多酚与淀粉相互作用对板栗淀粉特性的影响

谢亚敏，许 飞，陈 洁*，陈 玲，崔超悦，李杨敬

1.河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001

2.华南理工大学 食品科学与工程学院，广东 广州 510640

板栗又称毛栗、栗子等，具有养胃健脾、活血止血等功效，是营养和药用价值都很高的坚果。板栗中淀粉含量较高，相关制品易因淀粉老化导致产品质量和口感变差。植物多酚是一类广泛存在于植物体内的天然产物，具有芳香环结构并在环上结合一个或多个羟基[1]。根据多酚分子结构中碳原子骨架结构的异同，将其分为酚酸类、类黄酮类、木酚素类和单宁酸类等。多酚与食品体系中大分子物质接触并相互作用，对食品的风味和质地产生一定影响[2]。目前国内外学者利用多酚与淀粉分子之间相互作用，改变淀粉分子结构特征，使其特性向人们期望的方向改变，以达到改善淀粉类食品品质的目的[3]。Wu等[4]发现茶多酚可以显著降低大米淀粉发生糊化时所需的温度和能量，且对淀粉的重结晶具有明显的抑制作用。任顺成等[5]发现芦丁和槲皮素对小麦淀粉的弹性模量和小麦凝胶体系均有影响。Zhu等[6]研究发现25种多酚可不同程度地改变淀粉糊的pH值，降低小麦淀粉的谷值黏度和终值黏度。Li等[7]发现茶多酚与直链淀粉复合致使晶体结构改变，且该复合物具有慢消化特性，有益于餐后血糖控制。直链淀粉还可以包裹较小的多酚客体分子形成V型复合物，多酚与大分子一般通过氢键形成复合物[8]。

目前研究主要集中在多酚对玉米淀粉、大米淀粉、马铃薯淀粉等理化特性的影响，关于多酚与板栗淀粉相互作用对淀粉理化特性影响的研究较少。作者选用2种板栗淀粉(燕山淀粉、锥栗淀粉)和4种多酚(茶多酚、儿茶素、没食子酸和阿魏酸)，研究多酚对板栗淀粉的理化特性的影响，并分析多酚对板栗淀粉凝胶质构特性、碘结合能力、重结晶能力等的影响，以期为在板栗淀粉中添加多酚类物质提升食品加工特性、营养价值及改善食品品质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

成熟板栗采摘于河北燕山和福建建瓯，储存于4 ℃冷库中备用。

溴化钾(光谱纯)：美国PIKE公司；焦亚硫酸钠、无水乙醇、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、碘、碘化钾等均为分析纯。

1.2 仪器与设备

TU-1810紫外可见分光光度计：北京普析通用仪器有限公司；TDL-50B离心沉降机：上海安亭科学仪器厂；IARffinity-1S傅里叶变换红外光谱仪：日本Shimadzu有限公司；RVA-TechMaster快速黏度分析仪：瑞典Perten公司；TA.XT.plus物性测试仪：英国Stable Micro System公司。

1.3 方法

1.3.1 板栗淀粉制备

参照文献[9]的方法，将板栗与0.45%的焦亚硫酸钠按照1∶ 2(g/mL)混合打浆，过滤弃去滤渣，4 000 r/min离心15 min，除去上清液，去离子水洗涤离心2次，醇洗后离心，将下层白色沉淀热风干燥，过100目筛，得到板栗淀粉，备用。

1.3.2 基本理化指标测定

水分含量参照GB/T 5009.4—2016测定；脂肪含量参照GB 5009.6—2016测定；蛋白含量参照GB 5009.4—2010测定；直链淀粉和支链淀粉的测定参照双波长法[10]。

