不同品種甘薯淀粉加工特性及其與磷含量的相關性研究

靳艷玲,楊 林,丁 凡,方 揚,譚 力,易卓林,何開澤,趙 海,*

(1.中國科學院成都生物研究所,中國科學院環境與應用微生物重點實驗室, 環境微生物四川省重點實驗室,四川成都 610041; 2.綿陽市農業科學院,四川綿陽 621023)

我國是薯類生產大國,甘薯的種植面積和總產量均居世界第一位,其中,四川省的甘薯產量居全國首位,在保障食品安全和滿足消費需求多樣化方面發揮了重要作用。加工是促進農業持續增效、農民持續增收的重要途徑,因此,相關科研單位和企業一直在持續地開展甘薯加工新產品的研發工作。甘薯可加工利用的主要成份是其所含的淀粉,最直接的產品為淀粉及衍生物淀粉;甘薯還可以通過微生物發酵將其中的淀粉轉化生產酒精、飲料、飼料、調味品以及其他大宗工業產品。隨著消費者對甘薯保健功能的認可,甘薯食品的研制和生產開發得到較快的發展,質量亦不斷提高,出現了甘薯方便食品、休閑食品、甘薯飲料、功能保健產品等[1-4]。但因技術門檻和設備投入要求較低,而且甘薯淀粉類產品價位相對玉米淀粉和馬鈴薯淀粉產品較高,所以目前甘薯加工的主要形式仍為淀粉、粉絲、粉條等產品,“三粉”加工仍占據主導地位。農戶和企業加工的積極性也較高,北方薯區淀粉加工所占比例為58.7%,南方薯區為31.3%,長江中下游薯區為44.4%[5-7]。

不同甘薯品種的淀粉含量、出粉率以及加工粉條的品質差異很大,直接影響加工利潤。而在實際生產過程中,絕大多數加工企業使用的甘薯原料品種較為混雜,不利于發揮最大效益、保證生產的穩定性。另外,淀粉除用于烹調和食品加工外,用途非常廣泛,如在工業上用于粘合、成膜、上膠,在藥品里用于增稠、崩解等。不同的應用方向對于淀粉的品質具有不同的要求,為此,本研究對國內近年來育成的24個品種甘薯的加工性能參數進行了比較,對加工產品品質相關的因素進行分析,以期為淀粉及相關產品加工專用甘薯品種育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

渝薯1號、濟薯25、渝薯198、渝薯27、冀薯98、商薯19、漯薯11、運薯271、桂粉3號、秦薯9號、湛薯12、萬薯34、鄂薯6號、龍薯28、蘇薯24、秦薯5號、煙薯26、廣薯87、湘薯98、皖薯7號、川薯221、阜薯24、鄭紅23、萬薯9號等24個品種甘薯 由國家甘薯產業技術體系提供;鹽酸、氫氧化鈉、葡萄糖、醋酸鉛、乙酸鋅、亞鐵氰化鉀、苯酚、硫酸、無水乙醇、硝酸銀等 分析純,成都科龍化工試劑公司。

SHIMADZU AUY 120電子天平 日本島津公司;ELSD 6000高效液相色譜儀 美國奧泰公司;Optima 8300電感耦合等離子體發射光譜儀 美國PerkinElmer公司;754N分光光度計 上海奧普勒儀器有限公司;MVAG 803202微量快速黏度儀 德國Brabender公司;ZRD-A7230鼓風干燥箱 上海智城分析儀器制造有限公司;HAD-ED54石墨消解儀 北京恒泰奧德科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 干物質率測定 參照GB5009.3-2016《食品中水分的測定》采用105 ℃烘干重量分析法測定。取潔凈稱量瓶置于105 ℃干燥箱中,瓶蓋斜支于瓶邊,加熱1 h,取出蓋好,置干燥器內冷卻0.5 h,稱量,并重復干燥至前后兩次質量差不超過2 mg,即為恒重。將薯塊切成小于5 mm的薯丁,混合均勻,稱取試樣(精確至0.0001 g),放入此稱量瓶中,105 ℃干燥2～4 h后,同法冷卻、稱量至恒重。樣品干燥后的重量占初始重量的比例即為干物質率。

