不同品种紫薯淀粉结构与其面团品质的关系

张梦潇，周文化*，杨代明，戴少华，李 勇，周 虹

（1 特医食品加工湖南省重点实验室 长沙 410004 2 粮油深加工与品质控制湖南省协同创新中心 长沙 410004 3 中南林业科技大学食品科学与工程学院 长沙 410004 4 湖南省作物研究所 长沙 410125 5 湖南省市场监督管理局 长沙 410004 6 克明面业股份有限公司 长沙 410004）

紫薯（Ipomoea batatas L.）属于旋花科，是世界上最重要的根茎作物之一。紫薯富含淀粉，其含量占干物质的50%左右[1]，主要由高度分支的支链淀粉和线性的直链淀粉组成，其中直链淀粉含量较高[2]。紫薯淀粉有半晶体、致密片层和无定形3种分子结构，其结晶度与淀粉颗粒的支链淀粉存在相关性[3]。由于紫薯原料的品种不同，因此其淀粉的结构特征、理化性质及物理化学特性差异较大[4-5]。

小麦粉面团的面筋蛋白与水结合形成骨架网络结构[6]，大量的小麦淀粉颗粒作为结构中的填充剂，使得面团具有一定的黏弹性。紫薯淀粉不能直接形成面团，这是因为紫薯淀粉中没有面筋结构，且淀粉颗粒之间的相互作用力太弱。紫薯淀粉面团采用紫薯淀粉和小麦粉混合而成，紫薯淀粉面团体系是一种多组分体系，其中面筋形成连续的基质，淀粉颗粒充当基质中的填充物质。因紫薯淀粉之间的微观结构特性等存在较大差异，故其面团品质存在差异。Cao 等[7]研究表明淀粉颗粒的大小分布是影响面团特性的决定性因素，即淀粉颗粒大小与面团流变学特性相关。Li 等[8]研究表明淀粉颗粒糊化，直链淀粉分子渗出，黏度增加。糊化时淀粉颗粒分解，糊化黏度也降低。

目前，对甘薯、玉米、马铃薯、木薯淀粉的应用研究较多，而关于不同品种紫薯淀粉及其加工面团品质差异鲜有报道。本文旨在了解紫薯淀粉结构以及其面团品质属性之间的差异性，了解不同品种紫薯淀粉的性质和应用价值，为不同品种紫薯淀粉的加工适宜性及综合利用提供试验依据。

1 材料和方法

1.1 材料和设备

紫薯：宁紫薯1 号、宁紫薯8 号、湘紫薯174、川紫薯4 号、徐紫薯8 号、阜紫薯1 号、渝紫薯7号、绵紫薯9 号、鄂紫薯12 号，湖南省作物研究所（种植于湖南省作物研究所试验田，2019年10月收获采收后地窖贮藏，从中挑选无腐败、发芽，病虫害的新鲜紫薯）；小麦面粉（碳水化合物、蛋白质和脂肪的含量分别为68.0，11.0 g/100 g 和1.0 g/100 g），长沙凯雪粮油食品有限公司。

JH-HS 卤素快速水分分析仪，泰州宜信得仪器仪表有限公司；Sigma HD 扫描电子显微镜，德国蔡司公司；UltraScan Pro 色差仪，美国Hunter Lab 公司；FB223 分析天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；Bruker D8 Advance X 射线衍射仪，布鲁克AXS 有限公司；LS 13320 激光衍射粒度分析仪，贝克曼仪器有限公司；DHR-2 流变仪，美国TA 公司；Micro-doughLAB 2800 全自动微型粉质仪，瑞典Perten 公司；JK-1 型快速黏度分析仪，瑞典Perten 公司；101-3EBS 电热鼓风干燥箱，北京市永光明医疗仪器有限公司；DHH-180A 小型电动压面机，永康市海鸥电器有限公司；DH-360AB（303-1AB）电热恒温培养箱，北京中兴伟业仪器有限公司；C21-SK210 多功能电磁炉，广东美的生活电器制造有限公司；B5A 变频调速搅拌机，广州威尔宝酒店设备有限公司；BCD-248GS/MS 冰箱，河南新飞电器有限公司；FW-400A 倾斜式高速万能粉碎机，北京中兴伟业仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 紫薯淀粉的提取 鲜紫薯→清洗→粉碎→过滤→离心→静置沉淀 （60 ℃，15 h）→洗脱 （过100 目筛）→离心（5 000 r/min 20 min）→干燥→粉碎→过筛 （100 目筛）→真空包装→4 ℃避光保藏→备用。

