不同品種甘薯淀粉組分、物化及粉條品質(zhì)的比較研究

侯夫云 陳桂玲 董順旭 解備濤 秦 楨 李愛賢 張立明 王慶美

(山東省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮海薯類科學觀測實驗站，山東 濟南 250100)

甘薯是我國重要的糧食、飼料以及生產(chǎn)乙醇和淀粉類物質(zhì)的主要工業(yè)原料作物。淀粉是甘薯塊根的主要成分，占塊根干物質(zhì)含量的50%～80%[1-2]。甘薯淀粉廣泛應用于食品工業(yè)中，如作為增稠劑、穩(wěn)定劑、保水劑，同時也是生產(chǎn)淀粉粉條的直接原料。淀粉粉條是一種傳統(tǒng)的東方食品，具有制作方便、口感細膩、筋道等特點，近年來受到國內(nèi)外市場的歡迎[3-4]。然而，淀粉的糊化、老化以及凝膠特性直接影響粉條的品質(zhì)[5]。Zhang等[6]發(fā)現(xiàn)板栗淀粉中直鏈淀粉含量與淀粉凝膠的彈性和嚼勁呈負相關(guān)，與淀粉的凝聚力和粘稠度呈正相關(guān)。Chen[5]研究表明甘薯淀粉顆粒越小，粉條品質(zhì)越好。也有研究發(fā)現(xiàn)淀粉中脂質(zhì)、磷的含量對粉條的質(zhì)構(gòu)以及蒸煮特性有一定影響，脂質(zhì)與直鏈淀粉顆粒結(jié)合會抑制淀粉顆粒膨脹以及淀粉糊化[7]。但是，針對甘薯淀粉組分、物化性質(zhì)以及糊化特性等及其粉條食用品質(zhì)的系統(tǒng)報道較少。

目前，我國保存有2 000多份甘薯種質(zhì)資源[5]。不同甘薯品種之間淀粉、干物質(zhì)含量以及產(chǎn)量差異較大[8]。Tsakama等[4]發(fā)現(xiàn)以不同品種甘薯為原料生產(chǎn)的粉條在質(zhì)地和烹飪品質(zhì)上存在顯著差異。有研究發(fā)現(xiàn)甘薯淀粉的組成成分、凝膠特性與淀粉粉條的質(zhì)量顯著相關(guān)[4,9]。目前，我國用于粉條制作的甘薯品種為淀粉型甘薯，如濟薯25、商薯19、徐薯22和渝薯27等。研究發(fā)現(xiàn)不同甘薯品種的淀粉含量和產(chǎn)量受土壤、氣候環(huán)境的影響。濟薯25和商薯19是我國北方薯區(qū)種植面積較大的淀粉型甘薯品種。濟薯26屬于鮮食加工兼用型甘薯品種，種植面積較大，其突出特點是高抗根腐病、產(chǎn)量高，適宜在北方薯區(qū)丘陵山地種植。因此，本研究以濟薯25、濟薯26和商薯19為材料，在丘陵山地進行試驗，通過測定3個品種甘薯的產(chǎn)量，淀粉的含量、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、組分、理化、糊化特性及其淀粉加工粉條的品質(zhì)特性等指標，進一步分析淀粉的結(jié)構(gòu)、組成成分、老化、糊化特性與粉條品質(zhì)的相關(guān)關(guān)系，篩選適宜粉條加工的甘薯品種，以期為甘薯產(chǎn)業(yè)帶動鄉(xiāng)村振興發(fā)展提供品種支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試劑

