不同品種馬鈴薯淀粉功能性質的相關性及主成分分析

王 麗, 鄧志峰, 汪長鋼, 田文靜, 王 爍, 李淑榮

(北京農業職業學院食品與生物工程學院1,北京 102442) (沈陽市食品藥品檢驗所2,沈陽 110000)

馬鈴薯是世界上重要的作物之一,是僅次于小麥、稻谷、玉米的第四大糧食作物,據聯合國糧農組織統計資料顯示,2021年中國的馬鈴薯種植面積和產量均占世界的1/4左右,已成為馬鈴薯生產和消費第一的大國[1]。馬鈴薯中淀粉質量分數約為70%(干基)以上,其生產量和商品量在所有植物淀粉中居第二位[2]。馬鈴薯淀粉顆粒大,支鏈淀粉分子上結合有磷酸基,具有較高的峰值黏度和較好的糊透明度、較低的糊化溫度、較強的吸水力等特點,表現出良好的糊化、流變及質構等特性,能有效提高面團的彈性、改善面團的流變性,提高面條的復水性等功能[3]。

世界上推出并種植的馬鈴薯品種總計3 000余個,其中700個品種仍在栽培[4]。我國黑龍江、山西、內蒙古、甘肅等地也在不斷培育更新馬鈴薯新品種,以適應馬鈴薯種植業和加工業的需求。王穎等[5]研究表明,不同品種馬鈴薯淀粉品質特性差異顯著,在所研究品種中,淀粉膨脹度的變化范圍是10.07%～14.43%;荷蘭7號淀粉溶解度的變化范圍是15.01%～30.00%;淀粉透明度的變化范圍是43.65%～56.88%。馬鈴薯淀粉的顆粒大小為5～100 μm,淀粉顆粒粒度分布影響淀粉的物理化學性質和功能性質。通常,較大的顆粒組分直鏈淀粉含量較高,而脂肪、蛋白質和礦物質含量較低結晶度較高,這將直接影響淀粉的透明度、溶解性、膨脹性、質構特性、黏度性能和熱性能[6]。馬鈴薯品質特性眾多,各品質指標受生長過程影響顯著,為了明確不同品種的品質特性,充分分析不同品種品質特性在加工中的作用,采取統計分析方法可以幫助解決問題。相關性分析可以找到不同指標之間的關系,為后期的進一步分析提供一定的依據;主成分分析法可以對數據進行降維。目前這2個方法在不同樣品的品質分析和評價中發揮著非常重要的作用。Quan等[7]、De Mello等[8]采用相關性分析和主成分分析方法分析了馬鈴薯成分與美拉德反應衍生有害產物之間的關系,馬鈴薯品種塊莖蛋白質組成、不同馬鈴薯品種的儲藏和加工耐性以及冷凍馬鈴薯儲藏過程中溫度波動的影響等進行綜合評價,發現馬鈴薯品質特性與儲藏、加工特性間具有密切關系,為進一步的加工利用提供了良好的依據。

研究以黑龍江、甘肅、北京3個地區的11個馬鈴薯品種為原料,測定分析制備得到馬鈴薯淀粉的水分含量、色澤、直鏈淀粉含量、透光率、碘藍值、溶解度、膨脹度、膠稠度、質構特性等,并對這些品種的品質特性進行綜合評價,以期為不同品種馬鈴薯的加工利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與試劑

馬鈴薯品種:由黑龍江八一農墾大學墾薯1號、布爾斑克、抗疫白、克新27(黑龍江八一農墾大學)、隴14、LZ111、隴薯9號、隴薯7號、LY08104-12、隴薯8號(甘肅省農科院)及荷蘭薯(北京某蔬菜基地)。

直鏈淀粉標準品、碘化鉀、碘、無水乙醇、鹽酸、石油醚、氫氧化鉀等,均為分析純。

1.2 儀器與設備

UV-2550紫外分光光度計,WSC-S色差計,CT3質構儀。

1.3 實驗方法

1.3.1 馬鈴薯淀粉的提取方法

參考王麗等[9]的方法。

1.3.2 淀粉提取率的測定:

1.3.3 淀粉水分的測定參考國標方法。

1.3.4 淀粉色澤的測定:

參照Li等[10]的方法稍作改動。

1.3.5 直鏈淀粉和支鏈淀粉測定

參考王麗等[11]方法。

1.3.6 膠稠度的測定

參照考國標方法。

1.3.7 馬鈴薯淀粉膨脹度和溶解度的測定

取50 mL 20 g/L的淀粉乳于35、45、55、65、75、85、95 ℃攪拌30 min 后,于3 000 r/min 離心20 min,上清液烘干至恒質量,得溶解淀粉質量A(g),稱取離心管中沉淀物的質量P(g),以m為淀粉干基質量(g)。溶解度(S)和膨脹度(B)的計算公式分別為:

1.3.8 馬鈴薯淀粉凝沉曲線的測定

10 g/L 的淀粉乳沸水浴煮沸10 min,在30 ℃條件下,每隔2 h記錄上層清液體積,繪制清液體積百分比對時間的變化曲線。

1.3.9 透光率的測定

稱取0.2 g馬鈴薯淀粉,在沸水浴中攪拌30 min,冷卻至室溫,在647 nm波長下測定吸光度(A),計算透光率(T)。

T=10-A×100%

1.3.10 碘藍值的測定

將淀粉溶液加入碘試劑后在400～ 692 nm條件下進行全波長掃描,取最大吸收峰的波長為最優測定波長,并將不同樣品在該波長條件下進行測定吸光度。

1.3.11 淀粉質構特性的測定

參照Mudgil等[12]方法稍作改動。

1.4 數據處理方法

所有樣品均測定3次,取其平均值作為最終結果。結果以平均值±標準差(SD)表示。各組數據間的顯著性和相關性均采用SPSS軟件進行分析,主成分分析采用SAS軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯淀粉基本品質特性分析

表1結果表明各馬鈴薯品種提取得到的淀粉水分質量分數均低于12%,符合我國淀粉類產品國標的保藏要求。不同品種的淀粉提取率有顯著差異,其變化范圍是60.26%～88.77%,該差異可能與不同品種馬鈴薯中的粗纖維等基本成分和淀粉的品質特性差異有關[9]。不同品種淀粉色澤的ΔE值差異顯著,說明不同品種淀粉樣品中殘留的色素類物質不同。直鏈淀粉含量最高的為黑龍江的布爾斑克,含量最低的為克新27號。直鏈淀粉含量的多少直接影響著淀粉糊的透明度、糊化溫度、糊化時間、老化程度、黏度特性,進而影響加工產品的韌性、黏結性、老化特性等產品的品質特性[2]。Zhorina等[13]研究發現直鏈淀粉含量越高,透明度越低、糊化溫度高、回生速度快,膨脹勢低。理想的淀粉應該是含有較少的直鏈淀粉、較低的糊化溫度、較高的峰值黏度。對于面制品來說,直鏈淀粉含量越高,淀粉的糊化吸水能力越低,面團韌性差、黏結性大、易于拉斷,面條回生黏度大、光滑性變差、干物質吸水率也較低、蛋白質損失率大。不同加工需求的產品需要的原料特性不同,因此,每個品種適合的加工用途需要進一步研究。

