多酚對(duì)淀粉的熱力學(xué)特性的影響

任順成，胡海洋，李柯柯

（河南工業(yè)大學(xué) 河南省天然色素制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 鄭州 450001）

淀粉是人類(lèi)飲食的主要成分，在人類(lèi)健康中發(fā)揮著重要作用，在許多植物組織中以顆粒形式合成。淀粉顆粒直徑約1～100 μm，由直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種類(lèi)型的淀粉組成[1-2]。根據(jù)不同的直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例，可以將直鏈淀粉分為蠟質(zhì)淀粉、普通淀粉和高直鏈淀粉。通常，蠟質(zhì)淀粉的直鏈淀粉含量小于15%[3]，普通淀粉約含有20%～30%的直鏈淀粉[4]，而高直鏈淀粉的直鏈淀粉含量大于50%[5]。多酚廣泛分布在水果、蔬菜、全麥、堅(jiān)果、橄欖油、咖啡和茶等食物中，平均每人每日攝入量約1 g。在過(guò)去幾年中，多酚和富含多酚的食物因?qū)θ梭w有抗動(dòng)脈粥樣硬化、抗過(guò)敏、抗炎、抗氧化、心臟保護(hù)和血管舒張等潛在益處而備受關(guān)注[6-8]。

食品中的淀粉和多酚之間可發(fā)生一定的相互作用，主要涉及氫鍵、疏水鍵、靜電和離子鍵等非共價(jià)鍵，并且二者的相互作用強(qiáng)、弱受其結(jié)構(gòu)特征以及物理化學(xué)參數(shù)等影響[9]。Cohen 等[10]使用X-射線衍射表明染料木素與淀粉能夠產(chǎn)生V6Ⅲ型包合物。Wang 等[11]通過(guò)X-射線衍射證明在2θ=30°時(shí)能夠形成新的晶體結(jié)構(gòu)，表明蓮子葉黃酮與淀粉之間存在相互作用。Xiao 等[12]研究表明，一定濃度的茶多酚與回生水稻和玉米淀粉可以形成“V”型結(jié)構(gòu)。同時(shí)，純化的茶多酚能降低馬鈴薯、水稻和玉米淀粉的糊化溫度和糊化焓值，這表明多酚能夠與淀粉相互作用，從而影響淀粉的糊化熱力學(xué)特性。Zhu 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，石榴皮、綠茶、山楂和五倍子中的植物提取物能夠增加或降低小麥淀粉的起始溫度和峰值溫度。關(guān)于多酚對(duì)淀粉回生影響的報(bào)道較多。Zhu 等[14]研究表明較高濃度的蘆丁能抑制不同直鏈淀粉含量的大米淀粉的回生。Karunaratne 等[15]研究表明阿魏酸使回生玉米淀粉的穩(wěn)定性和有序度降低，抑制了淀粉的回生。許晨[16]檢測(cè)到原花青素均會(huì)不同程度地抑制高直鏈、普通和高支鏈玉米淀粉的回生。有研究表明這些已溶解的多酚的羥基可能通過(guò)氫鍵與水和淀粉的羥基發(fā)生相互作用，阻止淀粉鏈的疏水作用，從而抑制淀粉回生[17]。

將多酚加入淀粉基食品中，不僅能夠開(kāi)發(fā)新型功能性食品，而且能夠改變淀粉的理化特性，進(jìn)而影響食品品質(zhì)。本文選用原花青素、兒茶素、單寧酸、蘆丁和槲皮素等5 種多酚（結(jié)構(gòu)如圖1所示），通過(guò)測(cè)定多酚-淀粉復(fù)合物的熱力學(xué)特性、X-射線衍射、掃描電鏡等特征值來(lái)表征多酚對(duì)淀粉的熱力學(xué)特性影響。

圖1 多酚的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 Chemical structure of polyphenols

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

高直鏈玉米淀粉（直鏈淀粉含量為63.13%），上海耐今實(shí)業(yè)有限公司；原花青素（單聚體）（>98%）、兒茶素（>98%）、單寧酸（>96%），南京龍?jiān)刺烊欢喾雍铣蓮S；蘆?。?95%）、槲皮素（>95%），上海源葉生物科技有限公司；二甲基亞砜（DMSO），天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。其它試劑購(gòu)自鄭州新豐化驗(yàn)器材有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

