马铃薯块茎理化特性、蒸制品质与阻抗特性的相关性分析

赵人杰; 赵瑞璇; 刘倩楠; 王英飒; 白小东; 刘伟; 胡宏海

doi:10.13386/j.issn1002-0306.2024050411

马铃薯块茎理化特性、蒸制品质与阻抗特性的相关性分析

1.
中国农业科学院农产品加工研究所，农业农村部马铃薯主食化加工技术集成实验室，农业农村部农产品加工重点实验室，北京 100193
2.
山西农业大学高寒区作物研究所，山西大同 037008

基金项目: 山西省重点研发计划项目（202102140601004）；国家现代农业产业技术体系（CARS-09-P27）。

详细信息

作者简介:
赵人杰（1997−），男，博士研究生，研究方向：农产品加工利用，E-mail：zhaorenjie1997@163.com

通讯作者:
刘伟（1984−），男，博士，助理研究员，研究方向：农产品加工及贮藏工程，E-mail：liuwei@caas.cn。

胡宏海（1975−），男，博士，研究员，研究方向：农产品加工理论与技术，E-mail：huhonghai@caas.cn。

中图分类号: TS215
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出版历程
- 收稿日期: 2024-06-05
- 网络出版日期: 2025-02-12

Correlation Analysis of the Physicochemical Properties, Steaming Quality and Impedance Characteristics of Potato Tubers

1.
Institute of Food Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Integrated Laboratory of Potato Staple Food Processing Technology, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Key Laboratory of Agricultural Product Processing and Storage, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100193, China
2.
Shanxi Agricultural University, High Crops Institute, Datong 037008, China

摘要

摘要: 通过对不同品种马铃薯块茎理化特性、蒸制品质与阻抗特性进行检测及相关性分析，为研发基于电化学阻抗谱（electrical impedance spectroscopy，EIS）法评价马铃薯蒸制品质的快检技术提供理论依据。结果表明不同品种马铃薯的干物质、淀粉、直链淀粉和膳食纤维含量均存在显著差异（P<0.05）。其中，15049-11的干物质、淀粉和直链淀粉含量最高，分别为23.11%、80.46%和32.85%。蒸制马铃薯的质构品质指标（碎裂性、硬度、粘附性和胶着性）分别与其基本成分（干物质、淀粉、直链淀粉、可溶性膳食纤维、不可溶性膳食纤维和总膳食纤维）含量以及马铃薯淀粉的糊化温度、回生值、粒径、膨润力和溶解度呈显著正相关（P<0.05）。002-18和15049-11鲜薯细胞排列较为规则有序，蒸制后保留了较为完整的细胞壁轮廓，且细胞内充满糊化的淀粉基质，导致其具有较高的碎裂性和硬度。EIS检测显示蒸制马铃薯的质构特性与其低频区域（10~100 Hz）的阻抗值呈显著正相关（P<0.05）。因此，电化学阻抗谱法有望成为一种快速表征蒸制马铃薯质构品质的有效技术。
- 马铃薯块茎 /
- 淀粉理化特性 /
- 细胞结构 /
- 蒸制 /
- 质构 /
- 电阻抗 /
- 相关性分析
Abstract: The physicochemical properties, steaming quality, and impedance characteristics of different potato tuber varieties were tested and analyzed for correlations. The test aimed to provide a theoretical basis for developing a rapid detection technology to evaluate the cooking quality of potatoes based on electrical impedance spectroscopy (EIS). The results showed significant differences (P<0.05) in dry matter, starch, amylose, and dietary fiber content among the different potato varieties. Among them, variety 15049-11 had the highest dry matter, starch, and amylose content, with values of 23.11%, 80.46%, and 32.85%, respectively. The textural quality indicators of steamed potatoes (fracturability, hardness, adhesiveness, and gumminess) were significantly positively correlated (P<0.05) with their basic components (dry matter, starch, amylose, soluble dietary fiber, insoluble dietary fiber, and total dietary fiber) as well as with the gelatinization temperature, retrogradation value, particle size, swelling power, and solubility of potato starch. Fresh potatoes of varieties 002-18 and 15049-11 exhibited a more ordered and regular cell arrangement. After steaming, they retained relatively intact cell wall contours, and the cells were filled with a gelatinized starch matrix, resulting in higher brittleness and hardness. EIS testing showed that the textural characteristics of the steamed potatoes were significantly and positively correlated (P<0.05) with their impedance values in the low-frequency range (10~100 Hz). Therefore, EIS is expected to be an effective technology for the rapid characterization of the textural quality of steamed potatoes.
- Potato tubers /
- Physicochemical properties of starch /
- Cell structure /
- Steaming /
- Texture property /
- Electrical impedance /
- Correlation analysis

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马铃薯（Solanum tuberosum L.）是继水稻、小麦、玉米后的全球第四大粮食作物^[1]，富含碳水化合物、蛋白质、膳食纤维、维生素、矿物质等营养成分，可满足人体生命活动的大部分营养需求^[2]。据联合国粮农组织FAO统计，2021年中国马铃薯总种植面积为8674万亩，产量为9436万吨，均居世界首位^[3]。蒸制是马铃薯主要的加工方式之一，广泛应用于家庭马铃薯菜肴的烹饪，以及薯泥、薯饼等马铃薯产品工业化的生产^[4]。我国马铃薯种质资源丰富，不同品种马铃薯营养成分、理化特性和加工品质存在差异。建立马铃薯蒸制品质的评价方法，进而筛选适宜蒸制加工的马铃薯品种，可以为马铃薯加工专用品种的选育和种植结构调整提供参考。

