超声波处理对马铃薯全粉理化性质和消化特性的影响

闫巧珍 高瑞雄 侯传丽 韩 克 张赵星 张正茂

(西北农林科技大学食品科学与工程学院1，杨凌 712100) (西北农林科技大学农学院2，杨凌 712100)

超声波处理对马铃薯全粉理化性质和消化特性的影响

闫巧珍1高瑞雄1侯传丽1韩 克1张赵星2张正茂2

(西北农林科技大学食品科学与工程学院1，杨凌 712100) (西北农林科技大学农学院2，杨凌 712100)

以马铃薯全粉为原料，研究超声处理对马铃薯全粉理化性质和消化特性的影响。结果表明：超声处理使得马铃薯全粉的结晶度增大，晶体结构明显改变，溶解度、膨胀度、吸油性、崩解值、糊化温度和消化特性显著降低。随着超声波处理时间的延长，马铃薯全粉的结晶度、峰值黏度、谷值黏度和最终黏度先升高后降低。随着超声波处理时间的延长，快消化淀粉(RDS)含量降低，慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)含量升高。研究表明，超声处理显著影响马铃薯全粉的理化性质和消化特性(P<0.05)。

马铃薯全粉 超声波 理化性质 消化特性

马铃薯(Solanumtuberosum)为茄科茄属一年生草本块茎植物，是全球第四大主要粮食作物。马铃薯富含淀粉、纤维素、矿物质和维生素等多种营养物质。从营养角度来看，它比大米、面粉具有更多的优点，食用后不仅能给机体提供热量，而且低脂肪、高膳食纤维，能增强饱腹感，具有减肥的功效。

马铃薯全粉是以新鲜马铃薯为原料，经清洗、去皮、挑选、切片、护色、蒸煮、破碎、干燥和磨粉等工艺获得到的粉末状产品。复水后的马铃薯全粉与蒸熟的新鲜马铃薯捣泥后的组织状态一致，具有鲜薯的风味和口感[1]。马铃薯全粉包含新鲜马铃薯除薯皮以外的全部干物质，组成丰富，营养价值高。

马铃薯全粉淀粉含量高(70%～80%)，人体摄入马铃薯全粉后主要体现为对淀粉的消化和吸收。研究发现淀粉的消化性与人体多种疾病有紧密的联系。食用低血糖指数的食物能够对心血管疾病、非胰岛素依赖型糖尿病等疾病进行预防，而血糖反应基本是由食物的消化速率以及程度决定的[2]。淀粉是人类膳食中的主要碳水化合物，也是人体的能源物质。根据淀粉在人体的消化速度，可将其分为快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)[3]。研究表明，SDS和RS含量高的食物可以被机体缓慢吸收并持续释放能量，有助于维持血糖的稳定，预防糖尿病等慢性疾病[4]。

超声波是一种频率介于2×104～2×109Hz的声波，具有方向性好、能量高、穿透力强等特点。淀粉在超声波的热作用、机械作用和空化作用下，分子链被打断，游离小分子片段发生氧化还原反应，使淀粉结晶结构和糊化老化等性质被改变[5]。如毕礼政等[6]利用超声波辅助酶法提高了玉米中SDS的含量，可见采用超声波手段改变淀粉的理化性质和消化特性具有可行性。2015年我国启动推进马铃薯主粮化产品开发战略，然而本课题组在前期研究发现马铃薯全粉具有较高的消化速率，不适宜于糖尿病病人等特殊人群食用。因此，需要采用必要措施改变其消化特性。目前，关于超声波处理改变马铃薯全粉的理化性质和消化特性的研究鲜见报道。

本试验通过建立体外消化模型，研究超声波处理对马铃薯全粉的理化性质和消化特性的影响，以期为马铃薯主粮化产品开发战略和马铃薯全粉工业化生产提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料

马铃薯(品种：克新一号)颗粒全粉：甘肃正阳农业科技股份有限公司；猪胰α-淀粉酶：美国Sigma公司；其他均为分析纯

1.2 仪器

UV-1780分光光度计：日本岛津公司；RVA-3D 型快速黏度分析仪：澳大利亚Newport Scientific仪器公司；X射线衍射仪：日本理学公司；SB DTY 超声波多频清洗机：宁波新芝生物科技股份有限公司；K12A自动定氮仪：上海晟声自动化分析仪器有限公司；SHA-B恒温振荡器：常州朗越仪器制造有限公司。