1.3.3 溶液pH值测定

分别配制质量分数为1%的多酚样品组及空白试验组(本试验中淀粉与多酚质量比均为10∶ 1)，室温下放置30 min后摇匀，测定溶液pH值。

1.3.4 透光率测定

参照文献[11]的方法，制备质量分数1%的淀粉乳，沸水浴20 min充分糊化，用紫外可见分光光度计在波长620 nm下，以蒸馏水为空白对照，测定淀粉糊的透光率。

1.3.5 凝沉性测定

参照文献[12]的方法，制备质量分数1%的淀粉乳，取25 mL样品放入具塞试管中，室温静置，每隔一段时间记录沉降物体积。

1.3.6 冻融稳定性测定

参照文献[13]的方法并稍加修改，用pH 6.0的缓冲液配制质量分数为5%的样品溶液，加热糊化。称取一定量的糊液于离心管中，-18 ℃贮存24 h，室温解冻2 h，以3 000 r/min离心15 min，弃去上清液，称取沉淀物的质量，计算析水率。

1.3.7 溶解度和膨润力测定

参照文献[13]的方法，将1 g样品溶于30 mL蒸馏水，95 ℃水浴加热并搅拌1 h，3 000 r/min离心10 min，称取沉淀物质量。然后将上清液于130 ℃干燥，蒸干至恒质量。

溶解度=A/W×100%，膨润力=P/[W(100-S)]，

式中：A为上清液蒸干后的质量，g；W为样品质量，g；P为离心后沉淀物的质量，g；S为溶解度。

1.3.8 吸水性测定

称取2.5 g样品溶于30 mL蒸馏水中，在40 ℃水浴中搅拌20 min，再以3 000 r/min离心25 min，移去上清液，称量离心管中沉淀的质量。

吸水率=(M-m)/m×100%,

式中：M为沉淀的质量，g；m为样品质量，g。

1.3.9 凝胶质构特性测定

参照文献[14]的方法，调配质量分数为10%的淀粉乳，磁力搅拌器预糊化10 min后95 ℃恒温水浴15 min，然后取出冷却至室温，于4 ℃放置24 h后测定凝胶质构特性。

1.3.10 淀粉与碘结合力测定

参照文献[15]的方法并稍加改动，配制质量分数1%的溶液，沸水浴加热15 min，冷却至室温，加入碘液(0.2%I2-2%KI，m/m)搅拌均匀，室温下放置20 min，在625 nm处测定吸光度。

1.3.11 红外光谱测定

将样品与溴化钾按质量比1∶ 100混合，充分研磨并压片，扫描波数400～4 000 cm-1,扫描次数32次，分辨率4 cm-1，纯溴化钾用于背景校正。

1.3.12 糊化特性测定

糊化特性按照GB/T 14490—2008《粮油检验谷物及淀粉糊化特性测定 黏度仪法》测定。

1.4 数据分析

采用SPSS 21对数据进行显著性分析，采用Origin绘制图表。

2 结果与讨论

2.1 板栗淀粉基本理化指标

两种板栗淀粉的基本理化指标见表1。

表1 板栗淀粉的理化指标

2.2 多酚对板栗淀粉溶液pH值的影响

如图1所示，4种多酚对pH值的影响有所差异。没食子酸和阿魏酸对溶液的pH值影响最为显著，茶多酚和儿茶素对溶液pH值影响较小。燕山和锥栗淀粉直链淀粉含量不同，淀粉吸水性和水合性质的差异导致体系pH值的变化有差异；没食子酸和阿魏酸属于酚酸类，其中的羟基通过水合作用与水分子形成竞争，改变多酚-淀粉体系的水分活度，不同程度降低体系的pH值。故板栗淀粉理化特性发生改变不仅仅是淀粉本身结构的差异和多酚的加入导致的，也可能是淀粉溶液的酸碱度变化引起的。