目前，光学显微镜、扫描电镜、质构仪、低场核磁共振仪等仪器已广泛应用于检测和分析马铃薯块茎的蒸制品质。相关研究表明马铃薯块茎的蒸制品质受到细胞结构、干物质、膳食纤维、果胶、淀粉含量等多种因素影响^[5]。邱振业等^[6]分析了马铃薯块茎质构品质与主要组分的相关性，发现块茎蒸制后的硬度与干物质、纤维素和果胶含量有关；Singh等^[7]发现具有紧密排列的细胞结构和较高淀粉含量的蒸制马铃薯块茎具有更高的硬度。然而，上述设备存在价格昂贵、操作复杂、便携性差等不足。因此，开发经济、方便、操作简便的检测分析技术以应用于马铃薯块茎蒸制品质评价，对于促进我国马铃薯加工专用品种筛选与选育有重要意义。

电化学阻抗谱（electrical impedance spectroscopy，EIS）是一种非破坏性的快速检测技术，通过检测不同生物组织的电化学信息评价其生理状态^[8]。近年来，EIS法已被广泛应用于果蔬贮藏^[9−10]及加工过程中^[8,11]的品质检测。Ibba等^[10]借助EIS跟踪监测水果的成熟过程；李星怒等^[11]基于EIS完成了对苹果干燥过程含水率的实时检测；此外，前期研究发现EIS可以协同流变学及热力学等分析技术，用于评价马铃薯块茎中淀粉的冷冻损伤程度^[8]。因此，EIS作为一种快速检测技术在食品监测及品质评价方面具有广泛发展前景。然而，基于EIS法的快检技术是否适用于马铃薯块茎蒸制品质检测尚未可知。

本实验以山西省农业科学院高寒区作物研究所选育的4种不同品种马铃薯为原料，首先系统研究马铃薯块茎主要组分、淀粉理化特性和细胞结构与马铃薯块茎蒸制品质及阻抗特性的关系；进一步，探究马铃薯块茎蒸制品质与其阻抗特性的相关性，以期为开发基于EIS法评价马铃薯蒸制品质的快检技术提供理论依据。

1. 材料与方法

1.1 材料与仪器

马铃薯（品种：002-18，1725-2，1730-14，15049-11）　采自山西农业大学（山西省农科院）高寒区作物研究所毛皂试验基地，于13～18 ℃避光通风条件下愈伤10 d，随后选择成熟度一致、大小形状基本均一、无病虫害、无机械伤、无裂皮、不发青的马铃薯块茎用于后续实验；总淀粉测定试剂盒、直链淀粉测定试剂盒　爱尔兰Megazyme公司；福尔马林、戊二醛、树脂、甲苯胺蓝　均为分析纯，上海麦克林生化科技有限公司；树胶（Procure 812）　ProSciTech公司；丙酮　分析纯，富宇精细化工有限公司；KBr　光谱纯，科密欧试剂公司。

TecMaster快速黏度分析仪　瑞典Perten仪器公司；Malvern Mastersizer 2000粒度分析仪　英国Malvern公司；TENSOR27傅立叶红外光谱仪　德国Bruker公司；CT3质构分析仪　美国Brookfield公司；扫描电子显微镜（SEM）　日本日立高新技术公司；DM750光学显微镜（NLM）　德国Leica公司；IM3536阻抗分析仪　日本Hioki公司；PQ-001核磁共振波谱仪　上海纽迈分析仪器股份有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 马铃薯样品制备

马铃薯块茎取样如图1所示，取新鲜、形状匀称的马铃薯，经清洗、去皮后，取不同部位的块茎组织，制备成2.5 cm×2.5 cm×2.5 cm的立方体，作为马铃薯新鲜块茎样品。此外，将部分新鲜块茎于−80 ℃冷冻12 h，取出后置于真空冷冻机中干燥，粉碎后过100目筛，得到冻干粉并密封放于阴凉处备用。不同品种的马铃薯新鲜块茎立方体分别在100 ℃条件下蒸制20 min，冷却至室温后得到蒸制块茎样品，用于后续实验。同品种马铃薯块茎样品制备方法间图1。

图 1 不同品种马铃薯块茎样品制备示意图

Figure 1. Different varieties of potato tuber sample preparation schematic diagram

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1.2.2 马铃薯基本成分测定

马铃薯鲜薯的干物质含量根据GB 5009.3-2016《食品中水分的测定》直接干燥法进行测定；使用Megazyme总淀粉测定试剂盒和Megazyme直链淀粉测定试剂盒测定冻干马铃薯样品中总淀粉和直链淀粉的含量。马铃薯冻干粉中灰分、蛋白质、脂肪、膳食纤维（可溶性膳食纤维、不可溶性膳食纤维和总膳食纤维）含量分别参考GB 5009.4-2016《食品中灰分的测定》、GB 5009.5-2016《食品中蛋白质的测定》、GB 5009.6-2016《食品中脂肪的测定》和GB5009.88-2014《食品中膳食纤维的测定》所描述的方法测定。

1.2.3 马铃薯淀粉理化特性测定

1.2.3.1 马铃薯淀粉提取及基本成分测定

参考Ahmed等^[12]的方法从4种不同品种马铃薯鲜薯中提取淀粉。简而言之，将1.2.1制备的新鲜马铃薯立方体经粉碎机匀浆后通过尼龙滤布（120目）过滤，收集滤浆于25 ℃静置沉淀4 h，弃去上清液并反复清洗，直到上清液澄清，收集沉淀置于45 ℃烘箱干燥24 h，磨碎后过100目筛，保存在干燥器中备用。

1.2.3.2 糊化性质测定

将3 g淀粉样品分散于25 mL蒸馏水中并混合均匀，得到的悬浮样品于快速黏度分析仪专用铝盒内检测糊化特性^[8]。测定条件：在50 ℃下平衡1 min；以13 ℃/min的速率升至95 ℃并保温3 min；然后以3 ℃/min的速度冷却至50 ℃。搅拌器在起始10 s内转动速率为960 r/min，之后保持在160 r/min。最后用快速黏度分析仪专用测试软件Thermocline for Windows（TCW）分析获得马铃薯淀粉的糊化黏度特征参数。

