利用乙酸协同氯化钙提升马铃薯片热加工质构特性

邹妍，李佳容，李飞，於晓燕，喻仕瑞，雷尊国，董楠*

（1.贵州轻工职业技术学院轻工化工系，贵州贵阳 550025）（2.贵州省农业科学院园艺研究所，贵州贵阳 550006）（3.贵州大学酿酒与食品工程学院，贵州贵阳 550025）（4.茅台学院食品科学与工程系，贵州仁怀 564507）（5.贵州省农业科学院食品加工研究所，贵州贵阳 550006）

马铃薯作为我国四大主食之一，年产量占世界第一。“十三五”期间，随着国家推行实施马铃薯主食化战略，马铃薯主食化的产品总消费量的占比显著提高[1-6]。随着该战略的推行，新鲜马铃薯切片，全粉制品和马铃薯薯泥被作为马铃薯产品开发的主要焦点和方向，并得到了广大消费者和科研工作者的高度关注[7-12]。

在马铃薯相关产品的开发中，最大的阻力来自于马铃薯经加热处理后会迅速变软和塌陷[13]，失去良好的品相。这是因为在受热后，马铃薯细胞中的果胶物质经过了一系列的变化，包括果胶物质的严重降解，出现严重的胞间分离，淀粉也因此糊化溶出[14-19]，失去爽脆的口感，质地软化。

其实，有一个生活常识就和这个现象息息相关，在炒制土豆丝时，厨师通常都会加醋来保持土豆丝爽脆的口感。无独有偶，在酸汤火锅里面的土豆片也能在长时间的煮制后仍然保持较硬的质构特性。关于其中的科学依据，前人的研究或许能给出一些答案。Favaro等[20]比较了三种耐煮性不同的木薯中化学成分的差异，发现二价阳离子、植酸、糖醛酸含量以及细胞壁的单糖组成均存在差异。同时，它们在蒸煮后的吸水率、可溶性和不溶性固体物质的溶出率都出现了显著性差异。Zhao等[21]发现乙酸处理后，马铃薯质构得到显著提升，细胞壁中单糖组成发生改变。电镜观察乙酸处理后的马铃薯细胞壁更为完整。Ng等[22]对马铃薯经氯化钙浸泡处理后，其蒸制后的硬度提高约30%。前期的研究中发现，利用乳酸和钙协同处理鲜切马铃薯片可以防止果胶的降解，从而防止热加工过程中硬度的下降[23]。针对以上结论，设计本实验，以不同的预处理工艺（不同的预处理溶液，处理时间）来探究该工艺对马铃薯片热处理后硬度的影响，结果与鲜切马铃薯片做对比。最后根据单因素试验的结果设计响应面试验，得到了乙酸和氯化钙协同预处理马铃薯来改善马铃薯热处理后质构的最佳工艺配方，此研究为后期即食类马铃薯风味产品的加工及贮藏保鲜提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

试验品马铃薯均产自威宁，试验过程中所用马铃薯均为同一时间采收的同一批次，一次性采购后储藏备用。挑选新鲜优质马铃薯，表面无腐败破损，色泽鲜亮。

1.2 实验试剂

冰乙酸和氯化钙，均为食品级：山东优索化工科技有限公司。

1.3 仪器与设备

TMS-PRO物性测试仪，美国FTC公司；超声波清洗机，昆山市超声仪器有限公司；BSA223S电子分析天平，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；KEO-19AS35TE电磁炉，深圳康佳智能电器科技有限公司；JSM-7800-F扫描电子显微镜，日本JEOL公司；X-MaxN X-射线能谱仪，OXFORD公司；SCIENTZ-10ND真空冷冻干燥机，宁波新芝生物科技股份有限公司。

1.4 试验方法

1.4.1 工艺流程

1.4.2 操作要点

1.4.2.1 乙酸溶液的制备

用干净量筒量取冰乙酸溶于蒸馏水中，配制成不同浓度的乙酸溶液，浓度分别为2、4、6、8、10 mL/L，现制现用。

1.4.2.2 氯化钙溶液的制备称取氯化钙使之完全溶解于蒸馏水，制得不同浓度的氯化钙溶液，浓度分别为2、4、6、8、10 mg/L，现制现用。

1.4.2.3 原料的预处理

选取新鲜马铃薯（长7～8 cm，宽3～4 cm），清洗，去皮，切分成圆片状（厚度为3 mm），选取直径为3～4 cm的马铃薯切片，随机每3片为一组。其中，切片以冰乙酸和氯化钙溶液混合后，浸泡处理（具体见单因素设置）。同时，对照（CK）则使用蒸馏水浸泡的切片。浸泡处理结束后，取出切片后以蒸馏水淋洗3次，再用滤纸吸附表面的溶剂，抽真空包装后于25 ℃恒温箱中贮藏备用。指标测定前，将真空包装的样品放置在沸腾的蒸锅中蒸制5 min，冷却后立即测定样品硬度。

