花青素對不同直鏈淀粉含量的淀粉理化特性的影響

,*

(1.華中農業大學食品科學技術學院,湖北武漢 430070;2.中南林業科技大學,稻谷及副產物深加工國家工程實驗室,湖南長沙 410004)

花青素(Anthocyanin)是廣泛存在于水果、谷物和蔬菜中的一類水溶性天然色素,結構主要是由C6-C3-C6為基本的C骨架組成的,屬于酚類化合物中的類黃酮類[1]?；ㄇ嗨鼐哂休^高的抗氧化活性,是目前發現的最有效的抗氧化劑之一。此外,花青素還具有抑制腫瘤、降低血脂、增強視力及消炎等多種藥理功能[1-2]。研究表明,花青素在食品中有著廣泛的應用,一是直接開發為健康產品,二是作為食品添加劑使用[3]。例如,以紫薯和大米為主要原料壓榨釀出的紫薯酒,其體外抗氧化活性高于葡萄酒[4];Sui[5]研發出一種功能性面包——“花青素營養強化面包”,為糖尿病患者提供了更健康的選擇。

花青素大量存在于黑米中,作為一種由禾本科植物稻經長期培育形成的一類具有特殊香味的香米品種[6],黑米的營養素含量優于普通大米[7]。研究表明,黑米比普通白米難消化和吸收[8-9],這將有利于減緩人體餐后血糖升高,治療肥胖和糖尿病等慢性疾病[10]。然而,目前黑米比普通白米消化慢的原因尚未研究清楚。推測其可能有三方面因素,一是黑米中富含的花青素或膳食纖維通過抑制淀粉酶的活性,從而降低淀粉的消化速率;二是淀粉與花青素發生相互作用,形成耐酶解的結構或者影響了淀粉的理化性質,進而影響淀粉消化[11];三是增加抗性淀粉含量,作者前期研究已證明(未發表)。對于多酚影響淀粉的理化性質,前人早有研究報道。例如,Xiao等[12]研究發現黑茶多酚能顯著降低淀粉的初始溫度、峰值溫度、終值溫度以及糊化焓值。Karunaratne等[13]研究發現阿魏酸可以降低玉米淀粉的糊化溫度和糊化焓。Chai等[14]研究發現,茶多酚能與玉米淀粉中的直鏈淀粉發生相互作用,進而改變了淀粉的理化特性。然而,目前花青素與淀粉之間的相互作用及其機制尚未見研究報道。

因此,有必要研究花青素對淀粉理化性質的影響,進而解釋黑米比白米消化慢的原因,旨在填補這方面研究的空白并為開發新型花青素類淀粉食品提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

低直鏈大米淀粉(LAR)(直鏈淀粉含量為3.15%，淀粉含量為90.006%)，提自珍珠糯米 陽新縣祥云糧油食品有限公司；中直鏈大米淀粉(IAR)(直鏈淀粉含量為8.39%，淀粉含量為90.092%，提自賽亞東北香米)、高直鏈大米淀粉(HAR)(直鏈淀粉含量為19.39%，淀粉含量為90.431%，提自賽亞桃花米) 襄樊賽亞米業有限公司，上述三種淀粉均依據文獻[15]提??；黑米花青素 本實驗室自制，純度79.66%；其他試劑 均為分析純。

204-F1差示掃描量熱儀 德國Netzsch公司;AR2000ex流變儀 美國TA Instryment有限公司;Nexus470傅里葉紅外光譜儀 美國Thermo Nicolet公司;Quanta200掃描電子顯微鏡 荷蘭FEI公司;X’Pert PRO X射線衍射儀 荷蘭帕鈉科公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 淀粉與碘結合能力的測定 參考柴艷偉[16]的方法稍作改動,準確稱取50 mg三種淀粉,分別添加0%、1%、2%、5%和10%的花青素(基于淀粉質量),加入去離子水,配制成2%淀粉乳溶液。沸水浴加熱30 min,冷卻至室溫,取0.1 mL混合液加入0.1 mL碘溶液(0.8% KI,0.08% I2),用水定容至5 mL,混合均勻,避光反應15 min。之后于500～900 nm處進行全波長掃描,空白為相應濃度花青素與碘試劑混合的樣品。

1.2.2 淀粉熱力學性質的測定 參考李蟠瑩等[17]的方法:分別添加0%、1%、2%、5%和10%的花青素(基于淀粉質量)于三種淀粉中,采用標準銦對差示掃描量熱儀(DSC)進行溫度和熱焓的校正。稱取混合物3 mg加入PE坩堝中,加入一定量的去離子水,保證混合物的水分含量為70%左右,密封,4 ℃下平衡 24 h。之后用DSC測定體系的熱力學性質,測試條件為:以10 ℃/min的速度從25 ℃加熱到100 ℃。以空坩堝作為空白對照。