图1 多酚对板栗淀粉溶液pH值的影响

2.3 多酚对淀粉糊透光率的影响

由图2可知：空白试验组中锥栗淀粉的透光率较高；4种多酚加入，淀粉透光率升高，其中没食子酸和阿魏酸的影响较为显著。多酚的加入，导致淀粉分子之间发生一定程度的聚集，直链淀粉和支链淀粉的重排作用发生变化，淀粉链连接到一起[16]，使整个淀粉体系更加稳定。而茶多酚和儿茶素试验组透光率变化较小，可能是茶多酚和儿茶素本身含有颜色导致的，同时羟基引入造成板栗淀粉的直链淀粉和支链淀粉的比例、线性链的分布和淀粉结构的稳定性发生了变化。空白淀粉组在老化1、12、24 h过程中，透光率逐渐降低；加入多酚，透光率降低的趋势逐渐减缓，说明多酚一定程度上抑制板栗淀粉短期老化。而阿魏酸和没食子酸试验组在老化1、12、24 h透光率变化不大，这可能与体系pH值的变化有关。有研究表明，溶液体系的pH值对淀粉溶液透光率有重要的影响，小米淀粉溶液的透光率随体系pH值的上升而上升[17]。透光率也是淀粉类食品加工中重要的品质参数，与淀粉的老化有一定联系，一般情况下，透光率越低，淀粉越易老化[18]。

图2 多酚对板栗淀粉透光率的影响

2.4 多酚对板栗淀粉凝沉性的影响

由图3可知：相同时间下，燕山淀粉沉降物的体积较小，凝沉性弱；随着时间的延长，沉降物的体积逐渐减小并达到稳定状态，沉降的速率也大大降低。这可能与直链淀粉和支链淀粉含量有关，支链淀粉高度化地分支，糊化时比直链淀粉更容易形成网状结构，因而溶液稳定，凝沉性比较弱。空白试验组淀粉的沉降速率在48 h逐渐达到稳定状态，加入多酚后溶液的沉降速率在24 h就逐渐达到稳定状态，说明多酚的加入减缓了板栗淀粉的沉降速率。糊化过程中多酚分子与板栗淀粉通过氢键发生相互作用，抑制了板栗淀粉之间的聚合，减缓了淀粉凝沉。而添加了阿魏酸和没食子酸试验组的沉降物体积均低于茶多酚和儿茶素试验组的，酚酸类多酚的加入改变了淀粉凝胶体系中的水分分布、电负性、pH值和淀粉的膨胀度，从而影响淀粉的凝沉性。有研究表明，pH值高时，板栗淀粉的凝沉性减弱，淀粉糊不易发生老化，这可能是葡萄糖残基上的羟基解离使分子相互排斥导致的[19]。从上述结果可知，不同多酚对板栗淀粉凝沉性影响不同，因此可根据不同的产品需求选择不同种类的多酚进行添加。

图3 多酚对板栗淀粉凝沉性的影响

2.5 多酚对板栗淀粉水合性质的影响

由表2可知，锥栗淀粉的析水率和溶解度均低于燕山淀粉，这可能与淀粉的直链和支链淀粉含量有关。一般直链淀粉越高，析水率越大，冻融稳定性越差。前期冻融过程中，淀粉体系被破坏，出现大量的孔洞，析水率明显升高；而在后期，直链淀粉的老化过程被阻碍，海绵化结构逐渐形成，析水率没有持续上升[20]。由表2可知，加入多酚后，析水率明显下降，茶多酚、阿魏酸和儿茶素的加入对析水率影响较为显著，这可能是多酚使得淀粉凝胶的刚性和弹性增强。

表 2 多酚对板栗淀粉水合特性的影响

溶解度反映了淀粉溶胀过程中的溶出程度，与淀粉颗粒中直链淀粉含量呈正相关，而膨润力反映淀粉颗粒的吸水和保水能力，与淀粉支链淀粉含量呈正相关[21]。多酚的加入对淀粉的析水率、溶解度和膨润力有不同程度的影响。原因主要包括：一是直链淀粉和支链淀粉的含量和多酚的种类不同；二是多酚影响结晶域和非结晶域中淀粉分子的相互作用的大小，通过分子间氢键与解螺旋的支链淀粉分子相连，淀粉分子内氢键作用减弱；三是多酚限制了直链淀粉或者是小的支链淀粉膨胀过程中的逸出，比如分散在水中的多酚分子吸附在板栗淀粉表面，一定程度上阻碍了淀粉和水分子相互作用。但阿魏酸和没食子酸试验组溶解度有所升高，这可能与体系的pH值变化有关。有研究表明，pH值改变限制淀粉颗粒水中的膨胀，对淀粉的溶解度和膨润力造成影响[22]。总之多酚对淀粉水合特性影响是淀粉的颗粒结构、多酚的分子结构和体系的pH值等多种因素共同作用的结果。

