青海省不同品种马铃薯全粉品质 及结构分析

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(1.青海大学农牧学院,青海西宁 810016; 2.青海省青藏高原农产品加工重点实验室,青海西宁 810016)

青海省马铃薯种植面积广阔,产量较高,是青海省仅位于油菜之后的第二大粮食作物,在青海省农业生产中占有重要的地位。20世纪50年代以来,青海省马铃薯的培育取得了重大的进展,育出了高原系列、青薯系列等多个品种,在不同时期为青海省和全国的农业发展作出了极大的贡献[1]。育成的马铃薯品种具有优良的性状,且能较好地适应青海省的环境[2]。马铃薯作为青海省的主导产业,虽然年产量较高,但主要是用于鲜食菜用、休闲食品消费等[1,3]。2015年国家农业部确定了马铃薯主粮化战略,指出将马铃薯加工成适合中国人消费习惯的馒头、面条、米粉等主食产品,实现目前马铃薯由副食消费向主食消费转变[4]。然而,由于不同品种马铃薯品质存在很大差异,会影响加工产品的营养价值、品质和口感。因此,马铃薯主粮化需要开展适宜品种与专用品种的选育[5]。但是目前对于青海省不同品种马铃薯品质的研究不够系统、全面,对于适合制作马铃薯主食的品种更是未见报道。一定程度上限制了青海省马铃薯在深加工工业中的应用与发展。为此,本论文通过对青海省六个不同品种马铃薯全粉的理化性质、功能性质及对结构进行测定与分析,明确不同品种马铃薯的品质和结构特性,以便为马铃薯主食化的应用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

马铃薯 采自青海省农林科学院,品种分别为青薯2号、青薯9号、脱毒175、闽薯、下寨、乐薯；硫酸铜、硫酸钾、硼酸、亚甲基蓝指示剂、氢氧化钠、石油醚、酒石酸钾钠、乙酸锌、葡萄糖等 购自天津市博迪化工有限公司。

ESJ110-4B电子天平 沈阳市龙腾电子有限责任公司;KC-130小型粉碎机 北京开创同和科技发展有限公司;101-3AB电热鼓风干燥箱 北京中兴伟业仪器有限公司;GL20MW离心机 湖南赫西仪器装备有限公司;NDJ-5S粘度仪 上海精析仪器制造有限公司;ZC-D脂肪测定仪 上海纤检仪器有限公司;KND-102C凯氏定氮仪 上海纤检仪器有限公司;JSM-6610LV扫描电镜 日本电子公司;X’Pert POX-射线衍射光谱仪 日本Rigaku公司;NICOLET-6700红外光谱仪 美国NICOLET公司。

1.2 实验方法

1.2.1 马铃薯全粉制备 参考候飞娜[6]的方法,选择无发芽、发绿、破损腐烂现象的新鲜马铃薯,清洗干净后置于蒸笼,100 ℃蒸制30 min后去皮,切成厚度为8 mm左右的薄片放入常压烘箱内干燥,70 ℃干燥16h后,粉碎过100目筛,取筛下物。将制好的样品用密封袋进行分类包装,然后置于干燥器中备用。

1.2.2 理化成分测定 马铃薯全粉水分含量的测定参照GB/T 5009.3-2016[7]《食品中水分的测定》中的直接干燥法进行测定。马铃薯全粉灰分的测定参照GB 5009.4-2010[8]的方法测定。马铃薯全粉蛋白质含量的测定参考GB 5009.5-2016[9]中的凯氏定氮法进行测定。马铃薯全粉脂肪含量的测定参照GB 5009.6-2016[10]中的索氏抽提法进行测定。马铃薯全粉中还原糖含量的测定参照GB 5009.7-2016[11]中的直接滴定法进行测定。

1.2.3 功能性质测定

1.2.3.1 吸水指数 采用美国专利6461633[12]的方法。称取2 g样品于适当体积的离心管(已恒重)中,称离心管重量并记录数据,加入30 mL蒸馏水,充分混合。将离心管在30 ℃下水浴30 min(隔15 min混合1次)后,3000 r/min离心15 min,倒出上清液,倒置2 min后称重。吸水指数按下式计算:

吸水指数=离心后离心管质量离心前离心管质量/样品质量

式(1)

1.2.3.2 溶解度 参照Chinyere[13]等介绍的方法测定。向装有1 g样品的刻度试管中加入一定的蒸馏水,使总体积达到10 mL。将上述混合物放置1 h(每隔10 min混合1次),静置15 min后取2 mL上清液于已恒重的铝盒中,放入电热恒温鼓风干燥箱中105 ℃烘至恒重后称量。溶解度计算公式如下:

溶解度(%)=(上清液总体积/2)×(加上清液干燥后铝盒质量-铝盒重量)/样品质量×100

式(2)

1.2.3.3 持油能力 采用侯飞娜[6]的方法进行测定。将蒸馏水加入含有1 g样品的刻度管中,使总体积达到10 mL。将混合物放置1 h(每1 min混合一次)并静置15 min,然后将2 mL上清液置于恒重铝盒中,置于105 ℃的恒温鼓风干燥箱中,干燥至恒重并称重。持油能力按下式计算:

持油性=(离心后离心管质量-离心前离心管质量)/样品质量

式(3)

1.2.3.4 黏度 称取6 g样品,分散于100 mL的蒸馏水中,90 ℃下加热,使样品糊化,冷却至室温后用粘度仪测定表观粘度,选用S63号转子,转速为50 r/min[14]。

1.2.4 红外光谱、扫描电镜和X-射线衍射分析

1.2.4.1 红外光谱 按照1.2.1方法制备马铃薯全粉样品并冷冻干燥24 h去除水分后,采用 KBr 压片法,在4000～500 cm-1范围内进行红外光谱扫描。

1.2.4.2 扫描电镜 采用1.2.1中制备的马铃薯全粉样品,用导电胶固定在样品台上,真空喷金处理,放入电镜中,观察拍摄的样品颗粒形貌。测定电压为15 kV,电流40 mA,物距11 mm。

1.2.4.3 X-射线衍射 按照1.2.1方法制备马铃薯全粉样品,采用特征衍射线Cu和Ni,管压40 kV,电流200 mA,测量角度为2θ=5～55 °,步长为0.02 °,扫描速度为6 °/min进行X-射线衍射分析。

1.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 六种马铃薯全粉理化指标测定

六种马铃薯全粉理化指标的测定结果如表1所示。

表1 六种马铃薯全粉的理化指标Table 1 Physical and chemical indexes of six varieties of potato flours

测定马铃薯全粉中灰分是评价马铃薯质量的指标之一。由表1可知,六种马铃薯全粉的水分含量范围为8.30%～9.10%,平均水分含量为8.68%。六种马铃薯全粉的灰分含量范围为3.33%～5.12%,含量最高的为闽薯,最低的为乐薯,平均灰分含量为3.92%,品种间有一定差异。

脂肪含量的范围为3.30%～4.35%,平均脂肪的含量为3.81%,含量最高的为青薯9号和乐薯(二者之间没有显著性差异)。这与侯飞娜[6]报道的结果(0.05～4.70 g/100 g DW)相符。

蛋白质含量范围为1.30%～2.48%,蛋白质平均含量为1.77%,马铃薯全粉蛋白质含量大小依次为:青薯9号≥乐薯>青薯2号>闽薯>脱毒175>下寨,青薯9号和乐薯的蛋白质含量最高(二者无显著性差异)。与侯飞娜[6]报道的(6.57%～12.84%)和Peňa C[15]等人报道的(2.90%～9.70%)相比偏低,比赵春波[16]等人报道的(1.062%～1.738%)略高,这可能与制粉工艺、品种差异有关[17]。

还原糖含量范围为2.34%～6.34%,还原糖平均含量为4.60%,比文献报道[15]的较高。还原糖含量大小顺序依次为:青薯2号>乐薯>闽薯>脱毒175>青薯9号>下寨。

