多酚與玉米淀粉相互作用研究

肖 遙，曹 悅，任順成*，李林政，潘天義

1.河南工業(yè)大學(xué) 河南省天然色素制備重點實驗室，河南 鄭州 450001 2.河南中大恒源生物科技股份有限公司,河南 漯河 462600

淀粉作為人類食物的主要成分可提供生命活動所需的能量，且由于其獨特的性質(zhì)，在食品、化學(xué)、化工中的應(yīng)用日趨廣泛。淀粉由線性的直鏈淀粉和具有高分支結(jié)構(gòu)的支鏈淀粉構(gòu)成，根據(jù)二者比例的不同主要分為高直鏈淀粉、普通淀粉和蠟質(zhì)淀粉[1]。天然淀粉存在一些不足，如凍融穩(wěn)定性差、易老化、冷水溶解性差等，因此常通過改性或改變加工、貯藏方式等使其理化性質(zhì)得到改善。

植物多酚是廣泛存在于植物體內(nèi)的一類天然產(chǎn)物，具有芳香環(huán)結(jié)構(gòu)并在環(huán)上結(jié)合一個或多個羥基[2]。按照多酚的化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為水解單寧類與縮合單寧類，另外，根據(jù)多酚的分子結(jié)構(gòu)中碳原子骨架結(jié)構(gòu)的異同，將其分為酚酸類、類黃酮類、香豆素類、木酚素類、芪類、醌類和單寧酸類[3-5]。酚酸類在植物中含量極為豐富，常見的有阿魏酸、香豆酸、沒食子酸、咖啡酸和綠原酸以及芥子酸等。類黃酮類是人類日常膳食中含量最多的多酚類物質(zhì)，如常見的兒茶素屬于黃烷醇類、原花青素屬于分子量相對較大的原花色素類多酚。單寧酸是一類由單體聚合而成的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的多聚體，分子結(jié)構(gòu)上存在大量的羥基，可以與食物中的多糖、蛋白質(zhì)和生物堿發(fā)生反應(yīng)，影響食物品質(zhì)[6-8]。食源多酚在食品領(lǐng)域中越來越受重視，其功能特性逐漸為人們所熟知[9]。

國內(nèi)外學(xué)者將多酚作為一種添加劑加入淀粉中，利用多酚與淀粉分子之間的相互作用，改變淀粉分子的結(jié)構(gòu)特征，使淀粉特性向人們期望的方向改變，達(dá)到改善淀粉類食品品質(zhì)的目的[10]。何財安等[11]報道，苦蕎多酚與兩種淀粉的共糊化顯著降低了淀粉的透明度和沉降體積，凝沉和老化速率加快，糊化溫度和糊化焓顯著下降，淀粉更易糊化。Xiao等[12-13]報道，茶多酚能抑制玉米淀粉、米粉和馬鈴薯淀粉的老化。胡柏等[14]報道，紅米麩皮多酚的主要成分為原花青素，對α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶、麥芽糖酶、蔗糖酶活性均有抑制作用。Wokadala等[15]報道，直鏈淀粉可以包裹相對較小的客體分子形成左手單螺旋的V型結(jié)晶復(fù)合物，而對于那些比較大的多酚分子，大多數(shù)在直鏈淀粉外部通過氫鍵與其結(jié)合形成復(fù)合物[16]。有研究表明茶多酚與淀粉形成非共價復(fù)合物的主要作用力是氫鍵[17]。目前對茶多酚的研究較多，對其他多酚的研究相對較少。作者采用膳食中常見的7種多酚單體化合物，分別添加到高直鏈玉米淀粉和蠟質(zhì)玉米淀粉中，通過測定多酚淀粉絡(luò)合物的淀粉-碘結(jié)合力和粒徑，以及淀粉-多酚復(fù)合物的紅外(FT-TR)和X-射線衍射(XRD)分析來研究它們間的相互作用，為新型功能食品的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

高直鏈玉米淀粉(HACS)、蠟質(zhì)玉米淀粉(WCS)：上海權(quán)旺科技有限公司；原花青素(單聚體)、兒茶素、咖啡酸、單寧酸、沒食子酸、綠原酸、阿魏酸：南京龍源天然多酚合成廠，純度均大于96%。

