不同品种马铃薯雪花全粉品质特性与分子结构表征

田 鑫,夏 冬,戴理民,成 芳

(浙江大学生物系统工程与食品科学学院,浙江杭州 310058)



不同品种马铃薯雪花全粉品质特性与分子结构表征

田 鑫,夏 冬,戴理民,成 芳*

(浙江大学生物系统工程与食品科学学院,浙江杭州 310058)

本文利用扫描电子显微镜、理化分析方法、红外及二维相关光谱技术对4个品种马铃薯雪花全粉的微观结构、理化品质以及分子结构进行表征,为有效筛选马铃薯雪花全粉加工专用品种提供参考。结果表明:由于生产加工过程中采用真空干燥再粉碎的方法使得4个品种马铃薯雪花全粉中的淀粉颗粒结构均被不同程度的破坏,4个品种马铃薯雪花全粉的碘蓝值、溶解度、膨胀度、冻融稳定性及老化特性差异显著(p<0.05),4个品种马铃薯雪花全粉原始光谱的吸收峰非常相似,对原始光谱1500～700 cm-1波段进行二阶导数处理后,4个品种马铃薯雪花全粉在波数1200、1300、1330 cm-1处的二阶导数光谱存在明显差异,基于二维同步相关光谱可知依据1650 cm-1处自动峰的有无以及强弱,可对4个品种马铃薯雪花全粉进行鉴别。

品种,马铃薯雪花全粉,品质特性,分子结构

马铃薯全粉是以新鲜马铃薯为原料,经挑选、清洗、去皮、切片、漂洗、预煮、冷却、蒸煮、捣泥、脱水干燥等工艺过程制得的片状、细颗粒状或粉末状产品[1]。根据加工工艺不同可分为马铃薯雪花全粉和马铃薯颗粒全粉,马铃薯颗粒全粉口感风味更佳,但是加工生产的设备价格高昂,成本较高。因此目前我国企业多生产马铃薯雪花全粉,颗粒全粉的生产极为少见[2]。基于马铃薯高产、马铃薯雪花全粉营养全面且易贮藏的特点[3],我国于2015年初启动马铃薯主粮化战略,将马铃薯雪花全粉制成馒头、面条等适合中国人饮食习惯的主食,这将大大改善和丰富我国居民的膳食营养结构,满足人体对营养配比的需要[4]。由于不是所有马铃薯都适宜加工成全粉,就马铃薯雪花全粉加工而言,须选用芽眼浅、薯形好、薯肉色白、还原糖含量低和龙葵素含量少的马铃薯品种[5],生产出来的马铃薯雪花全粉也要符合马铃薯雪花全粉的行业标准。在马铃薯主粮化大背景下,目前关于马铃薯雪花全粉的研究主要集中在马铃薯雪花全粉专用品种的培育、马铃薯主粮化产品的开发和工艺优化方面,Olatunde等[6]研究了马铃薯品种、加工预处理方式以及干燥方法对马铃薯雪花全粉品质特性的影响,得出品种是影响马铃薯雪花全粉特性的主要因素。Elena等人[7]在面包中添加马铃薯雪花全粉,发现马铃薯雪花全粉中的膳食纤维可降低面包中水分的水分活度和水分含量,从而达到防止面包老化延长保质期的目的。Adeyeye等人[8]研究了玉米粉和马铃薯雪花全粉混合后(90∶10,80∶20,70∶30,60∶40,50∶50,0∶100)制成饼干的品质特性和感官特性,结果表明:随着马铃薯雪花全粉的增加,饼干的品质特性以及颜色、质地、口感等感官特性均发生了显著变化。

