淀粉-多酚复合物理化及功能特性的研究进展

赵蓓蓓，贾祥泽，孙思薇，郑宝东,，郭泽镔,

（1.福建农林大学食品科学学院，福建 福州 350002；2.福建省特种淀粉品质科学与加工技术重点实验室，福建 福州 350002）

多酚是饮食中含量最丰富的抗氧化剂，广泛存在于水果、蔬菜、谷物、干豆类、巧克力和饮料（如茶、咖啡或葡萄酒）中[1]。多酚类物质按结构大致可分为酚酸、黄酮类、香豆素、木脂素类化合物、醌类和单宁等[2]。这种复杂的物质存在于在植物性食物中，从简单的酚类分子到高度聚合的化合物都极易发生变化。由于单宁（一种多酚）对蛋白质消化率的不良影响，动物营养学家通常认为多酚是抗营养因子。然而，最近酚类物质因为其抗氧化能力（清除自由基和金属螯合活性）及其可能对人体健康产生的有益影响而引起了人们的兴趣，如在治疗和预防癌症、心血管疾病和其他疾病方面的巨大潜力。多酚对机体的保护作用在于其抗氧化性能可以降低机体内自由基的水平，有研究表明，饮食中酚类物质的代谢产物可在细胞内选择性调节信号转导以影响细胞的生长、增殖和凋亡。并且与抗氧化所需的浓度相比，影响细胞信号转导通路所需的多酚浓度非常低[3]。

淀粉作为一种不可或缺的营养物质，是由多个葡萄糖分子缩合而成的多糖聚合物，分为直链淀粉和支链淀粉。直链淀粉呈现无分支的螺旋结构，可以结合各种络合剂形成不同复合物；支链淀粉的整体结构比直链淀粉大，是由α-1,4-糖苷键将葡萄糖残基首尾相连形成的一种高分子化合物，分支处由α-1,6-糖苷键进行连接[4]。不同植物来源的淀粉在组成、分子与颗粒结构及理化性质方面存在很大的差异。淀粉的理化性质及其与其他食物成分的相互作用在很大程度上决定了产品的整体质量和淀粉类食物的营养特性。近年来，淀粉和酚类化合物之间的相互作用引起了人们的广泛关注。一方面，酚类化合物作为功能性成分可用于新的功能性食品和饮料生产；另一方面，食品加工往往涉及细胞和组织的破坏，从而引起胞内和胞外物质的释放。释放的内源性多酚与其他成分如淀粉、非淀粉多糖和蛋白质接触，对食品品质产生影响。淀粉与多酚的非共价结合是影响富含多酚食品质量的一个最基本的因素[5]。氢键的组合和疏水性相互作用致使淀粉的消化吸收性能显著降低，且能不同程度地改变淀粉的糊化、回生及流变特性。多酚化合物对淀粉的消化特性和餐后血糖应答反应的影响是当前的研究热点，基于此生产的淀粉基产品可以用于保护血管内皮细胞以预防Ⅱ型糖尿病，延缓机体衰老，对于各种慢性疾病的治疗具有非常广阔的应用前景[6]。

1 淀粉-多酚复合物的制备方法和模型

淀粉-多酚复合物的制备方法可以分为传统制备法和热机械法。传统制备法是将淀粉溶于二甲基亚砜、氢氧化钾或水溶液中，与酚类化合物在高温下进行反应生成复合物。Cohen等[7]将染料木黄酮和脱支木薯淀粉分别溶于0.1 mol/L的氢氧化钾溶液，于30 ℃条件下将二者混合，并调节pH值至4.7沉淀复合物，提高了染料木黄酮的生物利用度。van Hung等[8]将溶于氢氧化钾溶液的阿魏酸在80 ℃下与高直链玉米淀粉糊混合作用1 h，生成了阿魏酸-直链淀粉复合物，且复合物溶解度和抗氧化能力对结合态阿魏酸具有浓度依赖性。但此法中较高的pH值可能导致酚类化合物降解。热机械法指同时利用加热和剪切作用，产生直链淀粉复合物，这种方法的弊端在于加热产生的高温可能导致复合物热降解或者酚类化合物氧化。