1.2.2 紫薯淀粉微观结构观察 取紫薯淀粉样品使其均匀分布在扫描电镜专用铝载物台上，在其上覆盖一层观察紫薯淀粉的形态。将淀粉样品安装在铝棒上，然后溅射镀金。在15 kV 的加速电压下以3 000 倍和10 000 倍放大拍摄每个样品的显微照片。

1.2.3 紫薯淀粉粒度测量 将淀粉样品（0.5 g）悬浮在50 mL 蒸馏水中，用涡旋混合器分散至均质。将糊状物添加到微量样品池中，以获得12%的模糊度。使用d50和体积分布来描述粒径。

1.2.4 紫薯淀粉X-射线的测量 将淀粉粉末样品放入样品槽中，压紧后置于X-衍射仪样品台中测试。测试条件：管压40 kV，管流40 mA，扫描速率10°/min，步长0.02°，连续扫描，起始角5°，终止角90°。

1.2.5 紫薯淀粉-小麦粉混合粉的制备 取制备好的9 种紫薯淀粉分别与小麦粉按6%比例混合，将混合粉真空包装，置于4 ℃冰箱贮藏，现用现配。

1.2.6 紫薯淀粉-小麦粉混合粉粉质特性的测定 根据GB/T 14614-2019《粮油检验 小麦粉面团流变学特性测试 粉质仪法》，用微型粉质仪测定。称取4 g 上述混合粉，紫薯淀粉以6%的比例添加到面粉中，自动加入适量蒸馏水，当面团的最高稠度达（500±20）FU 时，记录粉质曲线，得到吸水率、形成时间、稳定时间、弱化度、带宽、公差指数等粉质特性结果，试验重复6 次。

1.2.7 紫薯淀粉-小麦粉混合粉糊化特性的测定采用GB 24853-2010《小麦、黑麦及其粉类和淀粉糊化特性测定快速粘度仪法》 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 升至95 ℃，保持在95 ℃、2.5 min，再以12 ℃/min 降至50 ℃，保持2 min，总共糊化13 min。根据RVA 的曲线，获得峰值黏度、最低黏度、最终黏度、回生值、崩解值和糊化温度等参数。紫薯淀粉以6%的比例添加到面粉中，重复6 次。

1.2.8 紫薯淀粉-小麦粉面团流变特性 参考范亭亭等[9]方法，取100 g 小麦粉，分别加入6%的不同品种紫薯淀粉，然后加入适量蒸馏水使面团的稠度达到500 Fu，置流变仪测试台上，使用双平板测量模式测试样品，测试条件为：平板直径40 mm，间隙厚度1 000 μm，温度25 ℃。选择动态黏弹性测试程序，测试前将扫描频率固定为10 Hz，在扫描应变范围（0.1%～100%）找出其线性黏弹区所对应的扫描应力。储能模量（G'）、损耗模量（G''）及损耗正切值（tanδ=G''/G'）三者均随频率变化。

1.2.9 紫薯淀粉-小麦粉面团核磁共振的测定 低场核磁共振参考肖东等[10]的方法。取3 g 面团样品，做成高2 cm 样品，用保鲜膜将其包裹放入检测管内，置于核磁共振仪中，检测参数：采样点数TD=2 048，重复扫描次NS=8，弛豫衰减时间T0=1 000 ms。利用CPMG 脉冲序列测定样品的横向弛豫时间（T2），每种样品重复10 次。