红外光谱技术作为一种分子结构表征手段,具有快速方便,重复性好,灵敏度高,样品用量少等突出特点[9-11]。二维相关光谱技术是将原本在一维空间的光谱拓展到二维空间,以达到增强光谱分辨率的效果。二维相关光谱技术结合红外光谱技术后,就可通过测定分子内各基团相应微扰所导致红外振动光谱的影响,运用数学相关分析技术对获得的动态光谱进行处理得到二维相关红外谱图,利用更高分辨率的二维谱图上自动峰及相关峰峰簇的位置、数量和强度等的不同,不仅能鉴别出各谱峰的具体归属,还可提供各物质分子之间微观变化的信息,进而获得分子结构变化的信息[12]。本文利用扫描电镜对马铃薯雪花全粉的微观结构进行观察,利用红外光谱技术对马铃薯雪花全粉的分子结构进行研究,并结合二维相关红外光谱技术对其进行鉴别,旨在为马铃薯雪花全粉加工专用品种的筛选、马铃薯雪花全粉营养和功效的有效评价以及优化完善马铃薯主粮制作加工过程提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

马铃薯 分别为大西洋、夏波蒂、冀张薯8号、克新,均采收自河北坝上张北县。

XL30-ESEM型环境扫描电镜 Philips公司;Evolution220型紫外分光光度计、Nanopure超纯水器、D-37520型冷冻台式离心机、iN10型傅里叶变换显微红外光谱仪 Thermo Fisher公司;PL203型电子天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器 巩义市英裕高科仪器厂;DHG-9140A型电热鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司;BCD-217CFA型双温双箱蝶形门卧式冷柜 澳柯玛股份有限公司;RTK200-22下沉嵌套式MIR热台 霍兹仪器技术上海有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 马铃薯基本成分测定 水分按照GB/T5009.3-2010《食品中水分的测定》中的直接干燥法进行测定;灰分按照GB 5009.4-2010《食品中灰分的测定》;蛋白质按照GB/T5009.5-2010《食品中蛋白质的测定》中凯氏定氮法进行测定;淀粉按照酸水解-DNS法[13];还原糖按照GB/T5009.7-2008《食品中还原糖的测定》。

1.2.2 马铃薯雪花全粉的制备 具体加工工艺如下:新鲜马铃薯→清洗去皮→切片→预煮→冷却→蒸煮→捣碎制泥→真空干燥粉碎过筛→密封包装

加工过程中关键控制点[14-16]:

选择无发芽、发绿、破损腐烂现象的新鲜马铃薯,采收后于4 ℃保温箱内保存;马铃薯切片厚度控制在8 mm左右,利于熟化同时防止游离淀粉率过高;预煮温度为70 ℃,时间为20 min,防止马铃薯切片褐变同时有利于后续熟化;蒸煮温度为100 ℃,时间为15 min;将熟化的马铃薯泥放入真空干燥箱内干燥,干燥温度为65 ℃,时间为12 h,充分干燥有利于马铃薯泥成粉;粉碎机粉碎后过100目筛网进行筛分,取筛下物;将制好的样品用密封袋进行分类包装,然后置于干燥器中备用。

1.2.3 扫描电子显微镜观察 取少量制备好的马铃薯雪花全粉,用双面胶将其固定在扫描电子显微镜专用载物台上,然后进行120 s喷金处理,电子枪加速电压为10 kv,后将载物台取出放入扫描电子显微镜中观察其微观结构并拍照。每个样品重复拍照3次,选取较为清晰的代表性照片进行分析。

1.2.4 碘蓝值的测定 碘蓝值的测定参照马铃薯雪花全粉行业标准[17]SB/T 10752-2012,计算公式为

X=E×542+5

式(1)

式(1)中E为样品的吸光值,X为碘蓝值。每个品种马铃薯雪花全粉的碘蓝值测定重复3 次,取平均值作为该品种全粉最后的碘蓝值。

1.2.5 溶解度与膨胀度的测定 溶解度与膨胀度的测定参照Crosbie G B等[18]人的方法,溶解度的计算公式为

S(%)=A/W×100

式(2)

膨胀度的计算公式为

B(%)=P/W(100-S)×100

式(3)

式(2),式(3)中S为样品的溶解度,%;B为样品的膨胀度,%;A为干燥后上清液的质量,g;P为离心管中膨胀样品的质量,g;W为样品的质量,g。每个品种马铃薯雪花全粉重复测定3 次,取平均值作为该品种全粉最后的溶解度及膨胀度。

