甘薯块根膨大过程中质构特性和淀粉直/支比的研究

夏之凯， 李 玲， 徐锡明， 庞林江， 吕尊富， 崔 鹏， 陆国权

(浙江农林大学现代农学院；浙江省农产品品质改良重点实验室1, 杭州 311300) (浙江农林大学薯类作物研究所2, 杭州 311300) (浙江农林大学食品与健康学院(现代粮食产业学院)3, 杭州 311300) (北京华都峪口禽业有限责任公司4，北京 101206)

甘薯[Ipomoeabatatas(L.)Lam]作为粮食、饲料、水果、蔬菜、工业原料和新型能源作物，其块根富含多种营养元素，如胡萝卜素、膳食纤维、维生素和淀粉等[1]。同时甘薯具备高产稳产、耐瘠薄等诸多优点，在世界范围广泛种植，其年总产量约1亿t，常年种植面积稳定在400万公顷[1,2]。淀粉性状是甘薯块根的主要性状，块根的主要干物质由淀粉组成。块根膨大形成后，淀粉不断积累，并且伴随块根整个发育阶段，淀粉含量呈增加趋势[3,4]。直链淀粉和支链淀粉的比值(直/支比)是快速鉴定粮食作物食味品质的重要指标[5-7]。研究显示甘薯淀粉直/支比与甘薯蒸煮综合口感呈显著正相关[8]，直/支比的变化会直接影响到甘薯的产量和品质，将IbGBSSI、IbSBE等淀粉合成代谢基因的表达可获得高支链淀粉含量、低直链淀粉含量的甘薯品种，但这一过程会引起甘薯的产量降低[9,10]。

质构特性是由样品的成分、组织结构决定的物理性质，在食品物性学中被广泛用来表示食品的组织状态、口感，常用于作物的口感预测分析[1]。以往甘薯的质构特性研究发现，质构特性与组成成分之间存在密切的联系。新鲜甘薯干物质含量与其硬度呈显著正相关[11,12]，甘薯的质构与淀粉含量存在紧密联系[13]，烘烤后的甘薯其黏附性与还原糖含量呈显著正相关[14]。同时，薯块的咀嚼性、黏附性和硬度与适口性和加工适应性关系极为密切，可高效预测甘薯品种的口感[1]。

研究甘薯块根的质构特性和淀粉直/支比，能够指导其加工工艺，从而控制产品品质及嗜好特性，为生产优质食用型甘薯和拓展甘薯用途提供理论依据，建立消费预测模型服务于销售[15,16]。因此，研究甘薯块根膨大过程中块根的质构特性和淀粉直/支比的变化规律，对甘薯的优质栽培、定向育种和品种开发具有重要的实践价值和理论意义。现阶段国内外关于甘薯块根膨大期过程中块根质构特性和淀粉直/支比变化的研究较少。本研究以3种不同类型的甘薯为实验材料，探究甘薯块根膨大时期下质构特性和淀粉直/支比的变化规律，补充甘薯块根膨大过程的研究，以期为开发优质食用型甘薯和拓展甘薯用途提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

甘薯选取心香(鲜食型甘薯，由金玉×浙薯2号杂交育出)、166-7(水果型、生食型甘薯)和绵粉1号(淀粉加工型甘薯，由品系74-14×79-96杂交育出)3个甘薯品种，在甘薯块根形成的四个重要时期：扦插后50 d(块根膨大初期)、80 d(块根膨大高峰期)、110 d(块根膨大后期)和140 d(收获期)对各甘薯品种进行取样调查。选取无病虫害、大小一致，形状相似的薯块。收获后将甘薯块根后放入储藏室中。储藏室条件为温度12 ℃、湿度85%, 鲜薯的储藏时间不超过1周。

直链淀粉标准品(CAS 9005-82-7)；支链淀粉标准品(CAS 9037-22-3)；氢氧化钾、碘化钾、碘、盐酸，均为分析纯。

1.2 仪器与设备

UV765 紫外可见分光光度计，TMS-PRO质构仪，JYLC020E打浆机，JXFM110锤式旋风磨， XJT手动果蔬切片机，DHG-9240A电热恒温鼓风干燥箱，KFR-35GW/(35556)FNDc-3空调器，HQ-JS130H超声波加湿器，DD-22空气冷却器。

