茶多酚對甘薯淀粉的抗老化研究

吳麗晶，車黎明，陳曉東

(廈門大學化學化工學院化學工程與生物工程系，福建廈門361005)

甘薯淀粉是食品加工和生產中的重要原料，可以制作成面包等各式各樣的點心，具有廣泛的應用。糊化后的甘薯淀粉在儲存過程中會迅速老化，引起失水、顏色變暗、彈性降低和硬度增大等不良后果，嚴重影響其制品的貨架期［1］。

茶多酚是從茶葉中提取的多羥基酚類天然抗氧化物，又叫茶單寧或茶鞣質，是茶葉中多酚類物質的總稱，具有抗氧化、抗癌、抗衰老、防輻射、防腐保鮮、抑菌除臭等多種功效［2-5］。Wu等人研究發現綠茶多酚、紅茶多酚對大米、小麥和土豆淀粉都有一定的抗老化效果，但是茶多酚對甘薯淀粉抗老化效果還未見諸報道［6-8］。有文獻報道β-環糊精可以抑制大米淀粉的回生，但對于糯性大米淀粉，即支鏈含量較高的淀粉，β-環糊精卻沒有明顯的抗老化的效果［9］。所以茶多酚對其他種類淀粉，特別是應用廣泛的甘薯淀粉的抗老化效果有待進一步研究。本文擬通過X-射線衍射(X-ray diffraction，XRD)、質構分析(texture profile analysis，TPA)、色澤分析和傅立葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR)等方法檢測甘薯淀粉樣品在長期儲存過程中(80d)的結構和特性變化，研究茶多酚對甘薯淀粉的抗老化效果，為茶多酚的抗淀粉老化運用提供一定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

山梨酸鉀 分析純，國藥集團化學試劑有限公司;甲基硅油 分析純，國藥集團化學試劑有限公司;甘薯淀粉 日本和光純藥工業株式會社;茶多酚安徽紅星藥業有限責任公司。

pH計PB-10 梅特勒-托利多儀器有限公司;電子天平AL 204 梅特勒-托利多儀器有限公司;集熱式恒溫加熱磁力攪拌器DF-101S 鞏義市予華儀器有限公司;冷凍干燥機LGJ-10D 北京四環科學儀器有限公司;X射線衍射儀Ultima IV Rigaku;質構儀:TRAPEZIUM X EZ-S-1 N Shimadzu;測色儀:CM-700d Konica Minolta;傅里葉變換紅外光譜:Nicolet 6700 Thermo Nicolet;智能光照培養箱:Pax-150c 寧波海曙賽福實驗儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備 甘薯淀粉和茶多酚的比例分別為15.00∶0，14.55∶0.45，14.10∶0.9 和 13.65∶1.35(w∶w)。15g淀粉/茶多酚混合物與65mg的山梨酸鉀一起加入到50mL的去離子水中。用1mol/L的鹽酸將混合液的pH調整到4.5。然后將混合液在100℃的油浴鍋中密閉攪拌加熱20min。糊化后的淀粉膠體裝入稱量瓶(高2.5cm，直徑8.0cm)中，在膠體表面滴加3mL的甲基硅油以防止水分揮發。最后將樣品放入恒溫箱中，每隔一定時間進行檢測。其中，XRD、色澤和FT-IR檢測的樣品儲存溫度為6℃;而TPA檢測的樣品儲存溫度為25℃。

1.2.2 XRD檢測 恒溫箱中的樣品保存0、5、10、20、40和60d后進行XRD檢測。在檢測之前，淀粉膠體首先進行冷凍干燥，然后將凍干的樣品進行研磨，用60目的篩子篩選得到樣品粉末。XRD的檢測條件為20kv和35mA，掃描角度從4°到40°，掃描速度為4°/min。掃描得到的圖譜用 X'Pert High Score Plus、Jade version 6.5和OriginPro version 7.5進行處理和分析。