总体来说,青薯9号的脂肪含量和蛋白质含量都较高,闽薯灰分含量较高,青薯2号还原糖含量较高。

2.2 不同品种马铃薯全粉的吸水指数

六种马铃薯全粉吸水指数测定结果如图1所示。

图1 六种马铃薯全粉的吸水指数Fig.1 Water absorption index of six varieties of potato flours

由图1可见,吸水指数的范围为1.99～2.84,均值为2.42。吸水能力由强到弱依次为:脱毒175>下寨>乐薯≥青薯9号>闽薯≥青薯2号。马铃薯全粉吸水性的差异主要是由淀粉分子内部羟基与分子链或水形成氢键和共价结合所致。羟基与淀粉分子结合的作用大于与水分子的结合,具有低的吸水能力,反之则具有高的吸水能力。并且直链淀粉含量越高,膨胀势越小[18]。脱毒175的吸水性最强,可能是其直链淀粉含量低,支链淀粉含量高。利用这些特性可将脱毒175应用于配方中含水量高的食品中,以增进营养价值,改善产品风味。

2.3 不同品种马铃薯全粉的持油能力

六种马铃薯全粉持油能力测定结果如图2所示。

图2 六种马铃薯全粉的持油能力Fig.2 Oil holding capacity of six varieties of potato flours

持油能力的大小受加工条件、颗粒的大小、蛋白质的来源和温度的影响,如含非极性尾端较多的蛋白质含量增加,则吸油能力也随着增加[18]。由图2可知,六种马铃薯全粉的持油性范围为1.27%～1.69%,平均值为1.53%。六种马铃薯全粉的持油能力有一定差异,但青薯9号、下寨和脱毒175之间没有显著性差异(p>0.05),青薯9号全粉吸油能力相对较高,为(1.69±1.24) mL/g,可能与该品种本身的蛋白质含量以及加工过程中蛋白质发生变性的程度较低有关[17-18]。持油能力好的全粉可以广泛应用于高脂肪食品的加工,避免脂肪的溶出而造成产品品质变差。

2.4 不同品种马铃薯全粉的溶解度

六种马铃薯全粉的溶解度测定结果如图3所示。

图3 六种马铃薯全粉的溶解度Fig.3 Solubility of six varieties of potato flours

由图3可见,溶解度的范围为9.70%～14.90%,平均值为10.98%。六种马铃薯全粉溶解度相差不大,其中闽薯的溶解度最大,为14.9%±0.7%。溶解度反映的是马铃薯全粉与水之间作用的大小,溶解度越高,相容性就越好[19]。由此可知,在相同的加工条件下,闽薯相容性更好,更容易糊化。可能是因为闽薯淀粉颗粒相对较大,内部的结构蓬松,其溶解度较高。

2.5 不同品种马铃薯全粉的黏度

六种马铃薯全粉的黏度测定结果如图4所示。

图4 六种马铃薯全粉黏度比较Fig.4 Comparison of viscosity of six varieties potato flours

由图4可知,六种马铃薯的黏度均存在较大差异,黏度依次为:青薯9号>乐薯≥下寨>脱毒175>青薯2号>闽薯,青薯9号的黏度最大,为(1440±10) cps,可用于增稠。马铃薯全粉的黏度会受其内部颗粒完整度、分散性的影响,颗粒越完整、分散程度越好,产品越接近于鲜马铃薯制成的薯泥;如果细胞破坏越严重,那么马铃薯细胞中淀粉的游离也就越严重[14],因此,相比之下,青薯9号全粉在加工过程中破坏程度较小。

2.6 红外光谱分析

六种马铃薯全粉的红外光谱图如图5所示。

图5 六种马铃薯全粉的红外光谱图Fig.5 The infrared spectra of six varieties potato flours

由图5可见,六种马铃薯全粉有5个区域的吸收峰出现较明显的位置及强弱变化。样品主要为单峰且峰位置基本一致,所含官能团并无差异。在3000～3500 cm-1处出现强且宽的吸收峰,这是薯类作物特有的吸收峰,反映的是O-H的伸缩振动[20],下寨的O-H伸缩振动吸收峰明显比其他几种马铃薯全粉的强,脱毒175全粉的O-H的伸缩振动吸收峰最弱;红外光谱中2848～3000 cm-1波段是-CH3、=CH2的伸缩振动区,此范围内C-H伸缩振动为烷烃类化合物的结构鉴定;1500～1700 cm-1是蛋白质和多糖的混合振动吸收峰,不同品种马铃薯全粉的吸收峰差异较大,如青薯9号和脱毒175出现2个吸收峰。红外光谱中900～1300 cm-1波段主要表现了C-O、C-O-C等化学键的振动,被学术界认为是淀粉的构型敏感带,并常用1045 cm-1处的吸收峰来说明淀粉中结晶区的相关信息,用1022 cm-1处的吸收峰来说明淀粉中无定型区的相关信息[20]。此外,1045和1022 cm-1附近的吸收峰强度比还可间接的反映淀粉的结晶度和有序程度,两处的峰强度比值越大,淀粉内的分子有序程度越高[21]。由图5可知,在1021 cm-1处的吸收峰强弱依次是下寨>闽薯>青薯2号>青薯9号>乐薯>脱毒175,说明下寨全粉的淀粉有序程度较高,青薯9号的中等。