从复合物的形成机理来看，淀粉-多酚的结合方式大致可分为两种：1）酚类进入淀粉螺旋内腔形成复合物：淀粉在外加条件（热处理、溶剂处理等）的作用下，由于分子内氢键发生相互作用，使得直链淀粉的链状结构发生旋转，形成了左手螺旋空腔结构[9]（图1A），继而在螺旋线腔内的疏水相互作用下与一系列的小客体分子形成带有两亲性或疏水性配体的V型直链淀粉复合物[10]。有研究表明，4-O-棕榈酰绿原酸能够进入直链淀粉的螺旋腔内，与直链淀粉形成无定形配合物（图1B）。Shen Wei等[11]研究发现，柑橘黄酮通过占据淀粉双螺旋结构的疏水性内腔与淀粉形成复合物，大大降低了淀粉的消化速率；但与直链淀粉相比，支链淀粉与柑橘黄酮之间的复合作用却差强人意。螺旋直链淀粉结构与直链淀粉配体的相互作用受控于直链淀粉葡萄糖残基、水分子和配位体之间一系列的分子间氢键和范德华力[10]。2）多酚富含的羰基和羟基可与淀粉分子所含的羟基产生作用，通过氢键和范德华力诱导淀粉分子聚集[12]（图2）；这种非包容性的复合物，大部分通过氢键形成，不同程度地影响淀粉的糊化、流变及回生特性。Xiao Huaxi等[13]研究显示茶多酚能够破坏淀粉的晶体结构，对糊化焓造成显著影响。Wu Yue等[14]发现茶多酚和大米淀粉在糊化过程中可以通过氢键相互作用，它们之间的强相互作用致使淀粉发生了无规律的黏度变化。同时也有研究显示经茶多酚强化的大米淀粉老化发生了延缓[15]。此外，多酚与淀粉结合形成的复合物颗粒微观结构也发生了改变（表1）。

图1 直链淀粉螺旋空腔（A）[16]和直链淀粉-4-O-棕榈酰绿原酸复合物（B）[17]的示意图Fig. 1 Structure of amylose helical cavity (A)[16] and schematic model of the amylose-4-O-palmitoyl chlorogenic acid complex (B)[17]

图2 通过氢键络合的淀粉-茶多酚复合物示意图[18]Fig. 2 Schematic representation of starch-tea polyphenols complexation through hydrogen bonds[18]

表1 淀粉-多酚复合物颗粒的微观结构特性Table1 Microstructure characteristics of starch-polyphenol complex granules

2 淀粉-多酚复合物的理化特性

将淀粉水溶液在适温条件下加热，淀粉颗粒受热后胶束间的氢键断开，颗粒吸水膨胀，直链淀粉与支链淀粉发生释放与溶解，形成均匀的黏稠胶体溶液，这一过程称为淀粉的糊化[26]。糊化导致淀粉晶体中直链淀粉分子从淀粉颗粒中释放出来，同时胶束状支链淀粉的双螺旋结构也发生解旋和分散[27]。糊化后的淀粉在室温或低于室温下放置一定时间，颗粒破裂形成的无序化链组织通过疏水作用和氢键进行重组，形成不溶性分子胶束，使淀粉溶液出现不透明甚至凝结沉淀的现象，这一现象即为淀粉老化[10]；淀粉的老化会引起淀粉基产品的刚性增加和持水性下降[28]。近年来，利用食品各组分之间相互作用来调节食品品质的研究得到了普遍关注，一些研究者将多酚类化合物加入淀粉体系中，使多酚与淀粉发生相互作用致使淀粉的糊化、回生、流变等理化特性发生改变。

