茶多酚對(duì)甘薯淀粉的抗老化研究

吳麗晶，車?yán)杳鳎悤詵|

(廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程與生物工程系，福建廈門361005)

甘薯淀粉是食品加工和生產(chǎn)中的重要原料，可以制作成面包等各式各樣的點(diǎn)心，具有廣泛的應(yīng)用。糊化后的甘薯淀粉在儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)迅速老化，引起失水、顏色變暗、彈性降低和硬度增大等不良后果，嚴(yán)重影響其制品的貨架期［1］。

茶多酚是從茶葉中提取的多羥基酚類天然抗氧化物，又叫茶單寧或茶鞣質(zhì)，是茶葉中多酚類物質(zhì)的總稱，具有抗氧化、抗癌、抗衰老、防輻射、防腐保鮮、抑菌除臭等多種功效［2-5］。Wu等人研究發(fā)現(xiàn)綠茶多酚、紅茶多酚對(duì)大米、小麥和土豆淀粉都有一定的抗老化效果，但是茶多酚對(duì)甘薯淀粉抗老化效果還未見(jiàn)諸報(bào)道［6-8］。有文獻(xiàn)報(bào)道β-環(huán)糊精可以抑制大米淀粉的回生，但對(duì)于糯性大米淀粉，即支鏈含量較高的淀粉，β-環(huán)糊精卻沒(méi)有明顯的抗老化的效果［9］。所以茶多酚對(duì)其他種類淀粉，特別是應(yīng)用廣泛的甘薯淀粉的抗老化效果有待進(jìn)一步研究。本文擬通過(guò)X-射線衍射(X-ray diffraction，XRD)、質(zhì)構(gòu)分析(texture profile analysis，TPA)、色澤分析和傅立葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)T-IR)等方法檢測(cè)甘薯淀粉樣品在長(zhǎng)期儲(chǔ)存過(guò)程中(80d)的結(jié)構(gòu)和特性變化，研究茶多酚對(duì)甘薯淀粉的抗老化效果，為茶多酚的抗淀粉老化運(yùn)用提供一定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

山梨酸鉀 分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;甲基硅油 分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;甘薯淀粉 日本和光純藥工業(yè)株式會(huì)社;茶多酚安徽紅星藥業(yè)有限責(zé)任公司。

pH計(jì)PB-10 梅特勒-托利多儀器有限公司;電子天平AL 204 梅特勒-托利多儀器有限公司;集熱式恒溫加熱磁力攪拌器DF-101S 鞏義市予華儀器有限公司;冷凍干燥機(jī)LGJ-10D 北京四環(huán)科學(xué)儀器有限公司;X射線衍射儀Ultima IV Rigaku;質(zhì)構(gòu)儀:TRAPEZIUM X EZ-S-1 N Shimadzu;測(cè)色儀:CM-700d Konica Minolta;傅里葉變換紅外光譜:Nicolet 6700 Thermo Nicolet;智能光照培養(yǎng)箱:Pax-150c 寧波海曙賽福實(shí)驗(yàn)儀器廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品制備 甘薯淀粉和茶多酚的比例分別為15.00∶0，14.55∶0.45，14.10∶0.9 和 13.65∶1.35(w∶w)。15g淀粉/茶多酚混合物與65mg的山梨酸鉀一起加入到50mL的去離子水中。用1mol/L的鹽酸將混合液的pH調(diào)整到4.5。然后將混合液在100℃的油浴鍋中密閉攪拌加熱20min。糊化后的淀粉膠體裝入稱量瓶(高2.5cm，直徑8.0cm)中，在膠體表面滴加3mL的甲基硅油以防止水分揮發(fā)。最后將樣品放入恒溫箱中，每隔一定時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)。其中，XRD、色澤和FT-IR檢測(cè)的樣品儲(chǔ)存溫度為6℃;而TPA檢測(cè)的樣品儲(chǔ)存溫度為25℃。

