多酚对淀粉的热力学特性的影响

任顺成，胡海洋，李柯柯

（河南工业大学 河南省天然色素制备重点实验室 郑州 450001）

淀粉是人类饮食的主要成分，在人类健康中发挥着重要作用，在许多植物组织中以颗粒形式合成。淀粉颗粒直径约1～100 μm，由直链淀粉和支链淀粉两种类型的淀粉组成[1-2]。根据不同的直链淀粉和支链淀粉的比例，可以将直链淀粉分为蜡质淀粉、普通淀粉和高直链淀粉。通常，蜡质淀粉的直链淀粉含量小于15%[3]，普通淀粉约含有20%～30%的直链淀粉[4]，而高直链淀粉的直链淀粉含量大于50%[5]。多酚广泛分布在水果、蔬菜、全麦、坚果、橄榄油、咖啡和茶等食物中，平均每人每日摄入量约1 g。在过去几年中，多酚和富含多酚的食物因对人体有抗动脉粥样硬化、抗过敏、抗炎、抗氧化、心脏保护和血管舒张等潜在益处而备受关注[6-8]。

食品中的淀粉和多酚之间可发生一定的相互作用，主要涉及氢键、疏水键、静电和离子键等非共价键，并且二者的相互作用强、弱受其结构特征以及物理化学参数等影响[9]。Cohen 等[10]使用X-射线衍射表明染料木素与淀粉能够产生V6Ⅲ型包合物。Wang 等[11]通过X-射线衍射证明在2θ=30°时能够形成新的晶体结构，表明莲子叶黄酮与淀粉之间存在相互作用。Xiao 等[12]研究表明，一定浓度的茶多酚与回生水稻和玉米淀粉可以形成“V”型结构。同时，纯化的茶多酚能降低马铃薯、水稻和玉米淀粉的糊化温度和糊化焓值，这表明多酚能够与淀粉相互作用，从而影响淀粉的糊化热力学特性。Zhu 等[13]研究发现，石榴皮、绿茶、山楂和五倍子中的植物提取物能够增加或降低小麦淀粉的起始温度和峰值温度。关于多酚对淀粉回生影响的报道较多。Zhu 等[14]研究表明较高浓度的芦丁能抑制不同直链淀粉含量的大米淀粉的回生。Karunaratne 等[15]研究表明阿魏酸使回生玉米淀粉的稳定性和有序度降低，抑制了淀粉的回生。许晨[16]检测到原花青素均会不同程度地抑制高直链、普通和高支链玉米淀粉的回生。有研究表明这些已溶解的多酚的羟基可能通过氢键与水和淀粉的羟基发生相互作用，阻止淀粉链的疏水作用，从而抑制淀粉回生[17]。

将多酚加入淀粉基食品中，不仅能够开发新型功能性食品，而且能够改变淀粉的理化特性，进而影响食品品质。本文选用原花青素、儿茶素、单宁酸、芦丁和槲皮素等5 种多酚（结构如图1所示），通过测定多酚-淀粉复合物的热力学特性、X-射线衍射、扫描电镜等特征值来表征多酚对淀粉的热力学特性影响。

图1 多酚的化学结构Fig.1 Chemical structure of polyphenols

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

高直链玉米淀粉（直链淀粉含量为63.13%），上海耐今实业有限公司；原花青素（单聚体）（>98%）、儿茶素（>98%）、单宁酸（>96%），南京龙源天然多酚合成厂；芦丁（>95%）、槲皮素（>95%），上海源叶生物科技有限公司；二甲基亚砜（DMSO），天津市科密欧化学试剂有限公司。其它试剂购自郑州新丰化验器材有限公司。

1.2 仪器与设备

FA1004 电子分析天平，上海上平仪器公司；UV-752 紫外-可见分光光度计，上海菁华科技仪器有限公司；Q20 差示扫描量热仪，美国TA 公司；101FX-1 电热恒温鼓风干燥箱，上海树立仪器仪表有限公司；D8 Advance X-射线衍射仪，德国Bruker 公司；BT-9300s 粒度分布仪，丹东百特仪器有限公司；Quanta FEG250 扫描电子显微镜，荷兰FEI 公司；PHS-3C 雷磁酸度计，上海仪电科学仪器股份有限公司；LGJ-18C 真空冷冻干燥机，北京四环科学仪器厂有限公司；MVS-1 旋涡混合器，北京金北德工贸有限公司；LDZX-75KBS 立式高压蒸汽灭菌器，上海申安医疗器械厂；DZKWS-6 电热恒温水浴锅，北京市永光明医疗仪器有限公司；KQ-300 超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 多酚对玉米淀粉溶液pH 值的影响 称取3.00 g 添加质量分数1%，2.5%，5%多酚的玉米淀粉（多酚于10%的DMSO 溶解），溶于25 mL 去离子水中。通过雷磁酸度计测定淀粉-水-多酚悬浮液的pH 值。

