超聲波處理對馬鈴薯全粉理化性質和消化特性的影響

閆巧珍 高瑞雄 侯傳麗 韓 克 張趙星 張正茂

(西北農林科技大學食品科學與工程學院1，楊凌 712100) (西北農林科技大學農學院2，楊凌 712100)

超聲波處理對馬鈴薯全粉理化性質和消化特性的影響

閆巧珍1高瑞雄1侯傳麗1韓 克1張趙星2張正茂2

(西北農林科技大學食品科學與工程學院1，楊凌 712100) (西北農林科技大學農學院2，楊凌 712100)

以馬鈴薯全粉為原料，研究超聲處理對馬鈴薯全粉理化性質和消化特性的影響。結果表明：超聲處理使得馬鈴薯全粉的結晶度增大，晶體結構明顯改變，溶解度、膨脹度、吸油性、崩解值、糊化溫度和消化特性顯著降低。隨著超聲波處理時間的延長，馬鈴薯全粉的結晶度、峰值黏度、谷值黏度和最終黏度先升高后降低。隨著超聲波處理時間的延長，快消化淀粉(RDS)含量降低，慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)含量升高。研究表明，超聲處理顯著影響馬鈴薯全粉的理化性質和消化特性(P<0.05)。

馬鈴薯全粉 超聲波 理化性質 消化特性

馬鈴薯(Solanumtuberosum)為茄科茄屬一年生草本塊莖植物，是全球第四大主要糧食作物。馬鈴薯富含淀粉、纖維素、礦物質和維生素等多種營養物質。從營養角度來看，它比大米、面粉具有更多的優點，食用后不僅能給機體提供熱量，而且低脂肪、高膳食纖維，能增強飽腹感，具有減肥的功效。

馬鈴薯全粉是以新鮮馬鈴薯為原料，經清洗、去皮、挑選、切片、護色、蒸煮、破碎、干燥和磨粉等工藝獲得到的粉末狀產品。復水后的馬鈴薯全粉與蒸熟的新鮮馬鈴薯搗泥后的組織狀態一致，具有鮮薯的風味和口感[1]。馬鈴薯全粉包含新鮮馬鈴薯除薯皮以外的全部干物質，組成豐富，營養價值高。

馬鈴薯全粉淀粉含量高(70%～80%)，人體攝入馬鈴薯全粉后主要體現為對淀粉的消化和吸收。研究發現淀粉的消化性與人體多種疾病有緊密的聯系。食用低血糖指數的食物能夠對心血管疾病、非胰島素依賴型糖尿病等疾病進行預防，而血糖反應基本是由食物的消化速率以及程度決定的[2]。淀粉是人類膳食中的主要碳水化合物，也是人體的能源物質。根據淀粉在人體的消化速度，可將其分為快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)[3]。研究表明，SDS和RS含量高的食物可以被機體緩慢吸收并持續釋放能量，有助于維持血糖的穩定，預防糖尿病等慢性疾病[4]。

超聲波是一種頻率介于2×104～2×109Hz的聲波，具有方向性好、能量高、穿透力強等特點。淀粉在超聲波的熱作用、機械作用和空化作用下，分子鏈被打斷，游離小分子片段發生氧化還原反應，使淀粉結晶結構和糊化老化等性質被改變[5]。如畢禮政等[6]利用超聲波輔助酶法提高了玉米中SDS的含量，可見采用超聲波手段改變淀粉的理化性質和消化特性具有可行性。2015年我國啟動推進馬鈴薯主糧化產品開發戰略，然而本課題組在前期研究發現馬鈴薯全粉具有較高的消化速率，不適宜于糖尿病病人等特殊人群食用。因此，需要采用必要措施改變其消化特性。目前，關于超聲波處理改變馬鈴薯全粉的理化性質和消化特性的研究鮮見報道。

本試驗通過建立體外消化模型，研究超聲波處理對馬鈴薯全粉的理化性質和消化特性的影響，以期為馬鈴薯主糧化產品開發戰略和馬鈴薯全粉工業化生產提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

馬鈴薯(品種：克新一號)顆粒全粉：甘肅正陽農業科技股份有限公司；豬胰α-淀粉酶：美國Sigma公司；其他均為分析純

1.2 儀器

UV-1780分光光度計：日本島津公司；RVA-3D 型快速黏度分析儀：澳大利亞Newport Scientific儀器公司；X射線衍射儀：日本理學公司；SB DTY 超聲波多頻清洗機：寧波新芝生物科技股份有限公司；K12A自動定氮儀：上海晟聲自動化分析儀器有限公司；SHA-B恒溫振蕩器：常州朗越儀器制造有限公司。

