不同品種馬鈴薯淀粉微觀結構和熱力學性質比較

徐 忠,徐巧姣,王勝男,王志鵬,趙 丹

(哈爾濱商業大學,黑龍江哈爾濱 150076)

不同品種馬鈴薯淀粉微觀結構和熱力學性質比較

徐 忠,徐巧姣,王勝男,王志鵬,趙 丹

(哈爾濱商業大學,黑龍江哈爾濱 150076)

以4個主糧化品種馬鈴薯淀粉為研究對象,利用激光粒度分析儀、掃描電鏡分析儀、差示掃描量熱分析儀、X-射線衍射分析儀等儀器分析方法,分析了馬鈴薯淀粉的微觀結構和熱力學性質。掃描電鏡分析表明,馬鈴薯淀粉顆粒主要有橢圓形,小球形等形狀,不同品種馬鈴薯淀粉間顆粒形態無明顯差異。激光粒度分析表明,4個品種馬鈴薯淀粉顆粒粒徑大小差異顯著,粒徑平均值為37.43～41.62 μm。4個品種馬鈴薯淀粉顆粒結晶類型相同,均屬B型,但它們的相對結晶度有顯著差異,且相對結晶度范圍為24.87%～29.53%。差示掃描分析表明,4個品種馬鈴薯淀粉之間的熱力學特性參數相變溫度(T0、TP和TC)和熱焓值(ΔH)有顯著差異(p<0.05),T0、TP、TC和ΔH范圍分別為:58.63～62.25 ℃,62.92～66.75 ℃,68.37～73.07 ℃,13.7235～17.6313 J/g。4個品種馬鈴薯淀粉的凍融穩定性和透明度也有一定差異。4個品種馬鈴薯淀粉結構與性質的對比分析結果,為馬鈴薯主食化原料的篩選提供了理論參考數據。

馬鈴薯淀粉,微觀結構,熱力學特性

馬鈴薯是茄科植物,又名山藥蛋、地蛋、土豆、洋芋等,馬鈴薯富含淀粉、蛋白質、纖維素、維生素、微量元素等成分,營養價值很高[1-2]。馬鈴薯中淀粉含量大約20%,是重要的植物淀粉,其生產量僅次于玉米淀粉,居第二位,馬鈴薯淀粉在食品、制藥等行業應用非常廣范[3]。

2008年,聯合國糧農組織將小麥、玉米、水稻、馬鈴薯列為四大主糧原料,2015年初,我國農業部也提出了馬鈴薯主糧化的建議[4-5],馬鈴薯加工原料的選擇和馬鈴薯所含主要成分馬鈴薯淀粉的結構和性質密切相關。目前,關于不同品種馬鈴薯淀粉結構和性質的研究主要集中在普通馬鈴薯淀粉的結構與性質分析[6],關于作為主糧開發馬鈴薯品種淀粉結構和性質的研究報道較少。以黑龍江省馬鈴薯食品加工企業目前主要應用的4個品種馬鈴薯淀粉為研究對象,對4種馬鈴薯淀粉的結構和性質進行了分析,為馬鈴薯主糧化加工原料的選擇和加工食品的研究提供理論參考。

1 材料方法

1.1 材料與儀器

布爾班克、夏波蒂、麥肯1號、尤金4個品種馬鈴薯 由黑龍江省雙城福增食品有限公司提供;其它試劑 為國產分析純。

DHG-9123A電熱鼓風干燥箱 上海一恒科技有限公司;FA2004B型電子天平 上海越平科學儀器有限公司;MICROTRAC S3500型激光衍射式粒度分析儀 美國MICROTRAC科技有限公司;DSC4000 型差示掃描熱量儀 PerkinElmer公司;SU8000型掃描電鏡 天美科學儀器有限公司;X’ Pert PRO型多功能粉末X衍射儀 荷蘭帕納科公司;Super 3快速粘度分析儀 澳大利亞新港科技公司;721型紫外分光光度計 上海安亭科技儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 馬鈴薯淀粉的制備 馬鈴薯→清洗→去皮切塊(取300 g)→組織搗碎(12000 r/min、5 min)→過濾分離→濾液靜置→離心(4000 r/min、20 min)→收集沉淀→50 ℃烘干→粉碎→過100目篩→馬鈴薯淀粉。

1.2.2 顆粒形態觀察 參照王紹清等[7]方法測定,采用掃描電鏡進行顆粒形貌觀察。將潔凈的鋁箔片放在樣品臺上,在上面均勻涂上樣品,再將它們一起放進EM SCD050型離子濺射儀的樣品艙中,在20 mA的電流下噴金120 s,樣品取出后,裝入掃描電鏡觀察室進行觀察,

