紫色馬鈴薯顆粒全粉加工關鍵工藝參數優化

童丹，韓黎明，楊新俊

（1.甘肅中醫藥大學，甘肅蘭州730000；2.定西師范高等專科學校，甘肅定西743000；3.甘肅薯香園農業科技有限公司，甘肅定西743000）

紫色馬鈴薯是馬鈴薯資源中一類具有獨特遺傳特性和經濟價值的特殊品種類型。豐富的花青素的存在使紫色馬鈴薯在具有普通馬鈴薯所有其他營養價值的同時，具有抗氧化、抗癌、抗病毒、抗衰老、降血糖、保護肝臟、美容、減肥等多種生理功能[1]，獨特的營養保健功效和優勢使其在食品、化妝品、保健品和醫藥等領域有廣泛的開發應用價值。

國內外對紫色馬鈴薯的研究主要集中于花青素含量、提取分離純化工藝、抗氧化性、穩定性及保健功能等方面。目前國內市場紫色馬鈴薯全粉和紫色馬鈴薯衍生產品都很稀缺，得益于紫色馬鈴薯優質品種、原料、新技術的不斷進步，越來越多的食品研發機構和學者正著力研發以主食形式消費的紫色馬鈴薯產品。研究表明，采用先進工藝，以紫色馬鈴薯為原料可制得游離淀粉含量低、色素保留較好的紫色馬鈴薯全粉[2-3]，紫色馬鈴薯全粉-小麥粉混粉的營養價值高于純小麥粉[4]。利用紫色馬鈴薯全粉為基料可開發出紫色馬鈴薯薯條[5]、紫色馬鈴薯饅頭[6]、紫色馬鈴薯蛋糕[7-8]、紫色馬鈴薯營養粉[9]、紫色馬鈴薯米酒等功能性飲品[10]，以及具有肥胖抑制活性的新型保健功能食品[11]。

紫色馬鈴薯全粉加工及主食化應用的研究剛剛起步，有關紫色馬鈴薯全粉加工及主食化應用研究的報道較少。已有的研究多是在實驗室條件下小批量進行的，有待進行擴大試驗。本試驗以定西地產“黑美人”馬鈴薯為原料，制備紫色馬鈴薯顆粒全粉，以碘藍值和花青素含量為主要考察指標，通過單因素和正交試驗，確定富集花青素的特殊馬鈴薯顆粒全粉加工最佳工藝參數，為紫色馬鈴薯全粉生產及進一步產業化開發利用提供理論依據和技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗材料

“黑美人”馬鈴薯，采自甘肅愛蘭馬鈴薯種業有限公司定西市安定區香泉鎮東寨村種薯繁育基地。10 月中旬植株正常成熟后收獲塊莖，網袋包裝置氣調庫貯藏。收獲20 d 后進行加工和測定。原料基本組分為：干物質21.6%，蛋白質2.84%，淀粉15.82%，還原糖0.32%，維生素C 7.54 mg/100 g，花青素26.48 mg/100 g。

1.1.2 主要試劑

鹽酸、乙醇、亞鐵氰化鉀、醋酸鋅、3，5-二硝基水楊酸、十二烷基硫酸鈉、氫氧化鈉、丙三醇、硫酸銅、酒石酸鉀鈉、抗壞血酸標準液、葡萄糖標準液、碘標準液（以上試劑均為分析純）：國藥集團化學試劑北京有限公司；氯化鈣（食品級）：廣州市天銀化工科技有限公司；檸檬酸（食品級）：濟南明冠化工有限公司。

1.1.3 儀器設備

試驗所用主要儀器設備見表1。

表1 試驗所用主要儀器設備Table 1 Main instruments and equipments

1.2 方法

1.2.1 顆粒全粉制備

采用“二次干燥+回填制粉”工藝[12]制備顆粒全粉，工藝路線如下，加工工藝參數見表2。

表2 馬鈴薯顆粒全粉生產工藝參數Table 2 Production process parameters of potato pranules

1.2.2 試驗設計

1.2.2.1 單因素試驗

在設定閃蒸時間25 min、漂燙溫度70 ℃、冷卻溫度24 ℃、冷卻時間20 min、干燥鼓轉速5 檔條件下，按照設定的工藝流程，分別考察漂燙時間（20、25、30、35、40 min）、蒸煮溫度（80、85、90、95、100 ℃）、蒸煮時間（25、30、35、40、45 min）、干燥溫度（105、110、115、120、125 ℃）4 個關鍵參數對紫色馬鈴薯顆粒全粉品質特性的影響。

