5.1概述
5.1.1马铃薯淀粉简介
本书由北京工商大学孙晓荣老师负责策划、组稿、编写，在出版过程中得到吉林大学出版社的大力帮助和中尚图文化传播有限公司张家启老师的协助，在此一并表示感谢。面对一个飞速发展的应用领域，加之时间仓促、水平有限，书中的错误和不妥之处在所难免，敬请专家和广大读者批评指正。
马铃薯淀粉，是自然淀粉中的一种，在世界整体淀粉生产中，马铃薯淀粉占有很大的份额。其产量仅次于玉米，居第二位。
马铃薯淀粉的颗粒，在所有淀粉产品中是最大的，且其形状也最接近圆形。在许多理化指标上也优于其他淀粉，其中以初始糊化度低、成糊黏度高和成糊透明度高，最为显著。
马铃薯是世界四大农作物之一。全世界总种植面积约4000万公顷，总产量约5亿吨。中国是马铃薯种植大国，种植面积约320万公顷，总产量约为4000万吨。全国各省市都有一定面积的种植，其中以黑龙江和内蒙古两省(区)种植最多，宁夏、甘肃、山西、陕西、云南和吉林等省(区)也有大面积的种植。
马铃薯是一种含水量较大的农产品，本身价格不高，而且既不耐贮，又不适宜作长途大量运输。它的最好而且最适宜的增值办法，就是就近对它进行加工，生产出耐贮藏的马铃薯淀粉。
马铃薯淀粉生产是一种既传统而又不断进步的工艺过程。自从17世纪中期马铃薯由欧洲传入我国以来，最早的马铃薯淀粉生产工艺就已开始出现，其原因是马铃薯淀粉在被切片、切丝或擦碎时太容易被显露和收集了。最初的马铃薯淀粉是用于生产粉条的，在有剩余时才被吊砣冻藏，或自然干燥贮存。
我国马铃薯淀粉生产工艺的真正进步，是从20世纪80年代后期才开始的。随着国际著名的马铃薯淀粉生产线设计公司(多数也都是马铃薯淀粉生产企业)和机器设备制造公司进入我国，给我国马铃薯淀粉生产行业带来了一定的牵动和激励，也使我国的马铃薯淀粉生产线的装备制造业有了发展的参照点和商机。在客观条件与主观努力相结合的情况下，便出现了像郑州精华公司、内蒙古力源公司和博思达公司、济南德佳公司等较好的淀粉生产机器装备制造商。大规模的马铃薯淀粉生产，是使马铃薯就地就近加工增值的最有效、最可靠的手段和方法。据测算，马铃薯淀粉生产可使马铃薯增值15倍。在企业适当让利给广大农户以后，可以进一步调动起农户的马铃薯种植积极性。
5.1.2玉米淀粉简介
玉米又称玉蜀黍。玉米最初一直是作为人类主要的粮食作物而进入人类社会的，玉米的淀粉含量高，能够为人类的生存发展提供必需的能量。随着社会的发展，科学技术的进步，在满足了人类基本生存的基础上，玉米逐渐被用作饮料以及其他深加工产品的原料，因而大大促进了世界玉米生产的发展。目前，它不但是世界三大粮食作物之一，而且其产量已跃居世界粮食品种的首位。
玉米淀粉是淀粉中最主要的品种，占世界淀粉总量的80%。玉米淀粉是玉米加工的初级产品，不但可直接使用，更是重要的工业原料，广泛应用于食品、制糖、发酵、医药、造纸、化工等行业。全球利用玉米进行深加工而生产的产品超过2000种，我国玉米深加工产品有500多种。目前世界上大约三分之二的淀粉用于食品、医疗、饮料等方面，三分之一用于造纸、包装、纺织、石油等方面。
（1）用于食品加工
玉米淀粉作为原料可以直接用于粉丝、粉条、方便面、火腿肠、肉制品、冰激凌等方面，需求稳定。
（2）用于生产淀粉糖
