大豆异黄酮对玉米淀粉老化的影响及体系水分迁移研究

王思琪，许秀颖，崔维建，吴天昊，吴玉柱，赵城彬，刘景圣

（吉林农业大学 长春 130118）

玉米淀粉（corn starch，CS）是玉米籽粒的主要组成成分，占玉米总质量的70%以上，作为重要的谷类淀粉，在食品加工及工业中的应用前景广泛[1-2]，然而，其易回生，在一定程度上限制了在食品生产中的应用[3]。淀粉在加工及储存过程中，食品的感官品质等物理、化学性质会受到影响，主要包括流变性、水分迁移、质构特性等[4-5]。天然玉米淀粉受热稳定性、冻融稳定性等特性较差的制约，不能广泛应用于现代生产工艺及食用需求[6-7]，同时，不同的需求对淀粉理化性质的要求也有一定的差异。相关研究表明，多酚、黄酮等小分子物质的加入可以延缓淀粉的老化，从而影响淀粉类食品的加工储存[8]。Wang 等[9]通过差式热量扫描法、X 射线衍射等试验手段发现原花青素可与淀粉相互作用，阻碍淀粉重结晶，起到抑制淀粉回生的作用。Lv 等[10]研究茶多酚及儿茶素对小麦淀粉回生性质的影响，结果表明：在储存过程中，与茶多酚及儿茶素的相互作用干扰了淀粉链的重新结合，淀粉结构发生了变化，从而延迟了回生，在食品工业中可用作潜在的抗逆添加剂。

酚类化合物与淀粉作用方式不同，所产生的影响也可能不同[11]。大豆异黄酮（Soy Isoflavones，SI）是生物黄酮中的一种，存在于多种植物中，是植物生长中形成的一类次级代谢产物，广泛存在于大豆及大豆制品加工副产物中[12]。大豆异黄酮的主要结构形式为以3-苯并吡喃酮为母核的化合物群，是一类有较高营养价值和健康保护作用的非固醇类生物活性物质[13-14]。近年来，在大豆异黄酮功能性食品方面的研发及应用逐渐增加[15-16]，成为食品保健品和医药等行业的热点之一。目前关于大豆异黄酮改变淀粉凝胶特性及其与淀粉相互作用的机理研究报道很少。本研究通过红外光谱、动态流变、差式量热扫描、物性分析、低场强核磁共振等试验手段探究大豆异黄酮对玉米淀粉老化性质的影响，以期进一步丰富黄酮类化合物对淀粉老化性能影响的基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米淀粉（总淀粉83.42%，直链淀粉28.30%，脂肪0.54%，蛋白质0.36%，水分11.35%），上海金穗生物科技有限公司；大豆异黄酮（≥90%，西安天丰生物科技股份有限公司）；其它试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

冷冻干燥机（ALPHA1-4LD plus），德国Christ公司；高速离心机，上海安亭科学仪器厂；流变仪（MCR302），奥地利安东帕（中国）有限公司；VERTEX70 傅里叶红外光谱仪，德国Bruker 公司；物性测定仪（TA-XT Plus），英国Stable Micro Systems 公司；差示扫描量热仪（DSC-Q2000），美国TA 仪器；低场强核磁共振（MesoMR23-040V-Ⅰ），上海纽迈电子科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品制备 参考Li 等[17]的方法，并做适当改动。称取5 g 玉米淀粉，将玉米淀粉与蒸馏水配制成料水比1∶10 的乳液，将0%，0.5%，1%，1.5%和2%的大豆异黄酮（SI/CS，质量分数）溶解在乙醇中，在持续搅拌下，30 min 内缓慢滴入淀粉分散体中。经70 ℃水浴搅拌1 h 后，将混合物缓慢冷却至室温，将所得悬浮液以3 000 r/min 离心5 min，使用乙醇溶液（体积分数50%）洗涤3 次并离心，以除去未与玉米淀粉复合的大豆异黄酮，冷冻干燥样品，分别标记为SSI-0、SSI-1、SSI-2、SSI-3 和SSI-4。

1.3.2 动态时间扫描测定 参考张丹丹等[18]的方法将糊化的样品冷却至室温后，采用平板测量系统（型号PP 25，直径25 mm，设置间隙1.025 mm）。测定条件：在温度为4 ℃、应变力为1%的条件下测定2 h 内样品储能模量（G'）的变化。样品用硅油覆盖以防止水分蒸发。

