直鏈淀粉-番茄紅素復合物的熱穩(wěn)定性及降解動力學變化

孫世東，趙文紅

（河南工業(yè)大學糧油食品學院，河南鄭州 450000）

番茄紅素（Lycopene）是來源于植物性食物的一種類胡蘿卜素，廣泛存在于番茄、番石榴和西瓜等植物果實中[1]。它是一種含有多不飽和鍵的異戊二烯類化合物，這種特殊的結構賦予了番茄紅素極強的抗氧化活性[2]。研究表明，番茄紅素具有高效猝滅單線態(tài)氧[3,4]、抗癌抑癌[5,6]、清除過氧自由基[7]、預防心血管疾病[8,9]、調(diào)節(jié)細胞間通訊[10]及增強免疫力[11]等多種生理功能。番茄紅素因易受光、氧和熱等因素的影響而產(chǎn)生降解損失[12-14]，從而極大地限制了其工業(yè)化應用。

淀粉為精制谷物的主要成分，其在人體中的消化吸收與健康密切相關[15]。淀粉攝入過多、消化過快會使血糖失衡，不利于人體健康[16]。所以亟需設計和推廣能夠減緩淀粉消化速率的食物，因此抗性淀粉[17]應運而生。已有文獻研究表明[18,19]淀粉-配體復合物的螺旋構象可降低直鏈淀粉的水解速率，進而能調(diào)控糖代謝相關疾病，具有抗消化性。且直鏈淀粉作為一種良好的壁材，在保護功能性分子方面已得到廣泛的應用。Jeong 等[20]研發(fā)的白藜蘆醇環(huán)直鏈淀粉包合物能夠有效保持白藜蘆醇的抗氧化活性；周小理等[21]制備的苦蕎直鏈淀粉-黃酮復合物具有抗消化性。

通過制備復合制劑可以增強番茄紅素的穩(wěn)定性。Wang 等[22]制備了番茄紅素-β-環(huán)糊精包合物，發(fā)現(xiàn)在50 ℃下保持210 min，番茄紅素的熱降解顯著高于包合物；劉會曉等[23]制備了番茄紅素納米脂質(zhì)體，發(fā)現(xiàn)無氧避光儲藏30 d 后其中番茄紅素保留率為80%。此外，還有番茄紅素與淀粉類、蛋白類和脂類等結合制成的復合物制劑[24-26]。本課題組為提升番茄紅素的儲藏和加工穩(wěn)定性，選用安全可食用的直鏈淀粉為原料，由于直鏈淀粉具有特殊的螺旋空腔結構，可通過外力作用（熱、溶劑、超高壓等處理）使其分子內(nèi)氫鍵發(fā)生作用，鏈狀結構旋轉，形成疏水性左手螺旋空腔[27]，一些配體（如碘[28]、脂質(zhì)[29]和線性醇[30]等）可以通過此過程與直鏈淀粉復合并形成復合物。在前期研究中基于直鏈淀粉的回生特性制備了直鏈淀粉-番茄紅素復合物（Amylose-Lycopene Complexes，ALCs）[31]，并對其結構特性進行表征，但對該復合物的熱穩(wěn)定性尚不明晰。本文即通過環(huán)境溫度下ALCs 中番茄紅素的含量和抗氧化活性變化，分析比較環(huán)境溫度及時間對其保留率的影響，并進一步研究了了其熱降解動力學模型。通過研究ALCs 的熱穩(wěn)定性變化規(guī)律，為番茄紅素穩(wěn)定制劑的開發(fā)及其加工應用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

直鏈淀粉（土豆來源）、番茄紅素標準品，上海源葉生物科技有限公司；二甲基亞砜、丙酮、鹽酸（質(zhì)量分數(shù)36.5%）、氫氧化鈉，均為分析純，天津科密歐化學試劑有限公司；氮氣（體積分數(shù)98%），鄭州新豐化學試劑有限公司；蒸餾水和ALCs 實驗室自制。

