原花青素對大米淀粉老化性質(zhì)的影響

李蟠瑩,戴濤濤,陳 軍,劉云飛,劉成梅,李 俶

(南昌大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西南昌 330047)

水稻是世界上最主要的農(nóng)作物,也是我國和東南亞國家的主要糧食。水稻中的主要成分為淀粉,約占總成分的80%以上[1],大米以及大米制品的口感和品質(zhì)都受到淀粉老化的影響,因此大米淀粉的老化特性成為制約米制品工業(yè)發(fā)展的一個(gè)主要因素，如何調(diào)控大米淀粉的老化成為淀粉制品加工過程中的關(guān)鍵。多酚常被作為一種天然的抗氧化劑添加到淀粉質(zhì)食品中[2],研究發(fā)現(xiàn)多酚能抑制淀粉的老化[3-4],其影響淀粉老化的因素主要分為多酚的種類[5-6]、多酚的添加量[7-8]以及淀粉的來源[9]等。

原花青素(Proanthocyanidins,PC)是一種廣泛存在于植物中，由黃烷醇單體縮合而成的聚多酚類物質(zhì)[10-11],其單體黃烷醇含有C6-C3-C6的基本骨架,因此，原花青素也屬于黃酮類化合物[12]。近年來,大量研究結(jié)果表明，原花青素具有眾多有益人類健康的功能,如抗氧化性,抗癌和預(yù)防心血管疾病等活性功能[13-14]。目前原花青素廣泛地應(yīng)用于食品[15]、醫(yī)藥[16-17]及化妝品[18]領(lǐng)域。大量文獻(xiàn)報(bào)道，原花青素易與其他物質(zhì)形成復(fù)合物,如蛋白質(zhì),多糖等[11]。在淀粉基食品中,多酚類物質(zhì)也常被用來抑制淀粉老化[19]。目前,已有部分關(guān)于多酚抑制淀粉老化的相關(guān)報(bào)道,Wu等[20]研究發(fā)現(xiàn)，茶多酚能夠抑制大米淀粉的老化,Liu等[21]的研究中表明，低聚原花青素能夠抑制不同直支比的玉米淀粉的老化,且抑制效果有所不同。Xiao等[22]的研究中表明，紅茶多酚能夠抑制玉米淀粉和不同品種大米淀粉的老化,但是對馬鈴薯淀粉的老化沒有影響。Zhu等[23-24]研究發(fā)現(xiàn)，阿魏酸能夠抑制玉米淀粉的老化以及蘆丁可以抑制大米淀粉的老化。然而,目前原花青素對大米淀粉老化的影響,及其影響機(jī)理尚未見報(bào)道。

本文以大米淀粉為原料,通過快速粘度分析儀、差示掃描量熱儀、X-衍射、傅里葉紅外光譜、核磁共振圖譜以及掃描電鏡，研究添加不同比例的原花青素對大米淀粉老化性質(zhì)影響,以期為深入研究原花青素對大米淀粉老化性質(zhì)的影響機(jī)理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大米淀粉 Sigma-Aldrich(上海)貿(mào)易有限公司(水分含量10.34%,灰分0.32%,蛋白質(zhì)0.63%,脂質(zhì)0.02%,直鏈淀粉含量24.45%);原花青素 上海阿拉丁生化科技股份有限公司(純度≥95%來源葡萄籽)。

RVA-Tec Master粘度測試儀 瑞典Perten公司;D8-ADVANCE X-射線衍射儀 德國BRUKER公司;JSM 6701F場發(fā)射掃描電鏡能譜儀 日本電子公司;Nicolet 5700智能型傅里葉紅外光譜儀 美國熱電尼高力公司;DSC 7000X差示掃描量熱儀 日本日立公司;EDUMR20-015V-I核磁共振成像分析儀 上海紐邁電子科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 糊化性質(zhì)測定 準(zhǔn)確稱取3.00 g的大米淀粉,依次加入占大米淀粉干基重為0、5%、10%、15%的原花青素粉末,再加入25 mL的蒸餾水,在RVA測試的專用鋁盒中混勻,進(jìn)行RVA測定。RVA標(biāo)準(zhǔn)加熱程序:50 ℃恒溫1 min,3.75 min內(nèi)升溫至95 ℃,恒溫2.5 min,3.75 min內(nèi)下降至50 ℃,并在50 ℃下恒溫2 min。攪拌槳速率保持在160 r/min。通過RVA專用軟件TCW進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。

