不同品种马铃薯淀粉功能性质的相关性及主成分分析

王 丽, 邓志峰, 汪长钢, 田文静, 王 烁, 李淑荣

(北京农业职业学院食品与生物工程学院1,北京 102442) (沈阳市食品药品检验所2,沈阳 110000)

马铃薯是世界上重要的作物之一,是仅次于小麦、稻谷、玉米的第四大粮食作物,据联合国粮农组织统计资料显示,2021年中国的马铃薯种植面积和产量均占世界的1/4左右,已成为马铃薯生产和消费第一的大国[1]。马铃薯中淀粉质量分数约为70%(干基)以上,其生产量和商品量在所有植物淀粉中居第二位[2]。马铃薯淀粉颗粒大,支链淀粉分子上结合有磷酸基,具有较高的峰值黏度和较好的糊透明度、较低的糊化温度、较强的吸水力等特点,表现出良好的糊化、流变及质构等特性,能有效提高面团的弹性、改善面团的流变性,提高面条的复水性等功能[3]。

世界上推出并种植的马铃薯品种总计3 000余个,其中700个品种仍在栽培[4]。我国黑龙江、山西、内蒙古、甘肃等地也在不断培育更新马铃薯新品种,以适应马铃薯种植业和加工业的需求。王颖等[5]研究表明,不同品种马铃薯淀粉品质特性差异显著,在所研究品种中,淀粉膨胀度的变化范围是10.07%～14.43%;荷兰7号淀粉溶解度的变化范围是15.01%～30.00%;淀粉透明度的变化范围是43.65%～56.88%。马铃薯淀粉的颗粒大小为5～100 μm,淀粉颗粒粒度分布影响淀粉的物理化学性质和功能性质。通常,较大的颗粒组分直链淀粉含量较高,而脂肪、蛋白质和矿物质含量较低结晶度较高,这将直接影响淀粉的透明度、溶解性、膨胀性、质构特性、黏度性能和热性能[6]。马铃薯品质特性众多,各品质指标受生长过程影响显著,为了明确不同品种的品质特性,充分分析不同品种品质特性在加工中的作用,采取统计分析方法可以帮助解决问题。相关性分析可以找到不同指标之间的关系,为后期的进一步分析提供一定的依据;主成分分析法可以对数据进行降维。目前这2个方法在不同样品的品质分析和评价中发挥着非常重要的作用。Quan等[7]、De Mello等[8]采用相关性分析和主成分分析方法分析了马铃薯成分与美拉德反应衍生有害产物之间的关系,马铃薯品种块茎蛋白质组成、不同马铃薯品种的储藏和加工耐性以及冷冻马铃薯储藏过程中温度波动的影响等进行综合评价,发现马铃薯品质特性与储藏、加工特性间具有密切关系,为进一步的加工利用提供了良好的依据。

研究以黑龙江、甘肃、北京3个地区的11个马铃薯品种为原料,测定分析制备得到马铃薯淀粉的水分含量、色泽、直链淀粉含量、透光率、碘蓝值、溶解度、膨胀度、胶稠度、质构特性等,并对这些品种的品质特性进行综合评价,以期为不同品种马铃薯的加工利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料与试剂

马铃薯品种:由黑龙江八一农垦大学垦薯1号、布尔斑克、抗疫白、克新27(黑龙江八一农垦大学)、陇14、LZ111、陇薯9号、陇薯7号、LY08104-12、陇薯8号(甘肃省农科院)及荷兰薯(北京某蔬菜基地)。

直链淀粉标准品、碘化钾、碘、无水乙醇、盐酸、石油醚、氢氧化钾等,均为分析纯。

1.2 仪器与设备

UV-2550紫外分光光度计,WSC-S色差计,CT3质构仪。

1.3 实验方法

1.3.1 马铃薯淀粉的提取方法

参考王丽等[9]的方法。

1.3.2 淀粉提取率的测定:

1.3.3 淀粉水分的测定参考国标方法。

1.3.4 淀粉色泽的测定:

参照Li等[10]的方法稍作改动。

1.3.5 直链淀粉和支链淀粉测定

参考王丽等[11]方法。

1.3.6 胶稠度的测定

参照考国标方法。

1.3.7 马铃薯淀粉膨胀度和溶解度的测定

取50 mL 20 g/L的淀粉乳于35、45、55、65、75、85、95 ℃搅拌30 min 后,于3 000 r/min 离心20 min,上清液烘干至恒质量,得溶解淀粉质量A(g),称取离心管中沉淀物的质量P(g),以m为淀粉干基质量(g)。溶解度(S)和膨胀度(B)的计算公式分别为:

1.3.8 马铃薯淀粉凝沉曲线的测定

10 g/L 的淀粉乳沸水浴煮沸10 min,在30 ℃条件下,每隔2 h记录上层清液体积,绘制清液体积百分比对时间的变化曲线。

1.3.9 透光率的测定

称取0.2 g马铃薯淀粉,在沸水浴中搅拌30 min,冷却至室温,在647 nm波长下测定吸光度(A),计算透光率(T)。

T=10-A×100%

1.3.10 碘蓝值的测定

将淀粉溶液加入碘试剂后在400～ 692 nm条件下进行全波长扫描,取最大吸收峰的波长为最优测定波长,并将不同样品在该波长条件下进行测定吸光度。

1.3.11 淀粉质构特性的测定

参照Mudgil等[12]方法稍作改动。

1.4 数据处理方法

所有样品均测定3次,取其平均值作为最终结果。结果以平均值±标准差(SD)表示。各组数据间的显著性和相关性均采用SPSS软件进行分析,主成分分析采用SAS软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 马铃薯淀粉基本品质特性分析

表1结果表明各马铃薯品种提取得到的淀粉水分质量分数均低于12%,符合我国淀粉类产品国标的保藏要求。不同品种的淀粉提取率有显著差异,其变化范围是60.26%～88.77%,该差异可能与不同品种马铃薯中的粗纤维等基本成分和淀粉的品质特性差异有关[9]。不同品种淀粉色泽的ΔE值差异显著,说明不同品种淀粉样品中残留的色素类物质不同。直链淀粉含量最高的为黑龙江的布尔斑克,含量最低的为克新27号。直链淀粉含量的多少直接影响着淀粉糊的透明度、糊化温度、糊化时间、老化程度、黏度特性,进而影响加工产品的韧性、黏结性、老化特性等产品的品质特性[2]。Zhorina等[13]研究发现直链淀粉含量越高,透明度越低、糊化温度高、回生速度快,膨胀势低。理想的淀粉应该是含有较少的直链淀粉、较低的糊化温度、较高的峰值黏度。对于面制品来说,直链淀粉含量越高,淀粉的糊化吸水能力越低,面团韧性差、黏结性大、易于拉断,面条回生黏度大、光滑性变差、干物质吸水率也较低、蛋白质损失率大。不同加工需求的产品需要的原料特性不同,因此,每个品种适合的加工用途需要进一步研究。