1.2 儀器與設備

UV1800-BPC 型紫外分光光度計，上海美普達儀器設備有限公司；JXDC-10 型氮氣吹掃儀，上海凈信科技儀器有限公司；YM-120 S 型超聲波儀，廣東潔盟電器有限公司；DZF-6050 型真空干燥箱，上海齊欣科學儀器有限公司；MX-S 型渦旋振動器、MS-H280-Pro 型磁力攪拌器，美國SCI LOGEX 公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 直鏈淀粉-番茄紅素復合物的制備

參照Lv 等[32]的制備方法，并作修改。稱取番茄紅素15 mg 溶于15 mL 二甲基亞砜中在50 ℃保溫備用；直鏈淀粉300 mg 用0.4 mL 無水乙醇分散，加30 mL蒸餾水溶解并于95 ℃水浴5 min 后降溫至50 ℃；加入番茄紅素溶液后以500 r/min 混合攪拌2 h，程序降溫至4 ℃后在1 500 r/min 離心30 min，真空干燥沉淀，即得直鏈淀粉-番茄紅素復合物（ALCs）。過程需避光、無氧氮氣保護操作。

1.3.2 直鏈淀粉-番茄紅素復合物中番茄紅素的含量測定

采用番茄紅素標準品，建立其吸收-濃度標準曲線，進行番茄紅素含量的計算。分別配置0、2.5、5.0、7.5、10.0 和15.0 μg/mL 的番茄紅素丙酮溶液，并用紫外分光光度計測定其在447 nm 處的吸光度，經(jīng)線性擬合得番茄紅素含量標準曲線方程為y=0.156 5x-0.011 3（R2=0.999 9）。稱取樣品5 mg 溶于10 mL 丙酮中，避光經(jīng)超聲萃取5 min 后以1 500 r/min 離心15 min，取上清液測定其在447 nm 的吸光度，根據(jù)標準曲線的回歸方程計算其中的番茄紅素含量。

1.3.3 直鏈淀粉-番茄紅素復合物的熱穩(wěn)定性

稱取一定量復合物樣品于若干試管中，分別置于50、70、90、110 和130 ℃下，每隔一定時間取樣5 mg。將取出的樣品置于試管中加入10 mL 丙酮，用混勻儀處理3 min，避光4 ℃超聲處理5 min，1 500 r/min 離心處理15 min，取上清液于比色皿中，使用紫外可見光譜儀測量其在447 nm 的吸光度值。根據(jù)吸光度值計算番茄紅素含量，繪出各溫度下直鏈淀粉-番茄紅素復合物中番茄紅素含量及保留率隨時間的變化圖，并進行降解動力學分析。

式中：

D——番茄紅素保留率，%；

C0——ALCs 中番茄紅素的初始含量，μg/mL；

Ct——不同時間點測定的ALCs 中番茄紅素含量，μg/mL；

V0——ALCs 初始樣品萃取番茄紅素的丙酮體積，mL；

Vt——不同時間點測定ALCs 中番茄紅素時萃取的丙酮體積，mL。

1.3.4 直鏈淀粉-番茄紅素復合物DPPH 自由基清除率測定

抗氧化活性的評價參考Zhou 等[33]的方法，采用DPPH 清除法進行測定。將ALCs 和番茄紅素標準品分別置于50、70、90、110 和130 ℃下，每隔一定時間取樣5 mg，經(jīng)10 mL 丙酮超聲浸提得到其中的番茄紅素；量取1 mL 浸提液加入到3 mL DPPH（0.01 mmol/L）溶液中，避光反應30 min 后在517 nm 處測定吸光度。測定完成后計算復合物的DPPH清除率。計算公式如下：

式中：

E——DPPH 清除率，%；

A0——DPPH 溶液（DPPH 溶液:丙酮=3:1）的吸光度；

A1——無水乙醇與ALCs 丙酮溶液（3:1）的吸光度；

A2——反應后DPPH溶液和ALCs 溶液的混合物的吸光度。

1.3.5 直鏈淀粉-番茄紅素復合物的熱降解動力學

參考Aliyu 等[34]的測定方法，并稍作修改。對ALCs中番茄紅素的含量變化規(guī)律代入零級、一級和二級降解動力學方程式擬合，以探究直鏈淀粉-番茄紅素復合物的熱降解動力學特征。各級反應動力學方程式見以下公式（3）、（4）和（5）。