1.2.3 TPA檢測 用于TPA檢測的探頭呈圓柱狀，直徑為5mm。探頭以2mm/min的速度下壓樣品。為了防止樣品的整體結構被破壞，探頭壓縮的距離控制在樣品厚度的20%，即3mm。壓縮過程中檢測到的最大壓力即為樣品的硬度。對三個平行樣品進行檢測，然后將測得的硬度數據取平均值。得到的平均硬度值用式(1)進行歸一化，得到樣品的相對硬度:

其中，NHt是樣品在t時的相對硬度，Ht和H0分別是t時和0時測得的硬度數據。

1.2.4 色澤分析 用CM-700d測色儀對三個平行樣品進行色澤分析，每個樣品測三次取均值。三個平行樣品的顏色值再取均值，得到樣品的最終顏色值(Hunter Lab色系)。在儲存過程中，淀粉樣品因老化而引起的色澤變化式(2)來計算:

其中a*代表紅綠值，b*代表黃藍值，L*代表亮度，下標t表示樣品儲存的時間，下標0代表初始時刻［10］。為了研究淀粉樣品的色澤變化規律，用式(3)對色澤變化值ΔEt進行一級衰減指數函數擬合:

其中A和B均為擬合參數。數據擬合采用Matlab軟件進行。

1.2.5 FT-IR檢測 樣品制備方法同XRD檢測。淀粉樣品與溴化鉀粉末混合均勻后，用壓片機制得樣品片。FT-IR掃描的范圍4000～400cm-1，步長為2cm-1。掃描得到的圖譜用OriginPro version 7.5進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 XRD檢測結果

羅志剛等人［11］報道甘薯淀粉在 2θ 為 14.7°、16.9°、17.7°和22.6°處出現明顯的衍射峰，并且僅在16.9°處是衍射強峰，其余3處均為中等強度的峰，既不同于玉米淀粉的A型衍射譜，又不同于馬鈴薯淀粉的B型衍射譜，故甘薯淀粉的結晶結構為C型，即A型和B型結晶結構的混合結構［11］。

本研究的XRD檢測結果如圖1所示。在圖1a中，沒有觀測到C型結晶結構的特征峰。這說明甘薯淀粉在糊化之后，結晶結構消失，呈無定形態。

XRD圖譜上尖銳的特征峰對應的是淀粉分子的長程有序結構，即晶體結構;而相對平坦的“饅頭峰”對應的則是淀粉分子的短程有序結構，即半晶體結構。在圖1中，四個茶多酚濃度的甘薯淀粉樣品在初始時均呈現一個平坦的“饅頭峰”，這主要是由直鏈淀粉形成的短程有序結構所引起。從圖1中還可以看出，沒有添加茶多酚的甘薯淀粉樣品在放置10d之后，其XRD譜線在16.9°(2θ)的位置呈現較明顯的特征峰;而添加6wt.%或9wt.%茶多酚的甘薯淀粉樣品在放置10d后，其XRD譜線在16.9°(2θ)的位置未觀測到明顯的特征峰。添加茶多酚的甘薯淀粉樣品儲存到20d時，其XRD譜線在16.9°(2θ)的位置才可觀測到特征峰。圖1還顯示，四個甘薯淀粉樣品在儲存60d后，其XRD譜線在16.9°(2θ)的位置均出現了明顯的特征峰，但是添加茶多酚的樣品，其特征峰的衍射強度增大趨勢較弱。這說明茶多酚有效抑制了甘薯淀粉的結晶結構形成。茶多酚分子上豐富-OH可與甘薯淀粉分子上的-OH形成氫鍵，從而減少游離淀粉分子的數量，限制淀粉分子之間通過氫鍵產生相互作用，形成氫鍵而老化［6，12］。Wu等人的研究也證實茶多酚可以與大米淀粉分子通過氫鍵產生相互作用，從而抑制大米淀粉因形成結晶結構而老化。

