高粱淀粉-多酚復(fù)合物與高粱淀粉的理化性質(zhì)比較分析

李 欣， 高 菲， 劉紫薇， 李志江,2,3， 張東杰,2,3， 張洪微

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院1，大慶 163319) (黑龍江省雜糧加工及質(zhì)量安全工程技術(shù)研究中心2，大慶 163000) (國(guó)家雜糧工程技術(shù)研究中心3，大慶 163000)

高粱是世界第五大谷類(lèi)作物，具有產(chǎn)量高、抗逆性強(qiáng)、抗旱、抗?jié)?、耐鹽堿、耐高溫和寒冷及用途廣泛等特點(diǎn)[1]，在我國(guó)東北及華北地區(qū)廣泛種植，其中黑龍江省是我國(guó)高粱的重要主產(chǎn)區(qū)[2]。高粱中約60%～80%為淀粉[3]，同時(shí)還含有蛋白質(zhì)[4]、脂肪和膳食纖維[5]等營(yíng)養(yǎng)成分及較豐富的多酚類(lèi)物質(zhì)(3.15 mg/g)[6]。

近年來(lái)，多酚對(duì)淀粉理化性質(zhì)的影響成為研究的熱點(diǎn)。葡萄籽原花青素使綠豆淀粉的溶解度升高，而土豆淀粉溶解度下降，對(duì)小麥淀粉溶解度的影響不顯著[7]。阿魏酸和沒(méi)食子酸均能增加大米淀粉的溶解性、抑制淀粉的凝沉性，同時(shí)使淀粉糊化過(guò)程中的黏度值下降[8]；兒茶素與阿魏酸均能降低高粱淀粉的黏度特征值[9]。蘆丁和懈皮素能提高苦蕎淀粉糊的凝沉性、谷值黏度和最終黏度[10]。可見(jiàn)，淀粉的理化性質(zhì)受多酚種類(lèi)、含量及淀粉種類(lèi)的影響。這些研究方法都是將外源性多酚添加到淀粉內(nèi)，探究其對(duì)淀粉理化性質(zhì)的影響。本團(tuán)隊(duì)在提取高粱淀粉時(shí)發(fā)現(xiàn)，提取的高粱淀粉中含有少量的內(nèi)源性多酚(含量為1.67～4.52 mg/g)，這部分多酚對(duì)高粱淀粉理化性質(zhì)是否存在影響的研究鮮有報(bào)道。

本研究分析比較了高粱淀粉-多酚復(fù)合物與高粱淀粉的理化性質(zhì)，探究?jī)?nèi)源性多酚對(duì)其理化性質(zhì)的影響，以期為高粱淀粉-多酚復(fù)合物及高粱淀粉的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅糯1號(hào)：黑龍江省安達(dá)市；高粱淀粉-多酚復(fù)合物(自制)：多酚含量4.52 mg/g，淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)93%，蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.47%，脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.34%；高粱淀粉(自制)：淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%，蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.65%，脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.30%。

1.2 儀器與設(shè)備

TD5A離心機(jī)；DGG-9140電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；THZ-82水浴恒溫振蕩器；RVA4500快速黏度分析儀；DSC Q 20 V 24.10 Build 122差示掃描量熱。

1.3 方法

1.3.1 高粱淀粉-多酚復(fù)合物及高粱淀粉的制備

高粱淀粉-多酚復(fù)合物的制備：取烘干后的高粱粉100 g，按料液比1∶15加入1 500 mL 0.4% NaOH溶液，于35 ℃水浴震蕩2 h后取出。將混合液于3 500 r/min下離心10 min，棄去上清液。將沉淀至于80目尼龍布中，加入一定量的蒸餾水，棄去濾渣，將濾液繼續(xù)離心(3 500 r/min，10 min)。重復(fù)以上操作直至沉淀為白色，將沉淀于40 ℃烘箱內(nèi)烘干24 h后，過(guò)80目篩備用。采用GB/T 5009.9—2008中酸水解法及福林酚法測(cè)定其淀粉含量、多酚含量。

高粱淀粉的制備：取50 g高粱淀粉-多酚復(fù)合物，按料液比1∶25加入1 250 mL 60%乙醇溶液，將其放置在35 ℃恒溫水浴鍋內(nèi)提取30 min。隨后將其離心(3 500 r/min，10 min)，沉淀即為高粱淀粉，40 ℃下烘干24 h，過(guò)80目篩備用。

