14種不同馬鈴薯全粉的理化特性差異分析

施楊琪 黃茜蕊 茹煒崠 張 瑜 柴立紅 錢瓊秋 包勁松,,*

(1 浙江大學(xué)應(yīng)用生物科學(xué)系，浙江 杭州 310058；2 浙江大學(xué)原子核農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，浙江 杭州 310058)

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)是僅次于水稻、玉米和小麥的世界第四重要糧食作物，更是主要糧食作物中唯一的塊莖作物[1-2]。根據(jù)2017年FAO統(tǒng)計報告顯示，全世界馬鈴薯總產(chǎn)量達(dá)到38 819.1萬t，而近1/3的馬鈴薯產(chǎn)于中國和印度，我國已經(jīng)成為世界上馬鈴薯產(chǎn)量最高的國家[3]。馬鈴薯營養(yǎng)價值豐富，除富含淀粉外，還含有礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)、多種抗氧化活性物質(zhì)和少量膳食纖維[4-5]，具有抑制體重增長、清理腸道、預(yù)防消化系統(tǒng)疾病的作用[6]。2015年，我國農(nóng)業(yè)部提出馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，期望將馬鈴薯加工成饅頭、面條、米粉等主食促進(jìn)人們消費(fèi)。因此，研究馬鈴薯全粉的理化特性，對于進(jìn)一步將馬鈴薯加工成多種主食具有重要意義。

馬鈴薯全粉的理化特性影響著馬鈴薯全粉在食品加工中的應(yīng)用。馬鈴薯全粉按照加工工藝可分為：雪花全粉、回填法顆粒全粉和凍融法顆粒全粉[7]。然而相同工藝生產(chǎn)的不同品種馬鈴薯全粉，在性質(zhì)上存在顯著差異[8]，說明不同馬鈴薯品種間的理化特性存在固有差異。馬鈴薯全粉制作過程中破壞的植物細(xì)胞較少，加水后可以重新得到馬鈴薯泥并直接食用，也可作為食品添加劑改善食物口感[9]。近些年，關(guān)于馬鈴薯全粉加工工藝和以馬鈴薯全粉為食品添加劑的研究較多[10-13]。研究表明，添加馬鈴薯全粉后饅頭粉的粘度特性、質(zhì)構(gòu)特性、糊化和回生特性等均有顯著變化，其中添加10%左右馬鈴薯全粉時，饅頭品質(zhì)最佳[14]。馬鈴薯全粉添加量為15%的掛面蒸煮損失最小，拉伸強(qiáng)度和最大彎曲力最高，硬度、彈性和咀嚼性均處于中等偏上水平，品質(zhì)較好[12]。伊力特等[15]報道馬鈴薯全粉、紅茶粉、復(fù)合穩(wěn)定劑三者的最佳質(zhì)量比為8∶6∶5，其速溶奶茶的營養(yǎng)和口感最佳，適合大眾飲用需求。此外還有關(guān)于馬鈴薯面包[16-17]、馬鈴薯酥性餅干[18]、馬鈴薯方便面[19]和馬鈴薯全粉蝦片[20]的研究。

目前關(guān)于馬鈴薯全粉理化特性的研究已有諸多報道。Leivas等[21]研究了兩種馬鈴薯品種，發(fā)現(xiàn)同一馬鈴薯品種全粉的顆粒越大，其最高粘度越低，最終粘度越高。侯飛娜等[22]測定了22種不同馬鈴薯全粉的灰分含量、粗蛋白含量、乳化活性和乳化穩(wěn)定性等理化特性，但在粘度、質(zhì)構(gòu)和糊化特性方面未進(jìn)行評價測定。徐忠等[23]報道馬鈴薯全粉的糊化溫度和粘度低于同品種的淀粉，而糊化焓和和回生值高于淀粉。李茹等[24]研究報道馬鈴薯顆粒全粉比雪花全粉粘度低，雪花全粉的高粘度說明其細(xì)胞破損程度高，存在較多的游離淀粉。代春華等[25]對16個省的馬鈴薯全粉進(jìn)行營養(yǎng)品質(zhì)和理化特性研究，在流變性試驗中發(fā)現(xiàn)馬鈴薯全粉表現(xiàn)為弱凝膠黏彈體特征，其中陜西馬鈴薯的初始黏度最高。

