原花青素对大米淀粉老化性质的影响

李蟠莹,戴涛涛,陈 军,刘云飞,刘成梅,李 俶

(南昌大学食品科学技术国家重点实验室,江西南昌 330047)

水稻是世界上最主要的农作物,也是我国和东南亚国家的主要粮食。水稻中的主要成分为淀粉,约占总成分的80%以上[1],大米以及大米制品的口感和品质都受到淀粉老化的影响,因此大米淀粉的老化特性成为制约米制品工业发展的一个主要因素，如何调控大米淀粉的老化成为淀粉制品加工过程中的关键。多酚常被作为一种天然的抗氧化剂添加到淀粉质食品中[2],研究发现多酚能抑制淀粉的老化[3-4],其影响淀粉老化的因素主要分为多酚的种类[5-6]、多酚的添加量[7-8]以及淀粉的来源[9]等。

原花青素(Proanthocyanidins,PC)是一种广泛存在于植物中，由黄烷醇单体缩合而成的聚多酚类物质[10-11],其单体黄烷醇含有C6-C3-C6的基本骨架,因此，原花青素也属于黄酮类化合物[12]。近年来,大量研究结果表明，原花青素具有众多有益人类健康的功能,如抗氧化性,抗癌和预防心血管疾病等活性功能[13-14]。目前原花青素广泛地应用于食品[15]、医药[16-17]及化妆品[18]领域。大量文献报道，原花青素易与其他物质形成复合物,如蛋白质,多糖等[11]。在淀粉基食品中,多酚类物质也常被用来抑制淀粉老化[19]。目前,已有部分关于多酚抑制淀粉老化的相关报道,Wu等[20]研究发现，茶多酚能够抑制大米淀粉的老化,Liu等[21]的研究中表明，低聚原花青素能够抑制不同直支比的玉米淀粉的老化,且抑制效果有所不同。Xiao等[22]的研究中表明，红茶多酚能够抑制玉米淀粉和不同品种大米淀粉的老化,但是对马铃薯淀粉的老化没有影响。Zhu等[23-24]研究发现，阿魏酸能够抑制玉米淀粉的老化以及芦丁可以抑制大米淀粉的老化。然而,目前原花青素对大米淀粉老化的影响,及其影响机理尚未见报道。

本文以大米淀粉为原料,通过快速粘度分析仪、差示扫描量热仪、X-衍射、傅里叶红外光谱、核磁共振图谱以及扫描电镜，研究添加不同比例的原花青素对大米淀粉老化性质影响,以期为深入研究原花青素对大米淀粉老化性质的影响机理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大米淀粉 Sigma-Aldrich(上海)贸易有限公司(水分含量10.34%,灰分0.32%,蛋白质0.63%,脂质0.02%,直链淀粉含量24.45%);原花青素 上海阿拉丁生化科技股份有限公司(纯度≥95%来源葡萄籽)。

RVA-Tec Master粘度测试仪 瑞典Perten公司;D8-ADVANCE X-射线衍射仪 德国BRUKER公司;JSM 6701F场发射扫描电镜能谱仪 日本电子公司;Nicolet 5700智能型傅里叶红外光谱仪 美国热电尼高力公司;DSC 7000X差示扫描量热仪 日本日立公司;EDUMR20-015V-I核磁共振成像分析仪 上海纽迈电子科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 糊化性质测定 准确称取3.00 g的大米淀粉,依次加入占大米淀粉干基重为0、5%、10%、15%的原花青素粉末,再加入25 mL的蒸馏水,在RVA测试的专用铝盒中混匀,进行RVA测定。RVA标准加热程序:50 ℃恒温1 min,3.75 min内升温至95 ℃,恒温2.5 min,3.75 min内下降至50 ℃,并在50 ℃下恒温2 min。搅拌桨速率保持在160 r/min。通过RVA专用软件TCW进行数据采集和分析。