試驗于2019年5月至10月在山東省農(nóng)業(yè)科學院鄒平實驗基地(36.87°N, 117.62°E)進行, 試驗地0～20 cm 土層土壤有機質(zhì)含量13.2 mg·kg-1， 水解性氮104 mg·kg-1，有效磷含量44 mg·kg-1，速效鉀68.4 mg·kg-1， 土壤質(zhì)地為黃潮土。選用2個淀粉型甘薯品種濟薯25、商薯19，以及食用型品種濟薯26為材料。大田試驗采用單壟種植，株距25 cm，行距80 cm，種植密度50 000 株·hm-2，小區(qū)面積80 m2，按照隨機區(qū)組設計，3次重復。田間管理同常規(guī)生產(chǎn)田。收獲后測定甘薯塊根產(chǎn)量，同時選取中等大小的薯塊進行干物質(zhì)含量測定以及淀粉的分離。

甘薯淀粉，購于泗水利豐食品有限公司；淀粉糖苷酶/α-淀粉酶檢測試劑盒，購于蘇州科銘生物技術(shù)有限公司；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 主要儀器與設備

X′pert PRO X射線衍射儀，荷蘭Nalytical公司；Zeiss Merlin Compact 電子掃描顯微鏡，德國蔡司公司；DHG9123A電熱恒溫鼓風干燥箱，上海善志儀器設備有限公司；SUPER-3RVA快速黏度分析儀，澳大利亞Newport Scientific公司；XTPLUS質(zhì)構(gòu)儀，英國Stable Micro Systems公司；空氣干燥機，金森恒溫恒濕設備有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 塊根干物質(zhì)含量的測定和淀粉的分離 塊根干物質(zhì)含量測定：將薯塊直接切成約4 mm厚的薯條，混勻后取20 g于80℃烘箱中，48 h烘干至恒重。烘干后，稱取薯干重量。根據(jù)公式計算干物質(zhì)含量：

干物質(zhì)含量=薯干質(zhì)量/20

(1)。

淀粉的分離參照Zhang等[10]的方法并稍做修改。利用沉淀法分離甘薯淀粉，使用雙蒸水進行洗滌。洗滌后，將淀粉在40℃空氣干燥機中干燥24 h，研磨成粉末，過100目篩，制成淀粉備用。

1.3.2 淀粉的理化、糊化特性測定

1.3.2.1 淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)與形態(tài)觀察 利用X射線衍射儀分析淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。相對結(jié)晶度用X′pert軟件計算。利用電子掃描顯微鏡觀察淀粉顆粒形態(tài)。

1.3.2.2 淀粉基本組分的測定 總淀粉含量根據(jù)AOAC 996.11[11]的方法利用淀粉糖苷酶/α-淀粉酶檢測試劑盒測定。直鏈淀粉含量的測定參考Martin 等[12]的方法?；曳趾痛掷w維含量分別采用AOAC 923.03[13]和AOAC 991.43[14]的方法測定。脂質(zhì)和磷含量分別采用AOAC 960.39[15]和AOAC 920.39[16]的方法測定。蛋白質(zhì)含量采用AOAC 955.04[17]的凱氏定氮法測定。以泗水利豐食品有限公司生產(chǎn)的甘薯淀粉為對照。

1.3.2.3 淀粉溶解度和膨脹勢的測定 淀粉的溶解度(solubility,S)和膨脹勢(swelling power，SP)的測定均參照Chio等[18]的方法，稍作修改。取0.5 g淀粉與30 mL蒸餾水混合，90℃水浴30 min，期間連續(xù)攪拌。待漿液冷卻至室溫后，1 000 r·min-1離心30 min，將上清倒入鋁盒中，稱沉淀的重量。將鋁盒在105℃干燥16 h后稱重[9]。根據(jù)公式計算溶解度和膨脹勢：

S=(干燥后上清液質(zhì)量/干淀粉質(zhì)量)×100%

(2)

SP(g·g-1DW)=(沉淀質(zhì)量×100)/

[淀粉質(zhì)量×(100-S)]

(3)。

1.3.2.4 淀粉老化值的測定 按照Chen[5]的方法，并稍作修改。將6%的淀粉懸浮液(w/w)在95℃水浴20 min。待淀粉充分糊化后，室溫冷卻至30℃，4℃保存24 h, 30℃平衡2 h, 3 000 r·min-1離心20 min，稱量上清液的質(zhì)量。根據(jù)公式計算老化值：