我不知道你注意到没有，在此次收购普洛斯的股权结构中：万科占比21.4%，厚朴、高瓴资本、S MG，分别持股21.3%、21.3%、21.2%，万科虽然为第一大股东，但股份仅比第二大和第三个股东高出0.1%，其象征意味大于实际意义。万科虽然控股，但从治理结构看，普洛斯管理层实际说了算。这对万科来讲，可能也并非是坏事。

1.4.2.4 硬度测定[24,25]

由TMS-PRO物性测试仪，配探头（50 mm直径），TPA测定模式（二次咀嚼实验）。测定参数设置为：Test space：15 mm；Speed before test：1.0 mm/s；Speed after test：1.0 mm/s；The pause time between test：5 s；Deformation percentage：50%。

1.4.3 单因素试验

马铃薯片按照1.4.2.3制备，以乙酸的浓度、氯化钙的浓度以及溶液处理时间为因素进行实验，各因素的水平分别为：乙酸的浓度（氯化钙的浓度设置为6 mg/L，溶液处理时间为9 h）：2、4、6、8、10 mL/L；氯化钙的浓度（乙酸的浓度设置为6 mL/L，溶液处理时间为9 h）：2、4、6、8、10 mg/L；溶液处理时间为（乙酸的浓度设置为6 mL/L，氯化钙的浓度设置为6 mg/L）：3、6、9、12、15 h，各样品组按照1.4.2.4中方法进行硬度测定，选取最大硬度为最佳浸泡浓度及浸泡时间。

1.4.4 响应面试验

在乙酸浓度、氯化钙浓度和溶液预浸泡时间3个单因素试验结果上，选择相应的3个水平设计响应面试验，见表1。以蒸煮10 min后马铃薯片的硬度值为目标响应值，得出马铃薯片维持最佳硬度的浸泡工艺。氯化钙与乙酸混合液的配置：按照固定浓度配比加入相应体积的乙酸及相应质量的氯化钙，充分混合后备用。

表1 因素水平表Table 1 3 Factor and 3 level of response surface design for the pretreatment of sliced potato

1.4.5 马铃薯细胞的显微结构观察及X-射线微区分析

1.5 数据分析

每个样本进行三次平行测试，并记录为平均值±偏差。数据显著性分析及响应面响应面设计分别使用SPSS 20.0软件及Design Expert 8.05。

2 结果与讨论

2.1 乙酸浓度对马铃薯蒸煮后硬度的影响

如图1所示，通过乙酸浸泡后的马铃薯片硬度大于对照组，这与Zhao等人[21]的研究一致，认为乙酸可以有效保持马铃薯完整细胞壁，防止热加工后马铃薯内部细胞间隙的变大，从而防止硬度的降低。Liu等人[23]通过对比电镜图发现酸处理能够使马铃薯细胞中的果胶发生胶凝化，继而在加热后使细胞结构保持完整。随着乙酸浓度的增加，马铃薯片硬度呈先增加后降低的趋势，在6 mL/L时硬度达到最大，随后硬度降低，但硬度值均大于未浸泡处理的马铃薯片。

2.2 氯化钙浓度对马铃薯蒸煮后硬度的影响

如图2所示，在盐浓度低于4 mg/L时，切片的蒸煮后硬度跟盐的浓度成正比且在4 mg/L达到最大值，继续增加盐浓度，硬度提升效果先是降低而后趋于平稳。这主要是因为在预处理过程中，钙离子进入到马铃薯细胞间隙当中，并与果胶质通过螯合，形成稳定的果胶酸钙结构。由此，避免了细胞之间的分离，从而提升了热加工后马铃薯的硬度。而钙的结合位点有限，所以马铃薯的硬度呈现先升高后平稳的趋势[26,27]。

2.3 浸泡时间对马铃薯蒸煮后硬度的影响

如图3所示，当乙酸溶液和氯化钙溶液浓度分别为6 mL/L和6 mg/L时，随着浸泡时间的增加，马铃薯切片蒸煮后的硬度呈先上升后下降的趋势，当浸泡时间为12 h时硬度值最大。由此可知，浸泡时间长短对硬度影响很大，浸泡12 h最为合适。

由结果可以看出，预处理时的乙酸溶液浓度，氯化钙溶液浓度和溶液的浸泡时间都会对最后的硬度有直接的影响。所以，通过响应面优化来得到最优预处理工艺很有必要。

2.4 响应面试验

2.4.1 响应面实验设计与结果

以4 mg/L的氯化钙及6 mL/L的乙酸，为马铃薯切片的预处理的中心值。分别将乙酸浓度、氯化钙浓度、浸泡时间设置为A、B、C三个响应变量，将蒸煮后马铃薯片的硬度值设为响应值。以Design-Expert 8.0.5软件设计3因素3水平的试验。并对结构进行方差分析，见表2及表3。