1.2.2 热力学性质测定 首先采用标准铟对DSC仪器进行温度和热焓的校正,然后分别称取占淀粉干基0%、5%、10%和15%原花青素粉末，与大米淀粉混合均匀,称取混合物3 mg加入PE坩埚中,加入2倍干基量的去离子水,密封,4 ℃下平衡24 h。平衡后的样品在DSC上糊化,温度范围:30～95 ℃,升温速率:10 ℃/min,空坩埚作为空白对照。从DSC曲线中确定初始温度T0、峰值温度TP、终止温度TC和糊化焓值Δ H(J/g)。将DSC糊化后的样品放在4 ℃储存1、7、14 d,然后称取3 mg储藏后的样品,密封,4 ℃下平衡24 h,进行回生焓值的测定。

1.2.3 傅里叶红外光谱测定 分别将RVA糊化后的样品在4 ℃储存,7 d后,再将样品冻干、粉碎、过80目筛。取上述样品放入坩埚中,再向其中加入KBr固体研磨,充分研磨均匀后，用配套的压片机压成0.5 mm的薄片。将样品放入傅里叶红外光谱仪中测定,扫描波长范围800～1200 cm-1,扫描次数64次,分辨率为4 cm-1,空气作为空白来扣除背景。用Omnic8.0软件对800～1200 cm-1范围内的谱图进行基线校准和去卷积处理。去卷积的峰宽为40 cm-1,增强因子为1.9。在去卷积图谱中找到1047 cm-1(结晶区面积)和1022 cm-1的值(非结晶区面积),通过计算得到1047 cm-1/1022 cm-1的吸光度(淀粉结晶程度)比值。

1.2.4 X-射线衍射与结晶度测定 分别将RVA糊化后的样品在4 ℃储存,7 d后,再将样品冻干、粉碎、过80目筛。取样品进行XRD检测,管流为30 mA,管压为40 kV,扫描范围为0～40 °。实验结果通过origin 2017软件进行分析。根据X-射线衍射图谱可按下式计算结晶度:

Xc=Ac/(Ac+Aa)

式中:Xc代表结晶度,Ac代表结晶区,Aa代表非晶区。

图1 淀粉相对结晶度的计算Fig.1 Calculation of the relative degree of the crystallinity

1.2.5 扫描电镜形貌观察 用刀片切取储藏7 d并冻干的样品内部部分,将其固定在导电双面胶上,真空喷金,然后置于扫描电镜中观察形态并拍照。扫描电压3.0 kV,放大倍数500,观察不同添加量的原花青素对储藏7 d的大米淀粉微观形态的影响。

1.2.6 核磁共振测定持水性 将糊化后的样品放入25 mm核磁管中,4 ℃分别存放1、4、7、14 d,采用低场NMR豫驰测定样品的横向豫驰时间T2,测试条件:采用CPMG序列,采样点数TD=200012,回波个数Co=2000,重复扫描次数NS=6,回波时间TE=1 ms,驰豫衰减时间Do=6000 ms,所得CPMG指数衰减曲线采用MultiExp Inv Analysi软件进行反演得到T2图谱。

1.3 数据分析

每次实验均重复3次,取平均值。采用Origin 2017软件绘图,并用SPSS 22.0 统计软件进行Duncan显著性分析,显著水平为p<0.05。

2 结果与分析

2.1 淀粉的糊化性质分析

大米淀粉混合体系的糊化特征值如表1所示。随着原花青素的添加,大米淀粉混合体系的峰值粘度、谷值粘度和终值粘度均有所上升,而崩解值和糊化温度呈下降趋势,添加原花青素后,大米淀粉变得更易于糊化。回复值是用来反映淀粉短期老化情况的,回复值越低,老化越不容易进行,反之,回复值越高,淀粉越容易老化[25]。PC添加量为5%的大米淀粉混合体系与原大米淀粉(0 PC)相比回复值发生了明显的下降,从975.5 cp下降到802.5 cp,并随着原花青素的继续添加,回复值为768 cp。

表1 原花青素对大米淀粉糊化性质的影响Table 1 Effects of proanthocyanidins on the pasting properties of rice starch