式中：

C0——ALCs 中番茄紅素的初始含量，μg/mL；

Ct——不同時間點時番茄紅素的相對含量，μg/mL；

T——不同時間點，h；

k——速率常數(shù)，μg/(mL·h)。

經(jīng)降解動力學擬合后根據(jù)以上公式計算其速率常數(shù)k，μg/(mL·h)、半衰期T1/2，h和十分之一衰期T9/10，h等熱降解動力學參數(shù)。

1.3.6 數(shù)據(jù)分析

實驗數(shù)據(jù)使用SPSS 24 進行統(tǒng)計學處理，并采用Origin 2018 和Microsoft Excel 2019 作圖。各項指標以均值±標準差表示；實驗組與對照組采用配對t檢驗，定性數(shù)據(jù)比較采用X2檢驗。p＜0.05 認為差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結果與分析

2.1 ALCs 熱穩(wěn)定性研究

為了研究不同溫度環(huán)境下ALCs 的熱穩(wěn)定性，以番茄紅素標準品為對照，研究ALCs 經(jīng)50、70、90、110和130 ℃處理后其番茄紅素含量及其保留率的變化。

2.1.1 復合對ALCs 穩(wěn)定性的影響

以番茄紅素標準品為對照，研究直鏈淀粉與番茄紅素復合對其穩(wěn)定性的影響。不同溫度環(huán)境下ALCs和對照品中番茄紅素含量變化見圖1。

圖1 ALCs 和番茄紅素標準品在不同溫度環(huán)境下其番茄紅素含量的變化Fig.1 Changes of lycopene content in ALCs and lycopene standard at different temperature

與番茄紅素標準品相比，ALCs 在各溫度環(huán)境處理下有利于其番茄紅素穩(wěn)定性。如圖1 所示，在50 ℃處理4 h 時，ALCs 中的番茄紅素含量為12.55 μg/mL，顯著高于對照組；在70 ℃處理5 h 時復合物和對照品中番茄紅素的含量分別為11.39 μg/mL 和10.11 μg/mL；在110 ℃處理6 h時其含量分別為9.43 μg/mL和7.92 μg/mL（p＜0.05）。研究表明：與對照組相比，直鏈淀粉和番茄紅素的復合可對番茄紅素起到保護作用，改善長時間熱處理對復合物中番茄紅素的影響，延緩其中番茄紅素的降解損失。這可能是由于復合物為直鏈淀粉與番茄紅素形成的包合型復合物有關。與番茄紅素標準品直接暴露在環(huán)境中不同，復合物中的番茄紅素可進入到直鏈淀粉的疏水螺旋空腔中，或與直鏈淀粉分子鏈纏繞形成穩(wěn)定的雙螺旋結構[35-37]，因此可保護其中的番茄紅素免受熱降解損失。且同一溫度下處理前期降解損失較后期快，是由于空間位阻的存在和番茄紅素碳鏈的長度，使得一部分番茄紅素被截留在分子間螺旋結構縫隙中，一部分進入到分子內(nèi)螺旋腔。番茄紅素不能完全進入到直鏈淀粉的螺旋空腔中，而暴露在環(huán)境中的部分番茄紅素直接降解，使得前期降解速率較快。孫新虎等[38]制備的番茄紅素β-環(huán)糊精包合物對番茄紅素穩(wěn)定性起到有效的改善作用。全莉嬋等[39]研發(fā)了水分散型番茄紅素微乳，發(fā)現(xiàn)溫度與番茄紅素穩(wěn)定性呈負相關。

2.1.2 熱處理溫度和時間對ALCs 番茄紅素穩(wěn)定性的影響

依照1.3.3 項下公式（1）計算得到ALCs 中番茄紅素保留率，研究處理溫度和時間對ALCs 番茄紅素穩(wěn)定性的影響見圖2。

圖2 ALCs 不同處理時間下其番茄紅素保留率的變化Fig.2 Changes of lycopene retention rate of ALCs under different treatment times

