鄒金浩，李 燕，歐陽華峰，郭時印，蘇小軍，宋 勇，李清明,*

（1.湖南農業(yè)大學食品科學技術學院，湖南 長沙 410128；2.湖南省發(fā)酵食品工程技術研究中心，湖南 長沙 410128；3.湖南農業(yè)大學園藝學院，湖南 長沙 410128）

粉條是我國傳統(tǒng)的淀粉類食品，谷類、豆類、薯類淀粉是制備粉條的主要原料。豆類淀粉如綠豆淀粉由于直鏈淀粉含量高，被認為是最適合制作粉條的原料[1]。淮山是全球除馬鈴薯、木薯、紅薯外的第四大薯類作物，也是許多熱帶亞熱帶國家的主糧作物，據(jù)聯(lián)合國糧食及農業(yè)組織統(tǒng)計，2017年全球淮山的總產量為0.73億 t[2]。淀粉是淮山中主要營養(yǎng)物質，在淮山中干物質質量分數(shù)高達60%～85%[3]。淮山淀粉中直鏈淀粉含量高[4]，凝膠能力強[5]，具有開發(fā)成粉條的潛力。

目前淀粉的化學成分、理化性質、熱力學性質等與粉條品質間的關系已有較多研究報道[6-9]，表明粉條品質與淀粉中直鏈淀粉含量[6]、溶解度、膨潤力[7]、糊化性質[8]和熱力學性質[9]密切相關，而溶解度及膨潤力、糊化性質和熱力學性質受到淀粉顆粒大小、直鏈淀粉鏈長和分支數(shù)等結構性質的影響[10-11]。淀粉的結晶結構也是影響粉條品質的重要因素，黃華宏[12]研究了甘薯淀粉結晶度與其粉條品質間的相關性，發(fā)現(xiàn)淀粉的結晶度與粉條膨潤度、耐煮性極顯著負相關。淀粉的粒度、分子結構、結晶結構等結構特性與粉條的品質密切相關，深入了解淀粉結構與粉條品質間的關系對提高淀粉粉條的品質具有一定的指導意義。

本實驗對紅薯淀粉、木薯淀粉和淮山淀粉的粒徑、分子結構、結晶結構等結構性質進行表征，研究薯類淀粉粒徑、分子結構、結晶結構與其粉條品質間的關系，旨在為薯類淀粉的開發(fā)提供新的思路，為粉條品質的改善提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

各薯類原料來源見表1，淀粉提取方法參照Li Qian等[13]的水提法提取，于45 ℃干燥后備用。

表1 7 種薯類原料品種及來源Table 1 Geographical origin of seven root crop varieties tested in this study

溴化鉀（光譜純）、二甲基亞砜（色譜純）、溴化鋰（分析純） 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

JSM-6380LV型掃描電子顯微鏡 日本電子株式會社；XRD-6000型X射線衍射儀、IR Affinity-1型傅里葉變換紅外光譜 日本Shimadzu公司；Viscotek TDA205max型凝膠滲透色譜、Mastersizer 3000型激光粒度儀 英國馬爾文儀器有限公司；TA.XT.plus型物性測定儀 英國Stable Micro Systems公司。

1.3 方法

1.3.1 淀粉性質測定

1.3.1.1 淀粉的掃描電子顯微鏡觀察

將干燥的淀粉樣品用導電雙面膠固定在樣品臺上，然后進行噴金處理，再用掃描電子顯微鏡觀察淀粉顆粒樣貌并拍照，掃描電子顯微鏡加速電壓為25 kV。

1.3.1.2 淀粉的X射線衍射測定

將樣品粉末壓片后，用X射線衍射儀測定試樣的結晶結構。測定條件：掃描模式為連續(xù)，掃描范圍5°～80°，掃描速率5°/min，步寬0.02°，靶Cu，管壓40 kV，管流30 mA，狹縫1.0°、1.0°、0.3°，波長1.540 6 nm。

1.3.1.3 淀粉的紅外光譜測定

紅外光譜測定采用溴化鉀壓片法。取100 mg左右的溴化鉀于瑪瑙缽中研碎，加約1 mg樣品，研勻，壓片。將其在400～4 000 cm-1波數(shù)范圍內掃描，以波數(shù)為橫坐標，吸光度為縱坐標，得到紅外吸收光譜。

