淀粉-多酚復合物理化及功能特性的研究進展

趙蓓蓓，賈祥澤，孫思薇，鄭寶東,，郭澤鑌,

（1.福建農林大學食品科學學院，福建 福州 350002；2.福建省特種淀粉品質科學與加工技術重點實驗室，福建 福州 350002）

多酚是飲食中含量最豐富的抗氧化劑，廣泛存在于水果、蔬菜、谷物、干豆類、巧克力和飲料（如茶、咖啡或葡萄酒）中[1]。多酚類物質按結構大致可分為酚酸、黃酮類、香豆素、木脂素類化合物、醌類和單寧等[2]。這種復雜的物質存在于在植物性食物中，從簡單的酚類分子到高度聚合的化合物都極易發生變化。由于單寧（一種多酚）對蛋白質消化率的不良影響，動物營養學家通常認為多酚是抗營養因子。然而，最近酚類物質因為其抗氧化能力（清除自由基和金屬螯合活性）及其可能對人體健康產生的有益影響而引起了人們的興趣，如在治療和預防癌癥、心血管疾病和其他疾病方面的巨大潛力。多酚對機體的保護作用在于其抗氧化性能可以降低機體內自由基的水平，有研究表明，飲食中酚類物質的代謝產物可在細胞內選擇性調節信號轉導以影響細胞的生長、增殖和凋亡。并且與抗氧化所需的濃度相比，影響細胞信號轉導通路所需的多酚濃度非常低[3]。

淀粉作為一種不可或缺的營養物質，是由多個葡萄糖分子縮合而成的多糖聚合物，分為直鏈淀粉和支鏈淀粉。直鏈淀粉呈現無分支的螺旋結構，可以結合各種絡合劑形成不同復合物；支鏈淀粉的整體結構比直鏈淀粉大，是由α-1,4-糖苷鍵將葡萄糖殘基首尾相連形成的一種高分子化合物，分支處由α-1,6-糖苷鍵進行連接[4]。不同植物來源的淀粉在組成、分子與顆粒結構及理化性質方面存在很大的差異。淀粉的理化性質及其與其他食物成分的相互作用在很大程度上決定了產品的整體質量和淀粉類食物的營養特性。近年來，淀粉和酚類化合物之間的相互作用引起了人們的廣泛關注。一方面，酚類化合物作為功能性成分可用于新的功能性食品和飲料生產；另一方面，食品加工往往涉及細胞和組織的破壞，從而引起胞內和胞外物質的釋放。釋放的內源性多酚與其他成分如淀粉、非淀粉多糖和蛋白質接觸，對食品品質產生影響。淀粉與多酚的非共價結合是影響富含多酚食品質量的一個最基本的因素[5]。氫鍵的組合和疏水性相互作用致使淀粉的消化吸收性能顯著降低，且能不同程度地改變淀粉的糊化、回生及流變特性。多酚化合物對淀粉的消化特性和餐后血糖應答反應的影響是當前的研究熱點，基于此生產的淀粉基產品可以用于保護血管內皮細胞以預防Ⅱ型糖尿病，延緩機體衰老，對于各種慢性疾病的治療具有非常廣闊的應用前景[6]。

1 淀粉-多酚復合物的制備方法和模型

淀粉-多酚復合物的制備方法可以分為傳統制備法和熱機械法。傳統制備法是將淀粉溶于二甲基亞砜、氫氧化鉀或水溶液中，與酚類化合物在高溫下進行反應生成復合物。Cohen等[7]將染料木黃酮和脫支木薯淀粉分別溶于0.1 mol/L的氫氧化鉀溶液，于30 ℃條件下將二者混合，并調節pH值至4.7沉淀復合物，提高了染料木黃酮的生物利用度。van Hung等[8]將溶于氫氧化鉀溶液的阿魏酸在80 ℃下與高直鏈玉米淀粉糊混合作用1 h，生成了阿魏酸-直鏈淀粉復合物，且復合物溶解度和抗氧化能力對結合態阿魏酸具有濃度依賴性。但此法中較高的pH值可能導致酚類化合物降解。熱機械法指同時利用加熱和剪切作用，產生直鏈淀粉復合物，這種方法的弊端在于加熱產生的高溫可能導致復合物熱降解或者酚類化合物氧化。

