大豆異黃酮對(duì)玉米淀粉老化的影響及體系水分遷移研究

王思琪，許秀穎，崔維建，吳天昊，吳玉柱，趙城彬，劉景圣

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 長(zhǎng)春 130118）

玉米淀粉（corn starch，CS）是玉米籽粒的主要組成成分，占玉米總質(zhì)量的70%以上，作為重要的谷類(lèi)淀粉，在食品加工及工業(yè)中的應(yīng)用前景廣泛[1-2]，然而，其易回生，在一定程度上限制了在食品生產(chǎn)中的應(yīng)用[3]。淀粉在加工及儲(chǔ)存過(guò)程中，食品的感官品質(zhì)等物理、化學(xué)性質(zhì)會(huì)受到影響，主要包括流變性、水分遷移、質(zhì)構(gòu)特性等[4-5]。天然玉米淀粉受熱穩(wěn)定性、凍融穩(wěn)定性等特性較差的制約，不能廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代生產(chǎn)工藝及食用需求[6-7]，同時(shí)，不同的需求對(duì)淀粉理化性質(zhì)的要求也有一定的差異。相關(guān)研究表明，多酚、黃酮等小分子物質(zhì)的加入可以延緩淀粉的老化，從而影響淀粉類(lèi)食品的加工儲(chǔ)存[8]。Wang 等[9]通過(guò)差式熱量掃描法、X 射線(xiàn)衍射等試驗(yàn)手段發(fā)現(xiàn)原花青素可與淀粉相互作用，阻礙淀粉重結(jié)晶，起到抑制淀粉回生的作用。Lv 等[10]研究茶多酚及兒茶素對(duì)小麥淀粉回生性質(zhì)的影響，結(jié)果表明：在儲(chǔ)存過(guò)程中，與茶多酚及兒茶素的相互作用干擾了淀粉鏈的重新結(jié)合，淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，從而延遲了回生，在食品工業(yè)中可用作潛在的抗逆添加劑。

酚類(lèi)化合物與淀粉作用方式不同，所產(chǎn)生的影響也可能不同[11]。大豆異黃酮（Soy Isoflavones，SI）是生物黃酮中的一種，存在于多種植物中，是植物生長(zhǎng)中形成的一類(lèi)次級(jí)代謝產(chǎn)物，廣泛存在于大豆及大豆制品加工副產(chǎn)物中[12]。大豆異黃酮的主要結(jié)構(gòu)形式為以3-苯并吡喃酮為母核的化合物群，是一類(lèi)有較高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和健康保護(hù)作用的非固醇類(lèi)生物活性物質(zhì)[13-14]。近年來(lái)，在大豆異黃酮功能性食品方面的研發(fā)及應(yīng)用逐漸增加[15-16]，成為食品保健品和醫(yī)藥等行業(yè)的熱點(diǎn)之一。目前關(guān)于大豆異黃酮改變淀粉凝膠特性及其與淀粉相互作用的機(jī)理研究報(bào)道很少。本研究通過(guò)紅外光譜、動(dòng)態(tài)流變、差式量熱掃描、物性分析、低場(chǎng)強(qiáng)核磁共振等試驗(yàn)手段探究大豆異黃酮對(duì)玉米淀粉老化性質(zhì)的影響，以期進(jìn)一步豐富黃酮類(lèi)化合物對(duì)淀粉老化性能影響的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米淀粉（總淀粉83.42%，直鏈淀粉28.30%，脂肪0.54%，蛋白質(zhì)0.36%，水分11.35%），上海金穗生物科技有限公司；大豆異黃酮（≥90%，西安天豐生物科技股份有限公司）；其它試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

冷凍干燥機(jī)（ALPHA1-4LD plus），德國(guó)Christ公司；高速離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠(chǎng)；流變儀（MCR302），奧地利安東帕（中國(guó)）有限公司；VERTEX70 傅里葉紅外光譜儀，德國(guó)Bruker 公司；物性測(cè)定儀（TA-XT Plus），英國(guó)Stable Micro Systems 公司；差示掃描量熱儀（DSC-Q2000），美國(guó)TA 儀器；低場(chǎng)強(qiáng)核磁共振（MesoMR23-040V-Ⅰ），上海紐邁電子科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備 參考Li 等[17]的方法，并做適當(dāng)改動(dòng)。稱(chēng)取5 g 玉米淀粉，將玉米淀粉與蒸餾水配制成料水比1∶10 的乳液，將0%，0.5%，1%，1.5%和2%的大豆異黃酮（SI/CS，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）溶解在乙醇中，在持續(xù)攪拌下，30 min 內(nèi)緩慢滴入淀粉分散體中。經(jīng)70 ℃水浴攪拌1 h 后，將混合物緩慢冷卻至室溫，將所得懸浮液以3 000 r/min 離心5 min，使用乙醇溶液（體積分?jǐn)?shù)50%）洗滌3 次并離心，以除去未與玉米淀粉復(fù)合的大豆異黃酮，冷凍干燥樣品，分別標(biāo)記為SSI-0、SSI-1、SSI-2、SSI-3 和SSI-4。