1.3 方法

1.3.1 块根质构特性测定方法

质构特性测定方法参考文献[14,15]。采用质地多面分析(Texture Profile Analysis，TPA)法测定其质构参数(硬度、黏附性、内聚性、弹性和咀嚼性)。取整薯中部1 cm厚的鲜薯片，采用P/5探头在薯片中心部位进行质构特性测定，由质构特征曲线得到硬度、黏附性、内聚性、弹性和咀嚼性等质构特性参数。每个品种重复测定3组，每组测定5次，每组排除测得的最高值和最低值，取3组值的平均值和标准差。

1.3.2 淀粉样品制备

测定方法参照江凌峰等[16]的方法，将甘薯洗净，称取(500.00±1.00)g，切成块状，置入打浆机加水间断粉碎60 s，将其置入100目纱网袋，使用1 L蒸馏水进行2次反复洗提，合并洗提液，过100目筛。静置18 h，每6 h去除上清液并用0.5 L蒸馏水洗提，直至上清液澄清。将洗提干净的淀粉使用烘箱进行干燥，条件为24 h，50 ℃。之后将其使用锤式旋风磨研磨，过100目筛，置入自封袋，在4 ℃下干燥保存备用。

1.3.3 淀粉直/支比的测定

采用双波长碘比色法进行测定，具体步骤参照曾凡逵等[17]的方法。配置直链淀粉/支链淀粉标准液，采用绘图法确定直链淀粉的检测波长λ1为534 nm，λ2为569 nm，支链淀粉的检测波长λ3为728 nm 和λ4为532 nm。制备直链淀粉和支链淀粉检测标准曲线，之后按照步骤测定样品。具体计算公式为：

直链淀粉= (x1×100×100%)/(15×m×1 000)

支链淀粉= (x2×50×100%)/(15×m×1 000)

淀粉直/支比=直链淀粉/支链淀粉

式中：x1为根据直链淀粉检测标准曲线计算的样品液中直链淀粉质量/mg；x2为根据支链淀粉检测标准曲线计算的样品液中支链淀粉质量/mg；m为样品质量/mg。

1.4 数据处理

通过IBM.SPSS Statistics 25.0 对淀粉直/支比和质构参数进行不同膨大时期的方差分析，对淀粉直/支比和质构参数进行Pearson和Spearman相关性分析，。采用Duncan新复极差法分析数据差异显著性。采用Excel 2021对数据图表进行整理。

2 结果与讨论

2.1 甘薯品种间的质构特性和淀粉直/支比的差异

选取甘薯收获期的质构特性和淀粉直/支比进行分析，如表1所示，淀粉直/支比为心香>绵粉1号>166-7。之前的研究认为心香的蒸煮口感优于166-7[15]，而甘薯的淀粉直/支比与蒸煮口感呈正相关[8]。因此可推测，在扦插后140 d收获的甘薯的蒸煮口感排序，依次为心香、绵粉1号、166-7。甘薯淀粉直/支比可以作为快速预测甘薯蒸煮口感的指标，其数值越高，口感越好。3种甘薯品种在质构特性上有显著差异(P<0.05)，水果型甘薯166-7表现出低硬度和咀嚼性的特点，结合以往加工研究，质构特性中的硬度和咀嚼性，与感官评价中的硬度呈显著正相关，与黏度和甜度显著负相关，硬度、咀嚼度与整体口感呈负相关[18]。低硬度和低咀嚼性可能是166-7生食口感优于其他甘薯的原因。