從復合物的形成機理來看，淀粉-多酚的結合方式大致可分為兩種：1）酚類進入淀粉螺旋內腔形成復合物：淀粉在外加條件（熱處理、溶劑處理等）的作用下，由于分子內氫鍵發生相互作用，使得直鏈淀粉的鏈狀結構發生旋轉，形成了左手螺旋空腔結構[9]（圖1A），繼而在螺旋線腔內的疏水相互作用下與一系列的小客體分子形成帶有兩親性或疏水性配體的V型直鏈淀粉復合物[10]。有研究表明，4-O-棕櫚酰綠原酸能夠進入直鏈淀粉的螺旋腔內，與直鏈淀粉形成無定形配合物（圖1B）。Shen Wei等[11]研究發現，柑橘黃酮通過占據淀粉雙螺旋結構的疏水性內腔與淀粉形成復合物，大大降低了淀粉的消化速率；但與直鏈淀粉相比，支鏈淀粉與柑橘黃酮之間的復合作用卻差強人意。螺旋直鏈淀粉結構與直鏈淀粉配體的相互作用受控于直鏈淀粉葡萄糖殘基、水分子和配位體之間一系列的分子間氫鍵和范德華力[10]。2）多酚富含的羰基和羥基可與淀粉分子所含的羥基產生作用，通過氫鍵和范德華力誘導淀粉分子聚集[12]（圖2）；這種非包容性的復合物，大部分通過氫鍵形成，不同程度地影響淀粉的糊化、流變及回生特性。Xiao Huaxi等[13]研究顯示茶多酚能夠破壞淀粉的晶體結構，對糊化焓造成顯著影響。Wu Yue等[14]發現茶多酚和大米淀粉在糊化過程中可以通過氫鍵相互作用，它們之間的強相互作用致使淀粉發生了無規律的黏度變化。同時也有研究顯示經茶多酚強化的大米淀粉老化發生了延緩[15]。此外，多酚與淀粉結合形成的復合物顆粒微觀結構也發生了改變（表1）。

圖1 直鏈淀粉螺旋空腔（A）[16]和直鏈淀粉-4-O-棕櫚酰綠原酸復合物（B）[17]的示意圖Fig. 1 Structure of amylose helical cavity (A)[16] and schematic model of the amylose-4-O-palmitoyl chlorogenic acid complex (B)[17]

圖2 通過氫鍵絡合的淀粉-茶多酚復合物示意圖[18]Fig. 2 Schematic representation of starch-tea polyphenols complexation through hydrogen bonds[18]

表1 淀粉-多酚復合物顆粒的微觀結構特性Table1 Microstructure characteristics of starch-polyphenol complex granules

2 淀粉-多酚復合物的理化特性

將淀粉水溶液在適溫條件下加熱，淀粉顆粒受熱后膠束間的氫鍵斷開，顆粒吸水膨脹，直鏈淀粉與支鏈淀粉發生釋放與溶解，形成均勻的黏稠膠體溶液，這一過程稱為淀粉的糊化[26]。糊化導致淀粉晶體中直鏈淀粉分子從淀粉顆粒中釋放出來，同時膠束狀支鏈淀粉的雙螺旋結構也發生解旋和分散[27]。糊化后的淀粉在室溫或低于室溫下放置一定時間，顆粒破裂形成的無序化鏈組織通過疏水作用和氫鍵進行重組，形成不溶性分子膠束，使淀粉溶液出現不透明甚至凝結沉淀的現象，這一現象即為淀粉老化[10]；淀粉的老化會引起淀粉基產品的剛性增加和持水性下降[28]。近年來，利用食品各組分之間相互作用來調節食品品質的研究得到了普遍關注，一些研究者將多酚類化合物加入淀粉體系中，使多酚與淀粉發生相互作用致使淀粉的糊化、回生、流變等理化特性發生改變。