1.3.2 多酚对玉米淀粉热力学特性的影响 准确称取3.00 mg 添加1%，2.5%，5%多酚的淀粉干基，加入6 μL 去离子水，密封压盖后放入4 ℃平衡12 h，使用差示扫描量热仪测定多酚-淀粉复合物的糊化和回生特性。第1 次以10 ℃/min 的速率从30 ℃加热至130 ℃，之后将测定后的样品于4 ℃下储存7 d，在相同条件下再次扫描样品，以空坩埚作参比，使用DSC 软件计算起始温度（To）、峰值温度（Tp）、结束温度（Tc）、糊化焓（ΔHg）、老化焓（ΔHr）以及老化度R（%）[11]。此外，老化度R（%）计算公式：

1.3.3 多酚对玉米淀粉与碘结合力的影响 称取1.00 g 淀粉配成1%淀粉悬浮液，于沸水中糊化30 min 后添加7.5 mL 磷酸盐缓冲液（0.01 mol/L pH=7.2）。移取100 μL 多酚溶液（淀粉干质量的1%，2.5%，5%）加入1 mL 的淀粉悬浮液中，涡流振荡5 min，使其混合均匀。最后向混合液中加入0.1 mL 碘液，用水定容10 mL。显色15 min，在波长500～900 nm 处进行全波长扫描[18]。

1.3.4 多酚对玉米淀粉粒径的影响 称取0.20 g添加0%，1%，2.5%，5%多酚的玉米淀粉（淀粉用10%的DMSO 溶解），配成1%的淀粉-多酚混合溶液，室温放置，在测试前用超声波超声1 min。其中，以水为分散剂，颗粒的吸收率为0.10，遮光度为5%～8%，颗粒的折射率为1.53。

1.3.5 多酚对玉米淀粉微观结构的影响 准确称取添加1%，2.5%，5%多酚的高直链玉米淀粉3.00 g，将其溶于30 mL 去离子水中并搅拌均匀，将淀粉-多酚复合物于高压蒸汽灭菌锅（126 ℃，0.16 MPa）中糊化30 min 后，冷却至室温，4°C 下放置7 d，并用真空冷冻干燥机冷冻干燥，研磨粉碎，过100 目筛。加压3 kV 的条件下观察淀粉-多酚复合物的微观结构[19]。

1.3.6 多酚-淀粉复合物的X-射线衍射分析 准确称取含有1%，2.5%，5%多酚（基于玉米淀粉质量）的高直链玉米淀粉3.00 g，将其溶于30 mL 去离子水中搅拌均匀，通过高压蒸汽灭菌锅（126℃，0.16 MPa）糊化30 min 后，冷却至室温，在4 ℃条件下储存7 d，于冰箱（-20 ℃）中预冻过夜，在真空冷冻干燥机中冷冻干燥，将淀粉-多酚复合物研磨粉碎，测试前将粉末样品过100 目筛。对样品进行X-射线衍射分析，扫描范围3～50°，步长0.02°，扫描速度4°/min，功率1 600 W[20]。用MDI Jade 5.0 分析衍射图。

1.3.7 统计分析 采用SPSS 20.0 统计软件分析数据，结果表示为“平均值±标准偏差”（n=3），P<0.05 表示为显著差异，P<0.01 表示差异极显著。

2 结果与分析

2.1 多酚对玉米淀粉溶液pH 值的影响

如图2所示，添加不同比例的原花青素、儿茶素、单宁酸、芦丁、槲皮素5 种多酚后显著降低了淀粉-水悬浮液的pH 值。与其它多酚相比，单宁酸在悬浮液中的pH 值最低，且当其添加量为淀粉的5%时，将悬浮液的pH 值降低了1.8，降幅最大。多酚结构上具有不同数目的羟基，其可通过水合作用与淀粉竞争水分，从而改变淀粉的功能特性。通过添加植物化学提取物能够改变悬浮液的pH 值，促进小麦淀粉糊化特性的改变，同时发现加入酚类化合物能够引起小麦淀粉悬浮液的pH值变化，从而影响小麦淀粉的功能特性。据报道γ-辐照水稻淀粉的糊化特性在一定程度上取决于pH 值[21]。