1.2.2 熱力學(xué)性質(zhì)測定 首先采用標(biāo)準(zhǔn)銦對DSC儀器進(jìn)行溫度和熱焓的校正,然后分別稱取占淀粉干基0%、5%、10%和15%原花青素粉末，與大米淀粉混合均勻,稱取混合物3 mg加入PE坩堝中,加入2倍干基量的去離子水,密封,4 ℃下平衡24 h。平衡后的樣品在DSC上糊化,溫度范圍:30～95 ℃,升溫速率:10 ℃/min,空坩堝作為空白對照。從DSC曲線中確定初始溫度T0、峰值溫度TP、終止溫度TC和糊化焓值Δ H(J/g)。將DSC糊化后的樣品放在4 ℃儲存1、7、14 d,然后稱取3 mg儲藏后的樣品,密封,4 ℃下平衡24 h,進(jìn)行回生焓值的測定。

1.2.3 傅里葉紅外光譜測定 分別將RVA糊化后的樣品在4 ℃儲存,7 d后,再將樣品凍干、粉碎、過80目篩。取上述樣品放入坩堝中,再向其中加入KBr固體研磨,充分研磨均勻后，用配套的壓片機(jī)壓成0.5 mm的薄片。將樣品放入傅里葉紅外光譜儀中測定,掃描波長范圍800～1200 cm-1,掃描次數(shù)64次,分辨率為4 cm-1,空氣作為空白來扣除背景。用Omnic8.0軟件對800～1200 cm-1范圍內(nèi)的譜圖進(jìn)行基線校準(zhǔn)和去卷積處理。去卷積的峰寬為40 cm-1,增強(qiáng)因子為1.9。在去卷積圖譜中找到1047 cm-1(結(jié)晶區(qū)面積)和1022 cm-1的值(非結(jié)晶區(qū)面積),通過計(jì)算得到1047 cm-1/1022 cm-1的吸光度(淀粉結(jié)晶程度)比值。

1.2.4 X-射線衍射與結(jié)晶度測定 分別將RVA糊化后的樣品在4 ℃儲存,7 d后,再將樣品凍干、粉碎、過80目篩。取樣品進(jìn)行XRD檢測,管流為30 mA,管壓為40 kV,掃描范圍為0～40 °。實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過origin 2017軟件進(jìn)行分析。根據(jù)X-射線衍射圖譜可按下式計(jì)算結(jié)晶度:

Xc=Ac/(Ac+Aa)

式中:Xc代表結(jié)晶度,Ac代表結(jié)晶區(qū),Aa代表非晶區(qū)。

圖1 淀粉相對結(jié)晶度的計(jì)算Fig.1 Calculation of the relative degree of the crystallinity

1.2.5 掃描電鏡形貌觀察 用刀片切取儲藏7 d并凍干的樣品內(nèi)部部分,將其固定在導(dǎo)電雙面膠上,真空噴金,然后置于掃描電鏡中觀察形態(tài)并拍照。掃描電壓3.0 kV,放大倍數(shù)500,觀察不同添加量的原花青素對儲藏7 d的大米淀粉微觀形態(tài)的影響。

1.2.6 核磁共振測定持水性 將糊化后的樣品放入25 mm核磁管中,4 ℃分別存放1、4、7、14 d,采用低場NMR豫馳測定樣品的橫向豫馳時(shí)間T2,測試條件:采用CPMG序列,采樣點(diǎn)數(shù)TD=200012,回波個(gè)數(shù)Co=2000,重復(fù)掃描次數(shù)NS=6,回波時(shí)間TE=1 ms,馳豫衰減時(shí)間Do=6000 ms,所得CPMG指數(shù)衰減曲線采用MultiExp Inv Analysi軟件進(jìn)行反演得到T2圖譜。