目前，已經(jīng)開展了一些馬鈴薯全粉的理化特性研究，但部分研究所用馬鈴薯品種數(shù)目較少，所得結(jié)果的應(yīng)用性有限，且各理化特性間的相關(guān)性還不明確。因此，馬鈴薯全粉理化特性的品種間差異還有待進(jìn)一步研究?；诖?，本研究以14份不同品種馬鈴薯為材料，研究馬鈴薯全粉理化特性的差異，以期為進(jìn)一步開發(fā)馬鈴薯全粉食品提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試劑

試驗所用的14個馬鈴薯品種于2016年種植于浙江大學(xué)華家池農(nóng)場(表1)。冷凍干燥的馬鈴薯全粉制備流程如下：新鮮馬鈴薯→洗凈削皮→切成薄片(0.5 cm左右)→-80℃冷凍12 h→冷凍干燥48 h(-50℃，真空度50 Pa以下)→磨成馬鈴薯粉。

氫氧化鈉、氫氧化鉀、硫酸銅、鹽酸和乙醇均為分析純，購于上海國藥試劑公司。

1.2 主要設(shè)備

FD-1A-50冷凍干燥儀，北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司； Model3-D快速粘度分析儀(rapid visco analyser， RVA)，澳大利亞Newport Scientific公司；TA-XT2i質(zhì)構(gòu)分析儀，英國Stable Micro Systems公司；DSC-2920差示掃描量熱儀，美國TA Instruments公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 淀粉含量測定 總淀粉含量參照GB 5009.9-2016[26]的酸水解法測定。

1.3.2 粘度特性測定 馬鈴薯全粉的粘度特性使用RVA儀進(jìn)行測定。首先，稱3.0 g馬鈴薯全粉加入到鋁制樣品罐中，再加入25 mL ddH2O，充分混合。馬鈴薯全粉的RVA分析程序設(shè)定如下：50℃維持1 min；在3.7 min內(nèi)加熱至95℃；95℃維持2.5 min;在3.8 min內(nèi)降溫至50℃；50℃維持2 min。測定最高粘度(peak viscosity, PV)、 熱漿粘度(hot paste viscosity, HPV)、冷膠粘度(cold paste viscosity, CPV)、崩解值(breakdown，BD)和消減值(setback, SB)等參數(shù)。粘度單位rapid visco unit (RVU)。

1.3.3 質(zhì)構(gòu)特性測定 馬鈴薯全粉測定完RVA后，使用ParafilmTM將鋁制樣品管密封，置于4℃冰箱中24 h。然后使用質(zhì)構(gòu)分析儀測定馬鈴薯全粉質(zhì)構(gòu)特性。質(zhì)構(gòu)儀使用直徑5 mm的探頭進(jìn)行重復(fù)4次測試，程序設(shè)定為：位移距離10 mm，探針下降速度1 mm·s-1[27]。 在質(zhì)構(gòu)圖譜中，曲線的最高峰值稱為硬度(hardness, HD)，第二次與第一次壓縮的面積之比稱為粘聚性(cohesiveness, COH)。

1.3.4 糊化特性和回生特性測定 馬鈴薯全粉的糊化特性和回生特性使用差示掃描量熱儀進(jìn)行測定。首先稱取2.0 mg馬鈴薯全粉，與6 μL超純水在鋁盤中混勻，然后密封鋁盤，在室溫下靜置1 h。差示掃描量熱儀程序設(shè)定如下：氮?dú)饬魉?0 mL·min-1，溫度由30℃上升至110℃，升溫速度為10℃·min-1。在糊化特性測定結(jié)束后，將密封鋁盤放于4℃冰箱中保持7 d。之后，使用同樣的程序，測定馬鈴薯全粉的回生特性。糊化特性用起始溫度(onset temperature, To)、峰值溫度(peak temperature, Tp)、終止溫度(conclusion temperature, Tc)、糊化焓(enthalpy of gelatinization, ΔHg)表示；回生特性用回生焓(enthalpy of retrogradation，ΔHr)及回生率(percentage of retrogradation, R%)表示。

1.4 數(shù)據(jù)處理

結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，其中所有試驗至少重復(fù)2次。采用SPSS 20.0軟件(SPSS, Inc., 美國)進(jìn)行相關(guān)性分析和聚類分析。使用Origin 9.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析(principle component analysis，PCA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 淀粉含量