2.1 流变性

淀粉的流变性包括流动性和黏度特性。一般地，直链淀粉链会通过不断运动连接到由分子间双螺旋结构相互缠绕形成的网络上，而直链淀粉凝胶的流变行为恰恰与此相关[18]。多酚类化合物与淀粉相互作用能够影响淀粉的流动性。Zhu Fan等[23]发现添加一定含量的芦丁增加了大米淀粉的屈服应力（τ0）和相关系数（R2），降低了淀粉的流变指数；此外，多酚类化合物的加入很大程度上也影响了淀粉的黏度特性。多酚类化合物可降低直链淀粉双螺旋结晶区的缠绕及形成，从而导致其黏度降低；另一方面，茶多酚能够连接可移动的直链淀粉形成一些松散连接的复合物，所以剪切稀化行为（随着剪切率升高，黏度降低）减弱，表明直链淀粉流体行为的损耗模量也呈下降趋势[18]；且多酚对淀粉黏度的影响依赖于多酚提取物的种类。有研究发现，相比绿茶提取物，红茶提取物能更有效地减少小麦、玉米、马铃薯和大米淀粉的最终黏度[29]。Zhu Fan等[24]发现石榴皮和五倍子提取物均可以降低小麦淀粉的热浆黏度，然而绿茶提取物对其热浆黏度却影响甚微。Beta等[30]发现阿魏酸相较于儿茶素对玉米淀粉和大米淀粉的热浆黏度值、最终黏度和反弹值都有更大的影响。Zhu Fan等[31]认为绿原酸可以大幅度增加小麦淀粉的崩解值，其效果相当于白杨素的22 倍左右。此外，淀粉的种类也会影响多酚对其黏度的改变。Beta等[30]的研究表明阿魏酸和儿茶素可以大幅度改变大米淀粉的峰值黏度，但对玉米淀粉的峰值黏度无显著影响。有研究发现在低于淀粉糊化浓度的稀溶液中加入茶多酚增大了直链淀粉分子的流体力学半径[18]，原因在于当茶多酚与淀粉混合糊化时，表没食子儿茶素没食子酸酯作为茶多酚的重要组成部分，能够连接直链淀粉分子，使其分子尺寸增加并且降低分散性，同时延长直链淀粉的链长，增大流体力学半径。

2.2 糊化特性

淀粉糊化的本质是淀粉的物理性能发生明显变化，分子胶束间的氢键断开，结构全部崩溃，形成单分子，从有序转变为彼此牵扯的无序状态，分散于水中形成具有黏性的糊状溶液。多酚类化合物的添加往往会影响淀粉体系的糊化特性，进而影响淀粉基产品的风味及品质[32]；其原因在于，多酚具有多元结构，其羟基与支链淀粉的侧链反应，并不同程度地结合到淀粉颗粒的无定形区，改变晶质和无定形质之间的偶合力，促使淀粉颗粒间简单水合，使糊化热能减少[23]。Li Min等[33]研究表明，淀粉-多酚复合物的形成可以改变淀粉的糊化特性，且这种改变作用在一定程度上依赖于多酚提取物的种类及其添加量。Zhu Fan等[24]的研究发现五倍子的提取物可以促进小麦淀粉糊化并显示出较高的糊化焓，但是同等条件下石榴皮和山楂提取物却明显降低了小麦淀粉的糊化焓。此外，有研究表明玉米淀粉和大米淀粉的糊化温度会随着体系中红茶多酚提取物水平的增加而升高[29]；然而，Xiao Huaxi等[34]通过差示扫描量热法（differential scanning calorimetry，DSC）分析发现，加入大米和玉米淀粉体系中的绿茶多酚水平越高，对于降低糊化温度和糊化焓的效果越明显。实际上除了多酚提取物的多样性，淀粉的种类和结构对糊化也有很大影响。Zhu Fan等[23]的研究显示，当大米淀粉中茶多酚添加量达到质量分数10%时，淀粉的糊化焓明显降低。但是把红茶多酚提取物加入马铃薯淀粉中时，茶多酚对系统的糊化特性并无显著影响[35]。此外，有学者研究表明由于多酚的加入而引起的淀粉悬浮液pH值的变化在一定程度上也会影响淀粉的糊化特性[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温下又自动排列成序，支链淀粉、直链淀粉通过疏水作用以及逐步恢复的氢键形成致密、高度晶化的淀粉分子微晶束而产生的。淀粉回生导致淀粉胶持水性下降，硬度增大，原因在于回生的淀粉会形成分子间强氢键并在无定形区形成牢固结构。值得注意的是，酚类化合物与淀粉可产生相互作用抑制淀粉回生。酚类化合物具有高活性的羟基基团，这些基团与淀粉的羟基相互作用可形成氢键，多酚通过氢键夹在直链淀粉分子中间，影响直链淀粉分子的直接关联，妨碍淀粉聚合物链的排列。且淀粉和多酚之间的氢键越强，淀粉储藏期间结晶越困难，其回生作用就越不明显[22]。淀粉的种类在一定程度上会影响两者之间的相互作用。有研究发现，在4 ℃的存储条件下，添加质量分数15%的红茶多酚提取物可以明显抑制玉米淀粉和不同品种大米淀粉的回生，但对马铃薯淀粉的回生特性并无显著影响[35]；原因在于所研究的淀粉颗粒内的微晶不均匀度存在差异，且马铃薯淀粉颗粒尺寸较大。此外，提取物种类不同也可能造成两者相互作用的差异。有学者通过DSC和X射线衍射来分析绿茶多酚对马铃薯淀粉老化的影响，结果表明绿茶多酚的添加显著抑制了马铃薯淀粉的回生[34]，与上面提到的红茶多酚提取物的作用效果恰好相反。一方面可能是由于红茶多酚中包含茶黄素，而儿茶素含量较低，作用效果不同是二者的组分差异所造成的；另一方面，马铃薯淀粉具有较高的磷酸单酯含量，磷酸单酯与红茶多酚的羟基基团能够发生相互作用，降低多酚与淀粉颗粒的直接作用。Xiao Huaxi等[13]发现绿茶多酚的含量越高，其对大米淀粉的回生抑制作用越强。Zhu Fan等[23]将不同含量芦丁添加到大米淀粉中得到与以上绿茶多酚同样的效果。吴跃等[19]在扫描电子显微镜下以相同放大倍数观察不同量多酚处理过的回生淀粉颗粒形貌，发现随着酚类添加量的增加，淀粉颗粒逐渐减小并呈现网孔状。因此，提取物的添加量也会影响二者的相互作用。