1.2.3.3 粒度测定

参照毛启慧等^[13]描述的方法，采用粒度分析仪对不同品种马铃薯淀粉的粒径进行检测分析。将淀粉样品分散在蒸馏水中，控制遮光度在8%～20%范围内再开始测量。平均直径分别用D（0.5）（累积体积百分比为50%时的颗粒直径）、D[4,3]（体积加权平均直径）和D[3,2]（面积加权平均直径）表示。

1.2.3.4 溶解度和膨润力测定

参考Zhou等^[14]所描述的方法测定淀粉的溶解度（SOL）和膨润力（SP）。首先将样品5%（w/v）在沸水浴中加热，同时连续搅拌30 min。冷却至室温后，将混合物以8000×g离心30 min，收集上清液和沉淀物并按照公式（1）和公式（2）进行SOL和SP的计算：

SOL (%) = \frac{A}{m} \times 100

$\text{SOL}(\text{%})=\frac{\mathrm{A}}{\mathrm{m}}\times 100$

(1)

S P (g / g) = \frac{M}{m \times (1 - S O L)}

$\mathrm{S}\mathrm{P}(\mathrm{g}/\mathrm{g})=\frac{\mathrm{M}}{\mathrm{m}\times (1-\mathrm{S}\mathrm{O}\mathrm{L})}$

(2)

式中：m为原始淀粉的重量；A为在105 ℃下干燥后得到的上清液的重量；M为沉积物的初始重量。

1.2.4 马铃薯块茎样品制备及蒸制品质检测

1.2.4.1 质构特性测定

根据实验室之前的方法，将新鲜马铃薯块茎和蒸制马铃薯块茎样品置于物性测定质构仪（TPA）载物台上并采用TA39（2 mm Φ）探头进行测定。测试前、测试中和测试后速率分别为1.5 mm/s、1 mm/s和1 mm/s。测试距离为10 mm，触发力为5 g。选取碎裂性、硬度、内聚性及胶着性来表征新鲜马铃薯块茎的质构品质；碎裂性、硬度、内聚性、粘附性及胶着性来表征蒸制马铃薯块茎的质构品质。

1.2.4.2 微观结构测定

参考Bordoloi等^[15]的方法，采用光学显微镜（NLM）对不同品种马铃薯块茎中的细胞结构进行观察。以1.2.1制备新鲜块茎和蒸制块茎样品为原材料，采用超薄刀片切割样品至合适大小，用含有2%（w/v）福尔马林和3%（w/v）戊二醛的磷酸缓冲液（0.1 mol/L；pH7.2）在室温下固定2 h。然后，用磷酸缓冲液洗涤3次，并在室温下用含有1%（w/v）四氧化锇的磷酸缓冲液固定1 h，再次用磷酸缓冲液洗涤3次。随后，用不同比例的丙酮/水体系（25%、50%、75%、95%）进行梯度洗脱，每个梯度洗脱处理保持10 min，并在100%丙酮中保持2 h。然后，在搅拌器上用丙酮：树脂（Procure 812）混合物（1:1）包埋过夜，最后用100%树脂替换丙酮/树脂混合物在60 ℃下固定8 h成型。使用玻璃刀和超薄切片机从修剪后的树脂块中切取1 μm厚的切片，并将其固定在载玻片上，用0.05%甲苯胺蓝染色，采用NLM进行观察。

采用扫描电子显微镜（SEM）对不同品种马铃薯块茎的微观结构进行观察。以1.2.1制备新鲜块茎和蒸制块茎样品为原材料，通过冷冻干燥除去水分，将冻干后的样品固定在载物台上，喷金处理后放入SEM中观察，在100×放大倍数下观察样品的微观结构，加速电压为10.0 kV。

1.2.4.3 电化学阻抗谱测定

参考Liu等^[16]描述的方法，以制备的马铃薯新鲜块茎和蒸制块茎样品为原材料，采用阻抗分析仪测定不同样品的电化学阻抗谱。仪器配有2个直径为1 mm的针状铜电极。样品检测前进行开路和短路校正，然后将两电极垂直插入到新鲜及蒸制马铃薯块茎中（插入深度为1 cm），并确保两电极之间距离为2 cm，进行阻抗值（Z）和相位角（θ）的测量。测量频率设定在4-1M Hz范围内，并包含200个采样点。

1.2.4.4 水分分布测定

将1.2.1制备新鲜马铃薯块茎和蒸制马铃薯块茎样品分别置于核磁管内，进行核磁共振检测^[16]。测量参数如下：磁场强度：0.5 T；工作温度：25 ℃；磁场频率：23 MHz；等待时间=1500.000 ms，时间回波=0.250 ms，基于得到的原始数据的对数坐标绘制T2分布曲线。

1.3 数据处理

所有的试验均重复3次，结果以平均值±标准差表示，采用SPSS 20.0进行单因素方差分析和Duncan检验，P<0.05表示差异显著，使用OriginPro 8.5软件绘制图像，皮尔逊相关系数的计算及相关性热图的绘制通过R语言软件完成。

2. 结果与分析

2.1 不同品种马铃薯基本成分

由表1可知，不同品种马铃薯干物质、淀粉、直链淀粉、可溶性膳食纤维、不可溶性膳食纤维和总膳食纤维含量存在显著差异（P<0.05），主要与不同品种马铃薯遗传基因和生长环境的协同作用有关^[17]。而不同品种马铃薯粗蛋白质、粗灰分、粗脂肪含量没有显著性差异（P>0.05）。不同品种马铃薯样品中，15049-11的干物质、淀粉、直链淀粉、可溶性膳食纤维、不可溶性膳食纤维和总膳食纤维含量最高，分别为23.11%、80.46%、32.85%、1.33%、2.07%和3.40%，而1730-14的各成分含量最低。研究表明马铃薯块茎的质构品质与其基本成分有关，张霞^[18]发现不同品种蒸煮马铃薯块茎的硬度、胶黏性和咀嚼性随总淀粉含量增加而增大；Singh等^[19]发现干物质含量为14.63%~19.03%、淀粉含量为6.40%~10.32%的蒸煮马铃薯为蜡质口感，而干物质含量为20.97%~21.57%、淀粉含量为12.05%~12.94%的蒸煮马铃薯为粉质口感。