FA1004 電子分析天平，上海上平儀器公司；UV-752 紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海菁華科技儀器有限公司；Q20 差示掃描量熱儀，美國(guó)TA 公司；101FX-1 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海樹(shù)立儀器儀表有限公司；D8 Advance X-射線衍射儀，德國(guó)Bruker 公司；BT-9300s 粒度分布儀，丹東百特儀器有限公司；Quanta FEG250 掃描電子顯微鏡，荷蘭FEI 公司；PHS-3C 雷磁酸度計(jì)，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；LGJ-18C 真空冷凍干燥機(jī)，北京四環(huán)科學(xué)儀器廠有限公司；MVS-1 旋渦混合器，北京金北德工貿(mào)有限公司；LDZX-75KBS 立式高壓蒸汽滅菌器，上海申安醫(yī)療器械廠；DZKWS-6 電熱恒溫水浴鍋，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；KQ-300 超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 多酚對(duì)玉米淀粉溶液pH 值的影響 稱(chēng)取3.00 g 添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%，2.5%，5%多酚的玉米淀粉（多酚于10%的DMSO 溶解），溶于25 mL 去離子水中。通過(guò)雷磁酸度計(jì)測(cè)定淀粉-水-多酚懸浮液的pH 值。

1.3.2 多酚對(duì)玉米淀粉熱力學(xué)特性的影響 準(zhǔn)確稱(chēng)取3.00 mg 添加1%，2.5%，5%多酚的淀粉干基，加入6 μL 去離子水，密封壓蓋后放入4 ℃平衡12 h，使用差示掃描量熱儀測(cè)定多酚-淀粉復(fù)合物的糊化和回生特性。第1 次以10 ℃/min 的速率從30 ℃加熱至130 ℃，之后將測(cè)定后的樣品于4 ℃下儲(chǔ)存7 d，在相同條件下再次掃描樣品，以空坩堝作參比，使用DSC 軟件計(jì)算起始溫度（To）、峰值溫度（Tp）、結(jié)束溫度（Tc）、糊化焓（ΔHg）、老化焓（ΔHr）以及老化度R（%）[11]。此外，老化度R（%）計(jì)算公式：

1.3.3 多酚對(duì)玉米淀粉與碘結(jié)合力的影響 稱(chēng)取1.00 g 淀粉配成1%淀粉懸浮液，于沸水中糊化30 min 后添加7.5 mL 磷酸鹽緩沖液（0.01 mol/L pH=7.2）。移取100 μL 多酚溶液（淀粉干質(zhì)量的1%，2.5%，5%）加入1 mL 的淀粉懸浮液中，渦流振蕩5 min，使其混合均勻。最后向混合液中加入0.1 mL 碘液，用水定容10 mL。顯色15 min，在波長(zhǎng)500～900 nm 處進(jìn)行全波長(zhǎng)掃描[18]。

1.3.4 多酚對(duì)玉米淀粉粒徑的影響 稱(chēng)取0.20 g添加0%，1%，2.5%，5%多酚的玉米淀粉（淀粉用10%的DMSO 溶解），配成1%的淀粉-多酚混合溶液，室溫放置，在測(cè)試前用超聲波超聲1 min。其中，以水為分散劑，顆粒的吸收率為0.10，遮光度為5%～8%，顆粒的折射率為1.53。

1.3.5 多酚對(duì)玉米淀粉微觀結(jié)構(gòu)的影響 準(zhǔn)確稱(chēng)取添加1%，2.5%，5%多酚的高直鏈玉米淀粉3.00 g，將其溶于30 mL 去離子水中并攪拌均勻，將淀粉-多酚復(fù)合物于高壓蒸汽滅菌鍋（126 ℃，0.16 MPa）中糊化30 min 后，冷卻至室溫，4°C 下放置7 d，并用真空冷凍干燥機(jī)冷凍干燥，研磨粉碎，過(guò)100 目篩。加壓3 kV 的條件下觀察淀粉-多酚復(fù)合物的微觀結(jié)構(gòu)[19]。

