不同品系马铃薯块茎末端糖化差异分析

2020-09-03叶夕苗程李香李高峰文国宏王玉萍

中国粮油学报 2020年7期

王郁程鑫叶夕苗程李香李高峰文国宏王玉萍张峰

(甘肃农业大学；甘肃省干旱生境作物学国家重点实验室培育基地；甘肃省遗传改良与种质创新重点实验室1，兰州 730070) (甘肃省农业科学院马铃薯研究所2，兰州 730070)

马铃薯是仅次于水稻、小麦和玉米的世界第四大粮食作物。随着马铃薯加工业的发展，品种的选育方向开始由传统的高产、抗病逐渐向具有特色性状的加工品质育种[1,2]，育种目标也由前期的块茎外观性状转变为后期的对块茎内含物更为严格的要求[3]。马铃薯加工产品中油炸食品是最主要的部分，大约占加工马铃薯产业的70%以上[4,5]。马铃薯块茎还原糖含量与炸片炸条色泽密切相关，也是确定一个品种是否适合油炸加工的重要因子，往往受到品种遗传因素和储藏条件的影响，其作用机制非常复杂[6]。

马铃薯块茎糖化末端也称为暗端、果冻端、半透明端或玻璃状端，在块茎油炸加工后糖化末端呈褐色，对提高马铃薯油炸加工质量存在很大限制。最典型的马铃薯末端糖化现象是块茎基部淀粉含量较低且糖含量较高，由于块茎基端还原糖含量较高，高温油炸过程中，还原糖与游离氨基酸发生非酶促褐变反应, 即“美拉德反应”，从而造成高糖组织的褐化[6,7]。研究表明，马铃薯末端糖化缺陷与块茎形成期间的土壤条件以及早期块茎膨大有关[8]。在块茎膨大过程中，组织细胞的分裂、增大和吸水力迅速加大，对营养物质的需求急剧增加，此期间若光合产物不足，块茎基部的淀粉则水解为糖，转移供给块茎顶部继续生长，造成基部糖分增加，且水分相对较大，使块茎基部糖化和水渍化。马铃薯块茎的干物质、还原糖、淀粉、游离氨基酸决定着末端糖化的严重程度，直接影响炸片炸条加工后的色泽[9]。本研究通过测定不同马铃薯品系块茎基部和顶部还原糖、淀粉和游离氨基酸含量以炸片色泽差异，对其末端糖化情况进行分类，为马铃薯加工业中低末端糖化品系的筛选提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

14个马铃薯普通栽培品种和品系：甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室，包括Atlantic(对照)、0726-126、G59、H22、H0947、H2、0730-156、G77、G107、0730-134、1405-1、0730-211和0711-67(表1)。实验材料的选择以薯肉颜色、块茎长宽比以及干物质含量为标准，选取大小均匀，无病虫害和机械损伤的成熟块茎作为供试材料，将材料置于室温储藏30 d后，测定相关生理生化指标及炸片品质分析。

表1 马铃薯品种、品系田间农艺性状

1.2 块茎干物质含量测定

采用烘干称重法测定。将马铃薯块茎洗净晾干，每个样品均测试5个块茎，每个块茎均在不同部位穿刺取样3次(沿块茎纵轴的近基部、中心部位、近顶部)，鲜薯称重(W1)，105 ℃烘30 min后，在80 ℃烘至恒重，再次称重(W2)。

块茎干物质质量分数= (W2/W1)×100%。

1.3 块茎基部和顶部还原糖含量测定

还原糖含量的测定参照Ohara-Takada等[10]方法。分别称取块茎基部和顶部2.0g，加入10 mL蒸馏水研磨成匀浆，在50 ℃恒温水浴中保温30 min，使还原糖浸出，过滤浸提液，用10 mL蒸馏水洗涤残渣后再过滤，蒸馏水定容至25 mL，作为还原糖提取液。取2 mL还原糖提取液，加入1.5mL 3,5-二硝基水杨酸试剂，混匀后，测定54 nm波长下吸光值。

还原糖质量分数/%=(C×V/a)/W×1 000×100%

式中：C为标准曲线方程求得的还原糖质量/mg；V为提取液的体积/mL；a为显色时吸取样品液体积/mL；W为样品质量/g。

1.4 块茎基部和顶部淀粉含量测定

淀粉含量测定参照Sharma等[11]方法。分别称取块茎基部和顶部1.0 g，加入2 mL蒸馏水研磨匀浆，转移至25 mL试管中，加入10 mL蒸馏水，沸水浴煮沸20 min，加入3.2 mL 60%高氯酸，搅拌均匀，待冷却后室温条件下2 500 r/min离心15 min，将上清液用蒸馏水定容至25 mL，作为淀粉提取液。取0.5 mL淀粉提取液，分别加入1.5 mL蒸馏水和0.5 mL蒽酮-乙酸乙酯试剂，并缓慢加入5 mL 98%浓硫酸，摇匀后沸水浴5 min，冷却后测定630 nm波长下吸光值。