老化值=(上清液質(zhì)量/淀粉懸浮液質(zhì)量)×100%

(4)。

1.3.2.5 淀粉糊化特性的測定 根據(jù)Chen[5]的方法，使用快速黏度分析儀測定淀粉的糊化特性。將28 g的6%(w/v)淀粉懸浮液放入儀器中進行測定。糊化程序: 50℃加熱1 min，95℃保溫5 min，冷卻至50℃，50℃保溫15 min，加熱速度為10℃·min-1，攪拌速度為200 r·min-1。

1.3.3 粉條的制備及其品質(zhì)指標的測定

1.3.3.1 粉條的制備 取5 g淀粉在20 mL沸騰蒸餾水中預糊化，再加入45 g淀粉，加水調(diào)制成含水量為45%～55%的均勻面團。將面團放入擠壓器中，擠壓成直徑為1.5 mm左右的粉條，在沸水中煮50～70 s使之完全糊化，之后將其在冷水中冷卻3～5 min，取出粉條放在空氣中自然風干至水分低于15%，在室溫下用聚乙烯袋包裝和存儲備用。

1.3.3.2 斷條率的測定 取長10 cm的粉條20根，在500 mL沸騰的蒸餾水中煮30 min，煮熟后記錄斷裂的粉條總數(shù)X。根據(jù)公式計算粉條的斷條率:

斷條率=[(X-20)/20]×100%

(5)。

1.3.3.3 粉條烹煮品質(zhì)的測定 將3 g的粉條放入100 mL 沸騰的蒸餾水中，持續(xù)加熱攪拌15 min[19]。然后用濾紙吸去粉條表面的水分,稱取粉條重量(W1),再將粉條放在105℃烘箱中烘干至恒重 (W2)。根據(jù)公式計算粉條的膨脹系數(shù)、蒸煮損失和干物質(zhì)的量:

膨脹系數(shù)=(W1-W2)/W2×100%

(6)

蒸煮損失=(3-W2)/3×100%

(7)

干物質(zhì)的量=W2/3×100%

(8)。

1.3.3.4 粉條硬度的測定 取10 cm長的粉條樣品在沸水中煮10 min后，撈出冷卻備用。利用游標卡尺量取粉條直徑，在質(zhì)構(gòu)儀上選用P5探頭進行測量，測試條件：染色值50%，感應力5 g。每次取3根粉條水平放置在載物臺上，粉條之間留有一定間隔。每個試樣做6個平行試驗。儀器參數(shù)處理采用去掉最大值和最小值取平均值。

1.3.3.5 粉條拉伸強度的測定 按照廖盧艷等[20]的方法，將1.3.3.3試驗部分煮后冷卻的粉條放在質(zhì)構(gòu)儀上，利用A-KIE探頭進行粉條直徑、最大拉力和拉伸距離的測量。測試條件如下：感應力0.049 05 N，測試距離50 mm，測試速度3 mm·s-1。拉伸強度=最大拉力/粉條橫截面；拉伸形變=拉伸距離/粉條長度。

1.3.3.6 粉條剪切力的測定 利用質(zhì)構(gòu)儀的A/ECB探頭進行粉條直徑 (mm)、最大剪切力(g) 和最大力所在距離(mm)的測量。測量條件：感應力5 g， 測試形變90%，測試速度5 mm·s-1。根據(jù)公式計算剪切應力：

剪切應力=最大剪切力/粉條橫截面積

(9)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2007和SAS 9.1軟件對不同品種淀粉的理化特性、糊化和蒸煮特性進行方差和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同甘薯品種的塊根產(chǎn)量和干物質(zhì)含量比較分析