1.3.3 老化热力学测定 参考肖瑜等[19]的方法，准确称取（3.0±0.02）mg 样品，以1 ∶3 的比例与蒸馏水混合，密封压盖后放入4 ℃平衡24 h，用差示扫描量热仪进行升温测定，以空坩埚作参比。升温范围为30～120 ℃，升温速率为10 ℃/min。从DSC 曲线可知糊化初始温度T0，糊化峰值温度TP、糊化最终温度TC、糊化焓值ΔH。完成后将样品盘在4 ℃下储存1，4，7，14 和21 d，再次进行DSC 测量，测量前样品盘于室温下平衡1 h，得到不同储存天数的初始温度T0、糊化峰值温度TP、糊化最终温度TC及糊化焓值ΔH，所有样品均一式3 份测量分析。

1.3.4 质构特性测定 将糊化后的淀粉凝胶置于4 ℃条件下冷藏1，4，7，14，21 d 后取出，参考物性仪TPA 测定模式，采用圆柱形金属探头（P/0.5，平底）。参考任顺成等[20]的方法，测试条件：测前速率1.0 mm/s；测试速率2.0 mm/s；测后速率2.0 mm/s；测试距离10.0 mm；压缩程度为40%；两次压缩间隔为2 s；触发力为5 g；触发类型为自动，每个样品做3 组平行试验，得到质构参数曲线。通过Texture Expert Excede Version 1.0（Stable Micro Systems Software）软件分析处理数据，得到硬度值。

1.3.5 傅里叶红外光谱扫描 将糊化后的淀粉凝胶置于4 ℃条件下冷藏 1，4，7，14，21 d 后取出后冻干，FT-IR 测定前，样品在40 ℃下平衡24 h。参考Zhao 等[21]的方法并做部分改动：称取1 mg 已经干燥至恒重的样品与50 mg 溴化钾在红外灯下研磨混合均匀，置于模具中，在15 MPa 下抽真空压片60 s。扣除溴化钾薄片的背景，在4 000～400 cm-1下，扫描64 次，分辨率为4 cm-1，使用origin 8 进行数据处理，得到红外光谱图。采用OMNIC 8.0 对谱图进行基线矫正和自动平滑处理，得到处理后的红外光谱图。

1.3.6 水分迁移变化测定 根据Wang 等[22]的方法稍作修改，将糊化后的淀粉凝胶置于进样瓶中，随即置于4 ℃条件下冷藏1，4，7，14，21 d 后取出，放置至室温后将样品置于NMR 玻璃管中，CPMG 脉冲序列测定样品的自旋-自旋弛豫时间（T2）。主要参数设置为：射频信号频率偏移量O1=376 786.36 Hz，采样点数TD 为1000054，P1=3.00 μs，P2=6.00 μs，SW=200 kHz，TE=0.5 ms，Tw=7 500 ms，RFD=0.08 ms，RG1=20.0 db，DRG1=3，累加次数NS 为4，回波数NECH 为10 000。使用NMRAS 分析软件采集信号，反演后对数据进行归一化处理。每个样品进行3 次LF-NMR 测试，数据取平均值。

1.3.7 数据处理 所有数据为3 次平行测量的平均值，结果以x¯±s 表示，使用Origin 2018 软件进行相关图表绘制，采用SPSS 21 软件通过ANOVA统计学分析在显著性水平0.05 进行检验。

2 结果与分析

2.1 动态时间扫描分析

淀粉糊在贮藏期间会经历老化的过程，可分短期老化和长期老化两个阶段[23]。短期老化在淀粉糊化后几个小时到1 d 内完成，主要是由于直链淀粉的重聚。淀粉的短期老化趋势可以用动态黏弹特性来反映，在老化初期，直链淀粉通过氢键相互连接，聚集重排形成网络状结构，从而淀粉弹性增大，在动态时间扫描中表现为储能模量的升高[24]。

图1所示为4 ℃条件下，在老化时间为2 h内，样品储能模量G' 随时间变化的曲线。由图可知，在测试初期所有样品G' 迅速升高，随后进入缓慢升高阶段。直链淀粉逐渐渗漏出来以氢键缔结形成凝胶网络，致使凝胶弹性模量不断增大。随着大豆异黄酮含量的增加，G'值逐渐降低，且变化率减小。与SSI-0 相比，其它样品的G' 值逐渐降低，表明其渗漏直链淀粉聚集重排速率下降，延缓淀粉的短期老化。与丁月平[25]结果相似。

图1 玉米淀粉与不同浓度大豆异黄酮混合体系储能模量随时间变化曲线Fig.1 Elasticity modulus as a function of time for corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