1.3 數(shù)據(jù)分析

每次實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次,取平均值。采用Origin 2017軟件繪圖,并用SPSS 22.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行Duncan顯著性分析,顯著水平為p<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 淀粉的糊化性質(zhì)分析

大米淀粉混合體系的糊化特征值如表1所示。隨著原花青素的添加,大米淀粉混合體系的峰值粘度、谷值粘度和終值粘度均有所上升,而崩解值和糊化溫度呈下降趨勢,添加原花青素后,大米淀粉變得更易于糊化。回復(fù)值是用來反映淀粉短期老化情況的,回復(fù)值越低,老化越不容易進(jìn)行,反之,回復(fù)值越高,淀粉越容易老化[25]。PC添加量為5%的大米淀粉混合體系與原大米淀粉(0 PC)相比回復(fù)值發(fā)生了明顯的下降,從975.5 cp下降到802.5 cp,并隨著原花青素的繼續(xù)添加,回復(fù)值為768 cp。

表1 原花青素對大米淀粉糊化性質(zhì)的影響Table 1 Effects of proanthocyanidins on the pasting properties of rice starch

2.2 淀粉的熱力學(xué)性質(zhì)分析

表2是大米淀粉糊化焓值的測定結(jié)果,添加原花青素的大米淀粉與原大米淀粉相比,T0(初始溫度)、TP(峰值溫度)、TC(終值溫度)以及Δ Hg(糊化焓值)均顯著下降(p<0.05)，這說明添加原花青素后,淀粉顆粒能夠在較低的溫度下發(fā)生膨脹糊化。淀粉的糊化溫度和焓值隨著原花青素的添加量的增加而降低,這與Wu等[20]報(bào)道的茶多酚對淀粉糊化焓值的影響結(jié)果一致,茶多酚含有多個(gè)羥基，易與淀粉的側(cè)鏈發(fā)生相互作用,并與淀粉的非結(jié)晶區(qū)不同程度的結(jié)合,從而改變晶體與非晶體之間的耦合矩陣,使得淀粉需要較少的能量用于糊化[6]。原花青素同樣能夠影響淀粉的糊化性能,影響因素可能與原花青素具有多個(gè)游離的羥基有關(guān)[26]。

表2 原花青素對大米淀粉糊化焓值的影響Table 2 Effects of gelatinization enthalpy of rice starch with proanthocyanidins

大米淀粉老化1、7、14 d,回生焓的測定結(jié)果如表3所示,在老化1 d時(shí),添加0和5% PC的大米淀粉回生焓值為0.57、0.28 J/g,而添加10%和15% PC的大米淀粉沒有檢測到回生焓。原花青素與淀粉的復(fù)合樣品,在老化7和老化14 d時(shí),PC添加量為0、5%、10%、15%四種樣品均檢測到回生焓,并且回生率(R)隨著PC添加量的增大而減小,說明原花青素能夠抑制淀粉的老化[22],且PC添加量越大，對大米淀粉抑制老化的程度也越大。這與Wu等[20]和Xiao等[9]研究發(fā)現(xiàn)，茶多酚能夠降低大米淀粉老化焓值的結(jié)果一致,淀粉中的羥基易與淀粉中的羥基形成氫鍵,以此來干擾淀粉多聚物鏈的結(jié)合。原花青素與其它多酚化合物相比,羥基數(shù)目更多,因此更易于與淀粉分子通過氫鍵發(fā)生相互作用,使大米淀粉的回生率下降[27]。

表3 原花青素對大米淀粉回生焓值的影響Table 3 Effects of restrogradation enthalpy of rice starch with proanthocyanidins

