槲皮素苦荞淀粉复合物制备工艺优化

高闪闪,刘 娜,彭 强,王 敏

(西北农林科技大学食品科学与工程学院,陕西杨凌 712100)

苦荞麦作为药食同源的粮食珍品,除含有淀粉、脂肪、蛋白质等基本成分外,还含有其他粮食作物所不具有的特殊微量元素及芦丁、槲皮素等黄酮类物质,有明显地降血糖、降血脂和预防轻型糖尿病等营养保健功能[1]。以苦荞为基质的食品主要有荞麦面条、碗托、凉皮等传统食品及苦荞酒、苦荞醋和苦荞酸奶等保健食品[2]。荞面碗托、凉皮等凝胶类食品因其口软耐嚼,光滑细嫩,热值低等特点,深受消费者喜爱。但此类食品在运输、贮藏、反复冻融过程中容易老化,冷冻期间产生的冰晶嵌入并聚集在老化淀粉的海绵状结构中,而解冻后冰晶融化成易与基质分离的水,产生脱水收缩[3],导致凝胶析水,变硬,粘弹性下降,严重影响其感官性状、营养价值和货架期[4]。淀粉在冻融过程中的稳定性是反应淀粉类食品冷冻保存以及运输过程中食品品质的重要指标,因此寻找一种安全、高效的品质改良剂对于提高淀粉冻融稳定性,延缓凝胶类淀粉老化具有重要意义。

大量的研究表明茶多酚[5-7]、芦丁[8]、柑橘黄酮[9]、阿魏酸[10]等多酚与淀粉结合可以提高淀粉冻融稳定性,改善淀粉回生能力,延缓淀粉老化,并且多酚与淀粉的复合程度在一定范围内与抗回生能力成正比[5,11-12]。因此,本研究以复合率为指标,分别进行单因素和正交试验,对槲皮素和苦荞淀粉复合物制备工艺进行优化,并对槲皮素对苦荞淀粉冻融稳定性的影响进行评价,以期为苦荞淀粉冻制品的生产与开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

西农“9940”苦荞麦种子 陕西省榆林荞麦试验站提供,经脱壳机脱壳后,提取苦荞淀粉冷藏(备用)。苦荞淀粉基本化学组成为:水分10.04%,粗蛋白0.42%,粗脂肪1.85%,总淀粉含量88.70%,直链淀粉含量30.33%,灰分0.14%;槲皮素标准品(纯度≥97.0%)、直链淀粉标准品 美国Sigma公司;其他试剂 均为市售国产分析纯。

DHG-9203A型电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏仪器有限公司;HC-3016R型高速冷冻离心机 安徽中科中佳科学仪器有限公司;UV-1800型紫外可见分光光度计 上海美普达科技有限公司;KS型调速多用振荡器 常州国华电器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 苦荞淀粉的分离提取 参考Liu等[13]的方法稍微改动后提取苦荞淀粉。苦荞麦籽粒脱壳后加水静置过夜,豆浆机进行打浆,过100目筛,40 ℃烘干。按照料液比1∶10 g/mL(m/V)加入质量分数为0.3% NaOH溶液,搅拌均匀,静置12 h,倒掉上层液,用去离子水洗涤沉淀至上层液澄清,过200目筛,将收集到的淀粉沉淀40 ℃烘干、粉碎、过100目筛后备用。

1.2.2 槲皮素-苦荞淀粉复合物的制备 准确称取苦荞淀粉(1.0 g)置于锥形瓶中,加入一定量蒸馏水制得淀粉乳液。将淀粉乳置于水浴锅中,在一定温度下以200 r/min的转速搅拌加热一定时间后,添加一定量的槲皮素溶于10 mL 60%乙醇溶液中,缓慢滴入锥形瓶,在此糊化温度下水浴振荡复合一定时间,得到槲皮素-苦荞淀粉复合物。

1.2.3 单因素实验

1.2.3.1 料液比对复合率的影响 准确称量1.0 g苦荞淀粉,按1∶10,1∶20,1∶30,1∶40,1∶50 g/mL(淀粉∶蒸馏水,m/V)的料液比添加蒸馏水。70 ℃预糊化15 min,添加10%槲皮素(槲皮素:淀粉,w/w)溶于10 mL 60%乙醇溶液中,缓慢滴入锥形瓶,水浴振荡复合2 h,4000 r/min离心淀粉糊剂15 min测定复合率。

1.2.3.2 预糊化温度对复合率的影响 将荞麦淀粉(1.0 g)准确称量到锥形瓶中,料液比取1∶10 g/mL。在50、60、70、80、90 ℃水浴锅中预糊化15 min后,添加10%槲皮素,水浴振荡复合2 h,4000 r/min离心淀粉糊剂15 min测定复合率。