1.2.2.2 正交試驗

在單因素試驗基礎上，選取漂燙時間、蒸煮溫度、蒸煮時間、干燥溫度等4 個因素為考察對象，分別以全粉產品碘藍值、花青素含量為考察指標，采用四因素三水平L9（34）正交試驗（表3），對各個參數進行優化，確定獲得高品質紫色馬鈴薯顆粒全粉的關鍵工藝參數組合。

表3 正交試驗因素水平Table 3 Orthogonal test factor level

1.2.3 品質特性測定

1.2.3.1 營養組分測定

水分含量參照減壓干燥法[13]測定；蛋白質含量參照雙縮脲法[14-15]測定；淀粉含量參照旋光儀法[16-17]測定；還原糖含量參照3，5-二硝基水楊酸（DNS）比色法[18]測定；維生素C 含量參照高效液相色譜法[19-20]測定；灰分含量參照灼燒稱量法[21]測定。

1.2.3.2 功能指標測定

1）碘藍值測定：準確稱取0.25 g 樣品加入50 mL容量瓶，蒸餾水定容，65.5 ℃水浴中攪拌5 min，靜1 min 后過濾，吸取 1 mL 于 50 mL 容量瓶中，加入1 mL 0.02 mol/L 碘標準溶液，蒸餾水定容。以蒸餾水作空白對照，以試劑空白調點，測定樣品的吸光度值A650nm，計算碘藍值[22-23]。

2）花青素含量測定：采用提取劑+超聲波輔助提取，AB-8 大孔樹脂純化，紫外分光光度法測定[24]。準確稱取樣品 0.5 g，加入 20 mL 提取劑（1 % HCl：95 %乙醇=2 ∶3，體積比），60 ℃恒溫水浴 20 min，冷卻至 20 ℃，超聲波輔助提取30 min，60 ℃恒溫水浴10 min，離心（4 000 r/min，15 min），吸取 2.5 mL 上清液于 25 mL 容量瓶中，分別用pH 1.0 緩沖液和pH 4.5 緩沖液定容至刻度，搖勻，放置2 h 平衡后，以蒸餾水作空白對照，在波長525 nm 和700 nm 處測定吸光度值，計算花青素含量（X）。

式中：X 為樣品花青素含量，mg/100 g；A 為吸光度值；ε 為矢車菊素-3-葡萄糖苷的消光系數，26 900 L/（mol·cm）；L 為光程，1 cm；V 為提取液體積，mL；m 為樣品質量，g；MW 為矢車菊素-3-葡萄糖苷分子量（449.2 g/mol）；DF 為稀釋倍數。

花青素總量按下式計算：

式中：M 為樣品花青素總量，mg；X 為樣品花青素含量，mg/100 g。

花青素保持率按下式計算：

式中：M0為鮮薯中花青素含量，mg；M1為顆粒全粉中花青素含量，mg。

1.2.4 數據處理

采用 SAS9.2 軟件 （SAS Institute Inc.，Cary，NC，USA）對試驗數據進行統計分析，每項指標重復測定3次，取平均值，分析結果采用平均值±標準差（x±s，n=3）表示。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果分析

紫色馬鈴薯顆粒全粉有兩個功能指標非常關鍵。游離淀粉含量的高低是馬鈴薯顆粒全粉質量的一項重要指標，它表明馬鈴薯細胞被破損的程度。全粉加工是將鮮馬鈴薯經高溫處理加工成粉末狀脫水制品，高強度的物理處理會導致細胞壁降解，造成薯肉細胞中淀粉分子游離出來，營養和風味物質流失，物理特性難以保全，黏度增大，分散性和復水性不佳，加工性能下降，影響全粉品質和口感。全粉加工過程中，如何最大限度保持細胞的完整性，降低游離淀粉率是其技術關鍵，對于全粉加工至關重要，其中涉及細胞結構的復雜變化和一系列的生化反應[25]。游離淀粉含量通常采用碘藍值表示，碘藍值與游離淀粉含量成正相關，碘藍值越低，則游離淀粉含量越低，全粉品質越好。

紫色馬鈴薯富含花青素，是一類具有顯著清除自由基和抗氧化功能的保健型天然花色苷色素，花青素含量是紫色馬鈴薯全粉的重要品質之一。有關花青素穩定性的研究[26-27]表明，花青素具有熱敏感性，全粉加工過程中多個溫度處理環節會破壞花青素結構，加快其降解，不可避免的造成花青素損失。與普通馬鈴薯全粉加工不同的是紫色馬鈴薯全粉必須考慮如何減少花青素損失，這是紫色馬鈴薯顆粒全粉加工的關鍵技術之一，對提升其品質至關重要。