表 1 不同品种马铃薯基本成分

Table 1. Basic composition of the different potato cultivars

马铃薯品种	干物质（%）	淀粉（%）	直链淀粉（%）	粗蛋白质（%）	粗灰分（%）	粗脂肪（%）	可溶性膳食纤维（%）	不可溶性膳食纤维（%）	总膳食纤维（%）
002-18	18.12±0.11^b	76.40±2.38^b	31.46±0.50^b	6.35±0.20^a	3.26±0.14^a	0.18±0.02^a	1.15±0.06^b	1.83±0.09^b	2.98±0.07^b
1725-2	17.09±0.11^c	73.62±1.08^c	29.78±0.41^c	6.31±0.24^a	3.16±0.17^a	0.17±0.02^a	1.12±0.02^b	1.64±0.09^b	2.79±0.04^b
1730-14	15.64±0.23^d	71.04±0.58^d	28.25±1.11^d	6.42±0.07^a	3.33±0.13^a	0.15±0.01^a	1.04±0.04^c	1.39±0.05^c	2.43±0.02^c
15049-11	23.11±0.31^a	80.46±0.94^a	32.85±0.58^a	6.65±0.20^a	3.13±0.07^a	0.16±0.01^a	1.33±0.05^a	2.07±0.08^a	3.40±0.05^a
注：除了干物质含量外，其他所有指标均基于马铃薯干基含量；同列肩标小写字母不同表示差异显著（P<0.05），表2~表5同。

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2.2 不同品种马铃薯淀粉理化性质

2.2.1 淀粉糊化特性

淀粉的糊化特性与直链淀粉含量、淀粉链长分布和淀粉晶体结构密切相关^[20]。糊化温度反映淀粉在高温条件下溶胀形成均匀糊状物质且黏度迅速上升的温度；峰值黏度和峰谷黏度分别反映淀粉在糊化过程中淀粉颗粒的溶胀程度及耐剪切能力；衰减值和回生值分别代表淀粉糊的抗剪切能力和短期老化回升趋势^[21]。如图2和表2所示，不同品种马铃薯淀粉的糊化特性存在显著性差异（P<0.05）。15049-11的峰值黏度（5193 mPa·s）、衰减值（2911.33 mPa·s）、回生值（2355.67 mPa·s）以及糊化温度（75.55 ℃）显著高于其他品种（P<0.05），而最终黏度（2746.67 mPa·s）最低；1730-14具有最低的峰谷黏度（2131.67 mPa·s）、回生值（465.00 mPa·s）及糊化温度（69.70 ℃）；1725-2具有最高峰谷黏度（2743.00 mPa·s），以及最低的峰值黏度（3289.67 mPa·s）和衰减值（546.33 mPa·s），而002-18则表现出最高的最终黏度（4605.00 mPa·s）。

图 2 不同品种马铃薯淀粉RVA糊化曲线

Figure 2. RVA gelatinization curve of different varieties of potato starch samples

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表 2 不同品种马铃薯淀粉糊化特性

Table 2. Pasting properties of different varieties of potato starch samples

马铃薯品种	峰值黏度（mPa·s）	峰谷黏度（mPa·s）	衰减值（mPa·s）	最终黏度（mPa·s）	回生值（mPa·s）	糊化温度（℃）
002-18	4264.67±77.51^b	2507.33±13.28^b	1757.67±160.39^c	4605.00±10.58^a	1862.00±62.23^b	73.68±0.46^b
1725-2	3289.67±20.31^c	2743.00±71.76^a	546.33±73.87^d	3164.33±20.50^c	657.00±17.69^c	71.03±0.41^c
1730-14	4184.67±225.09^b	2131.67±44.38^d	2053.00±25.63^b	4487.33±40.46^b	465.00±32.08^d	69.70±0.95^d
15049-11	5193.00±35.34^a	2281.67±60.19^c	2911.33±55.43^a	2746.67±53.67^d	2355.67±62.43^a	75.55±0.00^a

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2.2.2 淀粉粒径、膨润力和溶解度

如表3所示，不同品种马铃薯淀粉的粒径范围为59.27~70.67 μm。其中，15049-11的平均粒径最大（D[3,2] 50.23 μm，D[4,3] 73.00 μm），1730-14的平均粒径最小（D[3,2] 37.89 μm，D[4,3] 61.09 μm）。不同品种马铃薯淀粉样品中，1730-14的膨润力和溶解度均最低，分别为15.91 g/g和4.30%；而15049-11的膨润力和溶解度均最高，分别为20.65 g/g和6.18%。膨润力表示淀粉颗粒在水中的吸水能力和膨胀程度。膨润力高的淀粉在加热过程中会吸收更多的水分，导致较大的体积变化。淀粉颗粒的溶解度主要与直链淀粉的溶出有关，受到粒径、形貌特征、结晶度和糊化度等因素的影响^[22−23]。

表 3 不同品种马铃薯淀粉粒径、膨润力和溶解度

Table 3. Granule size, swelling power and solubility of different varieties of potato starch samples

马铃薯品种	d（0.5）（μm）	D[3,2]（μm）	D[4,3]（μm）	膨润力（g/g）	溶解度（%）
002-18	65.37±1.03^b	43.50±0.38^b	68.09±1.56^b	19.44±0.28^b	5.30±0.16^b
1725-2	64.09±0.49^b	42.25±0.33^c	64.92±0.09^c	17.46±0.21^c	4.88±0.03^c
1730-14	59.27±0.79^c	37.89±0.72^d	61.09±0.18^d	15.91±0.20^d	4.30±0.17^d
15049-11	70.67±0.69^a	50.23±0.12^a	73.00±0.51^a	20.65±0.53^a	6.18±0.00^a