1.3.1.4 淀粉的分子質量及其分布測定

將150 mg淀粉溶于10 mL體積分數(shù)90%的二甲亞砜溶液，從中取出1 mL加入無水甲醇以沉淀淀粉，然后5 000×g離心20 min，沉淀復溶于5 mL沸水中，并攪拌20 min，然后5 000×g離心30 min，棄沉淀，上清液注入Sepharose CL-2B色譜柱（2.6 cm×90 cm，分離范圍7×104～4×107g/mol）。洗脫液為50 mol/L的NaCl（含質量分數(shù)0.02%疊氮鈉），洗脫速率0.3 mL/min，每管收集3 mL，共收集80 管。用硫酸苯酚法在490 nm波長處測定各管反應物吸光度，并據(jù)此繪制洗脫曲線，Origin 8.0軟件進行積分計算。

1.3.1.5 淀粉的粒度測定

用激光粒度儀按干法測定各薯類淀粉顆粒大小，并從軟件中獲得平均粒徑。

1.3.2 粉條的制備

粉條制備參照廖盧艷等[8]的方法，取3.0 g淀粉樣品加20 mL水在沸水中糊化，再加入25 g淀粉和適量的水分別調制成總含水率為45%的淀粉粉團，將粉團倒入直徑為20 cm的小烤盤中攤平靜置5 min。然后放入裝有沸水的蒸鍋中蒸5 min后迅速放入冷水中1 min后立即取出。4℃存放 17 h，揭皮切成寬度為1 cm、厚度為1 mm的粉條，40 ℃干燥成品。

1.3.3 粉條的性質測定

1.3.3.1 粉條的蒸煮性質測定

斷條率測定：將長10 cm的粉條樣品20 根，在500 mL蒸餾水中分別煮沸30 min，記錄斷條數(shù)，按式（1）計算斷條率。

烹煮損失測定：參照楊書珍等[14]方法。稱取3 g（干基）粉條于250 mL燒杯中，加入100 mL沸騰的蒸餾水，用電爐加熱15 min，期間不斷攪拌。然后將粉條放置在紗布上瀝干5 min，用吸水紙吸去粉條表面的水分后稱量。再將粉條放入烘箱在105 ℃下烘干至恒質量，并稱質量。分別按式（2）、（3）計算粉條的膨脹系數(shù)和烹煮損失。

1.3.3.2 粉條的質構特性測定

質地剖面分析測試：取約5 cm長的樣品粉條20 根，在500 mL蒸餾水中煮沸10 min，撈出，冷卻，進行質構特性測定。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(fā)力5 g。

兩次形變壓縮測試：取約5 cm長的樣品粉條20 根，在500 mL蒸餾水中煮沸10 min，撈出，冷卻，用KIE型探頭，采用TDT測試法對粉條進行兩次拉伸，來測定粉條的拉伸性能。測定條件：測試前速率2.0 mm/s，測試速率2.0 mm/s，測試后速率2.0 mm/s，首次拉伸距離2 mm，保持時間20 s，第二次拉伸粉條至拉斷為止，觸發(fā)力5 g。

1.3.3.3 粉條品質綜合評價

各薯類粉條品質評價指標為[15-16]：斷條率、膨脹系數(shù)、烹煮損失、硬度、內聚性、拉伸功。斷條率、烹煮損失越小越好，硬度、內聚性、拉伸功、膨脹系數(shù)越高越好。各評價指標的重要性次序為：硬度、拉伸功＞斷條率、烹煮損失＞膨脹系數(shù)＞內聚性，所占權重依次是4（硬度、拉伸功各占4 分）、3（斷條率、烹煮損失各占3 分）、2、1 分。綜合得分越高，粉條品質越好。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

運用Origin 8.0和SPSS 20.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進行分析和圖形繪制，數(shù)據(jù)以±s的形式表示。

2 結果與分析

2.1 不同薯類淀粉的顆粒微觀樣貌

圖1 不同品種薯類淀粉的掃描電子顯微鏡下形貌Fig.1 Scanning electron microscope morphology of starches from different varieties of root crop