2.2 TPA檢測結果

對于淀粉基食品，硬度是其最主要的感官特性之一，因此也是淀粉基食物最重要的檢測指標。在儲存過程中，淀粉老化導致淀粉基食品的硬度增加，口感變差。檢測淀粉基食品的硬度變化是評估淀粉老化程度的最直接物理方法，不僅具有學術研究的意義，也具有重要的實踐意義。

圖1 甘薯淀粉樣品的XRD圖譜Fig.1 X-ray diffraction patterns of sweet potato starch

甘薯淀粉膠體的硬度變化如圖2所示。從圖中可以看出，在儲存過程中，甘薯淀粉膠體的硬度呈總體升高的趨勢，而且膠體的硬度隨著茶多酚濃度的增加而降低，甘薯淀粉膠體的硬度由其微觀結構決定。甘薯淀粉中的直鏈淀粉在降溫后迅速形成短程有序的半結晶結構，這賦予了膠體最初的硬度。在儲存過程中，甘薯淀粉中的支鏈淀粉以直鏈淀粉形成的短程有序半結晶結構為核心，逐漸通過分子間和分子內的氫鍵形成長程有序的結晶結構，引起甘薯淀粉膠體的硬度持續升高。加入茶多酚之后，茶多酚通過氫鍵與淀粉相互作用［7］，抑制了淀粉的結晶過程，從而降低了甘薯淀粉膠體的硬度。茶多酚的濃度越高，與茶多酚相互作用的甘薯淀粉也就越多，淀粉的結晶越少，甘薯淀粉膠體的硬度也就越低。這與XRD檢測的結果一致。

從圖2中還可以看出，純甘薯淀粉膠體的硬度在升高到一定值后，逐漸趨于穩定，這說明淀粉的結晶過程已經結束。在25℃時，這一過程的時間大約是38d。這與Tian等人的研究結果類似［13］。Liu等人也報道糯性淀粉膠體的硬度呈現越來越慢的升高趨勢［14］。加入茶多酚之后，淀粉的結晶過程被抑制，結晶所需要的時間更長。茶多酚的濃度越高，淀粉結晶所需要的時間就越長。茶多酚含量為9wt.%的甘薯淀粉膠體在25℃下儲存80d之后，其硬度還在不斷升高，說明淀粉的結晶過程還未完成。

圖2 甘薯淀粉膠體的硬度變化趨勢(儲存溫度25℃)Fig.2 Variation of hardness of sweet potato starch gels stored at 25℃

圖3展示的是甘薯淀粉膠體的相對硬度變化趨勢。相對硬度反映了甘薯淀粉膠體硬度的變化幅度。相對硬度的值越大，說明變化越明顯。從圖3中可以看出，儲存80d后，純甘薯淀粉膠體的相對硬度接近30，而茶多酚含量為9wt.%的甘薯淀粉膠體的相對硬度不到4。這從硬度變化幅度的角度，進一步說明茶多酚可顯著抑制甘薯淀粉的老化。

圖3 甘薯淀粉膠體的相對硬度變化趨勢(儲存溫度25℃)Fig.3 Variation of normalized hardness of sweet potato starch gels stored at 25℃

2.3 色澤分析結果

色澤分析的結果如表1所示。純甘薯淀粉膠體是白色的半透明膠體，體現為純木薯淀粉的a*和b*都接近于0。因為茶多酚本身是棕色的，所以加入茶多酚后，甘薯淀粉膠體的顏色也變成了棕色，而且茶多酚的含量越高，樣品顏色越深。這個變化趨勢也可以從表1中看出，茶多酚濃度越高，a*和b*越增大。隨著放置時間的延長，純木薯淀粉L*變化幅度變大，加入茶多酚可以抑制L*的變化速度，淀粉膠體的性質更穩定。

淀粉老化除了引起淀粉基食品的硬度升高，彈性降低之外，還會對食品的色澤產生一定影響，所以色澤變化也是評價淀粉老化的一個重要指標。通過與初始顏色值對比，可以得到顏色差值ΔE。顏色差值ΔE反映了樣品顏色的變化程度。甘薯淀粉膠體的顏色變化趨勢如圖4所示。甘薯淀粉膠體的ΔE隨儲存時間的延長呈增大的趨勢，但是這種增大的趨勢是逐漸減弱的。對顏色差值ΔE進行擬合可發現，ΔE隨時間的變化趨勢可以用一級衰減指數函數擬合，擬合結果如表2所示。

