• ISSN 1008-505X
  • CN 11-3996/S
Volume 27 Issue 9
Oct.  2021
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Effects of phosphorus fertilizer application rates on physicochemical properties and yield of potato starch

  •   【Objectives】  This study investigated the effects of P application rates on the physicochemical properties and yield of potato starch used for different purposes.   【Methods】  Field experiment was conducted in Heilongjiang Province in 2019 and 2020, using ‘Youjin’ and ‘Kexin 13’ potato cultivars as test materials. The treatments were low (P2O5 45 kg/hm2, LP), medium (P2O5 90 kg/hm2, MP), and high (P2O5 135 kg/hm2, HP) P application rate, with no P application designated as the control (CK). The physicochemical properties and yield of potato starch were determined.  【Results】  P application reduced the amylose content of potato starch by 3.19%−5.14% for ‘Youjin’ and 2.97%−9.05% for ‘Kexin 13’ compared to CK; the decrease in cultivar ‘Youjin’ in 2019 under HP was more pronounced than other treatments. The addition of P to potato starch increased its transparency and swelling capacity while decreasing its solubility. Compared with CK, HP (P<0.05) increased starch transparency by 15.00% (Youjin) and 25.74% (Kexin 13), increased swelling power by 3.94% (Youjin) and 7.90% (Kexin 13), and decreased solubility by 12.23% (Youjin) and 21.84% (Kexin 13). The median diameter (D50) of ‘Youjin’ was the highest under MP treatment (11.58% higher than CK), while ‘Kexin 13’ recorded a decrease in D50 with an increasing P application rate. The D50 of ‘Kexin 13’ in HP was 5.02% lower than CK. However, the D50 of ‘Kexin 13’ was larger than ‘Youjin’. The starch yield of ‘Youjin’ under MP treatment and ‘Kexin 13’ under HP treatment was the highest, corresponding to 31.36% and 29.66% increase compared to CK.   【Conclusions】  Appropriate P fertilizer application rate efficiently increased the dry matter accumulation and starch yield of potato. Further, it can boost amylopectin levels and improve potato starch’s transparency and swelling power. The optimum application rate of P2O5 is 90 kg/hm2 for ‘Youjin’ and 135 kg/hm2 for ‘Kexin 13’.
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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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Effects of phosphorus fertilizer application rates on physicochemical properties and yield of potato starch

    Corresponding author: SUN Lei, sunleilee@163.com
  • College of Resources and Environment, Northeast Agricultural University, Harbin, Heilongjiang 150030, China

Abstract:   【Objectives】  This study investigated the effects of P application rates on the physicochemical properties and yield of potato starch used for different purposes.   【Methods】  Field experiment was conducted in Heilongjiang Province in 2019 and 2020, using ‘Youjin’ and ‘Kexin 13’ potato cultivars as test materials. The treatments were low (P2O5 45 kg/hm2, LP), medium (P2O5 90 kg/hm2, MP), and high (P2O5 135 kg/hm2, HP) P application rate, with no P application designated as the control (CK). The physicochemical properties and yield of potato starch were determined.  【Results】  P application reduced the amylose content of potato starch by 3.19%−5.14% for ‘Youjin’ and 2.97%−9.05% for ‘Kexin 13’ compared to CK; the decrease in cultivar ‘Youjin’ in 2019 under HP was more pronounced than other treatments. The addition of P to potato starch increased its transparency and swelling capacity while decreasing its solubility. Compared with CK, HP (P<0.05) increased starch transparency by 15.00% (Youjin) and 25.74% (Kexin 13), increased swelling power by 3.94% (Youjin) and 7.90% (Kexin 13), and decreased solubility by 12.23% (Youjin) and 21.84% (Kexin 13). The median diameter (D50) of ‘Youjin’ was the highest under MP treatment (11.58% higher than CK), while ‘Kexin 13’ recorded a decrease in D50 with an increasing P application rate. The D50 of ‘Kexin 13’ in HP was 5.02% lower than CK. However, the D50 of ‘Kexin 13’ was larger than ‘Youjin’. The starch yield of ‘Youjin’ under MP treatment and ‘Kexin 13’ under HP treatment was the highest, corresponding to 31.36% and 29.66% increase compared to CK.   【Conclusions】  Appropriate P fertilizer application rate efficiently increased the dry matter accumulation and starch yield of potato. Further, it can boost amylopectin levels and improve potato starch’s transparency and swelling power. The optimum application rate of P2O5 is 90 kg/hm2 for ‘Youjin’ and 135 kg/hm2 for ‘Kexin 13’.