由表1可知，3個供試甘薯品種中濟薯26的塊根產(chǎn)量最高，濟薯25的塊根產(chǎn)量最低，但是產(chǎn)量均超過 27 000 kg·hm-2。濟薯25的塊根干物質(zhì)含量最高，達到36.7%，比商薯19高4.6個百分點。此外，濟薯25的塊根薯干產(chǎn)量顯著高于其他2個品種，達到10 200 kg·hm-2。研究表明甘薯的干物質(zhì)含量與淀粉含量呈顯著正相關(guān)[21]。因此，濟薯25的淀粉畝產(chǎn)量在3個品種中最高。

表1 3個甘薯品種的產(chǎn)量和干物質(zhì)含量比較分析Table 1 Comparative analysis of yield and dry matter content in three cultivars

2.2 不同甘薯品種淀粉組分分析

由表2可知，3個品種直鏈淀粉含量介于20.48%～22.39%之間，品種間差異顯著。3個品種的支鏈淀粉含量介于53.13%～60.11%之間，與報道的甘薯品種的淀粉含量一致[1]。磷含量范圍為0.015%～0.035%，商薯19淀粉中的磷含量顯著高于濟薯25、濟薯26和CK?；曳趾糠秶鸀?.25%～ 0.29%，其中濟薯25灰分含量最高，與報道的甘薯淀粉結(jié)果基本一致[1, 22]。甘薯淀粉中蛋白質(zhì)含量較低，測試淀粉蛋白質(zhì)含量介于0～1.37 mg·g-1之間，與Senanayake等[23]報道的甘薯品種相似。在3個品種中，濟薯25淀粉中蛋白質(zhì)含量最高，濟薯26淀粉蛋白質(zhì)含量最低。脂質(zhì)含量為0.10%～ 0.20%，其中濟薯26淀粉的脂質(zhì)含量最高。粗纖維含量介于0.098%～ 0.164%之間，商薯19的粗纖維含量最高，其次是濟薯25，濟薯26和CK最低。

表2 不同品種甘薯的淀粉組分(干基)Table 2 Chemical composition of starch from different sweetpotato cultivars(DW)

2.3 不同甘薯品種淀粉的晶體結(jié)構(gòu)和形態(tài)分析

植物淀粉根據(jù)X射線衍射儀圖譜可分為A、B和C三種類型[24]。A型淀粉在15°、17°、18°和23°附近出現(xiàn)較強的衍射峰，B型淀粉在5°、15°、17°、18°和23°附近出現(xiàn)肩峰，C型淀粉是A型和B型結(jié)晶度的混合物。甘薯淀粉的晶體結(jié)構(gòu)受其基因型的影響[10]。從XRD圖譜可以看出(圖1)，濟薯25、商薯19以及濟薯26的淀粉均屬于A型淀粉，這與日本和澳大利亞的一些甘薯品種淀粉報道一致[25-26]。通過電鏡掃描觀察(圖2)，3個甘薯品種的淀粉顆粒有圓形、橢圓形和半橢圓形，顆粒大小分布不均勻。同時，本研究還發(fā)現(xiàn)3個品種間淀粉顆粒大小差異不明顯，這與以往關(guān)于甘薯淀粉顆粒的報道一致[2,27]。

圖1 不同甘薯品種淀粉的XRD圖譜Fig.1 X-ray powder diffractometer (XRD) Spectra of starches from three sweetpotato varieties

注：A：CK；B：濟薯25；C：濟薯26；D：商薯19。Note: A: Control. B: Jishu 25. C: Jishu 26. D: Shangshu 19.圖2 不同甘薯品種淀粉顆粒的電鏡圖Fig.2 Scanning electron micrographs of three granules of three sweetpotato varieties

2.4 不同甘薯品種淀粉的膨脹勢、溶解度與老化特性分析

由表3可知，不同甘薯品種淀粉膨脹勢的變化范圍為6.71～8.82 g·g-1，其中CK淀粉的膨脹勢最高、商薯19最低，且商薯19淀粉膨脹勢與濟薯25、濟薯26、CK之間存在顯著差異。淀粉溶解度的變化范圍為11.92%～13.80%，且濟薯26、濟薯25的溶解度顯著高于商薯19。濟薯25、商薯19以及濟薯26淀粉的老化值均顯著高于CK，且變化范圍介于0.51%～0.55%。相關(guān)關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，淀粉的溶解度、老化值與直/支鏈淀粉比值呈負相關(guān)(P<0.01，P<0.05)，淀粉膨脹勢與磷含量、粗纖維含量呈負相關(guān)(P<0.01) (表5)。

