甘薯塊根膨大過程中質(zhì)構(gòu)特性和淀粉直/支比的研究

夏之凱， 李 玲， 徐錫明， 龐林江， 呂尊富， 崔 鵬， 陸國權(quán)

(浙江農(nóng)林大學現(xiàn)代農(nóng)學院；浙江省農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)改良重點實驗室1, 杭州 311300) (浙江農(nóng)林大學薯類作物研究所2, 杭州 311300) (浙江農(nóng)林大學食品與健康學院(現(xiàn)代糧食產(chǎn)業(yè)學院)3, 杭州 311300) (北京華都峪口禽業(yè)有限責任公司4，北京 101206)

甘薯[Ipomoeabatatas(L.)Lam]作為糧食、飼料、水果、蔬菜、工業(yè)原料和新型能源作物，其塊根富含多種營養(yǎng)元素，如胡蘿卜素、膳食纖維、維生素和淀粉等[1]。同時甘薯具備高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、耐瘠薄等諸多優(yōu)點，在世界范圍廣泛種植，其年總產(chǎn)量約1億t，常年種植面積穩(wěn)定在400萬公頃[1,2]。淀粉性狀是甘薯塊根的主要性狀，塊根的主要干物質(zhì)由淀粉組成。塊根膨大形成后，淀粉不斷積累，并且伴隨塊根整個發(fā)育階段，淀粉含量呈增加趨勢[3,4]。直鏈淀粉和支鏈淀粉的比值(直/支比)是快速鑒定糧食作物食味品質(zhì)的重要指標[5-7]。研究顯示甘薯淀粉直/支比與甘薯蒸煮綜合口感呈顯著正相關(guān)[8]，直/支比的變化會直接影響到甘薯的產(chǎn)量和品質(zhì)，將IbGBSSI、IbSBE等淀粉合成代謝基因的表達可獲得高支鏈淀粉含量、低直鏈淀粉含量的甘薯品種，但這一過程會引起甘薯的產(chǎn)量降低[9,10]。

質(zhì)構(gòu)特性是由樣品的成分、組織結(jié)構(gòu)決定的物理性質(zhì)，在食品物性學中被廣泛用來表示食品的組織狀態(tài)、口感，常用于作物的口感預測分析[1]。以往甘薯的質(zhì)構(gòu)特性研究發(fā)現(xiàn)，質(zhì)構(gòu)特性與組成成分之間存在密切的聯(lián)系。新鮮甘薯干物質(zhì)含量與其硬度呈顯著正相關(guān)[11,12]，甘薯的質(zhì)構(gòu)與淀粉含量存在緊密聯(lián)系[13]，烘烤后的甘薯其黏附性與還原糖含量呈顯著正相關(guān)[14]。同時，薯塊的咀嚼性、黏附性和硬度與適口性和加工適應性關(guān)系極為密切，可高效預測甘薯品種的口感[1]。

研究甘薯塊根的質(zhì)構(gòu)特性和淀粉直/支比，能夠指導其加工工藝，從而控制產(chǎn)品品質(zhì)及嗜好特性，為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)食用型甘薯和拓展甘薯用途提供理論依據(jù)，建立消費預測模型服務(wù)于銷售[15,16]。因此，研究甘薯塊根膨大過程中塊根的質(zhì)構(gòu)特性和淀粉直/支比的變化規(guī)律，對甘薯的優(yōu)質(zhì)栽培、定向育種和品種開發(fā)具有重要的實踐價值和理論意義?，F(xiàn)階段國內(nèi)外關(guān)于甘薯塊根膨大期過程中塊根質(zhì)構(gòu)特性和淀粉直/支比變化的研究較少。本研究以3種不同類型的甘薯為實驗材料，探究甘薯塊根膨大時期下質(zhì)構(gòu)特性和淀粉直/支比的變化規(guī)律，補充甘薯塊根膨大過程的研究，以期為開發(fā)優(yōu)質(zhì)食用型甘薯和拓展甘薯用途提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘薯選取心香(鮮食型甘薯，由金玉×浙薯2號雜交育出)、166-7(水果型、生食型甘薯)和綿粉1號(淀粉加工型甘薯，由品系74-14×79-96雜交育出)3個甘薯品種，在甘薯塊根形成的四個重要時期：扦插后50 d(塊根膨大初期)、80 d(塊根膨大高峰期)、110 d(塊根膨大后期)和140 d(收獲期)對各甘薯品種進行取樣調(diào)查。選取無病蟲害、大小一致，形狀相似的薯塊。收獲后將甘薯塊根后放入儲藏室中。儲藏室條件為溫度12 ℃、濕度85%, 鮮薯的儲藏時間不超過1周。