1.3.6 多酚-淀粉復(fù)合物的X-射線衍射分析 準(zhǔn)確稱(chēng)取含有1%，2.5%，5%多酚（基于玉米淀粉質(zhì)量）的高直鏈玉米淀粉3.00 g，將其溶于30 mL 去離子水中攪拌均勻，通過(guò)高壓蒸汽滅菌鍋（126℃，0.16 MPa）糊化30 min 后，冷卻至室溫，在4 ℃條件下儲(chǔ)存7 d，于冰箱（-20 ℃）中預(yù)凍過(guò)夜，在真空冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥，將淀粉-多酚復(fù)合物研磨粉碎，測(cè)試前將粉末樣品過(guò)100 目篩。對(duì)樣品進(jìn)行X-射線衍射分析，掃描范圍3～50°，步長(zhǎng)0.02°，掃描速度4°/min，功率1 600 W[20]。用MDI Jade 5.0 分析衍射圖。

1.3.7 統(tǒng)計(jì)分析 采用SPSS 20.0 統(tǒng)計(jì)軟件分析數(shù)據(jù)，結(jié)果表示為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差”（n=3），P<0.05 表示為顯著差異，P<0.01 表示差異極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 多酚對(duì)玉米淀粉溶液pH 值的影響

如圖2所示，添加不同比例的原花青素、兒茶素、單寧酸、蘆丁、槲皮素5 種多酚后顯著降低了淀粉-水懸浮液的pH 值。與其它多酚相比，單寧酸在懸浮液中的pH 值最低，且當(dāng)其添加量為淀粉的5%時(shí)，將懸浮液的pH 值降低了1.8，降幅最大。多酚結(jié)構(gòu)上具有不同數(shù)目的羥基，其可通過(guò)水合作用與淀粉競(jìng)爭(zhēng)水分，從而改變淀粉的功能特性。通過(guò)添加植物化學(xué)提取物能夠改變懸浮液的pH 值，促進(jìn)小麥淀粉糊化特性的改變，同時(shí)發(fā)現(xiàn)加入酚類(lèi)化合物能夠引起小麥淀粉懸浮液的pH值變化，從而影響小麥淀粉的功能特性。據(jù)報(bào)道γ-輻照水稻淀粉的糊化特性在一定程度上取決于pH 值[21]。

圖2 多酚對(duì)高直鏈玉米淀粉溶液pH 值的影響Fig.2 Effect of polyphenols on the pH value of high amylose corn starch solution

2.2 多酚對(duì)玉米淀粉熱力學(xué)特性的影響

2.2.1 糊化熱力學(xué)特性 多酚-淀粉復(fù)合物的糊化結(jié)果見(jiàn)表3。5 種多酚顯著影響玉米淀粉的糊化特性，使To、Tp和Tc均降低，而與多酚的濃度無(wú)關(guān)，這表明5 種多酚降低了淀粉的熱穩(wěn)定性，導(dǎo)致直鏈淀粉-脂質(zhì)包合物的破壞更早發(fā)生。有研究發(fā)現(xiàn)，植物化學(xué)提取物[13]、茶多酚[22]、蘆丁[14]的加入會(huì)導(dǎo)致較早的熔化，促進(jìn)直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的崩解。

表1 不同濃度多酚處理的多酚-高直鏈玉米淀粉復(fù)合物的糊化溫度和焓的變化Table 1 Changes in gelatinization temperature and enthalpy of polyphenol-high amylose corn starch complex treated with polyphenol of different concentrations

表2 不同濃度多酚處理的多酚-高直鏈玉米淀粉復(fù)合物的老化溫度和焓的變化Table 2 Changes in aging temperature and enthalpy of polyphenol-high amylose corn starch complex treated with polyphenol of different concentrations

（續(xù)表2）

表3 多酚對(duì)高直鏈玉米淀粉（HACS）粒徑的影響Table 3 Effect of polyphenols on particle size of high amylose corn starch（HACS）

多酚影響淀粉糊化特性的可能原因有：多酚可與水分子相互作用，改變水溶液的pH 值和離子強(qiáng)度，從而改變淀粉顆粒的“周?chē)h(huán)境”。多酚的親水性羥基基團(tuán)可與支鏈淀粉的側(cè)鏈相互作用，并在不同程度上與淀粉顆粒的無(wú)定形區(qū)域結(jié)合，從而改變微晶與無(wú)定形基質(zhì)之間的耦合力[11]。所有這些均可能使淀粉與多酚結(jié)合并破壞淀粉微晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致玉米淀粉的To，Tp，Tc和ΔHg發(fā)生改變。