1.2.3 粒度測定 參照侯蕾等[8]的方法利用激光衍射式粒度分析儀測定淀粉的粒度分布,首先將粒度分析儀電源打開,預熱0.5 h,再將蒸餾水加入樣品池中,進行空白測定,同時準確稱取0.2 mg馬鈴薯淀粉溶于10 mL蒸餾水中形成混懸液待扣完空白后放入激光粒度分析儀的樣品池中進行測定,由電腦中儀器軟件記錄實驗數據及圖譜,并由軟件自動分析出主要參數。參數設置:散射光角度固定90°,溫度為25 ℃,光源為固定激光,操作波長為658 nm,運行20 s。顆粒的折射指數為1.53。

1.2.4 結晶結構測定 按照徐斌等[9]人方法采用多功能粉末X衍射儀進行測定。測試條件:電壓40 kV,電流40 mA,2θ的旋轉范圍是3°～40°,掃描速率1.2°/min,步長0.02°,每個樣品掃描30 min。相對結晶度采用分析軟件Jade5.0計算。

1.2.5 熱力學性質測定 參照朱帆等[10]人方法測定,采用差示掃描熱量儀進行測定。準確稱取2.5 mg淀粉樣品,置于鋁制密封坩堝中,向其中加入25 μL去離子水,用配套的鋁制坩堝蓋密封后,起始溫度升到20 ℃,終止溫度設為120 ℃,升溫速率為10 ℃/min,用電腦記錄DSC曲線。每個樣品平行3次,取3次平行樣的平均值,同時記錄相變起始溫度T0,峰值溫度(TP)和終止溫度(TC)以及焓變(ΔH)。

1.2.6 糊化性質測定 利用快速黏度分析儀按Prado Cordoba[11]方法測定,準確稱取1.5 g馬鈴薯淀粉,加25 g水在STDI模式下進行測定,并記錄糊化溫度(Pasting temperature,GT)、峰值粘度(Peak viscosity,PV)、峰谷粘度(Trough viscosity,TV)、最終粘度(Final viscosity,FV)、破損值(Breakdown,BD)、回生值(Setback,SB)。

1.2.7 凍融穩定性測定 參照李志達[12-13]等的方法:準確稱取1 g馬鈴薯淀粉樣品,置于250 mL錐形瓶中,向其中加100 mL蒸餾水,沸水浴加熱20 min,前5 min邊加熱邊攪拌,然后保溫15 min,待淀粉完全糊化后,取出冷卻到室溫,用移液管分別移取10 mL轉移到質量為m1的100 mL離心管中,稱重為m2(其中淀粉糊質量為m2-m1),放在-18 ℃冰箱中冷凍24 h,取出解凍6 h,取其中1管在4000 r/min條件下離心20 min,倒掉上清液,稱重為m3,其余離心管按上述操作繼續冷凍解凍然后離心,一共做5次。采用析水率表示凍融穩定性，其計算公式如下:

1.2.8 透明度測定 將淀粉配制成1%的淀粉乳溶液,放入沸水浴中加熱并糊化保溫20 min,同時,保持淀粉糊的體積,冷卻至室溫。分別取等量淀粉糊用分光光度計在620 nm處測其透光率,以蒸餾水為空白對照。

1.2.9 數據處理 采用Excel計算整理,用SPASS 17.0統計分析,數據結果以平均值±標準差進行表示。

2 結果與討論

2.1 不同品種馬鈴薯淀粉顆粒形貌分析

由圖1掃描電鏡圖(放大500倍)可以觀察到不同品種馬鈴薯淀粉顆粒大小分布不相同,大多數大顆粒形狀呈橢圓形,小顆粒似小球形,凸圓形等,尤金和麥墾1號的形貌很相似,但尤金淀粉顆粒分布比較密集,夏波蒂淀粉顆粒的形狀大多呈橢圓形,且長半軸比其他三個品種要長,而布爾班克淀粉顆粒的形貌不是很規則。淀粉顆粒的形態主要受植物來源、生長環境、植物部位、成熟程度等因素的影響[14]。

圖1 不同品種馬鈴薯淀粉的掃描電鏡圖Fig.1 SEM of starch from different varieties of potatoes

表1 不同品種馬鈴薯淀粉的顆粒大小

注:同列不同字母表示差異顯著(p<0.05);表2～表4同。

表2 不同品種馬鈴薯淀粉的熱力學性質及相對結晶度

注:T0:初始溫度,TP:峰值溫度;TC:終止溫度;ΔH:焓變。

2.2 不同品種馬鈴薯淀粉顆粒平均粒度測定

所測4種馬鈴薯淀粉的平均粒徑平均粒徑如表1所示,不同品種馬鈴薯淀粉顆粒分布情況不同,其中麥墾1號的平均粒徑最大,為41.62 μm,其次是布爾班克淀粉,平均粒徑為40.89 μm;尤金和夏波蒂淀粉顆粒粒徑均較小,平均粒徑分別為37.43和38.32 μm。4種馬鈴薯淀粉平均粒徑總范圍為37.43～41.62 μm之間。淀粉顆粒大小及分布與淀粉的物化性質有一定相關性[15]。

