茶多酚-高直鏈玉米淀粉 共研磨混合物的制備與結(jié)構(gòu)表征

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(1.天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院,工業(yè)發(fā)酵微生物教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300457; 2.中國(guó)人民解放軍軍事科學(xué)院軍需裝備研究所,北京 100010)

淀粉是由直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種天然聚合物組成的。為了克服天然淀粉自身的缺點(diǎn)或擴(kuò)大其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍,需要對(duì)其進(jìn)行改性[1-2]。到目前為止,淀粉改性的方法主要包括物理、化學(xué)和生物法[3]。近年來(lái),球磨處理作為一種低成本和環(huán)境友好的物理改性技術(shù)已經(jīng)廣泛用于淀粉的改性[4]。例如,喻弘等[5]采用星式球磨機(jī)對(duì)3種淀粉(玉米淀粉、木薯淀粉和秈米淀粉)進(jìn)行球磨改性,結(jié)果隨著球磨時(shí)間的增加,淀粉顆粒逐漸破碎,淀粉粒度逐漸減小;這3種淀粉的還原力、冷水溶解度、透明度均逐漸增加,淀粉的表觀黏度、結(jié)晶度逐漸減小。Tan等[6]探討了濕法球磨對(duì)玉米淀粉理化性質(zhì)和糊化特性的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)球磨后淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,糊化溫度和最大粘度減小。Zhang等[7]研究了球磨過(guò)程中大米淀粉分子量分布和碘蘭值最大吸收波長(zhǎng)的變化,發(fā)現(xiàn)球磨過(guò)程中大米淀粉的直鏈淀粉分子和支鏈淀粉分子均發(fā)生了斷裂。陳玲等[8]研究了機(jī)械球磨對(duì)馬鈴薯淀粉酶反應(yīng)活性的影響,發(fā)現(xiàn)微細(xì)化可以提高淀粉顆粒對(duì)酶的敏感性,增加反應(yīng)活性。Zhang等[9]發(fā)現(xiàn)玉米淀粉經(jīng)過(guò)球磨處理后,淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞,糊化溫度和峰值粘度隨著研磨載荷的降低而降低,并且球磨后提高了淀粉與交聯(lián)劑的反應(yīng)活性。然而,這些球磨改性研究主要集中在對(duì)淀粉單一組分的處理方面,未見(jiàn)與其它小分子活性組分共研磨的報(bào)道。

茶多酚(Tea Polyphenols)是茶葉中多酚類(lèi)物質(zhì)的總稱(chēng),其主要成分包括兒茶素類(lèi)、黃酮類(lèi)、黃酮醇類(lèi)、酚酸類(lèi)、縮酚酸類(lèi)及聚合酚類(lèi)等。其中兒茶素可以抑制α-淀粉酶的活性[10],減少淀粉分解后葡萄糖在小腸的吸收[11]。因此,本文旨在嘗試茶多酚與淀粉混合物的共研磨,探討茶多酚存在下球磨處理對(duì)淀粉理化性質(zhì)和消化性能的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

高直鏈玉米淀粉 山東華農(nóng)特種玉米開(kāi)發(fā)有限公司;茶多酚 無(wú)錫世紀(jì)生物公司;豬胰α-淀粉酶、糖化酶 Sigma公司;磷酸氫二鈉、氫氧化鈉、3,5-二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉、苯酚等 均為分析純,天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司。