1.3 方法

1.3.1 基本理化指標測定

含水量：參考GB 5009.3—2010 直接干燥法測定；灰分：參考GB 5009.4—2010 灼燒法測定；蛋白質：參考GB 5009.5—2010 凱氏定氮法測定；脂肪：參考GB 5009.6—2003 酸水解法測定；淀粉：參考GBT 5009.9—2008 酸水解法；膳食纖維：參考GB 5009. 88—2008《食品中膳食纖維的測定》；維生素C含量的測定：參考2,6—二氯酚靛酚法。

1.3.2 超聲處理

稱取一定量的馬鈴薯全粉，用蒸餾水調節含水量為35%，放入錐形瓶，封口平衡水分24 h。啟動數控超聲設備，在頻率40 kHz，功率400 W，溫度40 ℃條件下分別作用0、20、40、60、80、100 min，于40 ℃恒溫鼓風干燥箱中烘干，磨粉，過100目篩，于室溫干燥保存，待用。以原馬鈴薯全粉過100目篩作為對照。

1.3.3 掃描電鏡觀察

參考張麗芳等[7]的方法。

1.3.4 X-衍射分析

采用X射線衍射儀測定結晶特性。測試條件為：特征射線CuKα，管壓為40 kV，電流100 mA，掃描速率4°/min，測量角度2θ=5～60°，步長為0.02°，發散狹縫為1°，防發散狹縫為1°，接收狹縫為0.16 mm[8]。

1.3.5 持油性測定

參考吳衛國等[1]的方法。

1.3.6 溶脹度測定

參考井月欣等[9]的方法。

1.3.7 糊化特性測定

參考閆喜梅等[10]的方法。

1.3.8 消化特性測定

根據Englys等[11]、張欣欣等[12]和Zaidul等[13]的方法，稍作改動。準確稱取400 mg干基全粉產物，添加20 mL pH 5.2的磷酸緩沖液，攪拌混勻后全部轉移至100 mL三角瓶中，再往三角瓶中加入10 mL 280 U/mL胰α-淀粉酶液以及250 U/mL糖化酶混酶液，然后將其置于37 ℃水浴振蕩器中酶解。在酶解時間分別為20 min和120 min時，從三角瓶中取出0.5 mL酶解液，加入4 mL66%乙醇滅酶，采用DNS法測出其所含的葡萄糖量。

計算公式為：

RDS(%)=100×(G20-FG)×0.9/TS

SDS(%)=100×(G120-G20)×0.9/TS

式中：G20為酶解20 min后的葡萄糖量，mg；G120為酶解120 min后的葡萄糖量，mg；FG為酶解前的游離葡萄糖量，mg；TS為樣品淀粉量，mg。

1.4 數據處理

每個樣品平行測定3次，采用Origin 8.0作圖和SPSS 17.0進行數據處理。

2 結果分析

2.1 馬鈴薯全粉的基本組成

由表1可以看出，馬鈴薯全粉的主要成分是淀粉，其次是蛋白質、纖維素和水分，少量維生素C。可見，馬鈴薯全粉不僅營養豐富，而且具有高碳水化合物、高蛋白、低脂肪的特點。這與岳靜等[14]和沈曉萍等[15]的研究報道一致。

表1 馬鈴薯全粉的基本組成

2.2 超聲處理對馬鈴薯全粉微觀結構的影響

超聲處理對馬鈴薯全粉微觀結構影響如圖1所示。

圖1 超聲處理對馬鈴薯全粉微觀結構的影響(SEM×500)

由圖1可以看出，原馬鈴薯全粉呈塊段、碎片和絮狀，薄層表面光滑或呈現明顯裂紋，可見區域無完整淀粉顆粒存在。經超聲處理(含水量為35%，溫度為40 ℃，時間為60 min)馬鈴薯全粉的明顯片層和棱角變少，表面出現褶皺，有明顯的黏結現象出現，顆粒尺寸增大。這可能是由于超聲處理過程中劇烈振動作用使水分子動能增大，從馬鈴薯全粉中心向表面遷移，表面的大量水分在熱能作用下使馬鈴薯全粉的表面發生糊化，黏度增大，導致黏結現象出現。在進一步的超聲作用下，馬鈴薯顆粒間的作用加強，形成大的顆粒，從而使尺寸增大。

2.3 超聲處理對馬鈴薯全粉晶體結構的影響

由圖2和表2可以看出，經超聲處理后，馬鈴薯全粉的出峰位置明顯改變，在17°出現明顯尖峰，25°以后的小尖峰消失。可見，超聲處理明顯改變馬鈴薯全粉的晶型。隨著時間的延長，峰的尖銳程度加強，在80 min達到最大。與結晶度隨著時間延長的變化保持一致，在80 min，結晶度達最大值28.92%。這可能是由于超聲作用使得馬鈴薯全粉中短鏈分子相互作用，晶體間間距縮小，導致晶體結構更加緊密。在100 min時，出現下降的現象，可能是由于長時間的空化作用，使得全粉顆粒的部分晶體遭到一定程度破壞。