表1 不同品种马铃薯淀粉的基本品质特性

2.2 马铃薯淀粉的胶稠度

GB/T 22294—2008《粮油检验大米胶稠度的测定》中规定,胶稠度反映了米胶冷却后的胶稠程度,与米饭的柔软性有关,是米饭蒸煮品质的主要评价指标之一。胶稠度高,则米胶长,米饭柔软、适口性好,反之较硬,适口性差。同时胶稠度能反映出样品中直链淀粉含量以及支链淀粉和直链淀粉分子的综合利用。王润奇等[14]总结了优质小米应具有的胶稠度标准,据米胶延伸的长短分为小于80 mm的硬胶稠度,80～120 mm的中胶稠度,大于120 mm的软胶稠度。对于淀粉而言,不同胶稠度表征相应产品的软硬程度。从图1中可以看出,马铃薯淀粉的胶稠度随着放置时间的延长,在2 h以内是逐渐增长的,陇14和LZ 111的胶稠度变化较大;在2～18 h基本处于平稳阶段,抗疫白在5 h后有先上升后下降的趋势;18 h后大多数品种的胶稠度有下降趋势。随着储藏时间的延长,淀粉的胶稠度有逐渐缩短的趋势,即淀粉在46 h后有回生趋势。从整体胶稠度可以看出,陇14、陇薯9号、陇薯7号品种的胶稠度相对较高,而陇薯8号和荷兰薯的胶稠度相对较低。本研究中马铃薯淀粉的胶稠度在2 h后,除了陇薯8号和荷兰薯以外,其他品种均大于115 mm。说明本实验的马铃薯品种均属于中软胶稠度的样品。黄洁等[15]研究发现马铃薯淀粉的胶稠度为96.21 mm;孙园园[16]分析了797份稻米资源的胶稠度,其变化范围是22～100 mm。说明不同品种样品间的胶稠度差异显著,因此在制作马铃薯主粮化的馒头、面条时,要考虑胶稠度对产品回生特性的影响。

2.3 马铃薯淀粉的溶解度和膨胀度

2.3.1 不同品种马铃薯的溶解度

淀粉的溶解主要是直链淀粉从膨胀的颗粒中溢出,可以用来评价淀粉链之间的交互作用程度,包括淀粉颗粒的非结晶区和结晶区[17]。图2为不同品种马铃薯淀粉的溶解度数据,不同品种溶解度随着温度升高呈逐渐上升趋势,当温度在65 ℃时,突然显著上升,随着温度的上升逐渐上升,并且在95 ℃时基本上得到稳定趋势。随着温度的升高,达到65 ℃时,部分淀粉发生糊化,溶解度较低,逐渐升高温度,溶解度也在逐步增大,温度达到80 ℃和95 ℃,此时的淀粉发生完全糊化现象,部分双螺旋结构发生解旋,结构变得疏松,致使样品的溶解度变大[18]。黄洁等[15]研究发现马铃薯淀粉在90 ℃条件下的溶解度为58.82%;刘珂[19]报道了马铃薯淀粉的溶解度在65 ℃时为20%,在80 ℃为40%,95 ℃时为60%;王颖等[5]在所研究品种中,荷兰7号淀粉具有最好溶解度为30.00%。本实验研究结果中溶解度相对较小,分析其主要原因可能是本实验中各样品的胶稠度相对较高,导致溶解度测定过程中,马铃薯淀粉与水混合成一体,单独存在的水分较少,故而测定的结果偏低。

图2 马铃薯淀粉的溶解度随温度变化

2.3.2 马铃薯淀粉的膨胀度

马铃薯淀粉的吸水性较好,容易糊化膨胀、其原因是支链淀粉中磷酸基团含量较高,相邻磷酸基团之间斥力减弱了晶域内黏合程度从而增加了水化作用。图3为不同品种马铃薯淀粉膨胀度随时间的变化情况,膨胀度的变化趋势与溶解度的变化趋势相一致,即随着温度的升高,膨胀度逐渐增加,在65 ℃时为一个转折点,与其糊化温度有关系,并且在开始糊化时,直链淀粉和支链淀粉伸展,并吸收大量的水分,使得淀粉膨胀。在95 ℃时淀粉的膨胀度的变化范围是21.17～39.44 g/g。黄洁等[15]研究发现,马铃薯淀粉的膨润力13.06 g/g;刘珂[19]报道马铃薯淀粉的膨胀度在65 ℃时为17 g/g,在80 ℃时为17g/g,在95 ℃时为22 g/g;王颖等[5]研究发现885号马铃薯淀粉膨胀度最高为14.43%。本研究的膨胀度均高于其研究结果,说明本研究中的马铃薯淀粉的膨胀度优于研究报道。颗粒大小和脂质含量的差异是导致膨胀度差异的最主要因素[20]。