表1 不同品種馬鈴薯淀粉的基本品質特性

2.2 馬鈴薯淀粉的膠稠度

GB/T 22294—2008《糧油檢驗大米膠稠度的測定》中規定,膠稠度反映了米膠冷卻后的膠稠程度,與米飯的柔軟性有關,是米飯蒸煮品質的主要評價指標之一。膠稠度高,則米膠長,米飯柔軟、適口性好,反之較硬,適口性差。同時膠稠度能反映出樣品中直鏈淀粉含量以及支鏈淀粉和直鏈淀粉分子的綜合利用。王潤奇等[14]總結了優質小米應具有的膠稠度標準,據米膠延伸的長短分為小于80 mm的硬膠稠度,80～120 mm的中膠稠度,大于120 mm的軟膠稠度。對于淀粉而言,不同膠稠度表征相應產品的軟硬程度。從圖1中可以看出,馬鈴薯淀粉的膠稠度隨著放置時間的延長,在2 h以內是逐漸增長的,隴14和LZ 111的膠稠度變化較大;在2～18 h基本處于平穩階段,抗疫白在5 h后有先上升后下降的趨勢;18 h后大多數品種的膠稠度有下降趨勢。隨著儲藏時間的延長,淀粉的膠稠度有逐漸縮短的趨勢,即淀粉在46 h后有回生趨勢。從整體膠稠度可以看出,隴14、隴薯9號、隴薯7號品種的膠稠度相對較高,而隴薯8號和荷蘭薯的膠稠度相對較低。本研究中馬鈴薯淀粉的膠稠度在2 h后,除了隴薯8號和荷蘭薯以外,其他品種均大于115 mm。說明本實驗的馬鈴薯品種均屬于中軟膠稠度的樣品。黃潔等[15]研究發現馬鈴薯淀粉的膠稠度為96.21 mm;孫園園[16]分析了797份稻米資源的膠稠度,其變化范圍是22～100 mm。說明不同品種樣品間的膠稠度差異顯著,因此在制作馬鈴薯主糧化的饅頭、面條時,要考慮膠稠度對產品回生特性的影響。

2.3 馬鈴薯淀粉的溶解度和膨脹度

2.3.1 不同品種馬鈴薯的溶解度

淀粉的溶解主要是直鏈淀粉從膨脹的顆粒中溢出,可以用來評價淀粉鏈之間的交互作用程度,包括淀粉顆粒的非結晶區和結晶區[17]。圖2為不同品種馬鈴薯淀粉的溶解度數據,不同品種溶解度隨著溫度升高呈逐漸上升趨勢,當溫度在65 ℃時,突然顯著上升,隨著溫度的上升逐漸上升,并且在95 ℃時基本上得到穩定趨勢。隨著溫度的升高,達到65 ℃時,部分淀粉發生糊化,溶解度較低,逐漸升高溫度,溶解度也在逐步增大,溫度達到80 ℃和95 ℃,此時的淀粉發生完全糊化現象,部分雙螺旋結構發生解旋,結構變得疏松,致使樣品的溶解度變大[18]。黃潔等[15]研究發現馬鈴薯淀粉在90 ℃條件下的溶解度為58.82%;劉珂[19]報道了馬鈴薯淀粉的溶解度在65 ℃時為20%,在80 ℃為40%,95 ℃時為60%;王穎等[5]在所研究品種中,荷蘭7號淀粉具有最好溶解度為30.00%。本實驗研究結果中溶解度相對較小,分析其主要原因可能是本實驗中各樣品的膠稠度相對較高,導致溶解度測定過程中,馬鈴薯淀粉與水混合成一體,單獨存在的水分較少,故而測定的結果偏低。

圖2 馬鈴薯淀粉的溶解度隨溫度變化

2.3.2 馬鈴薯淀粉的膨脹度

馬鈴薯淀粉的吸水性較好,容易糊化膨脹、其原因是支鏈淀粉中磷酸基團含量較高,相鄰磷酸基團之間斥力減弱了晶域內黏合程度從而增加了水化作用。圖3為不同品種馬鈴薯淀粉膨脹度隨時間的變化情況,膨脹度的變化趨勢與溶解度的變化趨勢相一致,即隨著溫度的升高,膨脹度逐漸增加,在65 ℃時為一個轉折點,與其糊化溫度有關系,并且在開始糊化時,直鏈淀粉和支鏈淀粉伸展,并吸收大量的水分,使得淀粉膨脹。在95 ℃時淀粉的膨脹度的變化范圍是21.17～39.44 g/g。黃潔等[15]研究發現,馬鈴薯淀粉的膨潤力13.06 g/g;劉珂[19]報道馬鈴薯淀粉的膨脹度在65 ℃時為17 g/g,在80 ℃時為17g/g,在95 ℃時為22 g/g;王穎等[5]研究發現885號馬鈴薯淀粉膨脹度最高為14.43%。本研究的膨脹度均高于其研究結果,說明本研究中的馬鈴薯淀粉的膨脹度優于研究報道。顆粒大小和脂質含量的差異是導致膨脹度差異的最主要因素[20]。