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  • 马铃薯块茎含有丰富的淀粉,和大米、小麦一样非常适合作为主食[1]。发达国家人均年消费量高达60~137 kg,而我国人均年消费马铃薯不到70 kg[2]。我国之所以与发达国家消费差距较大,主要因为我国马铃薯大多以鲜食为主,鲜食和饲料占比60%以上,加工比率低于20%;荷兰、美国等发达国家,马铃薯鲜食仅占20%,加工比率却占40%以上,有些甚至超过70%[3],说明我国马铃薯还有很大的加工消费潜能。马铃薯块茎干物质的70%左右是淀粉,与其他植物性淀粉相比,马铃薯淀粉更容易提取[4],经过化学方法生成的变性马铃薯淀粉还具有淀粉颗粒大、黏度高、膨胀性好等优势,可广泛应用于食品、制药、化工、建材、造纸等重要工业领域[5]

    马铃薯淀粉的应用与淀粉的理化性质相关,而淀粉的理化性质不仅与马铃薯品种有关,还与马铃薯生长的环境条件以及营养水平密切相关。磷参与马铃薯体内淀粉的合成,同时还能促进光合产物向块茎转移,增加块茎干物质含量[6],但当P2O5用量超过120 kg/hm2后,继续增施磷肥反而会降低块茎中的淀粉含量[7],而田世龙等[8]研究表明,P2O5用量为225 kg/hm2时,马铃薯块茎淀粉含量达到最大值。马铃薯淀粉中直链淀粉和支链淀粉的比例决定了淀粉的糊化特性[9],直链淀粉含量高会导致淀粉在糊化过程中需要较高的糊化温度[10]。杨丽辉等[11]研究发现,P2O5 用量为75 kg/hm2时较不施磷肥可提高马铃薯块茎中淀粉含量,但却降低了支链淀粉的比例。磷是淀粉中非碳水化合物结构物质,可显著影响淀粉的黏度特征,以磷酸单酯形式结合于支链淀粉的磷还可以增加淀粉的黏度[12]。因此,适宜的磷肥管理是改善马铃薯淀粉理化性质和提高淀粉产量的重要措施,然而不同磷肥用量对马铃薯淀粉理化性质的影响研究报道较少,本研究通过探讨不同磷肥用量对不同熟期马铃薯淀粉理化性质和产量的影响,为不同用途的马铃薯的磷肥管理提供理论依据。

  • 1.   材料与方法

      1.1.   试验材料

    • 试验于2019和2020年在黑龙江省绥化市北林区进行,试验田土壤类型为黑土,0—30 cm土壤基础肥力见表1。供试马铃薯为早熟品种‘尤金’和中晚熟品种‘克新13号’,种薯由黑龙江省农业科学院绥化分院提供。供试肥料为尿素 (N 46%)、磷酸二铵 (N 18%,P2O5 46%) 和硫酸钾 (K2O 50%)。

      年份
      Year
      有机质
      Organic matter
      (g/kg)
      碱解氮
      Available N
      (mg/kg)
      速效磷
      Available P
      (mg/kg)
      速效钾
      Available K
      (mg/kg)
      pH
      201930.58149.237.94157.225.30
      202035.3299.7526.95104.006.14

      Table 1.  Soil basic fertility

    • 1.2.   试验设计

    • 2019年试验设置4个处理,3 次重复,采用随机区组排列,每个小区6垄,垄长12 m,垄宽0.8 m,小区面积57.6 m2,各小区的两个边垄和各垄两端1 m内不取样,中间4垄用于取样和测产。磷肥作为基肥一次性施用,1/2的氮肥和1/2的钾肥作基肥施入,余下的氮肥和钾肥在块茎形成期结合中耕追施于垄两侧,追肥后覆土;其他病虫害防治等田间管理同大田。2020年试验设置同2019年,但肥料用量根据土壤肥力状况略有调整,全部肥料作为基肥一次性施用。两年试验各处理的养分用量见表2

      年份
      Year
      处理
      Treatment
      施肥量 Fertilizer rate (kg/hm2)
      NP2O5K2O
      2019CK1500150
      LP15045150
      MP15090150
      HP150135150
      2020CK1600200
      LP16045200
      MP16090200
      HP160135200
      注(Note):LP—低磷 Low P;MP—中磷 Middle P;HP—高磷 High P.