直鏈淀粉標準品(CAS 9005-82-7)；支鏈淀粉標準品(CAS 9037-22-3)；氫氧化鉀、碘化鉀、碘、鹽酸，均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

UV765 紫外可見分光光度計，TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀，JYLC020E打漿機，JXFM110錘式旋風磨， XJT手動果蔬切片機，DHG-9240A電熱恒溫鼓風干燥箱，KFR-35GW/(35556)FNDc-3空調(diào)器，HQ-JS130H超聲波加濕器，DD-22空氣冷卻器。

1.3 方法

1.3.1 塊根質(zhì)構(gòu)特性測定方法

質(zhì)構(gòu)特性測定方法參考文獻[14,15]。采用質(zhì)地多面分析(Texture Profile Analysis，TPA)法測定其質(zhì)構(gòu)參數(shù)(硬度、黏附性、內(nèi)聚性、彈性和咀嚼性)。取整薯中部1 cm厚的鮮薯片，采用P/5探頭在薯片中心部位進行質(zhì)構(gòu)特性測定，由質(zhì)構(gòu)特征曲線得到硬度、黏附性、內(nèi)聚性、彈性和咀嚼性等質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)。每個品種重復測定3組，每組測定5次，每組排除測得的最高值和最低值，取3組值的平均值和標準差。

1.3.2 淀粉樣品制備

測定方法參照江凌峰等[16]的方法，將甘薯洗凈，稱取(500.00±1.00)g，切成塊狀，置入打漿機加水間斷粉碎60 s，將其置入100目紗網(wǎng)袋，使用1 L蒸餾水進行2次反復洗提，合并洗提液，過100目篩。靜置18 h，每6 h去除上清液并用0.5 L蒸餾水洗提，直至上清液澄清。將洗提干凈的淀粉使用烘箱進行干燥，條件為24 h，50 ℃。之后將其使用錘式旋風磨研磨，過100目篩，置入自封袋，在4 ℃下干燥保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.3 淀粉直/支比的測定

采用雙波長碘比色法進行測定，具體步驟參照曾凡逵等[17]的方法。配置直鏈淀粉/支鏈淀粉標準液，采用繪圖法確定直鏈淀粉的檢測波長λ1為534 nm，λ2為569 nm，支鏈淀粉的檢測波長λ3為728 nm 和λ4為532 nm。制備直鏈淀粉和支鏈淀粉檢測標準曲線，之后按照步驟測定樣品。具體計算公式為：

直鏈淀粉= (x1×100×100%)/(15×m×1 000)

支鏈淀粉= (x2×50×100%)/(15×m×1 000)

淀粉直/支比=直鏈淀粉/支鏈淀粉

式中：x1為根據(jù)直鏈淀粉檢測標準曲線計算的樣品液中直鏈淀粉質(zhì)量/mg；x2為根據(jù)支鏈淀粉檢測標準曲線計算的樣品液中支鏈淀粉質(zhì)量/mg；m為樣品質(zhì)量/mg。

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過IBM.SPSS Statistics 25.0 對淀粉直/支比和質(zhì)構(gòu)參數(shù)進行不同膨大時期的方差分析，對淀粉直/支比和質(zhì)構(gòu)參數(shù)進行Pearson和Spearman相關(guān)性分析，。采用Duncan新復極差法分析數(shù)據(jù)差異顯著性。采用Excel 2021對數(shù)據(jù)圖表進行整理。

