肖 遙，曹 悅，任順成*，李林政，潘天義

1.河南工業(yè)大學 河南省天然色素制備重點實驗室，河南 鄭州 450001 2.河南中大恒源生物科技股份有限公司,河南 漯河 462600

淀粉作為人類食物的主要成分可提供生命活動所需的能量，且由于其獨特的性質，在食品、化學、化工中的應用日趨廣泛。淀粉由線性的直鏈淀粉和具有高分支結構的支鏈淀粉構成，根據二者比例的不同主要分為高直鏈淀粉、普通淀粉和蠟質淀粉[1]。天然淀粉存在一些不足，如凍融穩(wěn)定性差、易老化、冷水溶解性差等，因此常通過改性或改變加工、貯藏方式等使其理化性質得到改善。

植物多酚是廣泛存在于植物體內的一類天然產物，具有芳香環(huán)結構并在環(huán)上結合一個或多個羥基[2]。按照多酚的化學結構可分為水解單寧類與縮合單寧類，另外，根據多酚的分子結構中碳原子骨架結構的異同，將其分為酚酸類、類黃酮類、香豆素類、木酚素類、芪類、醌類和單寧酸類[3-5]。酚酸類在植物中含量極為豐富，常見的有阿魏酸、香豆酸、沒食子酸、咖啡酸和綠原酸以及芥子酸等。類黃酮類是人類日常膳食中含量最多的多酚類物質，如常見的兒茶素屬于黃烷醇類、原花青素屬于分子量相對較大的原花色素類多酚。單寧酸是一類由單體聚合而成的結構比較復雜的多聚體，分子結構上存在大量的羥基，可以與食物中的多糖、蛋白質和生物堿發(fā)生反應，影響食物品質[6-8]。食源多酚在食品領域中越來越受重視，其功能特性逐漸為人們所熟知[9]。

國內外學者將多酚作為一種添加劑加入淀粉中，利用多酚與淀粉分子之間的相互作用，改變淀粉分子的結構特征，使淀粉特性向人們期望的方向改變，達到改善淀粉類食品品質的目的[10]。何財安等[11]報道，苦蕎多酚與兩種淀粉的共糊化顯著降低了淀粉的透明度和沉降體積，凝沉和老化速率加快，糊化溫度和糊化焓顯著下降，淀粉更易糊化。Xiao等[12-13]報道，茶多酚能抑制玉米淀粉、米粉和馬鈴薯淀粉的老化。胡柏等[14]報道，紅米麩皮多酚的主要成分為原花青素，對α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶、麥芽糖酶、蔗糖酶活性均有抑制作用。Wokadala等[15]報道，直鏈淀粉可以包裹相對較小的客體分子形成左手單螺旋的V型結晶復合物，而對于那些比較大的多酚分子，大多數在直鏈淀粉外部通過氫鍵與其結合形成復合物[16]。有研究表明茶多酚與淀粉形成非共價復合物的主要作用力是氫鍵[17]。目前對茶多酚的研究較多，對其他多酚的研究相對較少。作者采用膳食中常見的7種多酚單體化合物，分別添加到高直鏈玉米淀粉和蠟質玉米淀粉中，通過測定多酚淀粉絡合物的淀粉-碘結合力和粒徑，以及淀粉-多酚復合物的紅外(FT-TR)和X-射線衍射(XRD)分析來研究它們間的相互作用，為新型功能食品的開發(fā)奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

高直鏈玉米淀粉(HACS)、蠟質玉米淀粉(WCS)：上海權旺科技有限公司；原花青素(單聚體)、兒茶素、咖啡酸、單寧酸、沒食子酸、綠原酸、阿魏酸：南京龍源天然多酚合成廠，純度均大于96%。

1.2 儀器與設備

UV-752紫外可見分光光度計：上海菁華科技儀器有限公司；LGJ-10C型冷凍干燥機：北京四環(huán)科學儀器廠有限公司；X-Pert PRO X-射線衍射儀：荷蘭PA Nalytical公司；BT-9300S型粒度分布儀：丹東百特儀器有限公司；WQF-510傅立葉變換紅外光譜儀：北京北分瑞利分析儀器公司。