由圖1可知，不同薯類淀粉在顆粒大小和形貌上存在差異，木薯淀粉顆粒多為橢球形，顆粒表面光滑，部分顆粒表面存在裂縫或凹陷（LMC箭頭所示），可觀察到大量不規(guī)則的小顆粒，其中SC205中小顆粒最多?；瓷降矸垲w粒為橢圓形，顆粒粒徑較大，顆粒粒徑分布較木薯和紅薯淀粉均勻，表面光滑，裂痕和凹陷較少，但表面附有絮狀物（SFY箭頭所示），這與趙小梅等[17]觀察的淮山淀粉超微結構基本一致。紅薯淀粉顆粒呈橢球形，表面凹凸不平，存在較多的裂縫和凹陷，可觀察到存在較多的形狀不規(guī)則的和較小的顆粒，淀粉粒徑與木薯淀粉相近。

2.2 不同薯類淀粉的結晶性質分析結果

圖2 不同品種薯類淀粉的傅里葉變換紅外光譜圖（a）和X射線衍射圖（b）Fig.2 Fourier transform infrared spectroscopy spectra (a) and X-ray diffraction profiles (b) of starches from different varieties of root crop

由圖2a可知，各薯類淀粉紅外光譜的吸收峰非常相似，僅在吸收峰出峰位置和強度上存在微小的差別。紅外光譜對淀粉鏈的構象和螺旋的有序比較敏感，通過去卷積處理各薯類淀粉的紅外光譜圖，可以定量研究其有序區(qū)域與無定型區(qū)域的比例[18]。1 045 cm-1和1 022 cm-1附近的吸收峰分別代表淀粉的有序結構和無序結構，995 cm-1附近的吸收峰為C-OH的彎曲振動，1 045 cm-1/1 022 cm-1和1 022 cm-1/995 cm-1的峰強度比值是淀粉有序結構的指標。1 045 cm-1/1 022 cm-1峰強度比值反映淀粉的有序程度，峰強度比值越大，有序度越高。1 022 cm-1/995 cm-1峰強度比值反映淀粉的無序程度，峰強度比值越大，無序程度越高[19]。通過OMNIC軟件對各薯類淀粉及粉條的傅里葉變換紅外光譜原始波譜1 200～800 cm-1段進行去卷積處理。由表2可知，不同品種的薯類淀粉的有序結構與無序結構的比例存在明顯差異?；瓷降矸鄣? 045 cm-1/1 022 cm-1峰強度比值大于木薯淀粉和紅薯淀粉，1 022 cm-1/995 cm-1的峰強度比值小于木薯淀粉和紅薯淀粉，說明淮山淀粉有序程度較高，無序程度較低。其中GY2的1 045 cm-1/1 022 cm-1峰強度比值最大為1.036，SC205的1 045 cm-1/1 022 cm-1峰強度比值最小為0.757。

由圖2b可知，淮山淀粉與木薯淀粉、紅薯淀粉的衍射峰出峰位置及強度存在明顯差異。根據(jù)衍射峰的個數(shù)和位置可以將天然淀粉的結晶結構分為A、B、C 3種類型[17,20]。GY2和MPY在2θ為15°、17°處有較強的特征峰，在2θ為22°處存在較弱的雙峰，是B型淀粉的特征峰。SC9、SFY在15°、17°、23°處有明顯的衍射峰，是A型淀粉的特征峰。SC205在2θ為15°、23°處有明顯的衍射峰，在17°、18°處為相連的雙峰，是典型的A-型晶體。LMC、XSSP在2θ為15°、17°、18°處有較強的特征峰，且在2θ為23°處有明顯的單峰，在2θ為5.6°附近有一個較弱的衍射峰，既具備A-型淀粉的特征峰，又有B-型淀粉的特征峰，所以為C-型淀粉。

表2 不同品種薯類淀粉的衰減全反射數(shù)值和結晶度Table 2 Attenuated total reflectance values and crystallinity of starches from different varieties of root crop

淀粉結晶度是衡量淀粉晶體特性的一個重要指標，參照陳翠蘭等[21]的方法，通過MDI Jade軟件對各薯類淀粉的X射線衍射圖譜進行相對結晶度計算。由表2可知，各淀粉相對結晶度由高到低依次為：淮山淀粉（GY2、SFY、MPY）＞紅薯淀粉（XSSP）＞木薯淀粉（SC9、SC205、LMC）。其中GY2的相對結晶度最大為31.48%，SC9相對結晶度最小為25.1%，這與傅里葉變換紅外光譜測定的各薯類淀粉的有序結構和無序程度比例的結果一致。