1.3.2 動(dòng)態(tài)時(shí)間掃描測(cè)定 參考張丹丹等[18]的方法將糊化的樣品冷卻至室溫后，采用平板測(cè)量系統(tǒng)（型號(hào)PP 25，直徑25 mm，設(shè)置間隙1.025 mm）。測(cè)定條件：在溫度為4 ℃、應(yīng)變力為1%的條件下測(cè)定2 h 內(nèi)樣品儲(chǔ)能模量（G'）的變化。樣品用硅油覆蓋以防止水分蒸發(fā)。

1.3.3 老化熱力學(xué)測(cè)定 參考肖瑜等[19]的方法，準(zhǔn)確稱(chēng)取（3.0±0.02）mg 樣品，以1 ∶3 的比例與蒸餾水混合，密封壓蓋后放入4 ℃平衡24 h，用差示掃描量熱儀進(jìn)行升溫測(cè)定，以空坩堝作參比。升溫范圍為30～120 ℃，升溫速率為10 ℃/min。從DSC 曲線(xiàn)可知糊化初始溫度T0，糊化峰值溫度TP、糊化最終溫度TC、糊化焓值ΔH。完成后將樣品盤(pán)在4 ℃下儲(chǔ)存1，4，7，14 和21 d，再次進(jìn)行DSC 測(cè)量，測(cè)量前樣品盤(pán)于室溫下平衡1 h，得到不同儲(chǔ)存天數(shù)的初始溫度T0、糊化峰值溫度TP、糊化最終溫度TC及糊化焓值ΔH，所有樣品均一式3 份測(cè)量分析。

1.3.4 質(zhì)構(gòu)特性測(cè)定 將糊化后的淀粉凝膠置于4 ℃條件下冷藏1，4，7，14，21 d 后取出，參考物性?xún)xTPA 測(cè)定模式，采用圓柱形金屬探頭（P/0.5，平底）。參考任順成等[20]的方法，測(cè)試條件：測(cè)前速率1.0 mm/s；測(cè)試速率2.0 mm/s；測(cè)后速率2.0 mm/s；測(cè)試距離10.0 mm；壓縮程度為40%；兩次壓縮間隔為2 s；觸發(fā)力為5 g；觸發(fā)類(lèi)型為自動(dòng)，每個(gè)樣品做3 組平行試驗(yàn)，得到質(zhì)構(gòu)參數(shù)曲線(xiàn)。通過(guò)Texture Expert Excede Version 1.0（Stable Micro Systems Software）軟件分析處理數(shù)據(jù)，得到硬度值。

1.3.5 傅里葉紅外光譜掃描 將糊化后的淀粉凝膠置于4 ℃條件下冷藏 1，4，7，14，21 d 后取出后凍干，F(xiàn)T-IR 測(cè)定前，樣品在40 ℃下平衡24 h。參考Zhao 等[21]的方法并做部分改動(dòng)：稱(chēng)取1 mg 已經(jīng)干燥至恒重的樣品與50 mg 溴化鉀在紅外燈下研磨混合均勻，置于模具中，在15 MPa 下抽真空壓片60 s?？鄢寤洷∑谋尘?，在4 000～400 cm-1下，掃描64 次，分辨率為4 cm-1，使用origin 8 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到紅外光譜圖。采用OMNIC 8.0 對(duì)譜圖進(jìn)行基線(xiàn)矯正和自動(dòng)平滑處理，得到處理后的紅外光譜圖。