1.3.2 理化性質(zhì)的測(cè)定方法

1.3.2.1 溶解度與膨潤(rùn)力的測(cè)定

參照Wu等[11]的方法，適當(dāng)修改。準(zhǔn)確稱(chēng)取高粱淀粉-多酚復(fù)合物和高粱淀粉各0.60 g(W0)，加入29.40 mL蒸餾水，將其配置成2%淀粉乳。將配置好的淀粉乳分別放置在溫度為50、60、70、80、90 ℃的恒溫水浴鍋內(nèi)，并不斷攪拌。30 min后取出，待其冷卻至室溫后，于3 500 r/min離心機(jī)內(nèi)離心10 min，得到沉淀物(P)。上清液倒入培養(yǎng)皿內(nèi)，將裝有上清液的培養(yǎng)皿放入溫度為95 ℃的烘箱內(nèi)，直至上清液質(zhì)量達(dá)到恒重(W1)，按公式計(jì)算出淀粉的溶解度、膨潤(rùn)力。

(1)

(2)

式中：W0為高粱淀粉(高粱淀粉-多酚復(fù)合物)質(zhì)量/g；W1為上清液烘干至恒重質(zhì)量/g；P為離心后沉淀物質(zhì)量/g；S為溶解度/%；E為膨潤(rùn)力/%。

1.3.2.2 凝沉性的測(cè)定

參考趙小梅等[12]的方法并稍加改動(dòng)。分別稱(chēng)量0.15 g高粱淀粉-多酚復(fù)合物和高粱淀粉，加入14.85 mL蒸餾水，將其配置成1%淀粉乳，在沸水浴中加熱30 min，充分?jǐn)嚢铇悠肥蛊渫耆诉^(guò)程中注意保持淀粉糊體積。隨后將其冷卻至室溫，將淀粉糊轉(zhuǎn)移到25 mL的刻度試管內(nèi)，每隔1 h記錄上清液體積(V0)及淀粉糊總體積(V1)，按公式計(jì)算凝沉性。

(3)

式中：V0為每1 h上清液體積/mL；V1為淀粉糊總體積/mL。

1.3.2.3 凍融穩(wěn)定性的測(cè)定

準(zhǔn)確稱(chēng)取一定量的高粱淀粉-多酚復(fù)合物、高粱淀粉，將其配置成質(zhì)量濃度為6%的淀粉乳，在沸水浴中加熱30 min，使其完全糊化，隨后冷卻至室溫。稱(chēng)取離心管質(zhì)量(M1)，稱(chēng)取10.00 g淀粉乳于離心管內(nèi)，稱(chēng)取淀粉乳與離心管質(zhì)量(M2)。將裝有樣品的離心管放置-20 ℃冰箱內(nèi)，24 h后取出，在溫度為30 ℃水浴鍋內(nèi)解凍2 h，解凍完成后于8 000 g/min下離心20 min，離心后將上清液倒出，稱(chēng)取離心管與沉淀質(zhì)量(M3)，按公式計(jì)算出淀粉凝膠的析水率，用析水率的大小來(lái)反映淀粉的凍融穩(wěn)定性。

(4)

式中：M1為離心管質(zhì)量/g；M2為淀粉乳和離心管質(zhì)量/g；M3為沉淀和離心管質(zhì)量/g。

1.3.3 糊化黏度特性的測(cè)定

分別稱(chēng)取2.00 g高粱淀粉-多酚復(fù)合物及高粱淀粉，加入25 mL蒸餾水混合后置于鋁盒中，卡入RVA旋轉(zhuǎn)塔內(nèi)，利用快速黏度分析儀按Prado Cordoba的方法進(jìn)行測(cè)定[13]。

1.3.4 熱力學(xué)特性的測(cè)定

稱(chēng)取3.0 mg樣品置于鋁質(zhì)坩堝內(nèi)，加入9 μL去離子水，密封壓蓋。空鋁質(zhì)坩堝為對(duì)照，DSC掃描溫度范圍40～200 ℃，溫度上升速率為10 ℃/min[14]。