2.7 扫描电镜(SEM)分析

利用电子扫描显微镜拍摄马铃薯全粉的形态,放大倍数为300倍和1000倍,结果分别如图6所示。

图6 六种马铃薯全粉的SEM照片Fig.6 SEM of six varieties potato powder注:A～F分别为青薯2号、青薯9号、下寨、闽薯、脱毒175、乐薯在300倍下的SEM照片, a～f分别为青薯2号、青薯9号、下寨、闽薯、脱毒175、乐薯在1000倍下的SEM照片。

由图6可知,不同品种马铃薯全粉整体均呈现不规则形状,表面凹凸不平,颗粒较分散,可见范围内基本无完整全粉颗粒存在,其中乐薯(图6f)制成的马铃薯全粉损伤严重,颗粒较小,这可增大其比表面积,提高了表面利用率,有利于其溶解,溶解速度较大[20]。李茹等[14]对马铃薯颗粒全粉和马铃薯雪花全粉的微观结构及品质特性进行了对比研究,在微观结构方面马铃薯颗粒全粉整体呈不规则形,表面有裂痕,粒径分布不规则,本论文试验结果与之相符。

2.8 结晶结构分析

X-射线衍射法是测定生物大分子结构,研究功能与结构关系,探索生命机制的一个重要手段。通过对X射线衍射图谱上的结晶区和非结晶区的分析研究,可以了解物料经物理或化学方法变性后的颗粒结晶结构变化情况。X-射线衍射图的不同反映出结晶结构的差别,衍射图中的峰高(衍射强度)和半峰宽(衍射角)与内部结晶区的晶粒大小有关,晶粒越大,衍射峰越高,半峰宽越小[22]。六种马铃薯全粉的X-衍射图见图7。

图7 六种马铃薯全粉的X-衍射图Fig.7 X-ray diffraction of six varieties potato powder

从图7可见,六种马铃薯全粉的衍射峰在2θ为15～20 °之间,峰形相似,青薯2号全粉颗粒的衍射强度较高,说明其结晶区较大,结构较为稳定。青薯9号全粉颗粒的衍射强度较低,可能是在加工过程中的剪切、延展等力作用下,导致其结晶尺寸减小[14]。

3 结论

本研究以青海省六种马铃薯为原料制备马铃薯全粉。通过对其理化、功能性质和微观结构的比较测定,六种马铃薯全粉灰分含量范围为3.33%～5.12%,闽薯灰分含量较高,青薯9号和乐薯的脂肪和蛋白质含量均较高,青薯2号的还原糖含量最高,为6.34%±0.29%;青薯9号的持油能力和黏度高于其他品种,脱毒175的吸水指数较高,闽薯和下寨的溶解度较高;不同品种马铃薯全粉所含官能团并无差异,整体均呈现不规则形状,表面凹凸不平,可见范围内基本无完整颗粒存在,衍射峰在2θ为15～20 °之间,峰形相似,青薯2号全粉颗粒的衍射强度较高,说明其结晶区较大,结构较为稳定。不同马铃薯全粉在理化性质、功能性质和微观结构方面有一定的差异,可根据实际加工需要选取较适合的品种进行马铃薯主食化产品加工,如青薯9号的黏度和持油能力最大,可用于增稠或高脂肪食品的加工,避免脂肪的溶出而造成产品品质变差。脱毒175的吸水性最强,可应用于配方中含水量高的食品,以增进营养价值,改善产品风味。