14种不同马铃薯全粉的理化特性差异分析

施杨琪 黄茜蕊 茹炜岽 张 瑜 柴立红 钱琼秋 包劲松,,*

(1 浙江大学应用生物科学系，浙江 杭州 310058；2 浙江大学原子核农业科学研究所，浙江 杭州 310058)

马铃薯(SolanumtuberosumL.)是仅次于水稻、玉米和小麦的世界第四重要粮食作物，更是主要粮食作物中唯一的块茎作物[1-2]。根据2017年FAO统计报告显示，全世界马铃薯总产量达到38 819.1万t，而近1/3的马铃薯产于中国和印度，我国已经成为世界上马铃薯产量最高的国家[3]。马铃薯营养价值丰富，除富含淀粉外，还含有矿物质、蛋白质、多种抗氧化活性物质和少量膳食纤维[4-5]，具有抑制体重增长、清理肠道、预防消化系统疾病的作用[6]。2015年，我国农业部提出马铃薯主粮化战略，期望将马铃薯加工成馒头、面条、米粉等主食促进人们消费。因此，研究马铃薯全粉的理化特性，对于进一步将马铃薯加工成多种主食具有重要意义。

马铃薯全粉的理化特性影响着马铃薯全粉在食品加工中的应用。马铃薯全粉按照加工工艺可分为：雪花全粉、回填法颗粒全粉和冻融法颗粒全粉[7]。然而相同工艺生产的不同品种马铃薯全粉，在性质上存在显著差异[8]，说明不同马铃薯品种间的理化特性存在固有差异。马铃薯全粉制作过程中破坏的植物细胞较少，加水后可以重新得到马铃薯泥并直接食用，也可作为食品添加剂改善食物口感[9]。近些年，关于马铃薯全粉加工工艺和以马铃薯全粉为食品添加剂的研究较多[10-13]。研究表明，添加马铃薯全粉后馒头粉的粘度特性、质构特性、糊化和回生特性等均有显著变化，其中添加10%左右马铃薯全粉时，馒头品质最佳[14]。马铃薯全粉添加量为15%的挂面蒸煮损失最小，拉伸强度和最大弯曲力最高，硬度、弹性和咀嚼性均处于中等偏上水平，品质较好[12]。伊力特等[15]报道马铃薯全粉、红茶粉、复合稳定剂三者的最佳质量比为8∶6∶5，其速溶奶茶的营养和口感最佳，适合大众饮用需求。此外还有关于马铃薯面包[16-17]、马铃薯酥性饼干[18]、马铃薯方便面[19]和马铃薯全粉虾片[20]的研究。

目前关于马铃薯全粉理化特性的研究已有诸多报道。Leivas等[21]研究了两种马铃薯品种，发现同一马铃薯品种全粉的颗粒越大，其最高粘度越低，最终粘度越高。侯飞娜等[22]测定了22种不同马铃薯全粉的灰分含量、粗蛋白含量、乳化活性和乳化稳定性等理化特性，但在粘度、质构和糊化特性方面未进行评价测定。徐忠等[23]报道马铃薯全粉的糊化温度和粘度低于同品种的淀粉，而糊化焓和和回生值高于淀粉。李茹等[24]研究报道马铃薯颗粒全粉比雪花全粉粘度低，雪花全粉的高粘度说明其细胞破损程度高，存在较多的游离淀粉。代春华等[25]对16个省的马铃薯全粉进行营养品质和理化特性研究，在流变性试验中发现马铃薯全粉表现为弱凝胶黏弹体特征，其中陕西马铃薯的初始黏度最高。

目前，已经开展了一些马铃薯全粉的理化特性研究，但部分研究所用马铃薯品种数目较少，所得结果的应用性有限，且各理化特性间的相关性还不明确。因此，马铃薯全粉理化特性的品种间差异还有待进一步研究。基于此，本研究以14份不同品种马铃薯为材料，研究马铃薯全粉理化特性的差异，以期为进一步开发马铃薯全粉食品提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试剂

试验所用的14个马铃薯品种于2016年种植于浙江大学华家池农场(表1)。冷冻干燥的马铃薯全粉制备流程如下：新鲜马铃薯→洗净削皮→切成薄片(0.5 cm左右)→-80℃冷冻12 h→冷冻干燥48 h(-50℃，真空度50 Pa以下)→磨成马铃薯粉。

氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸铜、盐酸和乙醇均为分析纯，购于上海国药试剂公司。

1.2 主要设备

FD-1A-50冷冻干燥仪，北京博医康实验仪器有限公司； Model3-D快速粘度分析仪(rapid visco analyser， RVA)，澳大利亚Newport Scientific公司；TA-XT2i质构分析仪，英国Stable Micro Systems公司；DSC-2920差示扫描量热仪，美国TA Instruments公司。

