7种特色根茎类淀粉的流变与凝胶特性研究

邹金浩 李 燕 余虹露 郭时印 苏小军,3 李文佳 李清明

(1. 生物质醇类燃料湖南省工程实验室〔湖南农业大学〕，湖南 长沙 410128；2. 湖南农业大学食品科学与技术学院，湖南 长沙 410128；3. 湖南省植物功能成分利用协同创新中心，湖南 长沙 410128)

根茎类作物主要包括甘薯、马铃薯、淮山、芋类等。中国南方根茎类作物资源丰富，拥有马铺淮山、江永香芋等国家地理标志产品等极具地方特色的根茎类作物资源[1]。南方根茎类作物由于产量高，效益好，种植面积连年扩大，淮山、香芋等根茎类作物主要作为蔬菜或粮菜消费，木薯则多用于加工。淀粉是根茎类作物的主要成分，是人们赖以生存的重要能量物质。不同品种淀粉的糊化和凝胶性质差异较大，淀粉的糊化性质和凝胶性质与面条[2]、粉条[3]等产品品质显著相关，其凝胶强度对淀粉类食品加工、成型性能和淀粉质食品的口感、速食性能影响显著[4]。

淀粉来源与作物生长环境对淀粉性质影响较大，目前对中国北方产的淮山等根茎类淀粉结构和理化性质的研究[5-7]较多，而对南方产的根茎类淀粉的研究[8-9]主要集中在木薯淀粉，许多针对根茎类淀粉性质的研究报道多以市售原料为研究对象，未考虑具体品种、产地的因素对淀粉性质的影响。赵小梅等[10]对加工型淮山淀粉的糊化和质构性质进行了研究，但针对马铺淮山等中国南方产根茎类作物的淀粉未见报道。为深入了解中国南方特色根茎类作物淀粉特性，寻找淮山等根茎类淀粉在加工上的准确定位，本试验拟以工业应用较广的木薯品种为参照，运用RVA仪、流变仪、质构仪对南方特色的马铺淮山、双峰淮山、桂淮2号、紫脚板薯、江永香芋中淀粉的糊化、流变和凝胶质构特性进行研究，预测其应用潜能，为中国南方根茎类淀粉的开发利用提供思路。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

材料信息见表1。

表1 7种根茎类淀粉品种及来源

1.1.2 主要仪器设备

高速多功能粉碎机：800Y型，永康市铂欧五金制品有限公司；

快速黏度分析仪：RVA-S/N2112681型，瑞典perten仪器有限公司；

旋转流变仪：Kinexus pro+型，英国马尔文仪器公司；

物性测定仪：TA.XT.plus型，英国Stable Micro Systems公司；

分析天平：BS224S型，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司；

电子天平：TP-1200A型，湘仪天平仪器设备有限公司；

数显恒温水浴锅：HH-6型，常州澳华仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 淀粉的提取 参照Li等[11]的方法用水提法提取。

1.2.2 样品的制备 准确称取7种根茎类淀粉，于烧杯中加入去离子水混合，配制成0.1 g/mL的淀粉悬浮液，搅拌均匀后在95 ℃水浴锅中加热糊化15 min。

1.2.3 淀粉糊化性质的测定 准确称取(3.00±0.01) g的淀粉样品放入快速黏度计专用铝盒中，准确量取25.0 mL 蒸馏水加入铝盒中，将搅拌器置于铝盒中上下快速搅动，使样品均匀，再置于快速黏度分析仪中。采用GB 24853—2010《小麦、黑麦及其粉类和淀粉糊化特性测定 快速黏度仪法》标准程序1的温度模式，即RVA初始温度为50 ℃，保持1 min，然后以12 ℃/min 升高至95 ℃，保持2.5 min，再以12 ℃/min降至50 ℃，保持2 min，根据RVA的曲线，分别获得峰值黏度、谷值黏度、最终黏度、回生值、崩解值、糊化温度和峰值时间。