淀粉糖是玉米淀粉深加工产量最大的一类产品。淀粉糖的种类繁多，附加值较大，主要包括葡萄糖、麦芽糖、麦芽糖浆、果糖等产品，以麦芽糖浆、高麦芽糖浆和葡萄糖为主，这类品种占淀粉糖比重的80%以上。淀粉糖可直接用于食品添加，也是下游产品的原料，例如，葡萄糖、麦芽糖、果糖，可直接用于食品，加氢处理后，分别得到山梨醇、麦牙糖醇和甘露糖醇，它们统称多元糖醇，应用于医学、食品工业、化妆品工业、农业等领域。
（3）用于生产赖氨酸、味精、氨基酸、柠檬酸等
赖氨酸是动物体内不能合成必需从外界摄取的必需氨基酸，它的缺乏将影响其他氨基酸的吸收，因此随着饲料业、饲养业的发展，赖氨酸的需求量也越来越大。我国现在是世界最大的赖氨酸生产国，每年消耗大量的玉米淀粉。
味精（谷氨酸钠）是鲜味剂，广泛地应用在饮食业及烹饪调味。亚洲人对味精情有独钟，有的国家人均年消费已达1公斤多。中国是味精生产大国，产量居世界第一，产量突破100万吨，消耗玉米淀粉150万吨。
以淀粉为原料生产的氨基酸还有异亮氨酸、精氨酸、缬氨酸等。近年来氨基酸的世界需求量增长迅速。用玉米淀粉生产的有机酸有柠檬酸、乳酸、苹果酸、衣康酸、草酸等。其中柠檬酸产量较大，柠檬酸在食品工业、医药业、洗涤业、纺织工业、化妆品业上都有广泛的应用。
（4）生产变性淀粉
变性淀粉是利用物理、化学和酶等手段改变天然淀粉的性质，使其符合各行各业应用的需要，变性淀粉的使用量和范围非常广，目前我国已经生产出了预糊化淀粉、酸化淀粉、氧化淀粉、醚化淀粉、酯化淀粉、交联淀粉、接枝淀粉等应用到纺织、造纸、食品、石油、医用、建筑、农业饲料、日用化工等行业共70多个品种。其中以造纸行业的应用量为最大，约占总量50％～60%。
变性淀粉在食品工业的应用可以增强食品的韧性和黏度，改善食品的口感，延长保存期，由于通过变性提高了淀粉糊的透明度，因此可以改善食品的外观，提高其光泽度。所以在生产方便食品、肉制品、调味料、酸奶、果冻、糖果、松脆点心、豆沙馅、休闲食品等都可以添加变性淀粉，以提高产品质量。
在造纸业，作为添加剂，能够生产出各种高级纸，同时还可减轻对环境的污染。变性淀粉在纺织工业用量较大，主要用在丝纱上浆、印花糊料，在石油工业，变性淀粉主要是用于石油钻井液、压裂液和油气生产的多种场合。总之变性淀粉的应用范围广，专用性强，品种多，是一个市场潜力大，不断发展中的产品。
（5）用于医药行业
就医药工业而言，淀粉是抗生素工业最重要的原料，因为几乎所有抗生素都采用淀粉发酵法生产，如销量极大的青霉素、头孢菌素、四环素、土霉素、金霉素、链霉素与各种氨基糖苷类抗生素等，无一不是用淀粉为底物经工业微生物发酵、提取而成。另外，淀粉的另一重要用途是作为药物赋型剂，早期各国药厂生产的片剂绝大多数使用玉米淀粉为填充剂及黏合剂。
5.1.3淀粉掺杂检测研究
马铃薯淀粉由于自身所具有的优良特性成为食品加工中的重要组成部分，广泛应用于方便食品、果子羹、浓缩调料汁、香肠、火腿肠、膨化食品的生产中。马铃薯淀粉的高白度、高透明度、高黏度、低糊化温度等特殊性能是其他淀粉无法替代的。但是一些生产企业为了谋取非法利润，常把价格低一倍的玉米淀粉掺杂到马铃薯淀粉中来销售，最多的添加到80％。掺杂后的马铃薯淀粉由于其黏度低，糊化温度高，会影响食品或菜肴的成色和品质，严重地损害了消费者的利益。可是由于马铃薯淀粉和玉米淀粉颗粒的宏观外观差别不明显，肉眼无法辨认，因此目前多靠传统的感官评定方法来鉴别，该方法一方面需要经验，另一方面其检测结果受主观因素影响较大，准确度难以保证。而常规的理化分析方法不仅费时费力，还破坏样品。因此有必要研究一种简单、快速、无损的淀粉品质检测技术。