2.2 块根膨大过程中淀粉直/支比的变化

块根膨大过程中会伴随各种生理变化，这都会影响淀粉的组成成分[20,21]。淀粉直/支比的变化如图1a所示，166-7和绵粉1号的淀粉直/支比变化趋势呈2条平行的波浪状曲线，其峰值出现扦插后80 d，分别为0.21和0.24，其谷值出现在扦插后110 d，分别为0.14和0.18。心香则与之不同，表现为“凹”型，其谷值出现在扦插后110 d，为0.17。相比膨大前期，3种类型的甘薯膨大后期淀粉直/支比显著降低(P<0.05)；相比膨大后期，收获期淀粉直/支比会显著提升(P<0.05)，这与之前研究中淀粉含量、蔗糖和可溶性糖的变化曲线有相似的趋势[19,20]。而淀粉直/支比与甘薯块根的干物率不存在密切联系，表明在甘薯块根膨大过程中，水分含量和淀粉直/支比相关程度较低[23]。鲜食型甘薯品质控制需要注意淀粉直/支比的变化，直/支比高的甘薯在蒸煮后，其适口性品质优于其他甘薯[8]。本研究中，扦插后80、140 d的淀粉直/支比相对其他时期表现较高，推测在这两个时间段收获甘薯，其蒸煮适口性最佳。在扦插后75～105 d是甘薯块根淀粉含量迅速增长的时期，此时块根中淀粉的合成速率逐渐增加[24]，结合本研究结果，甘薯在扦插后80～110 d淀粉直/支比呈显著下降的原因，可能是由于在该阶段支链淀粉合成速率远远高于直链淀粉导致的。

2.3 块根膨大过程中鲜薯质构特性的变化

硬度是第一次挤压下力的最大峰值。通常模拟口腔第一次咀嚼食品的过程。如图1b所示，166-7的硬度变化曲线呈“凹”型，其谷值出现在扦插后110 d，峰值出现在扦插后140 d；绵粉1号的硬度变化曲线呈“S”型，自膨大初期其硬度一直在增长，其峰值处在扦插后110 d，之后平稳至扦插后140 d；心香的硬度自膨大初期开始稳步增长，其最高值在扦插后140 d出现。由此可知，3种甘薯的硬度在膨大后期相比其他时期均有降低；相比膨大初期，收获期甘薯的硬度均显著增加。前人研究发现硬度增加伴随还原糖含量的降低和淀粉含量的增加[4,22]，很大程度上是块根膨大过程中相关的纤维素酶和淀粉酶代谢一系列变化导致的[23-26]。

表1 甘薯扦插后140 d(收获期)的质构特性和淀粉直/支比

图1c所示，166-7和心香的变化趋势呈波浪状曲线，其峰值均出现在扦插后80 d，分别为，166-7的谷值出现在扦插后140 d，心香则是扦插后110 d；而绵粉1号的黏附性则在膨大过程中表现逐渐增加的趋势，自膨大初期到收获期，黏附性由5.05 J显著增加11.25 J(P<0.05)。由此可知，166-7和心香表现为黏附性降低的趋势，而绵粉1号表现为增加的趋势。以往对甘薯的相关研究发现，黏附性与还原糖含量呈正相关[13]。因此可推测，166-7和心香的还原糖含量在扦插后80 d可能达到顶峰，而绵粉1号是在扦插后140 d达到顶峰。

图1d所示，166-7的内聚性变化趋势呈波浪状，其波峰位于扦插后80 d，波谷位于扦插后110 d；绵粉1号呈“一”型，其内聚性在0.20附近徘徊；心香呈“凹”型，其膨大初期和收获期达到峰值，其扦插后110 d的膨大后期达到谷值。3种甘薯品种的内聚性在膨大过程中虽然有不同的趋势，但均表现为膨大后期的块根内聚性较膨大初期显著降低。

图1e所示，166-7的弹性变化趋势呈“山”型，其峰值出现于扦插后80 d；而绵粉1号和心香的弹性变化趋势则表现为“凹”型，其谷值出现在扦插后110 d。166-7和绵粉1号收获期的弹性较膨大初期均表现为降低，而心香的弹性在膨大初期和收获期差异不大(P>0.05)。

图1f所示，166-7的咀嚼性变化趋势呈“倒S”型，其极大值出现在扦插后80 d，其极小值出现在扦插后110 d，并保持至扦插后140 d；绵粉1号的咀嚼性变化趋势呈“对勾”型，极小值出现在扦插后80 d，其极大值出现在扦插后110 d；心香的变化趋势呈“凹”型。心香和绵粉1号的咀嚼性在收获期较膨大初期均升高(P>0.05)，而166-7的咀嚼性则降低(P>0.05)。