由表1可知，3份白色馬鈴薯樣品的淀粉含量為61.85%～64.56%；7份黃色肉質(zhì)馬鈴薯樣品的淀粉含量為62.40%～72.09%；2份紅色肉質(zhì)馬鈴薯樣品的淀粉含量差別較大；2份紫色肉質(zhì)馬鈴薯樣品中的淀粉含量均值為56.32%。其中紅色馬鈴薯品種PT14的淀粉含量最低，僅為49.33%，黃色馬鈴薯中的中薯系列品種(PT34、PT35、PT36和PT38)的淀粉含量均較高。結(jié)果表明不同馬鈴薯全粉的淀粉含量差異較大，紅色和紫色馬鈴薯的淀粉含量略低于白色和黃色馬鈴薯。

表1 不同品種馬鈴薯全粉中的淀粉含量

2.2 粘度特性分析

由表2可知，14種馬鈴薯全粉的粘度特性PV的范圍為266.0～398.8 RVU，其中紅色品種PT11和紫色品種PT18的PV值較低，黃色品種PT34的PV值最高。HPV值的范圍為158.1～250.6 RVU，HPV值最高的品種為PT10和PT34，HPV值最低的品種為PT11。CPV值的范圍為259.9～418.8 RVU，CPV值最高的品種為PT35，CPV值最低的品種為PT18。馬鈴薯PT38全粉的BD值最高，為169.2 RVU，馬鈴薯PT18全粉的BD值最低，為59.9 RVU。馬鈴薯PT35全粉的SB值最高，為177.7 RVU，馬鈴薯PT18全粉的SB值最低，為53.7 RVU。說明白色馬鈴薯PT10和黃色肉質(zhì)馬鈴薯PT34、PT35全粉的粘度較大，而紅色馬鈴薯PT11和紫色馬鈴薯PT18全粉的粘度較小，但紅色和紫色馬鈴薯全粉中也有粘度較大的品種。

2.3 凝膠質(zhì)構(gòu)特性分析

由表2可知，不同馬鈴薯全粉凝膠的HD差別較大，HD值的范圍為5.75～12.79 g，其中馬鈴薯PT14和PT18全粉的HD值最低，馬鈴薯PT34全粉的HD值最高；粘聚COH的范圍為0.22～0.83，其中馬鈴薯PT38全粉的COH值最低，馬鈴薯PT14全粉的COH值最高。在本試驗中各品種馬鈴薯全粉的COH差別較大，可能是由于不同品種馬鈴薯全粉中其他化合物的組成含量不同，如蛋白質(zhì)和纖維素等。在14種馬鈴薯全粉中存在高粘聚性的品種，也存在低粘聚性的品種，體現(xiàn)了馬鈴薯種質(zhì)資源理化特性的多樣性。

表2 不同品種馬鈴薯全粉的粘度特性和質(zhì)構(gòu)特性

2.4 糊化特性和回生特性分析

馬鈴薯全粉在水中加熱到一定溫度后，淀粉顆粒吸水膨脹，淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，雙折射現(xiàn)象發(fā)生不可逆消失，然后淀粉粒進(jìn)一步溶脹、破裂，形成均勻的糊狀物，這一過程稱為糊化[28]。回生特性是由于淀粉冷卻后，淀粉分子間可重新形成氫鍵和結(jié)晶結(jié)構(gòu)[29]。由表3可知，各品種馬鈴薯全粉To值的范圍為64.77～69.35℃，Tp值的范圍為69.72～74.99℃，其中馬鈴薯PT14全粉的To和Tp值最高，PT34的To和Tp值最低。各品種馬鈴薯全粉Tc值的范圍為75.37～82.01℃，PT13的Tc值最高，同樣是PT34的Tc值最低。各品種馬鈴薯全粉ΔHg的范圍為7.46～11.07 J·g-1， ΔHr為1.35～4.00 J·g-1，各品種馬鈴薯全粉的R%范圍為18.17%～39.17%。馬鈴薯PT05全粉的ΔHg、ΔHr和R%最低，PT34的ΔHg最高，PT35的ΔHr和R%最高。

表3 不同品種馬鈴薯全粉的糊化特性及回生特性

2.5 相關(guān)性分析

由表4可知，淀粉含量(starch content, SC)與PV、BD、CPV、SB、HD、ΔHg、ΔHr和R%呈極顯著或顯著正相關(guān)，與COH、To、Tp和Tc呈極顯著負(fù)相關(guān)。在粘度特性方面，除了HPV與BD和SB無顯著相關(guān)性外，PV、BD、CPV和SB之間均呈極顯著正相關(guān)；在質(zhì)構(gòu)特性方面，HD與COH呈極顯著負(fù)相關(guān)，PV與HD呈顯著正相關(guān)。表明在粘度較高的品種中，HD也可能較高，而HD越高的馬鈴薯全粉，其粘聚性越低。

