粉的直鏈淀粉含量和粒徑大小與糊化參數、質構參數、溶解度和膨脹度間確實存在多種相關性?？筛鶕适淼矸鄄煌再|指標間的相關關系,通過一種性質推測其另一種性質。此外,不同品種甘薯淀粉的精細結構及其與糊化和質構特性間的相關關系有待進一步研究。