      Table 2.  Fertilizer application rates under different treatments

    • 1.3.   测定项目与方法

      1.3.1.   块茎产量的测定
    • 马铃薯成熟期,在各小区收获垄上取连续8 m2进行测产,30 g以上无腐烂的块茎用于测定块茎总产量。

    • 1.3.2.   马铃薯淀粉的提取
    • 马铃薯淀粉的提取参考Zhang等[13]的方法,稍加改动。在收获测产的块茎中,按不同大小块茎的比例选取8~10个块茎,用蒸馏水冲洗干净,去皮并切块,放入搅拌机加水粉碎,所得浆液用纱布过滤去除碎屑后,静置7 h,除去上清液,并用蒸馏水重复洗涤,直至下层淀粉颜色为纯白色后,用布氏漏斗减压抽滤,得到湿淀粉,将湿淀粉在45℃烘干,约2~3 h,可得到淀粉成品,轻轻粉碎后,储存备用。

    • 1.3.3.   块茎淀粉含量及干物质含量的测定
    • 从测产的块茎中,按照大小比例称取5 kg块茎,用比重法测定块茎淀粉含量。块茎干物质含量采用常压烘干法测定。

    • 1.3.4.   淀粉组成的测定
    • 参考王丽等[14]、曾凡逵等[15]和刘襄河等[16]的方法,采用双波长比色法测定块茎淀粉中直链淀粉含量。称取脱脂块茎样品0.1 g (精确到0.0001 g) 于150 mL三角瓶中,加入0.5 mol/L KOH溶液10 mL,在80℃水浴中搅拌溶解15 min后,转移至50 mL容量瓶中,加入蒸馏水定容摇匀,吸取上述定容后样品清液2.5 mL于另一个50 mL容量瓶中,加入30 mL蒸馏水,用0.1 mol/L HCl将溶液pH调至3.0,加入碘试剂0.5 mL,用蒸馏水定容摇匀,室温下显色20 min后,分别在535和570 nm波长处测定吸光值,同时用蒸馏水做空白对照。

      分别吸取1.0 mg/mL的直链淀粉标准溶液0、0.3、0.5、0.7、0.9、1.1、1.3 mL于7个50 mL容量瓶中,加入30 mL蒸馏水,以下操作步骤同样品。分别测定535 nm (λl) 和 570 nm (λ2) 波长下的吸光值Aλ1和Aλ2,得△A直 = Aλ2 - Aλ1,以△A直为纵坐标,直链淀粉含量 (µg/mL) 为横坐标,获得△A直和直链淀粉含量之间的相关曲线。计算公式如下:直链淀粉含量 (%) = (X × 50 × 50)/(2.5 × m × 10000);支链淀粉含量 (%) = 1−直链淀粉含量 (%) 。式中,X是根据△A直和直链淀粉含量之间的相关曲线计算的待测液中直链淀粉含量 (µg/mL);m是样品质量 (g)。

    • 1.3.5.   淀粉粒径的测定
    • 采用MICROTRAC3500激光粒度仪测定淀粉粒径。配制2% (w/v,干基) 的淀粉悬浮液,通过超声波进行分散,按照提示将分散后的样品加入到预热准备好的激光粒度仪样品池内,经过软件自动分析处理结果,可得出淀粉样品的平均粒径及粒径分布图。

    • 1.3.6.   淀粉溶解度和膨胀度的测定
    • 参考章丽琳等[17]的方法测定淀粉溶解度和膨胀度,配制2%(w/v,干基) 的淀粉悬浮液,置于70℃水浴中加热并不停搅拌30 min使其充分糊化,冷却至室温后,3000 r/min离心30 min,取上清液烘干至恒重,得到溶解的淀粉质量,溶解淀粉质量与原淀粉干基质量的比值为淀粉溶解度,剩余沉淀物质量 (湿重) 与沉淀物中原淀粉干基质量的比值为淀粉膨胀度。

    • 1.3.7.   淀粉透明度的测定
    • 参考徐忠等[18]的方法测定淀粉透明度,配制1% (w/v,干基) 的淀粉悬浮液,置于沸水浴中加热搅拌20 min,使之糊化并保持淀粉乳体积不变,冷却至室温,以蒸馏水为空白对照,用分光光度计在波长620 nm处测定其透明度。

