阿魏酸對(duì)小麥淀粉理化特性的影響

王 晨,謝巖黎,南永遠(yuǎn)

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院,河南省糧油食品安全檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南鄭州 450001)

阿魏酸是(4-羥基-3-甲氧基苯基)-丙-2-烯酸,是一種羥基肉桂酸,廣泛存在于水果、蔬菜和多種谷物的皮層中。阿魏酸對(duì)人類健康具有多種有益效果,例如抗炎和自由基清除作用等[1]。據(jù)報(bào)道，阿魏酸可以治療氧化應(yīng)激有關(guān)的疾病，如阿茲海默病、糖尿病、癌癥、高血壓、動(dòng)脈粥樣硬化[2-3]等。因此，阿魏酸可用于開發(fā)功能性食品和營養(yǎng)品。食品原料在加工和配制過程中,經(jīng)破碎,混合和烹飪等處理時(shí),多種內(nèi)源和外源成分接觸，從而發(fā)生相互作用,這些相互作用可能影響食品的物理化學(xué)和營養(yǎng)特性。阿魏酸會(huì)以結(jié)合和游離形式結(jié)合到各種類型的食物中,在加工過程中會(huì)與蛋白質(zhì)和淀粉等其他組分相互作用，從而影響食品質(zhì)量[4]。

淀粉是人類最重要的碳水化合物和能量物質(zhì)來源,是植物體中存儲(chǔ)量最大的多糖,它由兩種主要類型的大分子組成:線性直鏈淀粉和支鏈淀粉。淀粉的糊化、老化及相互作用對(duì)于富含淀粉的食品(如谷物食品)是至關(guān)重要的,最近幾年發(fā)現(xiàn)淀粉和酚類化合物之間的相互作用，對(duì)食品性質(zhì)和營養(yǎng)具有一定的影響[5]。其中從分子水平上來說,淀粉和酚類的相互作用可分為v-型直鏈淀粉包合物的形成和非包合物的形成,在客體分子的存在下,直鏈淀粉經(jīng)歷結(jié)構(gòu)變化，形成V型絡(luò)合物,V型直鏈淀粉的螺旋疏水腔可以截留客體分子[6]。非包合物的形成包括氫鍵的形成,靜電相互作用,疏水作用等[7]。從宏觀角度講,添加酚類對(duì)淀粉的物理化學(xué)性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一定的影響,國內(nèi)外有關(guān)酚類物質(zhì)對(duì)淀粉特性影響的研究主要集中在茶多酚、植物化學(xué)提取物等[8-9],主要包括淀粉的糊化、回生、流變及消化性等,但關(guān)于阿魏酸對(duì)小麥淀粉特性的研究鮮有報(bào)道。

本文以小麥淀粉為研究對(duì)象,采用掃描電子顯微鏡、X-射線衍射儀、紅外光譜掃描儀、差示掃描量熱儀和快速粘度儀對(duì)添加不同比例阿魏酸的小麥淀粉的微觀結(jié)構(gòu)、晶體類型、官能團(tuán)變化以及糊化特性等進(jìn)行了研究,確定阿魏酸對(duì)小麥淀粉理化性質(zhì)的影響,為開發(fā)阿魏酸的功能性食品提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

小麥矮抗58 河南省豫大農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限公司;小麥淀粉(蛋白質(zhì)含量0.62%±0.06%,粗脂肪含量0.51%±0.03%,灰分含量 1.8%±0.05%,直鏈淀粉含量 24.3%±0.01%,水分含量 13.28%±0.15%) 實(shí)驗(yàn)室自制;阿魏酸 純度95%,上海源葉生物科技有限公司。

Quanta FEG環(huán)境掃描電鏡 美國FEI公司;E-1010離子濺射儀 日立有限公司;DK-S26型電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;TD5-4B離心機(jī) 北京時(shí)代北利離心機(jī)有限公司;X’Pert PRO X射線衍射儀 荷蘭帕納科公司;Q20差示掃描量熱儀 美國TA公司;101型電熱鼓風(fēng)干燥箱 北京市永光明醫(yī)療儀器廠;AL204型電子天平 梅特勒托利多儀器有限公司;PHS-3C型PH計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司;UV-Vis紫外可見分光光度計(jì) 上海美譜達(dá)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 小麥淀粉提取與制備 小麥淀粉的提取工藝:稱取500 g左右的小麥面粉,加入300 mL左右的蒸餾水(水溫為20 ℃左右)混合,和成均勻柔軟光滑的面團(tuán),靜置38.2 min,加入1650 mL左右濃度為2.5%(m/v)的氯化鈉進(jìn)行揉洗,將面漿過100目標(biāo)準(zhǔn)篩,后重新收集面塊,蒸餾水反復(fù)揉洗。最后淀粉溶液過篩后放于大燒杯中,室溫下放置4 h,棄去燒杯中的上層黃色液,將下層淀粉乳,轉(zhuǎn)移至250 mL離心管中進(jìn)行離心(3500×g,15 min)處理,棄去上層溶液,將下層白色濕淀粉塊均勻放置瓷板托盤上45 ℃烘干,過100目篩,得到試驗(yàn)小麥淀粉。