2.2 老化热力学分析

储存期间各样品的热力学分析如表1所示。储存1 d 的热力学数据中未观察到明显的回生焓值，而在储存4，7，14，21 d 后出现明显的热焓值且逐渐增加，表明淀粉在储存期间老化程度增大。由表中数据可知，峰值温度Tp均在50 ℃左右，其属于支链淀粉老化的解离峰[26]。随着储存时间的延长，起始温度T0、峰值温度Tp及终止温度Tc逐渐降低，热焓值ΔH 逐渐增加，表明淀粉老化程度增大，融化支链淀粉结晶所需能量逐渐增大。

表1 玉米淀粉与不同浓度大豆异黄酮混合体系老化热力学参数Table 1 DSC values of corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

T0、Tp及Tc随大豆异黄酮含量的增加逐渐升高，ΔH 逐渐降低。ΔH 值可以用来反映淀粉颗粒的结晶和无定型区域中，双螺旋的取向和堆积能量。由表1数据可知，由于大豆异黄酮的存在淀粉的ΔH 值被降低。此外，大豆异黄酮中含有的羟基基团可与淀粉分子相互作用，干扰并阻碍淀粉分子的重结晶[27]。大豆异黄酮的加入，影响了淀粉在老化过程中的重结晶，阻碍淀粉在回生过程中相对有序结构的生成。大豆异黄酮有助于延缓淀粉的老化程度，且在试验范围内其含量越高延缓老化程度越明显。

表2所示为各样品的回生率，随着储存时间的延长，淀粉回生率逐渐增加，表明其老化程度逐渐增大；但在相同储存期内，随着大豆异黄酮含量的增加，淀粉回生率显著降低（P＜0.05），储存时间为4 d 时，回生率由（18.80±0.43）%降低至（5.14±0.57）%；储存时间为7 d 时，回生率由（47.44±0.86）%降低至（19.43±1.14）%；储存时间为14 d时，回生率由（51.71±0.86）%降低至（33.71±3.43）%；储存时间为 21 d 时，回生率由（56.84±0.86）%降低至（37.71±0.58）%；表明大豆异黄酮有效地延缓了淀粉的老化程度。

表2 玉米淀粉与不同浓度大豆异黄酮混合体系的回生率Table 2 Retrogradation rate of corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

2.3 质构特性分析

淀粉凝胶的质构特性是淀粉基食品重要性能，TPA 可用来评估淀粉凝胶在储存过程中的老化程度[28]。硬度值是凝胶质构特性的重要指标，TPA 中硬度是模拟人体咀嚼压缩样品所需要的力[29]。在储存期间，淀粉凝胶老化程度加剧，硬度值会表现出升高的特征。图2所示，随着老化天数的增加，淀粉凝胶的硬度值逐渐升高，主要是因为储存时间延长老化程度加大，在老化过程中，直链淀粉分子间交联缠绕形成了具有一定强度的网络状结构，且交联程度越大硬度值越高[30]。

图2 玉米淀粉与不同浓度大豆异黄酮混合体系老化过程的硬度值Fig.2 Parameters of hardness of retrogradation corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

与SSI-0 相比，样品硬度值降低，且下降趋势随大豆异黄酮含量增加更为明显。这可能是由于大豆异黄酮的加入阻碍了直链淀粉聚集重排，减小淀粉分子间作用力，从而减弱淀粉老化程度，使凝胶质地更柔软。

2.4 红外光谱分析

红外光谱主要用来反映淀粉在老化期间氢键的变化[31]。如图3所示，在储存1，4，7，14 和21 d的期间，图谱中没有新的吸收峰出现或消失，表明淀粉与大豆异黄酮通过氢键等非共价相互作用。3 400 cm-1左右较宽吸收峰是羟基的拉伸振动所产生的[32]，羟基存在于分子间和分子内，大豆异黄酮的加入使此处的吸收峰发生了红移，氢键的作用力增强，且随大豆异黄酮含量的增加而增强，这可能包含了淀粉与淀粉及淀粉与大豆异黄酮间的氢键。

图3 玉米淀粉与不同浓度大豆异黄酮混合体系老化过程的红外光谱图Fig.3 FT-IR of retrogradation corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