    • 1.4.   数据处理

    • 采用Microsoft Excel 2007软件处理数据并绘制图表,SPSS 22.0软件统计分析数据。

    2.   结果与分析

      2.1.   磷肥用量对马铃薯淀粉组成的影响

    • 淀粉的主要组分为直链淀粉 (amylose,AM) 和支链淀粉 (amylopectin,AP)[19],二者的含量和比值直接关系到淀粉的糊化性能。由表3可见,磷肥用量显著影响马铃薯直链淀粉和支链淀粉的含量。随着磷肥用量增加,直链淀粉含量和直/支链淀粉值降低,支链淀粉含量增加。两年平均结果表明,‘尤金’的LP、MP和HP处理直链淀粉含量较CK分别下降3.19%、4.36%、5.14% (P < 0.05),支链淀粉含量较CK分别增加1.35%、1.84%、2.14% (P < 0.05);‘克新13号’的LP、MP和HP处理直链淀粉含量较CK分别下降2.97%、3.55%、9.05% (P < 0.05),支链淀粉含量较CK分别增加1.31%、1.56%、3.95% (P < 0.05)。从表4可知,年份和施磷量对马铃薯直链淀粉含量和支链淀粉含量均有极显著影响 (P < 0.01),年份 × 品种的交互作用、年份 × 品种 × 施磷量三者的交互作用对直链淀粉含量和支链淀粉含量均有显著影响 (P < 0.05)。不同年份对马铃薯淀粉组成影响较大,这可能与土壤含磷量及环境条件有关。

      年份 Year品种 Cultivar处理 Treatment直链淀粉 Amylose (%)支链淀粉 Amylopectin (%)直/支链淀粉 Amylose/amylopectin
      2019尤金
      Youjin
      CK30.19 a 69.81 ab0.432
      LP 29.18 ab70.82 a0.412
      MP 28.92 ab71.08 a0.407
      HP 29.36 ab70.64 a0.416
      克新 13 号
      Kexin 13
      CK30.81 a69.19 b0.445
      LP 29.17 ab70.83 b0.412
      MP 28.96 ab71.04 b0.408
      HP26.95 b73.05 a0.369
      2020尤金
      Youjin
      CK29.10 a70.90 b0.410
      LP 28.22 ab 71.78 ab0.393
      MP 27.79 ab72.21 a0.385
      HP26.91 b73.09 a0.368
      克新 13 号
      Kexin 13
      CK29.29 a 70.71 ab0.414
      LP29.11 a 70.89 ab0.411
      MP28.97 a 71.03 ab0.408
      HP27.66 b72.34 a0.382
      注(Note):LP—低磷 Low P;MP—中磷 Middle P;HP—高磷 High P. 同列数值后不同小写字母表示同一品种处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lowercase letters in the same column indicate significant difference among treatments for the same cultivar (P < 0.05).

      Table 3.  Effects of phosphorus fertilizer application rates on the starch composition of potato tuber

      方差来源
      Sources of variation
      直链淀粉含量
      Amylose content
      支链淀粉含量
      Amylopectin content
      年份 Year (Y)13.91**13.91**
      品种 Variety (V)0.520.52
      施磷量 Phosphorus (P)46.61***46.61***
      Y × V7.51*7.51*
      Y × P0.420.42
      V × P3.303.30
      Y × V × P8.00*8.00*
      注(Note):*—P < 0.05; **—P < 0.01; ***—P < 0.001.

      Table 4.  F values of three-way ANOVA for amylose and amylopectin contents of potato

    • 2.2.   磷肥用量对马铃薯淀粉粒径分布的影响

    • 马铃薯淀粉粒径大小影响淀粉的糊化性能,颗粒大或结构松散的淀粉更易于糊化[20]。不同磷肥用量显著影响马铃薯淀粉颗粒分布。D10、D50和D90分别表示样品中粒径小于该直径的淀粉颗粒占淀粉颗粒总数的10%、50%和90%。由表5可见,‘尤金’各处理淀粉颗粒的D10差异不显著,而D50、D90和平均粒径随着磷肥用量的增加呈先增加后降低的趋势,且均为MP处理最高,分别较CK增加11.58% (P<0.05)、2.89%和13.27% (P<0.05)。与CK相比,P2O5用量为90 kg/hm2时显著提高了‘尤金’淀粉粒径。‘克新13号’各处理淀粉颗粒的D10差异也不显著,但D50、D90和平均粒径均随磷肥用量的增加呈持续下降趋势,且HP处理的D50和D90显著低于CK处理和LP处理,相比CK分别降低5.02% (P<0.05)和8.55% (P<0.05),说明增施磷肥会降低‘克新13号’淀粉颗粒粒径。由图1也可看出,‘尤金’中只有MP处理较CK右移,说明大粒径淀粉颗粒占比增加;‘克新13号’各施磷处理均较CK左移,说明大粒径淀粉颗粒占比减小。但是对比两品种的淀粉粒径可见,‘克新13号’的淀粉粒径显著大于‘尤金’,且‘尤金’淀粉粒径分布范围相对较窄,约90%的淀粉粒径分布在22~74 µm;‘克新13号’淀粉粒径分布范围相对较宽,约90%的淀粉粒径分布在31~105 µm,说明与早熟品种相比,中晚熟品种具有较大淀粉颗粒。