2.3 淀粉的X-衍射分析

圖2中,原大米淀粉在2θ角15、17.5、18.7、23.3出現(xiàn)衍射峰,顯示了典型的A型特征結(jié)構(gòu)[28]。大米淀粉在老化7 d時(shí),PC添加量為0%的大米淀粉，在17 °出現(xiàn)了明顯的衍射峰,X-衍射圖譜顯示淀粉的B型特征結(jié)構(gòu)[29]。2θ角在20 °出現(xiàn)了衍射峰,顯示為V型特征結(jié)構(gòu),可能是直鏈淀粉與脂質(zhì)形成的絡(luò)合物顯示的衍射峰[30]。隨著原花青素添加量的增加,2θ角在17 °出現(xiàn)的衍射峰峰強(qiáng)逐漸降低。通過計(jì)算結(jié)晶度發(fā)現(xiàn)，老化7 d的原大米淀粉結(jié)晶度為4.94%,當(dāng)PC添加量為5%,10%和15% 時(shí),大米淀粉的結(jié)晶度分別為3.56%、3.12%、2.75%。隨著PC的添加,結(jié)晶度發(fā)生明顯下降,這與Xiao等[8-9]報(bào)道的綠茶多酚的添加，能夠抑制大米淀粉的老化的結(jié)果一致,綠茶多酚的添加導(dǎo)致大米淀粉衍射峰的峰強(qiáng)減弱,并且隨著綠茶多酚添加量的增加,峰強(qiáng)度下降越明顯。這也說明原花青素能夠抑制淀粉的老化,并且受其添加量的影響,一方面可能是因?yàn)樵ㄇ嗨氐奶砑?引入的羥基易于淀粉分子通過氫鍵結(jié)合,從而影響淀粉分子之間的聚集,另一方面易溶于水的原花青素可能限制了淀粉鏈周圍水分子的運(yùn)動,使得水分子不能有效的參與淀粉的回生,使得回生過程中淀粉體系結(jié)晶度下降[31]。

圖2 原大米淀粉和老化7 d的大米淀粉的X-衍射圖譜Fig.2 X-ray diffraction patterns of native RS and gelatinized RS for 7 days注:NRS為原大米淀粉(未老化)。

2.4 淀粉的傅里葉紅外圖譜分析

圖3是去卷積之后的大米淀粉紅外圖譜,去卷積的參數(shù)為:增強(qiáng)因子1.9,峰寬為40。大米淀粉紅外圖譜波數(shù)范圍在950～1200 cm-1時(shí)，淀粉結(jié)構(gòu)變化十分敏感[32]。尤其是1047和1022 cm-1的特征吸收峰，其峰高分別可以表示為淀粉結(jié)晶區(qū)的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和無定形區(qū)的結(jié)構(gòu)[33]。它們的比值可以用來反映淀粉的老化程度。兩者的比值越大,說明淀粉結(jié)構(gòu)有序化程度越高,老化程度也越大[34]。由表4可知，當(dāng)原花青素添加量為15%、10%、5%時(shí),大米淀粉在1047 cm-1/1022 cm-1處吸收峰峰高的比值為1.14、1.18和1.20,添加量為0的大米淀粉吸收峰峰高比值為1.34。隨著原花色素添加量的增加,1047 cm-1/1022 cm-1的吸收峰峰高的比值呈下降趨勢,表明原花青素能夠降低大米淀粉在老化過程中的結(jié)晶程度,這與X-衍射的結(jié)果一致。

圖3 老化7 d的大米淀粉-原花青素復(fù)配體系傅里葉紅外去卷積圖譜Fig.3 The fourier spectrograms of RS-PC mixturesafter restrogradation for 7 days