2 結(jié)果與討論

2.1 甘薯品種間的質(zhì)構(gòu)特性和淀粉直/支比的差異

選取甘薯收獲期的質(zhì)構(gòu)特性和淀粉直/支比進行分析，如表1所示，淀粉直/支比為心香>綿粉1號>166-7。之前的研究認為心香的蒸煮口感優(yōu)于166-7[15]，而甘薯的淀粉直/支比與蒸煮口感呈正相關(guān)[8]。因此可推測，在扦插后140 d收獲的甘薯的蒸煮口感排序，依次為心香、綿粉1號、166-7。甘薯淀粉直/支比可以作為快速預測甘薯蒸煮口感的指標，其數(shù)值越高，口感越好。3種甘薯品種在質(zhì)構(gòu)特性上有顯著差異(P<0.05)，水果型甘薯166-7表現(xiàn)出低硬度和咀嚼性的特點，結(jié)合以往加工研究，質(zhì)構(gòu)特性中的硬度和咀嚼性，與感官評價中的硬度呈顯著正相關(guān)，與黏度和甜度顯著負相關(guān)，硬度、咀嚼度與整體口感呈負相關(guān)[18]。低硬度和低咀嚼性可能是166-7生食口感優(yōu)于其他甘薯的原因。

2.2 塊根膨大過程中淀粉直/支比的變化

塊根膨大過程中會伴隨各種生理變化，這都會影響淀粉的組成成分[20,21]。淀粉直/支比的變化如圖1a所示，166-7和綿粉1號的淀粉直/支比變化趨勢呈2條平行的波浪狀曲線，其峰值出現(xiàn)扦插后80 d，分別為0.21和0.24，其谷值出現(xiàn)在扦插后110 d，分別為0.14和0.18。心香則與之不同，表現(xiàn)為“凹”型，其谷值出現(xiàn)在扦插后110 d，為0.17。相比膨大前期，3種類型的甘薯膨大后期淀粉直/支比顯著降低(P<0.05)；相比膨大后期，收獲期淀粉直/支比會顯著提升(P<0.05)，這與之前研究中淀粉含量、蔗糖和可溶性糖的變化曲線有相似的趨勢[19,20]。而淀粉直/支比與甘薯塊根的干物率不存在密切聯(lián)系，表明在甘薯塊根膨大過程中，水分含量和淀粉直/支比相關(guān)程度較低[23]。鮮食型甘薯品質(zhì)控制需要注意淀粉直/支比的變化，直/支比高的甘薯在蒸煮后，其適口性品質(zhì)優(yōu)于其他甘薯[8]。本研究中，扦插后80、140 d的淀粉直/支比相對其他時期表現(xiàn)較高，推測在這兩個時間段收獲甘薯，其蒸煮適口性最佳。在扦插后75～105 d是甘薯塊根淀粉含量迅速增長的時期，此時塊根中淀粉的合成速率逐漸增加[24]，結(jié)合本研究結(jié)果，甘薯在扦插后80～110 d淀粉直/支比呈顯著下降的原因，可能是由于在該階段支鏈淀粉合成速率遠遠高于直鏈淀粉導致的。

2.3 塊根膨大過程中鮮薯質(zhì)構(gòu)特性的變化

硬度是第一次擠壓下力的最大峰值。通常模擬口腔第一次咀嚼食品的過程。如圖1b所示，166-7的硬度變化曲線呈“凹”型，其谷值出現(xiàn)在扦插后110 d，峰值出現(xiàn)在扦插后140 d；綿粉1號的硬度變化曲線呈“S”型，自膨大初期其硬度一直在增長，其峰值處在扦插后110 d，之后平穩(wěn)至扦插后140 d；心香的硬度自膨大初期開始穩(wěn)步增長，其最高值在扦插后140 d出現(xiàn)。由此可知，3種甘薯的硬度在膨大后期相比其他時期均有降低；相比膨大初期，收獲期甘薯的硬度均顯著增加。前人研究發(fā)現(xiàn)硬度增加伴隨還原糖含量的降低和淀粉含量的增加[4,22]，很大程度上是塊根膨大過程中相關(guān)的纖維素酶和淀粉酶代謝一系列變化導致的[23-26]。