      品种 Cultivar处理 TreatmentD10 (µm)D50 (µm)D90 (µm)Dav (µm)
      尤金 YoujinCK21.45 a35.50 b61.29 ab36.11 b
      LP22.65 a38.33 ab61.49 ab39.66 ab
      MP23.38 a39.61 a63.06 a40.90 a
      HP21.22 a36.11 ab58.35 b38.95 ab
      克新 13 号 Kexin 13CK30.07 a48.63 a78.33 a50.67 a
      LP29.36 a48.61 a77.28 a50.35 a
      MP29.20 a48.22 ab76.12 a49.87 a
      HP29.76 a46.19 b71.63 b47.84 a
      注(Note):LP—低磷 Low P;MP—中磷 Middle P;HP—高磷 High P. D10表示从最小粒径开始累加,直至累加到样品总量 10% 时的临界粒径值, D50 和 D90 分别表示累加到样品总量 50% 和 90% 时的临界粒径值,Dav 表示平均粒径值 D10 refers to the critical particle size, which collects particles from the smallest to 10% of the total number of samples, D50 and D90 are the critical particle size values when accumulating to the total bulk sample quantity of 50% and 90%, respectively, Dav means the average particle size. 同列数值后不同小写字母表示同一品种处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lowercase letters in the same column indicate significant difference among P treatments for the same cultivar (P < 0.05).

      Table 5.  Effects of phosphorus fertilizer application rates on potato starch particle size distribution

      Figure 1.  Effects of phosphorus fertilizer application rates on potato starch particle size distribution

    • 2.3.   磷肥用量对马铃薯淀粉溶解度的影响

    • 淀粉的溶解度是指在一定温度下,淀粉分子溶解的质量分数,溶解度较大的淀粉,在制作粉丝等我国传统食品时容易糊汤,不仅降低成品率,同时降低产品的品质。由图2可见,两个品种的马铃薯淀粉溶解度均随施磷量的增加而降低。与CK相比,‘尤金’的MP处理和HP处理的淀粉溶解度分别降低7.37%和12.23% (P < 0.05);‘克新13号’的MP处理和HP处理的淀粉溶解度分别降低13.00%和21.84% (P < 0.05)。由此可见,增施磷肥可显著降低马铃薯淀粉的溶解度,有利于提高淀粉产品的品质。

      Figure 2.  Effects of phosphorus application on the solubility of potato starches

    • 2.4.   磷肥用量对马铃薯淀粉膨胀度的影响

    • 膨胀度反映了淀粉颗粒在加热过程中吸水膨胀的能力,膨胀度较低的淀粉,在制作粉丝等制品时容易出现断裂,产品品质下降。由图3可见,两个品种马铃薯淀粉的膨胀度均随施磷量的增加呈缓慢增加的趋势,且均在HP处理达到最大值,‘尤金’为24.23%,较CK提高3.94%;‘克新13号’为24.83%,较CK提高7.90%。‘尤金’的淀粉膨胀度在各处理之间差异不显著,‘克新13号’的HP处理淀粉膨胀度显著高于CK (P < 0.05)。说明增施磷肥可在一定程度上提高马铃薯淀粉的膨胀度,并且对‘克新13号’的影响要大于‘尤金’。

      Figure 3.  Effects of phosphate application on the swelling power of potato starches

    • 2.5.   磷肥用量对马铃薯淀粉透明度的影响

    • 透明度是淀粉糊化后重要的外在表现特征之一,影响淀粉产品的用途和外观。透明度高的淀粉可使食品的外观和色泽较好,适宜做果冻等凝胶类产品。由图4可见,两个品种马铃薯的淀粉透明度均随施磷量的增加而增加,并在HP处理达到最大值,与CK和LP处理间的差异达到显著水平 (P < 0.05)。‘尤金’的HP处理较CK和LP处理分别提高15.00%和14.08%;‘克新13号’的HP处理较CK和LP处理分别提高25.74%和20.80%。由此可见,增施磷肥可显著提高马铃薯淀粉的透明度。此外,在相同的施磷水平下,中晚熟品种‘克新13号’的淀粉透明度均高于早熟品种‘尤金’。