1.3.6 水分遷移變化測(cè)定 根據(jù)Wang 等[22]的方法稍作修改，將糊化后的淀粉凝膠置于進(jìn)樣瓶中，隨即置于4 ℃條件下冷藏1，4，7，14，21 d 后取出，放置至室溫后將樣品置于NMR 玻璃管中，CPMG 脈沖序列測(cè)定樣品的自旋-自旋弛豫時(shí)間（T2）。主要參數(shù)設(shè)置為：射頻信號(hào)頻率偏移量O1=376 786.36 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)TD 為1000054，P1=3.00 μs，P2=6.00 μs，SW=200 kHz，TE=0.5 ms，Tw=7 500 ms，RFD=0.08 ms，RG1=20.0 db，DRG1=3，累加次數(shù)NS 為4，回波數(shù)NECH 為10 000。使用NMRAS 分析軟件采集信號(hào)，反演后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。每個(gè)樣品進(jìn)行3 次LF-NMR 測(cè)試，數(shù)據(jù)取平均值。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理 所有數(shù)據(jù)為3 次平行測(cè)量的平均值，結(jié)果以xˉ±s 表示，使用Origin 2018 軟件進(jìn)行相關(guān)圖表繪制，采用SPSS 21 軟件通過(guò)ANOVA統(tǒng)計(jì)學(xué)分析在顯著性水平0.05 進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)態(tài)時(shí)間掃描分析

淀粉糊在貯藏期間會(huì)經(jīng)歷老化的過(guò)程，可分短期老化和長(zhǎng)期老化兩個(gè)階段[23]。短期老化在淀粉糊化后幾個(gè)小時(shí)到1 d 內(nèi)完成，主要是由于直鏈淀粉的重聚。淀粉的短期老化趨勢(shì)可以用動(dòng)態(tài)黏彈特性來(lái)反映，在老化初期，直鏈淀粉通過(guò)氫鍵相互連接，聚集重排形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，從而淀粉彈性增大，在動(dòng)態(tài)時(shí)間掃描中表現(xiàn)為儲(chǔ)能模量的升高[24]。

圖1所示為4 ℃條件下，在老化時(shí)間為2 h內(nèi)，樣品儲(chǔ)能模量G' 隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。由圖可知，在測(cè)試初期所有樣品G' 迅速升高，隨后進(jìn)入緩慢升高階段。直鏈淀粉逐漸滲漏出來(lái)以氫鍵締結(jié)形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，致使凝膠彈性模量不斷增大。隨著大豆異黃酮含量的增加，G'值逐漸降低，且變化率減小。與SSI-0 相比，其它樣品的G' 值逐漸降低，表明其滲漏直鏈淀粉聚集重排速率下降，延緩淀粉的短期老化。與丁月平[25]結(jié)果相似。

圖1 玉米淀粉與不同濃度大豆異黃酮混合體系儲(chǔ)能模量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.1 Elasticity modulus as a function of time for corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

2.2 老化熱力學(xué)分析

儲(chǔ)存期間各樣品的熱力學(xué)分析如表1所示。儲(chǔ)存1 d 的熱力學(xué)數(shù)據(jù)中未觀(guān)察到明顯的回生焓值，而在儲(chǔ)存4，7，14，21 d 后出現(xiàn)明顯的熱焓值且逐漸增加，表明淀粉在儲(chǔ)存期間老化程度增大。由表中數(shù)據(jù)可知，峰值溫度Tp均在50 ℃左右，其屬于支鏈淀粉老化的解離峰[26]。隨著儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)，起始溫度T0、峰值溫度Tp及終止溫度Tc逐漸降低，熱焓值ΔH 逐漸增加，表明淀粉老化程度增大，融化支鏈淀粉結(jié)晶所需能量逐漸增大。

表1 玉米淀粉與不同濃度大豆異黃酮混合體系老化熱力學(xué)參數(shù)Table 1 DSC values of corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

T0、Tp及Tc隨大豆異黃酮含量的增加逐漸升高，ΔH 逐漸降低。ΔH 值可以用來(lái)反映淀粉顆粒的結(jié)晶和無(wú)定型區(qū)域中，雙螺旋的取向和堆積能量。由表1數(shù)據(jù)可知，由于大豆異黃酮的存在淀粉的ΔH 值被降低。此外，大豆異黃酮中含有的羥基基團(tuán)可與淀粉分子相互作用，干擾并阻礙淀粉分子的重結(jié)晶[27]。大豆異黃酮的加入，影響了淀粉在老化過(guò)程中的重結(jié)晶，阻礙淀粉在回生過(guò)程中相對(duì)有序結(jié)構(gòu)的生成。大豆異黃酮有助于延緩淀粉的老化程度，且在試驗(yàn)范圍內(nèi)其含量越高延緩老化程度越明顯。

表2所示為各樣品的回生率，隨著儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)，淀粉回生率逐漸增加，表明其老化程度逐漸增大；但在相同儲(chǔ)存期內(nèi)，隨著大豆異黃酮含量的增加，淀粉回生率顯著降低（P＜0.05），儲(chǔ)存時(shí)間為4 d 時(shí)，回生率由（18.80±0.43）%降低至（5.14±0.57）%；儲(chǔ)存時(shí)間為7 d 時(shí)，回生率由（47.44±0.86）%降低至（19.43±1.14）%；儲(chǔ)存時(shí)間為14 d時(shí)，回生率由（51.71±0.86）%降低至（33.71±3.43）%；儲(chǔ)存時(shí)間為 21 d 時(shí)，回生率由（56.84±0.86）%降低至（37.71±0.58）%；表明大豆異黃酮有效地延緩了淀粉的老化程度。

