不同品种甘薯淀粉加工特性及其与磷含量的相关性研究

靳艳玲,杨 林,丁 凡,方 扬,谭 力,易卓林,何开泽,赵 海,*

(1.中国科学院成都生物研究所,中国科学院环境与应用微生物重点实验室, 环境微生物四川省重点实验室,四川成都 610041; 2.绵阳市农业科学院,四川绵阳 621023)

我国是薯类生产大国,甘薯的种植面积和总产量均居世界第一位,其中,四川省的甘薯产量居全国首位,在保障食品安全和满足消费需求多样化方面发挥了重要作用。加工是促进农业持续增效、农民持续增收的重要途径,因此,相关科研单位和企业一直在持续地开展甘薯加工新产品的研发工作。甘薯可加工利用的主要成份是其所含的淀粉,最直接的产品为淀粉及衍生物淀粉;甘薯还可以通过微生物发酵将其中的淀粉转化生产酒精、饮料、饲料、调味品以及其他大宗工业产品。随着消费者对甘薯保健功能的认可,甘薯食品的研制和生产开发得到较快的发展,质量亦不断提高,出现了甘薯方便食品、休闲食品、甘薯饮料、功能保健产品等[1-4]。但因技术门槛和设备投入要求较低,而且甘薯淀粉类产品价位相对玉米淀粉和马铃薯淀粉产品较高,所以目前甘薯加工的主要形式仍为淀粉、粉丝、粉条等产品,“三粉”加工仍占据主导地位。农户和企业加工的积极性也较高,北方薯区淀粉加工所占比例为58.7%,南方薯区为31.3%,长江中下游薯区为44.4%[5-7]。

不同甘薯品种的淀粉含量、出粉率以及加工粉条的品质差异很大,直接影响加工利润。而在实际生产过程中,绝大多数加工企业使用的甘薯原料品种较为混杂,不利于发挥最大效益、保证生产的稳定性。另外,淀粉除用于烹调和食品加工外,用途非常广泛,如在工业上用于粘合、成膜、上胶,在药品里用于增稠、崩解等。不同的应用方向对于淀粉的品质具有不同的要求,为此,本研究对国内近年来育成的24个品种甘薯的加工性能参数进行了比较,对加工产品品质相关的因素进行分析,以期为淀粉及相关产品加工专用甘薯品种育种提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

渝薯1号、济薯25、渝薯198、渝薯27、冀薯98、商薯19、漯薯11、运薯271、桂粉3号、秦薯9号、湛薯12、万薯34、鄂薯6号、龙薯28、苏薯24、秦薯5号、烟薯26、广薯87、湘薯98、皖薯7号、川薯221、阜薯24、郑红23、万薯9号等24个品种甘薯 由国家甘薯产业技术体系提供;盐酸、氢氧化钠、葡萄糖、醋酸铅、乙酸锌、亚铁氰化钾、苯酚、硫酸、无水乙醇、硝酸银等 分析纯,成都科龙化工试剂公司。

SHIMADZU AUY 120电子天平 日本岛津公司;ELSD 6000高效液相色谱仪 美国奥泰公司;Optima 8300电感耦合等离子体发射光谱仪 美国PerkinElmer公司;754N分光光度计 上海奥普勒仪器有限公司;MVAG 803202微量快速黏度仪 德国Brabender公司;ZRD-A7230鼓风干燥箱 上海智城分析仪器制造有限公司;HAD-ED54石墨消解仪 北京恒泰奥德科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 干物质率测定 参照GB5009.3-2016《食品中水分的测定》采用105 ℃烘干重量分析法测定。取洁净称量瓶置于105 ℃干燥箱中,瓶盖斜支于瓶边,加热1 h,取出盖好,置干燥器内冷却0.5 h,称量,并重复干燥至前后两次质量差不超过2 mg,即为恒重。将薯块切成小于5 mm的薯丁,混合均匀,称取试样(精确至0.0001 g),放入此称量瓶中,105 ℃干燥2～4 h后,同法冷却、称量至恒重。样品干燥后的重量占初始重量的比例即为干物质率。