3 淀粉-多酚复合物的功能特性

实际上，作为抗氧化剂，多酚类化合物与淀粉的相互作用还可以使淀粉和多酚各自性质发生改变，产生一定的功能特性。

3.1 复合物中淀粉的抗消化性

消化是淀粉被机体吸收的前提。淀粉的消化分为两个步骤：1）淀粉被α-淀粉酶水解为麦芽糖、麦芽糊精以及少量的葡萄糖[36]；2）α-葡萄糖苷酶将麦芽糖和麦芽糊精进一步水解为葡萄糖[37-38]。酚类化合物作为生物活性材料能够减缓淀粉中葡萄糖的释放，利于葡萄糖稳态，以减少各种疾病的发生[34]。就富含多酚的浆果而言，其对淀粉的消化机理有3 种[39-42]：1）具有显著的抗氧化活性，非竞争性抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的催化作用；2）与直链淀粉和支链淀粉复合形成新的结晶结构，因而抗性淀粉含量大大增加，显著降低复合物的消化速率；3）降低快速消化淀粉含量，减少维持餐后血糖代谢所需的胰岛素。除此之外，植物提取物中多酚类化合物如花色苷类、黄酮类、单宁类以及酚酸类等对于淀粉的消化也产生极大的影响。Hargrove等[43]的实验表明，富含原花青素的漆树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-淀粉酶作用时所需的浓度明显降低。Shen Wei等[11]研究测定的4 种柑橘类黄酮（柚皮苷、橙皮苷、新橙皮苷和川陈皮素）均可显著抑制淀粉酶对淀粉消化的催化作用；且柑橘黄酮由于能够结合淀粉，增加肝脏糖酵解和肌糖原含量，降低肝脏糖异生，在餐后高血糖预防中起着重要作用。Mkandawire等[44]发现在底物（支链淀粉）添加之前将高粱中单宁提取物与酶混合可以降低淀粉酶活性，且单宁的质量浓度越大、分子质量越高，酶活性降低得越明显。Kandil等[45]的研究表明酚酸-酶系统和酚酸-淀粉系统的作用均可以显著抑制淀粉水解。此外，Kallel等[46]对康普茶饮料的研究发现其能显著抑制胰腺α-淀粉酶水解淀粉，并且随着发酵的进行，抑制作用逐渐增强；经实验证实其中的活性物质是单体或低聚体的多酚类化合物。Guzar等[29]提出绿茶或红茶提取物与淀粉的相互作用可以抑制淀粉水解；然而Liu Jie等[47]对酶动力学的研究结果表明，虽然茶多酚非竞争性抑制了普通玉米淀粉或糯玉米淀粉的消化，但在高直链玉米中观察到一个迟发性的血糖峰值，血糖反应增强。因此，茶多酚和特定淀粉的组合可以用来调控餐后血糖反应，以此为基础有望生产出一种对餐后血糖控制有益的慢性消化淀粉。