XQM-0.4型星式球磨機(jī) 湖南長(zhǎng)沙天創(chuàng)粉末科技有限公司;722s型紫外分光光度計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司;Philips XL-30型掃描電子顯微鏡 荷蘭飛利浦公司;Shimadzu TGA-50型熱重分析儀 日本Kyoto公司;Rigaku D/max 2500型X-射線衍射儀 日本理學(xué)株式會(huì)社;Vector-22型傅立葉變換紅外分析儀 德國(guó)布魯克儀器公司;BS-2FS型立式恒溫恒濕搖床 蘇州威爾實(shí)驗(yàn)用品有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 茶多酚-淀粉混合物的共研磨處理 茶多酚-淀粉混合物的共研磨參考文獻(xiàn)[6]。采用星式球磨機(jī)制備茶多酚-淀粉共研磨混合物(茶多酚與高直鏈玉米淀粉質(zhì)量比為1/12)。將高直鏈玉米淀粉、茶多酚置于陶瓷罐(100 mL)中,按混合物總質(zhì)量的5%加入蒸餾水,再加入不同直徑(5、10和15 mm)的氧化鋯球。將球磨機(jī)負(fù)荷設(shè)定為15.0 g,材料(淀粉和茶多酚):水:氧化鋯球?yàn)?.5∶1∶4.5(質(zhì)量比),轉(zhuǎn)速350 r/min的條件下,球磨處理1、1.5、2、2.5、3 h。通過(guò)共研磨混合物的X-射線衍射確定最優(yōu)球磨時(shí)間后,制備不同質(zhì)量比的茶多酚-淀粉共研磨混合物,設(shè)定其質(zhì)量比茶多酚/高直鏈玉米淀粉為1/10、1/12、1/16、1/25、1/50。球磨操作步驟完成后,將所得產(chǎn)物在40 ℃,真空度小于133 Pa的真空干燥箱中干燥12 h,研磨并過(guò)100目篩。

1.2.2 茶多酚-淀粉共研磨混合物的X-射線衍射分析(XRD) 采用連續(xù)掃描法,對(duì)不同球磨時(shí)間的茶多酚-淀粉共研磨混合物進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定條件如下:實(shí)驗(yàn)條件[12]:Cu-Κα1(λ=0.1541 nm)、電壓40 kV、電流25 mA、2θ起始角5 °、終止角60 °、掃描速度12 °/min。

1.2.3 茶多酚-淀粉共研磨混合物的掃描電子顯微鏡分析(SEM) 在SEM樣品臺(tái)上貼上導(dǎo)電膠,用藥匙分別將少量球磨不同時(shí)間的茶多酚-淀粉共研磨混合物均勻的撒在導(dǎo)電膠上,然后噴金觀察。加速電壓20 kV,放大1000倍[13]。

1.2.4 茶多酚-淀粉共研磨混合物的熱重分析(TGA) 分別稱(chēng)取10 mg茶多酚、高直鏈玉米淀粉與茶多酚-淀粉共研磨混合物樣品置于熱重分析儀的鉑金坩堝中,起始溫度和終止溫度分別為:25 ℃、600 ℃,升溫速率為10 ℃/min,氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣,氮?dú)饬魉?0 mL/min。

1.2.5 茶多酚-淀粉共研磨混合物的體外消化性測(cè)定實(shí)驗(yàn) 體外消化性能的評(píng)價(jià)主要參考Shin[14]的方法并稍作修改。具體操作步驟如下:取200 mg樣品、15 mL pH6.8磷酸鹽緩沖溶液于錐形瓶中,在37 ℃、120 r/min轉(zhuǎn)速恒溫?fù)u床上平衡5 min,然后倒入透析袋中,并加入10 mLα-淀粉酶(280 U/mL)、1 mL糖化酶(2500 U/mL),水解0、20和120 min,分別取樣1 mL采用DNS法測(cè)定葡萄糖含量,重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，計(jì)算平均值。快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)、抗性淀粉(RS)的含量根據(jù)以下公式計(jì)算。

RS(%)=1-RDS-SDS

式中:A為酶水解處理前淀粉中游離葡萄糖質(zhì)量(mg);B、C為淀粉酶水解20、120 min后產(chǎn)生的葡萄糖質(zhì)量(mg);D為樣品中總淀粉質(zhì)量(mg)。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)表示。采用SPSS 19.0軟件和Origin 8.5軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)果取三次實(shí)驗(yàn)的平均值。顯著性檢驗(yàn)方法為鄧肯式(Duncan)多重比較,p<0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶多酚-淀粉共研磨混合物的XRD分析