2.2 淀粉的热力学性质分析

表2是大米淀粉糊化焓值的测定结果,添加原花青素的大米淀粉与原大米淀粉相比,T0(初始温度)、TP(峰值温度)、TC(终值温度)以及Δ Hg(糊化焓值)均显著下降(p<0.05)，这说明添加原花青素后,淀粉颗粒能够在较低的温度下发生膨胀糊化。淀粉的糊化温度和焓值随着原花青素的添加量的增加而降低,这与Wu等[20]报道的茶多酚对淀粉糊化焓值的影响结果一致,茶多酚含有多个羟基，易与淀粉的侧链发生相互作用,并与淀粉的非结晶区不同程度的结合,从而改变晶体与非晶体之间的耦合矩阵,使得淀粉需要较少的能量用于糊化[6]。原花青素同样能够影响淀粉的糊化性能,影响因素可能与原花青素具有多个游离的羟基有关[26]。

表2 原花青素对大米淀粉糊化焓值的影响Table 2 Effects of gelatinization enthalpy of rice starch with proanthocyanidins

大米淀粉老化1、7、14 d,回生焓的测定结果如表3所示,在老化1 d时,添加0和5% PC的大米淀粉回生焓值为0.57、0.28 J/g,而添加10%和15% PC的大米淀粉没有检测到回生焓。原花青素与淀粉的复合样品,在老化7和老化14 d时,PC添加量为0、5%、10%、15%四种样品均检测到回生焓,并且回生率(R)随着PC添加量的增大而减小,说明原花青素能够抑制淀粉的老化[22],且PC添加量越大，对大米淀粉抑制老化的程度也越大。这与Wu等[20]和Xiao等[9]研究发现，茶多酚能够降低大米淀粉老化焓值的结果一致,淀粉中的羟基易与淀粉中的羟基形成氢键,以此来干扰淀粉多聚物链的结合。原花青素与其它多酚化合物相比,羟基数目更多,因此更易于与淀粉分子通过氢键发生相互作用,使大米淀粉的回生率下降[27]。

表3 原花青素对大米淀粉回生焓值的影响Table 3 Effects of restrogradation enthalpy of rice starch with proanthocyanidins

2.3 淀粉的X-衍射分析

图2中,原大米淀粉在2θ角15、17.5、18.7、23.3出现衍射峰,显示了典型的A型特征结构[28]。大米淀粉在老化7 d时,PC添加量为0%的大米淀粉，在17 °出现了明显的衍射峰,X-衍射图谱显示淀粉的B型特征结构[29]。2θ角在20 °出现了衍射峰,显示为V型特征结构,可能是直链淀粉与脂质形成的络合物显示的衍射峰[30]。随着原花青素添加量的增加,2θ角在17 °出现的衍射峰峰强逐渐降低。通过计算结晶度发现，老化7 d的原大米淀粉结晶度为4.94%,当PC添加量为5%,10%和15% 时,大米淀粉的结晶度分别为3.56%、3.12%、2.75%。随着PC的添加,结晶度发生明显下降,这与Xiao等[8-9]报道的绿茶多酚的添加，能够抑制大米淀粉的老化的结果一致,绿茶多酚的添加导致大米淀粉衍射峰的峰强减弱,并且随着绿茶多酚添加量的增加,峰强度下降越明显。这也说明原花青素能够抑制淀粉的老化,并且受其添加量的影响,一方面可能是因为原花青素的添加,引入的羟基易于淀粉分子通过氢键结合,从而影响淀粉分子之间的聚集,另一方面易溶于水的原花青素可能限制了淀粉链周围水分子的运动,使得水分子不能有效的参与淀粉的回生,使得回生过程中淀粉体系结晶度下降[31]。

图2 原大米淀粉和老化7 d的大米淀粉的X-衍射图谱Fig.2 X-ray diffraction patterns of native RS and gelatinized RS for 7 days注:NRS为原大米淀粉(未老化)。

2.4 淀粉的傅里叶红外图谱分析

图3是去卷积之后的大米淀粉红外图谱,去卷积的参数为:增强因子1.9,峰宽为40。大米淀粉红外图谱波数范围在950～1200 cm-1时，淀粉结构变化十分敏感[32]。尤其是1047和1022 cm-1的特征吸收峰，其峰高分别可以表示为淀粉结晶区的结晶结构和无定形区的结构[33]。它们的比值可以用来反映淀粉的老化程度。两者的比值越大,说明淀粉结构有序化程度越高,老化程度也越大[34]。由表4可知，当原花青素添加量为15%、10%、5%时,大米淀粉在1047 cm-1/1022 cm-1处吸收峰峰高的比值为1.14、1.18和1.20,添加量为0的大米淀粉吸收峰峰高比值为1.34。随着原花色素添加量的增加,1047 cm-1/1022 cm-1的吸收峰峰高的比值呈下降趋势,表明原花青素能够降低大米淀粉在老化过程中的结晶程度,这与X-衍射的结果一致。