2.6 多酚对淀粉吸水性的影响

用吸水率表示淀粉吸水性的强弱。由图4可知，燕山淀粉的吸水性较强。这可能与燕山淀粉的颗粒直径、结构及体系的pH值有关，其结构比较松散，水分子易渗透。淀粉分子中，葡萄糖残基上的亲水性较强的羟基和螺旋笼状结构是其主要的吸水部位，展现出较强的吸水性[23]。加入茶多酚、没食子酸、儿茶素和阿魏酸之后，燕山淀粉和锥栗淀粉的吸水性均明显下降，淀粉和多酚发生相互作用，多酚中的羟基也可影响淀粉和水分子间的相互作用，使淀粉的整体结构比较紧密，淀粉的吸水性降低。有研究表明，淀粉吸水性的强弱对溶解度和冻融稳定性及糊化特性造成一定影响[23]。

图4 多酚对板栗淀粉吸水率的影响

2.7 多酚对板栗淀粉糊化特性的影响

由表3可知，锥栗淀粉的糊化温度和回生值均低于燕山淀粉，峰值黏度、谷值黏度和衰减值高于燕山淀粉。糊化温度因直链淀粉含量和结晶度的不同存在差异，直链淀粉含量高的淀粉，其晶体结构紧密，溶出所需的热量大，其糊化温度较高。锥栗淀粉的糊化温度低于燕山淀粉，故锥栗淀粉制品在加工过程中更易熟制，降低生产成本。多酚的加入使淀粉的峰值黏度、谷值黏度、最终黏度、衰减值、糊化温度和回生值也均有不同程度的降低。回生值反映了淀粉的老化情况，可以得知燕山淀粉更易老化，且加入多酚后，板栗淀粉回生值降低。而淀粉回生值变化的差异性，可能是以下原因引起的：多酚上的羟基通过氢键、范德华力与淀粉分子的侧链形成复合物[6]，阻碍淀粉分子间相互作用，抑制淀粉的重结晶，延缓淀粉的回生；阿魏酸和没食子酸属于酚酸类，淀粉发生酸解，形成短链淀粉分子与小分子单糖或者二糖，且该水解过程不可逆，从而减缓了淀粉老化[17]。

表3 多酚对板栗淀粉糊化特性的影响

2.8 多酚对淀粉凝胶质构的影响

如表4所示，燕山淀粉硬度、弹性和胶着性值均大于锥栗淀粉。燕山淀粉直链淀粉含量高，分子之间交联程度较紧密。同时，淀粉的侧链还能与周围游离的淀粉分子结合，形成三维网络结构，赋予淀粉凝胶一定的硬度[24]。储存过程中，淀粉老化导致淀粉基食品硬度增加，口感变差。因此，检测硬度变化是评价淀粉老化程度最直接的物理方法。由表4中硬度数据可知，多酚的加入起到减弱板栗淀粉短期老化的作用，其中儿茶素效果最明显。加入多酚，样品硬度、弹性和胶着性不同程度地下降。多酚引入大量的羟基，与直链淀粉通过共价作用结合在一起，破坏了多维网状结构的形成，抑制了淀粉的结晶过程，样品硬度下降，弹性变差。另外，凝胶体系的吸水性、pH值、多酚的种类和淀粉的种类等对凝胶质构都有着重要影响[25]。

