压力蒸汽法制备直链淀粉-茶多酚复合物

杨留枝，刘华玲，史苗苗，范雨晴，刘延奇*

1. 郑州轻工业大学食品与生物工程学院（郑州 450002）；2. 鹤壁职业技术学院食品工程学院（鹤壁 458000）

茶多酚是茶叶中多酚类化合物的总称，主要包括表儿茶素（EC）、表没食子儿茶素（EGC）、表儿茶素没食子酸酯（ECG）和表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG），是具有多种生物功能的生物活性物质[1]，在抑制癌细胞生长[2]，改善细胞中葡萄糖和脂质的代谢[3]，改善餐后高血糖的氧化应激，影响α-淀粉酶及其他α-葡萄糖苷酶对淀粉和其他碳水化合物的消化[4]、抑制细菌孢子的发育和生长[5]等方面具有重要作用。茶多酚因其具有多种健康益处，在食品、医药和制药领域的应用范围广泛。鉴于茶多酚的诸多功能，近年来，许多学者对茶多酚进行深入研究。Peng等[4]研究茶多酚的浓度对茶多酚与酶活性之间的影响，说明酶与生物活性酚类化合物之间相互作用的复杂性。Chai等[6]研究直链淀粉与茶多酚的相互作用调节高直链玉米淀粉的餐后血糖反应。Jin等[7]研究壳聚糖纳米粒子改善茶多酚在胃肠道中低吸收率和低生物利用率的现象，发现壳聚糖纳米粒子能够提高茶多酚的稳定性，防止其在胃肠道中的氧化和降解。Fan[8]总结淀粉与酚类化合物之间的相互作用对淀粉理化性质和消化的影响，酚类化合物的生物利用率以及淀粉-酚类化合物相互作用的非共价性质。

淀粉主要由直链淀粉与支链淀粉组成，以α-D-吡喃葡萄糖为结构单元，是人体营养中碳水化合物的主要来源，具有广泛的工业应用[9]。直链淀粉主要由D-葡萄糖通过α-1, 4-糖苷键连接的线性多糖，可以与各种配体形成复合物[10]。Shogren等[11]研究发现在蒸汽喷射蒸煮过程中，脂肪酸以二聚体的形式形成直链淀粉复合物。蒸汽喷射蒸煮提供高温高剪切力的环境，脂肪酸二聚体的形成可能是由于这些脂肪酸在水中的溶解度低造成的。Gelders等[12]提出用半酶法制备单径弥散直链淀粉-脂质复合物。在马铃薯磷酸化酶存在的条件下合成直链淀粉，可形成单径弥散复合物。Meng等[13]采用高压均质法制备得淀粉-棕榈酸复合物。Lalush等[14]通过水/DMSO和KOH/HCl这2种络合方法制备得到直链淀粉-共轭亚油酸（CLA）复合物。

使用B型微晶淀粉为试验材料，制备直链淀粉-茶多酚复合物。研究直链淀粉-茶多酚配比、复合时间和复合温度3个反应参数对复合物结晶度的影响。对结晶度最佳的直链淀粉-茶多酚复合物进行扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、红外光谱（FT-IR）的分析和测试，进一步研究复合物的结晶结构和表观特征。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

马铃薯淀粉（固原长城淀粉有限公司）；茶多酚（上海源叶生物科技有限公司）；无水乙醇、盐酸（均为分析纯化学试剂）。

SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵（郑州长城科工贸有限公司）；LG10-2.4A型高速离心机（北京医用离心机厂）；Philips XL-3型扫描电子显微镜（SEM，日本日立公司）；Bruker TENSOR27型红外光谱仪（FTIR）、Bruker D8型X-射线衍射仪（XRD）（德国布鲁克公司）；立式压力蒸汽灭菌器（上海博迅实业有限公司医疗设备厂）。

1.2 试验方法

1.2.1 B型微晶淀粉的制备

按照参考文献[15]的制备方法制备得到B型微晶淀粉。

1.2.2 直链淀粉-茶多酚复合物的制备

选择抗病、抗倒伏、耐裂荚和耐密中熟油菜品种。播种时间为9月20日至10月10日。每亩用种量0.3～0.4公斤。基肥：亩施油菜专用配方肥或复合肥(含量15-15-15)50公斤，硼肥(10%含量以上)0.5公斤；苗肥：4～5叶期施尿素3公斤；腊肥：每亩施尿素4公斤，氯化钾2公斤，腊肥也可以加施农家肥，且于春节前施用；薹肥：每亩施尿素2公斤，氯化钾2公斤。

称取10.00 g B型微晶淀粉与一定量茶多酚于100 mL烧杯中，加入20 mL去离子水，用保鲜膜封口后放入压力蒸汽灭菌器中于一定温度下高压处理一定时间，关闭压力蒸汽灭菌器电源。在压力蒸汽器中静置24 h后，取出样品于40 ℃烘箱中烘干，烘干后的样品用粉碎机粉碎后过100目筛子，所得样品即为直链淀粉-茶多酚复合物。设置空白对照组，即不添加茶多酚的情况下，将10.00 g B型微晶淀粉加入100 mL烧杯中，加入20 mL去离子水，进行相同处理。在高压条件下静置24 h后，取出样品于40 ℃烘箱中烘干，烘干后的样品用粉碎机粉碎后过100目筛子，所得样品即为空白对照样品。