1.2.10 统计分析 数据的差异显著性用SPSS 24.0 软件分析，X-衍射图谱用MDI Jade 6.0 软件处理，绘图用Origin 2017 软件处理。

2 结果与讨论

2.1 紫薯淀粉颗粒微观形态和大小分布

不同品种紫薯淀粉颗粒形貌如图1所示。9种紫薯淀粉颗粒形貌接近，颗粒大小不一，表面相对较为光滑，有少量裂纹和破损，这可能与紫薯淀粉提取过程中的机械作用相关。9 种紫薯淀粉的颗粒在6.000～10.800 μm 之间，形态均呈圆形、多面体和半球形。Yong 等[5]研究了7 种紫薯淀粉，同样形状也呈圆形、多边形和半球形，粒径在4.300～3.600 μm 之间。紫薯淀粉颗粒大小的差异可能是由于淀粉生物合成酶编码基因多样性，淀粉合成酶基因SSIIIa 和SSIVb（ss3a，ss4b）缺失的双突变体产生球型淀粉粒，亲本单体突变体产生与野生型相似的多面体淀粉粒[11]，淀粉颗粒形状也与紫薯生长环境对基因的影响和酶活性因素有关[12]。

图1 不同品种的紫薯淀粉的扫描电镜图Fig.1 Scanning electron micrographs of different varieties of purple sweet potato starch

为了进一步研究紫薯淀粉颗粒体积分布，进行粒度体积分布测试。如图2所示，紫薯淀粉颗粒表现出3 峰分布。在0.100～2.000 μm 范围有非常小的颗粒，且大多数颗粒分别分布在3.000～30.000 μm 和100.000～600.000 μm 范围。由表1可知，不同品种紫薯淀粉体积分布存在显著性差异（P＜0.05），紫薯淀粉的平均颗粒范围43.903～55.842 μm，湘紫薯174 的淀粉颗粒平均粒径比其它淀粉大，同时湘紫薯174 淀粉颗粒的体积百分比高于其它8 种淀粉。

表1 不同品种紫薯淀粉粒径分布（μm）Table 1 Starch particle size distribution of different varieties of purple sweet potato starch （μm）

图2 9 种紫薯淀粉体积分布Fig.2 Volume distributions of granule in the purple sweet potato starch of nine cultivars

2.2 紫薯淀粉的X-射线衍射光谱

根据X-射线衍射峰的位置，将结晶性质定义为A、B 和C 型。不同品种的紫薯淀粉具有不同的结晶度和晶体结构，表现出不同的X-射线衍射图谱，见图3。9 种紫薯淀粉的XRD 图谱的2θ 分别在15°、17°和23°处表现出较强的单峰衍射峰。在16°和18° 2θ 附近有一个小峰，在11° 2θ 附近有一个小峰，表明这些淀粉的结晶类型是CA型；淀粉在15°、17°、18°、23° 2θ 附近有强衍射峰，其中17°和18°附近的衍射峰为相连的双峰，在20° 2θ附近有弱的衍射峰，这是B-型晶体淀粉的XRD波谱特征。Zhang 等[13]研究表明宁紫1 号紫薯淀粉为结晶型，其6 个优良育种系均为CA 型；Kim等[14]研究了韩国不同品种的甘薯淀粉，XRD 图谱表明甘薯淀粉晶型为A 型和CB 型，颗粒形状呈多边形和半椭圆形，因品种不同而不同。不同品种紫薯淀粉结晶度的差异见表2。渝紫薯7 号淀粉的结晶度为54.280%，绵紫薯9 号淀粉的结晶度最高为52.720%。

图3 不同品种紫薯淀粉X-射线衍射图谱Fig.3 X-ray of different varieties of purple sweet potato starch

表2 不同品种紫薯淀粉的XRD 特征参数Table 2 The XRD characteristic parameters of different varieties of purple sweet potato starch