表4 多酚对淀粉凝胶质构的影响

2.9 多酚对淀粉与碘的结合能力的影响

由图5可知，锥栗淀粉比燕山淀粉的吸光度大，加入多酚后，吸光度出现不同程度的下降。多酚中活性羟基与淀粉分子链中的羟基形成氢键，导致螺旋难以形成，淀粉链的羟基位点被占据，碘分子无法通过淀粉链外羟基的结合而牵引至轴心，淀粉分子高度水化之后不容易形成碘-淀粉复合物。其中阿魏酸和没食子酸的影响最为显著，多酚与淀粉相互作用后，嵌入到直链淀粉螺旋内腔的碘离子数量减少，进一步说明多酚有效阻碍了直链淀粉和碘的结合。也有研究表明，多酚可以在氢键、范德华力、离子相互作用和疏水相互作用等共同作用下，与支链淀粉的侧链结合在一起，从而阻止淀粉与碘的复合[26]。

图5 多酚对淀粉与碘结合力的影响

2.10 红外图谱的测定结果

由表5可知:燕山淀粉空白组的峰面积比值大于锥栗淀粉空白组，说明燕山淀粉的有序度更高；加入多酚后，试验组1 047 cm-1/1 022 cm-1的峰面积比值均下降，其中儿茶素和茶多酚试验组的比值较低，说明淀粉晶体结构有序度影响较为明显。选取波数为1 300～800 cm-1区域的谱图分析，得到淀粉在995、1 022、1 047 cm-1处的峰面积。995 cm-1处的吸收峰面积变化表示淀粉原有结晶结构的变化，1 022 cm-1处吸收峰面积变化代表的淀粉中无定形结构的变化；而1 047 cm-1附近的吸收峰是淀粉聚集形态下的有序度，该处的吸收峰面积变化反映了淀粉改性后新型结晶结构的变化[27]。将1 047 cm-1/1 022 cm-1峰面积比值看作淀粉粒有序结构的指标，比值越大，表明分子有序度越高，样品结晶度越高。这说明多酚加入降低了淀粉的有序度，减弱了重结晶能力，减缓了淀粉的老化。

表5 添加多酚的板栗淀粉傅里叶变换红外峰面积比

2.11 主成分分析

通过对空白组和多酚试验组参数分析得知，多酚加入均对板栗淀粉特性产生影响。为筛选出主要影响指标，对4组多酚试验组进行主成分分析，结果如表6所示，对数据进行计算，提取了3个主要成分(分别记为F1、F2、F3)，其累计值为90.58%，说明这3个成分可以反映多酚对板栗淀粉特性影响的大部分信息。

表6 因子得分系数矩阵

各因素载荷散点图如图6所示，提取两个主成分F1和F2解释原始变量大部分信息分析，得知主成分F1与空白试验组有较大正相关，与儿茶素、茶多酚、没食子酸试验组有较大负相关，占原信息量46.95%；主成分F2与没食子酸和阿魏酸试验组有较大正相关，占原信息32.63%。多酚试验组对淀粉特性影响的载荷量大多数在主成分F2上，说明主成分F2更能反映多酚与淀粉相互作用对板栗淀粉特性的影响。

图6 各因素载荷散点图

3 结论

通过对淀粉糊透明度、溶液pH值、淀粉与碘结合能力、淀粉的水合特性、凝沉性、吸水性、糊化特性和凝胶质构特性分析，得到以下结论：比较2种板栗淀粉，燕山淀粉直链淀粉含量高，淀粉糊的透明度低，凝沉性差，分子有序性较高，更易发生老化；茶多酚、儿茶素、没食子酸和阿魏酸的加入对淀粉特性有不同程度的影响；酚酸类多酚的加入明显地降低了板栗淀粉溶液的pH值；小分子的多酚进入到直链淀粉螺旋内腔，导致嵌入到直链淀粉螺旋内腔的碘离子数量减少，减弱了淀粉与碘的结合能力；多酚的加入使淀粉糊透光率降低、吸水性降低、凝沉稳定性增强；对淀粉的溶解度、膨润力和冻融稳定性影响不同，这可能与体系环境酸碱度的改变有关；多酚使板栗淀粉凝胶硬度降低、弹性变差，淀粉分子间相互作用减弱、淀粉的回生值和1 047 cm-1/1 022 cm-1峰面积比值也下降，说明多酚可不同程度地降低板栗淀粉的重结晶能力，减缓淀粉的回生。