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2.3 不同品种马铃薯块茎蒸制品质

2.3.1 马铃薯块茎质构特性

如表4所示，不同品种新鲜马铃薯的质构特性差异显著（P<0.05）。15049-11的碎裂性和硬度最高，依次是002-18、1725-2、1730-14。如表5所示，与鲜薯块茎相比，蒸制后样品的碎裂性、硬度、内聚性和胶着性显著降低（P<0.05）。不同蒸制马铃薯样品中，15049-11和002-18的碎裂性和硬度较高，可能与马铃薯细胞在蒸制过程中保持了相对较好的完整性有关；而较高的胶着性可能归因于较高的干物质和淀粉含量，与蒸制后细胞分离和细胞壁降解程度较低有关^[24−25]。

表 4 不同品种马铃薯鲜薯样品质构品质

Table 4. Texture proﬁle analysis parameters of raw potatoes from different cultivars

马铃薯品种	碎裂性（N）	硬度（N）	内聚性	胶着性（N）
002-18	288.64±14.01^b	157.30±4.25^b	0.10±0.02^a	16.09±2.42^a
1725-2	261.14±12.23^c	149.93±6.21^b	0.04±0.01^b	13.03±1.68^b
1730-14	208.80±10.45^d	105.48±6.04^c	0.03±0.01^b	6.93±1.48^c
15049-11	329.60±12.36^a	170.12±4.46^a	0.10±0.02^a	17.01±1.42^a

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表 5 不同品种马铃薯蒸制样品质构品质

Table 5. Texture proﬁle analysis parameters of steamed potatoes from different cultivars

马铃薯品种	碎裂性（N）	硬度（N）	内聚性	粘附性	胶着性（N）
002-18	39.60±1.14^b	33.24±1.75^b	0.06±0.01^a	0.46±0.04^b	1.91±0.03^a
1725-2	31.23±1.20^c	25.65±1.58^c	0.05±0.01^a	0.40±0.04^b	1.18±0.02^b
1730-14	24.35±0.98^d	21.78±1.63^d	0.04±0.02^a	0.31±0.01^c	0.84±0.02^c
15049-11	43.92±1.56^a	37.35±1.66^a	0.05±0.01^a	0.57±0.02^a	1.98±0.03^a

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2.3.2 马铃薯块茎微观结构

采用SEM和NLM对不同品种马铃薯鲜薯和蒸制块茎的微观形貌进行观察。如图3所示，马铃薯鲜薯块茎由富含果胶组分的中间薄壁连接的细胞网络组成，细胞质中含有大量椭圆状淀粉颗粒^[26]。与1725-2和1730-14相比，002-18和15049-11的细胞尺寸较小且排列更为紧凑、有序，细胞质体中的淀粉含量较多，这与不同样品中002-18和15049-11鲜薯块茎具有较高的碎裂性、硬度和内聚性相一致（表4）。SEM观察到蒸制后马铃薯细胞中淀粉颗粒结构完全消失，形成了无规则的碎片状结构。在马铃薯块茎蒸制过程中，晶态淀粉颗粒吸收细胞内水分，发生溶胀和糊化，导致薄壁细胞体积变大，甚至发生破损；此外，中间薄壁的果胶组分发生β-消解，削弱了细胞之间的结合作用，造成细胞分离和组织脱落，导致块茎质地软化^[27−28]。与1725-2和1730-14相比，002-18和15049-11的细胞组织结构较为致密，保留了更为完整的细胞壁轮廓且细胞内充满了糊化的淀粉基质，这与其较高的碎裂性、硬度和粘附性结果相一致（表5）。而且，致密完整的细胞组织可能会对电流传输产生更强的阻碍作用。

图 3 不同品种马铃薯鲜薯和蒸制样品微观形貌

Figure 3. Microscopic morphology of fresh potato and steamed potato samples of different varieties

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2.3.3 马铃薯块茎水分分布和状态

图4A显示了不同品种马铃鲜薯和蒸制块茎中氢质子的横向弛豫分布曲线（T₂），在T₂弛豫谱中有三个明显的峰，即T₂₁（0.1~10 ms）、T₂₂（10~100 ms）和T₂₃（100~1000 ms），分别代表结合水、不易流动水和自由水^[29]。新鲜马铃薯块茎经过蒸制后，细胞壁发生不同程度的破裂和降解，削弱了水分子的结合状态，导致弛豫时间呈增加，T₂₁和T₂₂峰左移以及峰面积的减小。图3B显示了不同品种马铃薯鲜薯和蒸制块茎水分分布的峰面积变化，P₂₁、P₂₂和P₂₃分别代表马铃薯块茎中结合水、不易流动水和自由水的占比。经过蒸制后，新鲜马铃薯块茎的P₂₁和P₂₂的比例降低，而P₂₃的比例增加，表明一部分结合水和不易流动水经过蒸制处理后会转化为自由水。P₂₃范围为82.19%~85.43%，其中1730-14含量最高，而15049-11含量最低。

图 4 不同品种马铃薯鲜薯和蒸制样品水分分布（A：水分横向弛豫时间T₂反演图；B：水分分布峰面积变化）

Figure 4. Moisture distribution of fresh and steamed potato samples of different varieties (A: T₂ inversion diagram of transverse relaxation time of water; B: the change of water distribution peak area)