      Figure 4.  Effects of phosphorus application on transparency of potato starches

    • 2.6.   磷肥用量对马铃薯块茎干物质含量及淀粉含量的影响

    • 块茎干物质积累量是马铃薯产量形成的物质基础,成熟时块茎干物质量占全株总干物质量的60%~70%[21]。由表6可见,两个品种的马铃薯块茎干物质含量及产量均随施磷量的增加而增加。两年平均结果表明,‘尤金’的MP处理块茎干物质含量较CK增加9.6% (P < 0.05),块茎产量较CK增加19.17% (P < 0.05);‘克新13号’的HP处理块茎干物质含量较CK增加10.83% (P < 0.05),块茎产量较CK增加28.58% (P < 0.05)。

      年份
      Year
      品种
      Variety
      处理
      Treatment
      干物质含量 (%)
      Dry matter content
      块茎产量 (t/hm2)
      Tuber yield
      淀粉含量 (%)
      Starch content
      淀粉产量 (t/hm2)
      Starch yield
      2019尤金
      Youjin
      CK15.31 b31.04 b 9.30 b2.89 b
      LP 15.90 ab33.18 b10.58 a3.51 a
      MP16.48 a38.93 a10.15 a3.95 a
      HP16.93 a 36.35 ab10.28 a3.74 a
      克新 13 号
      Kexin 13
      CK 15.99 ab22.24 b11.12 a2.47 b
      LP15.21 b22.06 b10.55 a2.33 b
      MP16.27 a29.21 a 9.84 a 2.87 ab
      HP16.94 a30.54 a10.31 a3.15 a
      2020尤金
      Youjin
      CK17.21 b42.60 b 11.37 ab4.84 b
      LP 18.22 ab47.15 a 11.33 ab 5.34 ab
      MP19.20 a48.10 a12.69 a6.10 a
      HP 18.65 ab 44.54 ab12.36 a5.51 a
      克新 13 号
      Kexin 13
      CK18.52 b42.25 b11.77 b4.97 b
      LP18.87 b42.98 b11.77 b5.06 b
      MP20.28 a48.76 a 12.58 ab6.13 a
      HP21.43 a50.63 a12.94 a6.55 a
      注(Note):LP−低磷 Low P;MP−中磷 Middle P;HP−高磷 High P. 同列数值后不同小写字母表示同一品种处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different lowercase letters in the same column mean significant difference among treatments for the same cultivar (P < 0.05).

      Table 6.  Effects of phosphorus application on potato tuber yield, starch content, and starch yield

      块茎的淀粉含量和块茎干物质含量具有较好的相关性[22],块茎中的淀粉含量随着干物质含量的增加而增加 (图5),施用磷肥因增加了块茎产量及块茎中淀粉含量而增加了淀粉产量 (表6)。两个马铃薯品种的淀粉产量均随施磷量的增加而显著增加。‘尤金’MP处理的淀粉产量最高,2019年为3.95 t/hm2,2020年为6.10 t/hm2 ,分别较CK增加36.68% ( P < 0.05)和26.03% (P < 0.05),两年平均增加31.36% (P < 0.05)。‘克新13号’HP处理的淀粉产量最高,2019年为3.15 t/hm2,2020年为6.55 t/hm2,分别较CK增加27.53% (P < 0.05)和31.79% (P < 0.05),两年平均增加29.66% (P < 0.05)。

      Figure 5.  Correlation between tuber dry matter content and starch content

      表7可知,年份对块茎干物质含量和产量以及淀粉含量和产量均有极显著影响 (P < 0.01),品种对块茎干物质含量有显著影响 (P < 0.05),对块茎产量有极显著影响 (P < 0.01),施磷量对块茎干物质含量、产量和淀粉产量均有极显著影响 (P < 0.01);年份 × 品种的交互作用对块茎干物质含量和淀粉产量的影响达到显著水平 (P < 0.05),对块茎产量的影响达极显著水平 (P < 0.01),年份 × 施磷量的交互作用对淀粉含量的影响达显著水平 (P < 0.05)。不同年份和品种均可显著影响块茎干物质含量和产量,2019年土壤含磷量低导致产量低但施磷增效高 (‘尤金’最高增产25.42%,‘克新13号’最高增产37.32%),2020年土壤含磷量高从而导致产量高但施磷增效低 (‘尤金’最高增产12.91%,‘克新13号’最高增产19.83%)。两品种对施磷的反应不同,但同一品种在两年中产量变化的趋势一致。