圖1為高直鏈玉米淀粉和不同球磨時(shí)間的茶多酚-高直鏈淀粉共研磨混合物的X-射線衍射譜圖。由圖1可知,高直鏈玉米淀粉(圖1a)在15、17、18和23.5 °處有強(qiáng)衍射峰,是典型B型淀粉特征[15]。隨著球磨時(shí)間的增加,茶多酚-高直鏈玉米淀粉共研磨混合物的結(jié)晶衍射峰逐漸減弱,經(jīng)3 h的球磨處理后,茶多酚與高直鏈玉米淀粉共研物中淀粉在17°和22°處的衍射峰幾乎消失,結(jié)晶度由38.1%降低到8.3%。因此,茶多酚-高直鏈玉米淀粉混合物共研磨后淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與球磨處理單一玉米淀粉的結(jié)果一致[4]。

圖1 高直鏈玉米淀粉、茶多酚/高直鏈玉米淀粉 共研磨混合物的X-射線衍射圖Fig.1 X-ray diffraction patterns of high-amylose maize starch(HAMS)and tea polyphenols(TPs)-HAM co-grinding mixtures.注:a為高直鏈玉米淀粉;b～f分別表示球磨時(shí)間為: 1、1.5、2、2.5、3 h。RC為相對(duì)結(jié)晶度。

2.2 茶多酚-淀粉共研磨混合物的SEM分析

圖2為高直鏈玉米淀粉和不同球磨時(shí)間茶多酚/高直鏈玉米淀粉(1/12)共研磨混合物的掃描電鏡照片。由圖2可知,高直鏈玉米淀粉顆粒呈無(wú)規(guī)則多面體,表面相對(duì)光滑,顆粒分布相對(duì)緊密。當(dāng)茶多酚/淀粉混合物經(jīng)過(guò)共研磨后,茶多酚與高直鏈玉米淀粉通過(guò)壓力相互粘連締合成團(tuán),高直鏈玉米淀粉的多面體形狀被壓扁,形貌明顯發(fā)生改變,由于茶多酚的嵌入;由圖2(a～f)可以看出,混合物顆粒是一個(gè)從分散到聚集,再由聚集到分散的過(guò)程。球磨后混合物顆粒的直徑增加,顆粒形狀的規(guī)則性變差,顆粒表面變得相對(duì)粗糙。

圖2 高直鏈玉米淀粉、茶多酚/高直鏈玉米淀粉共研磨混合物的掃描電鏡照片(1000×)Fig.2 SEM photos of high-amylose maize starch(HAMS)and tea polyphenols(TPs)-HAMS co-grinding mixtures(1000×)注:a為高直鏈玉米淀粉;b～f分別表示球磨時(shí)間為:1、1.5、2、2.5、3 h。茶多酚/高直鏈玉米淀粉(1/12)。

2.3 茶多酚-淀粉共研磨混合物的熱穩(wěn)定性分析

圖3為茶多酚、高直鏈玉米淀粉和茶多酚/高直鏈玉米淀粉(1/12)共研磨混合物(球磨時(shí)間3 h)的熱重分析曲線。由圖3可知,茶多酚(曲線a)有兩個(gè)失重階段,第一個(gè)是大約在100 ℃以前,這是茶多酚中游離水和結(jié)合水分損失的過(guò)程;第二階段是大約在250～320 ℃,這是茶多酚中活性成分損失引起的。高直鏈玉米淀粉(曲線c)為兩個(gè)失重階段,但第二階段失重的起始溫度為320 ℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于茶多酚第二階段失重的起始溫度,這說(shuō)明高直鏈淀粉的熱穩(wěn)定性比茶多酚好。而茶多酚-高直鏈玉米淀粉共研磨混合物(曲線b)也有兩個(gè)平臺(tái)期,分別是室溫到100 ℃前和250～300 ℃。第一階段是由失水引起的失重,第二階段是淀粉碳化和茶多酚的熱分解導(dǎo)致分子重量急劇下降。相對(duì)于高直鏈玉米淀粉的熱分解曲線,共研磨混合物的熱穩(wěn)定性降低,但相對(duì)于茶多酚熱分解曲線,共研磨混合物的熱分解起始溫度較高,分解時(shí)間長(zhǎng),對(duì)茶多酚起到一個(gè)保護(hù)作用,熱穩(wěn)定性提高。