表1 甘薯扦插后140 d(收獲期)的質(zhì)構(gòu)特性和淀粉直/支比

圖1c所示，166-7和心香的變化趨勢呈波浪狀曲線，其峰值均出現(xiàn)在扦插后80 d，分別為，166-7的谷值出現(xiàn)在扦插后140 d，心香則是扦插后110 d；而綿粉1號的黏附性則在膨大過程中表現(xiàn)逐漸增加的趨勢，自膨大初期到收獲期，黏附性由5.05 J顯著增加11.25 J(P<0.05)。由此可知，166-7和心香表現(xiàn)為黏附性降低的趨勢，而綿粉1號表現(xiàn)為增加的趨勢。以往對甘薯的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，黏附性與還原糖含量呈正相關(guān)[13]。因此可推測，166-7和心香的還原糖含量在扦插后80 d可能達到頂峰，而綿粉1號是在扦插后140 d達到頂峰。

圖1d所示，166-7的內(nèi)聚性變化趨勢呈波浪狀，其波峰位于扦插后80 d，波谷位于扦插后110 d；綿粉1號呈“一”型，其內(nèi)聚性在0.20附近徘徊；心香呈“凹”型，其膨大初期和收獲期達到峰值，其扦插后110 d的膨大后期達到谷值。3種甘薯品種的內(nèi)聚性在膨大過程中雖然有不同的趨勢，但均表現(xiàn)為膨大后期的塊根內(nèi)聚性較膨大初期顯著降低。

圖1e所示，166-7的彈性變化趨勢呈“山”型，其峰值出現(xiàn)于扦插后80 d；而綿粉1號和心香的彈性變化趨勢則表現(xiàn)為“凹”型，其谷值出現(xiàn)在扦插后110 d。166-7和綿粉1號收獲期的彈性較膨大初期均表現(xiàn)為降低，而心香的彈性在膨大初期和收獲期差異不大(P>0.05)。

圖1f所示，166-7的咀嚼性變化趨勢呈“倒S”型，其極大值出現(xiàn)在扦插后80 d，其極小值出現(xiàn)在扦插后110 d，并保持至扦插后140 d；綿粉1號的咀嚼性變化趨勢呈“對勾”型，極小值出現(xiàn)在扦插后80 d，其極大值出現(xiàn)在扦插后110 d；心香的變化趨勢呈“凹”型。心香和綿粉1號的咀嚼性在收獲期較膨大初期均升高(P>0.05)，而166-7的咀嚼性則降低(P>0.05)。

不同類型甘薯的質(zhì)構(gòu)特性和淀粉直/支比有很大不同。前人研究認為，建議降低水果型甘薯淀粉含量以減少生食后的脹氣；同時提高爽脆的口感，增加甜度對水果型甘薯的開發(fā)是十分重要的[27,28]。之前關(guān)于桔紅肉甘薯的研究也有一些類似的發(fā)現(xiàn)，扦插后70 d左右，甘薯的蛋白質(zhì)含量和β胡蘿卜素均保持一個較高的水平，營養(yǎng)物質(zhì)較豐富[29]；扦插后100 d左右，糖分含量迅速增加，保持較高水平，同時干物率和淀粉含量在此時出現(xiàn)谷值[29,30]。與以往蘋果質(zhì)構(gòu)研究的對比發(fā)現(xiàn)，水果型甘薯品種的硬度和咀嚼性遠高于優(yōu)質(zhì)蘋果[31]，其硬度至少達到蘋果的2～3倍，所以針對蘋果硬度越大、咀嚼性越高，則口感越好的原則[32]，可能在甘薯中并不適用。因此降低生鮮甘薯的硬度和咀嚼性將是未來改善水果型甘薯口感的重點研究方向之一。結(jié)合本實驗結(jié)果，扦插后80～110 d較適宜水果型甘薯的收獲或其他類型甘薯拓展水果型用途，此階段甘薯的干物率較低，硬度和咀嚼性較低，糖含量較高，營養(yǎng)物質(zhì)豐富，口感更偏向于蘋果。在水果型馬鈴薯的育種開發(fā)也采取了相似的策略[33]。