2.3 淀粉顆粒粒徑與分子結構分析結果

淀粉顆粒粒徑及分布對淀粉基食品的品質有很大的影響，粒徑是選擇合適的淀粉原料的重要依據(jù)之一[22-23]。由表3可知，各薯類淀粉的平均粒徑范圍在11.5～20.0 μm之間，不同品種間的粒徑大小分布有著明顯的差異，按平均粒徑大小排列為：淮山淀粉（GY2、SFY、MPY）＞紅薯淀粉（XSSP）＞木薯淀粉（SC9、SC205、LMC），其中MPY有著最大的平均粒徑20.0 μm，SC205的平均粒徑最小為11.5 μm，這與SEM觀察的結果一致。

淀粉的分子結構與淀粉的流變性能、加工性能等密切相關，影響到淀粉粉條的品質。多分散系數(shù)為重均相對分子質量（Mw）與數(shù)均相對分子質量（Mn）的比值，其值越接近1，說明樣品的組分越單一、越大則說明樣品的組分越復雜，分子質量分布越寬。構象指數(shù)為lgMw/lgRg的值（其中Rg為均方根旋轉半徑），當該值為1時，高分子在溶液中是棒狀排列，為0.4～0.6時，高分子在溶液中呈線性無規(guī)則線團，值約為0.33時則表示為球狀形態(tài)[24]。由表3可知，各薯類淀粉的重均相對分子質量較大，均在107以上，其中LMC的重均相對分子質量為17.76×107，遠大于其他6 種薯類淀粉（4.416×107～8.853×107），這是由于其淀粉的相對分子質量主要分布于較大的區(qū)間。SFY的均方根旋轉半徑（228.601 nm）明顯大于LMC的均方根旋轉半徑（176.571 nm），這可能是由于SFY的直鏈淀粉含量較低，直鏈淀粉/支鏈淀粉含量比值較LMC低的原因。不同品種薯類淀粉的多分散系數(shù)差別很大，其中MPY的多分散系數(shù)為2.039，最接近于1，這說明MPY的分子質量分布較窄且比較均勻，而LMC的多分散系數(shù)高達18.539，遠大于其他6 種薯類淀粉。黃立新[25]的研究表明，木薯淀粉的多分散系數(shù)可以高達19.84，是其他品種淀粉的4.7 倍，與本實驗研究結果相似。7 種薯類淀粉的構象均為球型，其中LMC的構象指數(shù)最小，說明其分子結構最緊密。各薯類淀粉的相對分子質量、旋轉半徑、多分散系數(shù)、構象與其直鏈淀粉、支鏈淀粉含量以及直/支鏈淀粉含量的比值有關[26]。

表3 不同品種薯類淀粉的粒徑、重均相對分子質量、均方根旋轉半徑及構象Table 3 Granule size, weight average molecular mass, root-meansquare rotation radius and conformation type of starches from different varieties of root crop

2.4 不同薯類淀粉粉條品質特性

參考譚洪卓[11]、廖盧艷[8]等評價粉條品質的方法，測定了各薯類淀粉粉條的品質指標。由表4可知，不同品種的淀粉粉條的硬度、內聚性、拉伸功、烹煮損失和膨脹系數(shù)差異顯著（P＜0.05）。淮山淀粉粉條（MPY、SFY）的斷條率高達30%，紅薯淀粉粉條（XSSP）的斷條率次之、木薯淀粉（SC9、SC205、LMC）粉條的斷條率較低?；瓷降矸鄯蹢l（SFY、MPY）的烹煮損失、膨脹系數(shù)高于木薯淀粉和紅薯淀粉。而GY2粉條的斷條率、烹煮損失、膨脹系數(shù)較小，不易斷條糊湯，擁有較好的烹煮性質?；瓷降矸郏℅Y2、SFY、MPY）粉條的拉伸功均小于木薯淀粉粉條和紅薯淀粉粉條，說明淮山淀粉粉條的延伸性較差。MPY粉條的硬度最大（4 850.48 g），是硬度最小的LMC粉條（421.88 g）的11 倍。通過綜合評價，SC205粉條綜合得分最高為11.34，LMC粉條次之，為10.94?；瓷降矸郏℅Y2、SFY、MPY）中，GY2粉條得分最高，其粉條綜合品質與木薯淀粉粉條、紅薯淀粉粉條接近。