由圖2 可知，各溫度環(huán)境下，隨處理時間延長，ALCs 的番茄紅素保留率均呈下降趨勢。樣品處理3 h后ALCs 中番茄紅素保留率分別為87.83%（50 ℃）、86.03%（70 ℃）和75.49%（90 ℃）；繼續(xù)處理12 h 時，其番茄紅素保留率分別顯著降低至80.89%（50 ℃）、70.86%（70 ℃）和58.34%（90 ℃）（p＜0.05）。結果表明：復合物的受熱時間越長、熱處理溫度越高，穩(wěn)定性越低，番茄紅素含量損失加劇。朱軍敏[40]將番茄紅素微囊在40 ℃儲存30 d，其番茄紅素殘存率明顯高于在60 ℃下的儲存，其研究表明環(huán)境溫度影響番茄紅素制劑的熱穩(wěn)定性。Baenas 等[41]將番茄汁在96 ℃下處理30 s 后番茄紅素活性降低了60%，與本研究結果相符。

值得注意的是，在本研究的中高溫度（90 ℃和110 ℃）條件下，ALCs 中番茄紅素含量呈先升高后降低趨勢。其中，在90 ℃處理5 h 時，其中番茄紅素含量異常上升至12.79 μg/mL（p＜0.05），繼續(xù)處理其含量均呈持續(xù)下降。Sun 等[42]研究認為順式構型的番茄紅素與反式構型相比，其溶液吸光度升高。因此，高溫（90 ℃和110 ℃）處理條件下，番茄紅素受熱后吸收強度增強的現(xiàn)象可能與其構型轉變有關[43]，吸收強度為假性增加。本研究進一步對此樣品進行紫外可見光譜全掃描（圖3b）可見：與番茄紅素對照品（圖3a）相比，高溫（90 ℃和110 ℃）處理條件下復合物中的番茄紅素分別在364 nm 和310 nm 處出現(xiàn)了新的吸收峰。該處為番茄紅素順式峰的吸收位置[12]。結果表明：復合物和標準品中番茄紅素在中高溫度環(huán)境（90 ℃和110 ℃）下會發(fā)生構型轉變和降解損失。

圖3 番茄紅素（a）和經(jīng)中高溫（90 ℃和110 ℃）處理的ALCs中番茄紅素（b）紫外可見全波長掃描光譜圖Fig.3 UV-Vis full wavelength scanning spectra of lycopene (a)and lycopene in ALCs treated with medium and high temperatures (90 ℃ and 110 ℃) (b)

2.2 ALCs 的抗氧化活性變化分析

為了研究熱處理對ALCs 抗氧化特性的影響，測定ALCs 在50、70、90、110 和130 ℃條件下的抗氧化活性變化，結果見圖4。

由圖4 可知，在不同熱處理條件下，ALCs 和番茄紅素標準品的DPPH自由基清除率整體均呈下降趨勢，且表現(xiàn)出比對照組強的抗氧化活性。經(jīng)過不同熱處理，ALCs和對照組番茄紅素標準品的DPPH自由基清除率從最初的49.35%（0 h）分別顯著降至41.63%和35.57%（50 ℃，12 h）、18.93%和14.42%（70 ℃，12 h）、25.24%和4.81%（90 ℃，10 h）、23.73%和4.06%（110 ℃，10 h）、25.16%和3.55%（130 ℃，6 h）（p＜0.05）。結果表明，在不同熱處理條件下ALCs 表現(xiàn)出更強的DPPH 自由基清除能力，即ALCs 能更好地保持番茄紅素的抗氧化活性。這可能與儲藏過程中復合物對番茄紅素的保留有關。柴星星等[44]發(fā)現(xiàn)番茄紅素納米分散體的抗氧化活性與其番茄紅素含量相關。究其原因，直鏈淀粉是淀粉分子中的線性組分，具有特殊的螺旋結構，在施加外力（熱處理、溶劑處理、超高壓等）的作用下，其分子內(nèi)氫鍵相互作用、鏈狀結構旋轉，形成了疏水性的左手螺旋空腔結構，這時番茄紅素便可借助疏水作用力進入直鏈淀粉螺旋空腔與其復合[45,46]，進而達到對番茄紅素有效的保護作用。

圖4 不同熱處理條件下ALCs 的抗氧化特性Fig.4 Antioxidant properties of ALCs under different heat treatment conditions