1.2.3 单因素试验

不同淀粉-茶多酚配比对淀粉复合物结晶结构的影响。固定复合时间40 min，复合温度120 ℃，淀粉/茶多酚配比分别100∶1，100∶2，100∶3，100∶4和100∶5。

不同复合温度对淀粉复合物结晶结构的影响。固定复合时间40 min，淀粉/茶多酚配比100∶3，结晶温度分别为90，100，110，120和126 ℃。

不同复合时间对淀粉复合物结晶结构的影响。固定复合温度120 ℃，淀粉/茶多酚配比100∶3，复合时间分别为20，30，40，50和60 min。

1.2.4 扫描电子显微镜（SEM）

取适量的淀粉样品黏在导电胶带上，置于蒸金室对样品进行镀金处理，使用扫描电子显微镜观察样品的微观形貌。

1.2.5 X射线衍射（XRD）

取样品粉末置于长方形铝片的孔中，随后压紧，用BurkerD8型X射线衍射仪测定。测试条件为：管压3 kV，管流20 mA，扫描速度4°/min，扫描区域5°～60°，采样步宽0.04°，扫描方式为连续，重复次数1。相对结晶度的计算，由Komiya和Nara所利用的XRD谱图计算相对结晶度的方法[16]。

1.2.6 红外光谱（IR）

称取约2 mg样品研细，加入150 mg干燥KBr，混合均匀并研细、压片，将该薄片进行红外扫描。测试条件：扫描波数范围4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1。采用DTGS检测器，以空气为空白，扫描3次后取平均值得到样品的红外光谱图。

1.3 数据处理方法

利用Origin 6.1软件进行数据处理，得到茶多酚复合物的红外光谱和X射线衍射图谱。

2 结果与分析

2.1 直链淀粉-茶多酚复合物相对结晶度的影响因素

茶多酚与B型微晶淀粉在压力蒸汽灭菌器中经过高温加压处理制备得到直链淀粉-茶多酚复合物。在直链淀粉-茶多酚复合物的制备过程中，产品结晶结构受到多种因素的影响，其中淀粉-茶多酚配比、复合时间、温度3种因素影响显著。试验研究3种反应参数（淀粉-茶多酚配比、复合时间和温度）对淀粉复合物结晶结构的影响。

2.2 淀粉/茶多酚配比对淀粉复合物结构的影响

图1为固定淀粉用量10.00 g，添加不同量的茶多酚情况下，所得直链淀粉-茶多酚复合物的XRD图。B型微晶淀粉与不同比例的茶多酚混合后经过压力蒸汽反应后，B型微晶淀粉与茶多酚溶解于去离子水中，缓慢冷却至室温，重结晶形成直链淀粉-茶多酚复合物。根据X射线衍射图谱可知，茶多酚的量对所得产品的结晶结构未产生影响，6种淀粉样品的衍射曲线均在5.62°、17.02°、22.30°和23.98°左右出现衍射峰，表明B型微晶淀粉经过压力蒸汽重结晶反应后依然为B型结构[17]。将图1所得各衍射曲线进行处理[18]，得出各衍射峰强度、相对峰面积、相对总面积和相对结晶度。数据如表1。

从表1可以看出，空白对照组样品的结晶度为44.20%，而加入茶多酚后，所得样品的结晶度均有下降，随着淀粉-茶多酚配比增加，淀粉复合物的相对结晶度越来越大，淀粉-茶多酚配比为100∶3时，结晶度最大，为45.06%，淀粉与茶多酚配比继续增加时，淀粉复合物的结晶度有所下降。这表明加入茶多酚与否及加入茶多酚的量直接影响淀粉复合物的结晶程度，可能原因是随着茶多酚含量增加，淀粉与茶多酚结合的量增加，直链淀粉-茶多酚配比100∶3时，淀粉的结合能力达到饱和，过量茶多酚干扰直链淀粉的重结晶，所得茶多酚复合物的结晶度下降[19]。因此，最佳直链淀粉-茶多酚配比100∶3。

图1 不同淀粉-茶多酚配比下所得淀粉复合物的XRD图

表1 不同淀粉-茶多酚配比时所得淀粉复合物结晶度和相关衍射数据

2.3 复合时间对淀粉复合物结构的影响

图2为不同复合时间下，所得直链淀粉-茶多酚复合物的XRD图。各衍射曲线的基线较高，表明淀粉复合物中无定型结构居多，复合时间的不同，淀粉复合物的衍射曲线均在5.68°、17.14°、22.06°和24.04°处出现衍射峰，为B型结构。说明复合时间不同，不改变其衍射峰位置。将图2所得各衍射曲线进行处理，得出各衍射峰强度、相对峰面积、相对总面积和相对结晶度。数据如表2。