（续表2）

2.3 小麦粉-紫薯淀粉粉质特性

面团的吸水率对其品质有较大影响，小麦粉-紫薯淀粉混合粉的吸水能力相较于小麦粉增加，是由于紫薯淀粉的交联限制了淀粉颗粒的溶胀。面团的形成时间反映面筋网络的形成速度，由表3可知，与小麦粉（空白组）相比，添加紫薯淀粉后面团的形成时间均呈上升趋势，这是由于初始混合物不均匀，导致需要更长的时间来制作面团。面团形成时间越长，面团的筋力越强，在制作面团制品时和面时间也越长。小麦粉-渝紫薯7 淀粉的面团形成时间比小麦粉（空白组）增加了2.3 min，说明小麦粉-鄂紫薯12 淀粉比小麦粉（空白组）有更强的面团强度，它能够保持最大的面团稠度的时间相对较长，紫薯淀粉的加入可以增强面团稳定性。

表3 不同品种紫薯淀粉面团粉质特性Table 3 Influence of purple sweet potato starch on mixing properties of wheat flour

弱化度表示面团在搅拌过程中的破坏速度，也就是对机械搅拌的承受能力，代表面筋的强度。弱化度越大，面筋越弱，面团越易流变，操作性越差，加入紫薯淀粉后弱化度呈下降的趋势。宁紫薯8 号淀粉的公差指数（MTI）比小麦粉（空白组）降低了59.9 FU，该结果可能是紫薯淀粉与小麦粉中的面筋之间较强的分子相互作用，使其难以揉捏。

2.4 紫薯淀粉面团的糊化特性

图4显示不同的紫薯淀粉/小麦粉体系的RVA 特性。糊化温度显著升高，绵紫薯9 号面团的糊化温度上升最多，其结晶度也较高，在小麦粉面团中添加紫薯淀粉会导致峰值黏度（PV）显著降低（P＜0.05），表明添加紫薯淀粉降低了淀粉颗粒破裂前的淀粉膨胀程度。与小麦粉（空白）相比，紫薯淀粉使面团的衰减值明显降低，衰减值（BV）与破损淀粉颗数呈正相关。这是因为加热过程中直链淀粉分子渗入连续相的数量减少，紫薯淀粉与小麦粉的分子间作用可能阻断了直链淀粉之间的连接，因此，衰减值降低表明淀粉颗粒的完整性得到较好地保持。

图4 不同品种紫薯淀粉的糊化特性曲线Fig.4 Pasting curves of different varieties of purple sweet potato starch

直链淀粉的形成导致黏度下降，这代表淀粉的短期回生程度。与其它面团组相比，川紫薯4 号的回生值最低，短期回生过程最慢，面团硬度下降最大。添加紫薯淀粉降低了面团的糊化特性，包括峰值黏度（PV）、最低黏度（TV）、最终黏度（FV）、衰减值（BV）和回生值（SV），然而提高了糊化温度。较低的回生值（SV）和衰减值（BV）可以提高淀粉的热稳定性，减少淀粉的回生，有利于紫薯淀粉在小麦粉加工中的应用。

表4 紫薯淀粉/小麦粉糊化特性Table 4 Pasting properties of purple sweet potato starches-wheat flour

2.5 紫薯淀粉面团的动态流变学特性

面团的黏弹性主要取决于面筋基质。紫薯淀粉在面筋网络中充当填充物，其相体积的增大会影响面筋网络结构的完整性和分子交联聚合的程度[15]，最终影响面团流变特性的弹性和稠度。

储能模量（G'）、损耗模量（G''）和损耗角正切（tan δ）随频率的变化如图5所示。所有面团样品G'、G'' 和tan δ 随频率增加而增加，且均大于小麦粉面团，这表明添加紫薯淀粉可提高面团的黏弹性。在所研究的频率范围内，面团的G'远高于G''，表现出固体的弹性行为（图5a，5b），且紫薯淀粉面团弹性和黏性符合川紫薯4 号面团＜鄂紫薯12 面团＜宁紫薯8 号面团＜阜紫薯5 号面团＜湘紫薯174 面团＜宁紫薯1 号面团＜绵紫薯9 号面团＜徐紫薯8 号面团＜渝紫薯7 号面团的排序，最大淀粉颗粒渝紫薯7 号的G' 和G'' 值高于其它样品，明显提高了面团的黏弹性。