2.2.2 老化熱力學(xué)特性 將凝膠化的淀粉和混合物在4 ℃儲(chǔ)存7 d，通過(guò)DSC 分析玉米淀粉的老化特性。表4列出添加不同濃度的5 種多酚后高直鏈玉米淀粉老化溫度、老化焓和回生比的變化。與

天然淀粉相比，回生淀粉結(jié)晶度較弱，其回生過(guò)程中的轉(zhuǎn)變溫度和焓值低于天然淀粉糊化過(guò)程中的轉(zhuǎn)變溫度和焓值。在添加不同濃度的多酚后，多酚-淀粉混合物的回生比均降低，其中添加5%的單寧酸將其回生比降低29.75%，降低幅度最大，這表明5 種多酚均能抑制玉米淀粉的老化。多酚對(duì)淀粉回生的影響取決于淀粉和多酚的類(lèi)型。研究表明，多酚抑制淀粉的回生。He 等[23]研究發(fā)現(xiàn)蘆丁和槲皮素能夠阻礙苦蕎麥淀粉的長(zhǎng)期回生；Xiao 等[12]研究表明綠茶多酚顯著抑制水稻、玉米和馬鈴薯淀粉的回生且對(duì)水稻和玉米淀粉的抑制作用比馬鈴薯淀粉更顯著。5 種多酚抑制高直鏈玉米淀粉的回生可能與兩者間的相互作用有關(guān)，溶解的多酚通過(guò)氫鍵與淀粉生物聚合物鏈發(fā)生作用，使淀粉鏈自身作用的機(jī)會(huì)減少。另外，不溶性蘆丁和槲皮素的存在稀釋了淀粉基質(zhì)，也降低了淀粉鏈間的相互作用，這些因素可能導(dǎo)致淀粉回生減少[15]。

2.3 多酚對(duì)玉米淀粉與碘結(jié)合力的影響

由圖3可以看出，曲線在580 nm 左右有明顯的峰。支鏈淀粉-碘絡(luò)合物的最大峰值在500 nm和540 nm 之間，而直鏈淀粉-碘復(fù)合物的最大峰值在540 nm 和660 nm 之間[24]，這表明碘主要與直鏈淀粉結(jié)合。另外，隨著原花青素、兒茶素、單寧酸、蘆丁、槲皮素5 種多酚濃度的增加，直鏈淀粉與碘絡(luò)合物的吸光度逐漸降低，說(shuō)明5 種多酚不是結(jié)合在兩條直鏈淀粉的螺旋鏈分子之間，而是嵌入淀粉螺旋鏈的疏水內(nèi)腔中發(fā)生疏水作用或者多酚與淀粉分子形成弱的氫鍵，從而抑制直鏈淀粉-碘絡(luò)合物的形成。多酚占據(jù)淀粉螺旋鏈的疏水內(nèi)腔或與淀粉分子發(fā)生氫鍵作用可能改變淀粉與碘的結(jié)合力。

圖3 原花青素（a）、兒茶素（b）、單寧酸（c）、蘆?。╠）和槲皮素（e）對(duì)高直鏈玉米淀粉與碘結(jié)合能力的影響Fig.3 Effect of proanthocyanidin（a），catechin（b），tannic acid（c），rutin（d） and quercetin（e） on the binding ability of high amylose corn starch with iodine

2.4 多酚對(duì)玉米淀粉粒徑的影響

從表5可以看出，高直鏈玉米淀粉的顆粒平均粒徑為11.53 μm。隨著原花青素、兒茶素、單寧酸、蘆丁、槲皮素5 種多酚濃度的增加，其D10、D50 和D90 值均有增大的趨勢(shì)，而與濃度不成正比。說(shuō)明5 種多酚通過(guò)氫鍵、疏水作用與直鏈淀粉結(jié)合，使淀粉粒徑增大。5 種多酚與高直鏈玉米淀粉結(jié)合后也會(huì)影響淀粉的消化。Cohen 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)酸化堿溶液制備直鏈淀粉或高直鏈玉米淀粉與染料木素的復(fù)合物能夠產(chǎn)生V6III 結(jié)構(gòu)，并且其復(fù)合物在豬胰腺淀粉酶溶液中消化后也可釋放染料木素。