1.2.2 XRD檢測(cè) 恒溫箱中的樣品保存0、5、10、20、40和60d后進(jìn)行XRD檢測(cè)。在檢測(cè)之前，淀粉膠體首先進(jìn)行冷凍干燥，然后將凍干的樣品進(jìn)行研磨，用60目的篩子篩選得到樣品粉末。XRD的檢測(cè)條件為20kv和35mA，掃描角度從4°到40°，掃描速度為4°/min。掃描得到的圖譜用 X'Pert High Score Plus、Jade version 6.5和OriginPro version 7.5進(jìn)行處理和分析。

1.2.3 TPA檢測(cè) 用于TPA檢測(cè)的探頭呈圓柱狀，直徑為5mm。探頭以2mm/min的速度下壓樣品。為了防止樣品的整體結(jié)構(gòu)被破壞，探頭壓縮的距離控制在樣品厚度的20%，即3mm。壓縮過(guò)程中檢測(cè)到的最大壓力即為樣品的硬度。對(duì)三個(gè)平行樣品進(jìn)行檢測(cè)，然后將測(cè)得的硬度數(shù)據(jù)取平均值。得到的平均硬度值用式(1)進(jìn)行歸一化，得到樣品的相對(duì)硬度:

其中，NHt是樣品在t時(shí)的相對(duì)硬度，Ht和H0分別是t時(shí)和0時(shí)測(cè)得的硬度數(shù)據(jù)。

1.2.4 色澤分析 用CM-700d測(cè)色儀對(duì)三個(gè)平行樣品進(jìn)行色澤分析，每個(gè)樣品測(cè)三次取均值。三個(gè)平行樣品的顏色值再取均值，得到樣品的最終顏色值(Hunter Lab色系)。在儲(chǔ)存過(guò)程中，淀粉樣品因老化而引起的色澤變化式(2)來(lái)計(jì)算:

其中a*代表紅綠值，b*代表黃藍(lán)值，L*代表亮度，下標(biāo)t表示樣品儲(chǔ)存的時(shí)間，下標(biāo)0代表初始時(shí)刻［10］。為了研究淀粉樣品的色澤變化規(guī)律，用式(3)對(duì)色澤變化值ΔEt進(jìn)行一級(jí)衰減指數(shù)函數(shù)擬合:

其中A和B均為擬合參數(shù)。數(shù)據(jù)擬合采用Matlab軟件進(jìn)行。

1.2.5 FT-IR檢測(cè) 樣品制備方法同XRD檢測(cè)。淀粉樣品與溴化鉀粉末混合均勻后，用壓片機(jī)制得樣品片。FT-IR掃描的范圍4000～400cm-1，步長(zhǎng)為2cm-1。掃描得到的圖譜用OriginPro version 7.5進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 XRD檢測(cè)結(jié)果

羅志剛等人［11］報(bào)道甘薯淀粉在 2θ 為 14.7°、16.9°、17.7°和22.6°處出現(xiàn)明顯的衍射峰，并且僅在16.9°處是衍射強(qiáng)峰，其余3處均為中等強(qiáng)度的峰，既不同于玉米淀粉的A型衍射譜，又不同于馬鈴薯淀粉的B型衍射譜，故甘薯淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)為C型，即A型和B型結(jié)晶結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)［11］。

本研究的XRD檢測(cè)結(jié)果如圖1所示。在圖1a中，沒(méi)有觀測(cè)到C型結(jié)晶結(jié)構(gòu)的特征峰。這說(shuō)明甘薯淀粉在糊化之后，結(jié)晶結(jié)構(gòu)消失，呈無(wú)定形態(tài)。