图3 老化7 d的大米淀粉-原花青素复配体系傅里叶红外去卷积图谱Fig.3 The fourier spectrograms of RS-PC mixturesafter restrogradation for 7 days

表4 1047与1022 cm-1的吸收峰峰高比值Table 4 The ratio of peak height at 1047 cm-1/1022 cm-1

2.5 淀粉扫描电镜微观结构观察

图4为原大米淀粉与大米淀粉-原花青素体系冻干后横截面的扫描电镜图像。图4A中显示，糊化后4 ℃下放置7 d的大米淀粉经过冻干后,其表面纹理十分清晰,结构紧密。图4B、图4C、图4D分别是添加了5%、10%和15%原花青素，经糊化、冻干后的扫描电镜图,发现它们与原大米淀粉电镜图相比,结构变得更加疏松。这可能是由于体系加入原花青素后,在老化过程中,水分的蒸发减慢,持水性增加,有助于维持淀粉的微观结构,在冻干过程中,水分不断蒸发,淀粉内部结构变得疏松多孔[6-7]。

图4 大米淀粉老化7 d的扫描电镜(×500)Fig.4 The scanning electron microscopy of rice starch after 7 d(×500)注：A:RS+0 PC;B:RS+5% PC;C:RS+10% PC;D:RS+15% PC。

2.6 淀粉的水分迁移与分布

豫弛时间T2能够反映淀粉内部水分分布变化[35],从T2图谱(图5)可以看出，随着老化天数的增加,4组体系的整体水分含量降低。特别是在7～14 d的阶段,PC添加量为0的大米淀粉体系，其水分含量下降更明显。淀粉回生是分子从无序变成有序的过程,因此随着老化时间增加,T2是下降的,淀粉网络结构被破坏，使之前在无定形区的水分子扩散到结晶区[36]。进一步探讨水分子在体系中的变化,发现在该体系中，存在两种运动的水分子,一类是结合水,是指可以与大分子发生结合,运动能力减弱,有相对较短的驰豫时间,一般用T21表示;另一类是自由水,没有发生结合,运动能力较强,有相对较长的驰豫时间,一般用T22表示[37]。图6和图7显示随着老化天数的增加,四种大米淀粉体系的结合水均上升,自由水呈下降趋势,T21的值较T22的值小,这表明体系中与大米淀粉-原花青素结合的水相对较少,随着老化天数增加,T21上升,体系中结合态的水增加。T22与T21变化趋势相反,与T2的变化趋势一致,呈现下降趋势,添加原花青素的样品T22下降更缓慢。这是由于随着原花青素添加,体系持水性增强,影响水分的迁移,不利于支链淀粉的重结晶,从而延缓淀粉的老化。这与扫描电镜图一致。

图5 不同老化时间下大米淀粉/原花青素的T2驰豫时间Fig.5 The relaxation time T2 of RS/PC mixtures during different ageing time

图6 不同老化时间下大米淀粉/原花青素的结合水(T21)驰豫时间Fig.6 The relaxation time(T21) of RS/PC mixtures during different ageing time

图7 不同老化时间下大米淀粉/原花青素的自由水(T22)驰豫时间Fig.7 The relaxation time(T22) of RS/PC mixtures during different ageing time

3 结论

本实验选取了添加质量比为0、5%、10%、15%的原花青素与大米淀粉混合,考察大米淀粉在不同老化时间过程中的变化。结果表明,原花青素既能够影响淀粉的短期老化,也能影响淀粉的长期老化。在相同的老化天数下,添加量为15%和10%的原花青素-大米淀粉混合体系回复值明显低于添加量为5%与0的体系(p<0.05)。回生率、结晶度、傅里叶红外吸光度比值以及水分的变化均可以看出，添加量为15%的原花青素体系老化速率最慢,其次是添加量为10%和5%的混合体系,添加量为0的大米淀粉老化速率最快。