圖3 馬鈴薯淀粉膨脹度隨溫度變化

2.4 馬鈴薯淀粉的凝沉曲線

淀粉構成中直鏈淀粉比例越大,上清液占比越大,則其凝沉性越強[21]。不同品種馬鈴薯淀粉在靜置0 h時沒有發生沉淀。圖4結果顯示,隨著儲藏時間的延長,不同品種馬鈴薯淀粉的凝沉體積逐漸增加,在2 h時各品種均出現明顯的沉降,其中荷蘭薯的凝沉體積分數最大,為70.67%,直鏈淀粉含量最低,隴薯9號的凝沉體積分數最小,為50.67%,直鏈淀粉含量相對較高。該研究與唐健波等[22]、申瑞玲等[23]研究的紅薯(質量分數30%)、蕎麥(質量分數60%)、谷子(質量分數55%)淀粉的凝沉曲線變化趨勢一致。不同樣品中淀粉的沉降比存在顯著差異的主要原因可能與直支鏈淀粉比、淀粉顆粒結構及淀粉分子鏈長短等有關。

圖4 馬鈴薯淀粉凝沉特性隨時間變化

2.5 馬鈴薯淀粉的透光率

淀粉的透光率反映了淀粉與水互溶的能力及膨脹程度,其大小直接影響淀粉及淀粉產品的外觀、用途及可接受性,透光率越大食品的色澤和質地越好,相應的淀粉越不易老化[24]。不同品種淀粉的透光率結果如表2所示。不同品種的透光率差異顯著,其中隴薯8號的透光率最好,為68.38%,荷蘭薯的透光率最低,為42.05%。淀粉的透光率與直、支鏈淀粉比例有關,直鏈淀粉含量越高,透光率越低。淀粉糊化后,其分子重新排列相互締合的程度是影響淀粉糊透光率的重要因素。楊斌等[25]、李玲伊等[26]研究發現,谷子淀粉的透光率范圍是4.4%～22.3%,唐健波等[22]發現紅薯淀粉的透光率為2.05%,蕎麥淀粉的透光率為0.67%。大多數樣品透光率在10%以下,顯著低于馬鈴薯淀粉。而馬鈴薯淀粉的顆粒大且結構松散,是透光率大的主要原因。

2.6 馬鈴薯淀粉的碘藍值

2.6.1 全波長掃描

為了更好的選取馬鈴薯淀粉碘藍值的測定波長,將馬鈴薯淀粉溶液進行400～692 nm的全波長掃描,發現在586 nm條件下的吸光度最大,因此選取該波長為馬鈴薯淀粉碘藍值的最優測定波長(如圖5所示)。

圖5 馬鈴薯淀粉碘藍值全光譜掃描圖

2.6.2 不同品種淀粉碘藍值的測定

樣品中游離淀粉含量越多,直鏈淀粉含量越高,細胞的破損程度越大,顏色越深。因此,可以通過碘藍值間接判斷細胞破損的難易程度。碘藍值越小,說明在加工過程中細胞抵抗外界機械力的能力越強,破損的細胞少,基本上保持了細胞的完整性,因此更能保持原料的天然風味和營養價值。碘藍值目前已廣泛應用于水稻、玉米、小麥等淀粉類食品品質的評價。表2為不同品種馬鈴薯淀粉的碘藍值,從結果可以看出,不同品種淀粉碘藍值差異顯著,隴14的碘藍值最大,為9.97,其直鏈淀粉質量分數為12.53%,處于含量相對較小的品種,LZ 111的碘藍值最小,為7.91,其直鏈淀粉質量分數為14.10%,處于含量相對較大的品種。碘藍值和直鏈淀粉含量沒有直接的變化趨勢,說明可能是由于淀粉的破損程度不同而影響到碘藍值的差異,具體碘藍值和直鏈淀粉含量的關系需要進一步研究。