1.2.6 冻融稳定性测定 冻融稳定性的测定参照黄岩等[19]的方法,通过计算样品的析水率以说明样品的冻融稳定性,析水率的计算公式为

I=(m1-m2)/m1

式(4)

式(4)中I为样品的析水率,%;m1为样品糊的质量,g;m2为去掉上清液后沉淀物的质量,g。每个品种马铃薯雪花全粉重复测定3 次,取平均值作为该品种全粉最后的析水率。

1.2.7 老化特性测定

1.2.7.1 不同老化时间透光率测定 称取0.1 g制备好的全粉样品于离心管中,加入10 mL蒸馏水配成1%的溶液,然后于95 ℃水浴锅中加热20 min,冷却至室温后取上清液于波长620 nm处测定吸光值,同时以蒸馏水做空白。然后分别记录待测全粉样品的上清液在第0、1、3、5、7 d的吸光度。待测样品密封存放在保温箱内,保温箱温度为20 ℃,湿度为65%。

1.2.7.2 不同老化时间凝沉性测定 称取0.1 g制备好的全粉样品于离心管中,加入10 mL蒸馏水配成1%的溶液,然后于95 ℃水浴锅中加热15 min,冷却至室温后静置,每隔2 h记录上清液体积,记录12 h。待测样品存放方式同上。

1.2.7.3 不同老化时间碘蓝值测定 方法同1.2.3,然后分别记录待测全粉样品在第0、1、3、5、7 d的碘蓝值。待测样品存放方式同上。

表1 不同品种马铃薯雪花全粉品质指标Table 1 Quality characteristics of different varieties of potato flakes

注:数据采用“平均值±标准偏差”表示;同列标有不同小写字母表示组间差异显著(p<0.05);标有相同小写字母表示组间差异不显著(p>0.05)。1.2.8 红外光谱采集 采用Thermo Fisher公司的Nicolet iN10型傅里叶变换显微红外光谱仪对制备好的全粉样品进行光谱数据的采集,选择检测灵敏度高的MCT检测器以及可拆卸式显微衰减全反射(ATR)检测附件。光谱采集范围为400～4000 cm-1,扫描次数16次,光谱分辨率8 cm-1,空白对照光谱为空气的红外光谱,扫描时自动扣除H2O的干扰。每个品种全粉样品重复采集三次。

1.2.9 用于二维相关分析的红外光谱采集 将制备好的全粉样品放在变温附件上,以2 ℃·min-1的升温速度对其进行加热,从35～95 ℃每隔10 ℃采集一次红外光谱,实验所获得的动态谱图,按照Noda提出的广义二维红外相关光谱原理,采用日本Kwansei Gakuin大学设计的2Dshige二维相关分析软件,对系列动态红外光谱进行分析获得二维相关红外谱图。

1.3 数据统计分析

采用EXCEL及SPSS 22.0软件对样品理化指标进行统计分析及显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同品种马铃薯的基本成分

大西洋的水分含量为73.20%、灰分1.19%、蛋白质2.02%、淀粉21.37%、还原糖0.13%;夏波蒂的水分含量为77.12%、灰分1.07%、蛋白质1.75%、淀粉19.37%,还原糖0.32%;冀张薯8号的水分含量81.09%、灰分1.15%、蛋白质2.06%、淀粉14.81%、还原糖0.57%;克新的水分含量78.65%、灰分1.12%、蛋白质1.34%、淀粉18.08%、还原糖0.78%。

2.2 不同品种马铃薯雪花全粉微观结构观察

图1a～图1d分别为大西洋、夏波蒂、冀张薯8号和克新的扫描电镜图。由图可知,由于马铃薯雪花全粉在生产加工过程中是采用真空干燥再粉碎的方法,使得4个品种马铃薯雪花全粉中的淀粉颗粒结构均遭到不同程度的破坏,其中大西洋(图1a)和克新(图1d)制成的马铃薯雪花全粉损伤严重且呈褶皱状,这无形中增大了其比表面积,提高了表面利用率,有利于其溶解。夏波蒂(图1b)制成的马铃薯雪花全粉,其整体较为完整,表面只有轻微的刻痕及凹槽,不利于水分的渗透进入,溶解性较差。冀张薯8号(图1c)整体也较为完整,但是表面除了有刻痕及凹槽外,还出现了孔洞,同时其颗粒较小,因此溶解速度较大西洋和克新应更好。总体而言,在相同加工工艺条件下样品抵抗外界机械力的能力越强,越不易溶解。