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2.3.4 马铃薯块茎阻抗特性

图5显示了不同品种马铃薯鲜薯和蒸制样品的阻抗特性。如图5A所示，不同品种马铃薯鲜薯的阻抗值整体呈降低趋势。在4~2000 Hz条件下，阻抗值呈现缓慢的降低趋势；而在2000~1000000 Hz条件下，阻抗值呈现快速降低趋势。马铃薯块茎组织中细胞被细胞外液包围，在低频条件下细胞膜充当绝缘体起到电容器的作用，电流绕过细胞组织，通过细胞外液传导，导致阻抗值较高；随着频率的持续增加，部分电流穿过细胞膜，流经细胞内液，导致体系的阻抗值降低^[30]。在蒸制过程中，马铃薯薄壁组织和细胞膜受热降解，细胞内外液混合，离子迁移效率提升，导致电导率的增加以及阻抗值减小^[31]。不同品种蒸煮马铃薯的阻抗值整体变化趋势一致，但低频（10~100 Hz）下的不同样品的阻抗响应值存在显著差异（P<0.05）。如图4B所示，随着频率增加，马铃薯鲜薯的相位角值呈现先增加后降低，然后增加的趋势；蒸制后马铃薯样品的相位角先降低，然后逐渐增加，最后趋于平衡。在0~1000 Hz条件下，经过蒸制处理后，马铃薯块茎的相位角值显著降低，主要与加热过程破坏了细胞壁和细胞膜，导致生物组织的电容成分显著减少有关^[32]。

图 5 不同品种马铃薯鲜薯和蒸制块茎的阻抗特性（A:阻抗值; B:相位角值）

Figure 5. Impedance characteristics of fresh and steamed tubers of different potato varieties (A: impedance value; B: phase angle value)

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2.3.5 相关性分析

采用Pearson相关系数分析马铃薯基本成分、微观结构、淀粉理化特性、蒸制品质与阻抗特性的关系，结果如图6所示，马铃薯基本成分（干物质、淀粉、直链淀粉、可溶性膳食纤维、不可溶性膳食纤维和总膳食纤维含量）分别与蒸制马铃薯块茎的碎裂性、硬度、粘附性和胶着性以及在10~100 Hz条件下的阻抗值呈显著正相关（P<0.05）。研究表明经过蒸制处理，马铃薯细胞中的淀粉颗粒发生溶胀和糊化，导致薄壁细胞体积变大，而较高的淀粉和干物质含量有利于块茎形成较为致密的组织结构。淀粉颗粒糊化导致直链淀粉溶出，并通过与水分子相互作用形成网络结构，增强相邻细胞的粘附性^[33]，导致马铃薯块茎的碎裂性、硬度、粘附性和胶着性增加。同时，马铃薯蒸制过程发生细胞壁降解以及果胶溶出，导致块茎质构的软化。随着可溶性膳食纤维、不可溶性膳食纤维和总膳食纤维含量的增加，块茎质构软化程度减弱，有利于蒸制块茎组织形成有序的组织结构^[34]。水分子是马铃薯块茎中的导电介质，马铃薯干物质含量增加则水分含量降低，导致蒸制马铃薯块茎的导电性降低；另一方面，淀粉、直链淀粉、可溶性膳食纤维、不可溶性膳食纤维和总膳食纤维可以与水分子在热处理过程中发生水合作用，因此这些物质含量越高水合作用越强，自由水含量降低，因此蒸制马铃薯块茎的阻抗值也随着不同组分的含量增加而增加。

图 6 不同品种马铃薯基本成分、微观结构、淀粉理化特性与马铃薯块茎蒸制样品阻抗特性的相关性分析

（注：module 10：10 Hz下的阻抗；module 100：100 Hz下的阻抗；module 1000：1000 Hz下的阻抗；module 10000：10000 Hz下的阻抗；module 100000：100000 Hz下的阻抗；module 1000000：1000000 Hz下的阻抗； phase 10：10 Hz下的相位；phase 100：100 Hz下的相位；phase 1000：1000 Hz下的相位；phase 10000：10000 Hz下的相位；phase 100000：100000 Hz下的相位；phase 1000000：1000000 Hz下的相位；*** P<0.001, ** P<0.01, * P<0.05）。

Figure 6. Correlation analysis between the basic components, microstructure, starch physicochemical properties of different varieties of potatoes and the electrical impedance characteristics of steamed potato tuber samples

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马铃薯淀粉糊化温度和回生值与蒸制马铃薯块茎的碎裂性、硬度、粘附性和胶着性呈显著正相关（P<0.05），且分别与蒸制马铃薯在10~100000 Hz和10~10000 Hz条件下的阻抗值呈显著正相关（P<0.05）。淀粉糊化温度主要与淀粉颗粒的结构稳定性有关^[35]。马铃薯块茎中淀粉的糊化温度越高，表明其具有较好的稳定结构，马铃薯块茎经蒸制处理后淀粉颗粒不易溶胀糊化，细胞破损程度低，因此块茎组织具有较高的碎裂性、硬度、粘附性和胶着性。回生过程中，淀粉回生值高的马铃薯块茎样品中淀粉分子更容易发生重新排列和结晶，导致块茎内部的结构更加紧密有序，块茎组织的碎裂性、硬度、粘附性和胶着性增加。此外，由于较为完整的细胞结构以及回生后更加紧密有序的组织结构对电流传输具有更强的阻碍作用，导致块茎的阻抗值更高。马铃薯淀粉的粒径（d（0.5）、D[3,2]和D[4,3]）、膨润力和溶解度与蒸制马铃薯块茎的碎裂性、硬度、粘附性和胶着性以及其在10~100 Hz条件下的阻抗值呈显著正相关（P<0.05）。随着淀粉颗粒的粒径增大，加热过程中淀粉吸水溶胀的速度减缓，块茎中细胞结构保持相对完整，块茎的碎裂性、硬度、粘附性和胶着性以及阻抗值较高。随着淀粉颗粒的膨润力和溶解度增加，块茎细胞内的淀粉凝胶网络结构增强；直链淀粉溶出对细胞起到粘连的作用，有利于块茎致密结构的形成，导致蒸制马铃薯块茎的的碎裂性、硬度、粘附性和胶着性以及阻抗值增加。