XRD圖譜上尖銳的特征峰對(duì)應(yīng)的是淀粉分子的長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)，即晶體結(jié)構(gòu);而相對(duì)平坦的“饅頭峰”對(duì)應(yīng)的則是淀粉分子的短程有序結(jié)構(gòu)，即半晶體結(jié)構(gòu)。在圖1中，四個(gè)茶多酚濃度的甘薯淀粉樣品在初始時(shí)均呈現(xiàn)一個(gè)平坦的“饅頭峰”，這主要是由直鏈淀粉形成的短程有序結(jié)構(gòu)所引起。從圖1中還可以看出，沒(méi)有添加茶多酚的甘薯淀粉樣品在放置10d之后，其XRD譜線在16.9°(2θ)的位置呈現(xiàn)較明顯的特征峰;而添加6wt.%或9wt.%茶多酚的甘薯淀粉樣品在放置10d后，其XRD譜線在16.9°(2θ)的位置未觀測(cè)到明顯的特征峰。添加茶多酚的甘薯淀粉樣品儲(chǔ)存到20d時(shí)，其XRD譜線在16.9°(2θ)的位置才可觀測(cè)到特征峰。圖1還顯示，四個(gè)甘薯淀粉樣品在儲(chǔ)存60d后，其XRD譜線在16.9°(2θ)的位置均出現(xiàn)了明顯的特征峰，但是添加茶多酚的樣品，其特征峰的衍射強(qiáng)度增大趨勢(shì)較弱。這說(shuō)明茶多酚有效抑制了甘薯淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)形成。茶多酚分子上豐富-OH可與甘薯淀粉分子上的-OH形成氫鍵，從而減少游離淀粉分子的數(shù)量，限制淀粉分子之間通過(guò)氫鍵產(chǎn)生相互作用，形成氫鍵而老化［6，12］。Wu等人的研究也證實(shí)茶多酚可以與大米淀粉分子通過(guò)氫鍵產(chǎn)生相互作用，從而抑制大米淀粉因形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)而老化。

2.2 TPA檢測(cè)結(jié)果

對(duì)于淀粉基食品，硬度是其最主要的感官特性之一，因此也是淀粉基食物最重要的檢測(cè)指標(biāo)。在儲(chǔ)存過(guò)程中，淀粉老化導(dǎo)致淀粉基食品的硬度增加，口感變差。檢測(cè)淀粉基食品的硬度變化是評(píng)估淀粉老化程度的最直接物理方法，不僅具有學(xué)術(shù)研究的意義，也具有重要的實(shí)踐意義。

圖1 甘薯淀粉樣品的XRD圖譜Fig.1 X-ray diffraction patterns of sweet potato starch

甘薯淀粉膠體的硬度變化如圖2所示。從圖中可以看出，在儲(chǔ)存過(guò)程中，甘薯淀粉膠體的硬度呈總體升高的趨勢(shì)，而且膠體的硬度隨著茶多酚濃度的增加而降低，甘薯淀粉膠體的硬度由其微觀結(jié)構(gòu)決定。甘薯淀粉中的直鏈淀粉在降溫后迅速形成短程有序的半結(jié)晶結(jié)構(gòu)，這賦予了膠體最初的硬度。在儲(chǔ)存過(guò)程中，甘薯淀粉中的支鏈淀粉以直鏈淀粉形成的短程有序半結(jié)晶結(jié)構(gòu)為核心，逐漸通過(guò)分子間和分子內(nèi)的氫鍵形成長(zhǎng)程有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，引起甘薯淀粉膠體的硬度持續(xù)升高。加入茶多酚之后，茶多酚通過(guò)氫鍵與淀粉相互作用［7］，抑制了淀粉的結(jié)晶過(guò)程，從而降低了甘薯淀粉膠體的硬度。茶多酚的濃度越高，與茶多酚相互作用的甘薯淀粉也就越多，淀粉的結(jié)晶越少，甘薯淀粉膠體的硬度也就越低。這與XRD檢測(cè)的結(jié)果一致。