1.2.2 淀粉含量测定 参照GB/T 5009.9-2016《食品中淀粉的测定》改进后的方法,薯浆酸水解后的葡萄糖以高效液相色谱-蒸发光检测器法(HPLC-ELSD)测定[8-9]。水解液处理:吸取一定量水解液,依次通过预先以甲醇活化好的C18固相萃取小柱和0.22 μm水系滤膜过滤。色谱条件:以超纯水为流动相,采用BIO-RAD Aminex RHPX-87P色谱柱,流速0.6 mL/min,柱温79 ℃,蒸发光检测器温度105 ℃,进样量20 μL。以系列浓度葡萄糖溶液和相应的色谱峰面积绘制标准曲线,根据标准曲线计算水解液中的葡萄糖浓度并根据水解样品重量折算甘薯中的葡萄糖浓度,此为淀粉水解和可溶性糖溶解获得的总葡萄糖浓度,减去同法测得未水解甘薯的可溶性葡萄糖浓度,再除以1.1即为淀粉含量。

1.2.4 褐变指数测定 参照袁洁等[11]的方法采用分光光度计测定,随机选取大小一致的甘薯,从相同部位切取2.0 g于研钵中,分别加入蒸馏水20.0 mL,研磨5 min,低温下离心5 min(4000 r/min,4 ℃),取上清2.0 mL于试管中,加入0.05 mol/L的FeCl32.0 mL,25 ℃水浴2 h,以蒸馏水调零,测定410 nm的吸光值,以10·A410表示褐变度。

1.2.5 淀粉的提取 参照张正茂等[12]的方法提取,称取洁净薯块约1.0 kg,粉碎、匀浆,加入3.0 kg自来水,混匀后立即过100目尼龙滤布;滤液静置8 h后弃去上清,加入3倍淀粉质量的自来水,与沉淀的淀粉混合均匀后立即过200目尼龙滤布;滤液静置8 h后以相同方法清洗、过滤、沉淀第三次。最后将淀粉风干至无肉眼可见水,置于45 ℃干燥,过100目筛。

1.2.6 淀粉糊化特性测定 采用Brabender微型糊化黏度仪测定。添加0.05 mol/L硝酸银钝化α-淀粉酶以消除α-淀粉酶在升温过程中对糊化特征参数的干扰[13-14]。糊化黏度测定参数及温控程序:转速250 r/min,升温速度7.5 ℃/min,升至92 ℃后保温5 min,然后以同样速度降温至50 ℃,保温1 min。黏度结果以布拉班德黏度单位BU表示。

1.2.7 磷含量测定 采用GB 5009.87-2016《食品中磷的测定》改进后的方法测定。称取试样1.0～1.5 g(精确至0.001 g并记录)于消化管中,加入10 mL硝酸、1 mL高氯酸、2 mL硫酸,在石墨消解炉上消解(参考条件:120 ℃/0.5～1 h，升至180 ℃/2～4 h，升至200～220 ℃)至消化液呈无色透明或略带黄色,消化液放冷,加10 mL水,赶酸。放冷后转移至50 mL容量瓶中,用超纯水多次洗涤消化管,合并洗液于容量瓶中定容、混匀。同法做试剂空白试验。消化的样品以电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定磷浓度。