1.3 方法

1.3.1 基本理化指标测定

含水量：参考GB 5009.3—2010 直接干燥法测定；灰分：参考GB 5009.4—2010 灼烧法测定；蛋白质：参考GB 5009.5—2010 凯氏定氮法测定；脂肪：参考GB 5009.6—2003 酸水解法测定；淀粉：参考GBT 5009.9—2008 酸水解法；膳食纤维：参考GB 5009. 88—2008《食品中膳食纤维的测定》；维生素C含量的测定：参考2,6—二氯酚靛酚法。

1.3.2 超声处理

称取一定量的马铃薯全粉，用蒸馏水调节含水量为35%，放入锥形瓶，封口平衡水分24 h。启动数控超声设备，在频率40 kHz，功率400 W，温度40 ℃条件下分别作用0、20、40、60、80、100 min，于40 ℃恒温鼓风干燥箱中烘干，磨粉，过100目筛，于室温干燥保存，待用。以原马铃薯全粉过100目筛作为对照。

1.3.3 扫描电镜观察

参考张丽芳等[7]的方法。

1.3.4 X-衍射分析

采用X射线衍射仪测定结晶特性。测试条件为：特征射线CuKα，管压为40 kV，电流100 mA，扫描速率4°/min，测量角度2θ=5～60°，步长为0.02°，发散狭缝为1°，防发散狭缝为1°，接收狭缝为0.16 mm[8]。

1.3.5 持油性测定

参考吴卫国等[1]的方法。

1.3.6 溶胀度测定

参考井月欣等[9]的方法。

1.3.7 糊化特性测定

参考闫喜梅等[10]的方法。

1.3.8 消化特性测定

根据Englys等[11]、张欣欣等[12]和Zaidul等[13]的方法，稍作改动。准确称取400 mg干基全粉产物，添加20 mL pH 5.2的磷酸缓冲液，搅拌混匀后全部转移至100 mL三角瓶中，再往三角瓶中加入10 mL 280 U/mL胰α-淀粉酶液以及250 U/mL糖化酶混酶液，然后将其置于37 ℃水浴振荡器中酶解。在酶解时间分别为20 min和120 min时，从三角瓶中取出0.5 mL酶解液，加入4 mL66%乙醇灭酶，采用DNS法测出其所含的葡萄糖量。

计算公式为：

RDS(%)=100×(G20-FG)×0.9/TS

SDS(%)=100×(G120-G20)×0.9/TS

式中：G20为酶解20 min后的葡萄糖量，mg；G120为酶解120 min后的葡萄糖量，mg；FG为酶解前的游离葡萄糖量，mg；TS为样品淀粉量，mg。

1.4 数据处理

每个样品平行测定3次，采用Origin 8.0作图和SPSS 17.0进行数据处理。

2 结果分析

2.1 马铃薯全粉的基本组成

由表1可以看出，马铃薯全粉的主要成分是淀粉，其次是蛋白质、纤维素和水分，少量维生素C。可见，马铃薯全粉不仅营养丰富，而且具有高碳水化合物、高蛋白、低脂肪的特点。这与岳静等[14]和沈晓萍等[15]的研究报道一致。

表1 马铃薯全粉的基本组成

2.2 超声处理对马铃薯全粉微观结构的影响

超声处理对马铃薯全粉微观结构影响如图1所示。

图1 超声处理对马铃薯全粉微观结构的影响(SEM×500)

由图1可以看出，原马铃薯全粉呈块段、碎片和絮状，薄层表面光滑或呈现明显裂纹，可见区域无完整淀粉颗粒存在。经超声处理(含水量为35%，温度为40 ℃，时间为60 min)马铃薯全粉的明显片层和棱角变少，表面出现褶皱，有明显的黏结现象出现，颗粒尺寸增大。这可能是由于超声处理过程中剧烈振动作用使水分子动能增大，从马铃薯全粉中心向表面迁移，表面的大量水分在热能作用下使马铃薯全粉的表面发生糊化，黏度增大，导致黏结现象出现。在进一步的超声作用下，马铃薯颗粒间的作用加强，形成大的颗粒，从而使尺寸增大。

2.3 超声处理对马铃薯全粉晶体结构的影响

由图2和表2可以看出，经超声处理后，马铃薯全粉的出峰位置明显改变，在17°出现明显尖峰，25°以后的小尖峰消失。可见，超声处理明显改变马铃薯全粉的晶型。随着时间的延长，峰的尖锐程度加强，在80 min达到最大。与结晶度随着时间延长的变化保持一致，在80 min，结晶度达最大值28.92%。这可能是由于超声作用使得马铃薯全粉中短链分子相互作用，晶体间间距缩小，导致晶体结构更加紧密。在100 min时，出现下降的现象，可能是由于长时间的空化作用，使得全粉颗粒的部分晶体遭到一定程度破坏。