图2 多酚对高直链玉米淀粉溶液pH 值的影响Fig.2 Effect of polyphenols on the pH value of high amylose corn starch solution

2.2 多酚对玉米淀粉热力学特性的影响

2.2.1 糊化热力学特性 多酚-淀粉复合物的糊化结果见表3。5 种多酚显著影响玉米淀粉的糊化特性，使To、Tp和Tc均降低，而与多酚的浓度无关，这表明5 种多酚降低了淀粉的热稳定性，导致直链淀粉-脂质包合物的破坏更早发生。有研究发现，植物化学提取物[13]、茶多酚[22]、芦丁[14]的加入会导致较早的熔化，促进直链淀粉-脂质复合物的崩解。

表1 不同浓度多酚处理的多酚-高直链玉米淀粉复合物的糊化温度和焓的变化Table 1 Changes in gelatinization temperature and enthalpy of polyphenol-high amylose corn starch complex treated with polyphenol of different concentrations

表2 不同浓度多酚处理的多酚-高直链玉米淀粉复合物的老化温度和焓的变化Table 2 Changes in aging temperature and enthalpy of polyphenol-high amylose corn starch complex treated with polyphenol of different concentrations

（续表2）

表3 多酚对高直链玉米淀粉（HACS）粒径的影响Table 3 Effect of polyphenols on particle size of high amylose corn starch（HACS）

多酚影响淀粉糊化特性的可能原因有：多酚可与水分子相互作用，改变水溶液的pH 值和离子强度，从而改变淀粉颗粒的“周围环境”。多酚的亲水性羟基基团可与支链淀粉的侧链相互作用，并在不同程度上与淀粉颗粒的无定形区域结合，从而改变微晶与无定形基质之间的耦合力[11]。所有这些均可能使淀粉与多酚结合并破坏淀粉微晶结构，导致玉米淀粉的To，Tp，Tc和ΔHg发生改变。

2.2.2 老化热力学特性 将凝胶化的淀粉和混合物在4 ℃储存7 d，通过DSC 分析玉米淀粉的老化特性。表4列出添加不同浓度的5 种多酚后高直链玉米淀粉老化温度、老化焓和回生比的变化。与

天然淀粉相比，回生淀粉结晶度较弱，其回生过程中的转变温度和焓值低于天然淀粉糊化过程中的转变温度和焓值。在添加不同浓度的多酚后，多酚-淀粉混合物的回生比均降低，其中添加5%的单宁酸将其回生比降低29.75%，降低幅度最大，这表明5 种多酚均能抑制玉米淀粉的老化。多酚对淀粉回生的影响取决于淀粉和多酚的类型。研究表明，多酚抑制淀粉的回生。He 等[23]研究发现芦丁和槲皮素能够阻碍苦荞麦淀粉的长期回生；Xiao 等[12]研究表明绿茶多酚显著抑制水稻、玉米和马铃薯淀粉的回生且对水稻和玉米淀粉的抑制作用比马铃薯淀粉更显著。5 种多酚抑制高直链玉米淀粉的回生可能与两者间的相互作用有关，溶解的多酚通过氢键与淀粉生物聚合物链发生作用，使淀粉链自身作用的机会减少。另外，不溶性芦丁和槲皮素的存在稀释了淀粉基质，也降低了淀粉链间的相互作用，这些因素可能导致淀粉回生减少[15]。

2.3 多酚对玉米淀粉与碘结合力的影响

由图3可以看出，曲线在580 nm 左右有明显的峰。支链淀粉-碘络合物的最大峰值在500 nm和540 nm 之间，而直链淀粉-碘复合物的最大峰值在540 nm 和660 nm 之间[24]，这表明碘主要与直链淀粉结合。另外，随着原花青素、儿茶素、单宁酸、芦丁、槲皮素5 种多酚浓度的增加，直链淀粉与碘络合物的吸光度逐渐降低，说明5 种多酚不是结合在两条直链淀粉的螺旋链分子之间，而是嵌入淀粉螺旋链的疏水内腔中发生疏水作用或者多酚与淀粉分子形成弱的氢键，从而抑制直链淀粉-碘络合物的形成。多酚占据淀粉螺旋链的疏水内腔或与淀粉分子发生氢键作用可能改变淀粉与碘的结合力。