图1 不同品种马铃薯雪花全粉扫描电子显微镜图(×600)Fig.1 Scanning electron microscope images of different varieties of potato flakes(×600)注：(a):大西洋,(b):夏波蒂,(c):冀张薯8号,(d):克新。

2.3 不同品种马铃薯雪花全粉品质特性分析

碘蓝值是用来表示马铃薯全粉细胞被破坏后释放出游离淀粉的程度,而游离淀粉的多少则是衡量马铃薯全粉质量的一项重要指标[20]。从表1中可以看到冀张薯8号碘蓝值最高,说明相较于其他品种的马铃薯其在同等加工条件下细胞更易破损;克新的碘蓝值最低,说明其细胞抵抗外界机械力的能力较强。溶解度反映了样品的水溶能力,是衡量样品在水中溶解性大小的尺度[21];膨胀度则是反映了样品的水合能力,可用来说明样品分子内部化学键的强度[22]。冀张薯8号的溶解度及膨胀度均较高,表明在相同的加工过程中其更易糊化。样品经过低温冷冻再解冻后保持其原来组织结构的程度即为冻融稳定性,解冻后的样品的析水率反映了样品耐受冷冻、融解等剧烈物理变化的能力[23]。冀张薯8号相较于其他品种的马铃薯雪花全粉而言,其抗冻融效果更好,更适合做速冻食品的原料比如速冻马铃薯泥。大西洋、夏波蒂以及克新则更适宜加工成马铃薯雪花全粉。

从图2中可以看到,随着时间的延长马铃薯雪花全粉在最初的24 h由于糊化冷却后的凝沉作用,使得其透光率略微增加,紧接着透光率又随时间的增加而下降,这主要是因为马铃薯雪花全粉中的淀粉在放置过程中发生老化,淀粉分子重新排列、直链淀粉重新缔合,形成的结晶影响了透明度[24],之后透光率仍呈下降趋势但速度减缓,这是因为体系中直连与支链淀粉大部分已参与老化作用的进行,从而使得老化速度减慢并逐渐趋于饱和。

图2 不同品种马铃薯雪花全粉透光率Fig.2 Light transmittance of different varieties of potato flakes

马铃薯雪花全粉属于淀粉质食品,凝沉性则直接关系淀粉质食品的储藏期、外观、口感、色泽和营养等[25-27]。从图3中可以看到随着时间的增加所有样品的凝沉性均呈增强趋势,一方面可能与马铃薯全粉中蛋白质、脂肪等大分子物质和淀粉竞争结合水有关,使得体系中自由水比例降低,影响淀粉分子在水溶液中的分散,淀粉分子聚集机会增加[28];另一方面马铃薯全粉中存在的其他物质也起到了一定的稀释作用,破坏了淀粉分子之间形成稳定的网络结构,使样品中上清液的体积分数增加,即凝沉增强。

图3 不同品种马铃薯雪花全粉凝沉性Fig.3 Retrogradation of different varieties of potato flakes

不同品种马铃薯雪花全粉的碘蓝值测定结果如图4所示。从图4中可以看到,不论哪个品种马铃薯雪花全粉其在存放过程中碘蓝值均降低,这可能是由于存放过程中淀粉颗粒中的直链淀粉分子刚性增强,不能较好地与碘分子形成复合物。

图4 不同品种马铃薯雪花全粉碘蓝值Fig.4 Iodine blue value of different varieties of potato flakes

利用SPSS软件对4个品种马铃薯雪花全粉的品质指标进行主成分分析。前三个主成分的贡献率达到89.68%,对第一主分量贡献最大的是膨胀度,负荷量为0.933;对第二主分量贡献最大的是碘蓝值,负荷量为0.968;对第三主分量贡献最大的是冻融稳定性,负荷量为0. 846。基于此就可以用膨胀度、碘蓝值和冻融稳定性这3个指标来对马铃薯全粉的品质特性进行评价。4个品种马铃薯雪花全粉的前两个主成分得分图如图5所示,可以看到4个品种马铃薯雪花全粉的3个样品聚集在一起,不同品种马铃薯全粉样品之间无重叠,不同品种马铃薯雪花全粉品质差异明显(p<0.05)。