2.1 流變性

淀粉的流變性包括流動性和黏度特性。一般地，直鏈淀粉鏈會通過不斷運動連接到由分子間雙螺旋結構相互纏繞形成的網絡上，而直鏈淀粉凝膠的流變行為恰恰與此相關[18]。多酚類化合物與淀粉相互作用能夠影響淀粉的流動性。Zhu Fan等[23]發現添加一定含量的蘆丁增加了大米淀粉的屈服應力（τ0）和相關系數（R2），降低了淀粉的流變指數；此外，多酚類化合物的加入很大程度上也影響了淀粉的黏度特性。多酚類化合物可降低直鏈淀粉雙螺旋結晶區的纏繞及形成，從而導致其黏度降低；另一方面，茶多酚能夠連接可移動的直鏈淀粉形成一些松散連接的復合物，所以剪切稀化行為（隨著剪切率升高，黏度降低）減弱，表明直鏈淀粉流體行為的損耗模量也呈下降趨勢[18]；且多酚對淀粉黏度的影響依賴于多酚提取物的種類。有研究發現，相比綠茶提取物，紅茶提取物能更有效地減少小麥、玉米、馬鈴薯和大米淀粉的最終黏度[29]。Zhu Fan等[24]發現石榴皮和五倍子提取物均可以降低小麥淀粉的熱漿黏度，然而綠茶提取物對其熱漿黏度卻影響甚微。Beta等[30]發現阿魏酸相較于兒茶素對玉米淀粉和大米淀粉的熱漿黏度值、最終黏度和反彈值都有更大的影響。Zhu Fan等[31]認為綠原酸可以大幅度增加小麥淀粉的崩解值，其效果相當于白楊素的22 倍左右。此外，淀粉的種類也會影響多酚對其黏度的改變。Beta等[30]的研究表明阿魏酸和兒茶素可以大幅度改變大米淀粉的峰值黏度，但對玉米淀粉的峰值黏度無顯著影響。有研究發現在低于淀粉糊化濃度的稀溶液中加入茶多酚增大了直鏈淀粉分子的流體力學半徑[18]，原因在于當茶多酚與淀粉混合糊化時，表沒食子兒茶素沒食子酸酯作為茶多酚的重要組成部分，能夠連接直鏈淀粉分子，使其分子尺寸增加并且降低分散性，同時延長直鏈淀粉的鏈長，增大流體力學半徑。

2.2 糊化特性

淀粉糊化的本質是淀粉的物理性能發生明顯變化，分子膠束間的氫鍵斷開，結構全部崩潰，形成單分子，從有序轉變為彼此牽扯的無序狀態，分散于水中形成具有黏性的糊狀溶液。多酚類化合物的添加往往會影響淀粉體系的糊化特性，進而影響淀粉基產品的風味及品質[32]；其原因在于，多酚具有多元結構，其羥基與支鏈淀粉的側鏈反應，并不同程度地結合到淀粉顆粒的無定形區，改變晶質和無定形質之間的偶合力，促使淀粉顆粒間簡單水合，使糊化熱能減少[23]。Li Min等[33]研究表明，淀粉-多酚復合物的形成可以改變淀粉的糊化特性，且這種改變作用在一定程度上依賴于多酚提取物的種類及其添加量。Zhu Fan等[24]的研究發現五倍子的提取物可以促進小麥淀粉糊化并顯示出較高的糊化焓，但是同等條件下石榴皮和山楂提取物卻明顯降低了小麥淀粉的糊化焓。此外，有研究表明玉米淀粉和大米淀粉的糊化溫度會隨著體系中紅茶多酚提取物水平的增加而升高[29]；然而，Xiao Huaxi等[34]通過差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry，DSC）分析發現，加入大米和玉米淀粉體系中的綠茶多酚水平越高，對于降低糊化溫度和糊化焓的效果越明顯。實際上除了多酚提取物的多樣性，淀粉的種類和結構對糊化也有很大影響。Zhu Fan等[23]的研究顯示，當大米淀粉中茶多酚添加量達到質量分數10%時，淀粉的糊化焓明顯降低。但是把紅茶多酚提取物加入馬鈴薯淀粉中時，茶多酚對系統的糊化特性并無顯著影響[35]。此外，有學者研究表明由于多酚的加入而引起的淀粉懸浮液pH值的變化在一定程度上也會影響淀粉的糊化特性[30]。