2.5 不同甘薯品種淀粉的糊化特性分析

由表4可知，不同甘薯品種淀粉的糊化特性存在顯著差異。濟薯25的淀粉峰值粘度顯著高于商薯19、CK和濟薯26。最終黏度表示淀粉材料形成黏性糊狀物的能力[28]。供試淀粉最終黏度在1.63～ 2.25 Pa·s 之間，其中濟薯25的黏度最高，CK最低?；厣涤糜跍y量淀粉漿料的老化趨勢[29]，其范圍為0.46～0.80 Pa·s， 濟薯25淀粉的回生值顯著高于其他品種。崩解值用于測量淀粉糊的耐熱性，測試樣本的崩解值在0.32～0.77 Pa·s之間，濟薯25淀粉的崩解值顯著低于濟薯26，說明濟薯25淀粉糊的穩(wěn)定性好，不易破裂。糊化溫度變化范圍為77.02～80.80℃，濟薯25淀粉的糊化溫度顯著低于CK。相關(guān)關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，直/支鏈淀粉比值與峰值黏度呈顯著負相關(guān)(P<0.01)，這與劉希偉等[30]的研究結(jié)果一致。

表5 淀粉組分與淀粉物化、糊化特性的相關(guān)性分析Table 5 Correlation between starch composition andtheir physicochemical, thermal and pasting properties

2.6 粉條的食用品質(zhì)分析

2.6.1 烹煮特性 粉條的膨脹率、蒸煮損失、干物質(zhì)的量以及斷條率是反映粉條蒸煮質(zhì)量的重要指標。由表6可知，商薯19淀粉制成的粉條膨脹率最高，濟薯26次之，濟薯25最低。商薯19淀粉制成的粉條蒸煮損失最高、濟薯25次之，且商薯19的粉條斷條率顯著高于濟薯25和濟薯26。相關(guān)關(guān)系分析結(jié)果表明，粉條的蒸煮損失與斷條率呈正相關(guān)(P<0.05), 與粉條硬度、剪切力呈負相關(guān)(P<0.05)。粉條的蒸煮損失、斷條率與磷含量和蛋白質(zhì)含量呈正相關(guān)(P<0.01)(表7)。

表6 不同甘薯品種粉條的蒸煮和質(zhì)構(gòu)特性分析Table 6 Cooking properties and physical properties of starch noodles from different sweetpotato cultivars

2.6.2 質(zhì)構(gòu)特性 濟薯25淀粉制成的粉條硬度在3個品種中最高，商薯19次之，濟薯26最低，且粉條硬度與直/支鏈淀粉比值之間呈顯著正相關(guān)(r=0.95,P<0.01)(表7)。因此，濟薯25淀粉制成的粉條硬度高可能是因為其直/支鏈淀粉比值高。此外，研究發(fā)現(xiàn)粉條硬度與蒸煮損失(r=-0.60,P<0.05)、斷條率(r=-0.59,P<0.05)呈負相關(guān)，與拉伸強度(r=0.83,P<0.01)、剪切力(r=0.95,P<0.01)呈顯著正相關(guān)(表7),這與文獻[28,31]的報道一致。

在3個測試品種中，濟薯25淀粉制成的粉條拉伸強度、剪切力最高，然后依次是濟薯26、商薯19。粉條的拉伸強度越高，彈性越好[32]，剪切力越大，咀嚼性越好[33]。本研究發(fā)現(xiàn)粉條的拉伸強度與剪切力呈顯著正相關(guān)(r=0.89,P<0.01)(表7)。因此，濟薯25淀粉加工的粉條具有較好的咀嚼性。