在糊化特性和回生特性方面，To、Tp和Tc之間呈極顯著正相關(guān)，ΔHg、ΔHr和R%之間呈顯著或極顯著正相關(guān)，但溫度特征(To、Tp和Tc)與焓值(ΔHg和ΔHr)存在顯著或極顯著負(fù)相關(guān)性。除此之外，ΔHg和ΔHr還與BD和HD呈顯著或極顯著正相關(guān)。馬鈴薯全粉理化特性間的相關(guān)性與馬鈴薯淀粉中類似，如在馬鈴薯淀粉中發(fā)現(xiàn)，CPV、SB、To、Tp和Tc與ΔHr之間呈顯著負(fù)相關(guān)，ΔHr與R%呈正相關(guān)[2]。

2.6 主成分分析

本研究中共有14個馬鈴薯理化特性變量(SC、PV、HPV、BD、CPV、SB、HD、COH、To、Tp、Tc、ΔHg、ΔHr和R%)，信息量過大, 利用主成分分析可以將變量個數(shù)減少而得到較多的信息，或盡可能保持原有的信息。主成分分析表明，前4個主成分可以解釋馬鈴薯全粉的理化特性超過85%的變異(表5)。第1主成分可以解釋馬鈴薯全粉理化特性變異的48.79%，第2主成分可以解釋18.15%，第3主成分可以解釋10.82%，第4主成分可以解釋8.04%。但是，每個主成分中均沒有負(fù)荷量較大的理化特性指標(biāo)可以直接代表主成分。相對而言，第1主成分與Tp、Tc和SC的相關(guān)系數(shù)較大(均大于0.315)，說明第1主成分主要反映糊化溫度指標(biāo)；第2主成分與PV和CPV的相關(guān)系數(shù)相對較大(大于0.450)，說明第2主成分主要反映糊化粘度指標(biāo)，而第3主成分與ΔHr和R%的相關(guān)系數(shù)較大(均大于0.397)，說明第3主成分主要反映回生特性指標(biāo)，而第4主成分主要反映其他指標(biāo)。將第1與第2主成分作圖 (圖1)，可以將所有性狀都分為3組，分別位于第一、二和四象限。同一組內(nèi)各性狀間一般都存在正相關(guān)性。第二與第四象限的性狀間存在負(fù)相關(guān)性(圖1，表4)。

圖1 馬鈴薯全粉的理化特性主成分分析圖

表4 馬鈴薯全粉理化特性的相關(guān)性分析

表5 馬鈴薯全粉理化特性的主成分分析

2.7 聚類分析

以馬鈴薯全粉的理化特性為變量，將不同變量值做標(biāo)準(zhǔn)化處理，重置為0～1之間，采用組間連接法進(jìn)行聚類分析(圖2)。14份馬鈴薯可分為兩類，PT10、PT11、PT28、PT29、PT30、PT34、PT35、PT36和PT38歸為A組；PT05、PT12、PT13、PT14和PT18歸為B組。根據(jù)聚類分析圖可以觀察到馬鈴薯樣品的差異明顯，在兩大組中又可分成多個小類，A組中的紅色馬鈴薯PT11與其他品種差異較大，B組中彩色馬鈴薯品種PT13、PT14和PT18較接近，但與PT05和PT12仍有一定差異。

