洋葱皮乙醇提取物对马铃薯淀粉理化性质及回生性质的影响

高增明，张福娟，姜辰昊，王存堂,2*

1(齐齐哈尔大学 食品与生物工程学院，黑龙江 齐齐哈尔，161006) 2(东北农业大学 食品学院，黑龙江 哈尔滨，150030) 3(朝阳师范高等专科学校生化工程系，辽宁 朝阳，122000)

马铃薯作为我国第4大粮食作物，是国民绿色食品、健康产业发展中重要食品。马铃薯淀粉(potato starch，PS)是除小麦、玉米之外的第3大淀粉原料，也是国家推行马铃薯主食化的主要原因[1]。PS具有很好的加工性能，如色泽洁白，透明度较高以及膨胀性大等，已在食品加工、医药制造、纺织印染、造纸和日用化妆品等行业广泛应用[2]。但由于PS制品的性能都受到淀粉回生的影响，回生成为制约马铃薯主食化发展的一个主要因素，因此可利用食品添加剂改善PS产品的感官特性和存储特性等。研究表明，可通过化学(乳化剂类、低聚糖类以及亲水性胶体等)、物理(微波、高温高压、超声、电离放射处理等)以及生物技术改变淀粉结构，达到改善淀粉应用特性的目的[3]。植物多酚类物质通常作为天然抗氧化剂添加到淀粉类食品中，许多研究表明多酚类物质对淀粉的回生性质有显著影响，如原花青素可抑制大米淀粉的回生[4]，阿魏酸可抑制马铃薯淀粉的回生[5]，绿茶多酚提取物可显著抑制大米、玉米和马铃薯淀粉的回生[6]，而黑茶中的多酚类物质对蜡质玉米淀粉和大米淀粉的回生能起到显著的抑制效果，但是将黑茶多酚加入到马铃薯淀粉中，则对其糊化焓值和回生焓值没有显著影响[7]，但芦丁和槲皮素对小麦淀粉的回生进程却具有促进作用[8]。由此可见，植物多酚类物质对淀粉回生的影响主要与多酚物质的种类与结构、多酚的添加量以及淀粉的来源密切相关。洋葱外皮中黄酮类物质含量极为丰富，其成分主要是黄酮类、黄酮醇类和花色素类等，具有抗氧化、抗炎、杀菌、降血压等生理作用[9]，但是洋葱皮黄酮类物质对马铃薯淀粉理化性质和回生性质的影响未见报道。因此，本研究将洋葱皮乙醇提取物(ethanol extract of onion skins, EEOS)添加到PS中，通过分析PS的透明度、老化度、溶解度、膨胀度以及凝胶强度的变化，探讨EEOS对PS理化性质的影响；采用差式扫描量仪(differential scanning calorimeter,DSC)测定其糊化和回生的热力学性质，评价EEOS对PS回生的影响，同时分析了EEOS对PS体外消化性能的影响，从而为洋葱皮黄酮类物质在淀粉质食品中的广泛应用、为开发具有多种功能特性的食品提供有效的数据支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

紫色洋葱皮,齐齐哈尔市浏园市场；马铃薯淀粉(含水质量分数14.21%)，市售；糖化酶(100 000 U/g)、猪胰腺α淀粉酶(20 000 U/mL)、NaOH、乙酸、乙醇、无水乙酸钠、重苯酚、3，5-二硝基水杨酸、酒石酸钾钠、Na2SO3均为分析纯，天津凯通化学试剂公司。

2L-ARE旋转蒸发器，上海皓庄仪器有限公司；GX-220高速不锈钢多功能粉碎机，浙江高鑫工贸有限公司；UPG-722可见分光光度计，北京优谱通用科技有限公司；C-LM型数显式剪切力仪，东北农业大学工程学院；真空冷冻干燥机(2.5L freezePrysystem)，美国Labconco公司；STA449F3同步热分析仪，德国耐驰有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 EEOS的制备

取粉碎的紫色洋葱皮100 g，然后加入体积分数70%的乙醇200 mL，在25 ℃下浸提2 h，然后将浸提液经6 000 r/min的离心处理，取上清液备用。离心后的沉渣再次经过浸提、离心处理，合并2次离心上清液。将合并后的提取液在旋转蒸发器中真空浓缩(50 ℃)，再将浓缩液冷冻干燥即为EEOS(得率为10.28%，总酚质量分数为42.12%)，将EEOS储存于-20 ℃冰箱中备用。