1.3.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及繪圖處理，各數(shù)據(jù)重復(fù)測(cè)定3次取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 高粱淀粉-多酚復(fù)合物與高粱淀粉溶解度及膨潤(rùn)力的比較分析

如圖1所示，高粱淀粉-多酚復(fù)合物及高粱淀粉溶解度隨溫度升高而增大。溫度升高，水分子進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)，淀粉顆粒開(kāi)始吸水溶脹。高粱淀粉-多酚復(fù)合物的溶解度高于高粱淀粉，可能由于高粱淀粉-多酚復(fù)合物中含有內(nèi)源性多酚，多酚具有親水性，進(jìn)而促進(jìn)了高粱淀粉-多酚復(fù)合物中的淀粉溶出，使高粱淀粉-多酚復(fù)合物的溶解度高于高粱淀粉[15,16]。淀粉膨脹力隨溫度的升高而增大，這可能是由于淀粉糊內(nèi)部的氫鍵在高溫條件下被破壞，導(dǎo)致水分子與被破壞的氫鍵結(jié)合，進(jìn)而導(dǎo)致膨潤(rùn)力增大。高粱淀粉-多酚復(fù)合物的膨潤(rùn)力低于高粱淀粉，一方面可能是由于多酚是一種具有多羥基的小分子物質(zhì)，可與高粱淀粉中直鏈淀粉或支鏈淀粉結(jié)合形成絡(luò)合物，從而限制了淀粉顆粒在糊化過(guò)程中的膨脹[17]；另一方面可能是由內(nèi)源性多酚的組成成分及各成分含量所導(dǎo)致的，使高粱淀粉-多酚復(fù)合物體系的pH降低[18]，進(jìn)而導(dǎo)致高粱淀粉-多酚復(fù)合物的溶解度較高，膨潤(rùn)力較低。因此，需進(jìn)一步探究?jī)?nèi)源性多酚的組成成分及各成分含量，及內(nèi)源性多酚對(duì)高粱淀粉溶解度及膨潤(rùn)力的影響。

圖1 高粱淀粉-多酚復(fù)合物與高粱淀粉的溶解度與膨潤(rùn)力

2.2 高粱淀粉-多酚復(fù)合物與高粱淀粉凝沉性的比較分析

高粱淀粉-多酚復(fù)合物與高粱淀粉凝沉性如圖2所示，在12 h快速凝沉實(shí)驗(yàn)中，前6 h高粱淀粉-多酚復(fù)合物凝沉速率較快，6 h后趨于平穩(wěn)；淀粉在8 h前凝沉速率較快，8 h后凝沉速率趨于平穩(wěn)。高粱淀粉上清液體積分?jǐn)?shù)高于高粱淀粉-多酚復(fù)合物，可能由于高粱淀粉-多酚復(fù)合物中含有的內(nèi)源性多酚與高粱淀粉中直鏈淀粉或支鏈淀粉以非共價(jià)鍵形式結(jié)合，抑制了淀粉分子間的聚合，從而限制了高粱淀粉-多酚復(fù)合物的凝沉，進(jìn)而導(dǎo)致高粱淀粉-多酚復(fù)合物的凝沉性低于高粱淀粉，提高了高粱淀粉-多酚復(fù)合物淀粉糊的熱穩(wěn)定性。

圖2 高粱淀粉-多酚復(fù)合物與高粱淀粉的凝沉性

2.3 高粱淀粉-多酚復(fù)合物與高粱淀粉凍融穩(wěn)定性的比較分析

由表1可知，高粱淀粉-多酚復(fù)合物析水率0.52%，低于高粱淀粉析水率，說(shuō)明高粱淀粉-多酚復(fù)合物淀粉糊在經(jīng)過(guò)冷凍解凍過(guò)程中，能夠較好的保持其凝膠結(jié)構(gòu)。高粱淀粉-多酚復(fù)合物析水率低于高粱淀粉，一方面可能是由于淀粉-多酚復(fù)合物中含有的內(nèi)源性多酚抑制了淀粉分子間的重排[19]，從而延緩淀粉老化，使復(fù)合物持水能力增強(qiáng)，析水率下降，凍融穩(wěn)定性增強(qiáng)；另一個(gè)原因可能是由于高粱淀粉-多酚復(fù)合物中含有的內(nèi)源性多酚具有羥基，使其與水分子結(jié)合形成結(jié)合水，導(dǎo)致淀粉分子周?chē)杂伤枯^低[20]，從而使淀粉-多酚復(fù)合物的析水率低于高粱淀粉。