蒸制马铃薯块茎的P₂₃与其碎裂性、硬度、粘附性和胶着性以及阻抗值（10~100000 Hz）呈显著负相关（P<0.05），这可能与蒸制马铃薯块茎中淀粉、膳食纤维、蛋白质等组分与水分子相互作用减弱有关。随着蒸制马铃薯块茎P₂₃增加，更多的水分子以自由态形式存在，导致块茎内部结构相对松散，因此碎裂性、硬度、粘附性和胶着性较低。块茎内部的电流通过自由水进行传导。当自由水比例较高时，块茎内部的电流传导路径更为顺畅，导致阻抗值降低。

此外，在10~100 Hz下，蒸制马铃薯的阻抗值与其质构品质指标（碎裂性、硬度、粘附性和胶着性）之间存在显著正相关（P<0.05）；然而在更高的频率下（1000~1000000 Hz），蒸制马铃薯的阻抗值与质构品质指标之间相关性降低不显著（P>0.05）。结合各指标结果分析，随着马铃薯块茎中淀粉含量的增加以及溶解溶胀特性的增强，自由水含量的降低，细胞壁结构完整性较高，导致蒸制马铃薯块茎形成了更为致密的组织结构，从而使得块茎的碎裂性、硬度、粘附性和胶着性增强。在10~100 Hz下，电流通过细胞液中的离子传输，蒸制块茎的致密组织结构对电流传输产生更强的阻碍作用，导致阻抗值增加，不同蒸制马铃薯块茎样品的阻抗值存在显著差异（P<0.05）。而在更高频率下，电流直接穿越蒸制马铃薯内部结构。因此，块茎组织的阻抗值显著降低，不同样品之间的阻抗值差异降低。

因此，蒸制马铃薯块茎的阻抗特性测定可分为两个频率范围，即低频率区（10~100 Hz）和高频率区（1000~1000000 Hz）。其中，低频区域（10~100 Hz）内蒸制马铃薯块茎的阻抗值可以有效地反映淀粉、直链淀粉、可溶性膳食纤维、不可溶性膳食纤维和总膳食纤维含量、淀粉溶解度、膨润力、糊化温度、回生值、以及蒸制马铃薯块茎的自由水占比和质构品质。因此，低频区域（10~100 Hz）的阻抗图谱应用于不同品种马铃薯块茎蒸制品质评价具有潜在的应用前景。

3. 结论

本实验系统研究了不同品种马铃薯基本成分、淀粉理化特性和细胞结构对块茎蒸制品质的影响，并评价了各指标与马铃薯块茎阻抗特性的相关性。结果表明，在低频区域（10~100 Hz）下，淀粉、直链淀粉、可溶性膳食纤维、不可溶性膳食纤维和总膳食纤维含量，以及淀粉溶解度、膨润力、糊化温度、回生值与蒸制马铃薯块茎的阻抗值呈显著正相关（P<0.05），而P₂₃与蒸制马铃薯块茎阻抗值则呈显著负相关（P<0.01）；然而，在更高频率下（1000~1000000 Hz），蒸制马铃薯块茎的阻抗值与各指标之间的相关性降低甚至不显著（P>0.05）。此外，在低频区域（10~100 Hz），蒸制马铃薯的阻抗值与其蒸制特性（碎裂性、硬度、粘附性和胶着性）呈显著正相关（P<0.05）。因此，在特定的频率条件下EIS可用于表征蒸制马铃薯块茎的质构品质。本研究为基于EIS技术开发马铃薯块茎蒸制品质评价的快检技术提供了理论支撑。

图 1 不同品种马铃薯块茎样品制备示意图

Figure 1. Different varieties of potato tuber sample preparation schematic diagram

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图 2 不同品种马铃薯淀粉RVA糊化曲线

Figure 2. RVA gelatinization curve of different varieties of potato starch samples

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图 3 不同品种马铃薯鲜薯和蒸制样品微观形貌

Figure 3. Microscopic morphology of fresh potato and steamed potato samples of different varieties

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图 4 不同品种马铃薯鲜薯和蒸制样品水分分布（A：水分横向弛豫时间T₂反演图；B：水分分布峰面积变化）

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图 5 不同品种马铃薯鲜薯和蒸制块茎的阻抗特性（A:阻抗值; B:相位角值）

Figure 5. Impedance characteristics of fresh and steamed tubers of different potato varieties (A: impedance value; B: phase angle value)

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图 6 不同品种马铃薯基本成分、微观结构、淀粉理化特性与马铃薯块茎蒸制样品阻抗特性的相关性分析

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表 1 不同品种马铃薯基本成分

Table 1 Basic composition of the different potato cultivars

马铃薯品种	干物质（%）	淀粉（%）	直链淀粉（%）	粗蛋白质（%）	粗灰分（%）	粗脂肪（%）	可溶性膳食纤维（%）	不可溶性膳食纤维（%）	总膳食纤维（%）
002-18	18.12±0.11^b	76.40±2.38^b	31.46±0.50^b	6.35±0.20^a	3.26±0.14^a	0.18±0.02^a	1.15±0.06^b	1.83±0.09^b	2.98±0.07^b
1725-2	17.09±0.11^c	73.62±1.08^c	29.78±0.41^c	6.31±0.24^a	3.16±0.17^a	0.17±0.02^a	1.12±0.02^b	1.64±0.09^b	2.79±0.04^b
1730-14	15.64±0.23^d	71.04±0.58^d	28.25±1.11^d	6.42±0.07^a	3.33±0.13^a	0.15±0.01^a	1.04±0.04^c	1.39±0.05^c	2.43±0.02^c
15049-11	23.11±0.31^a	80.46±0.94^a	32.85±0.58^a	6.65±0.20^a	3.13±0.07^a	0.16±0.01^a	1.33±0.05^a	2.07±0.08^a	3.40±0.05^a
注：除了干物质含量外，其他所有指标均基于马铃薯干基含量；同列肩标小写字母不同表示差异显著（P<0.05），表2~表5同。