1.2.3 淀粉流變性質的測定

1.2.3.1 靜態流變 分別添加0%、1%、2%、5%和10%的花青素(基于淀粉質量)于三種淀粉中,然后向混合物中加入去離子水配成淀粉質量為5%的淀粉漿,混勻后置于沸水浴糊化30 min,冷卻至室溫后立即測定。利用流變儀測定淀粉的表觀黏度隨剪切速率的變化。測定條件為:靜態測量模式,測試溫度為25 ℃,20 mm平板,間隙0.5 mm,剪切速率為0.1～100 s-1。

1.2.3.2 動態流變 按照1.2.3.1的方法,制備8%的淀粉糊樣品,冷卻至室溫后立即測定其彈性模量(G′)和黏性模量(G″)隨震蕩頻率的變化。測定條件為:20 mm 平板,間隙0.5 mm,測試溫度為25 ℃,震蕩頻率0.1～10 Hz,應力為2%。

1.2.4 傅里葉紅外光譜(FT-IR)的測定 按照1.2.3.1的方法配制10%的淀粉糊,冷卻后4 ℃貯存7 d,冷凍干燥后粉碎過100目篩,采用FT-IR對樣品進行測定,1 mg的樣品與120 mg的KBr混合,充分研磨均勻后,放入模具中壓片。測試條件為:掃描次數為32次,分辨率為4 cm-1,測量范圍為4000～500 cm-1。

1.2.5 淀粉結晶性質的測定 按照1.2.3.1的方法配制10%的淀粉糊,冷卻后4 ℃貯存7 d,冷凍干燥后粉碎過100目篩,采用全自動X-射線衍射儀對樣品進行測定,特征射線Cu靶,管壓40 kV,電流40 mA。掃描范圍為5～45 °(2θ),掃描速度為4 °/min。參照Miao等[18]的方法計算下列參數。

Rc(%)=Ac/(Ac+Aa)(100

式中:Rc為相對結晶度,Ac為結晶區面積,Aa為非結晶區面積。

1.2.6 淀粉顆粒形貌觀察 按照1.2.3.1的方法配制10%的淀粉糊,冷卻后4 ℃貯存7 d,冷凍干燥后粉碎過100目篩,將樣品用雙面膠固定在掃描電鏡樣品臺上,真空噴金,然后用掃描電鏡(SEM)觀察。

1.3 數據分析

使用Origin 8.6和Excel 2010作圖,對采集的實驗數據采用SAS 9.2進行相關性分析和方差分析。

2 結果與分析

2.1 花青素對淀粉與碘結合能力的影響

由圖1可知,加入花青素后,曲線的吸光度下降,表明花青素可以與淀粉結合,從而抑制直鏈淀粉-碘、支鏈淀粉-碘復合物的形成。淀粉與碘的吸光值曲線的峰值均向短波長方向偏移,且在HAR-花青素體系中,吸光度峰值的偏移程度最大。這可能是由于花青素與直鏈淀粉結合,使得直鏈淀粉與碘的結合能力下降,吸收峰值發生藍移。吸光值下降的程度越顯著,說明花青素對淀粉與碘結合物的形成影響越顯著[19]。對于LAR而言,隨花青素含量的增加,曲線的吸光度降低,但降幅較小;對于IAR而言,添加少量的花青素時,吸光度降幅較低,但是在高添加量時,吸光度的降幅較大,對HAR而言,在花青素添加量較少時,吸光度便明顯降低,這也說明花青素與直鏈淀粉結合的比例更高。對三種淀粉而言,當添加10%的花青素時,曲線的吸光值峰值相較于原淀粉分別下降14.56%、25.11%和33.83%。說明花青素對淀粉與碘的結合與直鏈淀粉含量相關。其他研究者也發現了相似的現象,例如Yang等[20]人研究發現毛竹葉多酚能和淀粉發生相互作用,并使淀粉-碘復合物的吸光度降低。

圖1 花青素對LAR(a)、IAR(b)、HAR(c)與碘結合能力的影響Fig.1 Effects of anthocyanins on the binding ability of LAR(a),IAR(b)and HAR(c)to iodine