1.2.2 小麥淀粉基本成分分析 水分含量:直接干燥法,參考(GB 5009.3-2016)[10];灰分含量:灼燒恒重法,參考(GB 5009.4-2016)[11];粗脂肪含量:近紅外法,參考(GB/T 24870-2010)[12];直鏈淀粉含量,參考(GB/T 15683-2008)[13];蛋白質(zhì)含量:凱氏定氮法,參考(GB 5009.5-2010)[14]。

1.2.3 掃描電鏡分析 稱取3.0 g小麥淀粉,分別加入阿魏酸0,5%,10%,15%,20%(w/w淀粉干基),加26.54 mL水，80 ℃糊化30 min,冷卻至室溫并靜置24 h,后凍干、粉碎，過100目篩,得到添加阿魏酸的小麥淀粉樣品，用掃描電鏡觀察樣品,將其粘在樣品座上,用洗耳球吹去未黏附的樣品,真空噴金處理后觀察,加速電壓3 kV,放大倍數(shù)2000倍。

1.2.4 傅里葉紅外光譜分析 取1.2.3中得到的阿魏酸-小麥泊粉樣品,將樣品和溴化鉀盡可能干燥除去其中的水分。并用無水乙醇擦拭研缽、勺子、壓片柱子表面等,稱取充分干燥后的溴化鉀約400 mg，放入瑪瑙研缽中,操作過程用紅外燈進(jìn)行照射,保持周圍環(huán)境的干燥,研磨5～10 min,再加入2 mg左右的樣品，使其與溴化鉀混合均勻后,再研磨3～5 min。然后用壓模器壓片,取出樣品薄片,放在樣品測(cè)試架上,在掃描次數(shù)16,分辨率4400～4000 cm-1波數(shù)范圍進(jìn)行紅外掃描。

1.2.5 X-射線衍射分析 取適量1.2.3中得到的阿魏酸-小麥淀粉樣品,放到樣品盤上,利用玻片將樣品壓實(shí)鋪平,使其形成一個(gè)平面,進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件為:儀器的電壓為40 kV,電流為40 mA,衍射角(2θ)掃描范圍為3～40°,掃描速度為8 °/min,步幅0.02°。

1.2.6 差示掃描量熱儀分析 稱取3.0 mg(干基)左右淀粉于鋁鉗鍋中,分別加入0、5%、10%、15%、20%(w/w淀粉干基)阿魏酸,用微量進(jìn)樣器加入10 μL的蒸餾水,壓蓋密封室溫下靜置24 h,測(cè)試條件:DSC測(cè)試前在25 ℃下平衡5 min,測(cè)試溫度的范圍為30～130 ℃,升溫速率為10 ℃/min,隨后用液態(tài)氮冷卻,用空鋁盒作參比。

1.2.7 糊化性質(zhì)的測(cè)定 取樣品3.0 g(干基)淀粉置于測(cè)試用的鋁筒內(nèi),分別添加5%、10%、15%、20%(w/w淀粉干基)阿魏酸至鋁筒內(nèi),并加入26.54 g蒸餾水(以14%水分基),將攪拌器的槳葉在待測(cè)樣品中上下攪動(dòng)10次左右，使樣品混合均勻,將樣品置于RVA中測(cè)定黏度性質(zhì)。攪拌器起始10 s以960 r/min的轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),目的是使待測(cè)樣品形成相對(duì)均勻的懸濁液,接著以160 r/min的轉(zhuǎn)動(dòng)速度旋轉(zhuǎn)直至測(cè)定完成。其加熱程序如下:初始溫度為50 ℃保持l min,之后12 ℃/min提升至95 ℃,保持2.5 min后以相同速度降溫到50 ℃并保持1 min,完成測(cè)定,測(cè)定一個(gè)樣品所需耗時(shí)13 min。