1.2.3.3 预糊化时间对复合率的影响 准确称量1.0 g苦荞淀粉,料液比取1∶10 g/mL。70 ℃预糊化0、5、10、20、25 min后,添加10%槲皮素(槲皮素:淀粉,w/w),水浴振荡复合2 h,4000 r/min离心淀粉糊剂15 min测定复合率。

1.2.3.4 槲皮素添加量对复合率的影响 准确称量1.0 g苦荞淀粉,料液比取1∶10 g/mL。70 ℃预糊化15 min后,分别添加0%、2.5%、5.0%、10%、15%、20%的槲皮素(槲皮素:淀粉,w/w),水浴振荡复合2 h,4000 r/min离心淀粉糊剂15 min测定复合率。

1.2.3.5 共糊化时间对复合率的影响 准确称量1.0 g苦荞淀粉,料液比取1∶10 g/mL。70 ℃预糊化15 min后,添加10%槲皮素(槲皮素∶淀粉,w/w),水浴振荡分别复合0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h,4000 r/min离心淀粉糊剂15 min测定复合率。

1.2.4 槲皮素-苦荞淀粉复合物制备的正交试验 根据单因素实验的结果,选择共糊化时间(A)、预糊化温度(B)、槲皮素添加量(C)、预糊化时间(D)、料液比(E)为考察因素,以复合率为指标,进行L16(45)正交试验以优化槲皮素-苦荞淀粉复合最佳工艺条件,正交试验因素与水平如表1所示。

表1 正交试验因素与水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2.5 复合率的测定 使用Liu 等[14]方法稍作修改测定槲皮素-苦荞淀粉复合物的复合率。将苦荞淀粉-槲皮素复合物糊剂(1 mL)加入5 mL蒸馏水,涡旋2 min并以4000 r/min离心15 min。取500 μL上清液与碘试剂混合均匀后,测定溶液在620 nm处的吸光值。使用预糊化淀粉的吸光度值作为参考,样品测定重复三次,复合率按下式计算。

式(1)

式中,CI为复合率,%;A0为预糊化淀粉的吸光度;A1为苦淀粉-槲皮素复合物的吸光值。

1.2.6 冻融稳定性测定 根据Yang等[15]的方法适当修改测定样品的冻融稳定性。称取1.0 g最佳工艺条件下制备的不同槲皮素添加量的复合物溶于16 mL蒸馏水中沸水浴加热30 min,样品溶液在-20 ℃下储存24 h后30 ℃解冻4 h。解冻后的样品1500×g下离心15 min,除去多余的水,计算析水率。冻融循环重复3次。

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式(2)

式中,W为析出水分的质量,g;M为总样品质量,g。

1.3 数据处理

数据经过整理后,采用Minitab 16.2.3进行单因子方差分析,Origin 7.5作图。试验重复3次,结果以“均值±标准差”表示。

2 结果与分析

2.1 料液比对复合率的影响

料液比对复合率的影响如图1所示。当料液比为1∶10 g/mL和1∶20 g/mL时,苦荞淀粉-槲皮素复合物的复合率维持在30%,但当料液比超过1∶20 g/mL时,复合率下降至10.07%。槲皮素不溶于水,较易溶于热乙醇,当体系中水分含量提高时乙醇浓度相对降低,溶液中溶解的槲皮素也随之变小[16]。因此当料液比较高时,苦荞淀粉与槲皮素的接触程度较小,苦荞淀粉-槲皮素复合物的复合率随之减小。若料液比过低,淀粉糊浓度太高,难以形成均匀的糊状体系。淀粉与槲皮素无法充分结合,导致制备的复合物不均一。因此,适宜的料液比选为1∶10 g/mL。

图1 料液比对复合率的影响Fig.1 Effect of ratio of material to liquid on recombination rate注:不同小写字母代表差异显著(P<0.05),图2～图6同。

图6 不同含量槲皮素-苦荞淀粉复合物冻融稳定性Fig.6 The syneresis of different content ofquercetin-Tartary buckwheat starches complex

2.2 预糊化温度对复合率的影响

预糊化温度对复合率的影响如图2所示。预糊化温度对苦荞淀粉和槲皮素之间的复合程度影响较大,在70 ℃时复合率最高,达到30.95%,较低或较高的温度都会使其下降。当预糊化温度为50～70 ℃时,复合率随温度的升高而升高。在一定范围内高温导致淀粉分子链由紧密的有序排列变为无序的散乱排列,从而增大淀粉和槲皮素的接触面积,提高二者复合机会,但温度过高淀粉黏度相应增加,溶质流动性减小,不利于淀粉和槲皮素接触从而使复合率下降。因此,适宜的预糊化温度为70 ℃。Deshpande等[17]研究了不同种类淀粉与单宁酸和儿茶素分别在21 ℃(4 h)和95 ℃(30 min)下的结合量,发现两种条件下均能结合,但当结合温度为95 ℃时其结合量下降。刘华玲等[18]研究茶多酚/直链淀粉复合物制备工艺时发现反应温度升高有利于复合物的形成,但温度过高会破坏直链淀粉的螺旋结构影响复合物的形成。