1.2.2 PS透明度测定

取PS 1.0 g，加入占PS质量分别为0(对照)、1%、2.5%、5.0%、10.0%的EEOS进行混合，然后加入100 mL去离子水配制成PS-EEOS混合溶液， 90 ℃水浴加热30 min，随即冷却到20 ℃，振荡器摇匀，在620 nm处测定吸光度值，并将样品在4 ℃下分别冷藏1、3、5、7 d后，将样品摇匀后在620 nm处测定淀粉溶液的吸光度值，并用去离子水做空白[5]。

1.2.3 PS溶解度、膨胀度测定

取PS 1.0 g，加入占PS质量分别为0(对照)、1%、2.5%、5.0%、10.0%的EEOS进行混合，然后加入100 mL去离子水配制成PS-EEOS混合溶液，在90 ℃下加热30 min，然后冷却到室温，在4 000 r/min离心10 min，将上清液倒入培养皿中在水浴锅上蒸干，并在105 ℃烘箱中烘干至恒重。称取被溶解淀粉的质量记为A，W为1.0 g,按公式(1)计算淀粉的溶解度S：离心管剩余淀粉糊的质量记为P，按公式(2)计算淀粉的膨胀度B[5]。

(1)

(2)

1.2.4 PS老化度测定

取PS 1.0 g，加入占PS质量分别为0(对照)、1%、2.5%、5.0%、10.0%的EEOS进行混合，然后加入100 mL去离子水配制成PS-EEOS混合溶液，在90 ℃下加热30 min，然后冷却到室温，将其分装到离心管中，并在4 ℃下静置冷藏1、3、5、7 d后，记录上清液的体积[5]，淀粉老化度按公式(3)计算:

(3)

1.2.5 PS凝胶硬度测定

按照廖卢艳等[10]的方法并做修改。准确称量20 g PS，分别加入占PS质量的0(对照)、1%、2.5%、5.0%、10.0%的EEOS进行混合，再加入25 mL去离子水配制成淀粉溶液，在90 ℃下加热30 min使其糊化，冷却至室温后，装进 10 mL 的注射器中冷却，并在4 ℃下冷藏1、3、5、7 d后，形成直径 1.5 cm 的圆柱形凝胶。测试前将凝胶倒出切成直径1.5 cm高2 cm 的小圆柱形体在CL-M型剪切力仪上进行凝胶硬度测定，凝胶柱被切断时所受的力的大小(N)即为凝胶硬度。此值越大，说明凝胶硬度越大。

1.2.6 PS回生样品的制备

取PS 10 g，分别加入占PS质量的0(对照)、1.0%、2.5%、5%、10%的EEOS混合，并加入20 mL水后在121 ℃下糊化20 min。将糊化后样品放入4 ℃冰箱内贮存15 d后，将样品冻干后研磨，过120目筛后，备用。

1.2.7 糊化和回生PS的热力学性质测定

采用DSC对糊化和回生PS的热力学性质进行测定[4]。分别添加占PS质量的0(对照)、1%、2.5%、5%及10%的EEOS于PS中。称取2 mg EEOS-PS混合样品加入PE坩埚中，按质量比1∶2的比例加入去离子水。混合样品密封，4 ℃条件下静置24 h，在DSC上进行糊化焓值测定。测定条件如下：以10 ℃/min的速度从30 ℃升温到120 ℃，以空坩埚作对照，N2为载气，气流流速为20 mL/min。根据糊化温度曲线，可以确定出淀粉糊化过程中的起始温度(T0)、峰值温度(Tp)、终止温度(Tc)和糊化焓值(ΔHg)。然后测定1.2.6中EEOS-PS混合物回生样品的起始温度、峰值温度、终止温度和回生焓值(ΔHr)升温程序与测定条件和测定糊化焓值的相同，回生率为相同EEOS添加量的PS的回生焓和糊化焓的比值，根据回生温度曲线可以确定并计算样品的回生率DR(%)，按公式(4)计算：

(4)

1.2.8 回生 PS 的体外消化性能测定

根据 Englyst 法进行PS体外消化实验，分别配制质量分数为0(对照)、1%、2.5%、5%、10% EEOS的 PS 混合样品。取 100 mg 样品，加入25 mL乙酸钠缓冲液(pH 5.2)，振荡混匀后加入 5 mL 混合酶溶液(将5 mL 2.0×104U/mL猪胰腺α-淀粉酶与2 g 1.0×105U/g糖化酶溶于100 mL蒸馏水离心取上清液即为混合酶溶液)。37 ℃气浴条件下振荡反应，当反应20、120 min时分别取出反应液1 mL，随机灭酶处理(加入5 mL体积分数 95%的乙醇)，然后以5 000 r/min离心10 min。取1 mL 离心上清液，加入2 mL DNS 溶液后沸水浴 5 min，随即定容至 15 mL，在 520 nm处测其吸光度值。以葡萄糖为标准品，做标准曲线，方程式为y=1.613 4x-0.083 2，R2=0.999 1，根据葡萄糖标准曲线计算淀粉在20和120 min生成还原糖的含量[11],快消化淀粉(rapidly digestible starch，RDS)、慢消化淀粉(slowly digestible starch，SDS)、抗性淀粉(resistant starch，RS)分别按公式(5)(6)(7)计算:

(5)

(6)

(7)

式中:m20为酶水解20 min后产生的葡萄糖质量,mg；mG为酶水解处理前淀粉中游离葡萄糖质量,mg；m120为酶水解120 min后产生的葡萄糖质量,mg；mTS为样品中总淀粉质量,mg。

1.3 数据处理

所有实验结果用平均值±标准差表示，使用软件SPSS 21.0进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 EEOS对PS透明度的影响

许多因素都会对淀粉糊的透明度产生影响，包括淀粉的植物来源、淀粉中脂肪酸含量、直链淀粉和支链淀粉的含量，以及在淀粉糊化过程中添加的化学成分等[5]。由图1可知，随着储藏时间的延长，添加不同量的EEOS淀粉透明度逐渐下降。这是由于淀粉与水共热后，淀粉分子吸水膨胀，支链和直链分子不断进行交联作用，随着储藏时间的延长，分子交联越多，促使透明度越低。同时，在相同的贮藏时间下，EEOS 的添加促使 PS 的透明度显著增加。在糊化 PS 储存第7天时，添加了2.5% EEOS 的PS 透明度均显著高于对照组样品在第0天时的透明度。此外，糊化 PS 储存至第7天时，与第1天相比，对照组 PS 的透明度下降了62.03%，而EEOS添加质量分数为2.5%的PS透明度仅仅下降了40.99%，说明 EEOS 对 PS 的透明度下降有很好的抑制效果。

图1 EEOS的添加量对PS透明度的影响Fig.1 Effect of EEOS addition on light transmittance of PS

与我们的实验结果相似的是，苦荞多酚的添加可导致荞麦淀粉和小麦淀粉的透光率显著下降[8]，同时在高直链淀粉中添加咖啡酸、绿原酸、儿茶素、没食子酸、花青素、单宁酸以及阿魏酸等，也可导致淀粉糊的透明度下降。然而，也有研究发现在蜡质玉米淀粉中添加咖啡酸、绿原酸、没食子酸以及单宁酸，则淀粉糊的透明度变化不显著，将花青素和儿茶素加入蜡质玉米淀粉可导致淀粉糊透明度显著增加[5]。由此可知，由于淀粉来源和多酚结构的差异，导致多酚类物质的添加对淀粉透明度的影响差异很大。

2.2 EEOS对PS溶解度和膨胀度的影响

淀粉的溶解度和膨胀度是淀粉与水在加热的条件下出现的最基本的物理性质。淀粉与水之间相互作用力的强弱可以通过溶解度和膨胀度的大小来判断。通常在常温下淀粉不溶于水，然而当水-淀粉混合物受热时，直链淀粉析出和水分子不断形成氢键，表现为淀粉开始溶解，随着糊化时间的延长，未溶解的淀粉分子逐渐吸水膨胀，分子内部的作用力不断减小，膨胀度增大[5]。由图2可知，EEOS的添加可显著增加马铃薯淀粉糊的溶解度和膨胀度(P<0.05)，而且随着EEOS添加量的增加，马铃薯淀粉糊的溶解度和膨胀度也随之增大。与对照组相比，当EEOS的添加质量分数为10%时，淀粉糊溶解度和膨胀度分别增加了约2.2倍和2.7倍。

于此结果相似的是，没食子酸的添加也可导致玉米淀粉的溶解度和膨胀度增大[5]，这可能是因为EEOS中羟基基团能够进入到淀粉分子的内部从而产生一定的空间位阻，导致直链、支链淀粉不能重新聚合，从而暴露出更多的氢键与水结合，从而使淀粉糊的溶解度增大[12]。然而也有研究发现，单宁酸、原花青素、咖啡酸、儿茶素、绿原酸和阿魏酸均能减小玉米淀粉的溶解度膨胀度[5]。由此可见，由于淀粉来源和多酚结构以及多酚的添加量的不同，对淀粉溶解度和膨胀度的影响差异很大。

图2 EEOS的添加量对PS溶解度和膨胀度的影响Fig.2 Effect of EEOS addition on solubility and expansion of PS