注：數(shù)據(jù)為3 次重復平均值，不同字母表示同一品種甘薯塊根不同膨大時期差異顯著(P< 0.05)。

水果型甘薯的生產(chǎn)與淀粉加工型甘薯截然相反，研究認為，淀粉含量高、還原糖低和干物率高的甘薯品種適宜淀粉和薯類食品加工[34,35]。而甘薯淀粉含量、干物率二者與鮮薯的硬度顯著正相關(guān)[12,13]，與還原糖含量呈顯著負相關(guān)[22]，提高甘薯的淀粉加工特性可能會提高其鮮薯硬度，從而導致甘薯品種的水果型用途開發(fā)的限制。結(jié)合前人研究和本研究的結(jié)果，開發(fā)現(xiàn)有甘薯品種的水果型用途是可行的。通過利用甘薯塊根膨大過程質(zhì)構(gòu)特性的變化曲線，同時控制甘薯塊根的總淀粉含量，增加甘薯塊根中可溶性糖和還原糖的含量可以提高其水果型甘薯品質(zhì)。拓展甘薯的用途，有利于甘薯產(chǎn)業(yè)降低育種成本，提高甘薯品種使用效率，增加甘薯育種者、生產(chǎn)者、銷售商和加工廠的利潤。

2.4 扦插后時間與質(zhì)構(gòu)特性、淀粉直/支比的相關(guān)性

如表2所示，采用Pearson和Spearman相關(guān)性分析方法對甘薯扦插后時間與質(zhì)構(gòu)特性、淀粉直/支比開展相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)甘薯扦插后時間與淀粉直/支比呈顯著負相關(guān)(P<0.05)，兩種相關(guān)性分析方法均為扦插后時間與硬度呈極顯著正相關(guān)，與彈性呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，與內(nèi)聚性呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。甘薯塊根的膨大時期與質(zhì)構(gòu)特性和淀粉直/支比存在聯(lián)系，質(zhì)構(gòu)特性中與鮮薯的彈性和硬度聯(lián)系緊密。結(jié)合圖1可知，整體上，隨著塊根逐漸膨大，甘薯塊根的硬度呈總體上升趨勢，淀粉直/支比、內(nèi)聚性和彈性呈總體降低趨勢，個別甘薯品種的變化趨勢有所出入。

表2 甘薯扦插后時間和鮮薯質(zhì)構(gòu)特性、淀粉直/支比相關(guān)性分析

2.5 塊根膨大過程中鮮薯質(zhì)構(gòu)特性和淀粉直/支比的相關(guān)性

如表3所示，采用Pearson和Spearman相關(guān)性分析方法對甘薯淀粉直/支比和質(zhì)構(gòu)特性的開展相關(guān)性分析，兩種相關(guān)性分析方法均表現(xiàn)為咀嚼性與直/支比表現(xiàn)為極顯著相關(guān)(P<0.01)，彈性、內(nèi)聚性對直/支比表現(xiàn)為顯著正相關(guān)(P<0.05)。其他鮮薯質(zhì)構(gòu)特性未發(fā)現(xiàn)與淀粉直/支比呈顯著相關(guān)(P>0.05)。這與之前研究中直鏈淀粉含量與硬度呈顯著正相關(guān)有所出入[36]，可能是樣品的品種和收獲時期不同導致的。

表3 甘薯淀粉直/支比和鮮薯質(zhì)構(gòu)特性的相關(guān)性分析

3 結(jié)論

隨著甘薯塊根膨大，甘薯的淀粉直/支比、內(nèi)聚性和咀嚼性降低，硬度增加。淀粉直/支比的谷值出現(xiàn)在扦插后110 d左右的塊根膨大后期，此時收獲的甘薯的蒸煮適口性不佳；從甘薯質(zhì)構(gòu)研究的角度上分析，硬度和咀嚼性是限制水果型甘薯研發(fā)的主要因素之一，扦插后80～110 d，塊根膨大高峰期至膨大后期，此時的甘薯硬度和咀嚼性低于其他時期，更適宜開展水果型甘薯的開發(fā)。開發(fā)水果型甘薯時應考慮選擇低硬度、低咀嚼性的甘薯品種，不建議使用淀粉加工型甘薯。