2.7 馬鈴薯淀粉的質構特性

表2結果顯示,不同品種淀粉質構特性差異顯著,其中硬度最大的為LY08104-12,彈性最大的隴14。淀粉糊化后形成具有一定彈性和強度的半透明凝膠,凝膠的黏彈性、強度等特性對凝膠體的加工、成型性能以及淀粉質食品的口感、速食性能等都有較大影響。為了更明確不同品種淀粉質構特性的影響因素,需要將不同品種的品質特性進行進一步的分析。

2.8 馬鈴薯淀粉品質特性的相關性分析

分析不同品種中各指標的差異情況,同時也分析了不同品質指標的影響因素,但各數據的變化趨勢不具有唯一性,各指標之間關系復雜,為了進一步分析不同品質特性之間的相關關系,將馬鈴薯淀粉品質指標進行相關性分析,結果如表3所示,結果顯示馬鈴薯淀粉品質特性之間存在顯著的相關性。如水分含量與淀粉的純度(r=-0.486 6)和色澤(r=-0.542 8)分別呈顯著的負相關性,水分含量與咀嚼性(r=0.663 4)和彈性(r=0.766 1)分別呈顯著的正相關。直鏈淀粉與淀粉純度(r=0.468 3)、膨脹度(r=0.520 9)、硬度(r=-0.472 1)、咀嚼性(r=-0.449 6)分別呈顯著的相關性。膠稠度與咀嚼性,溶解性與透光率、膨脹度與凝沉體積、硬度分別呈顯著的相關性。這些指標之間存在顯著的相關性,但很難表征不同指標之間的關系,為了進一步分析各指標之間的關系,并能很好地評價不同樣品品質特性的綜合值,將采用主成分分析進行分析。

表2 不同品種馬鈴薯淀粉的透光率、碘藍值和質構特性

表3 馬鈴薯淀粉品質特性的相關性分析

2.9 馬鈴薯淀粉品質特性的主成分分析

經過主成分分析(表4),選取特征根>1的主成分即可表征原始數據的信息,實驗結果顯示前4個主成分的特征根大于1,因此選取前4個主成分作為本實驗的數據分析。

表4 主成分的特征值及累計貢獻率

由表5、表6可知,將提取的前4個主成分進行載荷值和特征向量分析,給出了主成分載荷矩陣,每一列載荷值都顯示了各個變量與有關主成分的相關系數。其系數的大小表征對該主成分影響的大小,數值前面的正負符號表征該指標對該主成分影響的正負值。表5結果顯示,第一主成分中的淀粉提取率、直鏈淀粉含量、膠稠度、膨脹度具有較大的正向影響,凝沉體積、硬度、咀嚼性、彈性具有負向的影響。第二主成分中的水分含量、膨脹度、咀嚼性和彈性具有較大的正向影響,凝沉體積、具有較大的負向影響;第三主成分中的透光率和硬度具有正向的影響;第四主成分中的色澤具有正向的影響。

表5 主成分的載荷值和特征向量

表6 主成分得分

特征向量為各主成分中不同指標的系數,各主成分與馬鈴薯品質指標之間建立關系模型,通過主成分與各指標之間關系可以計算不同品種的主成分得分,依據不同主成分的貢獻率,計算各品種的綜合主成分得分(表6)。隴薯9號的綜合值排名第一,荷蘭薯的綜合值最低,通過該評價可以為馬鈴薯的加工利用提供一定的參考 。

3 結論

研究比較了黑龍江、甘肅、北京3個地區的11個馬鈴薯品種制備得到淀粉的水分含量、色澤、直鏈淀粉含量、透光率、碘藍值、溶解度、膨脹度、膠稠度、質構特性等品質特性。結果顯示不同品種各指標差異顯著,說明所選品種具有代表性;相關性分析發現不同品種各品質指標間存在顯著的相關性,說明各品質指標具有內在的相互關系,同時也說明淀粉的品質特性與功能特性之間存在密切關系;主成分分析法進一步分析不同品種馬鈴薯淀粉品質的綜合特征,主成分分析前4個主成分的特征根大于1,可以解釋原有數據的信息,綜合主成分得分發現隴薯9號的綜合值排名第一,荷蘭薯的綜合值最低,說明隴薯9號的綜合功能特性最好,而荷蘭薯的綜合功能特性最差。