图3 马铃薯淀粉膨胀度随温度变化

2.4 马铃薯淀粉的凝沉曲线

淀粉构成中直链淀粉比例越大,上清液占比越大,则其凝沉性越强[21]。不同品种马铃薯淀粉在静置0 h时没有发生沉淀。图4结果显示,随着储藏时间的延长,不同品种马铃薯淀粉的凝沉体积逐渐增加,在2 h时各品种均出现明显的沉降,其中荷兰薯的凝沉体积分数最大,为70.67%,直链淀粉含量最低,陇薯9号的凝沉体积分数最小,为50.67%,直链淀粉含量相对较高。该研究与唐健波等[22]、申瑞玲等[23]研究的红薯(质量分数30%)、荞麦(质量分数60%)、谷子(质量分数55%)淀粉的凝沉曲线变化趋势一致。不同样品中淀粉的沉降比存在显著差异的主要原因可能与直支链淀粉比、淀粉颗粒结构及淀粉分子链长短等有关。

图4 马铃薯淀粉凝沉特性随时间变化

2.5 马铃薯淀粉的透光率

淀粉的透光率反映了淀粉与水互溶的能力及膨胀程度,其大小直接影响淀粉及淀粉产品的外观、用途及可接受性,透光率越大食品的色泽和质地越好,相应的淀粉越不易老化[24]。不同品种淀粉的透光率结果如表2所示。不同品种的透光率差异显著,其中陇薯8号的透光率最好,为68.38%,荷兰薯的透光率最低,为42.05%。淀粉的透光率与直、支链淀粉比例有关,直链淀粉含量越高,透光率越低。淀粉糊化后,其分子重新排列相互缔合的程度是影响淀粉糊透光率的重要因素。杨斌等[25]、李玲伊等[26]研究发现,谷子淀粉的透光率范围是4.4%～22.3%,唐健波等[22]发现红薯淀粉的透光率为2.05%,荞麦淀粉的透光率为0.67%。大多数样品透光率在10%以下,显著低于马铃薯淀粉。而马铃薯淀粉的颗粒大且结构松散,是透光率大的主要原因。

2.6 马铃薯淀粉的碘蓝值

2.6.1 全波长扫描

为了更好的选取马铃薯淀粉碘蓝值的测定波长,将马铃薯淀粉溶液进行400～692 nm的全波长扫描,发现在586 nm条件下的吸光度最大,因此选取该波长为马铃薯淀粉碘蓝值的最优测定波长(如图5所示)。

图5 马铃薯淀粉碘蓝值全光谱扫描图

2.6.2 不同品种淀粉碘蓝值的测定

样品中游离淀粉含量越多,直链淀粉含量越高,细胞的破损程度越大,颜色越深。因此,可以通过碘蓝值间接判断细胞破损的难易程度。碘蓝值越小,说明在加工过程中细胞抵抗外界机械力的能力越强,破损的细胞少,基本上保持了细胞的完整性,因此更能保持原料的天然风味和营养价值。碘蓝值目前已广泛应用于水稻、玉米、小麦等淀粉类食品品质的评价。表2为不同品种马铃薯淀粉的碘蓝值,从结果可以看出,不同品种淀粉碘蓝值差异显著,陇14的碘蓝值最大,为9.97,其直链淀粉质量分数为12.53%,处于含量相对较小的品种,LZ 111的碘蓝值最小,为7.91,其直链淀粉质量分数为14.10%,处于含量相对较大的品种。碘蓝值和直链淀粉含量没有直接的变化趋势,说明可能是由于淀粉的破损程度不同而影响到碘蓝值的差异,具体碘蓝值和直链淀粉含量的关系需要进一步研究。