1.3 數(shù)據(jù)分析

在每次試驗(yàn)中均進(jìn)行了3次平行試驗(yàn),每個(gè)數(shù)據(jù)均為3次平行試驗(yàn)的平均值,試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過SPSS 16.0分析,試驗(yàn)分析中采用最小顯著差異(p≤0.05)的方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

從圖1a可以看出,小麥原淀粉顆粒結(jié)構(gòu)較完整,呈扁圓形或橢圓形,淀粉表面顆粒比較光滑。圖1b為小麥淀粉糊化后的微觀狀態(tài),可以看出小麥淀粉糊化后，形狀發(fā)生改變,由原來的橢圓形或球形變?yōu)椴灰?guī)則多邊形結(jié)構(gòu)且表面粗糙,圖1c～f為添加不同比例阿魏酸小麥淀粉糊化的微觀結(jié)構(gòu),大部分顆粒發(fā)生聚集，呈不規(guī)則多邊形結(jié)構(gòu),大小在70～200 μm范圍內(nèi),隨著阿魏酸含量的增加,淀粉表面不規(guī)程度增加,致密性降低。這可能是糊化后的淀粉在冷卻過程中，線性直鏈淀粉形成雙螺旋結(jié)構(gòu),交聯(lián)過程會(huì)形成結(jié)晶域,溶解的阿魏酸會(huì)與淀粉通過氫鍵相互作用,而未溶解部分會(huì)稀釋淀粉基質(zhì),使得淀粉彼此相互作用減少,降低了直鏈淀粉雙螺旋的形成和交聯(lián),從而阻止了淀粉的重結(jié)晶[15]。

圖1 不同比例阿魏酸(FA)對(duì)小麥淀粉(WS)微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.1 Effects of different proportions of ferulic acid on microstructure of wheat starch注:a為WS的微觀結(jié)構(gòu)；b、c、d、e分別為WS、(WS+5% FA)、(WS+10% FA)、(WS+15% FA)和(WS+20% FA)糊化后的微觀結(jié)構(gòu)。

2.2 傅里葉紅外光譜分析

傅里葉紅外光譜法可用于研究淀粉和淀粉基混合物光譜之間的差異性,用于指示混合時(shí)化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化[16]。從圖2中可以看出,阿魏酸具有的峰1271 cm-1(C-O-C不對(duì)稱伸縮振動(dòng))1517 cm-1(C=C),2951～3016 cm-1(C-H振動(dòng)),3436 cm-1(OH)[17]。阿魏酸在1619,1593,1513,1434 cm-1處的尖峭峰是由于C-C骨架振動(dòng)引起的,并且是芳族環(huán)的特征,在804和805 cm-1的尖峰是阿魏酸苯環(huán)上兩個(gè)相鄰的氫原子[18]。從圖3中a曲線看出,在3400 cm-1處的極寬的譜帶,是淀粉中羥基的主要特征,在2836 cm-1處的吸收峰,屬于CH反對(duì)稱伸縮振動(dòng),1500～1200 cm-1是蛋白質(zhì)與多糖的混合振動(dòng)吸收區(qū);1400 cm-1左右屬于C-H剪式振動(dòng)和芳香環(huán)振動(dòng);1022 cm-1左右的吸收峰歸屬為淀粉中C-O伸縮振動(dòng)及C-OH鍵的彎曲振動(dòng);其中圖譜中在570 cm-1處的譜峰屬于淀粉的基本骨架模式振動(dòng)[19]。

圖2 阿魏酸(FA)的紅外圖譜Fig.2 The infrared spectrum of ferulic acid(FA)

從圖3中b曲線可以看出，阿魏酸-淀粉復(fù)合物與原淀粉相比，在3400 cm-1處峰形變窄,說明羥基數(shù)目減少,這可能是阿魏酸苯環(huán)上羥基與淀粉鏈形成了氫鍵。1640 cm-1峰強(qiáng)度減弱,有可能是阿魏酸的芳香環(huán)和乙烯側(cè)鏈嵌入了直鏈淀粉的疏水腔內(nèi),使更多的極性基團(tuán)暴露在疏水腔外[20]。在1045和995 cm-1處的吸收峰與淀粉有序結(jié)構(gòu)和水合結(jié)晶度有關(guān),1022 cm-1c處的峰與淀粉的無定型結(jié)構(gòu)有關(guān),(1045/1022) cm-1和(995/1022) cm-1峰強(qiáng)度比值被看作是淀粉有序結(jié)構(gòu)的指標(biāo)[19],其中(1045/1022) cm-1峰強(qiáng)度比值表示淀粉分子結(jié)構(gòu)中的有序結(jié)構(gòu)和無定形結(jié)構(gòu)的比例關(guān)系,比值越大,顆粒內(nèi)有序度越高;測(cè)定結(jié)果表明，阿魏酸-淀粉復(fù)合物中有序結(jié)構(gòu)比原淀粉減小。