      方差来源
      Source of variation
      块茎干物质含量
      Dry matter content of tuber
      块茎产量
      Tuber yield
      淀粉含量
      Starch content
      淀粉产量
      Starch yield
      年份 Year (Y)155.96***178.33***69.25***195.97***
      品种 Variety (V)9.00*12.91**2.562.04
      施磷量 Phosphorus (P)35.16***19.56**4.1322.48**
      Y × V10.40*16.61**0.0111.15*
      Y × P2.120.605.54*1.23
      V × P0.632.792.060.53
      Y × V × P2.320.442.041.00
      注(Note):*—P < 0.05; **—P < 0.01; ***—P < 0.001.

      Table 7.  F values of three-way ANOVA for tuber dry matter content, tuber yield, starch content, and starch yield of potato

    3.   讨论

      3.1.   施磷水平对马铃薯淀粉理化性质的影响

    • 淀粉理化性质的差异会影响淀粉在食品和工业中的应用。淀粉的组成和颗粒大小是淀粉理化性质的重要指标之一,与淀粉的溶解度、膨胀度和透明度有着密切的关系[23]。强筋小麦在P2O5 用量0~144 kg/hm2范围内时,中、弱筋小麦在P2O5用量 0~108 kg/hm2范围内时,小麦籽粒淀粉的直链、支链和总淀粉含量均随施磷量的增加而下降[24]。P2O5用量在0~63 kg/hm2范围内时,水稻的直链淀粉含量随施磷量的增加呈先增加后降低的趋势,并在P2O5用量为50 kg/hm2时直链淀粉含量达到最大值[25]。P2O5用量在0~378 kg/hm2范围内时,玉米的直链淀粉含量随施磷量的增加呈先降低后增加的趋势,支链淀粉含量呈先增加后降低的趋势[26]。本试验中,随施磷量的增加,马铃薯直链淀粉含量减少,支链淀粉含量增加,直/支链淀粉值降低,且两品种马铃薯均在施P2O5 135 kg/hm2时直链淀粉含量最低 (2019年‘尤金’除外)。吴佳瑞[27]在宁夏地区的研究表明,晚熟马铃薯‘青薯9号’在施用P2O5 0~240 kg/hm2范围内时,随着磷肥用量的增加,直/支链淀粉值在2018年逐渐增加,在2019年逐渐降低,但直链淀粉和支链淀粉含量均呈先增加后降低的趋势,这与本研究结果不完全一致,可能是因为供试马铃薯品种及环境条件不同,也可能与测定方法不同有关,具体原因有待进一步研究。本试验中两年供试土壤的有效磷含量相差较大,且年份和施磷量对淀粉组成的影响达到极显著水平,说明不同含磷量的土壤对淀粉组成也有一定影响。Leonel等[28]研究表明,淀粉的理化性质和土壤速效磷含量密切相关,不同含磷量的土壤对马铃薯直链淀粉含量及淀粉糊化性能等理化性质的影响达到显著水平,但不同品种间变化趋势不同。

      马铃薯淀粉颗粒粒径分布范围在9~105 µm[29],相较于玉米淀粉 (0.4~32 µm)[30]、小麦淀粉 (2~35 µm)[31]、甘薯淀粉 (0.1~51µm)[32]等其他作物分布范围较广,较大的淀粉颗粒使淀粉加热后更易糊化。本试验中,‘尤金’约90%的淀粉颗粒粒径分布在22~74 µm,‘克新13号’约90%的淀粉颗粒粒径分布在31~105 µm,且‘尤金’的平均粒径在40 µm左右,‘克新13号’的平均粒径在50 µm左右。两个品种淀粉粒径之间的差异可能由于‘克新13号’是中晚熟品种,较长的生育期为淀粉粒径增大提供了充足的时间和养分[33]。徐洪岩等[34]研究表明,早熟品种‘克新21号’在单株施用磷肥0~5.4 g范围内,随着磷肥用量的增加,D50呈先增加后降低的趋势。本试验研究表明,随着施磷量的增加,‘尤金’淀粉粒径有增大的趋势,但当施磷量超过90 kg/hm2时,淀粉粒径减小,这与前人研究结果相似。但‘克新13号’淀粉粒径随施磷量的增加呈持续降低的趋势,淀粉粒径降低的原因还有待进一步研究。