2.7 马铃薯淀粉的质构特性

表2结果显示,不同品种淀粉质构特性差异显著,其中硬度最大的为LY08104-12,弹性最大的陇14。淀粉糊化后形成具有一定弹性和强度的半透明凝胶,凝胶的黏弹性、强度等特性对凝胶体的加工、成型性能以及淀粉质食品的口感、速食性能等都有较大影响。为了更明确不同品种淀粉质构特性的影响因素,需要将不同品种的品质特性进行进一步的分析。

2.8 马铃薯淀粉品质特性的相关性分析

分析不同品种中各指标的差异情况,同时也分析了不同品质指标的影响因素,但各数据的变化趋势不具有唯一性,各指标之间关系复杂,为了进一步分析不同品质特性之间的相关关系,将马铃薯淀粉品质指标进行相关性分析,结果如表3所示,结果显示马铃薯淀粉品质特性之间存在显著的相关性。如水分含量与淀粉的纯度(r=-0.486 6)和色泽(r=-0.542 8)分别呈显著的负相关性,水分含量与咀嚼性(r=0.663 4)和弹性(r=0.766 1)分别呈显著的正相关。直链淀粉与淀粉纯度(r=0.468 3)、膨胀度(r=0.520 9)、硬度(r=-0.472 1)、咀嚼性(r=-0.449 6)分别呈显著的相关性。胶稠度与咀嚼性,溶解性与透光率、膨胀度与凝沉体积、硬度分别呈显著的相关性。这些指标之间存在显著的相关性,但很难表征不同指标之间的关系,为了进一步分析各指标之间的关系,并能很好地评价不同样品品质特性的综合值,将采用主成分分析进行分析。

表2 不同品种马铃薯淀粉的透光率、碘蓝值和质构特性

表3 马铃薯淀粉品质特性的相关性分析

2.9 马铃薯淀粉品质特性的主成分分析

经过主成分分析(表4),选取特征根>1的主成分即可表征原始数据的信息,实验结果显示前4个主成分的特征根大于1,因此选取前4个主成分作为本实验的数据分析。

表4 主成分的特征值及累计贡献率

由表5、表6可知,将提取的前4个主成分进行载荷值和特征向量分析,给出了主成分载荷矩阵,每一列载荷值都显示了各个变量与有关主成分的相关系数。其系数的大小表征对该主成分影响的大小,数值前面的正负符号表征该指标对该主成分影响的正负值。表5结果显示,第一主成分中的淀粉提取率、直链淀粉含量、胶稠度、膨胀度具有较大的正向影响,凝沉体积、硬度、咀嚼性、弹性具有负向的影响。第二主成分中的水分含量、膨胀度、咀嚼性和弹性具有较大的正向影响,凝沉体积、具有较大的负向影响;第三主成分中的透光率和硬度具有正向的影响;第四主成分中的色泽具有正向的影响。

表5 主成分的载荷值和特征向量

表6 主成分得分

特征向量为各主成分中不同指标的系数,各主成分与马铃薯品质指标之间建立关系模型,通过主成分与各指标之间关系可以计算不同品种的主成分得分,依据不同主成分的贡献率,计算各品种的综合主成分得分(表6)。陇薯9号的综合值排名第一,荷兰薯的综合值最低,通过该评价可以为马铃薯的加工利用提供一定的参考 。

3 结论

研究比较了黑龙江、甘肃、北京3个地区的11个马铃薯品种制备得到淀粉的水分含量、色泽、直链淀粉含量、透光率、碘蓝值、溶解度、膨胀度、胶稠度、质构特性等品质特性。结果显示不同品种各指标差异显著,说明所选品种具有代表性;相关性分析发现不同品种各品质指标间存在显著的相关性,说明各品质指标具有内在的相互关系,同时也说明淀粉的品质特性与功能特性之间存在密切关系;主成分分析法进一步分析不同品种马铃薯淀粉品质的综合特征,主成分分析前4个主成分的特征根大于1,可以解释原有数据的信息,综合主成分得分发现陇薯9号的综合值排名第一,荷兰薯的综合值最低,说明陇薯9号的综合功能特性最好,而荷兰薯的综合功能特性最差。