表2 玉米淀粉與不同濃度大豆異黃酮混合體系的回生率Table 2 Retrogradation rate of corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

2.3 質(zhì)構(gòu)特性分析

淀粉凝膠的質(zhì)構(gòu)特性是淀粉基食品重要性能，TPA 可用來(lái)評(píng)估淀粉凝膠在儲(chǔ)存過(guò)程中的老化程度[28]。硬度值是凝膠質(zhì)構(gòu)特性的重要指標(biāo)，TPA 中硬度是模擬人體咀嚼壓縮樣品所需要的力[29]。在儲(chǔ)存期間，淀粉凝膠老化程度加劇，硬度值會(huì)表現(xiàn)出升高的特征。圖2所示，隨著老化天數(shù)的增加，淀粉凝膠的硬度值逐漸升高，主要是因?yàn)閮?chǔ)存時(shí)間延長(zhǎng)老化程度加大，在老化過(guò)程中，直鏈淀粉分子間交聯(lián)纏繞形成了具有一定強(qiáng)度的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，且交聯(lián)程度越大硬度值越高[30]。

圖2 玉米淀粉與不同濃度大豆異黃酮混合體系老化過(guò)程的硬度值Fig.2 Parameters of hardness of retrogradation corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

與SSI-0 相比，樣品硬度值降低，且下降趨勢(shì)隨大豆異黃酮含量增加更為明顯。這可能是由于大豆異黃酮的加入阻礙了直鏈淀粉聚集重排，減小淀粉分子間作用力，從而減弱淀粉老化程度，使凝膠質(zhì)地更柔軟。

2.4 紅外光譜分析

紅外光譜主要用來(lái)反映淀粉在老化期間氫鍵的變化[31]。如圖3所示，在儲(chǔ)存1，4，7，14 和21 d的期間，圖譜中沒(méi)有新的吸收峰出現(xiàn)或消失，表明淀粉與大豆異黃酮通過(guò)氫鍵等非共價(jià)相互作用。3 400 cm-1左右較寬吸收峰是羥基的拉伸振動(dòng)所產(chǎn)生的[32]，羥基存在于分子間和分子內(nèi)，大豆異黃酮的加入使此處的吸收峰發(fā)生了紅移，氫鍵的作用力增強(qiáng)，且隨大豆異黃酮含量的增加而增強(qiáng)，這可能包含了淀粉與淀粉及淀粉與大豆異黃酮間的氫鍵。

圖3 玉米淀粉與不同濃度大豆異黃酮混合體系老化過(guò)程的紅外光譜圖Fig.3 FT-IR of retrogradation corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

將紅外光譜圖中1 200～900 cm-1處進(jìn)行去卷積處理以去除雜峰，并得到R（1047/1022）cm-1和R（995/1022）cm-1處的峰強(qiáng)度比值。R（1047/1022）cm-1和R（995/1022）cm-1附近的數(shù)值可以揭示淀粉相對(duì)有序度和雙螺旋度的內(nèi)部變化[33-34]，這可反映淀粉的老化程度，值越大淀粉老化程度越強(qiáng)。表3為各樣品在儲(chǔ)存期間內(nèi)（R1047/1022） cm-1和（R995/1022） cm-1處的比值，隨著老化天數(shù)的增加，所有樣品在這兩處的比值均增加，老化過(guò)程中淀粉分子間發(fā)生相互交聯(lián)，增加其相對(duì)有序程度。添加大豆異黃酮后，淀粉在這兩處的比值減小，由此可知在老化過(guò)程中，大豆異黃酮的加入可以抑制淀粉分子間的交聯(lián)，從而降低淀粉在老化期間的結(jié)晶程度，進(jìn)而抑制淀粉相對(duì)有序結(jié)構(gòu)生成，且抑制效果以含量依賴(lài)性的方式增強(qiáng)。

表3 玉米淀粉與不同濃度大豆異黃酮混合體系老化過(guò)程的短程有序性Table 3 Short-range order of retrogradation corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

