7種特色根莖類淀粉的流變與凝膠特性研究

鄒金浩 李 燕 余虹露 郭時印 蘇小軍,3 李文佳 李清明

(1. 生物質醇類燃料湖南省工程實驗室〔湖南農業大學〕，湖南 長沙 410128；2. 湖南農業大學食品科學與技術學院，湖南 長沙 410128；3. 湖南省植物功能成分利用協同創新中心，湖南 長沙 410128)

根莖類作物主要包括甘薯、馬鈴薯、淮山、芋類等。中國南方根莖類作物資源豐富，擁有馬鋪淮山、江永香芋等國家地理標志產品等極具地方特色的根莖類作物資源[1]。南方根莖類作物由于產量高，效益好，種植面積連年擴大，淮山、香芋等根莖類作物主要作為蔬菜或糧菜消費，木薯則多用于加工。淀粉是根莖類作物的主要成分，是人們賴以生存的重要能量物質。不同品種淀粉的糊化和凝膠性質差異較大，淀粉的糊化性質和凝膠性質與面條[2]、粉條[3]等產品品質顯著相關，其凝膠強度對淀粉類食品加工、成型性能和淀粉質食品的口感、速食性能影響顯著[4]。

淀粉來源與作物生長環境對淀粉性質影響較大，目前對中國北方產的淮山等根莖類淀粉結構和理化性質的研究[5-7]較多，而對南方產的根莖類淀粉的研究[8-9]主要集中在木薯淀粉，許多針對根莖類淀粉性質的研究報道多以市售原料為研究對象，未考慮具體品種、產地的因素對淀粉性質的影響。趙小梅等[10]對加工型淮山淀粉的糊化和質構性質進行了研究，但針對馬鋪淮山等中國南方產根莖類作物的淀粉未見報道。為深入了解中國南方特色根莖類作物淀粉特性，尋找淮山等根莖類淀粉在加工上的準確定位，本試驗擬以工業應用較廣的木薯品種為參照，運用RVA儀、流變儀、質構儀對南方特色的馬鋪淮山、雙峰淮山、桂淮2號、紫腳板薯、江永香芋中淀粉的糊化、流變和凝膠質構特性進行研究，預測其應用潛能，為中國南方根莖類淀粉的開發利用提供思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

材料信息見表1。

表1 7種根莖類淀粉品種及來源

1.1.2 主要儀器設備

高速多功能粉碎機：800Y型，永康市鉑歐五金制品有限公司；

快速黏度分析儀：RVA-S/N2112681型，瑞典perten儀器有限公司；

旋轉流變儀：Kinexus pro+型，英國馬爾文儀器公司；

物性測定儀：TA.XT.plus型，英國Stable Micro Systems公司；

分析天平：BS224S型，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；

電子天平：TP-1200A型，湘儀天平儀器設備有限公司；

數顯恒溫水浴鍋：HH-6型，常州澳華儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 淀粉的提取 參照Li等[11]的方法用水提法提取。

1.2.2 樣品的制備 準確稱取7種根莖類淀粉，于燒杯中加入去離子水混合，配制成0.1 g/mL的淀粉懸浮液，攪拌均勻后在95 ℃水浴鍋中加熱糊化15 min。

1.2.3 淀粉糊化性質的測定 準確稱取(3.00±0.01) g的淀粉樣品放入快速黏度計專用鋁盒中，準確量取25.0 mL 蒸餾水加入鋁盒中，將攪拌器置于鋁盒中上下快速攪動，使樣品均勻，再置于快速黏度分析儀中。采用GB 24853—2010《小麥、黑麥及其粉類和淀粉糊化特性測定 快速黏度儀法》標準程序1的溫度模式，即RVA初始溫度為50 ℃，保持1 min，然后以12 ℃/min 升高至95 ℃，保持2.5 min，再以12 ℃/min降至50 ℃，保持2 min，根據RVA的曲線，分別獲得峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、回生值、崩解值、糊化溫度和峰值時間。