1.2 儀器與設(shè)備

UV-752紫外可見分光光度計：上海菁華科技儀器有限公司；LGJ-10C型冷凍干燥機：北京四環(huán)科學(xué)儀器廠有限公司；X-Pert PRO X-射線衍射儀：荷蘭PA Nalytical公司；BT-9300S型粒度分布儀：丹東百特儀器有限公司；WQF-510傅立葉變換紅外光譜儀：北京北分瑞利分析儀器公司。

1.3 方法

1.3.1 食源多酚對玉米淀粉粒徑的影響

將7種多酚按質(zhì)量比2.1%(g/g)與淀粉混合(高直鏈玉米淀粉和蠟質(zhì)玉米淀粉)制樣，并做空白對照樣品，將其配成1%淀粉溶液，置于室溫，每隔5 min攪拌1次，30 min后測定粒度。

1.3.2 食源多酚對玉米淀粉與碘結(jié)合力的影響

根據(jù)柴艷偉[18]的方法并稍做改動，按照1.3.1的方法配制1%的淀粉乳溶液，沸水浴加熱15 min，冷卻至室溫，在溶液中添加適量碘溶液(2%KI，0.2%I2)，攪拌均勻，放置30 min后淀粉溶液顯色，在680 nm處測定吸光度。

1.3.3 食源多酚與玉米淀粉復(fù)合物的紅外分析

按照1.3.1的方法配制淀粉樣品，準(zhǔn)確稱取12.00 g，溶于100 mL去離子水中，攪拌均勻，在水浴鍋中(95 ℃)糊化20 min，冷凍干燥后制成透明的KBr壓片，用傅立葉紅外光譜儀進(jìn)行定性分析[19]。

1.3.4 食源多酚與玉米淀粉復(fù)合物的X-射線衍射分析

分別配制含多酚2.1%的7種淀粉樣品(包括高直鏈玉米淀粉和蠟質(zhì)玉米淀粉)和不含多酚的空白樣品，準(zhǔn)確稱取12.00 g，溶于100 mL去離子水中，攪拌均勻，分別對樣品糊化30 min，取出冷卻至室溫，在冰箱中4 ℃放置7 d，然后在冰箱中(-20 ℃)預(yù)凍4 h，冷凍干燥，并用研缽研磨粉碎，過100目篩，樣品放置在干燥皿中備用。將制備好的食源多酚與玉米淀粉復(fù)合物粉末進(jìn)行X-射線衍射分析。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Origin 9.0軟件和Peakfit 4.5軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 食源多酚對玉米淀粉粒徑的影響

如表1所示，在高直鏈玉米淀粉中分別添加7種食源多酚后，其D10、D50和D90均有所增加，其中單寧酸影響最明顯；7種食源多酚均增加了淀粉的平均粒徑，單寧酸和原花青素對其影響最為明顯，說明多酚與高直鏈玉米淀粉發(fā)生了較強的相互作用。有研究表明，直鏈淀粉可以與許多物質(zhì)發(fā)生相互作用，主要有兩種方式：外來物質(zhì)嵌入到直鏈淀粉內(nèi)部，與之復(fù)合；外來配體插入到兩條直鏈淀粉的螺旋之間，連接兩條直鏈淀粉[20]。由于多酚分子上存在著大量羥基，為兩者相互作用提供了條件，小分子的多酚，如兒茶素、咖啡酸、沒食子酸、綠原酸和阿魏酸等，主要是通過氫鍵、范德華力和疏水相互作用等進(jìn)入直鏈淀粉內(nèi)部形成V型復(fù)合物；而大分子的原花青素和單寧酸進(jìn)入直鏈淀粉內(nèi)部的可能性不大，它們可能是通過非共價作用插入到兩條直鏈淀粉的螺旋之間，連接兩條直鏈淀粉，試驗結(jié)果證明了這一推斷，原花青素、單寧酸對D50和D90影響較為顯著。