圖3 小麥淀粉和阿魏酸-小麥淀粉復(fù)合物糊化后的紅外圖Fig.3 Infrared spectra of wheat starch and ferulicacid-wheat starch complexes after gelatinization注:a、b曲線分別為小麥淀粉(WS)和阿魏酸-小麥淀粉復(fù)合物(WS-FA)的紅外圖譜。

2.3 X-衍射圖譜分析

淀粉是一種多晶聚合物,通過X-射線衍射可以了解淀粉的結(jié)晶性,呈現(xiàn)出一定的X-射線衍射圖譜。淀粉分為A型、B型、C型。

大多數(shù)谷類淀粉為A型,在衍射角15、17、18、23 °處有較強(qiáng)衍射峰;塊莖類淀粉顆粒呈B型,在衍射角5.6、17、22和24 °處出現(xiàn)較強(qiáng)衍射峰,而根莖和豆類淀粉大多呈現(xiàn)出C型。此外還有V型,在衍射角度為7.4、13和20 °有較強(qiáng)衍射峰,此形式的晶型在天然的淀粉中并不存在,只在糊化后的淀粉與類脂物及相關(guān)化合物形成復(fù)合物以后才產(chǎn)生[21]。

從圖4阿魏酸的衍射圖中看出，阿魏酸在衍射角為9、12.7、15.6、26.3、29.4 °具有較強(qiáng)的衍射峰。圖5中a曲線可以看出，天然小麥淀粉在衍射角2θ=15.3、17.3、18.1、23.3 °處有較強(qiáng)吸收峰,屬于典型的A型結(jié)晶結(jié)構(gòu)[22]。b曲線中小麥淀粉經(jīng)糊化后在衍射角2θ=17、20 °出有強(qiáng)吸收峰,說明小麥淀粉糊化后，結(jié)晶型由原來的A型變?yōu)锽+V型。由曲線b、c曲線可知，阿魏酸添加量為5%、10%時(shí),小麥淀粉衍射圖與原糊化后淀粉相似,保留了其主要特征峰。而從d、e、f曲線中可以看出，當(dāng)阿魏酸添加量為10%、15%、20%時(shí),小麥淀粉分別在9、12.7、26.3、29.4 °出現(xiàn)了阿魏酸的衍射峰,其衍射峰發(fā)生變化,說明此時(shí)阿魏酸與淀粉并未形成包合物,這可能是因?yàn)橹辨湹矸坌纬傻碾p螺旋腔體是有限的[23],而阿魏酸較低的溶解度也降低了它與淀粉間的相互作用,添加阿魏酸后的淀粉衍射強(qiáng)度降低,且與阿魏酸的添加量呈反比,可能是添加阿魏酸后降低了淀粉的結(jié)晶強(qiáng)度。

圖4 阿魏酸(FA)的衍射圖譜Fig.4 The diffraction pattern of ferulic acid(FA)

圖5 添加不同比例阿魏酸(FA)的小麥淀粉的衍射圖Fig.5 Diffraction of wheat starchwith different proportions of ferulic acid(FA)注:圖5中a曲線是WS的衍射圖譜;b～f分別為WS、(WS+5% FA)、(WS+10% FA)、(WS+15% FA)和(WS+20% FA)糊化后的衍射強(qiáng)度。

2.4 差示掃描量熱儀分析

從表1中可以看出,淀粉的T0、Tp、Tc都有顯著下降的趨勢(shì),且與阿魏酸的添加量有關(guān),這表明阿魏酸降低了淀粉的熱穩(wěn)定性[24]。而最不穩(wěn)定的微晶和最穩(wěn)定的微晶熔融溫度分別由T0和Tc表示[25],這說明阿魏酸對(duì)不穩(wěn)定和穩(wěn)定微晶有一定的影響。當(dāng)阿魏酸添加量為10%時(shí),淀粉的吸熱焓顯著減小,繼續(xù)增大添加比例,吸熱焓不再變化。這可能是由于在水存在的條件下,純阿魏酸在110 ℃具有熔融峰(數(shù)據(jù)未顯示),該實(shí)驗(yàn)條件下加入阿魏酸呈現(xiàn)部分溶解的狀態(tài),溶解的阿魏酸(例如,羥基和羧基組)可以與淀粉組分和水相互作用,降低系統(tǒng)的pH并使淀粉顆粒不穩(wěn)定,該阿魏酸的不溶性結(jié)晶形式可能很少,對(duì)糊化行為的影響很小[26]。而糊化焓還可能與其具有大量的羥基結(jié)構(gòu)有關(guān),這些親水性的羥基通過與支鏈淀粉的側(cè)鏈結(jié)合到淀粉顆粒的非結(jié)晶區(qū),改變了微晶區(qū)和無定型區(qū)之間的耦合力，使得淀粉顆粒發(fā)生變化,從而T0,Tp,Tc和ΔH發(fā)生變化[27-28]。