不同类型甘薯的质构特性和淀粉直/支比有很大不同。前人研究认为，建议降低水果型甘薯淀粉含量以减少生食后的胀气；同时提高爽脆的口感，增加甜度对水果型甘薯的开发是十分重要的[27,28]。之前关于桔红肉甘薯的研究也有一些类似的发现，扦插后70 d左右，甘薯的蛋白质含量和β胡萝卜素均保持一个较高的水平，营养物质较丰富[29]；扦插后100 d左右，糖分含量迅速增加，保持较高水平，同时干物率和淀粉含量在此时出现谷值[29,30]。与以往苹果质构研究的对比发现，水果型甘薯品种的硬度和咀嚼性远高于优质苹果[31]，其硬度至少达到苹果的2～3倍，所以针对苹果硬度越大、咀嚼性越高，则口感越好的原则[32]，可能在甘薯中并不适用。因此降低生鲜甘薯的硬度和咀嚼性将是未来改善水果型甘薯口感的重点研究方向之一。结合本实验结果，扦插后80～110 d较适宜水果型甘薯的收获或其他类型甘薯拓展水果型用途，此阶段甘薯的干物率较低，硬度和咀嚼性较低，糖含量较高，营养物质丰富，口感更偏向于苹果。在水果型马铃薯的育种开发也采取了相似的策略[33]。

注：数据为3 次重复平均值，不同字母表示同一品种甘薯块根不同膨大时期差异显著(P< 0.05)。

水果型甘薯的生产与淀粉加工型甘薯截然相反，研究认为，淀粉含量高、还原糖低和干物率高的甘薯品种适宜淀粉和薯类食品加工[34,35]。而甘薯淀粉含量、干物率二者与鲜薯的硬度显著正相关[12,13]，与还原糖含量呈显著负相关[22]，提高甘薯的淀粉加工特性可能会提高其鲜薯硬度，从而导致甘薯品种的水果型用途开发的限制。结合前人研究和本研究的结果，开发现有甘薯品种的水果型用途是可行的。通过利用甘薯块根膨大过程质构特性的变化曲线，同时控制甘薯块根的总淀粉含量，增加甘薯块根中可溶性糖和还原糖的含量可以提高其水果型甘薯品质。拓展甘薯的用途，有利于甘薯产业降低育种成本，提高甘薯品种使用效率，增加甘薯育种者、生产者、销售商和加工厂的利润。

2.4 扦插后时间与质构特性、淀粉直/支比的相关性

如表2所示，采用Pearson和Spearman相关性分析方法对甘薯扦插后时间与质构特性、淀粉直/支比开展相关性分析，发现甘薯扦插后时间与淀粉直/支比呈显著负相关(P<0.05)，两种相关性分析方法均为扦插后时间与硬度呈极显著正相关，与弹性呈极显著负相关(P<0.01)，与内聚性呈显著负相关(P<0.05)。甘薯块根的膨大时期与质构特性和淀粉直/支比存在联系，质构特性中与鲜薯的弹性和硬度联系紧密。结合图1可知，整体上，随着块根逐渐膨大，甘薯块根的硬度呈总体上升趋势，淀粉直/支比、内聚性和弹性呈总体降低趋势，个别甘薯品种的变化趋势有所出入。

表2 甘薯扦插后时间和鲜薯质构特性、淀粉直/支比相关性分析

2.5 块根膨大过程中鲜薯质构特性和淀粉直/支比的相关性

如表3所示，采用Pearson和Spearman相关性分析方法对甘薯淀粉直/支比和质构特性的开展相关性分析，两种相关性分析方法均表现为咀嚼性与直/支比表现为极显著相关(P<0.01)，弹性、内聚性对直/支比表现为显著正相关(P<0.05)。其他鲜薯质构特性未发现与淀粉直/支比呈显著相关(P>0.05)。这与之前研究中直链淀粉含量与硬度呈显著正相关有所出入[36]，可能是样品的品种和收获时期不同导致的。

表3 甘薯淀粉直/支比和鲜薯质构特性的相关性分析

3 结论

随着甘薯块根膨大，甘薯的淀粉直/支比、内聚性和咀嚼性降低，硬度增加。淀粉直/支比的谷值出现在扦插后110 d左右的块根膨大后期，此时收获的甘薯的蒸煮适口性不佳；从甘薯质构研究的角度上分析，硬度和咀嚼性是限制水果型甘薯研发的主要因素之一，扦插后80～110 d，块根膨大高峰期至膨大后期，此时的甘薯硬度和咀嚼性低于其他时期，更适宜开展水果型甘薯的开发。开发水果型甘薯时应考虑选择低硬度、低咀嚼性的甘薯品种，不建议使用淀粉加工型甘薯。