图5 不同品种马铃薯全粉前两个主成分得分图Fig.5 Scores of the first two PCs of different varieties potato flakes

2.4 不同品种马铃薯雪花全粉原始红外光谱分析

图6 不同品种马铃薯雪花全粉全波段平均光谱图Fig.6 Average MIR spectra of different varieties of potato flakes

图7 不同品种马铃薯雪花全粉1500～700 cm-1波段二阶导数光谱图Fig.7 Average MIR spectra of different varieties of potato flakes after second derivative transformation between 1500 cm-1 and 700 cm-1注：a:大西洋,b:夏波蒂,c:冀张薯8号,d:克新，图8同。

不同品种马铃薯雪花全粉的全波段平均光谱如图6所示。从图6中可以看出,在3400 cm-1附近出现了一个极强且宽的吸收峰,这反映的是薯类中羟基(O-H)的伸缩振动;3000～2848 cm-1范围内是甲基、亚甲基的伸缩振动区,在2930 cm-1附近出现的一个中等强度的吸收峰,归属为CH2反对称伸缩振动;2365 cm-1为CO2的背景,扣除即可;1740 cm-1左右的吸收峰很可能是由果胶中醛酮类化合物中的羰基(C=O)基团吸收所致;1642 cm-1附近的吸收峰为淀粉中吸附水中无定型区域的吸收;1500～1200 cm-1是蛋白质和多糖的混合振动吸收区;1440～1317 cm-1附近的为甲基和亚甲基对称弯曲振动及CH3剪式振动吸收;1400 cm-1附近的吸收峰归属为C-H剪式振动吸收,1153～950 cm-1是多糖的混合振动区,1150 cm-1附近的谱峰归属为淀粉中C-O和C-C键的伸缩振动;1024 cm-1左右的吸收峰归属为淀粉中C-O伸缩振动及C-OH键的弯曲振动;930 cm-1附近的吸收峰为淀粉的非对称环模式(α-1,4糖苷键(C-O-C))的骨架振动;570 cm-1附近的谱峰归属为淀粉的骨架模式振动[29]。

由于马铃薯雪花全粉属于混合物,所得到的红外光谱图是多种成分吸收光谱的叠加,从原始光谱上很难将这几种马铃薯雪花全粉区分开来,而在1500～700 cm-1这一波段范围内几种马铃薯雪花全粉的峰位置及峰强度则明显不同,因此我们又对1500～700 cm-1波段范围内的原始光谱数据进行二阶导数处理,从而提高光谱分辨率,突出谱图特征,分辨谱图中重叠峰。

2.5 不同品种马铃薯雪花全粉二阶导数光谱分析

图7为不同品种马铃薯雪花全粉在1500～700 cm-1波段的二阶导数光谱图,可以发现几个品种的马铃薯雪花全粉均在1513、1461、1240、1136、1068、983、933、857 cm-1处出现中等强度的吸收峰,这表明马铃薯雪花全粉具有α糖苷键、α-型葡聚糖、吡喃糖α-异构体等结构,并且马铃薯雪花全粉的光谱吸收峰主要由大量的碳水化合物振动吸收组成,而且多数的吸收峰是由淀粉贡献的[30]。其中1455 cm-1附近的吸收峰是CH2弯曲振动,1240 cm-1附近的吸收峰归属为羟甲基CH2OH,990 cm-1附近的吸收峰主要是由于C-OH的弯曲振动引起的,对应于淀粉大分子的羟基间所形成的氢键结构,930 cm-1附近吸收峰归属为淀粉的非对称环模式(α-1,4 糖苷键(C-O-C))的骨架振动,861 cm-1附近吸收峰归属为CH2摇摆吸收峰,而在1200、1300、1330 cm-1附近几个马铃薯雪花全粉的吸收峰则不尽相同。