1.2.4 淀粉动态流变特性的测定 取1.2.2中的淀粉糊，置于流变仪测定平台，采用平板—平板测量系统，平板直径为40 mm，平板间距为1 mm，刮去平板外多余样品，加上盖板，测试温度为25 ℃，频率变化范围为0.1～10.0 Hz，测定样品的黏弹性。

1.2.5 淀粉凝胶强度的测定 选用凝胶强度测试探头P/0.5圆柱探头测定。参数设定为：选取Compression模式，测试速度0.5 m/s，压缩深度10 mm，凝胶强度值由质构仪软件直接读取。

1.2.6 淀粉凝胶质构特性的测定 将1.2.2中的样品装入20 mL注射器中冷却，在4 ℃条件下冷藏24 h后形成直径为2 cm的圆柱形凝胶。测试前将凝胶倒出切成直径为2 cm、高为1 cm的小圆柱体进行质构测定。测定条件：选取TPA 模式，P/36R型探头，测试前速率2.0 mm/s，测试速率1.0 mm/s，测试后速率 1.0 mm/s，压缩程度40%，触发力5 g。

2 结果与分析

2.1 淀粉糊化特性

淀粉的糊化特性反映了淀粉的可利用性，南方不同特色根茎类淀粉的糊化特征值见表2。

由表2可知，不同根茎类淀粉的糊化特性存在显著差异(P<0.05)，各淀粉在69.77～84.37 ℃时开始糊化，淮山淀粉和香芋淀粉的糊化温度、峰值时间均大于木薯淀粉，说明淮山淀粉和香芋淀粉糊化过程中消耗的能量较大，结构较稳定。糊化温度的大小受多种因素影响，香芋淀粉糊化温度高的原因可能与其淀粉颗粒较小有关，而造成淮山淀粉糊化温度高的原因可能与其直链淀粉含量、结晶类型有关，具体原因还有待进一步验证。研究[12]表明，木薯淀粉的糊化温度为65～72 ℃，峰值时间在4 min 左右，与本研究结果一致。

表2 不同品种根茎类淀粉的糊化特性†

† 同列字母不同表示差异显著(P<0.05)。

由表2还可知，木薯淀粉的崩解值均大于淮山淀粉和香芋淀粉，高伦江等[4]在研究不同淀粉糊化特性时发现，木薯淀粉崩解值大于红薯、马铃薯淀粉，说明木薯淀粉在根茎类淀粉糊化过程中崩解值较高，黏度下降速度较快，可以获得柔软的食品质地，所以木薯淀粉可用来制作汤圆、芋圆等产品。

两种木薯淀粉的糊化温度差异不显著(P>0.05)，SC9峰值时间较长。各淮山淀粉的糊化温度、峰值时间差异明显(P<0.05)， SFY糊化温度较高，SYPY峰值时间较长。淮山淀粉和木薯淀粉品种间的峰值、谷值、最终黏度、回生值、崩解值差异显著(P<0.05)，其中SC9峰值、谷值、最终黏度、回生值均比SC205高，SC205崩解值比SC9高，MPY有着较高的峰值黏度，SFY有着较高的谷值黏度、最终黏度和回生值，而SYPY在淮山淀粉中有着较高的崩解值。

MPY的峰值、谷值、最终黏度均大于木薯淀粉，淀粉结合水的能力和糊化后形成凝胶的能力比木薯淀粉强，可用于粉条加工。SFY的回生值最大，说明其淀粉糊冷却后稳定好，凝胶性高，适宜制作方便食品。

2.2 淀粉动态流变特性

动态流变学可用来测定不同样品的黏弹性，与食品的实际加工特性和质量控制直接相关[13]。弹性模量反映了淀粉糊变形后恢复原形状的能力，弹性模量越大，淀粉糊变形后恢复原形状的能力越强，淀粉凝胶弹性越强[14]，黏性模量反映了淀粉糊抵抗流动的能力，黏性模量越大，越不易流动[15-16]。由图1可以看出，GY2和MPY糊的弹性模量G′较高，SFY的黏性模量G″较高。

