,,*,,,*,,,

(1.天津科技大學生物工程學院,工業(yè)發(fā)酵微生物教育部重點實驗室,天津 300457; 2.中國人民解放軍軍事科學院軍需裝備研究所,北京 100010)

淀粉是由直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種天然聚合物組成的。為了克服天然淀粉自身的缺點或擴大其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍,需要對其進行改性[1-2]。到目前為止,淀粉改性的方法主要包括物理、化學和生物法[3]。近年來,球磨處理作為一種低成本和環(huán)境友好的物理改性技術(shù)已經(jīng)廣泛用于淀粉的改性[4]。例如,喻弘等[5]采用星式球磨機對3種淀粉(玉米淀粉、木薯淀粉和秈米淀粉)進行球磨改性,結(jié)果隨著球磨時間的增加,淀粉顆粒逐漸破碎,淀粉粒度逐漸減小;這3種淀粉的還原力、冷水溶解度、透明度均逐漸增加,淀粉的表觀黏度、結(jié)晶度逐漸減小。Tan等[6]探討了濕法球磨對玉米淀粉理化性質(zhì)和糊化特性的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)球磨后淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,糊化溫度和最大粘度減小。Zhang等[7]研究了球磨過程中大米淀粉分子量分布和碘蘭值最大吸收波長的變化,發(fā)現(xiàn)球磨過程中大米淀粉的直鏈淀粉分子和支鏈淀粉分子均發(fā)生了斷裂。陳玲等[8]研究了機械球磨對馬鈴薯淀粉酶反應(yīng)活性的影響,發(fā)現(xiàn)微細化可以提高淀粉顆粒對酶的敏感性,增加反應(yīng)活性。Zhang等[9]發(fā)現(xiàn)玉米淀粉經(jīng)過球磨處理后,淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞,糊化溫度和峰值粘度隨著研磨載荷的降低而降低,并且球磨后提高了淀粉與交聯(lián)劑的反應(yīng)活性。然而,這些球磨改性研究主要集中在對淀粉單一組分的處理方面,未見與其它小分子活性組分共研磨的報道。

茶多酚(Tea Polyphenols)是茶葉中多酚類物質(zhì)的總稱,其主要成分包括兒茶素類、黃酮類、黃酮醇類、酚酸類、縮酚酸類及聚合酚類等。其中兒茶素可以抑制α-淀粉酶的活性[10],減少淀粉分解后葡萄糖在小腸的吸收[11]。因此,本文旨在嘗試茶多酚與淀粉混合物的共研磨,探討茶多酚存在下球磨處理對淀粉理化性質(zhì)和消化性能的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

高直鏈玉米淀粉 山東華農(nóng)特種玉米開發(fā)有限公司;茶多酚 無錫世紀生物公司;豬胰α-淀粉酶、糖化酶 Sigma公司;磷酸氫二鈉、氫氧化鈉、3,5-二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉、苯酚等 均為分析純,天津市風船化學試劑科技有限公司。

XQM-0.4型星式球磨機 湖南長沙天創(chuàng)粉末科技有限公司;722s型紫外分光光度計 上海精密科學儀器有限公司;Philips XL-30型掃描電子顯微鏡 荷蘭飛利浦公司;Shimadzu TGA-50型熱重分析儀 日本Kyoto公司;Rigaku D/max 2500型X-射線衍射儀 日本理學株式會社;Vector-22型傅立葉變換紅外分析儀 德國布魯克儀器公司;BS-2FS型立式恒溫恒濕搖床 蘇州威爾實驗用品有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 茶多酚-淀粉混合物的共研磨處理 茶多酚-淀粉混合物的共研磨參考文獻[6]。采用星式球磨機制備茶多酚-淀粉共研磨混合物(茶多酚與高直鏈玉米淀粉質(zhì)量比為1/12)。將高直鏈玉米淀粉、茶多酚置于陶瓷罐(100 mL)中,按混合物總質(zhì)量的5%加入蒸餾水,再加入不同直徑(5、10和15 mm)的氧化鋯球。將球磨機負荷設(shè)定為15.0 g,材料(淀粉和茶多酚):水:氧化鋯球為1.5∶1∶4.5(質(zhì)量比),轉(zhuǎn)速350 r/min的條件下,球磨處理1、1.5、2、2.5、3 h。通過共研磨混合物的X-射線衍射確定最優(yōu)球磨時間后,制備不同質(zhì)量比的茶多酚-淀粉共研磨混合物,設(shè)定其質(zhì)量比茶多酚/高直鏈玉米淀粉為1/10、1/12、1/16、1/25、1/50。球磨操作步驟完成后,將所得產(chǎn)物在40 ℃,真空度小于133 Pa的真空干燥箱中干燥12 h,研磨并過100目篩。