如表2所示，7種多酚對蠟質(zhì)玉米淀粉的D10、D50和D90影響各不相同，除兒茶素和阿魏酸外，其他5種多酚均增加了淀粉的D10，綠原酸影響最大；咖啡酸和綠原酸減小了蠟質(zhì)玉米淀粉的D50，且除單寧酸外，其他6種多酚均減小了蠟質(zhì)玉米淀粉的D90；咖啡酸和綠原酸較為明顯地減小了蠟質(zhì)玉米淀粉的平均粒徑，說明咖啡酸和綠原酸可以與支鏈淀粉分子發(fā)生相互作用，但是作用方式尚不明確。

表1 7種食源多酚對高直鏈玉米淀粉粒徑的影響Table 1 Effects of 7 kinds of food-borne polyphenols on the particle size of high amylose corn starch μm

注：D10指顆粒粒徑小于該直徑的顆粒占10%；D50指顆粒粒徑小于該直徑的顆粒占50%；D90指顆粒粒徑小于該直徑的顆粒占90%，表2同。

表2 7種食源多酚對蠟質(zhì)玉米淀粉粒徑的影響Table 2 Effects of 7 kinds of food-borne polyphenols on the particle size of waxy corn starch μm

2.2 食源多酚對玉米淀粉與碘結(jié)合力的影響

淀粉可以與碘發(fā)生相互作用，支鏈淀粉與碘形成紫紅色復(fù)合物，而直鏈淀粉與碘則形成藍(lán)色復(fù)合物，故常用淀粉與碘復(fù)合物的比色法來測定淀粉中直鏈淀粉含量和鑒定直鏈淀粉純度[21]。如圖1所示，7種多酚與高直鏈玉米淀粉相互作用后，淀粉與碘結(jié)合力顯著下降，其中，咖啡酸和阿魏酸影響最為顯著，它們發(fā)生相互作用后，碘離子嵌入到直鏈淀粉螺旋內(nèi)腔的數(shù)量顯著減少，其中小分子的多酚(兒茶素、咖啡酸、沒食子酸、綠原酸和阿魏酸)對其影響較為明顯，進(jìn)一步說明多酚有效阻止了直鏈淀粉與碘的結(jié)合，并且小分子的多酚可以進(jìn)入直鏈淀粉螺旋內(nèi)腔，這與粒徑分析結(jié)果較為一致。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，圖2同。圖1 7種食源多酚對高直鏈玉米淀粉與碘結(jié)合力的影響Fig.1 Effects of 7 kinds of food-borne polyphenols on the iodine binding force of high amylose corn starch

圖2 7種食源多酚對蠟質(zhì)玉米淀粉與碘結(jié)合力的影響Fig.2 Effects of 7 kinds of food-borne polyphenols on the iodine binding force of waxy corn starch

如圖2所示，除單寧酸外，其他6種多酚均顯著減小了蠟質(zhì)玉米淀粉與碘的結(jié)合力，其中咖啡酸和綠原酸影響比較顯著。碘離子也可以與支鏈淀粉形成復(fù)合物，可能是由于7種多酚在氫鍵、范德華力、離子相互作用和疏水相互作用等作用力下，與支鏈淀粉的側(cè)鏈結(jié)合在一起，從而阻止了碘離子與支鏈淀粉的結(jié)合。

2.3 食源多酚與玉米淀粉復(fù)合物紅外分析

從圖3可以看出，將添加了多酚的試驗組與空白組進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在波譜圖中并沒有新峰出現(xiàn)，說明高直鏈玉米淀粉與多酚發(fā)生相互作用后，并沒有產(chǎn)生新的共價鍵，即淀粉與多酚是通過非共價相互作用(氫鍵)而連接到一起。據(jù)報道，淀粉在3 197～3 428 cm-1、3 515 cm-1處會出現(xiàn)吸收峰，并且當(dāng)?shù)矸壑辛u基形成分子內(nèi)或者分子間氫鍵時該波段向低波段平移，并且波形變得平滑[22-25]。高直鏈玉米淀粉分別添加食源多酚后, 在3 515 cm-1處有向低波段平移的趨勢，阿魏酸、咖啡酸和綠源酸較為明顯，說明食源多酚與直鏈淀粉或者支鏈淀粉形成分子內(nèi)或者分子間氫鍵。