從圖2中還可以看出，純甘薯淀粉膠體的硬度在升高到一定值后，逐漸趨于穩(wěn)定，這說(shuō)明淀粉的結(jié)晶過(guò)程已經(jīng)結(jié)束。在25℃時(shí)，這一過(guò)程的時(shí)間大約是38d。這與Tian等人的研究結(jié)果類似［13］。Liu等人也報(bào)道糯性淀粉膠體的硬度呈現(xiàn)越來(lái)越慢的升高趨勢(shì)［14］。加入茶多酚之后，淀粉的結(jié)晶過(guò)程被抑制，結(jié)晶所需要的時(shí)間更長(zhǎng)。茶多酚的濃度越高，淀粉結(jié)晶所需要的時(shí)間就越長(zhǎng)。茶多酚含量為9wt.%的甘薯淀粉膠體在25℃下儲(chǔ)存80d之后，其硬度還在不斷升高，說(shuō)明淀粉的結(jié)晶過(guò)程還未完成。

圖2 甘薯淀粉膠體的硬度變化趨勢(shì)(儲(chǔ)存溫度25℃)Fig.2 Variation of hardness of sweet potato starch gels stored at 25℃

圖3展示的是甘薯淀粉膠體的相對(duì)硬度變化趨勢(shì)。相對(duì)硬度反映了甘薯淀粉膠體硬度的變化幅度。相對(duì)硬度的值越大，說(shuō)明變化越明顯。從圖3中可以看出，儲(chǔ)存80d后，純甘薯淀粉膠體的相對(duì)硬度接近30，而茶多酚含量為9wt.%的甘薯淀粉膠體的相對(duì)硬度不到4。這從硬度變化幅度的角度，進(jìn)一步說(shuō)明茶多酚可顯著抑制甘薯淀粉的老化。

圖3 甘薯淀粉膠體的相對(duì)硬度變化趨勢(shì)(儲(chǔ)存溫度25℃)Fig.3 Variation of normalized hardness of sweet potato starch gels stored at 25℃

2.3 色澤分析結(jié)果

色澤分析的結(jié)果如表1所示。純甘薯淀粉膠體是白色的半透明膠體，體現(xiàn)為純木薯淀粉的a*和b*都接近于0。因?yàn)椴瓒喾颖旧硎亲厣?，所以加入茶多酚后，甘薯淀粉膠體的顏色也變成了棕色，而且茶多酚的含量越高，樣品顏色越深。這個(gè)變化趨勢(shì)也可以從表1中看出，茶多酚濃度越高，a*和b*越增大。隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，純木薯淀粉L*變化幅度變大，加入茶多酚可以抑制L*的變化速度，淀粉膠體的性質(zhì)更穩(wěn)定。

淀粉老化除了引起淀粉基食品的硬度升高，彈性降低之外，還會(huì)對(duì)食品的色澤產(chǎn)生一定影響，所以色澤變化也是評(píng)價(jià)淀粉老化的一個(gè)重要指標(biāo)。通過(guò)與初始顏色值對(duì)比，可以得到顏色差值ΔE。顏色差值ΔE反映了樣品顏色的變化程度。甘薯淀粉膠體的顏色變化趨勢(shì)如圖4所示。甘薯淀粉膠體的ΔE隨儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)呈增大的趨勢(shì)，但是這種增大的趨勢(shì)是逐漸減弱的。對(duì)顏色差值ΔE進(jìn)行擬合可發(fā)現(xiàn)，ΔE隨時(shí)間的變化趨勢(shì)可以用一級(jí)衰減指數(shù)函數(shù)擬合，擬合結(jié)果如表2所示。

表1 甘薯淀粉膠體的顏色參數(shù)Table 1 The color values of sweet potato starch gels

圖4 甘薯淀粉膠體ΔE的變化趨勢(shì)Fig.4 Variation of ΔE of sweet potato starch gels during long-term storage

表2 甘薯淀粉膠體ΔE的一級(jí)衰減指數(shù)函數(shù)擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters for ΔE of sweet potato starch gels using first order exponential decay function