1.3 试验方法

1.3.1 淀粉含量测定 总淀粉含量参照GB 5009.9-2016[26]的酸水解法测定。

1.3.2 粘度特性测定 马铃薯全粉的粘度特性使用RVA仪进行测定。首先，称3.0 g马铃薯全粉加入到铝制样品罐中，再加入25 mL ddH2O，充分混合。马铃薯全粉的RVA分析程序设定如下：50℃维持1 min；在3.7 min内加热至95℃；95℃维持2.5 min;在3.8 min内降温至50℃；50℃维持2 min。测定最高粘度(peak viscosity, PV)、 热浆粘度(hot paste viscosity, HPV)、冷胶粘度(cold paste viscosity, CPV)、崩解值(breakdown，BD)和消减值(setback, SB)等参数。粘度单位rapid visco unit (RVU)。

1.3.3 质构特性测定 马铃薯全粉测定完RVA后，使用ParafilmTM将铝制样品管密封，置于4℃冰箱中24 h。然后使用质构分析仪测定马铃薯全粉质构特性。质构仪使用直径5 mm的探头进行重复4次测试，程序设定为：位移距离10 mm，探针下降速度1 mm·s-1[27]。 在质构图谱中，曲线的最高峰值称为硬度(hardness, HD)，第二次与第一次压缩的面积之比称为粘聚性(cohesiveness, COH)。

1.3.4 糊化特性和回生特性测定 马铃薯全粉的糊化特性和回生特性使用差示扫描量热仪进行测定。首先称取2.0 mg马铃薯全粉，与6 μL超纯水在铝盘中混匀，然后密封铝盘，在室温下静置1 h。差示扫描量热仪程序设定如下：氮气流速50 mL·min-1，温度由30℃上升至110℃，升温速度为10℃·min-1。在糊化特性测定结束后，将密封铝盘放于4℃冰箱中保持7 d。之后，使用同样的程序，测定马铃薯全粉的回生特性。糊化特性用起始温度(onset temperature, To)、峰值温度(peak temperature, Tp)、终止温度(conclusion temperature, Tc)、糊化焓(enthalpy of gelatinization, ΔHg)表示；回生特性用回生焓(enthalpy of retrogradation，ΔHr)及回生率(percentage of retrogradation, R%)表示。

1.4 数据处理

结果用平均值±标准偏差表示，其中所有试验至少重复2次。采用SPSS 20.0软件(SPSS, Inc., 美国)进行相关性分析和聚类分析。使用Origin 9.0软件对数据进行主成分分析(principle component analysis，PCA)。

2 结果与分析

2.1 淀粉含量

由表1可知，3份白色马铃薯样品的淀粉含量为61.85%～64.56%；7份黄色肉质马铃薯样品的淀粉含量为62.40%～72.09%；2份红色肉质马铃薯样品的淀粉含量差别较大；2份紫色肉质马铃薯样品中的淀粉含量均值为56.32%。其中红色马铃薯品种PT14的淀粉含量最低，仅为49.33%，黄色马铃薯中的中薯系列品种(PT34、PT35、PT36和PT38)的淀粉含量均较高。结果表明不同马铃薯全粉的淀粉含量差异较大，红色和紫色马铃薯的淀粉含量略低于白色和黄色马铃薯。

表1 不同品种马铃薯全粉中的淀粉含量

2.2 粘度特性分析

由表2可知，14种马铃薯全粉的粘度特性PV的范围为266.0～398.8 RVU，其中红色品种PT11和紫色品种PT18的PV值较低，黄色品种PT34的PV值最高。HPV值的范围为158.1～250.6 RVU，HPV值最高的品种为PT10和PT34，HPV值最低的品种为PT11。CPV值的范围为259.9～418.8 RVU，CPV值最高的品种为PT35，CPV值最低的品种为PT18。马铃薯PT38全粉的BD值最高，为169.2 RVU，马铃薯PT18全粉的BD值最低，为59.9 RVU。马铃薯PT35全粉的SB值最高，为177.7 RVU，马铃薯PT18全粉的SB值最低，为53.7 RVU。说明白色马铃薯PT10和黄色肉质马铃薯PT34、PT35全粉的粘度较大，而红色马铃薯PT11和紫色马铃薯PT18全粉的粘度较小，但红色和紫色马铃薯全粉中也有粘度较大的品种。