图2 预糊化温度对复合率的影响Fig.2 Effect of pregelatinization temperatureon recombination rate

2.3 预糊化时间对复合率的影响

预糊化时间对复合率的影响如图3所示。苦荞淀粉-槲皮素复合物的复合率在前5 min基本没有变化,但在预糊化时间为10 min时,复合率达到35.33%,之后随时间的延长,复合率下降。复合物的形成与苦荞淀粉和槲皮素之间的接触面积有关,在一定范围内,两者的接触面积越大,复合程度越大[19]。在预糊化时间为10 min时淀粉颗粒被破坏,组织变松散,更有利于复合。因此,适宜的预糊化时间为10 min。

图3 预糊化时间对复合率的影响Fig.3 Effect of pregelatinization time on recombination rate

2.4 槲皮素添加量对复合率的影响

槲皮素添加量对复合率的影响如图4所示。槲皮素添加量越高,苦荞淀粉-槲皮素复合物的复合率也越高。当槲皮素添加量超过10%时,其与苦荞淀粉的复合率接近饱和,复合率没有显著性差异(P>0.05)。因此,适宜的槲皮素添加量选为10%。

图4 槲皮素添加量对复合率的影响Fig.4 Effect of quercetin addition on recombination rate

2.5 共糊化时间对复合率的影响

图5 共糊化时间对复合率的影响 Fig.5 Effect of common gelatinization timeon the recombination rate

2.6 复合物制备的工艺参数优化

按表1的正交因素水平设计L16(45)正交试验,结果如表2所示。16组中,槲皮素-苦荞淀粉复合物的复合率最低为7.2%,最高可达到37.29%。由R值可知,各因素对复合率的影响大小顺序为:B>C>A>E>D,即预糊化温度为主要因素,其次为槲皮素添加量、共糊化时间、料液比及预糊化时间。通过K值得出最佳复合工艺为:A2B3C4D3E1,即共糊化时间1 h,预糊化温度70 ℃,槲皮素添加量10.0%,淀粉预糊化时间10 min,料液比1∶10 g/mL。正交试验方差分析结果如表3所示。由P值可知,因素A、B、C、E对槲皮素-苦荞淀粉复合率影响极显著(P<0.01),因素D对复合率无显著影响(P>0.05)。

表2 正交试验设计与结果Table 2 Design and results of orthogonal test

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

2.7 试验结果验证

采用最佳制备工艺条件进行验证,以检验正交试验设计的可靠性。槲皮素-苦荞淀粉复合物在共糊化时间1 h、预糊化温度70 ℃、槲皮素添加量10.0%、淀粉预糊化时间10 min、料液比1∶10 g/mL条件下,复合率为38.72%±0.91%,而在已有的16组方案中,复合率最高为37.29%±2.84%。可见,优化的试验方案为最优方案。

2.8 槲皮素添加量对苦荞淀粉冻融稳定性的影响

槲皮素添加量对苦荞淀粉冻融稳定性的影响如图6所示。冻融次数为3时,苦荞淀粉的析水率为63.9%,而槲皮素添加量为2.5%、5.0%、7.5%、10%时复合物的析水率分别为58.94%、62.40%、61.55%、55.36%。随槲皮素含量的增加,苦荞淀粉析水率显著下降(P<0.05)。因此,苦荞淀粉与槲皮素的复合可以提高淀粉的冻融稳定性,减缓淀粉的老化速度,且复合程度越高抑制老化作用越强。这与杨鑫[20]测定的荞麦黄酮对玉米淀粉特性的影响结果相同。造成此现象的原因可能是淀粉与槲皮素之间的相互作用增加了淀粉间的交联,老化淀粉的海绵结构更加紧密,淀粉的持水力增加,降低了反复冷冻、融化时水分的析出。

3 结论

影响槲皮素-苦荞淀粉复合物制备主次顺序依次为:预糊化温度、槲皮素添加量、共糊化时间、料液比、预糊化时间。槲皮素-苦荞淀粉复合物制备的最优工艺条件为:预糊化温度70 ℃,料液比1∶10 g/mL,槲皮素添加量为10.0%,共糊化时间1 h,预糊化时间10 min。在此工艺条件下槲皮素-苦荞淀粉复合率可达38.72%±0.91%。槲皮素的添加可有效改善苦荞淀粉的冻融稳定性。