表7 淀粉組分與粉條品質(zhì)特性相關(guān)關(guān)系分析Table 7 Correlation between starch composition and cooking properties and physical properties of starch noodles

3 討論

甘薯淀粉的理化性質(zhì)直接影響甘薯薯塊的產(chǎn)后加工。研究發(fā)現(xiàn)甘薯薯塊中的淀粉含量一般為16%～24%[34]。甘薯淀粉含量主要受品種的影響，同時也受環(huán)境的影響。淀粉質(zhì)量約占甘薯塊根薯干質(zhì)量的50%～80%[1]。因此，甘薯薯干產(chǎn)量直接影響淀粉產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn)，在丘陵地中濟薯25的薯干產(chǎn)量顯著高于其他2個品種(P<0.05)。淀粉的晶體結(jié)構(gòu)及形態(tài)、基本組分、糊化特性以及老化特性是影響粉條品質(zhì)的重要指標。甘薯淀粉的性質(zhì)因其品種不同而有所差異，所以加工粉條的物理、蒸煮和質(zhì)構(gòu)特性也存在顯著差異。本研究發(fā)現(xiàn)濟薯25等3個品種的淀粉均屬于A型，說明我國主栽品種的遺傳背景較狹窄。黃小平等[35]和李小婷等[36]研究也發(fā)現(xiàn)淀粉的組成影響所制粉條的質(zhì)地特性。本研究發(fā)現(xiàn)，與商薯19淀粉相比，濟薯25淀粉具有較高的灰分和蛋白質(zhì)含量、溶解度和膨脹性，但其磷含量較低。一些研究發(fā)現(xiàn)淀粉中蛋白質(zhì)、灰分的含量與淀粉的黏度、凝膠特性相關(guān)[22]。直/支鏈淀粉是影響粉條硬度的一個重要因素[12]。研究發(fā)現(xiàn)直/支鏈淀粉比值與粉條的硬度、拉伸強度、剪切力呈顯著正相關(guān)[32-33]。

濟薯25淀粉的峰值黏度、最終黏度和回生值均顯著高于商薯19，但是其糊化溫度均顯著低于商薯19。本研究發(fā)現(xiàn)峰值黏度和最終黏度與直/支鏈淀粉呈顯著負相關(guān)。Yuan等[37]研究發(fā)現(xiàn)淀粉含量越高、黏度越高。也有研究報道峰值黏度與直鏈淀粉含量不相關(guān)[5]，說明淀粉黏度可能還受其他組分的影響。淀粉中的直鏈淀粉、脂質(zhì)、灰分含量等不同程度地影響甘薯淀粉以及其粉條的品質(zhì)。淀粉脂質(zhì)與淀粉顆粒形成淀粉—脂質(zhì)復合物，可以改善各種食品的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)[5]。本研究發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)含量與峰值黏度、崩解值呈正相關(guān)。崩解值是測量淀粉糊穩(wěn)定性的重要參數(shù)。濟薯25的崩解值顯著低于商薯19、濟薯26，說明濟薯25淀粉糊的穩(wěn)定性好，不易破裂，說明其加工的粉條抗剪切能力更強，結(jié)果與3個品種加工粉條的剪切力大小一致。最終黏度表明了淀粉顆粒在熟化并冷卻后形成粘糊或凝膠的能力[33]。最終黏度與淀粉糊的黏結(jié)性和增稠性密切相關(guān)[38]。濟薯25淀粉的最終黏度以及其加工的粉條硬度顯著高于商薯19、濟薯26。因此，甘薯品種濟薯25更適用于加工粉條。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，與濟薯26、商薯19相比，濟薯25的薯干產(chǎn)量最高，淀粉的峰值黏度、低谷黏度、最終黏度和回升值較高，其加工的粉條硬度和拉伸強度較高。因此，以濟薯25淀粉為原料加工的粉條品質(zhì)較好，適宜在丘陵山地作為粉條加工型品種推廣種植，促進丘陵山區(qū)甘薯產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。