從圖4中可以看出，純甘薯淀粉膠體的ΔE最高，ΔE隨著茶多酚濃度的升高而減小。對(duì)比圖4和表2可發(fā)現(xiàn)，這個(gè)變化趨勢(shì)可以從擬合參數(shù)A和B的變化體現(xiàn)出來(lái)。擬合參數(shù)A和B分別表示ΔE變化的最大值和快慢。擬合參數(shù)A隨著茶多酚濃度的升高而減小，而擬合參數(shù)B隨著茶多酚濃度的升高而增大。這說(shuō)明加入茶多酚以后，甘薯淀粉膠體的色澤變化更小，更慢。色澤分析的結(jié)果也表明，茶多酚可以有效抑制甘薯淀粉的老化，使淀粉膠體的顏色更穩(wěn)定。

2.4 FT-IR檢測(cè)結(jié)果

在FT-IR圖譜上，不同的化學(xué)鍵在不同的波長(zhǎng)位置有相對(duì)應(yīng)的特征峰。通過(guò)觀測(cè)特征峰的變化可以判斷相應(yīng)化學(xué)鍵的變化情況。甘薯淀粉樣品的FT-IR圖譜如圖5所示，從中可觀測(cè)到淀粉樣品分別在1300～900、1400、1640、2800、3400cm-1處有特征峰;在甘薯淀粉樣品儲(chǔ)存過(guò)程中，沒(méi)有特征峰的增加或減少，說(shuō)明沒(méi)有化學(xué)鍵生成或者消失，即淀粉與茶多酚不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，在3400cm-1處是-OH的特征峰，2800cm-1處是-CH2的特征峰，1640cm-1和1400cm-1處是-COO的特征峰，而1300～900cm-1處是C-O和C-C的振動(dòng)引起的吸收峰，對(duì)淀粉的老化最敏感［15-16］。從圖5中可以看出，在沒(méi)有添加茶多酚的情況下，甘薯淀粉樣品在1300～900cm-1處的峰強(qiáng)度隨著儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)有逐漸增加的趨勢(shì)(圖5a)，說(shuō)明甘薯淀粉有明顯的老化趨勢(shì)。加入茶多酚之后，甘薯淀粉的老化受到抑制，樣品在1300～900cm-1處的峰強(qiáng)度無(wú)顯著(圖 5b～圖 5d)。FT-IR檢測(cè)的結(jié)果從分子層面上說(shuō)明，茶多酚可以有效的抑制甘薯淀粉的老化，這與之前的XPD、TPA和色澤分析結(jié)果相一致。

3 結(jié)論

本研究用X-射線衍射、質(zhì)構(gòu)分析、色澤分析和傅立葉變換紅外光譜等方法檢測(cè)了甘薯淀粉樣品在長(zhǎng)期儲(chǔ)存過(guò)程中(80d)的結(jié)構(gòu)和特性變化，研究了茶多酚對(duì)甘薯淀粉老化的影響。加入9wt.%茶多酚甘薯淀粉膠體在放置80d之后，淀粉膠體硬度不足初始硬度的4倍。而純甘薯淀粉在放置80d之后，硬度約為初始硬度的30倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，茶多酚可抑制甘薯淀粉形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)，延緩其結(jié)晶過(guò)程，從而降低甘薯淀粉膠體的硬度，減小膠體的硬度和色澤變化。這說(shuō)明茶多酚可有效抑制甘薯淀粉的老化。

圖5 甘薯淀粉樣品的FT-IR圖譜Fig.5 FT-IR spectra of sweet potato starch

茶多酚不但具有特殊的香味，還具有抗老化和降血脂等功效。在淀粉基食品中添加茶多酚不但可以抑制淀粉老化，保持產(chǎn)品質(zhì)量，延長(zhǎng)其貨架期，還可以獲得具有特殊香味的功能食品，因此具有非常廣闊的運(yùn)用前景。

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