1.2.2 淀粉含量測定 參照GB/T 5009.9-2016《食品中淀粉的測定》改進后的方法,薯漿酸水解后的葡萄糖以高效液相色譜-蒸發光檢測器法(HPLC-ELSD)測定[8-9]。水解液處理:吸取一定量水解液,依次通過預先以甲醇活化好的C18固相萃取小柱和0.22 μm水系濾膜過濾。色譜條件:以超純水為流動相,采用BIO-RAD Aminex RHPX-87P色譜柱,流速0.6 mL/min,柱溫79 ℃,蒸發光檢測器溫度105 ℃,進樣量20 μL。以系列濃度葡萄糖溶液和相應的色譜峰面積繪制標準曲線,根據標準曲線計算水解液中的葡萄糖濃度并根據水解樣品重量折算甘薯中的葡萄糖濃度,此為淀粉水解和可溶性糖溶解獲得的總葡萄糖濃度,減去同法測得未水解甘薯的可溶性葡萄糖濃度,再除以1.1即為淀粉含量。

1.2.4 褐變指數測定 參照袁潔等[11]的方法采用分光光度計測定,隨機選取大小一致的甘薯,從相同部位切取2.0 g于研缽中,分別加入蒸餾水20.0 mL,研磨5 min,低溫下離心5 min(4000 r/min,4 ℃),取上清2.0 mL于試管中,加入0.05 mol/L的FeCl32.0 mL,25 ℃水浴2 h,以蒸餾水調零,測定410 nm的吸光值,以10·A410表示褐變度。

1.2.5 淀粉的提取 參照張正茂等[12]的方法提取,稱取潔凈薯塊約1.0 kg,粉碎、勻漿,加入3.0 kg自來水,混勻后立即過100目尼龍濾布;濾液靜置8 h后棄去上清,加入3倍淀粉質量的自來水,與沉淀的淀粉混合均勻后立即過200目尼龍濾布;濾液靜置8 h后以相同方法清洗、過濾、沉淀第三次。最后將淀粉風干至無肉眼可見水,置于45 ℃干燥,過100目篩。

1.2.6 淀粉糊化特性測定 采用Brabender微型糊化黏度儀測定。添加0.05 mol/L硝酸銀鈍化α-淀粉酶以消除α-淀粉酶在升溫過程中對糊化特征參數的干擾[13-14]。糊化黏度測定參數及溫控程序:轉速250 r/min,升溫速度7.5 ℃/min,升至92 ℃后保溫5 min,然后以同樣速度降溫至50 ℃,保溫1 min。黏度結果以布拉班德黏度單位BU表示。

1.2.7 磷含量測定 采用GB 5009.87-2016《食品中磷的測定》改進后的方法測定。稱取試樣1.0～1.5 g(精確至0.001 g并記錄)于消化管中,加入10 mL硝酸、1 mL高氯酸、2 mL硫酸,在石墨消解爐上消解(參考條件:120 ℃/0.5～1 h，升至180 ℃/2～4 h，升至200～220 ℃)至消化液呈無色透明或略帶黃色,消化液放冷,加10 mL水,趕酸。放冷后轉移至50 mL容量瓶中,用超純水多次洗滌消化管,合并洗液于容量瓶中定容、混勻。同法做試劑空白試驗。消化的樣品以電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)測定磷濃度。