图2 超声处理对马铃薯全粉晶体结构的影响

表2 超声处理对马铃薯全粉结晶度的影响

t/min02040结晶度/%2.67±0.029.24±0.1310.25±0.09t/min6080100结晶度/%17.47±0.2528.92±0.3820.33±0.54

2.4 超声处理对马铃薯全粉溶解度的影响

超声处理对马铃薯全粉溶解度的影响如图3所示。

图3 超声处理对马铃薯全粉溶解度的影响

溶解度反映了单位质量样品的溶解能力。从图3可以看出，对照与样品的溶解度均随着温度升高而升高，且相同温度下处理样品均低于对照。说明超声处理降低了马铃薯全粉溶解度。

由图3可以看出，随着超声处理时间的延长，马铃薯全粉的溶解度先升高后降低。时间为80 min时，溶解度最高。这可能是由于水分子在超声作用下裂解为自由基作用于淀粉发生断裂，短链分子数量增加，使其与水分子的作用加强，导致溶解度升高[16]。当时间过长时，黏结在一起的颗粒间的作用得到加强，使水分子难以进入其间隙，并且使其接触面积减小，导致溶解度降低。

2.5 超声处理对马铃薯全粉膨胀度的影响

膨胀度反映了样品的水合能力。由图4可知，对照与处理样品的膨胀度均随着温度升高而升高，且相同温度下对照的膨胀度均高于处理样品。说明超声处理使马铃薯全粉的膨胀度降低，这与结晶度的变化有关。

如图4所示，随着超声处理时间的延长，马铃薯全粉的膨胀度与溶解度呈相同的变化趋势，即先升高后降低。膨胀度降低与结晶度有关。结晶度越大，晶体结构越强，水分子越难以进入颗粒内部，导致膨胀度降低。膨胀度随时间的变化可能是由于超声时间越长，物质运动越激烈，颗粒中的淀粉及其他成分在高能水分子作用下链长变短，自由基暴露增多，使其水合能力提高，膨胀力也随之增大。但是过长时间的超声作用，水分子的高速运动和强烈撞击可能会导致淀粉分子内部出现孔洞，导致部分可溶性糖等物质溶出，从而导致膨胀度降低[17-18]。

图4 超声处理对马铃薯全粉膨胀度的影响

2.6 超声处理对马铃薯全粉吸油性的影响

吸油性对食品的配方设计有一定的参考意义。一般吸油性高则可在配方中增加油脂用量，可作为高含油量食品的原料。同时，低的吸油性具有良好的保健性质。由图5可以看出，与对照相比所有处理样品的吸油性均显著降低(P<0.05)。说明超声处理使得马铃薯全粉的吸油能力降低。这可能是由于全粉颗粒尺寸增大，有效接触面积减小导致。

如图5所示，随着超声处理时间的延长，马铃薯全粉的吸油性先升高后降低。这是可能因为随着超声处理时间的延长，淀粉的进一步断裂，导致亲油自由基增多，使其吸油性升高。100 min时，吸油性降低，可能是由于在自然状态下脂肪与淀粉可以形成淀粉-脂肪复合物，在过长的超声作用下使得复合物结构被破坏，从而导致吸油性的下降。

注：图中不同字母表示差异显著(P<0.05)图5 超声处理对马铃薯全粉吸油性的影响

吸油性对食品的配方设计有一定的参考意义。一般吸油性高则可在配方中增加油脂用量，可作为高含油量食品的原料。同时，低的吸油性具有良好的保健性质。由图5可以看出，与对照相比所有处理样品的吸油性均显著降低(P<0.05)。说明超声处理使得马铃薯全粉的吸油能力降低。这可能是由于全粉颗粒尺寸增大，有效接触面积减小导致。

如图5所示，随着超声处理时间的延长，马铃薯全粉的吸油性先升高后降低。这是可能因为随着超声处理时间的延长，淀粉的进一步断裂，导致亲油自由基增多，使其吸油性升高。100 min时，吸油性降低，可能是由于在自然状态下脂肪与淀粉可以形成淀粉—脂肪复合物，在过长的超声作用下使得复合物结构被破坏，从而导致吸油性的下降。

2.7 超声处理对马铃薯全粉糊化特性的影响

超声时间对马铃薯全粉糊化特性的影响如表3所示。

表3 超声时间对马铃薯全粉糊化特性的影响

注：表中同列不同字母表示差异显著(P<0.05)