在90 ℃和110 ℃條件下，ALCs 的抗氧化活性在處理期間出現(xiàn)了先升高后降低的趨勢，這可能是由于番茄紅素在高溫下構型發(fā)生了轉變[47]，且順式構型的番茄紅素抗氧化活性更強[48]。但所有熱處理條件下ALCs 的抗氧化活性均存在降低現(xiàn)象，這與ALCs 中的番茄紅素熱降解有關[30]。綜上，番茄紅素與直鏈淀粉復合形成ALCs 后，能更好保持其抗氧化活性。

2.3 ALCs 中番茄紅素的熱降解動力學研究

為了研究不同溫度環(huán)境條件下ALCs 中番茄紅素的熱降解變化，參照1.3.5 項下方法進行零級、一級和二級反應動力學方程擬合，并計算其動力學參數(shù)。

ALCs 在不同溫度環(huán)境條件下，其番茄紅素的降解動力學擬合反應動力學方程和回歸系數(shù)R2見表1。比較不同溫度下最大擬合R2值可知，在ALCs 中番茄紅素在不同溫度環(huán)境條件下的降解均符合二級反應動力學特征。

表1 不同溫度環(huán)境條件下ALCs 中番茄紅素的降解動力學線性回歸方程和系數(shù)R2Table 1 Linear regression equations and coefficients R2 for the degradation kinetics of lycopene in ALCs under different environmental conditions of temperature

基于二級反應擬合方程1/Ct-1/C0=kt+b，不同溫度環(huán)境下ALCs 的降解反應擬合見圖5。根據(jù)公式分別得出其速率常數(shù)k（μg/(mL·h)）、半衰期T1/2（h）和十分之一衰期T9/10（h）等動力學參數(shù)見表2。由圖可見：不同溫度下ALCs 降解動力學常數(shù)的排序為k130＞k110＞k90＞k70＞k50，k110值為0.009 2，遠大于90 ℃時的0.003 4 及50 ℃時的0.001 1，結果表明隨溫度升高，ALCs 中番茄紅素的降解程度增大，110 ℃以上高溫加工環(huán)境加劇其中的番茄紅素降解變化；由表2 可知，隨溫度環(huán)境升高ALCs 中番茄紅素的半衰期呈降低趨勢。50 ℃處理條件下ALCs 的番茄紅素T9/10為9.58 h，至110 ℃時T9/10縮短至1.15 h。結果表明：隨溫度升高，ALCs 中番茄紅素的熱降解反應越快。

圖5 不同溫度環(huán)境下ALCs 的二級降解動力學擬合圖Fig.5 Kinetic fitting of secondary degradation of ALCs under different temperature environments

表2 不同熱處理條件下ALCs 的熱降解動力學參數(shù)Table 2 Kinetic parameters of thermal degradation of ALCs under different heat treatment conditions

3 結論

本研究表明制劑ALCs 能改善其中番茄紅素的熱穩(wěn)定性。在不同溫度處理下，ALCs 中的番茄紅素含量均顯著高于標準品對照組。處理溫度和時間均影響ALCs 中番茄紅素的穩(wěn)定性。不同溫度處理后，ALCs中番茄紅素的保留率和抗氧化活性均有一定程度的下降。值得注意的，由于順式構型出現(xiàn)會導致溶液吸光度上升，呈現(xiàn)含量增多的假性現(xiàn)象。本研究中在中高溫度下即觀察到番茄紅素基于構型轉變出現(xiàn)的番茄紅素含量增加變化，并通過可見吸收分光光譜分析進行了初步驗證，但這一方面尚需進一步的結構分析與確證。此外，對 ALCs 中番茄紅素熱降解行為的研究可見符合二級反應動力學特征。番茄紅素降解速率常數(shù)k與處理溫度t呈正相關，k130＞k110＞k90＞k70＞k50；其衰期T1/2和T9/10均與處理溫度t呈負相關，且110 ℃以上高溫加工環(huán)境加劇其中的番茄紅素降解變化，50 ℃時的T9/10為9.58 h 縮短至110 ℃時的1.15 h。結果表明：應用ALCs 制劑進行產(chǎn)品開發(fā)時，加工溫度過高會造成其熱降解反應加快，加劇降解損失。本研究探究不同處理時間和溫度對ALCs 中番茄紅素熱穩(wěn)定性的影響，為番茄紅素的加工應用提供理論依據(jù)。