      溶解度高的淀粉制成的粉丝类产品容易糊汤,蒸煮时的损失也比较大,膨胀度过低的淀粉则使制成的粉丝类产品容易出现断条的现象[35],透明度高的淀粉可使加工产品晶莹剔透。淀粉结合的磷越多,越有助于淀粉颗粒的溶解和膨胀,从而提高马铃薯淀粉的透明度[36-37]。当淀粉悬浊液受热时,直链淀粉析出,增加淀粉的溶解度,支链淀粉分子则有利于淀粉颗粒吸水膨胀,增加淀粉的膨胀度[38]。本试验表明,增施磷肥通过降低直链淀粉含量而降低马铃薯淀粉的溶解度,通过增加支链淀粉含量而增加淀粉的膨胀度,这与Singh等[39]研究发现的马铃薯淀粉中直链淀粉含量与膨胀度呈负相关的结论是一致的。两个品种马铃薯淀粉透明度均随施磷量的增加而显著增加,可能是由于增施磷肥后支链淀粉含量增加,有利于淀粉颗粒吸水膨胀,淀粉颗粒膨胀越完全,则淀粉糊化越完全,淀粉糊中残存的淀粉颗粒越少,光线穿过淀粉糊时反射和散射现象越少,淀粉的透明度越高[40]。此外,大淀粉颗粒较易吸水膨胀,而‘克新13号’淀粉颗粒的平均粒径显著大于‘尤金’,因此‘克新13号’的淀粉透明度在各处理均高于‘尤金’。与其他种类淀粉相比,马铃薯淀粉颗粒较大且结构较松散,磷酸基含量较高[41],淀粉颗粒吸水后膨胀较完全,且由于磷酸基电荷的相互排斥,使淀粉链之间有分散的趋势,增强了淀粉分子的亲水性,从而促进淀粉颗粒的吸水膨胀,淀粉糊的透明度较高[40],使得加工出的产品色泽及透明度等感官特性优于其他淀粉类产品。

    • 3.2.   施磷水平对马铃薯淀粉含量及产量的影响

    • 淀粉是马铃薯块茎中干物质的主要成分,因此块茎中干物质含量直接影响块茎中淀粉积累量[42]。马铃薯淀粉含量与块茎干物质含量具有良好的正相关性,且块茎干物质含量是影响马铃薯出粉率的主要因素,马铃薯块茎产量和淀粉含量是影响淀粉产量的主要因素[43],同时也是评价马铃薯生长情况的重要指标。充足的磷有利于马铃薯侧枝的发育,使植株具有更多的叶片和更高的光合叶面积,可有效提高马铃薯的全株干物质积累量[44-45]。但过量的磷会加强植株的呼吸作用,过度消耗光合产物,导致营养生长与生殖生长失调,干物质的过度消耗导致繁殖器官提早成熟,茎叶生长受到抑制,降低马铃薯的产量[46]。适量增施磷肥可增加马铃薯块茎的淀粉含量[47]、干物质积累量和产量[48-49]。张亮等[50]研究表明,早熟马铃薯‘尤金’在施用P2O5 0~135 kg/hm2范围内时,P2O5用量为90 kg/hm2时马铃薯的产量最高。本试验中,‘尤金’的淀粉产量随施磷量的增加呈先增加后降低的趋势,并在P2O5用量为90 kg/hm2时达到最大值,且显著高于对照;‘克新13号’的淀粉产量随施磷量的增加持续增加,在施用P2O5 135 kg/hm2时达到最大值。马铃薯的不同品种对块茎产量的影响达极显著水平,而两个品种的适宜磷肥用量不同,可能是由于不同品种之间对磷的需求量存在差异。

      综合比较表明,‘尤金’施用P2O5 90 kg/hm2时块茎和淀粉的产量较高,淀粉的理化性质也较好,虽在透明度和溶解度方面略差于施用P2O5 135 kg/hm2的处理,但差异并不显著;‘克新13号’在施用P2O5 135 kg/hm2时除淀粉颗粒粒径略有下降外,其他淀粉理化性质及块茎和淀粉产量均优于其他处理。

    4.   结论
    • 适量的磷肥可降低马铃薯直链淀粉含量,增加支链淀粉含量,提高淀粉的透明度和膨胀度,改善淀粉的品质;适量增施磷肥还有助于提高马铃薯块茎的干物质含量及产量,从而提高马铃薯淀粉的产量。在本研究条件下,综合磷对马铃薯淀粉理化性质和产量的影响,‘尤金’的P2O5适宜用量为 90 kg/hm2,‘克新13号’的P2O5 适宜用量为135 kg/hm2

Reference (50)

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