圖2 14份馬鈴薯種質(zhì)的聚類分析

3 討論

馬鈴薯全粉的理化特性是決定馬鈴薯全粉是否適合食品應(yīng)用的重要因素。首先應(yīng)該考慮淀粉含量，一般食品用馬鈴薯全粉淀粉含量較高；其次是淀粉特性，如作為食品添加劑(增稠劑)，則需要淀粉粘度較高的馬鈴薯品種。同時，馬鈴薯全粉理化特性品種間差異研究可為馬鈴薯品質(zhì)育種中親本的選擇提供依據(jù)。本研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯全粉的淀粉含量差異較大，馬鈴薯全粉中的淀粉含量為49.33%～72.09%，中薯系列馬鈴薯品種(PT34、PT35、PT36和PT38)的含量一般較高。侯飛娜[30]研究表明22種馬鈴薯全粉的淀粉含量為51.70%～72.40%，含量范圍與本試驗結(jié)果接近，并且淀粉含量較低的品種均為紅色或紫色馬鈴薯品種。代春華等[25]報道16省馬鈴薯全粉的淀粉含量范圍為55.98%～72.71%，其中，廣東、湖北、山西、云南、河南及甘肅馬鈴薯全粉中淀粉含量均達(dá)70%以上。白建明等[31]報道對馬鈴薯淀粉產(chǎn)量影響最大的因素是品種。趙月等[32]報道的11 種馬鈴薯塊莖的淀粉含量范圍為 67.9%～73.4%，其中大西洋品種淀粉含量最高。綜上，馬鈴薯全粉淀粉含量主要受品種的影響，同時也受環(huán)境、基因型和環(huán)境互作的影響[33]。當(dāng)前馬鈴薯育種中已經(jīng)考慮到淀粉含量性狀的改良，但是育種目標(biāo)不同，馬鈴薯親本的淀粉含量不同；如作為淀粉工業(yè)用，馬鈴薯淀粉含量越高越好，而做菜用，則不能太高。

在粘度特性方面，本研究中，14個品種馬鈴薯全粉PV的范圍為266.0～398.8 RVU，HPV值的范圍為158.1～250.6 RVU，CPV值的范圍為259.9～418.8 RVU(表2)。徐忠等[23]報道在馬鈴薯全粉中測得PV值為409.3 RVU，HPV值為 157.5 RVU，CPV值為447.7 RVU。由于不同試驗的測定方法不同，研究結(jié)果很難進(jìn)行比較。如，徐忠等[23]稱取1.5 g全粉加25 mL ddH2O，本試驗稱取3.0 g全粉加25 mL ddH2O。徐忠等[23]加入的全粉量少于本試驗，但其PV值卻略高于本研究結(jié)果，表明其馬鈴薯雪花全粉的粘度比本研究所用馬鈴薯高。推測這是馬鈴薯雪花全粉能商品化的原因，同時也說明食品用馬鈴薯全粉需為高粘度的品種。這為雪花全粉類型馬鈴薯品種的育種目標(biāo)提供了依據(jù)，同時也提供了選擇的方法。

馬鈴薯全粉的質(zhì)構(gòu)特性決定了食品的質(zhì)地。本研究中HD值的范圍為5.75～12.79 g，COH的范圍為0.22～0.83。Singh等[34]僅選取6種馬鈴薯品種進(jìn)行分析，因此COH值的范圍較小。Przetaczek-Roznoska[35]發(fā)現(xiàn)馬鈴薯淀粉的HD為22.98 g，比本研究測定的HD大，這可能是品種不同之故。需要指出的是淀粉粘度特性與質(zhì)構(gòu)特性存在顯著的相關(guān)性(表3)，尤其是PV與HD呈顯著正相關(guān)，這為育種中開展間接選擇提供了理論依據(jù)，例如選擇PV高的品系，HD也較高。

糊化和回生是淀粉的重要特性，也是影響食品品質(zhì)的重要因素，糊化溫度影響食品蒸煮加工過程所需的能量，而回生特性影響食品的品質(zhì)，如質(zhì)構(gòu)。因此，質(zhì)構(gòu)HD與回生焓呈顯著正相關(guān)，與糊化溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)(表3)。但是，本研究僅測定了馬鈴薯全粉的理化特性，未結(jié)合食品制作及品質(zhì)測定，這些理化特性對具體食品品質(zhì)的影響有待進(jìn)一步研究。馬鈴薯全粉中除富含淀粉，還含有蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素及其他微量成分等，這些成分均會影響粘度、質(zhì)構(gòu)和糊化特性[21]。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)14種馬鈴薯全粉的理化特性存在差異。中薯系列品種(PT34、PT35、PT36和PT38)的淀粉含量均高于70%，可用于加工成含淀粉高的食品或用于生產(chǎn)淀粉，且上述馬鈴薯品種的淀粉粘度也較高，其中PT34和PT38的糊化溫度最低，進(jìn)一步說明此類馬鈴薯全粉適用于食品加工。根據(jù)馬鈴薯全粉的理化特性，可將14個品種分為兩大類，在大類下又可分多個小類，體現(xiàn)了馬鈴薯全粉理化特性在不同品種間存在明顯差異。本研究結(jié)果為馬鈴薯全粉的食品應(yīng)用及品質(zhì)育種提供了理論依據(jù)。