损耗角正切值tan δ为损耗模量G′与贮能模量G″的比值。由图2可以看出，损耗角正切值(tan δ)均<1，淀粉糊弹性模量与黏性模量均随频率增加而增加，7种根茎类淀粉均表现为典型的弱凝胶动态流变学谱图。

2.3 淀粉凝胶质构特性分析

2.3.1 淀粉凝胶强度分析 淀粉凝胶强度反映了淀粉糊化形成凝胶后的稳定性，不同特色根茎类淀粉凝胶强度特征值见表3。

由表3知，不同品种根茎类淀粉凝胶强度差异明显(P<0.05)，淮山淀粉(SYPY、GY2和MPY)凝胶强度、压缩功、黏度和黏附功均显著高于木薯淀粉和香芋淀粉，说明淮山淀粉凝胶分子间作用力大，在根茎类淀粉中有着凝胶结构较稳定的特点。

图1 不同根茎类淀粉糊弹性模量G′及黏性模量G″随频率变化曲线

淀粉类凝胶食品一般具有一定的凝胶强度，这与淀粉的凝胶特性相关，淀粉凝胶强度对淀粉类凝胶食品的口感、稳定性，食用性有很大的影响[17-18]。从表3可以看出，SYPY和MPY凝胶强度较大，分别为347.65，345.14 g，JYT凝胶强度最小，仅为48.59 g，所以SYPY和MPY适合制成具有一定强度的粉皮、凉粉。淀粉凝胶的黏度和黏附功直接影响到产品加工过程的黏着性，是影响加工性能的重要因素。表3结果显示，GY2、SYPY、MPY凝胶的黏度和黏附功较大，说明其凝胶具有较高的黏稠性和坚实性，在加工过程中应该注意避免其黏着性过强，影响产品的成型以及设备的正常运行。

图2 不同根茎类淀粉损耗角正切tan δ随频率变化曲线

Figure 2 Variation curves of different root crop starches loss tangent angle patterns with frequency

2.3.2 淀粉凝胶质构特性分析 淀粉凝胶的质构特性各指标参数见表4。

表3 不同根茎类淀粉凝胶特性†

† 同列字母不同表示差异显著(P<0.05)。

表4 不同品种根茎类淀粉的凝胶质构特性†

† 同列字母不同表示差异显著(P<0.05)。

由表4知，不同品种的根茎类淀粉凝胶质构特性差异明显(P<0.05)。硬度代表样品变形所需要的力，胶黏性代表将半固体样品破裂成吞咽时的稳定状态所需的能量，咀嚼性代表将固体样品咀嚼为能够吞咽状态所需的能量[19]。黏附性大小反映了淀粉的老化程度[20]，弹性和内聚性反映了淀粉凝胶内部的紧密性，回复性代表凝胶受外力后所回复原来形状的能力，黏附性代表样品表面和其他物质黏附时，剥离它们所需要的力。从表4可以看出，淮山淀粉凝胶硬度、胶黏性大于木薯淀粉和香芋淀粉，可能与各淀粉中直链淀粉含量有关[21]28-31。香芋淀粉和木薯淀粉凝胶硬度、胶黏性、咀嚼性差异不明显(P>0.05)。木薯淀粉凝胶弹性、内聚性均大于淮山淀粉和香芋淀粉。香芋淀粉凝胶黏附性小于淮山淀粉，说明香芋淀粉老化程度较大。淮山淀粉(SFY、GY2、SYPY)和香芋淀粉凝胶回复性均小于木薯淀粉，说明木薯淀粉凝胶抗压力能力较强，淀粉凝胶内部结合较紧密。黄峻榕等[22]研究表明，木薯淀粉凝胶硬度在5%，10%淀粉浓度条件下为34.5，96.6 g，且小于马铃薯、红薯淀粉，本试验木薯淀粉凝胶硬度分别为42.56，42.94 g，与其结果相近。