表1 小麥淀粉和添加不同比例阿魏酸小麥淀粉的熱特性分析數(shù)據(jù)Table 1 DSC thermogram of native starch and starch with different proportions of ferulic acid(FA)

2.5 糊化特性分析

從圖6中可以看出,隨著阿魏酸添加量從0%至20%,小麥淀粉的峰值粘度由2699 cP降至2259 cP,保持粘度由2176 cP降至766 cP,最終粘度由3163 cP降至1553 cP,而崩解值由523 cP增加至1418 cP。本實(shí)驗(yàn)中冷卻過程中降低了淀粉的最終粘度和回升值,說明阿魏酸降低了淀粉的老化程度[29]。這可能是由于阿魏酸與淀粉發(fā)生相互作用，從而結(jié)合在直鏈淀粉分子之間,阻礙了直鏈淀粉分子之間的相互作用,溶解的阿魏酸可以與淀粉聚合物發(fā)生相互作用,而沒有溶解的固體阿魏酸晶體進(jìn)一步稀釋淀粉基質(zhì),使得淀粉彼此之間的相互作用頻率降低,減少了直鏈淀粉雙螺旋區(qū)域的纏繞和形成,從而降低了淀粉糊在冷卻期間的粘度[30]。另外一個(gè)主要原因是阿魏酸的添加降低了系統(tǒng)中淀粉的含量,而且降低了系統(tǒng)的pH。Zhu等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在酚類化合物存在下,在淀粉糊化之前,小麥淀粉的峰值粘度和最終粘度與系統(tǒng)初始pH之間存在一定的關(guān)系,當(dāng)在糊化過程中,由于不斷升高的溫度使阿魏酸的溶解度增加,系統(tǒng)的pH進(jìn)一步減小。當(dāng)pH從7降低到4時(shí),大米淀粉(4種基因型)的粘度略有改變,不同的pH對(duì)不同基因型的淀粉具有不同程度的影響[31]。Mota等[32]研究發(fā)現(xiàn)添加不同濃度的阿魏酸時(shí),系統(tǒng)中部分溶解的阿魏酸(例如,羥基和羧基)可以與淀粉組分和水發(fā)生相互作用,降低系統(tǒng)的pH和淀粉顆粒的穩(wěn)定性。隨著阿魏酸添加量的增大，系統(tǒng)中的固體含量也逐漸增大(由于阿魏酸較低的溶解度),這可以解釋添加量至10%時(shí)，其崩解值從523 cP增至1418 cP的原因。

圖6 添加不同比例阿魏酸的小麥淀粉的糊化曲線圖Fig.6 Pasting profiles of wheat starchwith different proportions of ferulic acid注:曲線a代表溫度梯度曲線,b～f分別:WS、(WS+5% FA)、(WS+10% FA)、(WS+15% FA)和(WS+20% FA)的淀粉。

3 結(jié)論

加入阿魏酸后,當(dāng)添加量達(dá)到10%時(shí),T0、TP、TC和的ΔH發(fā)生顯著性降低,說明阿魏酸的添加降低了小麥淀粉的穩(wěn)定性。紅外光譜表明添加阿魏酸后小麥淀粉(1045/1022) cm-1峰強(qiáng)度比值較小麥淀粉減小,說明添加阿魏酸后小麥淀粉有序性降低;X-衍射圖譜表明，阿魏酸與小麥淀粉未形成V型包合物,可能通過氫鍵、靜電相互作用。RVA表明添加阿魏酸降低了小麥淀粉的峰值粘度、保持粘度、最終粘度降低,而崩解值增大,說明阿魏酸抑制了小麥淀粉的老化進(jìn)程,掃描電鏡分析也證明了阿魏酸抑制了淀粉的老化過程。因此,阿魏酸的加入對(duì)小麥淀粉的品質(zhì)產(chǎn)生了一定的影響,阿魏酸與淀粉的相互作用還有待深入研究。