马铃薯生全粉无硫护色及其流变特性研究

葛斌权 李 娟 陈正行 王 莉 王 韧 罗小虎

(食品科学与技术国家重点实验室; 粮食发酵工艺与技术国家工程实验室; 江南大学，无锡 214122)

酶促褐变是马铃薯加工过程中易出现的问题，在加工过程中马铃薯细胞的破碎使得体内多酚氧化酶(polypheoloxidase ,PPO)与多酚类底物接触，生成醌类物质，再聚合生成黑褐色物质[1]。亚硫酸、亚硫酸氢钠等护色剂因其有较好的护色效果广泛应用到马铃薯加工中[2]，但有研究证明亚硫酸盐不利于人体健康[3]，因此研究一种新型马铃薯无硫护色工艺迫在眉睫。何继文等[4]采用0.3%(m/m)柠檬酸和0.1%(m/m)抗坏血酸对甘薯护色处理30 min，所制得甘薯全粉亮度值L*可达90.58。冯卫敏等[5]以半胱氨酸、柠檬酸和抗坏血酸复配后，有效抑制了鲜切紫薯的褐变。

目前市场上的马铃薯全粉有颗粒粉和雪花粉等，广泛应用在马铃薯泥、复合马铃薯片、膨化食品等产品中[6]。但因其是通过传统加热工艺制得，较高的淀粉糊化度不利于其在面条、馒头等中式主食中的应用。本研究旨在生产开发一种淀粉糊化度低的新型无硫马铃薯生全粉。有研究表明，生全粉中淀粉的破坏程度较小，证明其再加工性能较好，且对于一些需要蒸煮或冷冻的食品如面条、速冻食品等，生全粉的适用性更高，更有利于马铃薯的加工应用[7]。因此本研究联合一种新型无硫护色工艺与闪蒸技术制备低糊化度无硫马铃薯生全粉，旨在为推进马铃薯主食化提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大西洋马铃薯：河北张家口亿沐农业科技有限公司；马铃薯熟全粉：黑龙江北大荒马铃薯集团有限公司，糊化度为95.41%；马铃薯生全粉，实验室自制，糊化度为9.21%；柠檬酸、抗坏血酸、半胱氨酸、H2SO3、NaH2PO3、K2HPO3、邻苯二酚等均为分析纯：上海国药集团。

1.2 仪器与设备

RM-TD 301型马铃薯去皮机：广东佛山市顺德区韩泰电器有限公司；DJ-300型马铃薯切分机：河北邢台市鼎佳机械制造厂；高温热风流化床：湖南富马科食品工程技术有限公司；涡流闪蒸干燥机：浙江瑞安市善源机械有限公司；JP-450型多功能粉碎机：浙江永康市久品电器有限公司；Avanti J-26XP型高效离心机：美国贝克曼库尔特有限公司；WFZ UV-2000型紫外可见光分光光度计：上海尤尼柯仪器有限公司；UltraScan Pro-1166高精度分光测色仪：美国Hunterlab公司；Mixolab混合实验仪：法国肖邦仪器公司；DHR-3流变仪：美国沃特世公司。

1.3 试验方法

1.3.1 马铃薯生全粉加工工艺

参考沈存宽等[8]的方法并进行改进。选取外观良好、未发芽、未腐烂的马铃薯，洗净后放入去皮机中去皮，然后用切分机中将马铃薯加工成约5 mm×5 mm×5 mm的小粒，将小粒转移到护色液中分别浸泡10、20、30、40、50 min，护色液选取柠檬酸(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，m/m)、抗坏血酸(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，m/m)和半胱氨酸(0.05%、0.1%、0.15%，m/m)，进行单因素和正交试验。

护色后沥干，经过气流流化床进行预干燥，干燥温度设定65 ℃，干燥时间为30 min。再将原料通过涡流闪蒸干燥机进行二级干燥，设定干燥温度为130 ℃，处理时间为5 min。干燥后粉碎过80目筛，得马铃薯生全粉。

1.3.2 单一护色剂对马铃薯护色实验

新鲜马铃薯去皮切丁后，分别在柠檬酸(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，m/m)、抗坏血酸(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，m/m)和半胱氨酸(0.05%、0.1%、0.15%，m/m)溶液中，室温25 ℃下分别浸泡10，20，30，40，50 min，并制备马铃薯生全粉，以L*值为考察指标，评价护色效果。

1.3.3 马铃薯生全粉色差测定

色差测量参考何伟忠等[9]的方法。利用高精度分光测色仪对马铃薯生全粉样品进行色差分析。仪器经黑白板校准后，测定样品L*，每个样品平行测定8次后取平均值。

1.3.4 马铃薯PPO提取与抑制率测定

1.3.4.1 PPO提取

PPO提取参考张洪等[10]的方法，精确称取100 g马铃薯样品，置于组织粉碎机中，加入100 mL 0.05 mol/L磷酸缓冲液(预先冷却到4 ℃，pH 6.8)，粉碎2 min，用8层纱布过滤，所得滤液于4 ℃下8 000r/min冷冻离心10 min，取上清液(粗酶液)于4 ℃保存备用。