表4 不同品種薯類粉條的品質特性Table 4 Quality characteristics of vermicelli made from starches from different varieties of root crop

2.5 淀粉結構與粉條品質的相關性分析結果

表5 薯類淀粉的粒徑、分子結構、結晶結構與粉條品質間的相關性Table 5 Correlation between granule size, molecular structure and crystalline structure of starch and quality of vermicelli

由表5可知，淀粉的直鏈淀粉含量與其粉條的斷條率、烹煮損失顯著負相關（P＜0.05）。淀粉的粒徑與粉條的膨脹系數(shù)顯著正相關（P＜0.05），Chen Zenghong等[10]研究結果也表明，顆粒粒徑小的淀粉制作的粉條的膨脹系數(shù)較低。

淀粉的分子結構各指標對粉條品質有很大的影響。其中旋轉半徑與粉條的斷條率呈極顯著正相關（P＜0.01）、與膨脹系數(shù)顯著正相關（P＜0.05）。張攀峰等[25]研究表明，旋轉半徑在一定程度上，可以反映淀粉直鏈淀粉與支鏈淀粉含量比值，隨著直鏈/支鏈比增大，旋轉半徑逐漸減小。有些研究者[27-28]認為，粉條的品質受直鏈淀粉含量的影響較大。多分散系數(shù)反映了淀粉分子質量分布，其值越大，分子質量分布越寬。而分子質量分布是分子結構中的一個重要參數(shù)，會影響到淀粉的加工性能，主要與硬度、彈性、黏性等有關。許永亮[29]和熊善柏[30]等研究表明，淀粉分子質量分布與黏性有很大的關聯(lián)。本研究結果顯示，多分散系數(shù)與粉條硬度顯著負相關（P＜0.05），與粉條的拉伸功顯著正相關（P＜0.05），這說明淀粉的分子質量分布不僅會對淀粉的黏性產生影響，還會對淀粉基食品如粉條的品質產生影響。多分散系數(shù)越小，分子質量分布越集中，粉條的硬度越大，拉伸性越差。

淀粉的1 045 cm-1/1 022 cm-1峰強度比值與粉條內聚性極顯著負相關（P＜0.01）。說明淀粉的有序結構和無序結構的相對含量比值越大，粉條的內聚性越小。內聚性代表凝膠內部的緊密性[31]，淀粉的有序程度越大，在糊化過程中越難以形成穩(wěn)定的凝膠結構，其凝膠內部的緊密性越差。

3 結 論

本實驗比較了淮山淀粉、木薯淀粉、紅薯淀粉等7 種薯類淀粉的微觀形貌、結晶結構、顆粒粒徑和分子結構的差異，結果表明，各薯類淀粉的顆粒大小有著明顯的差異，按平均粒徑由高到低依次為：淮山淀粉（GY2、SFY、MPY）＞紅薯淀粉（XSSP）＞木薯淀粉（SC9、SC205、LMC）。傅里葉變換紅外光譜和X衍射衍射對淀粉的結晶結構分析結果一致，淮山淀粉的結晶度和1 045 cm-1/1 022 cm-1峰強度比值均大于木薯淀粉和紅薯淀粉。各薯類淀粉的分子結構有明顯的差異，LMC的重均相對分子質量最大，達到17.76×107，GY2的重均相對分子質量最小，僅為4.416×107。

薯類淀粉的結構性質對粉條品質具有重要影響，淀粉的粒徑與粉條的膨脹系數(shù)顯著正相關（P＜0.05）。淀粉的分子結構對粉條的品質影響顯著，淀粉的旋轉半徑與粉條的斷條率極顯著正相關（P＜0.01），與粉條的膨脹系數(shù)顯著正相關（P＜0.05）。淀粉的多分散系數(shù)與粉條的硬度顯著負相關（P＜0.05），與粉條的拉伸功顯著正相關（P＜0.05）。淀粉的結晶結構對粉條品質也有影響，淀粉的1 045 cm-1/1 022 cm-1峰強度比值與粉條內聚性極顯著負相關（P＜0.01）。薯類淀粉粉條加工時，可以選擇粒度、旋轉半徑小的淀粉作為優(yōu)質的原料，以提高薯類淀粉粉條的品質。