1.2.4 淀粉動態流變特性的測定 取1.2.2中的淀粉糊，置于流變儀測定平臺，采用平板—平板測量系統，平板直徑為40 mm，平板間距為1 mm，刮去平板外多余樣品，加上蓋板，測試溫度為25 ℃，頻率變化范圍為0.1～10.0 Hz，測定樣品的黏彈性。

1.2.5 淀粉凝膠強度的測定 選用凝膠強度測試探頭P/0.5圓柱探頭測定。參數設定為：選取Compression模式，測試速度0.5 m/s，壓縮深度10 mm，凝膠強度值由質構儀軟件直接讀取。

1.2.6 淀粉凝膠質構特性的測定 將1.2.2中的樣品裝入20 mL注射器中冷卻，在4 ℃條件下冷藏24 h后形成直徑為2 cm的圓柱形凝膠。測試前將凝膠倒出切成直徑為2 cm、高為1 cm的小圓柱體進行質構測定。測定條件：選取TPA 模式，P/36R型探頭，測試前速率2.0 mm/s，測試速率1.0 mm/s，測試后速率 1.0 mm/s，壓縮程度40%，觸發力5 g。

2 結果與分析

2.1 淀粉糊化特性

淀粉的糊化特性反映了淀粉的可利用性，南方不同特色根莖類淀粉的糊化特征值見表2。

由表2可知，不同根莖類淀粉的糊化特性存在顯著差異(P<0.05)，各淀粉在69.77～84.37 ℃時開始糊化，淮山淀粉和香芋淀粉的糊化溫度、峰值時間均大于木薯淀粉，說明淮山淀粉和香芋淀粉糊化過程中消耗的能量較大，結構較穩定。糊化溫度的大小受多種因素影響，香芋淀粉糊化溫度高的原因可能與其淀粉顆粒較小有關，而造成淮山淀粉糊化溫度高的原因可能與其直鏈淀粉含量、結晶類型有關，具體原因還有待進一步驗證。研究[12]表明，木薯淀粉的糊化溫度為65～72 ℃，峰值時間在4 min 左右，與本研究結果一致。

表2 不同品種根莖類淀粉的糊化特性?

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

由表2還可知，木薯淀粉的崩解值均大于淮山淀粉和香芋淀粉，高倫江等[4]在研究不同淀粉糊化特性時發現，木薯淀粉崩解值大于紅薯、馬鈴薯淀粉，說明木薯淀粉在根莖類淀粉糊化過程中崩解值較高，黏度下降速度較快，可以獲得柔軟的食品質地，所以木薯淀粉可用來制作湯圓、芋圓等產品。

兩種木薯淀粉的糊化溫度差異不顯著(P>0.05)，SC9峰值時間較長。各淮山淀粉的糊化溫度、峰值時間差異明顯(P<0.05)， SFY糊化溫度較高，SYPY峰值時間較長?；瓷降矸酆湍臼淼矸燮贩N間的峰值、谷值、最終黏度、回生值、崩解值差異顯著(P<0.05)，其中SC9峰值、谷值、最終黏度、回生值均比SC205高，SC205崩解值比SC9高，MPY有著較高的峰值黏度，SFY有著較高的谷值黏度、最終黏度和回生值，而SYPY在淮山淀粉中有著較高的崩解值。

MPY的峰值、谷值、最終黏度均大于木薯淀粉，淀粉結合水的能力和糊化后形成凝膠的能力比木薯淀粉強，可用于粉條加工。SFY的回生值最大，說明其淀粉糊冷卻后穩定好，凝膠性高，適宜制作方便食品。

2.2 淀粉動態流變特性

動態流變學可用來測定不同樣品的黏彈性，與食品的實際加工特性和質量控制直接相關[13]。彈性模量反映了淀粉糊變形后恢復原形狀的能力，彈性模量越大，淀粉糊變形后恢復原形狀的能力越強，淀粉凝膠彈性越強[14]，黏性模量反映了淀粉糊抵抗流動的能力，黏性模量越大，越不易流動[15-16]。由圖1可以看出，GY2和MPY糊的彈性模量G′較高，SFY的黏性模量G″較高。