2.1.1 漂燙時間對碘藍值和花青素含量的影響

漂燙處理具有鈍化多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）活性[28]、遏制褐變、提高全粉亮度值（L*值）、加快干燥速度及殺菌等作用。

漂燙時間對碘藍值和花青素含量的影響見圖1。

圖1 漂燙時間對碘藍值和花青素含量的影響Fig.1 Effects of blanching time on iodine blue value and anthocyanin content

圖1a 顯示，在設定漂燙溫度70 ℃條件下，碘藍值隨漂燙時間延長呈下降趨勢，漂燙20 min 時下降較快，之后則趨于平緩，說明游離淀粉含量越來越低。其原因在于漂燙漂去了因切片造成細胞損傷產生的游離淀粉，同時漂燙處理使淀粉凝膠化，有利于保護細胞膜，改變細胞間力，使蒸煮后馬鈴薯細胞間更易分離。Moledina 等[29]研究表明，漂燙處理后馬鈴薯淀粉顆粒細胞壁會產生更大的內聚力，可顯著提高細胞強度，有利于后續蒸煮等工藝中保持細胞完整，減少游離淀粉含量，降低黏度，提升顆粒全粉產品質量。圖1b可見，隨漂燙時間延長花青素含量下降，漂燙30 min時花青素含量發生顯著變化，表明在70 ℃花青素熱降解的臨界溫度上，熱穩定性較差，容易發生降解，同時花青素是水溶性色素，較長時間的漂燙會導致花青素大量浸出，應盡量縮短漂燙時間。

漂燙時間過短，不能達到鈍酶、抗褐變等效果，漂燙時間過長，會引起花青素損失，含量下降。綜合分析，漂燙溫度70 ℃下最佳漂燙時間為25 min。

2.1.2 蒸煮溫度對碘藍值和花青素含量的影響

蒸煮工藝是將漂燙、冷卻后的馬鈴薯片在常壓下進行汽蒸，使其充分糊化。Binner 等[30]研究了蒸煮對馬鈴薯細胞結構的影響，發現100 ℃下蒸煮10 min，所得的產品具有良好的粉狀特性，而70 ℃蒸煮，β-淀粉酶將淀粉降解成小分子低聚物，并能從細胞中逃逸出來，使薯肉堅硬易碎。

蒸煮溫度對碘藍值和花青素含量的影響見圖2。

圖2 蒸煮溫度對碘藍值和花青素含量的影響Fig.2 Effects of cooking temperature on iodine blue value and anthocyanin content

由圖2a 可以看出，在蒸煮溫度80 ℃～100 ℃范圍內，碘藍值變化不大，說明蒸煮后淀粉的糊化有利于細胞間的分離，并不導致細胞的破損。蒸煮溫度對游離淀粉含量的影響不大。圖2b 顯示，隨蒸煮溫度上升，花青素含量雖有下降但變化不明顯。說明在花青素熱降解的臨界溫度上，花青素含量的損失并不隨溫度上升而加快，同時蒸煮過程是通過蒸汽對其間接加熱，對花青素的降解較小。

2.1.3 蒸煮時間對碘藍值和花青素含量的影響

蒸煮時間應滿足使薯片均勻軟化要求。蒸煮時間對碘藍值和花青素含量的影響見圖3。

圖3 蒸煮溫度對碘藍值和花青素含量的影響Fig.3 Effects of cooking time on iodine blue value and anthocyanin content

圖3a 顯示，隨蒸煮時間延長，碘藍值先降后升，這是因為隨蒸煮時間延長，細胞壁逐漸分解溶出，當此反應進行到一定程度，造成細胞破損，淀粉游離出來，蒸煮時間超過40 min 時碘藍值升高非常顯著。圖3b可見，花青素含量隨蒸煮時間的增加而減少，持續長時間蒸煮是造成花青素損失的主要原因。

蒸煮時間對顆粒全粉細胞的抗破損性和花青素含量的保持起重要作用。綜合分析，蒸煮溫度95 ℃，蒸煮時間35 min 下產品能夠保持較低的碘藍值，花青素損失少。

2.1.4 干燥溫度對碘藍值和花青素含量的影響

干燥技術是馬鈴薯全粉制備過程中的一個重要環節，合適的干燥溫度和干燥時間對馬鈴薯全粉品質的保持非常重要。干燥工藝是采用100 ℃以上高溫烘干組織中的水分，強烈的熱力作用必然影響馬鈴薯全粉產品的得率、水分含量、感官品質、功能特性及基本化學組分。