1.2.2 茶多酚-淀粉共研磨混合物的X-射線衍射分析(XRD) 采用連續(xù)掃描法,對不同球磨時間的茶多酚-淀粉共研磨混合物進行測定,測定條件如下:實驗條件[12]:Cu-Κα1(λ=0.1541 nm)、電壓40 kV、電流25 mA、2θ起始角5 °、終止角60 °、掃描速度12 °/min。

1.2.3 茶多酚-淀粉共研磨混合物的掃描電子顯微鏡分析(SEM) 在SEM樣品臺上貼上導電膠,用藥匙分別將少量球磨不同時間的茶多酚-淀粉共研磨混合物均勻的撒在導電膠上,然后噴金觀察。加速電壓20 kV,放大1000倍[13]。

1.2.4 茶多酚-淀粉共研磨混合物的熱重分析(TGA) 分別稱取10 mg茶多酚、高直鏈玉米淀粉與茶多酚-淀粉共研磨混合物樣品置于熱重分析儀的鉑金坩堝中,起始溫度和終止溫度分別為:25 ℃、600 ℃,升溫速率為10 ℃/min,氮氣作為保護氣,氮氣流速60 mL/min。

1.2.5 茶多酚-淀粉共研磨混合物的體外消化性測定實驗 體外消化性能的評價主要參考Shin[14]的方法并稍作修改。具體操作步驟如下:取200 mg樣品、15 mL pH6.8磷酸鹽緩沖溶液于錐形瓶中,在37 ℃、120 r/min轉(zhuǎn)速恒溫搖床上平衡5 min,然后倒入透析袋中,并加入10 mLα-淀粉酶(280 U/mL)、1 mL糖化酶(2500 U/mL),水解0、20和120 min,分別取樣1 mL采用DNS法測定葡萄糖含量,重復3次實驗，計算平均值?？煜矸?RDS)、慢消化淀粉(SDS)、抗性淀粉(RS)的含量根據(jù)以下公式計算。

RS(%)=1-RDS-SDS

式中:A為酶水解處理前淀粉中游離葡萄糖質(zhì)量(mg);B、C為淀粉酶水解20、120 min后產(chǎn)生的葡萄糖質(zhì)量(mg);D為樣品中總淀粉質(zhì)量(mg)。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理 實驗數(shù)據(jù)以平均值±標準差(Mean±SD)表示。采用SPSS 19.0軟件和Origin 8.5軟件處理實驗數(shù)據(jù),結(jié)果取三次實驗的平均值。顯著性檢驗方法為鄧肯式(Duncan)多重比較,p<0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶多酚-淀粉共研磨混合物的XRD分析

圖1為高直鏈玉米淀粉和不同球磨時間的茶多酚-高直鏈淀粉共研磨混合物的X-射線衍射譜圖。由圖1可知,高直鏈玉米淀粉(圖1a)在15、17、18和23.5 °處有強衍射峰,是典型B型淀粉特征[15]。隨著球磨時間的增加,茶多酚-高直鏈玉米淀粉共研磨混合物的結(jié)晶衍射峰逐漸減弱,經(jīng)3 h的球磨處理后,茶多酚與高直鏈玉米淀粉共研物中淀粉在17°和22°處的衍射峰幾乎消失,結(jié)晶度由38.1%降低到8.3%。因此,茶多酚-高直鏈玉米淀粉混合物共研磨后淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞。這個實驗結(jié)果與球磨處理單一玉米淀粉的結(jié)果一致[4]。

圖1 高直鏈玉米淀粉、茶多酚/高直鏈玉米淀粉 共研磨混合物的X-射線衍射圖Fig.1 X-ray diffraction patterns of high-amylose maize starch(HAMS)and tea polyphenols(TPs)-HAM co-grinding mixtures.注:a為高直鏈玉米淀粉;b～f分別表示球磨時間為: 1、1.5、2、2.5、3 h。RC為相對結(jié)晶度。

2.2 茶多酚-淀粉共研磨混合物的SEM分析

圖2為高直鏈玉米淀粉和不同球磨時間茶多酚/高直鏈玉米淀粉(1/12)共研磨混合物的掃描電鏡照片。由圖2可知,高直鏈玉米淀粉顆粒呈無規(guī)則多面體,表面相對光滑,顆粒分布相對緊密。當茶多酚/淀粉混合物經(jīng)過共研磨后,茶多酚與高直鏈玉米淀粉通過壓力相互粘連締合成團,高直鏈玉米淀粉的多面體形狀被壓扁,形貌明顯發(fā)生改變,由于茶多酚的嵌入;由圖2(a～f)可以看出,混合物顆粒是一個從分散到聚集,再由聚集到分散的過程。球磨后混合物顆粒的直徑增加,顆粒形狀的規(guī)則性變差,顆粒表面變得相對粗糙。