茶多酚具有结合蛋白质并使其发生沉淀的作用[48]，这就表明加入茶多酚能够使消化酶失活。近来不少研究也表明茶多酚是α-淀粉酶抑制剂；因此，当含有不同量茶多酚的复合物形成时，茶多酚会伴随着淀粉底物抑制α-淀粉酶的活性。随着复合材料中茶多酚含量的增加，茶多酚对α-淀粉酶的抑制作用增强；另一方面，糊化时茶多酚和淀粉之间强烈的相互作用，也会降低淀粉的消化率。Cai Wentian等[49]研究表明，与对照组淀粉相比，复合物的消化率显著降低，淀粉残基的量急剧增加；这些残余淀粉有利于人体健康，为淀粉的消化控制提供了科学依据。

3.2 复合物对多酚的缓释作用

多酚类化合物有一定的抗氧化能力，可显示多方面的生物活性以促进人体健康和预防疾病；然而多酚必须在消化道内并循环运输到达靶组织才能发挥其生物活性。从摄入到抵达靶组织到最终排泄的全过程，多酚在吸收、沉积、代谢和排泄时受到众多因素的影响，生物活性可能会发生改变[50]。淀粉与多酚形成包合物，可保护多酚的生物活性，并在特定条件下调节多酚的释放。有研究发现在模拟胃肠条件下淀粉与染料木素复合物表现出了很好的稳定性，且实验组（淀粉-染料木素复合物）血浆中染料木素的浓度是对照组（淀粉与染料木素的物理混合物）的2 倍，表明染料木素与淀粉复合物提高了染料木素的生物利用度[7]。Cohen等[51]进行体外实验，结果显示淀粉与染料木素复合物在不同pH值下均表现稳定；模拟肠胃条件下复合物中的染料木素具有高保留率，并随胰酶溶液消化释放染料木素；因此，二者形成的复合物可作为染料木素缓慢释放的载体。

结合态多酚的释放是通过α-淀粉酶对复合物的酶解进行控制的，多酚在该调控下缓慢释放到肠道，增加机体对其的吸收率，以提高多酚的健康效益[7]。目前，控制酚类化合物在人体中生物利用度仍然是一个巨大的挑战。利用淀粉与多酚类化合物之间的相互作用来控制活性物质的释放是一种独具前景的好方法，有待进一步地研究与探讨[10]。

4 结 语

淀粉与酚类之间的相互作用很大程度上会影响不同来源的淀粉和酚类化合物的理化和营养特性，二者的相互作用对淀粉性质的影响依赖于酚类化合物的化学成分、淀粉的结构和加工条件。食品中化学合成添加剂的潜在风险逐渐引起人们的担忧，促使人们转而使用天然安全的食品添加剂。多酚类物质的添加可以赋予食品优越的特性，综合考虑以上影响因素，可生产具有食品配方及加工工艺所需的理化（如淀粉糊化和老化）和营养（如控制淀粉消化和提高酚类化合物生物利用度）特性的功能性食品，以用于预防和治疗高血糖症等相关疾病。此外，在食品配方和加工过程中应仔细研究酚类化合物的稳定性、食品系统的pH值和温度对其的影响。

虽然目前对于淀粉-多酚复合物相互作用的机理进行了初步探讨，但是还有大量工作尚待开展：1）有关其内部变化的机理，即分子间的结合作用有待进一步深入研究；2）对产生作用的多酚类化合物结构片段需深入研究；3）用以研究多酚与淀粉复合作用的方法有限，新的研究手段有待发现；4）多酚类化合物和淀粉协同作用对血糖反应的影响，还有待于从胰岛素抵抗及基因水平上做更加深入的探讨；5）更低浓度多酚对碳水化合物消化的作用仍需进一步研究。