1.3 數據處理

以上測定均為3個重復,結果以平均值±SD表示。采用SPSS 19.0進行描述性統計、Duncan檢驗差異分析和復合曲線模型擬合。

2 結果與分析

2.1 不同品種薯塊淀粉加工相關品質指標

根據國家甘薯產業技術體系2017年開展的不同用途甘薯品質需求調研,淀粉加工企業和農戶最關注的薯塊品質參數有:高淀粉、低褐變、高干物質率、低糖。其中,淀粉含量是關注度最高的指標,直接關系到出粉率和經濟效益。由表1可見,試驗品種薯塊的平均淀粉含量為22.14%,以渝薯1號最高,達31.45%,其次為濟薯25、渝薯198、渝薯27、冀薯98、商薯19,選用高淀粉含量的品種用于生產淀粉,原料出粉率較高,有利于減少運輸成本、提高設備利用率。干物質率是指塊根的干物質含量,是甘薯品種最重要的經濟性狀之一,干物質率排在前三位的依次為濟薯25、渝薯1號、運薯271,平均干物質率為31.38%,24個品種之間的干物質率差異較小,變異系數13.45。而可溶性糖含量差異較大,變異系數達43.97,平均含量2.32%,可溶性糖含量直接影響廢水COD,因此以含量較低的品種更利于后續廢水環保處理。褐變是影響甘薯淀粉品質的一個重要指標,在多酚氧化酶作用下薯塊中的酚類物質被氧化形成醌,醌自我聚合或者通過共價修飾,與其他物質結合產生黑色或褐色的色素沉淀,使淀粉的白度降低，從而影響淀粉的商品性[15-16],另外,褐變指數較高的品種,淀粉加工廢水的顏色也較深,處理過程中也要增加脫色的成本。試驗品種褐變指數7.00～20.01,褐變指數最低的為渝薯27。已有學者開發了多種方法抑制褐變,如加入亞硫酸鹽、加入蛋白酶抑制劑、隔絕氧氣等[11],但這些方法均依賴化學試劑或設備,成本較高且有藥劑殘留問題。選用渝薯27、渝薯1號等淀粉含量高、且褐變指數低的甘薯品種,則是一條從源頭上減少褐變、提高淀粉白度的安全、有效的途徑。

表1 24個品種甘薯薯塊主要淀粉加工相關品質指標數Table 1 Main processing related indexes of starch from 24 varieties of sweet potato

2.2 不同品種甘薯淀粉黏度譜(RVA)的差異

淀粉是一種親水性的膠體,淀粉在適當的溫度下在水中溶脹、分裂、形成均勻的糊狀溶液的過程被稱為糊化,糊化的直接表現為黏度增加,黏度在淀粉產品加工及最終產品的功能方面非常重要,不同產品要求使用具有不同的流變特性的淀粉。不同品種甘薯糊化淀粉的特征黏度譜間存在明顯差異,在加熱(糊化)和冷卻(膠凝化)過程中流變特征不同可以滿足不同產品的需要。

表2 24個品種甘薯淀粉黏度譜Table 2 Rapid viscosity analysis(RVA)profiling of starch from 24 varieties of sweet potato

使淀粉達到糊化狀態的溫度是糊化溫度,受淀粉晶型、結構、顆粒大小的影響,不同作物以及同一作物不同品種淀粉的糊化溫度存在差別[17]。較低的糊化溫度有利于降低加工能耗和時間、有利于大規模工業化生產;而較高的糊化溫度表明淀粉晶體結構穩定,不易被破壞。受試甘薯淀粉的糊化溫度范圍為66.8～77.1 ℃,其中,秦薯9號、蘇薯24、煙薯26和濟薯25淀粉的糊化溫度均低于70 ℃,以其為原料進行淀粉類產品加工有利于減少糊化能耗。峰值黏度與淀粉糊的粘結性和增稠性密切相關[18-19],受試品種甘薯淀粉的峰值黏度變化范圍為922～1207 BU,最高的為運薯271,其次為濟薯25、煙薯26、商薯19,用作增稠劑時增稠效果較優。崩解值越小,代表其溶脹后的淀粉顆粒強度越大、不易破裂,導致其抗剪切性和熱糊穩定性好[17]。繆銘[20]研究表明,塊根類淀粉崩解值與慢消化淀粉顯著負相關,崩解值較低的淀粉能夠緩慢消化吸收、持續釋放能量。受試品種甘薯淀粉的崩解值變化范圍為69～526 BU,其中,桂粉3號具有最低的崩解值,為381BU。食用以桂粉3號等崩解值較低的淀粉生產的食品,有利于穩定餐后血糖。淀粉的回生值越大表示其越容易老化,雖然凝膠性強,但易失水、硬度增加[19,21],受試品種甘薯淀粉回生值變化幅度較大,變異系數為16,其中秦薯5號回生值最低,為241 BU,其次為漯薯11和鄭紅23,這些回生值較低的淀粉用作醬汁等的穩定劑時,保水性強。以淀粉為原料加工生產的產品類型非常豐富,建議選擇原料的時候根據不同品種甘薯淀粉的特征參數確定其用途,實現物盡其用。