通过二次多项式回归方程对对表2中的数据进行拟合。以条件参数：（A）乙酸浓度、（B）氯化钙浓度及（C）处理时间对马铃薯片蒸煮后的硬度值（Y），运用方程进行拟合，并得到如下公式：

表2 响应面试验的实施方案及对应结果Table 2 Response surface test design scheme and results for the pretreatment of sliced potato

由方差分析（如表3）可知：模型的p小于0.001，由于失拟项p=0.1768＞0.05，所以该方程所得数据具有统计学意义。模型试验值与预测值的相关系数也满足建模要求且拟合情况良好（R2=0.9835，RAdj=0.9623）。由此，证明本试验中所取得的模型具有较高的可信度和准确性。经表3结果可以证实，在前处理过程当中，溶液中乙酸浓度（A）和前处理时间（C）显著影响着马铃薯片蒸煮后的硬度（p＜0.01）；在前处理过程当中，溶液中氯化钙浓度（B）却不影响马铃薯片蒸煮后硬度（p＞0.05）；A2、B2、C2显著影响马铃薯片蒸煮后的硬度（p＜0.01）；溶液中乙酸浓度（A）和前处理时间（C）的交互作用显著影响马铃薯片蒸煮后的硬度影（p＜0.01）；而其它交互作用不影响马铃薯片蒸煮后的硬度无（p＞0.05）。通过模型的F值判断，条件参数对马铃薯片蒸煮后的硬度的影响大小顺序为：乙酸浓度＞处理时间＞氯化钙浓度。

表3 回归方程的方差分析Table 3 Analysis of variance of regression equation for the pretreatment of sliced potato

求解该回归方程，可以得到马铃薯片预处理工艺的最佳参数分别为乙酸浓度为5.26 mL/L、氯化钙浓度为5.82 mg/L及处理时间为11.1 h。而最终马铃薯片的硬度值为4781.26 g。为了验证最终的结果，以调整后的工艺参数，对其硬度进行3次测定。最终，马铃薯切片的硬度值为4655.23g，与预测值4781.26 g之间无显著差异。因此，该模型可以应用于马铃薯切片的预处理工艺。

2.5 马铃薯细胞的显微观察结果

图4为样品分别放大500倍的扫描电子显微镜观察结果图。观察结果图可以看到，没有经过预处理的马铃薯在加热过后结构发生很大的改变，淀粉粒在高温和水分的作用下糊化溶出。随着加热时间的增加，细胞间连接不再紧密，细胞壁被热作用严重破坏失去原来的形态。对比之下经过酸溶液和盐溶液浸泡之后的马铃薯细胞彼此连接紧密，看不到很具体的细胞轮廓。且经过乙酸浸泡和氯化钙浸泡协同作用的马铃薯比只用乙酸溶液浸泡和只用氯化钙溶液浸泡的马铃薯表现出更紧密的细胞结构。预处理过的马铃薯在长时间的蒸煮后仍能保持良好的硬度，可能就是因为其细胞的结构得以保持。

图5是不同预处理条件下的X-射线扫描图和元素图谱。图a和图b分别是最优参数下只用氯化钙溶液浸泡或只用乙酸浸泡马铃薯，浸泡相同的时间后在相同的蒸制时间处理后的样品的X-射线扫描图和元素图谱。可以看到，氯化钙浸泡后在细胞内部有氯化钙存在（a图黄色部分），乙酸浸泡后在马铃薯细胞内部有乙酸钙存在（b图橙色部分）。通过元素图谱可以看出 ，马铃薯内部乙酸钙的量大于氯化钙，这说明钙离子对细胞的结构也有一定的影响。同时，有很多前人的研究也说明了这一点，钙离子会参与稳定生物膜的稳定性，从而提高植物组织的质构特性[28,29]。

3 结论

马铃薯在煮制之后会发生不理想的质构降低的现象，这不仅影响口感和风味，还限制了马铃薯的加工前景。本实验选择乙酸和氯化钙作为预处理溶液，通过加工前浸泡的方法提高其煮制后硬度。先进行单因素试验探究各变量的最佳范围，在此基础上以三个因素为响应变量，热加工后马铃薯的硬度为响应值。得出提升马铃薯加热后硬度的最佳工艺参数为：乙酸浓度为5.26 mL/L、氯化钙浓度为5.28 mg/L、浸泡时间为11.1 h。此外，通过对试验品的电镜扫描结果和X-射线扫描图和元素图谱分析，马铃薯之所以经过预处理就能在加热后保持良好的脆性，和其细胞间的相互连接是否紧密有关。而钙离子又能通过形成稳定的果胶钙结构，参与提高细胞的胞间链接性。该工艺处理后的马铃薯能具有最好的硬度保持效果，可为以后的马铃薯相关产品的开发提供参考。