表1 甘薯淀粉膠體的顏色參數Table 1 The color values of sweet potato starch gels

圖4 甘薯淀粉膠體ΔE的變化趨勢Fig.4 Variation of ΔE of sweet potato starch gels during long-term storage

表2 甘薯淀粉膠體ΔE的一級衰減指數函數擬合參數Table 2 Fitting parameters for ΔE of sweet potato starch gels using first order exponential decay function

從圖4中可以看出，純甘薯淀粉膠體的ΔE最高，ΔE隨著茶多酚濃度的升高而減小。對比圖4和表2可發現，這個變化趨勢可以從擬合參數A和B的變化體現出來。擬合參數A和B分別表示ΔE變化的最大值和快慢。擬合參數A隨著茶多酚濃度的升高而減小，而擬合參數B隨著茶多酚濃度的升高而增大。這說明加入茶多酚以后，甘薯淀粉膠體的色澤變化更小，更慢。色澤分析的結果也表明，茶多酚可以有效抑制甘薯淀粉的老化，使淀粉膠體的顏色更穩定。

2.4 FT-IR檢測結果

在FT-IR圖譜上，不同的化學鍵在不同的波長位置有相對應的特征峰。通過觀測特征峰的變化可以判斷相應化學鍵的變化情況。甘薯淀粉樣品的FT-IR圖譜如圖5所示，從中可觀測到淀粉樣品分別在1300～900、1400、1640、2800、3400cm-1處有特征峰;在甘薯淀粉樣品儲存過程中，沒有特征峰的增加或減少，說明沒有化學鍵生成或者消失，即淀粉與茶多酚不發生化學反應。據文獻報導，在3400cm-1處是-OH的特征峰，2800cm-1處是-CH2的特征峰，1640cm-1和1400cm-1處是-COO的特征峰，而1300～900cm-1處是C-O和C-C的振動引起的吸收峰，對淀粉的老化最敏感［15-16］。從圖5中可以看出，在沒有添加茶多酚的情況下，甘薯淀粉樣品在1300～900cm-1處的峰強度隨著儲存時間的延長有逐漸增加的趨勢(圖5a)，說明甘薯淀粉有明顯的老化趨勢。加入茶多酚之后，甘薯淀粉的老化受到抑制，樣品在1300～900cm-1處的峰強度無顯著(圖 5b～圖 5d)。FT-IR檢測的結果從分子層面上說明，茶多酚可以有效的抑制甘薯淀粉的老化，這與之前的XPD、TPA和色澤分析結果相一致。

3 結論

本研究用X-射線衍射、質構分析、色澤分析和傅立葉變換紅外光譜等方法檢測了甘薯淀粉樣品在長期儲存過程中(80d)的結構和特性變化，研究了茶多酚對甘薯淀粉老化的影響。加入9wt.%茶多酚甘薯淀粉膠體在放置80d之后，淀粉膠體硬度不足初始硬度的4倍。而純甘薯淀粉在放置80d之后，硬度約為初始硬度的30倍。實驗結果表明，茶多酚可抑制甘薯淀粉形成結晶結構，延緩其結晶過程，從而降低甘薯淀粉膠體的硬度，減小膠體的硬度和色澤變化。這說明茶多酚可有效抑制甘薯淀粉的老化。

圖5 甘薯淀粉樣品的FT-IR圖譜Fig.5 FT-IR spectra of sweet potato starch

茶多酚不但具有特殊的香味，還具有抗老化和降血脂等功效。在淀粉基食品中添加茶多酚不但可以抑制淀粉老化，保持產品質量，延長其貨架期，還可以獲得具有特殊香味的功能食品，因此具有非常廣闊的運用前景。

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