2.3 淀粉磷含量

影響淀粉黏度特征的因素除作物種類(如不同作物導致的淀粉晶型和顆粒大小不同)外,同一種作物間還受品種差異的影響,主要因素為直鏈淀粉和支鏈淀粉的含量[22],但根據前期研究的結果,不同品種甘薯淀粉的直鏈、支鏈淀粉含量差異較小,變異系數僅1.03[23]。另有報道,磷與馬鈴薯淀粉的黏度特征具有顯著相關性,磷是存在于淀粉中的非碳水化合物結構,以磷酸單酯形式結合于支鏈淀粉后可以增加淀粉的黏度和透明度[24]。

但甘薯淀粉的磷含量鮮有研究,因此測定了不同品種甘薯淀粉的磷含量。結果表明:24個品種甘薯淀粉磷含量變化幅度較大(82～231 mg/kg)(見圖1),變異系數達22.33。總體來講,甘薯淀粉的磷含量高于木薯和山藥淀粉的磷含量[25],低于馬鈴薯淀粉的磷含量[26]。

圖1 24個品種甘薯淀粉磷含量Fig.1 Phosphorus content of starch from 24 varieties of sweet potato

2.4 淀粉磷含量與黏度譜的相關性

皮爾森(Pearson)相關性分析表明,淀粉磷含量與其峰值黏度呈極顯著正相關(p<0.01)(圖2a),與崩解值(圖2b)和回生值(圖2c)也呈正相關,但相關性不顯著。Zaidul和Noda等[24-26]的研究結果表明,馬鈴薯淀粉磷含量與其糊化溫度呈顯著正相關,但甘薯淀粉與馬鈴薯淀粉不同,磷含量與糊化溫度相關性不顯著(圖2d)。

圖2 甘薯淀粉磷含量與峰值黏度的相關性擬合曲線Fig.2 Fitting curve of correlation between phosphorus content and peak viscosity of sweet potato starch注：a:磷含量與峰值黏度的擬合曲線;b:磷含量與回生值的擬合曲線; c:磷含量與崩解值的似合曲線;d:磷含量與糊化溫度的擬合曲線。

根據廖盧艷等[27]的研究,峰值黏度與粉條品質極顯著正相關。因此,淀粉磷含量高的品種生產的粉條可能具有更好的品質。結果提示:磷含量可以作為粉條加工用甘薯品種育種的參考指標。除通過育種手段選育淀粉磷含量較高的甘薯品種外,現有研究表明還可以通過施肥調節甘薯莖葉和薯塊的磷含量[28],但施肥對甘薯淀粉磷含量的影響尚無相關研究報道,可作為下一步的研究方向,嘗試通過調節磷肥使用量等途徑影響甘薯淀粉磷含量,從而改變其黏度特征。

3 結論

本研究對24個品種甘薯薯塊及淀粉品質進行了比較分析,糊化溫度較低的品種有秦薯9號、蘇薯24、煙薯26和濟薯25,糊化時需要的熱量較少;糊化溫度最高的品種為桂粉3號,熱穩定性強;峰值黏度最高的為運薯271,其次為濟薯25、煙薯26、商薯19,用作增稠劑時增稠效果較優;桂粉3號具有最低的崩解值,制作食品易于穩定餐后血糖;秦薯5號、漯薯11和鄭紅23的回生值較低,適于制作穩定劑。另外,淀粉磷含量與淀粉糊的峰值黏度呈極顯著正相關,可嘗試通過育種或土肥技術調節磷含量,從而影響淀粉品質。

傳統觀念認為,淀粉加工用甘薯只要求淀粉含量高,所以長期以來農戶和企業在引種、加工時對其他指標并無過多關注。隨著企業技術和管理水平的提升,已逐漸認識到高淀粉含量確實是淀粉及相關產品加工的基本指標,但加工品質指標同樣重要,不同產品對淀粉的品質指標需求有較大差異,是否選擇了合適的品種關系到原料能否物盡其用、生產能否提質增效以及廢棄物能否實現減量化,與經濟和環境息息相關。本研究篩選出各類品質特性突出的品種,可以為后續育種工作提供材料和參考。