干燥溫度對碘藍值和花青素含量的影響見圖4。

圖4a 可見，隨干燥溫度升高，碘藍值有上升趨勢，但不顯著，說明干燥工藝的起始溫度105 ℃和125 ℃對馬鈴薯全粉的碘藍值影響不大[31]。圖4b 顯示，120 ℃以下干燥溫度對花青素含量的影響較小，花青素保持較好，但干燥溫度120 ℃以上時花青素含量下降很快，變化非常顯著。

圖4 干燥溫度對碘藍值和花青素含量的影響Fig.4 Effects of dry temperature on iodine blue value and anthocyanin content

干燥溫度不同所需要的干燥時間也不相同，提高溫度可以打破組織中結合水的束縛，在去除自由水的同時除去內部剩余少量水分。隨著溫度升高，縮短干燥時間，馬鈴薯干燥速率增大。考慮到抑制褐變，減少花青素損失以及節能等因素，確定干燥溫度為120 ℃。

2.2 正交試驗結果分析

單因素試驗表明，不同工藝參數對紫色馬鈴薯顆粒全粉游離淀粉含量和花青素含量有著不同的影響規律。根據單因素試驗結果，紫色馬鈴薯顆粒全粉最佳工藝參數正交試驗極差分析結果見表4。

由表4 正交試驗極差分析得知，在選定的試驗試圍內，影響游離淀粉含量（碘藍值）和花青素含量的因素主次順序均為：C＞A＞B＞D，即蒸煮時間＞漂燙時間＞蒸煮溫度＞干燥溫度，其影響最顯著的因素是蒸煮時間。說明細胞完整程度不僅影響游離淀粉含量，也與花青素的保持有關。按影響游離淀粉含量的因素水平選取最優參數組合為A1B3C2D3；按影響花青素含量的因素水平選取最優參數組合為A1B3C2D1。由于兩個指標單獨分析出來的最優條件并不一致，綜合平衡，“有利”部分 D1＜D3，“不利”部分 D1＞D3，故選 D3。正交試驗的理論最優參數為漂燙時間25 min，蒸煮溫度95 ℃，蒸煮時間35 min、干燥溫度120 ℃。

方差分析結果見表5。

表4 正交試驗極差分析結果Table 4 Analysis results of orthogonal test

表5 方差分析結果Table 5 Variance analysis results

由表5 方差分析可知，漂燙時間、蒸煮溫度、蒸煮時間、干燥溫度4 個因素對紫色馬鈴薯顆粒全粉的品質都有一定影響，其效應是存在的。漂燙時間和蒸煮時間對游離淀粉含量和花青素含量的影響極顯著（F＞F0.01），蒸煮溫度對花青素含量的影響顯著（F＞F0.05），干燥溫度對游離淀粉含量和花青素含量的影響不顯著（F＜F0.05）。

2.3 驗證試驗結果分析

在上述理論最優參數下，按設定的工藝路線生產紫色馬鈴薯顆粒全粉，產品得率為22.87%，品質和功能特性分析結果見表6。

所得顆粒全粉呈純天然紫色，色澤均勻，花青素保持率高，感官品質良好。說明驗證試驗得到的產品與正交試驗結果中各因素最佳水平組合產品非常接近，優化后的工藝參數可信。

表6 “黑美人”馬鈴薯顆粒全粉品質和功能指標分析（x±s，n=3）Table 6 Analysis of“black beauty”potato granulesr quality and function index

3 結論

通過單因素和正交試驗對漂燙時間、蒸煮溫度、蒸煮時間、干燥溫度4 個關鍵參數進行優化，得出紫色馬鈴薯顆粒全粉加工的工藝參數為：漂燙時間25 min，蒸煮溫度95 ℃，蒸煮時間35 min、干燥溫度120 ℃。

按照優化的的工藝路線生產紫色馬鈴薯顆粒全粉，對所得產品進行理化性質分析，水分含量6.96%，蛋白質含量10.23 %，淀粉含量68.9 %，維生素C 含量23.64 mg/100 g，灰分含量4.06 %，花青素含量342.06 mg/100 g，花青素保持率83.72 %，碘藍值6.678 6。所得顆粒全粉色澤均勻，游離淀粉含量低，花青素保持率高，感官品質良好。

漂燙、蒸煮、干燥的起始溫度對游離淀粉含量和花青素含量的影響較小，漂燙時間、蒸煮時間對游離淀粉含量和花青素含量的影響非常顯著，生產實踐中應提高溫度縮短時間，節省能源。除上述因素外，切片厚度、護色時間、粉碎、篩分粒度等因素都會對游離淀粉含量和花青素含量等指標產生影響，應根據產品質量標準和客戶具體要求，調整工藝參數。