注：1—8分別為HACS、原花青素+HACS、兒茶素+HACS、咖啡酸+HACS、單寧酸+HACS、沒食子酸+HACS、綠原酸+HACS、阿魏酸+HACS。圖3 7種食源多酚與高直鏈玉米淀粉復(fù)合物紅外分析Fig.3 Infrared analysis of complexes of 7 kinds of food-borne polyphenols and high amylose corn starch

從表3可以看出，幾種食源多酚均明顯減小了高直鏈玉米淀粉在1 162 cm-1波峰處的擬合面積，咖啡酸和阿魏酸影響最為明顯；幾種食源多酚均明顯減小了高直鏈玉米淀粉在1 082 cm-1的波峰處的擬合面積，降低了淀粉的結(jié)晶度，咖啡酸、綠原酸和阿魏酸影響最為明顯。

表3 7種食源多酚與高直鏈玉米淀粉復(fù)合物在λ1 000、λ1 082和λ1 162的峰擬合面積Table 3 Peak fitting area of complexes of 7 kinds of food-borne polyphenols and high amylose corn starch at λ1 000, λ1 082 and λ1 162

注：λ1 000、λ1 082和λ1 162分別代表在波數(shù)1 000、1 082和1 162 cm-1處的擬合面積，表4同。

從圖4可以看出，蠟質(zhì)玉米淀粉與多酚發(fā)生相互作用后，并沒有產(chǎn)生新的共價鍵，即支鏈淀粉與多酚是通過非共價相互作用結(jié)合到一起。蠟質(zhì)玉米淀粉分別添加一定比例的食源多酚后，在3 515 cm-1處的波峰向小波段平移了一小段距離，其中，咖啡酸、綠原酸和阿魏酸平移最為明顯，說明這7種多酚可以與支鏈淀粉形成分子間氫鍵，咖啡酸、綠原酸和阿魏酸與其作用最強。

注：A—H分別為蠟質(zhì)玉米淀粉(WCS)、原花青素+WCS、兒茶素+WCS、咖啡酸+WCS、單寧酸+WCS、沒食子酸+WCS、綠原酸+WCS、阿魏酸+WCS。圖4 7種食源多酚與蠟質(zhì)玉米淀粉復(fù)合物紅外分析Fig.4 Infrared analysis of complexes of 7 kinds of polyphenols and waxy corn starch

從表4可以看出，原花青素和阿魏酸均明顯減小蠟質(zhì)玉米淀粉在1 162 cm-1波峰處的擬合面積，原花青素和阿魏酸影響最為顯著；7種食源多酚對蠟質(zhì)玉米淀粉在1 082 cm-1的波峰有影響，兒茶素和阿魏酸顯著減小了其波峰面積，說明它們減少了淀粉的結(jié)晶度，而單寧酸和原花青素增加了其結(jié)晶度；7種食源多酚對蠟質(zhì)玉米淀粉在1 000 cm-1的波峰沒有影響，說明食源多酚對淀粉的無定形區(qū)域沒有影響。在7種多酚中，原花青素、單寧酸、阿魏酸和支鏈淀粉發(fā)生相互作用，但是作用程度很小。

表4 7種食源多酚與蠟質(zhì)玉米淀粉復(fù)合物在λ1 000、λ1 082和λ1 162的峰擬合面積Table 4 Peak fitting area of complexes of 7 kinds of food-borne polyphenols and waxy corn starch at λ1 000, λ 1 082 and λ 1 162