圖2 超聲處理對馬鈴薯全粉晶體結構的影響

表2 超聲處理對馬鈴薯全粉結晶度的影響

t/min02040結晶度/%2.67±0.029.24±0.1310.25±0.09t/min6080100結晶度/%17.47±0.2528.92±0.3820.33±0.54

2.4 超聲處理對馬鈴薯全粉溶解度的影響

超聲處理對馬鈴薯全粉溶解度的影響如圖3所示。

圖3 超聲處理對馬鈴薯全粉溶解度的影響

溶解度反映了單位質量樣品的溶解能力。從圖3可以看出，對照與樣品的溶解度均隨著溫度升高而升高，且相同溫度下處理樣品均低于對照。說明超聲處理降低了馬鈴薯全粉溶解度。

由圖3可以看出，隨著超聲處理時間的延長，馬鈴薯全粉的溶解度先升高后降低。時間為80 min時，溶解度最高。這可能是由于水分子在超聲作用下裂解為自由基作用于淀粉發生斷裂，短鏈分子數量增加，使其與水分子的作用加強，導致溶解度升高[16]。當時間過長時，黏結在一起的顆粒間的作用得到加強，使水分子難以進入其間隙，并且使其接觸面積減小，導致溶解度降低。

2.5 超聲處理對馬鈴薯全粉膨脹度的影響

膨脹度反映了樣品的水合能力。由圖4可知，對照與處理樣品的膨脹度均隨著溫度升高而升高，且相同溫度下對照的膨脹度均高于處理樣品。說明超聲處理使馬鈴薯全粉的膨脹度降低，這與結晶度的變化有關。

如圖4所示，隨著超聲處理時間的延長，馬鈴薯全粉的膨脹度與溶解度呈相同的變化趨勢，即先升高后降低。膨脹度降低與結晶度有關。結晶度越大，晶體結構越強，水分子越難以進入顆粒內部，導致膨脹度降低。膨脹度隨時間的變化可能是由于超聲時間越長，物質運動越激烈，顆粒中的淀粉及其他成分在高能水分子作用下鏈長變短，自由基暴露增多，使其水合能力提高，膨脹力也隨之增大。但是過長時間的超聲作用，水分子的高速運動和強烈撞擊可能會導致淀粉分子內部出現孔洞，導致部分可溶性糖等物質溶出，從而導致膨脹度降低[17-18]。

圖4 超聲處理對馬鈴薯全粉膨脹度的影響

2.6 超聲處理對馬鈴薯全粉吸油性的影響

吸油性對食品的配方設計有一定的參考意義。一般吸油性高則可在配方中增加油脂用量，可作為高含油量食品的原料。同時，低的吸油性具有良好的保健性質。由圖5可以看出，與對照相比所有處理樣品的吸油性均顯著降低(P<0.05)。說明超聲處理使得馬鈴薯全粉的吸油能力降低。這可能是由于全粉顆粒尺寸增大，有效接觸面積減小導致。

如圖5所示，隨著超聲處理時間的延長，馬鈴薯全粉的吸油性先升高后降低。這是可能因為隨著超聲處理時間的延長，淀粉的進一步斷裂，導致親油自由基增多，使其吸油性升高。100 min時，吸油性降低，可能是由于在自然狀態下脂肪與淀粉可以形成淀粉-脂肪復合物，在過長的超聲作用下使得復合物結構被破壞，從而導致吸油性的下降。

注：圖中不同字母表示差異顯著(P<0.05)圖5 超聲處理對馬鈴薯全粉吸油性的影響

吸油性對食品的配方設計有一定的參考意義。一般吸油性高則可在配方中增加油脂用量，可作為高含油量食品的原料。同時，低的吸油性具有良好的保健性質。由圖5可以看出，與對照相比所有處理樣品的吸油性均顯著降低(P<0.05)。說明超聲處理使得馬鈴薯全粉的吸油能力降低。這可能是由于全粉顆粒尺寸增大，有效接觸面積減小導致。

如圖5所示，隨著超聲處理時間的延長，馬鈴薯全粉的吸油性先升高后降低。這是可能因為隨著超聲處理時間的延長，淀粉的進一步斷裂，導致親油自由基增多，使其吸油性升高。100 min時，吸油性降低，可能是由于在自然狀態下脂肪與淀粉可以形成淀粉—脂肪復合物，在過長的超聲作用下使得復合物結構被破壞，從而導致吸油性的下降。

2.7 超聲處理對馬鈴薯全粉糊化特性的影響

超聲時間對馬鈴薯全粉糊化特性的影響如表3所示。

表3 超聲時間對馬鈴薯全粉糊化特性的影響

注：表中同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)