2.3 凝胶质构特性分析

由表2可知，不同马铃薯全粉凝胶的HD差别较大，HD值的范围为5.75～12.79 g，其中马铃薯PT14和PT18全粉的HD值最低，马铃薯PT34全粉的HD值最高；粘聚COH的范围为0.22～0.83，其中马铃薯PT38全粉的COH值最低，马铃薯PT14全粉的COH值最高。在本试验中各品种马铃薯全粉的COH差别较大，可能是由于不同品种马铃薯全粉中其他化合物的组成含量不同，如蛋白质和纤维素等。在14种马铃薯全粉中存在高粘聚性的品种，也存在低粘聚性的品种，体现了马铃薯种质资源理化特性的多样性。

表2 不同品种马铃薯全粉的粘度特性和质构特性

2.4 糊化特性和回生特性分析

马铃薯全粉在水中加热到一定温度后，淀粉颗粒吸水膨胀，淀粉结晶结构被破坏，双折射现象发生不可逆消失，然后淀粉粒进一步溶胀、破裂，形成均匀的糊状物，这一过程称为糊化[28]。回生特性是由于淀粉冷却后，淀粉分子间可重新形成氢键和结晶结构[29]。由表3可知，各品种马铃薯全粉To值的范围为64.77～69.35℃，Tp值的范围为69.72～74.99℃，其中马铃薯PT14全粉的To和Tp值最高，PT34的To和Tp值最低。各品种马铃薯全粉Tc值的范围为75.37～82.01℃，PT13的Tc值最高，同样是PT34的Tc值最低。各品种马铃薯全粉ΔHg的范围为7.46～11.07 J·g-1， ΔHr为1.35～4.00 J·g-1，各品种马铃薯全粉的R%范围为18.17%～39.17%。马铃薯PT05全粉的ΔHg、ΔHr和R%最低，PT34的ΔHg最高，PT35的ΔHr和R%最高。

表3 不同品种马铃薯全粉的糊化特性及回生特性

2.5 相关性分析

由表4可知，淀粉含量(starch content, SC)与PV、BD、CPV、SB、HD、ΔHg、ΔHr和R%呈极显著或显著正相关，与COH、To、Tp和Tc呈极显著负相关。在粘度特性方面，除了HPV与BD和SB无显著相关性外，PV、BD、CPV和SB之间均呈极显著正相关；在质构特性方面，HD与COH呈极显著负相关，PV与HD呈显著正相关。表明在粘度较高的品种中，HD也可能较高，而HD越高的马铃薯全粉，其粘聚性越低。

在糊化特性和回生特性方面，To、Tp和Tc之间呈极显著正相关，ΔHg、ΔHr和R%之间呈显著或极显著正相关，但温度特征(To、Tp和Tc)与焓值(ΔHg和ΔHr)存在显著或极显著负相关性。除此之外，ΔHg和ΔHr还与BD和HD呈显著或极显著正相关。马铃薯全粉理化特性间的相关性与马铃薯淀粉中类似，如在马铃薯淀粉中发现，CPV、SB、To、Tp和Tc与ΔHr之间呈显著负相关，ΔHr与R%呈正相关[2]。

2.6 主成分分析

本研究中共有14个马铃薯理化特性变量(SC、PV、HPV、BD、CPV、SB、HD、COH、To、Tp、Tc、ΔHg、ΔHr和R%)，信息量过大, 利用主成分分析可以将变量个数减少而得到较多的信息，或尽可能保持原有的信息。主成分分析表明，前4个主成分可以解释马铃薯全粉的理化特性超过85%的变异(表5)。第1主成分可以解释马铃薯全粉理化特性变异的48.79%，第2主成分可以解释18.15%，第3主成分可以解释10.82%，第4主成分可以解释8.04%。但是，每个主成分中均没有负荷量较大的理化特性指标可以直接代表主成分。相对而言，第1主成分与Tp、Tc和SC的相关系数较大(均大于0.315)，说明第1主成分主要反映糊化温度指标；第2主成分与PV和CPV的相关系数相对较大(大于0.450)，说明第2主成分主要反映糊化粘度指标，而第3主成分与ΔHr和R%的相关系数较大(均大于0.397)，说明第3主成分主要反映回生特性指标，而第4主成分主要反映其他指标。将第1与第2主成分作图 (图1)，可以将所有性状都分为3组，分别位于第一、二和四象限。同一组内各性状间一般都存在正相关性。第二与第四象限的性状间存在负相关性(图1，表4)。

图1 马铃薯全粉的理化特性主成分分析图

表4 马铃薯全粉理化特性的相关性分析

表5 马铃薯全粉理化特性的主成分分析

2.7 聚类分析

以马铃薯全粉的理化特性为变量，将不同变量值做标准化处理，重置为0～1之间，采用组间连接法进行聚类分析(图2)。14份马铃薯可分为两类，PT10、PT11、PT28、PT29、PT30、PT34、PT35、PT36和PT38归为A组；PT05、PT12、PT13、PT14和PT18归为B组。根据聚类分析图可以观察到马铃薯样品的差异明显，在两大组中又可分成多个小类，A组中的红色马铃薯PT11与其他品种差异较大，B组中彩色马铃薯品种PT13、PT14和PT18较接近，但与PT05和PT12仍有一定差异。