将红外光谱图中1 200～900 cm-1处进行去卷积处理以去除杂峰，并得到R（1047/1022）cm-1和R（995/1022）cm-1处的峰强度比值。R（1047/1022）cm-1和R（995/1022）cm-1附近的数值可以揭示淀粉相对有序度和双螺旋度的内部变化[33-34]，这可反映淀粉的老化程度，值越大淀粉老化程度越强。表3为各样品在储存期间内（R1047/1022） cm-1和（R995/1022） cm-1处的比值，随着老化天数的增加，所有样品在这两处的比值均增加，老化过程中淀粉分子间发生相互交联，增加其相对有序程度。添加大豆异黄酮后，淀粉在这两处的比值减小，由此可知在老化过程中，大豆异黄酮的加入可以抑制淀粉分子间的交联，从而降低淀粉在老化期间的结晶程度，进而抑制淀粉相对有序结构生成，且抑制效果以含量依赖性的方式增强。

表3 玉米淀粉与不同浓度大豆异黄酮混合体系老化过程的短程有序性Table 3 Short-range order of retrogradation corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

2.5 水分迁移变化分析

在淀粉凝胶体系中，随着储存时间的变化，体系中水分也随之变化。在储存过程中，淀粉氢键作用增强，导致淀粉与水分子间氢键作用减弱，结合水含量降低而自由水含量增加，淀粉持水力下降。低场强核磁共振横向弛豫时间T2可用来反映淀粉凝胶体系水分迁移情况[35]，T2值较大水分子流动性强，相反，T2值较小水分子与底物结合紧密。T2弛豫时间在0.1～10 ms 范围内为结合水，在10～100 ms 内为不易流动水，大于100 ms 为自由水[36]。不同样品在储存1，4，7，14 和21 d 的水分迁移变化如图4所示，随着储存时间的延长，图谱上的峰整体向左偏移，通过T2值计算区分为4 个部分，相应的T2值于表4中，T2b、T221均为较紧密的结合水，T2值逐渐降低，表明在老化过程中，淀粉分子聚集重排形成致密的网络结构，淀粉分子间与水分子结合紧密，水分子流动受限[37]。大豆异黄酮的加入，体系T2值逐渐升高，但图谱中结合水、不易流动水以及自由水的变化规律不明显，且无法确认峰面积，还需对各弛豫峰进一步计算分析。

表4 玉米淀粉与不同浓度大豆异黄酮混合体系老化过程的T2 参数Table 4 T2 values of retrogradation corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

图4 玉米淀粉与不同浓度大豆异黄酮混合体系老化过程水分迁移变化Fig.4 Changed in water migration of retrogradation corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

水分子相对含量可用峰面积来反映，对弛豫图谱进行积分得到各部分峰面积。由图5可知结合水，不易流动水和自由水的相对含量，其中自由水和不易流动水含量较低（小于5%），而自由水所占比例较高（大于95%），表明此凝胶体系中水与底物结合较少。随着回生时间的增加，体系中结合水、不易流动水含量逐渐降低，自由水含量逐渐升高。回生过程中淀粉分子链间相互作用增强，形成的分子内氢键迫使淀粉链与水分子形成的分子外氢键断裂，导致水分被析出，结合水转变为自由水，凝胶持水力下降。在相同储存期，随着大豆异黄酮浓度的增加，自由水含量逐渐降低。这可能是由于大豆异黄酮与淀粉相互作用，增加了凝胶体系的空间位阻致使淀粉间结合减少，减弱了分子间的氢键作用，且大豆异黄酮浓度越大作用越明显。此外，大豆异黄酮中的羟基基团也可与淀粉及水分子以氢键作用形成交联。大豆异黄酮的加入可增强体系的持水性，减少体系自由水含量，有效地减缓淀粉老化进程。

图5 玉米淀粉与不同浓度大豆异黄酮混合体系老化过程的峰面积比例Fig.5 Peak area ratio of retrogradation corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

3 结论

淀粉凝胶随储存时间的延长，其老化程度逐渐增大，在一定程度上影响淀粉基食品食用品质。本文重点考察了不同浓度大豆异黄酮对玉米淀粉老化特性影响及体系水分迁移变化，结果表明：在相同储存期间内，随着大豆异黄酮浓度的增加，淀粉凝胶弹性模量逐渐降低；淀粉的老化焓值减小，回生率显著降低；硬度值减小，形成质地更为柔软的凝胶，表明大豆异黄酮的加入，阻碍了直链淀粉的聚集重排，减小淀粉分子间作用力，从而减弱淀粉老化程度。红外光谱图中氢键吸收峰发生红移，R1047/1022和R995/1022处的值逐渐降低，表明大豆异黄酮可抑制淀粉分子间的交联，降低淀粉相对有序度。体系的结合水和不易流动水含量增加，自由水含量减少。大豆异黄酮可在一定程度上延缓玉米淀粉的短期及长期老化。