随着复合时间增加，淀粉复合物的结晶度逐渐增加，复合时间≤40 min时，淀粉复合物的结晶度逐渐增加；复合时间＞40 min时，淀粉复合物的逐渐减弱。在测试范围内，复合时间为40 min时，淀粉复合物的结晶最好，其结晶度为45.06%。

图2 不同复合时间下所得淀粉复合物的XRD图

表2 不同复合时间下所得淀粉复合物结晶度和相关衍射数据

2.4 复合温度对淀粉复合物结构的影响

图3为不同复合温度时，所得直链淀粉-茶多酚复合物的XRD图。5种淀粉复合物的衍射曲线均在5.62°、17.02°、22.30°和23.98°左右出现衍射峰，为B型淀粉的特征峰。将图3所得各衍射曲线进行处理，得出各衍射峰强度、相对峰面积、相对总面积和相对结晶度。数据如表3。

从表3可以看出，复合温度90～110 ℃时，淀粉复合物的相对结晶度均无显著变化，但超过120 ℃后，淀粉复合物的相对结晶度显著下降，原因可能是较高的温度会影响直链淀粉和茶多酚的结构，也会使其结晶度降低。根据淀粉复合物相对结晶度的计算可知，淀粉复合物制备的最佳结晶温度120 ℃时，此时结晶度最大，为45.06%。

图3 不同复合温度下所得淀粉复合物的XRD图

表3 不同复合温度下所得淀粉复合物结晶度和相关衍射数据

2.5 最佳制备条件下所得淀粉复合物的结构表征

直链淀粉与茶多酚在压力蒸汽灭菌器中反应，在最佳结晶结构（B型微晶淀粉/茶多酚配比100∶3，复合时间40 min，复合温度120 ℃）下制得晶型较好的直链淀粉-茶多酚复合物，采用SEM、FT-IR、XRD和RAMAN对其结构性能进行表征。

2.5.1 扫描电镜分析（SEM）

图4是B型微晶淀粉、空白对照组和直链淀粉-茶多酚复合物的扫描电子显微镜图。图4（a）显示，B型微晶淀粉呈球状，表面光滑且颗粒间有一定的黏连现象[20]。图4（b）显示，空白对照组样品为扁平状结构，表面粗糙且颗粒间的粘连现象更为严重。图4（c）显示，直链淀粉-茶多酚复合物呈现无规则颗粒状与片状结构，颗粒大小不一切颗粒之间粘连现象严重，可能是因为，B型微晶淀粉重结晶过程中，茶多酚影响复合物的颗粒结构，从而发生形变。

图4 电子扫描显微镜照片

2.5.2 红外光谱分析（FT-IR）

图5分别是B型微晶淀粉、空白对照组和直链淀粉-茶多酚复合物的红外光谱图，3种淀粉样品有很多共同的红外吸收峰，是淀粉基团的红外特征吸收峰。3 411.9 cm-1附近出现的强而宽的吸收峰为淀粉中—OH基团的伸缩振动吸收峰[20]，2 929.7 cm-1附近出现明显—CH2—的伸缩振动吸收峰，1 652.9 cm-1附近出现的峰是淀粉的醛基振动峰[21]。通过红外光谱图可以看出，3种淀粉样品的特征衍射峰的强度和位置并没有发生显著变化。

图5 红外光谱图

2.5.3 X射线衍射分析（XRD）

图6是B型微晶淀粉、空白对照组和直链淀粉-茶多酚复合物的XRD图谱。3种类型的淀粉的特征衍射峰均在5.9°、17.15°、22.06°和23.84°左右出现，表明压力蒸汽法处理B型微晶淀粉并未改变其晶型结构，所得样品均为B型结构[22-23]。通过使用压力蒸汽方式对B型微晶淀粉进行重结晶反应，发现茶多酚加入与否并不改变其晶型结构。X射线衍射图谱分析可得，B型微晶淀粉的相对结晶度为39.04%，空白对照组的相对结晶度为44.20%，直链淀粉-茶多酚复合物的相对结晶度为45.06，说明B型微晶淀粉经过压力蒸汽处理后重结晶得到的样品的结晶度增加。

图6 X射线衍射图

3 结论

在茶多酚存在下，以B型微晶淀粉为原料，采用压力蒸汽方式制备直链淀粉-茶多酚复合物，并对影响直链淀粉-茶多酚复合物相对结晶度的因素进行研究。直链淀粉-茶多酚复合物最优制备条件为：淀粉-茶多酚比例100∶3，复合时间40 min，复合温度120℃。对结晶结构较好的样品通过XRD、IR和SEM进行结构表征，结果表明，B型微晶淀粉为球状结构，淀粉复合物为无规则颗粒结构和片状结构。样品在5.62°、17.02°、22.30°和23.98°左右处出现特征衍射峰，表明直链淀粉-茶多酚复合物为B型结构，直链淀粉-茶多酚复合物中没有新的化学键的形成。