图5 小麦粉-紫薯淀粉面团的流变特性Fig.5 Rheological properties of purple sweet potato starch-wheat flour dough

卢丹妮[16]研究发现不同来源淀粉面团的弹性模量和损耗模量均大于小麦粉面团，可能是面团形成的高聚物成分少于小麦粉面团。这表明添加紫薯淀粉可提高面团的黏弹性。Struck 等[17]研究表明面团的不完全水化导致模量值增加，与面筋纤维争夺水分子，这由于吸水率略微增加（使面团稠度达到500 FU 所需的水的百分比），川紫薯4 号淀粉和最小的淀粉颗粒鄂紫薯12 的储能模量和耗能模量比其它添加紫薯淀粉的面团低，可能是阻碍淀粉和面筋的结构联合，导致面团网络弱化的原因[18]，这一结果表明紫薯淀粉面团样品以弹性固体为主，黏性流体不断增加。

随着频率从0.1 增到10 Hz，所有面团的tan δ 开始略有下降，直到频率达到0.5 Hz 后继续上升。在高频率下，面团的面筋网络结构变得脆弱，具有类似液体的性质。面团的tan δ 值较低，表明面团弹性较好，tan δ 值最高的面团是小麦粉面团。

2.6 紫薯淀粉面团水分分布状况

水是面团加工中必不可少的成分，水分分布和面团成分之间的相互作用会影响面制品生产过程中的物理和化学反应，以及产品质量。横向弛豫时间谱图中的不同峰（图6）显示了面团内的水分分布状态差异，水分主要分为弱结合水（SBW），深沉结合水（TBW）和游离水（FW），不同品种淀粉和小麦粉与水的作用力不同。

图6 不同品种紫薯淀粉面团水分分布图Fig.6 Moisture distribution map of different varieties of purple sweet potato starch dough

T21代表淀粉内部的颗粒或与面筋紧密结合的水，T22对应于淀粉颗粒外部或面筋网络内部存在的水，T23代表毛细管中存在的水[19]。紫薯淀粉面团的T21，T22和T23大于小麦粉面团（空白组），表明紫薯淀粉面团中的水流动性高。水分分布状态的变化可能是由于不同品种紫薯淀粉的糊化程度不同所致。横向弛豫时间越长，面团内的水流动性越高，边界越不紧密，横向松弛时间越短，表明水与物质之间的结合越紧密。A21代表淀粉颗粒内部的水或与面筋紧密结合的水，A22对应于淀粉颗粒外部或面筋网络内部存在的水[20]。当淀粉分子处于饱和状态时，淀粉的羟基更易暴露降解，与水形成氢键，这与紫薯淀粉的吸水率有关，可能阻碍水参与二硫键的形成/分离，导致弱结合水（SBW）含量降低，不同的结合强度主要受淀粉降解的影响。9种紫薯淀粉面团水分状态的差异可能是由淀粉特性的不同所致，水分分布状态的差异可能是由不同紫薯淀粉的糊化程度不同所致，水分状态可以预测面团品质的变化。

2.7 不同品种紫薯淀粉结构与其面团的相关性分析

紫薯淀粉结构与其面团特性相关性结果见表5。结晶度与吸水率呈负相关（r=-0.448，P＜0.01）；与稳定时间呈负相关（r=-0.518，P＜0.01）；与弱化度呈负相关（r=-0.532，P＜0.01）；与公差指数呈负相关（r=-0.524，P＜0.01）；与糊化温度呈现负相关（r=-0.322，P＜0.05）；与峰值黏度呈正相关（r=0.611，P＜0.01）；与顶点时间呈正相关（r=0.510，P＜0.01）；与最低黏度呈正相关（r=0.731，P＜0.01）；与最终黏度呈正相关（r=0.745，P＜0.01）；与回生值呈正相关（r=0.752，P＜0.01）。平均粒径与弱化度呈负相关（r=-0.354，P＜0.05）；与顶点时间呈正相关（r=0.659，P＜0.01）；与衰减值呈负相关（r=-0.486，P＜0.01）；与结晶度呈正相关（r=0.451，P＜0.01）。