表4 1047與1022 cm-1的吸收峰峰高比值Table 4 The ratio of peak height at 1047 cm-1/1022 cm-1

2.5 淀粉掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)觀察

圖4為原大米淀粉與大米淀粉-原花青素體系凍干后橫截面的掃描電鏡圖像。圖4A中顯示，糊化后4 ℃下放置7 d的大米淀粉經(jīng)過凍干后,其表面紋理十分清晰,結(jié)構(gòu)緊密。圖4B、圖4C、圖4D分別是添加了5%、10%和15%原花青素，經(jīng)糊化、凍干后的掃描電鏡圖,發(fā)現(xiàn)它們與原大米淀粉電鏡圖相比,結(jié)構(gòu)變得更加疏松。這可能是由于體系加入原花青素后,在老化過程中,水分的蒸發(fā)減慢,持水性增加,有助于維持淀粉的微觀結(jié)構(gòu),在凍干過程中,水分不斷蒸發(fā),淀粉內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松多孔[6-7]。

圖4 大米淀粉老化7 d的掃描電鏡(×500)Fig.4 The scanning electron microscopy of rice starch after 7 d(×500)注：A:RS+0 PC;B:RS+5% PC;C:RS+10% PC;D:RS+15% PC。

2.6 淀粉的水分遷移與分布

豫弛時(shí)間T2能夠反映淀粉內(nèi)部水分分布變化[35],從T2圖譜(圖5)可以看出，隨著老化天數(shù)的增加,4組體系的整體水分含量降低。特別是在7～14 d的階段,PC添加量為0的大米淀粉體系，其水分含量下降更明顯。淀粉回生是分子從無序變成有序的過程,因此隨著老化時(shí)間增加,T2是下降的,淀粉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，使之前在無定形區(qū)的水分子擴(kuò)散到結(jié)晶區(qū)[36]。進(jìn)一步探討水分子在體系中的變化,發(fā)現(xiàn)在該體系中，存在兩種運(yùn)動的水分子,一類是結(jié)合水,是指可以與大分子發(fā)生結(jié)合,運(yùn)動能力減弱,有相對較短的馳豫時(shí)間,一般用T21表示;另一類是自由水,沒有發(fā)生結(jié)合,運(yùn)動能力較強(qiáng),有相對較長的馳豫時(shí)間,一般用T22表示[37]。圖6和圖7顯示隨著老化天數(shù)的增加,四種大米淀粉體系的結(jié)合水均上升,自由水呈下降趨勢,T21的值較T22的值小,這表明體系中與大米淀粉-原花青素結(jié)合的水相對較少,隨著老化天數(shù)增加,T21上升,體系中結(jié)合態(tài)的水增加。T22與T21變化趨勢相反,與T2的變化趨勢一致,呈現(xiàn)下降趨勢,添加原花青素的樣品T22下降更緩慢。這是由于隨著原花青素添加,體系持水性增強(qiáng),影響水分的遷移,不利于支鏈淀粉的重結(jié)晶,從而延緩淀粉的老化。這與掃描電鏡圖一致。

圖5 不同老化時(shí)間下大米淀粉/原花青素的T2馳豫時(shí)間Fig.5 The relaxation time T2 of RS/PC mixtures during different ageing time

圖6 不同老化時(shí)間下大米淀粉/原花青素的結(jié)合水(T21)馳豫時(shí)間Fig.6 The relaxation time(T21) of RS/PC mixtures during different ageing time

圖7 不同老化時(shí)間下大米淀粉/原花青素的自由水(T22)馳豫時(shí)間Fig.7 The relaxation time(T22) of RS/PC mixtures during different ageing time

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)選取了添加質(zhì)量比為0、5%、10%、15%的原花青素與大米淀粉混合,考察大米淀粉在不同老化時(shí)間過程中的變化。結(jié)果表明,原花青素既能夠影響淀粉的短期老化,也能影響淀粉的長期老化。在相同的老化天數(shù)下,添加量為15%和10%的原花青素-大米淀粉混合體系回復(fù)值明顯低于添加量為5%與0的體系(p<0.05)。回生率、結(jié)晶度、傅里葉紅外吸光度比值以及水分的變化均可以看出，添加量為15%的原花青素體系老化速率最慢,其次是添加量為10%和5%的混合體系,添加量為0的大米淀粉老化速率最快。