2.2 淀粉對花青素熱特性的影響

通過DSC可以測定淀粉糊化溫度和糊化焓,熱焓值反映了糊化淀粉在貯存過程中相鄰的雙螺旋結構結合形成的結晶體的熔化。從表1可知,添加10%花青素的三種體系相對于原淀粉糊化溫度分別下降了6.99%、7.64%、9.35%;峰值溫度分別下降了3.52%、6.13%和7.44%;糊化焓值分別下降了23.92%、44.91%和59.89%,且終止溫度隨花青素添加量增加均呈下降趨勢。這可能是因為花青素的親水性羥基在某種程度上與直鏈淀粉非結晶區發生了結合,改變了淀粉結晶區與非結晶區的耦合力,從而減小了破壞淀粉分子結構時所需要的能量[21]。這與Wu等[22]報道的茶多酚對淀粉糊化焓值的影響結果一致。且添加不同比例的花青素后,體系的糊化溫度、糊化焓的下降趨勢與直鏈淀粉含量相關。

表1 淀粉-花青素體系的糊化溫度及焓值Table 1 Gelatinization temperatures and enthalpy of starch-anthocyanin

2.3 花青素對淀粉流變特性的影響

2.3.1 靜態流變特性 從圖2可知,隨著剪切速率的升高,三種淀粉的表觀黏度均降低,具有剪切變稀的性質,為假塑性流體。在淀粉糊中,線性大分子鏈(主要為直鏈淀粉)相互纏繞,阻礙了分子的相互運動。當給予剪切作用時,分子鏈取向就會被拉直,纏結點逐漸減少,流動阻力降低,從而使表觀黏度下降[23]。此外,從圖2可知,添加不同比例的花青素后,體系的黏度相對于原淀粉呈下降趨勢,這可能是由于花青素與直鏈淀粉產生了氫鍵相互作用,使淀粉與花青素之間的纏繞作用加強,淀粉體系中分子鏈節的順向性增強,流動阻力降低,表觀黏度下降[24]。并且體系的黏度相對于原淀粉減小的程度和直鏈淀粉含量相關。其他學者也發現多酚類物質降低淀粉黏度的現象,例如Chai等[14]研究發現,茶多酚能夠顯著降低高直鏈玉米淀粉的黏度。

圖2 花青素-LAR(a)、IAR(b)、HAR(c)體系的表觀黏度隨剪切速率的變化Fig.2 Change apparent viscosity with shear rate of anthocyanins-LAR(a),IAR(b)and HAR(c)systems

2.3.2 動態流變學特性 儲能模量(G′)反映的是物體的固體性質;損耗模量(G″)反映的是物體的液體性質;tanδ是G″與G′的比值,表示物體彈性和黏性的相對大小。從圖3可以看出,隨著掃描頻率的增加,三種淀粉及淀粉-花青素體系的G′與G″均逐漸增大。所有樣品均表現為一種典型的弱凝膠動態流變學性質。淀粉-花青素體系的tanδ值均大于原淀粉,說明花青素的加入使得體系的彈性降低。對三種淀粉-花青素體系而言,隨著花青素含量的增加,淀粉-花青素體系的G′與G″下降越顯著。這是因為花青素的加入,減少了淀粉糊體系內部直鏈淀粉分子鏈段間的纏結點,從而破壞了凝膠體系的網絡結構[25]。且花青素對淀粉體系粘彈性的影響與直鏈淀粉含量相關。Zhang等[26]的研究表明蘆丁和槲皮素可能與小麥淀粉中的直鏈淀粉通過疏水作用結合到螺旋內腔中,導致淀粉鏈之間交聯纏繞的機會減少,因此凝膠網絡強度降低。

圖3 花青素-LAR(a,b)、IAR(c,d)、HAR(e,f)體系的動態黏彈性Fig.3 Dynamic viscoelastic properties of anthocyanin-LAR(a,b),IAR(c,d)and HAR(e,f)systems

2.4 花青素對淀粉紅外圖譜的影響

從圖4中可知,三種淀粉均在3400 cm-1附近出現一個信號極強的-OH鍵的伸縮峰。然而,在加入花青素之后,-OH吸收峰向低波長方向發生了輕微的紅移,說明分子間的氫鍵作用增強。這主要是由于淀粉鏈上羥基的O電負性大,與多酚羥基上的H發生靜電吸引作用,使-OH的電子更偏向O,-OH共價鍵被拉伸,進一步使H周圍的電子云密度降低,導致羥基峰發生紅移[27]。在2930 cm-1的峰是C-H伸縮振動峰,與淀粉中的蛋白質或脂質相關[28]。1400 cm-1的峰是C-OH伸縮振動峰[29]。添加花青素后淀粉的紅外圖譜與原淀粉的峰形相似,說明花青素的加入沒有破壞淀粉的基本結構,且花青素與淀粉主要通過非共價鍵(氫鍵或者疏水相互作用)結合。據報道,多酚與淀粉之間主要通過氫鍵發生相互作用,且氫鍵的形成抑制了淀粉自身螺旋的形成,降低了其有序性[30]。