2.5 水分遷移變化分析

在淀粉凝膠體系中，隨著儲(chǔ)存時(shí)間的變化，體系中水分也隨之變化。在儲(chǔ)存過(guò)程中，淀粉氫鍵作用增強(qiáng)，導(dǎo)致淀粉與水分子間氫鍵作用減弱，結(jié)合水含量降低而自由水含量增加，淀粉持水力下降。低場(chǎng)強(qiáng)核磁共振橫向弛豫時(shí)間T2可用來(lái)反映淀粉凝膠體系水分遷移情況[35]，T2值較大水分子流動(dòng)性強(qiáng)，相反，T2值較小水分子與底物結(jié)合緊密。T2弛豫時(shí)間在0.1～10 ms 范圍內(nèi)為結(jié)合水，在10～100 ms 內(nèi)為不易流動(dòng)水，大于100 ms 為自由水[36]。不同樣品在儲(chǔ)存1，4，7，14 和21 d 的水分遷移變化如圖4所示，隨著儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)，圖譜上的峰整體向左偏移，通過(guò)T2值計(jì)算區(qū)分為4 個(gè)部分，相應(yīng)的T2值于表4中，T2b、T221均為較緊密的結(jié)合水，T2值逐漸降低，表明在老化過(guò)程中，淀粉分子聚集重排形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，淀粉分子間與水分子結(jié)合緊密，水分子流動(dòng)受限[37]。大豆異黃酮的加入，體系T2值逐漸升高，但圖譜中結(jié)合水、不易流動(dòng)水以及自由水的變化規(guī)律不明顯，且無(wú)法確認(rèn)峰面積，還需對(duì)各弛豫峰進(jìn)一步計(jì)算分析。

表4 玉米淀粉與不同濃度大豆異黃酮混合體系老化過(guò)程的T2 參數(shù)Table 4 T2 values of retrogradation corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

圖4 玉米淀粉與不同濃度大豆異黃酮混合體系老化過(guò)程水分遷移變化Fig.4 Changed in water migration of retrogradation corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

水分子相對(duì)含量可用峰面積來(lái)反映，對(duì)弛豫圖譜進(jìn)行積分得到各部分峰面積。由圖5可知結(jié)合水，不易流動(dòng)水和自由水的相對(duì)含量，其中自由水和不易流動(dòng)水含量較低（小于5%），而自由水所占比例較高（大于95%），表明此凝膠體系中水與底物結(jié)合較少。隨著回生時(shí)間的增加，體系中結(jié)合水、不易流動(dòng)水含量逐漸降低，自由水含量逐漸升高。回生過(guò)程中淀粉分子鏈間相互作用增強(qiáng)，形成的分子內(nèi)氫鍵迫使淀粉鏈與水分子形成的分子外氫鍵斷裂，導(dǎo)致水分被析出，結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤z持水力下降。在相同儲(chǔ)存期，隨著大豆異黃酮濃度的增加，自由水含量逐漸降低。這可能是由于大豆異黃酮與淀粉相互作用，增加了凝膠體系的空間位阻致使淀粉間結(jié)合減少，減弱了分子間的氫鍵作用，且大豆異黃酮濃度越大作用越明顯。此外，大豆異黃酮中的羥基基團(tuán)也可與淀粉及水分子以氫鍵作用形成交聯(lián)。大豆異黃酮的加入可增強(qiáng)體系的持水性，減少體系自由水含量，有效地減緩淀粉老化進(jìn)程。

圖5 玉米淀粉與不同濃度大豆異黃酮混合體系老化過(guò)程的峰面積比例Fig.5 Peak area ratio of retrogradation corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

3 結(jié)論

淀粉凝膠隨儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)，其老化程度逐漸增大，在一定程度上影響淀粉基食品食用品質(zhì)。本文重點(diǎn)考察了不同濃度大豆異黃酮對(duì)玉米淀粉老化特性影響及體系水分遷移變化，結(jié)果表明：在相同儲(chǔ)存期間內(nèi)，隨著大豆異黃酮濃度的增加，淀粉凝膠彈性模量逐漸降低；淀粉的老化焓值減小，回生率顯著降低；硬度值減小，形成質(zhì)地更為柔軟的凝膠，表明大豆異黃酮的加入，阻礙了直鏈淀粉的聚集重排，減小淀粉分子間作用力，從而減弱淀粉老化程度。紅外光譜圖中氫鍵吸收峰發(fā)生紅移，R1047/1022和R995/1022處的值逐漸降低，表明大豆異黃酮可抑制淀粉分子間的交聯(lián)，降低淀粉相對(duì)有序度。體系的結(jié)合水和不易流動(dòng)水含量增加，自由水含量減少。大豆異黃酮可在一定程度上延緩玉米淀粉的短期及長(zhǎng)期老化。