2.3 回生特性

淀粉的回生是由于糊化后的淀粉分子在低溫下又自動排列成序，支鏈淀粉、直鏈淀粉通過疏水作用以及逐步恢復的氫鍵形成致密、高度晶化的淀粉分子微晶束而產生的。淀粉回生導致淀粉膠持水性下降，硬度增大，原因在于回生的淀粉會形成分子間強氫鍵并在無定形區形成牢固結構。值得注意的是，酚類化合物與淀粉可產生相互作用抑制淀粉回生。酚類化合物具有高活性的羥基基團，這些基團與淀粉的羥基相互作用可形成氫鍵，多酚通過氫鍵夾在直鏈淀粉分子中間，影響直鏈淀粉分子的直接關聯，妨礙淀粉聚合物鏈的排列。且淀粉和多酚之間的氫鍵越強，淀粉儲藏期間結晶越困難，其回生作用就越不明顯[22]。淀粉的種類在一定程度上會影響兩者之間的相互作用。有研究發現，在4 ℃的存儲條件下，添加質量分數15%的紅茶多酚提取物可以明顯抑制玉米淀粉和不同品種大米淀粉的回生，但對馬鈴薯淀粉的回生特性并無顯著影響[35]；原因在于所研究的淀粉顆粒內的微晶不均勻度存在差異，且馬鈴薯淀粉顆粒尺寸較大。此外，提取物種類不同也可能造成兩者相互作用的差異。有學者通過DSC和X射線衍射來分析綠茶多酚對馬鈴薯淀粉老化的影響，結果表明綠茶多酚的添加顯著抑制了馬鈴薯淀粉的回生[34]，與上面提到的紅茶多酚提取物的作用效果恰好相反。一方面可能是由于紅茶多酚中包含茶黃素，而兒茶素含量較低，作用效果不同是二者的組分差異所造成的；另一方面，馬鈴薯淀粉具有較高的磷酸單酯含量，磷酸單酯與紅茶多酚的羥基基團能夠發生相互作用，降低多酚與淀粉顆粒的直接作用。Xiao Huaxi等[13]發現綠茶多酚的含量越高，其對大米淀粉的回生抑制作用越強。Zhu Fan等[23]將不同含量蘆丁添加到大米淀粉中得到與以上綠茶多酚同樣的效果。吳躍等[19]在掃描電子顯微鏡下以相同放大倍數觀察不同量多酚處理過的回生淀粉顆粒形貌，發現隨著酚類添加量的增加，淀粉顆粒逐漸減小并呈現網孔狀。因此，提取物的添加量也會影響二者的相互作用。

3 淀粉-多酚復合物的功能特性

實際上，作為抗氧化劑，多酚類化合物與淀粉的相互作用還可以使淀粉和多酚各自性質發生改變，產生一定的功能特性。

3.1 復合物中淀粉的抗消化性

消化是淀粉被機體吸收的前提。淀粉的消化分為兩個步驟：1）淀粉被α-淀粉酶水解為麥芽糖、麥芽糊精以及少量的葡萄糖[36]；2）α-葡萄糖苷酶將麥芽糖和麥芽糊精進一步水解為葡萄糖[37-38]。酚類化合物作為生物活性材料能夠減緩淀粉中葡萄糖的釋放，利于葡萄糖穩態，以減少各種疾病的發生[34]。就富含多酚的漿果而言，其對淀粉的消化機理有3 種[39-42]：1）具有顯著的抗氧化活性，非競爭性抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的催化作用；2）與直鏈淀粉和支鏈淀粉復合形成新的結晶結構，因而抗性淀粉含量大大增加，顯著降低復合物的消化速率；3）降低快速消化淀粉含量，減少維持餐后血糖代謝所需的胰島素。除此之外，植物提取物中多酚類化合物如花色苷類、黃酮類、單寧類以及酚酸類等對于淀粉的消化也產生極大的影響。Hargrove等[43]的實驗表明，富含原花青素的漆樹高粱米糠提取物相比于不含原花青素的黑高粱米糠提取物，在抑制α-淀粉酶作用時所需的濃度明顯降低。Shen Wei等[11]研究測定的4 種柑橘類黃酮（柚皮苷、橙皮苷、新橙皮苷和川陳皮素）均可顯著抑制淀粉酶對淀粉消化的催化作用；且柑橘黃酮由于能夠結合淀粉，增加肝臟糖酵解和肌糖原含量，降低肝臟糖異生，在餐后高血糖預防中起著重要作用。Mkandawire等[44]發現在底物（支鏈淀粉）添加之前將高粱中單寧提取物與酶混合可以降低淀粉酶活性，且單寧的質量濃度越大、分子質量越高，酶活性降低得越明顯。Kandil等[45]的研究表明酚酸-酶系統和酚酸-淀粉系統的作用均可以顯著抑制淀粉水解。此外，Kallel等[46]對康普茶飲料的研究發現其能顯著抑制胰腺α-淀粉酶水解淀粉，并且隨著發酵的進行，抑制作用逐漸增強；經實驗證實其中的活性物質是單體或低聚體的多酚類化合物。Guzar等[29]提出綠茶或紅茶提取物與淀粉的相互作用可以抑制淀粉水解；然而Liu Jie等[47]對酶動力學的研究結果表明，雖然茶多酚非競爭性抑制了普通玉米淀粉或糯玉米淀粉的消化，但在高直鏈玉米中觀察到一個遲發性的血糖峰值，血糖反應增強。因此，茶多酚和特定淀粉的組合可以用來調控餐后血糖反應，以此為基礎有望生產出一種對餐后血糖控制有益的慢性消化淀粉。