2.3 不同品種馬鈴薯淀粉X-射線衍射圖譜及相對結晶度

不同來源的淀粉結晶結構不同,根據X-射線衍射圖譜不同,淀粉的結晶結構可分為3種類型即A型、B型、C型,其區別在于較強衍射峰所在的旋轉角范圍不同,2θ旋轉角在15.3°、17.0°、18.0°、19.7°、22.2°、23.4°附近有較強衍射峰的為A型;2θ在17.0°附近有強衍射峰,在5.5°～5.6°、15.0°、19.7°、22.2°、24.0°附近有較強衍射峰的淀粉為B型;與A、B型結晶結構分別相比,C型結晶結構的2θ旋轉角分別在5.6°、23°處有衍射峰,而且在23°處有且只有一個強衍射峰;而V型淀粉是通過物理或化學方法將淀粉和脂肪酸、醇類物質合成的復合物類型[16-17]。

圖2是4個品種馬鈴薯淀粉的X-射線衍射圖譜,由圖2可以觀察到4個品種馬鈴薯淀粉峰型無明顯差異,2θ角都在5.6°、17.0°附近出現較強衍射峰,因此可以判斷出這馬鈴薯淀粉為B型結晶結構。這與文獻報道其它品種馬鈴薯淀粉研究結果相同[6]。由表2得知,4個品種馬鈴薯淀粉的相對結晶度之間有顯著差異,且相對結晶度范圍為24.87%～29.53%。其中夏波蒂淀粉的相對結晶度最低,麥墾1號淀粉的相對結晶度最高。淀粉相對結晶度的大小差異與淀粉來源、測試方法,計算方法和水分含量等有關。

圖2 不同品種馬鈴薯淀粉的X-射線衍射圖譜Fig.2 XRD patterns of starch from different varieties of potatoes注:a布爾班克淀粉;b夏波蒂淀粉;c麥墾1號淀粉;d尤金淀粉。

2.4 不同品種馬鈴薯淀粉熱力學性質

不同品種馬鈴薯淀粉熱力學性質有差異,由表2得知4種馬鈴薯淀粉的相變初始溫度、峰值溫度和終止溫度、焓變值分布分別為:58.63～62.25 ℃,62.92～66.75 ℃,68.37～73.07 ℃,13.7235～17.6313 J/g。其中布爾班克淀粉的相變峰值溫度最高,夏波蒂淀粉的相變峰值溫度最低;尤金淀粉焓變值最大,夏波蒂焓變值最低。4個品種馬鈴薯淀粉相變溫度和熱焓值差異主要與淀粉顆粒結構、直鏈淀粉含量、直/支比等因素有關[18-19]。

2.5 不同品種馬鈴薯淀粉糊化性質

淀粉的糊化性質直接影響淀粉及淀粉質食品的品質[20],表3是4種馬鈴薯淀粉的糊化性質參數,圖3是4種馬鈴薯淀粉的糊化曲線。不同品種馬鈴薯淀粉糊化性質參數間存在差異,部分品種間存在顯著差異(p<0.05)。4種馬鈴薯淀粉的糊化溫度在66.7～69.33 ℃之間;峰值粘度在3180～4847 mPa·s之間;峰谷粘度范圍在2345～2674 mPa·s之間;最終粘度在2490～2886 mPa·s之間;破損值在664～2495 mPa·s之間;回生值范圍在145～255 mPa·s之間。夏波蒂和麥肯1號馬鈴薯淀粉峰值粘度明顯高于其他2個品種,表明該兩個品種淀粉顆粒內部結合較松散。夏波蒂和麥肯1號馬鈴薯淀粉具有較低的回生值,表明其淀粉的老化程度低,具有良好的加工適宜性。

表3 不同品種馬鈴薯淀粉的糊化性質參數

注:GT,糊化溫度;PV,峰值粘度;RV,峰谷粘度;FV,最終粘度;BD,破損值;SB,回生值。

表4 不同馬鈴薯淀粉在不同循環次數的析水率

圖3 不同品種馬鈴薯淀粉的糊化性質Fig.3 Pasing properties of starch from different varieties of potatoes注:1:夏波蒂;2:麥墾1號;3:布爾班克;4:尤金。