圖4 花青素-LAR(a)、IAR(b)、HAR(c)體系的紅外圖譜Fig.4 FT-IR spectra of anthocyanin-LAR(a),IAR(b)and HAR(c)systems注：a→e表示花青素的添加量為:0%、1%、2%、5%、10%。

2.5 花青素對淀粉結晶性質的影響

淀粉顆粒是由結晶區與非結晶區交替構成的多晶體體系,且能呈現一定的X射線衍射圖譜,結晶區呈現尖峰特征,非結晶區呈現出彌散特征[31]。原淀粉在2θ為17°出現了較強的衍射峰,為B型特征峰[32]。在2θ為20°時出現的吸收峰為淀粉內的油脂酸類與直鏈淀粉在回生過程中形成的復合物[33]。由圖5及表2可知,隨著花青素添加比例的增加,復合物在2θ角為17°衍射峰峰強降低,添加10%花青素的LAR、IAR、HAR體系結晶度相對于原淀粉分別下降了7.99%、15.49%和24.87%。這說明花青素能夠有效抑制淀粉的回生,且抑制回生的效果與直鏈淀粉含量相關。Liu等[30]研究表明原花青素可以有效抑制淀粉回生,一方面可能是由于原花青素與直鏈淀粉分子通過氫鍵結合,阻礙了淀粉分子間雙螺旋結構的形成,從而達到抑制淀粉回生的作用。另一方面可能是原花青素與水分子同時進入到淀粉顆粒中,在回生過程中與支鏈淀粉的短鏈結合,抑制其短鏈分子間的雙螺旋作用。

圖5 花青素-LAR(a)、IAR(b)、HAR(c)體系的XRD圖譜Fig.5 XRD pattern of anthocyanin-LAR(a),IAR(b)and HAR(c)systems注：a→e表示花青素的添加量為:0%、1%、2%、5%、10%。

表2 花青素-LAR(a)、IAR(b)、HAR(c)體系的相對結晶度Table 2 Relative crystallinity of anthocyanin-LAR(a),

2.6 花青素對淀粉微觀結構的影響

從圖6可知,糊化后4 ℃儲存7 d的大米淀粉經過冷凍干燥后,結構緊密,有輕微的凸起。在加入花青素后,體系的結構變得疏松多孔,且隨著花青素添加量的增加,結構越來越疏松,孔洞也明顯增多?？锥吹男纬墒怯捎谠诶鋬龈稍锏倪^程中,淀粉脫水而形成。而孔洞的疏松程度取決于淀粉的回生程度,回生程度越小,孔洞越疏松。這表明花青素的加入抑制了淀粉的回生,可能的原因是花青素通過非共價鍵作用與淀粉發生了相互作用,阻礙淀粉分子之間相互聚集[20];也可能是加入花青素后水分的蒸發減慢,體系含水量比原淀粉高,增加了淀粉分子的自由度,阻礙了淀粉分子之間的聚集,從而抑制淀粉的回生。其他學者研究也發現多酚可以使得淀粉的微觀結構變得疏松,例如Yang等[20]研究發現毛竹葉多酚可以使淀粉凝膠的微觀結構變得更加疏松,而對于這一現象的確切解釋仍然有待進一步的研究。

圖6 花青素-LAR(A～E)、IAR(A1～E1)、HAR(A2～E2)體系的表面結構Fig.6 Surface structures of anthocyanin-LAR(A～E),IAR(A1～E1),and HAR(A2～E2)systems注:A、A1、A2:0%花青素;B、B1、B2:1%花青素;C、C1、C2:2%花青素;D、D1、D2:5%花青素;E、E1、E2:10%花青素。

3 結論

本實驗以不同比例的花青素與直鏈淀粉含量不同的淀粉復合,考察了花青素對不同直鏈淀粉含量的淀粉理化特性的影響。結果表明,花青素能與直鏈和支鏈淀粉發生結合。隨著花青素添加比例的增加,淀粉的糊化溫度、糊化焓、結晶度、表觀黏度和黏彈性相對于原淀粉均發生明顯下降。淀粉的紅外光譜圖表明花青素與淀粉發生了非共價鍵作用,這種作用可能是氫鍵或疏水相互作用。通過掃描電鏡,觀察淀粉的微觀形貌發現,隨著花青素添加量的增加,淀粉結構變得疏松多孔,說明樣品的回生程度減小。本實驗證明花青素的添加能夠有效改變淀粉的理化特性,這為進一步研究黑米比白米消化慢的原因提供了理論依據。