圖2 高直鏈玉米淀粉、茶多酚/高直鏈玉米淀粉共研磨混合物的掃描電鏡照片(1000×)Fig.2 SEM photos of high-amylose maize starch(HAMS)and tea polyphenols(TPs)-HAMS co-grinding mixtures(1000×)注:a為高直鏈玉米淀粉;b～f分別表示球磨時間為:1、1.5、2、2.5、3 h。茶多酚/高直鏈玉米淀粉(1/12)。

2.3 茶多酚-淀粉共研磨混合物的熱穩(wěn)定性分析

圖3為茶多酚、高直鏈玉米淀粉和茶多酚/高直鏈玉米淀粉(1/12)共研磨混合物(球磨時間3 h)的熱重分析曲線。由圖3可知,茶多酚(曲線a)有兩個失重階段,第一個是大約在100 ℃以前,這是茶多酚中游離水和結(jié)合水分損失的過程;第二階段是大約在250～320 ℃,這是茶多酚中活性成分損失引起的。高直鏈玉米淀粉(曲線c)為兩個失重階段,但第二階段失重的起始溫度為320 ℃,遠遠高于茶多酚第二階段失重的起始溫度,這說明高直鏈淀粉的熱穩(wěn)定性比茶多酚好。而茶多酚-高直鏈玉米淀粉共研磨混合物(曲線b)也有兩個平臺期,分別是室溫到100 ℃前和250～300 ℃。第一階段是由失水引起的失重,第二階段是淀粉碳化和茶多酚的熱分解導致分子重量急劇下降。相對于高直鏈玉米淀粉的熱分解曲線,共研磨混合物的熱穩(wěn)定性降低,但相對于茶多酚熱分解曲線,共研磨混合物的熱分解起始溫度較高,分解時間長,對茶多酚起到一個保護作用,熱穩(wěn)定性提高。

圖3 茶多酚、高直鏈玉米淀粉和茶多酚/高直鏈 玉米淀粉共研磨混合物的熱重曲線Fig.3 TG curves of tea polyphenols,HAM and TP-HAM co-grinding mixtures注:a. 茶多酚;b. 茶多酚-淀粉共研磨混合物; c. 高直鏈玉米淀粉。

2.4 茶多酚-淀粉共研磨混合物的RDS、SDS和RS分析

餐后血糖的應(yīng)答很大程度上取決于RDS的含量,RS和SDS含量控制低血糖控制指數(shù)(GI)的升高,RS的含量升高代表抗消化性能增加。球磨處理對高直鏈玉米淀粉的顆粒表面和結(jié)晶結(jié)構(gòu)均造成了破壞,以至于不同球磨時間的共研磨混合物消化性均高于原淀粉的消化性,對不同質(zhì)量比的茶多酚-高直鏈玉米淀粉共研磨混合物進行體外消化性的測定。表1為不同比例茶多酚-高直鏈玉米淀粉共研磨混合物的RDS、SDS和RS含量。由表1可以看出,研磨后RDS含量范圍在1.98%～6.21%,SDS含量范圍在61.87%～91.71%,RS含量范圍在6.31%～31.92%。所有比例的茶多酚-淀粉共研磨混合物中SDS的含量最高、變化范圍最大,并且隨茶多酚比例的增加而減小;而RDS的含量隨茶多酚比例的增加而增加,RS含量隨茶多酚比例的增加而增加,其最高值為31.92%。RS增加的原由一方面由于茶多酚與高直鏈玉米淀粉通過氫鍵發(fā)生相互作用,使得淀粉和茶多酚相締合,單一的淀粉分子減少,從而使RS含量增加;另一方面由于茶多酚本身有抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的活性,從而降低高直鏈玉米淀粉的水解,導致淀粉的消化性降低,這種RS營養(yǎng)片段的增加有利于抑制餐后血糖的升高[16]。

表1 不同質(zhì)量比茶多酚-高直鏈玉米淀粉 共研磨后的RDS、SDS和RS含量Table 1 Contents of RDS,SDS and RS in TPs-HAMS co-grinding mixtures with different mass ratios

3 結(jié)論

采用共研磨技術(shù)制備了茶多酚-高直鏈玉米淀粉混合物。實驗結(jié)果表明,共研磨混合物中淀粉的特征衍射峰隨球磨時間的增加而減小,淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞,結(jié)晶度降低。球磨后的淀粉顆粒表面變得粗糙、形狀不規(guī)則,顆粒直徑變大。實驗所得共研磨混合物的熱穩(wěn)定性比淀粉低,但共研磨混合物的熱穩(wěn)定性比茶多酚高,因此共研磨有利于保護茶多酚的活性成分。體外消化性評價結(jié)果顯示,隨著共研磨混合物中茶多酚含量的增加,其抗性淀粉含量升高,這種營養(yǎng)片段含量的升高有利于控制餐后血糖的升高。本研究結(jié)果可以為利用膳食多酚與淀粉相互作用來控制淀粉的消化提供新的思路。