图2 14份马铃薯种质的聚类分析

3 讨论

马铃薯全粉的理化特性是决定马铃薯全粉是否适合食品应用的重要因素。首先应该考虑淀粉含量，一般食品用马铃薯全粉淀粉含量较高；其次是淀粉特性，如作为食品添加剂(增稠剂)，则需要淀粉粘度较高的马铃薯品种。同时，马铃薯全粉理化特性品种间差异研究可为马铃薯品质育种中亲本的选择提供依据。本研究发现马铃薯全粉的淀粉含量差异较大，马铃薯全粉中的淀粉含量为49.33%～72.09%，中薯系列马铃薯品种(PT34、PT35、PT36和PT38)的含量一般较高。侯飞娜[30]研究表明22种马铃薯全粉的淀粉含量为51.70%～72.40%，含量范围与本试验结果接近，并且淀粉含量较低的品种均为红色或紫色马铃薯品种。代春华等[25]报道16省马铃薯全粉的淀粉含量范围为55.98%～72.71%，其中，广东、湖北、山西、云南、河南及甘肃马铃薯全粉中淀粉含量均达70%以上。白建明等[31]报道对马铃薯淀粉产量影响最大的因素是品种。赵月等[32]报道的11 种马铃薯块茎的淀粉含量范围为 67.9%～73.4%，其中大西洋品种淀粉含量最高。综上，马铃薯全粉淀粉含量主要受品种的影响，同时也受环境、基因型和环境互作的影响[33]。当前马铃薯育种中已经考虑到淀粉含量性状的改良，但是育种目标不同，马铃薯亲本的淀粉含量不同；如作为淀粉工业用，马铃薯淀粉含量越高越好，而做菜用，则不能太高。

在粘度特性方面，本研究中，14个品种马铃薯全粉PV的范围为266.0～398.8 RVU，HPV值的范围为158.1～250.6 RVU，CPV值的范围为259.9～418.8 RVU(表2)。徐忠等[23]报道在马铃薯全粉中测得PV值为409.3 RVU，HPV值为 157.5 RVU，CPV值为447.7 RVU。由于不同试验的测定方法不同，研究结果很难进行比较。如，徐忠等[23]称取1.5 g全粉加25 mL ddH2O，本试验称取3.0 g全粉加25 mL ddH2O。徐忠等[23]加入的全粉量少于本试验，但其PV值却略高于本研究结果，表明其马铃薯雪花全粉的粘度比本研究所用马铃薯高。推测这是马铃薯雪花全粉能商品化的原因，同时也说明食品用马铃薯全粉需为高粘度的品种。这为雪花全粉类型马铃薯品种的育种目标提供了依据，同时也提供了选择的方法。

马铃薯全粉的质构特性决定了食品的质地。本研究中HD值的范围为5.75～12.79 g，COH的范围为0.22～0.83。Singh等[34]仅选取6种马铃薯品种进行分析，因此COH值的范围较小。Przetaczek-Roznoska[35]发现马铃薯淀粉的HD为22.98 g，比本研究测定的HD大，这可能是品种不同之故。需要指出的是淀粉粘度特性与质构特性存在显著的相关性(表3)，尤其是PV与HD呈显著正相关，这为育种中开展间接选择提供了理论依据，例如选择PV高的品系，HD也较高。

糊化和回生是淀粉的重要特性，也是影响食品品质的重要因素，糊化温度影响食品蒸煮加工过程所需的能量，而回生特性影响食品的品质，如质构。因此，质构HD与回生焓呈显著正相关，与糊化温度呈极显著负相关(表3)。但是，本研究仅测定了马铃薯全粉的理化特性，未结合食品制作及品质测定，这些理化特性对具体食品品质的影响有待进一步研究。马铃薯全粉中除富含淀粉，还含有蛋白质、脂肪、纤维素及其他微量成分等，这些成分均会影响粘度、质构和糊化特性[21]。

4 结论

本研究发现14种马铃薯全粉的理化特性存在差异。中薯系列品种(PT34、PT35、PT36和PT38)的淀粉含量均高于70%，可用于加工成含淀粉高的食品或用于生产淀粉，且上述马铃薯品种的淀粉粘度也较高，其中PT34和PT38的糊化温度最低，进一步说明此类马铃薯全粉适用于食品加工。根据马铃薯全粉的理化特性，可将14个品种分为两大类，在大类下又可分多个小类，体现了马铃薯全粉理化特性在不同品种间存在明显差异。本研究结果为马铃薯全粉的食品应用及品质育种提供了理论依据。