各淮山淀粉凝胶质构特性差异明显(P<0.05)，且MPY硬度、弹性、内聚性、胶黏性、咀嚼性、回复性较大，SYPY黏附性较大。两种木薯淀粉凝胶强度、弹性、胶黏性、咀嚼性、回复性无显著差异(P>0.05)。SC9凝胶内聚性比SC205大，且差异明显(P<0.05)。

从表4可以看出，MPY凝胶硬度，弹性、胶黏性，咀嚼性、回复性最大，可作为一种凝胶剂，适用于凝胶糖果的制作上。SYPY凝胶的黏附性最大，而JYT的凝胶硬度，胶黏性，咀嚼性最小。一般而言，直链淀粉含量越高，分子相互间交连和缠绕的程度就越高，凝胶硬度也就越大[23]，推断这7种根茎类淀粉中MPY直链淀粉含量最大，JYT直链淀粉含量最小。直链淀粉含量高的淀粉容易成膜[24-25]，由此可以推断MPY有可成为可食用薄膜原料的潜力。

2.4 淀粉糊化与质构特征参数的相关性分析

淀粉糊化与凝胶质构特性决定了淀粉凝胶类食品的力学味觉或流变学味觉，二者均反映了淀粉凝胶的力学性能。从表5可以看出，不同品种根茎类淀粉糊化与质构特征参数之间具有一定的相关性，不同品种根茎类淀粉峰值时间与黏附性显著正相关(P<0.05)，说明从淀粉糊化测试开始到达到峰值黏度需要的时间越长，冷却回生后形成的淀粉凝胶的黏附性就越大，可能与直链淀粉和支链淀粉数量的比值有关。直链淀粉含量高的淀粉糊化需要的时间相对较长，且直链淀粉含量高，在形成凝胶的过程中直链淀粉聚集程度就高，加快了淀粉糊的回生速率，同时会有更多的水从淀粉糊中析出，从而形成硬度、黏附性、胶黏性大的凝胶[21]37-39。不同品种根茎类淀粉峰值时间与弹性显著负相关(P<0.05)，说明峰值时间越长，形成的淀粉凝胶的弹性就越小。

表5 根茎类淀粉糊化与凝胶质构特征参数的相关性分析†

† *表示显著(P<0.05)。

3 结论

不同根茎类作物间淀粉的糊化与凝胶质构特性存在较大差异，淮山淀粉有着糊化温度高，峰值时间长，凝胶强度、硬度大的特点，适合粉条等食品的加工应用。木薯淀粉有着糊化温度低，峰值时间短，崩解值大，凝胶弹性，内聚性大的特点，适合汤圆、芋圆等食品的加工应用。香芋淀粉有着糊化温度高，凝胶强度、硬度、胶黏性、咀嚼性小的特点，在食品加工上的应用还有待进一步讨论。不同作物品种间有一定的差异，但差异相对较小，根据具体品种的特点，可进行相应的开发应用，MPY的凝胶硬度，弹性、胶黏性，咀嚼性、回复性最大，可作为一种凝胶剂，适用于凝胶糖果的制作。SFY的回生值最大，适宜稳定性好，凝胶性高的方便食品的制作。7种根茎类淀粉糊均为假塑性流体，且GY2和MPY弹性较大，SYPY黏性较大。淀粉糊化的峰值时间与淀粉凝胶的黏附性和弹性显著相关(P<0.05)，可以通过淀粉糊化的峰值时间来预测淀粉凝胶质构的黏附性和弹性。7种根茎淀粉由于来源不同，淀粉性质间的差异较大，在实际生产中应根据其特性进行合理利用。目前淮山淀粉和香芋淀粉的工业应用较少，需进一步模拟淀粉加工的条件，进行特定产品的开发和应用研究，系统研究加工性质，挖掘其应用潜能。