2.3 EEOS对PS老化度的影响

淀粉的老化度可以用淀粉的持水能力大小来表示。糊化后的淀粉分子在冷却的过程中，处于无序状态的分子间开始互相碰撞、结合，而在分子结合成有序状态的过程中促使水分析出，从而导致淀粉的持水能力下降。当淀粉析出的水分越多时，则表明淀粉的持水能力越小，即淀粉的老化程度越大[13]。由图3可知，随着回生时间的延长，PS的老化度也随之增加。但是，EEOS的添加促使PS老化度下降。与对照组相比，在不同的回生时间，EEOS添加质量分数为2.5%的PS老化度下降最大，说明EEOS的添加对PS的回生有抑制效果，且对PS回生的抑制程度随EEOS添加量的增加呈现先上升后下降的趋势。此外，EEOS的添加对PS老化的速率也有显著影响，对照组样品第7天的老化度比第1天时增加了46.33%；而添加2.5%EEOS的PS样品在回生7 d 后的老化度则上升了42.91%。

图3 EEOS的添加量对PS老化度的影响Fig.3 Effect of EEOS addition on aging degree of PS

淀粉老化的过程是淀粉链相邻分子间通过氢键重新结合的过程，是由无序结构逐步向有序结构转变的过程，植物多酚类化合物属于多羟基结构，可与淀粉分子形成氢键，从而阻碍了淀粉分子间氢键的形成，抑制多酚淀粉老化的进程[7]。研究发现，柑橘黄酮(柚皮苷、新橙皮苷、橙皮苷)可以延缓玉米淀粉的老化进程[14]，而芦丁或槲皮素则加快了小麦淀粉老化进程[15]，同时绿茶提取物可以降低大米、玉米和马铃薯淀粉的老化进程，且绿茶提取物对大米淀粉和玉米淀粉的老化抑制效果优于马铃薯淀粉[6]。由此可见，植物多酚类物质对淀粉的老化的影响因素较为复杂，淀粉来源、植物多酚结构以及多酚的添加量等均对淀粉老化度的影响较大。需要指出的是，EEOS(主要是黄酮类物质)富含较多的羟基，这些羟基可能增加淀粉分子链间的空间位阻，从而增加淀粉分子的持水性能，抑制马铃薯淀粉的老化进程[16]。

2.4 EEOS对回生PS凝胶硬度的影响

硬度是淀粉类食物在回生过程中最主要的感官特性，因此也是淀粉类食品最重要的评价指标之一[5]。淀粉类食物在贮存过程中，老化程度加剧导致食品的硬度增加、口感变差。淀粉糊化后在冷却的过程中，分子内部相互交缠形成三维的网络结构的凝胶状态，使其具有一定的硬度[17]。

从图4可知，在贮存过程中，PS凝胶的硬度呈总体升高的趋势。EEOS的添加可导致PS凝胶硬度增加速度显著降低(P<0.05)，且当EEOS的添加量增加时，PS凝胶硬度下降程度更大。

图4 EEOS的添加量对PS凝胶硬度的影响Fig.4 Effect of EEOS addition on the hardness of PS gel

许多研究发现了相似的研究结果，芦丁或槲皮素也可导致小麦淀粉形成的凝胶硬度减小[15]，同时茶多酚可使甘薯淀粉的凝胶硬度显著下降，也抑制了回生过程中凝胶硬度的增加速率[18]。这可能是因为植物多酚类成分可与淀粉分子形成氢键、疏水键和范德华力，从而改变淀粉分子间的相互作用，一定程度上抑制淀粉分子的重排和结晶过程，进而降低淀粉凝胶的硬度[15]。

2.5 EEOS对回生PS糊化热力学性质的影响

淀粉的糊化焓值代表在与水共热的条件下，解开淀粉分子中双螺旋结构能量的大小，其本质是亲水性的羟基基团与支链淀粉的侧链相互作用，并在不同程度上结合到淀粉颗粒的无定形区域，从而改变结晶区和无定形基质之间的耦合力的能力[19]。

如表1所示，与对照组相比，添加EEOS的PS的糊化初始温度(To)、糊化峰值温度(Tp)和糊化焓值(ΔHg)均显著下降(P<0.05)，这说明在PS中添加EEOS后，在较低温度条件下，淀粉颗粒也能出现糊化过程。与对照组相比，EEOS添加质量分数为2.5%时，PS的ΔHg是18.48 J/g，下降程度最大为31.86%，当EEOS的添加量继续增大时，PS的ΔHg又出现了上升的现象。