2.4 多酚-淀粉復(fù)合物的X-射線衍射分析

對高直鏈玉米淀粉與食源多酚的混合物進(jìn)行XRD分析，如圖5所示，空白組在17.1°處出現(xiàn)典型的B型結(jié)晶峰，說明高直鏈玉米淀粉經(jīng)過7 d老化后具有B型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，與空白組相比，添加食源多酚的淀粉組特征峰較多，并出現(xiàn)了新的峰，具體如下：原花青素組出峰位置，17.1°、26.9°；兒茶素組出峰位置，7.3°、13.1°、17.1°、20.1°、26.9°；咖啡酸組出峰位置，7.3°、15.3°、17.1°、20.1°、26.3°；單寧酸組出峰位置，17.0°、32.4°；沒食子酸組出峰位置，10.2°、13.1°、17.1°、20.1°、24.3°、32.4°；綠原酸組出峰位置，10.2°、13.1°、17.1°、20.1°、26.3°；阿魏酸組出峰位置，7.3°、10.2°、13.1°、17.1°、20.1°、26.3°、32.4°。

當(dāng)?shù)矸叟c脂肪酸、碘以及其他物質(zhì)結(jié)合形成V型結(jié)晶后，會在7.0°、13.1°及20.0°形成X-射線衍射特征峰[26]。結(jié)果表明，分別在7.0°、13.1°

注：1—8分別為HACS、原花青素+HACS、兒茶素+HACS、咖啡酸+HACS、單寧酸+HACS、沒食子酸+HACS、綠原酸+HACS、阿魏酸+HACS。圖5 食源多酚-淀粉復(fù)合物(高直鏈玉米淀粉)的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of food-borne polyphenol-high amylose corn starch complexes

及20.0°出現(xiàn)特征峰的有兒茶素、咖啡酸、沒食子酸、綠原酸和阿魏酸，說明可以與高直鏈玉米淀粉形成V型結(jié)晶，而分子量相對較大的原花青素和單寧酸在這3處并沒有出現(xiàn)特征峰，沒有與淀粉形成V型結(jié)晶。這可能是因為分子量相對較小的食源多酚分子在非共價作用下，進(jìn)入直鏈淀粉的螺旋內(nèi)腔，從而形成了V型復(fù)合物。

如圖6所示，蠟質(zhì)玉米淀粉老化7 d后也呈現(xiàn)B型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，在分別添加7種多酚后，除阿魏酸外，其他6種多酚在7.0°、13.1°、20.0°均沒有新峰出現(xiàn)。阿魏酸在13.1°出現(xiàn)了新峰，說明它可以與蠟質(zhì)玉米淀粉形成V型結(jié)晶，這可能是因為阿魏酸在疏水、氫鍵等相互作用下進(jìn)入支鏈淀粉的C鏈中從而形成了復(fù)合物。阿魏酸可以通過非共價作用與蠟質(zhì)玉米淀粉形成V型復(fù)合物，而其他6種多酚則與淀粉形成不了V型復(fù)合物，這可能是由多酚分子的結(jié)構(gòu)、羥基的數(shù)量及位置造成的。

注：A—H分別為WCS、原花青素+WCS、兒茶素+WCS、咖啡酸+WCS、單寧酸+WCS、沒食子酸+WCS、綠原酸+WCS、阿魏酸+WCS。圖6 食源多酚-淀粉復(fù)合物(蠟質(zhì)玉米淀粉)的XRD圖譜Fig.6 XRD patterns of food-borne polyphenol-waxy corn starch complexes

3 結(jié)論

7種食源多酚均增加了高直鏈玉米淀粉的平均粒徑，單寧酸對其影響最為明顯。多酚能夠阻止淀粉與碘的結(jié)合，其中多酚對高直鏈淀粉作用更為顯著，小分子的多酚可以進(jìn)入到直鏈淀粉螺旋內(nèi)腔。多酚與淀粉通過非共價相互作用結(jié)合，與直鏈淀粉或者支鏈淀粉形成分子內(nèi)或者分子間氫鍵，其中阿魏酸、咖啡酸和綠原酸與直鏈淀粉作用最強，原花青素、單寧酸、阿魏酸和支鏈淀粉也發(fā)生相互作用，但作用程度較弱。除原花青素和單寧酸外，其他5種多酚均能與高直鏈玉米淀粉形成V型復(fù)合物，但能與蠟質(zhì)玉米淀粉形成V型復(fù)合物的只有阿魏酸。