2.6 不同品種馬鈴薯淀粉凍融穩定性分析

凍融是淀粉的冷凍再解凍過程中出現收縮脫水的現象,因此馬鈴薯淀粉的凍融穩定性可以通過它的析水率來表征,析水率越大,淀粉凍融穩定性越差[21],析水率還可以反映淀粉老化難易程度,析水率越大,淀粉老化越容易[22]。從表4可以看出4個品種馬鈴薯淀粉析水率范圍是51.02%～73.96%,析水率均隨著凍融次數的增加而逐漸變大;經過5次凍融循環處理后,尤金淀粉和布爾班克淀粉的析水率高于其它兩個品種,夏波蒂淀粉析水率最低,可以看出夏波蒂淀粉的凍融穩定性較好。

2.7 不同品種馬鈴薯淀粉透明度測定

布爾班克、麥墾1號、尤金、夏波蒂馬鈴薯淀粉的透光率分別為45.71%、54.95%、63.10%、54.95%。麥墾1號和夏波蒂淀粉的透光率沒有明顯差異,但與其它兩種淀粉透明度相比有一定差異,數據表明尤金淀粉的透明度最高,布爾班克淀粉的透明度最低。

3 結論

不同馬鈴薯淀粉顆粒形態無明顯差異,但粒徑大小有顯著差異。較大馬鈴薯淀粉顆粒主要呈橢圓形,較小馬鈴薯淀粉顆粒呈小球形,布爾班克和麥墾1號的淀粉粒徑較大,4個品種淀粉平均粒徑范圍為37.43～41.62 μm。不同馬鈴薯淀粉X-射線衍射圖譜峰型上無明顯差異,結晶度及熱力學性質有顯著差異。4個品種馬鈴薯淀粉均屬于B型結晶結構,麥墾1號淀粉的相對結晶度最高,夏波蒂淀粉最低。4個品種馬鈴薯淀粉相變溫度均在62.92～66.75 ℃范圍之內,其中布爾班克淀粉的相變峰值溫度最高,夏波蒂淀粉最低。不同品種馬鈴薯淀粉的糊化特性參數有明顯差異,糊化特性參數范圍分別為:糊化溫度在66.73～69.33 ℃之間;峰值粘度在3180～4847 mPa·s之間;峰谷粘度范圍在2345～2674 mPa·s之間;最終粘度在2490～2886 mPa·s之間;破損值在664～2495 mPa·s之間;回生值的范圍在145～255 mPa·s之間,夏波蒂和麥肯1號馬鈴薯淀粉具有較低的回生值。4個品種馬鈴薯淀粉的凍融穩定性有顯著性差異,夏波蒂淀粉凍融穩定性最好;尤金淀粉的透明度比較高,布爾班克淀粉的透明度最低。企業可以參考不同主糧化品種馬鈴薯淀粉結構和熱力學性質數據,再結合馬鈴薯加工食品種類,指導選擇適宜的馬鈴薯加工原料品種。

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Comparison of microstructure and thermodynamic properties of starch from different varieties of potato

XU Zhong,XU Qiao-jiao,WANG Sheng-nan,WANG Zhi-peng,ZHAO Dan

(Harbin University of Commerce,Harbin 150076,China)

The microstructure and thermodynamic properties four kinds of potato starch were analyzed by laser particle-size analysis,scanning electron microscopy(SEM),differential scanning calorimetry analyzes(DSC),and X-ray diffractometry(XRD). SEM results showed that potato starch particles were elliptical and small spherical of four kinds of shapes,with no significant morphological differences between different potato starch. Laser particle-size analysis indicated significant differences in the size of starch granules between four varieties of potato,which the average particle size varying from 37.43～41.62 μm. Four varieties of potato starch particles had the same crystalline type,which were all belong to B-type,however,their relative crystallinity had significant differences,which was varying from 24.87%～29.53%. Based on the analysis differential scanning calorimetry,thermodynamic properties(T0,TP,TC,ΔH)from different four varieties of potato starch were significant differences(p<0.05),ranging from 58.63～62.25 ℃,62.92～66.75 ℃,68.37～73.07 ℃,13.7235～17.6313 J/g。The freeze-thaw stability and transparency of four kinds of potato starch have also significant differences. Compared the analysis result of structure and properties from four varieties of potato starch,this work can lay the theory foundation for the study of the potato food raw material screening.

potato starch;microstructure;thermodynamic properties

2016-07-20

徐忠(1964-)，男，博士，教授，研究方向：淀粉化學與加工技術，E-mail:xuzhong2009@163.com。

TS231

A

1002-0306(2017)06-0132-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.06.017