淀粉质量分数/%=(r/样重×0.01×0.05×106)×102，r为标准曲线上查出的浓度(mg/kg)。

1.5 块茎基部和顶部游离氨基酸含量测定

游离氨基酸含量测定参照Lee等[12]方法。分别称取块茎基部和顶部1 g，加入25 mL 2%乙酸研磨匀浆、过滤备用。取1 mL样品提取液、1 mL蒸馏水、3 mL水合茚三酮0.5%、0.1 mL抗坏血酸0.1%加入试管混匀，沸水浴15 min。迅速流水冷却，当反应液呈蓝紫色，用60%乙醇定容至20 mL，测定570 nm波长下吸光度。

游离氨基酸含量=(m′×V/Vs×m×1 000)×100(mg/100 g)

式中：m′为从标准曲线查的氨基酸的质量/μg；V为样品提取液总体积/mL；Vs为测定时所取样品提取液体积/mL；m为样品质量/g。

1.6 炸片加工后色泽测定

马铃薯块茎清洗去皮, 使用NEMCO MOD-N55450薯条切片机进行切片，将切好的薯片在清水中浸泡1 min后，在FAGOR MOD-FE9-05 2C炸锅中用菜籽油(福临门一级菜籽油)恒温180 ℃炸3 min。出锅的薯片在室温下冷却20 min 后测定色泽。薯片色泽测定参照刘娟等[9]的方法，采用Hunter Lab D25LT标准色差仪在 D65 光源下测定亨特指数(L*、a*、b*)，其总色差ΔE可由公式得出：

ΔE=[(L*-L0)2+(a*-a0)2+(b*-b0)2]0.5

式中：L0、a0和b0代表炸片顶部测得值；L*、a*、b*代表炸片基部测得值。

1.7 数据分析

每次实验重复三次，数据以平均值(±SD)表示。采用IBM SPSS STATISTICS 19.0软件进行数据分析和相关性分析。并进行方差分析(ANOVA)，显著水平P<0.05。

2 结果与分析

2.1 马铃薯品种、品系田间农艺性状

马铃薯块茎的外形是薯片加工型马铃薯重要的外观品质性状，需要通过测定块茎长、宽及长宽比来确定薯形的类型。供试材料中1405-1薯肉为紫色，Atlantic、G77、G107和0726-205薯肉为白色，其余品系薯肉颜色均为黄色(表1)。块茎长宽比小于1.5的7个品种和品系不适合进行薯条加工，但是适合薯片加工。薯片加工品种同时需要干物质含量大于20%，H22和0726-205的干物质含量显著高于其他品系，参试品种中除4个品系干物质含量均小于20%外，其他品系的干物质含量满足薯片加工需要。

2.2 马铃薯品种、品系块茎不同部位成分分析

2.2.1 块茎基部和顶部还原糖含量

对马铃薯品种、品系块茎不同部位(顶部和基部)还原糖含量进行测定(图1)。品系0730-134、0730-211和0711-67顶部还原糖含量显著低于对照(Atlantic)；其余供试品系的顶部还原糖含量均显著高于对照，其中H22、G77和G107顶部还原糖含量显著高于对照。品系0730-134基部还原糖含量显著低于对照；其余供试品系的基部还原糖含量均显著高于对照，其中0726-126和G107基部还原糖含量显著高于对照。块茎顶部和基部还原糖含量是确定品种和品系淀粉分解和还原糖积累的重要参照，也是区分糖化末端的标准。对此进行分类能够确定品种和品系形成糖化末端的原因。

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，余同。图1 不同马铃薯品系块茎基部和顶部还原糖含量

2.2.2 块茎基部和顶部游离氨基酸含量

对马铃薯品种、品系块茎不同部位(顶部和基部)游离氨基酸含量进行测定(图2)。品系G107顶部游离氨基酸含量高于对照；品系H22顶部游离氨基酸含量与对照相比无显著变化；其余供试品系顶部游离氨基酸含量均显著低于对照。品系0730-211、1405-1、0730-156、0730-134和0726-205基部游离氨基酸含量显著高于对照；其余供试品系基部游离氨基酸含量均显著低于对照。品系0726-126、0730-156、0730-134、0711-67、0730-211和0726-205的基部游离氨基酸含量均显著高于顶部；品系H2的基部与顶部游离氨基酸含量无显著性差异；其余供试品系的基部游离氨基酸含量均显著低于顶部。前人的研究没有对游离氨基酸含量在块茎中的分布进行过分析，块茎游离氨基酸含量在块茎的不同部位分布基本处于稳定状态，不同品种和品系具有各自积累的特点，对油炸色泽的影响主要取决于还原糖含量。