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表 2 不同品种马铃薯淀粉糊化特性

Table 2 Pasting properties of different varieties of potato starch samples

马铃薯品种	峰值黏度（mPa·s）	峰谷黏度（mPa·s）	衰减值（mPa·s）	最终黏度（mPa·s）	回生值（mPa·s）	糊化温度（℃）
002-18	4264.67±77.51^b	2507.33±13.28^b	1757.67±160.39^c	4605.00±10.58^a	1862.00±62.23^b	73.68±0.46^b
1725-2	3289.67±20.31^c	2743.00±71.76^a	546.33±73.87^d	3164.33±20.50^c	657.00±17.69^c	71.03±0.41^c
1730-14	4184.67±225.09^b	2131.67±44.38^d	2053.00±25.63^b	4487.33±40.46^b	465.00±32.08^d	69.70±0.95^d
15049-11	5193.00±35.34^a	2281.67±60.19^c	2911.33±55.43^a	2746.67±53.67^d	2355.67±62.43^a	75.55±0.00^a

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表 3 不同品种马铃薯淀粉粒径、膨润力和溶解度

Table 3 Granule size, swelling power and solubility of different varieties of potato starch samples

马铃薯品种	d（0.5）（μm）	D[3,2]（μm）	D[4,3]（μm）	膨润力（g/g）	溶解度（%）
002-18	65.37±1.03^b	43.50±0.38^b	68.09±1.56^b	19.44±0.28^b	5.30±0.16^b
1725-2	64.09±0.49^b	42.25±0.33^c	64.92±0.09^c	17.46±0.21^c	4.88±0.03^c
1730-14	59.27±0.79^c	37.89±0.72^d	61.09±0.18^d	15.91±0.20^d	4.30±0.17^d
15049-11	70.67±0.69^a	50.23±0.12^a	73.00±0.51^a	20.65±0.53^a	6.18±0.00^a

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表 4 不同品种马铃薯鲜薯样品质构品质

Table 4 Texture proﬁle analysis parameters of raw potatoes from different cultivars

马铃薯品种	碎裂性（N）	硬度（N）	内聚性	胶着性（N）
002-18	288.64±14.01^b	157.30±4.25^b	0.10±0.02^a	16.09±2.42^a
1725-2	261.14±12.23^c	149.93±6.21^b	0.04±0.01^b	13.03±1.68^b
1730-14	208.80±10.45^d	105.48±6.04^c	0.03±0.01^b	6.93±1.48^c
15049-11	329.60±12.36^a	170.12±4.46^a	0.10±0.02^a	17.01±1.42^a

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表 5 不同品种马铃薯蒸制样品质构品质

Table 5 Texture proﬁle analysis parameters of steamed potatoes from different cultivars

马铃薯品种	碎裂性（N）	硬度（N）	内聚性	粘附性	胶着性（N）
002-18	39.60±1.14^b	33.24±1.75^b	0.06±0.01^a	0.46±0.04^b	1.91±0.03^a
1725-2	31.23±1.20^c	25.65±1.58^c	0.05±0.01^a	0.40±0.04^b	1.18±0.02^b
1730-14	24.35±0.98^d	21.78±1.63^d	0.04±0.02^a	0.31±0.01^c	0.84±0.02^c
15049-11	43.92±1.56^a	37.35±1.66^a	0.05±0.01^a	0.57±0.02^a	1.98±0.03^a

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1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
1.2 实验方法
1.2.1 马铃薯样品制备
1.2.2 马铃薯基本成分测定
1.2.3 马铃薯淀粉理化特性测定
1.2.3.1 马铃薯淀粉提取及基本成分测定
1.2.3.2 糊化性质测定
1.2.3.3 粒度测定
1.2.3.4 溶解度和膨润力测定
1.2.4 马铃薯块茎样品制备及蒸制品质检测
1.2.4.1 质构特性测定
1.2.4.2 微观结构测定
1.2.4.3 电化学阻抗谱测定
1.2.4.4 水分分布测定
1.3 数据处理
2. 结果与分析
2.1 不同品种马铃薯基本成分
2.2 不同品种马铃薯淀粉理化性质
2.2.1 淀粉糊化特性
2.2.2 淀粉粒径、膨润力和溶解度
2.3 不同品种马铃薯块茎蒸制品质
2.3.1 马铃薯块茎质构特性
2.3.2 马铃薯块茎微观结构
2.3.3 马铃薯块茎水分分布和状态
2.3.4 马铃薯块茎阻抗特性
2.3.5 相关性分析
3. 结论

1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
1.2 实验方法
1.2.1 马铃薯样品制备
1.2.2 马铃薯基本成分测定
1.2.3 马铃薯淀粉理化特性测定
1.2.3.1 马铃薯淀粉提取及基本成分测定
1.2.3.2 糊化性质测定
1.2.3.3 粒度测定
1.2.3.4 溶解度和膨润力测定
1.2.4 马铃薯块茎样品制备及蒸制品质检测
1.2.4.1 质构特性测定
1.2.4.2 微观结构测定
1.2.4.3 电化学阻抗谱测定
1.2.4.4 水分分布测定
1.3 数据处理
2. 结果与分析
2.1 不同品种马铃薯基本成分
2.2 不同品种马铃薯淀粉理化性质
2.2.1 淀粉糊化特性
2.2.2 淀粉粒径、膨润力和溶解度
2.3 不同品种马铃薯块茎蒸制品质
2.3.1 马铃薯块茎质构特性
2.3.2 马铃薯块茎微观结构
2.3.3 马铃薯块茎水分分布和状态
2.3.4 马铃薯块茎阻抗特性
2.3.5 相关性分析
3. 结论

参考文献(35)

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马铃薯块茎理化特性、蒸制品质与阻抗特性的相关性分析

作者简介: 赵人杰（1997−），男，博士研究生，研究方向：农产品加工利用，E-mail：zhaorenjie1997@163.com

通讯作者: 刘伟（1984−），男，博士，助理研究员，研究方向：农产品加工及贮藏工程，E-mail：liuwei@caas.cn。 胡宏海（1975−），男，博士，研究员，研究方向：农产品加工理论与技术，E-mail：huhonghai@caas.cn。

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