1.3 数据处理

以上测定均为3个重复,结果以平均值±SD表示。采用SPSS 19.0进行描述性统计、Duncan检验差异分析和复合曲线模型拟合。

2 结果与分析

2.1 不同品种薯块淀粉加工相关品质指标

根据国家甘薯产业技术体系2017年开展的不同用途甘薯品质需求调研,淀粉加工企业和农户最关注的薯块品质参数有:高淀粉、低褐变、高干物质率、低糖。其中,淀粉含量是关注度最高的指标,直接关系到出粉率和经济效益。由表1可见,试验品种薯块的平均淀粉含量为22.14%,以渝薯1号最高,达31.45%,其次为济薯25、渝薯198、渝薯27、冀薯98、商薯19,选用高淀粉含量的品种用于生产淀粉,原料出粉率较高,有利于减少运输成本、提高设备利用率。干物质率是指块根的干物质含量,是甘薯品种最重要的经济性状之一,干物质率排在前三位的依次为济薯25、渝薯1号、运薯271,平均干物质率为31.38%,24个品种之间的干物质率差异较小,变异系数13.45。而可溶性糖含量差异较大,变异系数达43.97,平均含量2.32%,可溶性糖含量直接影响废水COD,因此以含量较低的品种更利于后续废水环保处理。褐变是影响甘薯淀粉品质的一个重要指标,在多酚氧化酶作用下薯块中的酚类物质被氧化形成醌,醌自我聚合或者通过共价修饰,与其他物质结合产生黑色或褐色的色素沉淀,使淀粉的白度降低，从而影响淀粉的商品性[15-16],另外,褐变指数较高的品种,淀粉加工废水的颜色也较深,处理过程中也要增加脱色的成本。试验品种褐变指数7.00～20.01,褐变指数最低的为渝薯27。已有学者开发了多种方法抑制褐变,如加入亚硫酸盐、加入蛋白酶抑制剂、隔绝氧气等[11],但这些方法均依赖化学试剂或设备,成本较高且有药剂残留问题。选用渝薯27、渝薯1号等淀粉含量高、且褐变指数低的甘薯品种,则是一条从源头上减少褐变、提高淀粉白度的安全、有效的途径。

表1 24个品种甘薯薯块主要淀粉加工相关品质指标数Table 1 Main processing related indexes of starch from 24 varieties of sweet potato

2.2 不同品种甘薯淀粉黏度谱(RVA)的差异

淀粉是一种亲水性的胶体,淀粉在适当的温度下在水中溶胀、分裂、形成均匀的糊状溶液的过程被称为糊化,糊化的直接表现为黏度增加,黏度在淀粉产品加工及最终产品的功能方面非常重要,不同产品要求使用具有不同的流变特性的淀粉。不同品种甘薯糊化淀粉的特征黏度谱间存在明显差异,在加热(糊化)和冷却(胶凝化)过程中流变特征不同可以满足不同产品的需要。

表2 24个品种甘薯淀粉黏度谱Table 2 Rapid viscosity analysis(RVA)profiling of starch from 24 varieties of sweet potato

使淀粉达到糊化状态的温度是糊化温度,受淀粉晶型、结构、颗粒大小的影响,不同作物以及同一作物不同品种淀粉的糊化温度存在差别[17]。较低的糊化温度有利于降低加工能耗和时间、有利于大规模工业化生产;而较高的糊化温度表明淀粉晶体结构稳定,不易被破坏。受试甘薯淀粉的糊化温度范围为66.8～77.1 ℃,其中,秦薯9号、苏薯24、烟薯26和济薯25淀粉的糊化温度均低于70 ℃,以其为原料进行淀粉类产品加工有利于减少糊化能耗。峰值黏度与淀粉糊的粘结性和增稠性密切相关[18-19],受试品种甘薯淀粉的峰值黏度变化范围为922～1207 BU,最高的为运薯271,其次为济薯25、烟薯26、商薯19,用作增稠剂时增稠效果较优。崩解值越小,代表其溶胀后的淀粉颗粒强度越大、不易破裂,导致其抗剪切性和热糊稳定性好[17]。缪铭[20]研究表明,块根类淀粉崩解值与慢消化淀粉显著负相关,崩解值较低的淀粉能够缓慢消化吸收、持续释放能量。受试品种甘薯淀粉的崩解值变化范围为69～526 BU,其中,桂粉3号具有最低的崩解值,为381BU。食用以桂粉3号等崩解值较低的淀粉生产的食品,有利于稳定餐后血糖。淀粉的回生值越大表示其越容易老化,虽然凝胶性强,但易失水、硬度增加[19,21],受试品种甘薯淀粉回生值变化幅度较大,变异系数为16,其中秦薯5号回生值最低,为241 BU,其次为漯薯11和郑红23,这些回生值较低的淀粉用作酱汁等的稳定剂时,保水性强。以淀粉为原料加工生产的产品类型非常丰富,建议选择原料的时候根据不同品种甘薯淀粉的特征参数确定其用途,实现物尽其用。