2.6 不同品种马铃薯雪花全粉二维相关红外光谱分析

周志琴等[31]利用近红外光谱结合二维相关分析技术对不同种类的食用植物油进行了鉴别。罗雪宁等[32]利用二维相关红外光谱技术对不同冷藏温度的南疆骏枣品质进行分析研究,获得了南疆骏枣的最佳冷藏温度为0 ℃。吕程序等[33]利用二维相关近红外光谱法对鱼粉和豆粕饲料原料进行了快速判别。

本文以温度作为外扰条件,利用二维相关红外光谱法研究热扰动下不同品种马铃薯全粉的。图8是在温度外扰(35,45,55,65,75,85,95 ℃)作用下,4个品种马铃薯雪花全粉在1800～700 cm-1波段范围内的二维同步相关光谱图。可以看到4个品种马铃薯雪花全粉在1022 cm-1和1045 cm-1处均出现非常强的自动峰,表明其糊化程度高;同时4个品种马铃薯全粉均在(1153,1641 cm-1)和(1641,1153 cm-1)处出现负的交叉峰,这表明在外界加热作用下C-C键和C-O-O键之间发生了相互作用且运动方向相反。此外,4个品种马铃薯雪花全粉的二维同步相关光谱在1650 cm-1处存在明显差异,可就此对4个品种马铃薯雪花全粉进行判别。

图8 不同品种马铃薯全粉在1800～700 cm-1波段二维同步相关光谱Fig.8 Two dimensional infrared correlation spectroscopy of different varieties of potato flakes between 1800 cm-1 and 700 cm-1

3 结论

4个品种马铃薯雪花全粉中冀张薯8号在溶解度、膨胀度以及冻融稳定性三个方面的表现更优,克新相较于其他品种马铃薯抗老化能力更强。结合主成分分析表明,利用膨胀度、碘蓝值以及冻融稳定性就可对马铃薯雪花全粉的品质进行评价。4个品种马铃薯雪花全粉在1200、1300、1330 cm-1处的二阶导数光谱存在明显差异,对4个品种马铃薯雪花全粉施加温度外扰后结合二维相关光谱方法进行分析,发现可通过1650 cm-1处自动峰的有无以及强度不同,实现对不同品种马铃薯雪花全粉的鉴别。

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Research on quality characteristics and molecular structurecharacterization of different varieties of potato flakes

TIAN Xin,XIA Dong,DAI Li-min,CHENG Fang*

(Zhejiang University,College of Biosystems Engineering and Food Science,Hangzhou 310058,China)

The microstructure,physicochemical quality and molecular structure of four varieties of potato flakes were studied by scanning electron microscopy,physicochemical analysis and two-dimensional correlation spectroscopy aiming to screening special potato cultivars for processing. The results showed that the starch granule structure of four varieties of potato flakes were destroyed in different degrees owing to the production process of drying and crushing. The iodine blue value,solubility,swelling,freeze-thaw stability and retrogradation of four varieties of potato flakes were significantly different(p<0.05). The infrared spectra of four varieties of potato flakes were similar on the whole. So the infrared spectra in the range of 1500～700 cm-1were selected to perform second derivative infrared spectroscopy. The obvious differences in positions,shapes and absorption intensities of peaks of second derivative infrared spectroscopy were observed in the wave number of 1200,1300,1330 cm-1.Two dimensional synchronous correlation spectra showed that the intensity of automatic peak at 1650 cm-1were obviously different,this could be used for the identification of four varieties of potato flakes.

variety;potato flakes;quality characteristics;molecular structure

2017-01-16

田鑫(1991-)，女，硕士，研究方向:农产品加工与无损检测，E-mail：tianxin1569@163.com。

*通讯作者:成芳(1969-)，女，博士，教授，研究方向：农产品加工与无损检测，E-mail：fcheng@zju.edu.cn。

国家自然科学基金资助项目(61573309)。

TS255.1

A

1002-0306(2017)13-0007-07

10.13386/j.issn1002-0306.2017.13.002