图3 原花青素（a）、儿茶素（b）、单宁酸（c）、芦丁（d）和槲皮素（e）对高直链玉米淀粉与碘结合能力的影响Fig.3 Effect of proanthocyanidin（a），catechin（b），tannic acid（c），rutin（d） and quercetin（e） on the binding ability of high amylose corn starch with iodine

2.4 多酚对玉米淀粉粒径的影响

从表5可以看出，高直链玉米淀粉的颗粒平均粒径为11.53 μm。随着原花青素、儿茶素、单宁酸、芦丁、槲皮素5 种多酚浓度的增加，其D10、D50 和D90 值均有增大的趋势，而与浓度不成正比。说明5 种多酚通过氢键、疏水作用与直链淀粉结合，使淀粉粒径增大。5 种多酚与高直链玉米淀粉结合后也会影响淀粉的消化。Cohen 等[10]研究发现，通过酸化碱溶液制备直链淀粉或高直链玉米淀粉与染料木素的复合物能够产生V6III 结构，并且其复合物在猪胰腺淀粉酶溶液中消化后也可释放染料木素。

2.5 多酚对玉米淀粉微观结构的影响

图4分别显示用原花青素、儿茶素、单宁酸、芦丁、槲皮素处理的淀粉-多酚复合物的SEM 显微照片。玉米原淀粉颗粒表面光滑，用不同浓度的多酚处理的高直链玉米淀粉形成较疏松的凝胶基质，且其浓度越大，结构越疏松，而对照显示更紧凑的微结构。储存7 d 后，添加多酚的淀粉凝胶，其持水能力可以抑制水分的蒸发并有助于维持淀粉微结构。从图4c 可以看出，添加不同浓度的单宁酸使玉米淀粉颗粒表面结构更加疏松，说明单宁酸的持水能力好，而玉米原淀粉水分的蒸发，其凝胶收缩，这表明多酚在与淀粉的相互作用下具有阻止淀粉回生的趋势[25]。这与DSC 的分析结果一致。

图4 淀粉-多酚复合物的SEM 显微照片Fig.4 SEM micrographs of starch-polyphenol complexes

2.6 多酚-淀粉复合物的X-射线衍射分析

原花青素、儿茶素、单宁酸、芦丁、槲皮素5 种多酚与高直链玉米淀粉复合物的X 射线衍射图谱如图5所示。高直链玉米淀粉经糊化和回生后表现出典型的“B”型晶体结构，其特征在于2θ 在17.04°处有明确定义的峰。在添加不同浓度的5 种多酚后，17°左右的峰仍存在，表明加入5 种多酚后不影响淀粉晶型的变化。Zhang 等[26]研究发现，纯槲皮素具有结晶性，其2θ 在12.42°，13.40°，26.44°等处有衍射峰，而从图5E n～p 中可以看出，一些槲皮素结晶仍存在于淀粉-槲皮素复合物的衍射图谱中，这些变化是因槲皮素含量的增加而引起的。直链淀粉能够与天然存在的脂肪酸和磷脂形成复合物，以产生“V”结构（峰值在20°）[27]。玉米淀粉在添加不同浓度的多酚后，衍射图在2θ=20°左右有明显的峰（图5），其可指示直链淀粉-脂质复合物的形成。淀粉-多酚复合物的相对衍射强度低于糊化淀粉的相对衍射强度，这说明直链淀粉在5 种多酚与淀粉的相互作用中起主要作用。

图5 回生淀粉和淀粉-多酚复合物的X 射线衍射图Fig.5 X-ray diffraction pattern of retrogradation starch and starch-polyphenol complex

3 结论

本文主要研究原花青素、儿茶素、单宁酸、芦丁和槲皮素与玉米淀粉的相互作用，探究多酚对淀粉的热力学特性的影响。结果表明，5 种多酚均降低玉米淀粉溶液的碘结合力和pH 值，增加玉米淀粉的粒径并降低淀粉的热稳定性，抑制玉米淀粉的回生，这表明多酚可通过氢键或疏水作用等非共价作用与淀粉结合。添加多酚后，玉米淀粉具有更加疏松的结构，增加淀粉的持水力，降低其结晶度。综上所述，5 种多酚可能通过氢键或疏水作用与淀粉分子形成复合物，从而影响淀粉特性。