1.3.4.2 PPO抑制率测定

PPO抑制率测定参考李鑫熠等[11]的方法，移取1 mL马铃薯粗酶液于试管中，加入10 mL 0.1 mol/L邻苯二酚溶液，混合均匀后置于30 ℃水浴下反应25 min，所得混合物在400 nm下测定吸光值A。多酚氧化酶的抑制率(P)按公式计算：

式中：P为抑制率/%；A0为未加护色剂的样品吸光度；A1为加护色剂的样品吸光度。

1.3.5 马铃薯生全粉复合护色剂正交试验

根据1.3.2试验结果，以护色时间(A)、柠檬酸用量(B)、半胱氨酸用量(C)为研究对象进行正交优化试验。以马铃薯全粉亮度值L*和PPO抑制率为评价指标，优化出最佳复合护色工艺。

1.3.6 Mixolab混合实验仪对马铃薯全粉的测定

检测参考ISO 17718: 2013《揉混和加热条件下测定全麦粉和面粉的流变学特性》Chopin+标准测试法[12]，和面转速为80 r/min，目标扭矩为1.1 Nm，粉团重量(粉和水)总质量75 g。标准测试的温度控制分为3个过程：1)30 ℃恒温保持8 min；2)加温阶段，以4 ℃ /min速度升温到90 ℃并保持高温7 min；3)降温阶段，以4 ℃ /min速度降温到50 ℃并保持5 min，整个过程共45 min。

1.3.7 马铃薯全粉流变特性测定

1.3.7.1 样品制备

分别准确称取0.5 g马铃薯生全粉和熟全粉于样品瓶中，加入10 mL去离子水，600 r/min搅拌20 min，调成质量浓度5%的淀粉悬浮液。

1.3.7.2 动态流变特性测定

采用平板—平板测量系统，平板直径为40 mm，平板间距1 mm，刮去平板外多余样品，加上盖板，并加入硅油以防止水分蒸发。设定温度25 ℃，扫描应变值为1%，测定样品在振荡频率0.1～10 Hz内储能模量G′、损耗模量G″和损耗正切值tan δ随角频率变化的情况。

1.4 统计分析

采用SPSS 20.0软件对数据进行单因素ANOVA方差分析，检验比较组间差异性，显著性水平为P=0.05。

2 结果与分析

2.1 单一护色剂对马铃薯生全粉色泽的影响

L*值是反映鲜切果蔬褐变程度重要参数，L*代表明度，L*=0表示黑色，L*=100表示白色[13-14]。由图1a可得，随着护色时间延长和柠檬酸浓度增加，生全粉亮度值L*呈现上升的趋势。护色30 min后，L*值变化不明显，证明酶促褐变已被较好的抑制。在0.4%(m/m)柠檬酸溶液中护色30 min，生全粉L*值为90.11，而0.5%(m/m)柠檬酸溶液浸泡后L*值为90.59，L*值没有明显变化，说明马铃薯中大部分多酚氧化酶已失活，该结果与刘婷婷等[15]的研究结果一致，因柠檬酸的3个羧基能螯合多酚氧化酶的铜辅基，且柠檬酸可降低体系pH值，破坏马铃薯多酚氧化酶结构[16]。

图1b表明生全粉L*值与护色时间呈正相关，0.1%(m/m)抗坏血酸溶液护色10 min后，生全粉L*值为79.16，而护色50 min后，L*值达82.43。因抗坏血酸不仅可通过降低pH和介质中氧含量以抑制马铃薯中多酚氧化酶和过氧化物酶酶活，同时其还原性可将邻二醌还原成邻二酸以抑制多酚物质的氧化。马文锦等[17]研究发现0.05%(m/m)抗坏血酸对茭白有一定的护色效果。而0.2%(m/m)抗坏血酸溶液护色30 min，L*值达84.24，质量浓度升至0.5%时L*值仅为85.26。可见浓度增加对抗坏血酸护色效果增加不明显，同时护色效果均不如柠檬酸。因抗坏血酸稳定性较差，易受温度、pH、光照、氧气以及一些离子影响，从而发生非酶褐变，生成大分子褐色物质，降低食品品质[18]。

图1 不同护色时间下柠檬酸(a)、抗坏血酸(b)和半胱氨酸(c)不同用量对马铃薯生全粉亮度L*值的影响

如图1c所示，0.05%(m/m)半胱氨酸溶液护色10 min，马铃薯生全粉L*值为87.8，说明半胱氨酸可有效抑制马铃薯酶促褐变。半胱氨酸即使以较低浓度和较短护色时间，对马铃薯仍有较好护色效果，因其与醌类物质结合生成一种稳定无色化合物，能有效抑制多酚氧化酶活力，从而降低褐变程度[19]。同时0.1%(m/m)半胱氨酸溶液对马铃薯护色10 min，所制粉L*值为88.86，而0.1%(m/m)半胱氨酸溶液护色30 min，L*值可达90.90，说明半胱氨酸的护色效果随护色时间延长和质量浓度增加显著提高，但当半胱氨酸质量浓度≥0.2%时，会产生刺鼻气味，严重影响食品品质。