隨著超聲時間的延長，馬鈴薯全粉的峰值黏度、谷值黏度和最終黏度均先升高后降低。黏度值先升高是由于在超聲作用下馬鈴薯全粉中的淀粉分子發生重排，使得全粉結構更加致密，從而使得全粉糊的黏度升高。這與崔璐[19]的研究報道一致。黏度值降低是由于超聲作用的加強，對淀粉分子的破壞程度增強，使得混粉體系的小分子數量增加，對全粉糊的黏性阻力減小，從而引起黏度的降低。這與張志華[20]、羅志剛等[17]和付陳梅等[21]的研究報道一致。崩解值降低，說明超聲處理使得全粉的熱穩定性提高。回生值變化不明顯，說明超聲處理對馬鈴薯全粉的老化性質影響較小。隨著超聲時間的延長，糊化溫度顯著低于對照，但不同時間段之間沒有顯著差異，說明超聲處理使得馬鈴薯全粉更容易糊化。可見超聲處理可以顯著提高馬鈴薯全粉的糊化性質。

2.8 超聲處理對馬鈴薯全粉消化性的影響

超聲處理對馬鈴薯全粉消化性的影響如圖6所示。

圖6 超聲處理對馬鈴薯全粉消化性的影響

RDS是指20 min內能被快速消化吸收的淀粉，屬于快速釋放能量的高血糖食品，所以在針對特殊人群的膳食中應該降低其含量。食物中RDS越高，說明其消化性越好。SDS可以可緩慢釋放能量，有效維持餐后血糖穩態，作為很好的膳食原料。RS具有高膳食纖維含量和低熱量的特點，有助于潤腸輕體、降低血糖水平[22]。添加適量RS到食物中，不僅可使其具有更好的風味和口感，并且可以對一型糖尿病、肥胖癥等疾病起到預防作用。食物中SDS和RS含量越高，說明其消化性越低。

如圖6所示，隨著超聲處理時間的延長，馬鈴薯全粉中RDS含量降低。當超聲時間為100 min時，全粉中RDS含量最低，低于對照74.78%。超聲時間越長，全粉中SDS含量越高。在20～60 min時，隨著超聲時間延長，SDS含量迅速升高，在60 min以后變化平緩。隨著超聲時間的延長，馬鈴薯全粉中的RS含量隨之升高。超聲時間為100 min時，RS含量達最高，是對照的5.68倍。RDS、SDS和RS含量的改變與馬鈴薯全粉的微觀結構以及晶體結構和結晶度的改變有關。可能是由于超聲作用使得全粉中的部分淀粉分解為短鏈分子和自由基，冷卻后自由基與淀粉分子之間重新排列，形成穩定的氫鍵結構，結晶度增大，使得其對淀粉酶的敏感度降低，從而降低RDS含量，升高SDS和RS含量[23]。

3 結論

超聲處理對馬鈴薯全粉的微觀結構、晶體結構、結晶度、溶脹度、吸油性、糊化性質和消化特性均有顯著影響。

超聲處理使得馬鈴薯全粉的尺寸和結晶度增大，晶體結構明顯改變，溶解度、膨脹度、吸油性、黏度值和糊化溫度顯著降低。RDS含量降低，SDS和RS含量升高，說明馬鈴薯全粉的消化性降低。可見，超聲處理對馬鈴薯全粉的理化性質和消化特性有顯著影響。

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The Effect of Ultrasonic on the Physicochemical Properties and Digestibility of Potato Granules

Yan Qiaozhen1Gao Ruixiong1Hou Chuanli1Han Ke1Zhang Zhaoxing2Zhang Zhengmao2

(College of Food Science and Engineering，Northwest A&F University1，Yangling 712100) (College of Agronomy，Northwest A&F University2，Yangling 712100)

Potato granules were used as raw material to study the effect of ultrasonic treatment on the physicochemical properties and digestibility of potato granule. The results showed that ultrasonic treatment increased the crystallinity of potato granules and changed its crystal structure, and decreased the solubility, dilatation, oil absorbency , disintegration value, gelatinization temperature and digestibility of potato granules significantly. The crystallinity, peak viscosity, tough viscosity and final viscosity increased first and then decreased with the time of ultrasonic treatment increases. With the prolonging of ultrasonic treatment time, the content of rapidly digestible starch (RDS) decreased, whereas slowly digestible starch (SDS) and resistant starch (RS) content increased. The result showed that the effect of ultrasonic treatment on the physicochemical properties and digestibility of potato granules was significant.

potato granules, ultrasonic, physicochemical properties, digestibility

陜西省科技統籌計劃(2014KTZB02-01-01)

2016-05-03

閆巧珍，女，1990年出生，碩士，糧油品質分析與加工

張正茂，男，1961年出生，研究員，小麥遺傳育種與糧油加工

TS 215

：A

：1003-0174(2017)08-0105-06