表1 高粱淀粉-多酚復(fù)合物與高粱淀粉的凍融穩(wěn)定性

2.4 高粱淀粉-多酚復(fù)合物與高粱淀粉黏度特性的比較分析

高粱淀粉-多酚復(fù)合物黏度值均低于高粱淀粉黏度值，可能由于高粱淀粉-多酚復(fù)合物中含有的內(nèi)源性多酚具有較多羥基和羧基基團(tuán)，在相同競(jìng)爭(zhēng)體系中，復(fù)合物產(chǎn)生水合作用強(qiáng)于淀粉。此外，羥基與水分子相互作用改變了水溶液的水活性和離子強(qiáng)度。高粱淀粉-多酚復(fù)合物峰值黏度下降可能由于阻礙淀粉分子膨脹作用力更強(qiáng)，導(dǎo)致峰值黏度下降，與2.1中膨潤(rùn)力研究結(jié)果一致。

崩解值是峰值黏度與谷值黏度的差值，往往與淀粉糊的熱穩(wěn)定性呈負(fù)相關(guān)，高粱淀粉-多酚復(fù)合物崩解值低于高粱淀粉，說(shuō)明高粱淀粉-多酚復(fù)合物的淀粉糊熱穩(wěn)定較好。高粱淀粉-多酚復(fù)合物較高粱淀粉而言，其回生值呈下降趨勢(shì)，可能是由于內(nèi)源性多酚與高粱淀粉發(fā)生相互作用，從而抑制了淀粉分子的重結(jié)晶，延緩淀粉老化，進(jìn)而導(dǎo)致回生值下降，與2.3中凍融穩(wěn)定性研究結(jié)果一致。

表2 高粱淀粉-多酚復(fù)合物與高粱淀粉的的黏度特性

2.5 高粱淀粉-多酚復(fù)合物與高粱淀粉熱力學(xué)特性的比較分析

如表3所示，高粱淀粉-多酚復(fù)合物的起始溫度(T0)、峰值溫度(TP)和終值溫度(Tc)較淀粉分別降低1.6、3.2和7.3 ℃，糊化焓(ΔH)降低3.58 J/g。高粱淀粉-多酚復(fù)合物的熱力學(xué)特性低于淀粉，表明高粱淀粉-多酚復(fù)合物的熱穩(wěn)定性較差，可能存在兩個(gè)原因，首先高粱淀粉-多酚復(fù)合物中含有的內(nèi)源性多酚有較多酚羥基，可能會(huì)與支鏈淀粉分支或直鏈淀粉發(fā)生非共價(jià)結(jié)合，從而改變晶體與非晶體之間的耦合矩陣，減少淀粉糊化時(shí)所需要的能量[21]，促進(jìn)其糊化；最后，內(nèi)源性多酚可改變體系pH，有研究發(fā)現(xiàn)，pH的改變會(huì)顯著影響淀粉發(fā)生糊化時(shí)所需的溫度和能量[22]。

表3 高粱淀粉-多酚復(fù)合物與高粱淀粉的熱力學(xué)特性

3 結(jié)論

高粱淀粉-多酚復(fù)合物的溶解度高于高粱淀粉，而膨潤(rùn)力、析水率、凝沉性均低于高粱淀粉；兩種淀粉在糊化過(guò)程中，高粱淀粉-多酚復(fù)合物的黏度特征值、熱力學(xué)特征值均低于高粱淀粉，高粱淀粉-多酚復(fù)合物不易老化，易糊化。兩者之間理化性質(zhì)上的差異可能是由于高粱淀粉含有的內(nèi)源性多酚對(duì)高粱淀粉的理化性質(zhì)具有一定的影響，以期為高粱淀粉-多酚復(fù)合物及高粱淀粉的開(kāi)發(fā)、利用奠定理論基礎(chǔ)，但需進(jìn)一步探究高粱中內(nèi)源性多酚與高粱淀粉相互作用的具體方式及作用機(jī)制。