2.2 护色条件正交优化

由2.1实验结果可得，单一护色剂的护色效果为：半胱氨酸>柠檬酸>抗坏血酸。虽然半胱氨酸溶液护色效果显著，但较高浓度(≥2%)使全粉有明显的不良风味，且提高生产成本。同时单一柠檬酸护色时低浓度下护色效果并不明显。此外，抗坏血酸具有一定的护色效果，但因其较差稳定性和易发生的非酶褐变，并不适用于生全粉加工工艺。综合考虑护色效果和生产成本，本文选择柠檬酸和半胱氨酸为护色剂，以马铃薯生全粉的亮度值L*、PPO抑制率为评价指标，以柠檬酸、半胱氨酸的质量浓度和护色时间为因素，设计正交实验，以选择最佳护色效果。

正交实验的因素水平如表1所示，实验方案和结果分析如表2～表4所示。

从表2和表3中可知，因不同因素对PPO抑制率和亮度值L*的影响程度不同，以PPO抑制率为考察指标的最优方案是A3B2C3，而以亮度值L*为指标的最优方案是A3B3C3。因此需对正交试验结果进行方差分析，结果见表4。

由表4可得，因素A和B对PPO抑制率和亮度值L*的影响不显著，A3在表3中2个最优方案皆为最优水平，故选A3，而考虑到亮度值L*是判断马铃薯全粉品质的最主要指标，故在B2和B3中选取B3。此外，因素C是最主要的因素，对PPO抑制率呈显著影响(P<0.05)，对亮度值L*呈极显著影响(P<0.01)，且表3极差分析得到的两个最优方案均以C3为最优水平，故选取C3。综合上述分析，最优方案为A3B3C3，即柠檬酸浓度0.45%，半胱氨酸浓度0.15%，护色时间35 min，经验证护色后所得的马铃薯生全粉L*值为91.57，PPO抑制率达93.7%。

表1 护色正交实验因素水平表

表2 正交实验方案与结果

表3 正交实验结果分析

表4 方差分析表

注：**表示极显著，P<0.01；*表示显著，P<0.05；空白表示不显著，P>0.05。

2.3 Mixolab热机械特性

由图2可得，马铃薯熟全粉扭矩在初始阶段快速增加，接着显著降低，是由于其淀粉大都已糊化。而生全粉因其极低的糊化度，在升温过程淀粉开始糊化，黏度增加、扭矩升高。证明不同加工工艺对马铃薯粉团熟化后的黏度影响极大，生全粉黏度曲线显著高于熟粉。

图2 不同加工工艺下马铃薯全粉Mixolab曲线

如表5所示，在不同加工工艺下，C2、C3、C4和C5上有显著差异，同时黏度崩解值和回生值也有着显著变化。差异最为明显的是吸水率，其表示马铃薯粉加水混合成团，达到目标稠度的加水量，直接决定谷物产品加工的经济性。生全粉吸水率为59.5%，而熟全粉吸水率高达180%。由此证明生全粉具有更好的经济效益。同时图2显示在前期加工中熟全粉与生全粉加工性能差异不大，但后期关于黏度的加工性能已经完全丧失，不利于应用在馒头、面条等需要高中面筋含量食品中，面条易断条、馒头成型难等问题会限制其添加量[20]。

2.4 马铃薯全粉流变特性

图3a显示随着频率增加，马铃薯生全粉和熟全粉动态模量的变化图。马铃薯熟全粉的储能模量(G′)和损耗模量(G″)与生全粉相比显著提高，且随着频率增加，G′始终大于G″，是典型的弱凝胶行为。同时频率依赖性降低，有可能是因为熟全粉中的淀粉大都已经糊化，淀粉分子相互交联，使得体系黏弹性增大[21]。由图3b得，随着扫描频率的增加，生全粉的损耗角正切值tanδ高于熟全粉，说明生全粉体系流动性较强，出现该现象的原因可能是由于其淀粉糊化度低，体系中未形成较为坚固的三维网状结构[22]。

表5 不同加工工艺下马铃薯全粉Mixolab主要测试指标

图3 马铃薯生全粉和熟全粉的动态流变曲线

3 结论

柠檬酸、抗坏血酸和半胱氨酸三种护色剂对马铃薯生全粉均有护色效果，但不同护色剂之间差异显著。本文以柠檬酸和半胱氨酸为马铃薯生全粉加工中的护色剂，并以其质量浓度和护色时间进行正交实验，既保证良好的护色效果，又有效抑制多酚氧化酶酶活。加工特性研究表明，熟全粉前期加工性能与生全粉类似，但后期与黏度相关的加工性能已经完全丧失。同时与熟全粉相比，生全粉G′、G″显著降低，tanδ增加，呈现趋于流体的性质，更有利于其在马铃薯主食化加工生产中的利用。