表1 洋葱皮乙醇提取物添加量对PS糊化热力学特性影响Table 1 Effect of EEOS adding amount on gelatinization thermodynamic properties of PS

植物多酚类物质，如茶多酚、苦荞多酚等含有较多羟基，容易与淀粉的侧链发生相互作用，能在一定程度上促进淀粉的糊化[6, 8]。这被认为是由于多酚的羟基与淀粉的非结晶区域发生不同程度的结合，从而改变晶体与非晶体之间的耦合矩阵，使得淀粉在糊化时所需的能量减小[20]。由此可见，在马铃薯淀粉中添加EEOS，可导致其糊化温度和糊化焓值下降，表明EEOS可促使马铃薯淀粉加热时发生糊化所需的能量更小。

2.6 EEOS对回生PS热力学性质的影响

在低温条件下贮存时，糊化后淀粉分子间可形成以氢键结合的晶体聚合物[21]。淀粉回生焓值(ΔHr)指当淀粉晶体聚合物发生熔融时所需要的能量，所以ΔHr越大淀粉的回生程度越大[5]。

由表2可知，EEOS的添加对淀粉的ΔHr和 DR 影响显著，且随着含量的增加,淀粉的ΔHr和 DR 呈现先下降后上升的趋势。与对照组相比，添加2.5% EEOS的PS，ΔHr和 DR 分别下降了50.19%和26.91%。XIAO等[7]研究发现，茶多酚可降低大米淀粉老化焓值,与本研究结果相似。植物多酚中的羟基易与淀粉中的羟基形成氢键，这个过程可抑制淀粉多聚物链的形成，从而使得回生淀粉的重结晶在熔融时所需的能量下降。同时，过量的EEOS可在淀粉表面形成水化层，使得淀粉外层不能直接与水进行接触，表现为ΔHr和 DR 的增加。

表2 EEOS添加量对PS回生15 d的热力学特性及DR值的影响Table 2 Effect of EEOS adding amount on regeneration thermodynamic properties and DR of PS

2.7 EEOS对PS体外消化性能的影响

许多因素都会对淀粉的消化性能产生影响，如淀粉的来源、淀粉颗粒的大小、淀粉中支链与直链淀粉含量之间的比值、淀粉结晶结构以及分解淀粉的酶的活性等[22]。由表3可知，当EEOS添加质量分数为10%时，与对照组相比，在4 ℃回生5 d 的PS中，RDS下降了58.61%，SDS和RS分别增加了约2倍和8倍。此外，随着回生时间的延长，对照组中RDS的含量下降较快，而随着EEOS的添加量增大，RDS的含量下降趋势明显减缓，这也说明EEOS的添加抑制了PS的回生过程。

表3 EEOS添加量对回生PS体外消化的影响Table 3 Effects of EEOS assing amount on in vitro digestive properties of PS after retrogradation

与此结果相似的时，茶多酚也可导致玉米淀粉和马铃薯淀粉中的SDS和RS的含量增加。这可能由于植物多酚类物质的多羟基结构形成较多的氢键，同时淀粉的颗粒表面被多酚类物质的多羟基结构紧紧包围，减少了酶对淀粉消化作用的表面积[23]。SUN等[24]研究发现，植物多酚类成分对淀粉体外消化性能具有显著的抑制效果，其作用主要表现在对关键消化酶(α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶)活性的抑制效果，也表现为植物多酚对淀粉本身结构的影响。因此，植物多酚类提取物或纯多酚与淀粉的共存体系可为预防和治疗II型糖尿病产品的开发提供理论依据[25]。

3 结论

PS在回生过程中理化性质和回生性质均发生变化。当EEOS加入PS中，可显著改变PS的理化性质和回生性质，PS的透明度、溶解度、膨胀度均有所增加，且当EEOS添加质量分数为2.5%时，其透明度、溶解度、膨胀度增加值最高，老化度下降最低。当EEOS 的添加量增大时，PS形成的凝胶硬度会逐渐下降。EEOS的添加可促使PS糊化初始温度、峰值温度和糊化焓值降低，同时也导致PS回生焓值和回生率下降，EEOS既降低了PS的糊化温度，也抑制了PS的回生程度。EEOS的添加，导致PS的消化性能下降，RDS含量下降，SDS和RS的含量增加。由于EEOS属于粗提物，影响PS回生性质的黄酮类物质的分子结构并不明确。因此，为了深入分析洋葱皮黄酮类物质对PS回生性质的影响机理，今后可将EEOS分离纯化并鉴定相关物质结构，通过红外光谱、核磁共振技术等揭示具体的黄酮类物质对PS回生的影响机制。