5.2材料与方法
5.2.1实验仪器
傅立叶变换近红外光谱仪VERTEX 70，配有漫反射样品杯和OPUS6.5光谱采集及分析软件，德国布鲁克光学仪器公司；电子天平。
5.2.2实验样品
实验用玉米淀粉和马铃薯淀粉均是从超市购买不同品牌或同一品牌不同批次的淀粉，在马铃薯淀粉中随机掺入浓度为0～100％的玉米淀粉，共制备43个掺杂样本，并以掺杂后马铃薯淀粉的浓度作为样本的真值，43个掺杂样本中37个样本用于定量建模，6个用于模型验证。
5.2.3光谱采集
将上述淀粉样品放置在漫反射样品台的样品杯中,然后进行近红外光谱采集。波数范围12000～4000cm-1,波长间隔8cm-1,扫描64次取平均，环境温度23～25℃。
5.3实验结果与分析
5.3.1定量分析
一、样本的近红外光谱
43个掺杂样本的近红外漫反射光谱图如图51所示。利用化学计量学方法将原光谱进行数学预处理，采用OPUS65软件分析光谱数据。通过选择信息较丰富的光谱谱段及对数据进行预处理,实现对原始光谱数据进行优化,建立精度较高的预测模型。回归统计方法采用偏最小二乘方法（partial least squares,PLS）。偏最小二乘法利用主成分分析将吸光度矩阵和浓度矩阵先分别分解为特征向量和载荷向量，然后用偏最小二乘法在这些稳变量之间建立相互关系，从而得到吸光度矩阵与浓度矩阵之间的数学校正模型。
图5.143个掺杂淀粉样本的近红外漫反射光谱图
5.3.2定量分析模型的建立
将43个样本应用于近红外定量分析，确定校正集37个样本，6个样本用于模型验证。通过OPUS6.5软件的分析和优化，选择最优处理算法，通过比较建立掺杂淀粉的偏最小二乘模型的优劣,寻找淀粉的吸收光谱较丰富的波段,分析表明淀粉对光谱信息贡献量最大的谱区范围是75021～68001cm-1和50528～45977cm-1，维数为5。图5.2为掺杂淀粉近红外光谱图交叉验证后马铃薯淀粉含量的预测值与真值。
图5.2近红外光谱交叉验证预测值与真值
交互验证结果表明预测值和化学值之间具有显著的相关性，校正样品均匀地分布在回归线的两侧，且交互验证得到的校正相关系数R2为0.9891，交叉验证均方差RMSECV为0.397,偏差为0.00793。
5.3.3定量分析模型的验证
为了验证定量模型的预测精度，实验用检验集的6个样本进行预测，预测结果如图5.3所示。预测RMSEP为0.265，偏差为0.17，相关因子为0.999，详细分析结果值见表1。
图5.3验证集样品的近红外光谱交叉验证NIRS预测值与化学值
表1验证集样本的近红外预测值
文件名真值预测值偏差单位514.113.9710.129mg1112.312.435-0.135mg1810.210.309-0.109mg267.88.1788-0.3788mg345.45.4462-0.0462mg403.64.0786-0.4786mg
5.4小结
初步研究结果表明，利用近红外漫反射光谱分析技术，能够准确、快速地检测马铃薯淀粉的品质。由于受条件所限，本研究仍然存在一些不足之处，如采用的样品数量还不够大。目前，我们正向定标样本扩充更多的淀粉品种，提高定标预测的稳定性。利用近红外光谱分析技术快速检测淀粉掺杂只是建立快速检测机制的一个开始，今后我们还将陆续开展测量淀粉中的含水量等指标工作，为今后快速、无损检测淀粉品质提供最新最全的数据支持。