圖3 茶多酚、高直鏈玉米淀粉和茶多酚/高直鏈 玉米淀粉共研磨混合物的熱重曲線Fig.3 TG curves of tea polyphenols,HAM and TP-HAM co-grinding mixtures注:a. 茶多酚;b. 茶多酚-淀粉共研磨混合物; c. 高直鏈玉米淀粉。

2.4 茶多酚-淀粉共研磨混合物的RDS、SDS和RS分析

餐后血糖的應(yīng)答很大程度上取決于RDS的含量,RS和SDS含量控制低血糖控制指數(shù)(GI)的升高,RS的含量升高代表抗消化性能增加。球磨處理對(duì)高直鏈玉米淀粉的顆粒表面和結(jié)晶結(jié)構(gòu)均造成了破壞,以至于不同球磨時(shí)間的共研磨混合物消化性均高于原淀粉的消化性,對(duì)不同質(zhì)量比的茶多酚-高直鏈玉米淀粉共研磨混合物進(jìn)行體外消化性的測(cè)定。表1為不同比例茶多酚-高直鏈玉米淀粉共研磨混合物的RDS、SDS和RS含量。由表1可以看出,研磨后RDS含量范圍在1.98%～6.21%,SDS含量范圍在61.87%～91.71%,RS含量范圍在6.31%～31.92%。所有比例的茶多酚-淀粉共研磨混合物中SDS的含量最高、變化范圍最大,并且隨茶多酚比例的增加而減小;而RDS的含量隨茶多酚比例的增加而增加,RS含量隨茶多酚比例的增加而增加,其最高值為31.92%。RS增加的原由一方面由于茶多酚與高直鏈玉米淀粉通過(guò)氫鍵發(fā)生相互作用,使得淀粉和茶多酚相締合,單一的淀粉分子減少,從而使RS含量增加;另一方面由于茶多酚本身有抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的活性,從而降低高直鏈玉米淀粉的水解,導(dǎo)致淀粉的消化性降低,這種RS營(yíng)養(yǎng)片段的增加有利于抑制餐后血糖的升高[16]。

表1 不同質(zhì)量比茶多酚-高直鏈玉米淀粉 共研磨后的RDS、SDS和RS含量Table 1 Contents of RDS,SDS and RS in TPs-HAMS co-grinding mixtures with different mass ratios

3 結(jié)論

采用共研磨技術(shù)制備了茶多酚-高直鏈玉米淀粉混合物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,共研磨混合物中淀粉的特征衍射峰隨球磨時(shí)間的增加而減小,淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞,結(jié)晶度降低。球磨后的淀粉顆粒表面變得粗糙、形狀不規(guī)則,顆粒直徑變大。實(shí)驗(yàn)所得共研磨混合物的熱穩(wěn)定性比淀粉低,但共研磨混合物的熱穩(wěn)定性比茶多酚高,因此共研磨有利于保護(hù)茶多酚的活性成分。體外消化性評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,隨著共研磨混合物中茶多酚含量的增加,其抗性淀粉含量升高,這種營(yíng)養(yǎng)片段含量的升高有利于控制餐后血糖的升高。本研究結(jié)果可以為利用膳食多酚與淀粉相互作用來(lái)控制淀粉的消化提供新的思路。