均平度晶结径粒1.000 1.000 0.451**析分性关相团面其与构结粉淀薯紫5表The correlation coefficient of various qualities of purple sweet potato starches and its dough quality Table 5 终最低最点顶值峰化糊差公定稳成形值生回值减衰宽带度化弱度黏度黏间时度黏度温数指间时间时-1.000 1.000-0.174 1.000 0.310*0.171 1.000 0.341*-0.562**0.213-1.000 0.361*0.983**0.280 0.293 1.000 0.007-0.319*0.075-0.550** 0.487**1.000-0.401**-0.340*-0.423**-0.606**-0.203 0.113-1.000-0.059 0.274 0.626**-0.182-0.649**-0.058-0.128 1.000 0.350*-0.692**-0.495**-0.679**-0.441** 0.882**-0.146 0.145 1.000 0.992**0.276-0.629**-0.474**-0.621**-0.465** 0.916**-0.179 0.159 1.000 0.485**-0.601** 0.789**-0.572** 0.408**0.065-0.012 0.124-0.211 0.036 1.000 0.576**0.987**0.963**0.172-0.544**-0.390**-0.534**-0.541** 0.944**-0.260 0.217 0.752**0.241 0.745**0.731**0.510**0.611**-0.524**-0.322*-0.100-0.518**-0.532**0.131 0.139-0.486**0.171 0.195 0.659**-0.121 0.083-0.280-0.053-0.354*-0.198-0.065率水吸1.000 0.628**0.469**0.444**0.168 0.519**0.027-0.421**-0.072-0.328*-0.358*-0.388**-0.372*-0.448**-0.177间间数度度间度度径率时时度指温黏时黏黏值值度粒标指水吸成形定稳化弱宽带差公化糊值峰点顶低最终最减衰生回晶结均平

3 结论

采用扫描电镜和X-衍射、粒径仪对不同品种紫薯淀粉的颗粒结构、大小分布、晶形、结晶度进行测定，紫薯淀粉颗粒呈圆形和半球形，粒径在43.903～55.842 μm 之间，X-衍射表明绝大多数紫薯淀粉为CA型，结晶度36.76%～54.28%在之间，所有紫薯淀粉颗粒体积分布均呈现三峰分布曲线。不同品种紫薯淀粉加工的面团品质、粉质、糊化、流变特性方面存在一定的差异性，添加紫薯淀粉的模量显著增加。

面团品质特性是评价面粉类加工产品的方法，粉质、糊化、流变特性是面粉的主要粉质特征指标。紫薯淀粉与面团的关系受其结晶度、颗粒大小和形状、粒径分布的影响。淀粉颗粒大小的分布是影响面团特性的决定性因素，较大的淀粉颗粒或较小的淀粉颗粒与面团流变学特性相关。这主要是因为淀粉颗粒在蛋白质-淀粉基质中起填充颗粒的作用，其中形状不规则的细小颗粒可以提高填充度，改善面团形成过程中淀粉与蛋白质之间的相互作用。

紫薯淀粉通过影响面团混合体系中水分运转和网络结构，影响面团的弹性和黏性；紫薯淀粉与面团中其它组分的相互作用，特别是面筋的相互作用影响面筋蛋白的网络结构，粒径越大的淀粉颗粒，对面筋网络存在隔断的作用，弱化了面团网络强度。另外，紫薯淀粉对面筋蛋白等组分的取代和稀释作用也影响面团的形成。