2.5 多酚對(duì)玉米淀粉微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖4分別顯示用原花青素、兒茶素、單寧酸、蘆丁、槲皮素處理的淀粉-多酚復(fù)合物的SEM 顯微照片。玉米原淀粉顆粒表面光滑，用不同濃度的多酚處理的高直鏈玉米淀粉形成較疏松的凝膠基質(zhì)，且其濃度越大，結(jié)構(gòu)越疏松，而對(duì)照顯示更緊湊的微結(jié)構(gòu)。儲(chǔ)存7 d 后，添加多酚的淀粉凝膠，其持水能力可以抑制水分的蒸發(fā)并有助于維持淀粉微結(jié)構(gòu)。從圖4c 可以看出，添加不同濃度的單寧酸使玉米淀粉顆粒表面結(jié)構(gòu)更加疏松，說(shuō)明單寧酸的持水能力好，而玉米原淀粉水分的蒸發(fā)，其凝膠收縮，這表明多酚在與淀粉的相互作用下具有阻止淀粉回生的趨勢(shì)[25]。這與DSC 的分析結(jié)果一致。

圖4 淀粉-多酚復(fù)合物的SEM 顯微照片F(xiàn)ig.4 SEM micrographs of starch-polyphenol complexes

2.6 多酚-淀粉復(fù)合物的X-射線衍射分析

原花青素、兒茶素、單寧酸、蘆丁、槲皮素5 種多酚與高直鏈玉米淀粉復(fù)合物的X 射線衍射圖譜如圖5所示。高直鏈玉米淀粉經(jīng)糊化和回生后表現(xiàn)出典型的“B”型晶體結(jié)構(gòu)，其特征在于2θ 在17.04°處有明確定義的峰。在添加不同濃度的5 種多酚后，17°左右的峰仍存在，表明加入5 種多酚后不影響淀粉晶型的變化。Zhang 等[26]研究發(fā)現(xiàn)，純槲皮素具有結(jié)晶性，其2θ 在12.42°，13.40°，26.44°等處有衍射峰，而從圖5E n～p 中可以看出，一些槲皮素結(jié)晶仍存在于淀粉-槲皮素復(fù)合物的衍射圖譜中，這些變化是因槲皮素含量的增加而引起的。直鏈淀粉能夠與天然存在的脂肪酸和磷脂形成復(fù)合物，以產(chǎn)生“V”結(jié)構(gòu)（峰值在20°）[27]。玉米淀粉在添加不同濃度的多酚后，衍射圖在2θ=20°左右有明顯的峰（圖5），其可指示直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的形成。淀粉-多酚復(fù)合物的相對(duì)衍射強(qiáng)度低于糊化淀粉的相對(duì)衍射強(qiáng)度，這說(shuō)明直鏈淀粉在5 種多酚與淀粉的相互作用中起主要作用。

圖5 回生淀粉和淀粉-多酚復(fù)合物的X 射線衍射圖Fig.5 X-ray diffraction pattern of retrogradation starch and starch-polyphenol complex

3 結(jié)論

本文主要研究原花青素、兒茶素、單寧酸、蘆丁和槲皮素與玉米淀粉的相互作用，探究多酚對(duì)淀粉的熱力學(xué)特性的影響。結(jié)果表明，5 種多酚均降低玉米淀粉溶液的碘結(jié)合力和pH 值，增加玉米淀粉的粒徑并降低淀粉的熱穩(wěn)定性，抑制玉米淀粉的回生，這表明多酚可通過(guò)氫鍵或疏水作用等非共價(jià)作用與淀粉結(jié)合。添加多酚后，玉米淀粉具有更加疏松的結(jié)構(gòu)，增加淀粉的持水力，降低其結(jié)晶度。綜上所述，5 種多酚可能通過(guò)氫鍵或疏水作用與淀粉分子形成復(fù)合物，從而影響淀粉特性。