損耗角正切值tan δ為損耗模量G′與貯能模量G″的比值。由圖2可以看出，損耗角正切值(tan δ)均<1，淀粉糊彈性模量與黏性模量均隨頻率增加而增加，7種根莖類淀粉均表現為典型的弱凝膠動態流變學譜圖。

2.3 淀粉凝膠質構特性分析

2.3.1 淀粉凝膠強度分析 淀粉凝膠強度反映了淀粉糊化形成凝膠后的穩定性，不同特色根莖類淀粉凝膠強度特征值見表3。

由表3知，不同品種根莖類淀粉凝膠強度差異明顯(P<0.05)，淮山淀粉(SYPY、GY2和MPY)凝膠強度、壓縮功、黏度和黏附功均顯著高于木薯淀粉和香芋淀粉，說明淮山淀粉凝膠分子間作用力大，在根莖類淀粉中有著凝膠結構較穩定的特點。

圖1 不同根莖類淀粉糊彈性模量G′及黏性模量G″隨頻率變化曲線

淀粉類凝膠食品一般具有一定的凝膠強度，這與淀粉的凝膠特性相關，淀粉凝膠強度對淀粉類凝膠食品的口感、穩定性，食用性有很大的影響[17-18]。從表3可以看出，SYPY和MPY凝膠強度較大，分別為347.65，345.14 g，JYT凝膠強度最小，僅為48.59 g，所以SYPY和MPY適合制成具有一定強度的粉皮、涼粉。淀粉凝膠的黏度和黏附功直接影響到產品加工過程的黏著性，是影響加工性能的重要因素。表3結果顯示，GY2、SYPY、MPY凝膠的黏度和黏附功較大，說明其凝膠具有較高的黏稠性和堅實性，在加工過程中應該注意避免其黏著性過強，影響產品的成型以及設備的正常運行。

圖2 不同根莖類淀粉損耗角正切tan δ隨頻率變化曲線

Figure 2 Variation curves of different root crop starches loss tangent angle patterns with frequency

2.3.2 淀粉凝膠質構特性分析 淀粉凝膠的質構特性各指標參數見表4。

表3 不同根莖類淀粉凝膠特性?

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

表4 不同品種根莖類淀粉的凝膠質構特性?

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

由表4知，不同品種的根莖類淀粉凝膠質構特性差異明顯(P<0.05)。硬度代表樣品變形所需要的力，膠黏性代表將半固體樣品破裂成吞咽時的穩定狀態所需的能量，咀嚼性代表將固體樣品咀嚼為能夠吞咽狀態所需的能量[19]。黏附性大小反映了淀粉的老化程度[20]，彈性和內聚性反映了淀粉凝膠內部的緊密性，回復性代表凝膠受外力后所回復原來形狀的能力，黏附性代表樣品表面和其他物質黏附時，剝離它們所需要的力。從表4可以看出，淮山淀粉凝膠硬度、膠黏性大于木薯淀粉和香芋淀粉，可能與各淀粉中直鏈淀粉含量有關[21]28-31。香芋淀粉和木薯淀粉凝膠硬度、膠黏性、咀嚼性差異不明顯(P>0.05)。木薯淀粉凝膠彈性、內聚性均大于淮山淀粉和香芋淀粉。香芋淀粉凝膠黏附性小于淮山淀粉，說明香芋淀粉老化程度較大?；瓷降矸?SFY、GY2、SYPY)和香芋淀粉凝膠回復性均小于木薯淀粉，說明木薯淀粉凝膠抗壓力能力較強，淀粉凝膠內部結合較緊密。黃峻榕等[22]研究表明，木薯淀粉凝膠硬度在5%，10%淀粉濃度條件下為34.5，96.6 g，且小于馬鈴薯、紅薯淀粉，本試驗木薯淀粉凝膠硬度分別為42.56，42.94 g，與其結果相近。