2.3 淀粉磷含量

影响淀粉黏度特征的因素除作物种类(如不同作物导致的淀粉晶型和颗粒大小不同)外,同一种作物间还受品种差异的影响,主要因素为直链淀粉和支链淀粉的含量[22],但根据前期研究的结果,不同品种甘薯淀粉的直链、支链淀粉含量差异较小,变异系数仅1.03[23]。另有报道,磷与马铃薯淀粉的黏度特征具有显著相关性,磷是存在于淀粉中的非碳水化合物结构,以磷酸单酯形式结合于支链淀粉后可以增加淀粉的黏度和透明度[24]。

但甘薯淀粉的磷含量鲜有研究,因此测定了不同品种甘薯淀粉的磷含量。结果表明:24个品种甘薯淀粉磷含量变化幅度较大(82～231 mg/kg)(见图1),变异系数达22.33。总体来讲,甘薯淀粉的磷含量高于木薯和山药淀粉的磷含量[25],低于马铃薯淀粉的磷含量[26]。

图1 24个品种甘薯淀粉磷含量Fig.1 Phosphorus content of starch from 24 varieties of sweet potato

2.4 淀粉磷含量与黏度谱的相关性

皮尔森(Pearson)相关性分析表明,淀粉磷含量与其峰值黏度呈极显著正相关(p<0.01)(图2a),与崩解值(图2b)和回生值(图2c)也呈正相关,但相关性不显著。Zaidul和Noda等[24-26]的研究结果表明,马铃薯淀粉磷含量与其糊化温度呈显著正相关,但甘薯淀粉与马铃薯淀粉不同,磷含量与糊化温度相关性不显著(图2d)。

图2 甘薯淀粉磷含量与峰值黏度的相关性拟合曲线Fig.2 Fitting curve of correlation between phosphorus content and peak viscosity of sweet potato starch注：a:磷含量与峰值黏度的拟合曲线;b:磷含量与回生值的拟合曲线; c:磷含量与崩解值的似合曲线;d:磷含量与糊化温度的拟合曲线。

根据廖卢艳等[27]的研究,峰值黏度与粉条品质极显著正相关。因此,淀粉磷含量高的品种生产的粉条可能具有更好的品质。结果提示:磷含量可以作为粉条加工用甘薯品种育种的参考指标。除通过育种手段选育淀粉磷含量较高的甘薯品种外,现有研究表明还可以通过施肥调节甘薯茎叶和薯块的磷含量[28],但施肥对甘薯淀粉磷含量的影响尚无相关研究报道,可作为下一步的研究方向,尝试通过调节磷肥使用量等途径影响甘薯淀粉磷含量,从而改变其黏度特征。

3 结论

本研究对24个品种甘薯薯块及淀粉品质进行了比较分析,糊化温度较低的品种有秦薯9号、苏薯24、烟薯26和济薯25,糊化时需要的热量较少;糊化温度最高的品种为桂粉3号,热稳定性强;峰值黏度最高的为运薯271,其次为济薯25、烟薯26、商薯19,用作增稠剂时增稠效果较优;桂粉3号具有最低的崩解值,制作食品易于稳定餐后血糖;秦薯5号、漯薯11和郑红23的回生值较低,适于制作稳定剂。另外,淀粉磷含量与淀粉糊的峰值黏度呈极显著正相关,可尝试通过育种或土肥技术调节磷含量,从而影响淀粉品质。

传统观念认为,淀粉加工用甘薯只要求淀粉含量高,所以长期以来农户和企业在引种、加工时对其他指标并无过多关注。随着企业技术和管理水平的提升,已逐渐认识到高淀粉含量确实是淀粉及相关产品加工的基本指标,但加工品质指标同样重要,不同产品对淀粉的品质指标需求有较大差异,是否选择了合适的品种关系到原料能否物尽其用、生产能否提质增效以及废弃物能否实现减量化,与经济和环境息息相关。本研究筛选出各类品质特性突出的品种,可以为后续育种工作提供材料和参考。