图2 不同马铃薯品系块茎基部和顶部游离氨基酸含量

2.2.3 块茎基部和顶部淀粉含量

图3 不同马铃薯品系块茎基部和顶部淀粉含量

对马铃薯品种、品系块茎不同部位(顶部和基部)淀粉含量进行测定(图3)。品系H22顶部淀粉含量显著低于对照；品系H0947、G77、0730-134、0730-211顶部淀粉含量与对照相比均无显著变化；其余供试品系顶部淀粉含量均显著高于对照。品系H0947、H2、0711-67和0726-205基部淀粉含量显著高于对照；品系H22和G107基部淀粉含量与对照相比均无显著变化；其余供试品系基部淀粉含量均显著低于对照。品系H22、H0947、H2的基部淀粉含量均显著高于顶部；其余供试品系的基部淀粉含量均显著低于顶部。对块茎基部和顶部的淀粉积累特性研究表明，品种的熟性，薯型以及块茎发育过程中维管束的运输都会影响淀粉在块茎不同部位的积累，不同的储藏条件下块茎不同部位淀粉的分解也会影响淀粉的含量。

表2 马铃薯品种、品系炸片后色泽

2.2.4 马铃薯品种、品系炸片后色泽变化

对供试马铃薯品系炸片后薯片不同部位(基部和顶部)色泽进行测定(表2)。品系H22和1405-1的基部炸后亮度值L*均显著高于顶部炸后亮度值L*。品系0726-126、H0947、0730-156、0730-211和0726-205的基部炸后亮度值L*均显著低于顶部炸后亮度值L*。品系H22和0730-134的基部炸后色泽a*值均显著低于顶部炸后色泽a*值；其余供试品系的顶部炸后色泽a*值均显著高于顶部。品系H22、1405-1和0730-211的基部炸后色泽b*值显著高于顶部炸后色泽b*值；G59、H0947、0730-156、G77和0711-67的基部炸后色泽b*值低于顶部；其余供试品系的基部与顶部炸后色泽b*值均无显著性差异。ΔE表示供试品系炸片基部与顶部的色泽差异，H2和G77的ΔE值显著低于对照，0730-211的ΔE值无显著性差异，其余供试品系的ΔE值均显著高于对照。L*,a*,b*分别代表亮暗，红绿和蓝黄，分析色泽组成能够帮助研究者判断总色差ΔE的构成，可以更快地判断每个品种色泽形成的原因。

2.3 相关性分析

对所选材料块茎糖含量、游离氨基酸含量和淀粉含量与薯片色泽之间进行相关性分析，结果表明，块茎糖含量与薯片色泽呈正相关，R2=0.616 9，块茎内游离氨基酸含量和淀粉含量与薯片色泽无显著相关，游离氨基酸R2=0.039 5，淀粉R2=0.073 8。

3 讨论

马铃薯加工产品中油炸食品是最主要的部分，大约占加工马铃薯产业的70%以上，油炸加工质量对马铃薯产业越来越重要[14]。马铃薯末端糖化严重影响炸片炸条加工质量，具有严重糖末端的块茎在油炸加工后糖含量高的一端通常呈现褐色。这是由于在油炸加工过程中，高温使得块茎中还原糖与游离氨基酸中天门冬酰胺发生美拉德反应，使油炸后块茎高糖组织变褐形成“黑色末端”，造成了油炸马铃薯产品的严重缺陷[15]。在块茎中天门冬酰胺含量很稳定，丙烯酰胺含量则主要取决于块茎中还原糖含量，特别是长期低温贮藏后的还原糖含量[14]。马铃薯不同品种不同部位的淀粉含量、还原糖含量和游离氨基酸含量都不相同，在一定的条件下，淀粉通过细胞代谢可转化为还原糖。马铃薯块茎主要存在三种糖末端类型，块茎基部末端低淀粉和高还原糖含量、块茎顶端末端低淀粉和高还原糖含量、块茎基部末端高淀粉和高还原糖含量[14,15]。本研究中大多数马铃薯品系都属于块茎基部末端低淀粉高还原糖，可见这是马铃薯末端糖化的主要类型。不同马铃薯品种对胁迫条件的敏感性不同，这些胁迫条件会在加工马铃薯时引发糖末缺陷形成。马铃薯末端糖化缺陷可能与块茎形成期间的土壤条件以及早期块茎膨大有关[16,17]。

薯片色泽是马铃薯油炸加工品质重要的衡量标准。对于炸片加工而言，块茎干物质含量、还原糖含量是两个最重要的指标，干物质含量高不仅可以提高产品率，而且还能减少油炸产品中油含量，从而提高炸片加工产品的品质和商品效益[18,19]。还原糖含量是确定一个马铃薯品种是否适合炸片的重要条件，炸片色泽主要是由还原糖和游离氨基酸在高温下的美拉德反应引起的，通过对不同马铃薯品系的还原糖含量和游离氨基酸含量的分析也证明了这个观点。本研究中，ΔE反映了供试马铃薯品系炸片基部与顶部的色泽差异，其变化与薯片的表观色泽变化是相一致的。