茶多酚具有結合蛋白質并使其發生沉淀的作用[48]，這就表明加入茶多酚能夠使消化酶失活。近來不少研究也表明茶多酚是α-淀粉酶抑制劑；因此，當含有不同量茶多酚的復合物形成時，茶多酚會伴隨著淀粉底物抑制α-淀粉酶的活性。隨著復合材料中茶多酚含量的增加，茶多酚對α-淀粉酶的抑制作用增強；另一方面，糊化時茶多酚和淀粉之間強烈的相互作用，也會降低淀粉的消化率。Cai Wentian等[49]研究表明，與對照組淀粉相比，復合物的消化率顯著降低，淀粉殘基的量急劇增加；這些殘余淀粉有利于人體健康，為淀粉的消化控制提供了科學依據。

3.2 復合物對多酚的緩釋作用

多酚類化合物有一定的抗氧化能力，可顯示多方面的生物活性以促進人體健康和預防疾病；然而多酚必須在消化道內并循環運輸到達靶組織才能發揮其生物活性。從攝入到抵達靶組織到最終排泄的全過程，多酚在吸收、沉積、代謝和排泄時受到眾多因素的影響，生物活性可能會發生改變[50]。淀粉與多酚形成包合物，可保護多酚的生物活性，并在特定條件下調節多酚的釋放。有研究發現在模擬胃腸條件下淀粉與染料木素復合物表現出了很好的穩定性，且實驗組（淀粉-染料木素復合物）血漿中染料木素的濃度是對照組（淀粉與染料木素的物理混合物）的2 倍，表明染料木素與淀粉復合物提高了染料木素的生物利用度[7]。Cohen等[51]進行體外實驗，結果顯示淀粉與染料木素復合物在不同pH值下均表現穩定；模擬腸胃條件下復合物中的染料木素具有高保留率，并隨胰酶溶液消化釋放染料木素；因此，二者形成的復合物可作為染料木素緩慢釋放的載體。

結合態多酚的釋放是通過α-淀粉酶對復合物的酶解進行控制的，多酚在該調控下緩慢釋放到腸道，增加機體對其的吸收率，以提高多酚的健康效益[7]。目前，控制酚類化合物在人體中生物利用度仍然是一個巨大的挑戰。利用淀粉與多酚類化合物之間的相互作用來控制活性物質的釋放是一種獨具前景的好方法，有待進一步地研究與探討[10]。

4 結 語

淀粉與酚類之間的相互作用很大程度上會影響不同來源的淀粉和酚類化合物的理化和營養特性，二者的相互作用對淀粉性質的影響依賴于酚類化合物的化學成分、淀粉的結構和加工條件。食品中化學合成添加劑的潛在風險逐漸引起人們的擔憂，促使人們轉而使用天然安全的食品添加劑。多酚類物質的添加可以賦予食品優越的特性，綜合考慮以上影響因素，可生產具有食品配方及加工工藝所需的理化（如淀粉糊化和老化）和營養（如控制淀粉消化和提高酚類化合物生物利用度）特性的功能性食品，以用于預防和治療高血糖癥等相關疾病。此外，在食品配方和加工過程中應仔細研究酚類化合物的穩定性、食品系統的pH值和溫度對其的影響。

雖然目前對于淀粉-多酚復合物相互作用的機理進行了初步探討，但是還有大量工作尚待開展：1）有關其內部變化的機理，即分子間的結合作用有待進一步深入研究；2）對產生作用的多酚類化合物結構片段需深入研究；3）用以研究多酚與淀粉復合作用的方法有限，新的研究手段有待發現；4）多酚類化合物和淀粉協同作用對血糖反應的影響，還有待于從胰島素抵抗及基因水平上做更加深入的探討；5）更低濃度多酚對碳水化合物消化的作用仍需進一步研究。