随着超声时间的延长，马铃薯全粉的峰值黏度、谷值黏度和最终黏度均先升高后降低。黏度值先升高是由于在超声作用下马铃薯全粉中的淀粉分子发生重排，使得全粉结构更加致密，从而使得全粉糊的黏度升高。这与崔璐[19]的研究报道一致。黏度值降低是由于超声作用的加强，对淀粉分子的破坏程度增强，使得混粉体系的小分子数量增加，对全粉糊的黏性阻力减小，从而引起黏度的降低。这与张志华[20]、罗志刚等[17]和付陈梅等[21]的研究报道一致。崩解值降低，说明超声处理使得全粉的热稳定性提高。回生值变化不明显，说明超声处理对马铃薯全粉的老化性质影响较小。随着超声时间的延长，糊化温度显著低于对照，但不同时间段之间没有显著差异，说明超声处理使得马铃薯全粉更容易糊化。可见超声处理可以显著提高马铃薯全粉的糊化性质。

2.8 超声处理对马铃薯全粉消化性的影响

超声处理对马铃薯全粉消化性的影响如图6所示。

图6 超声处理对马铃薯全粉消化性的影响

RDS是指20 min内能被快速消化吸收的淀粉，属于快速释放能量的高血糖食品，所以在针对特殊人群的膳食中应该降低其含量。食物中RDS越高，说明其消化性越好。SDS可以可缓慢释放能量，有效维持餐后血糖稳态，作为很好的膳食原料。RS具有高膳食纤维含量和低热量的特点，有助于润肠轻体、降低血糖水平[22]。添加适量RS到食物中，不仅可使其具有更好的风味和口感，并且可以对一型糖尿病、肥胖症等疾病起到预防作用。食物中SDS和RS含量越高，说明其消化性越低。

如图6所示，随着超声处理时间的延长，马铃薯全粉中RDS含量降低。当超声时间为100 min时，全粉中RDS含量最低，低于对照74.78%。超声时间越长，全粉中SDS含量越高。在20～60 min时，随着超声时间延长，SDS含量迅速升高，在60 min以后变化平缓。随着超声时间的延长，马铃薯全粉中的RS含量随之升高。超声时间为100 min时，RS含量达最高，是对照的5.68倍。RDS、SDS和RS含量的改变与马铃薯全粉的微观结构以及晶体结构和结晶度的改变有关。可能是由于超声作用使得全粉中的部分淀粉分解为短链分子和自由基，冷却后自由基与淀粉分子之间重新排列，形成稳定的氢键结构，结晶度增大，使得其对淀粉酶的敏感度降低，从而降低RDS含量，升高SDS和RS含量[23]。

3 结论

超声处理对马铃薯全粉的微观结构、晶体结构、结晶度、溶胀度、吸油性、糊化性质和消化特性均有显著影响。

超声处理使得马铃薯全粉的尺寸和结晶度增大，晶体结构明显改变，溶解度、膨胀度、吸油性、黏度值和糊化温度显著降低。RDS含量降低，SDS和RS含量升高，说明马铃薯全粉的消化性降低。可见，超声处理对马铃薯全粉的理化性质和消化特性有显著影响。

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The Effect of Ultrasonic on the Physicochemical Properties and Digestibility of Potato Granules

Yan Qiaozhen1Gao Ruixiong1Hou Chuanli1Han Ke1Zhang Zhaoxing2Zhang Zhengmao2

(College of Food Science and Engineering，Northwest A&F University1，Yangling 712100) (College of Agronomy，Northwest A&F University2，Yangling 712100)

Potato granules were used as raw material to study the effect of ultrasonic treatment on the physicochemical properties and digestibility of potato granule. The results showed that ultrasonic treatment increased the crystallinity of potato granules and changed its crystal structure, and decreased the solubility, dilatation, oil absorbency , disintegration value, gelatinization temperature and digestibility of potato granules significantly. The crystallinity, peak viscosity, tough viscosity and final viscosity increased first and then decreased with the time of ultrasonic treatment increases. With the prolonging of ultrasonic treatment time, the content of rapidly digestible starch (RDS) decreased, whereas slowly digestible starch (SDS) and resistant starch (RS) content increased. The result showed that the effect of ultrasonic treatment on the physicochemical properties and digestibility of potato granules was significant.

potato granules, ultrasonic, physicochemical properties, digestibility

陕西省科技统筹计划(2014KTZB02-01-01)

2016-05-03

闫巧珍，女，1990年出生，硕士，粮油品质分析与加工

张正茂，男，1961年出生，研究员，小麦遗传育种与粮油加工

TS 215

：A

：1003-0174(2017)08-0105-06