各淮山淀粉凝膠質構特性差異明顯(P<0.05)，且MPY硬度、彈性、內聚性、膠黏性、咀嚼性、回復性較大，SYPY黏附性較大。兩種木薯淀粉凝膠強度、彈性、膠黏性、咀嚼性、回復性無顯著差異(P>0.05)。SC9凝膠內聚性比SC205大，且差異明顯(P<0.05)。

從表4可以看出，MPY凝膠硬度，彈性、膠黏性，咀嚼性、回復性最大，可作為一種凝膠劑，適用于凝膠糖果的制作上。SYPY凝膠的黏附性最大，而JYT的凝膠硬度，膠黏性，咀嚼性最小。一般而言，直鏈淀粉含量越高，分子相互間交連和纏繞的程度就越高，凝膠硬度也就越大[23]，推斷這7種根莖類淀粉中MPY直鏈淀粉含量最大，JYT直鏈淀粉含量最小。直鏈淀粉含量高的淀粉容易成膜[24-25]，由此可以推斷MPY有可成為可食用薄膜原料的潛力。

2.4 淀粉糊化與質構特征參數的相關性分析

淀粉糊化與凝膠質構特性決定了淀粉凝膠類食品的力學味覺或流變學味覺，二者均反映了淀粉凝膠的力學性能。從表5可以看出，不同品種根莖類淀粉糊化與質構特征參數之間具有一定的相關性，不同品種根莖類淀粉峰值時間與黏附性顯著正相關(P<0.05)，說明從淀粉糊化測試開始到達到峰值黏度需要的時間越長，冷卻回生后形成的淀粉凝膠的黏附性就越大，可能與直鏈淀粉和支鏈淀粉數量的比值有關。直鏈淀粉含量高的淀粉糊化需要的時間相對較長，且直鏈淀粉含量高，在形成凝膠的過程中直鏈淀粉聚集程度就高，加快了淀粉糊的回生速率，同時會有更多的水從淀粉糊中析出，從而形成硬度、黏附性、膠黏性大的凝膠[21]37-39。不同品種根莖類淀粉峰值時間與彈性顯著負相關(P<0.05)，說明峰值時間越長，形成的淀粉凝膠的彈性就越小。

表5 根莖類淀粉糊化與凝膠質構特征參數的相關性分析?

? *表示顯著(P<0.05)。

3 結論

不同根莖類作物間淀粉的糊化與凝膠質構特性存在較大差異，淮山淀粉有著糊化溫度高，峰值時間長，凝膠強度、硬度大的特點，適合粉條等食品的加工應用。木薯淀粉有著糊化溫度低，峰值時間短，崩解值大，凝膠彈性，內聚性大的特點，適合湯圓、芋圓等食品的加工應用。香芋淀粉有著糊化溫度高，凝膠強度、硬度、膠黏性、咀嚼性小的特點，在食品加工上的應用還有待進一步討論。不同作物品種間有一定的差異，但差異相對較小，根據具體品種的特點，可進行相應的開發應用，MPY的凝膠硬度，彈性、膠黏性，咀嚼性、回復性最大，可作為一種凝膠劑，適用于凝膠糖果的制作。SFY的回生值最大，適宜穩定性好，凝膠性高的方便食品的制作。7種根莖類淀粉糊均為假塑性流體，且GY2和MPY彈性較大，SYPY黏性較大。淀粉糊化的峰值時間與淀粉凝膠的黏附性和彈性顯著相關(P<0.05)，可以通過淀粉糊化的峰值時間來預測淀粉凝膠質構的黏附性和彈性。7種根莖淀粉由于來源不同，淀粉性質間的差異較大，在實際生產中應根據其特性進行合理利用。目前淮山淀粉和香芋淀粉的工業應用較少，需進一步模擬淀粉加工的條件，進行特定產品的開發和應用研究，系統研究加工性質，挖掘其應用潛能。