1.3 方法

1.3.1 食源多酚對玉米淀粉粒徑的影響

將7種多酚按質量比2.1%(g/g)與淀粉混合(高直鏈玉米淀粉和蠟質玉米淀粉)制樣，并做空白對照樣品，將其配成1%淀粉溶液，置于室溫，每隔5 min攪拌1次，30 min后測定粒度。

1.3.2 食源多酚對玉米淀粉與碘結合力的影響

根據柴艷偉[18]的方法并稍做改動，按照1.3.1的方法配制1%的淀粉乳溶液，沸水浴加熱15 min，冷卻至室溫，在溶液中添加適量碘溶液(2%KI，0.2%I2)，攪拌均勻，放置30 min后淀粉溶液顯色，在680 nm處測定吸光度。

1.3.3 食源多酚與玉米淀粉復合物的紅外分析

按照1.3.1的方法配制淀粉樣品，準確稱取12.00 g，溶于100 mL去離子水中，攪拌均勻，在水浴鍋中(95 ℃)糊化20 min，冷凍干燥后制成透明的KBr壓片，用傅立葉紅外光譜儀進行定性分析[19]。

1.3.4 食源多酚與玉米淀粉復合物的X-射線衍射分析

分別配制含多酚2.1%的7種淀粉樣品(包括高直鏈玉米淀粉和蠟質玉米淀粉)和不含多酚的空白樣品，準確稱取12.00 g，溶于100 mL去離子水中，攪拌均勻，分別對樣品糊化30 min，取出冷卻至室溫，在冰箱中4 ℃放置7 d，然后在冰箱中(-20 ℃)預凍4 h，冷凍干燥，并用研缽研磨粉碎，過100目篩，樣品放置在干燥皿中備用。將制備好的食源多酚與玉米淀粉復合物粉末進行X-射線衍射分析。

1.3.5 數據處理

試驗數據采用Origin 9.0軟件和Peakfit 4.5軟件進行分析。

2 結果與討論

2.1 食源多酚對玉米淀粉粒徑的影響

如表1所示，在高直鏈玉米淀粉中分別添加7種食源多酚后，其D10、D50和D90均有所增加，其中單寧酸影響最明顯；7種食源多酚均增加了淀粉的平均粒徑，單寧酸和原花青素對其影響最為明顯，說明多酚與高直鏈玉米淀粉發(fā)生了較強的相互作用。有研究表明，直鏈淀粉可以與許多物質發(fā)生相互作用，主要有兩種方式：外來物質嵌入到直鏈淀粉內部，與之復合；外來配體插入到兩條直鏈淀粉的螺旋之間，連接兩條直鏈淀粉[20]。由于多酚分子上存在著大量羥基，為兩者相互作用提供了條件，小分子的多酚，如兒茶素、咖啡酸、沒食子酸、綠原酸和阿魏酸等，主要是通過氫鍵、范德華力和疏水相互作用等進入直鏈淀粉內部形成V型復合物；而大分子的原花青素和單寧酸進入直鏈淀粉內部的可能性不大，它們可能是通過非共價作用插入到兩條直鏈淀粉的螺旋之間，連接兩條直鏈淀粉，試驗結果證明了這一推斷，原花青素、單寧酸對D50和D90影響較為顯著。

如表2所示，7種多酚對蠟質玉米淀粉的D10、D50和D90影響各不相同，除兒茶素和阿魏酸外，其他5種多酚均增加了淀粉的D10，綠原酸影響最大；咖啡酸和綠原酸減小了蠟質玉米淀粉的D50，且除單寧酸外，其他6種多酚均減小了蠟質玉米淀粉的D90；咖啡酸和綠原酸較為明顯地減小了蠟質玉米淀粉的平均粒徑，說明咖啡酸和綠原酸可以與支鏈淀粉分子發(fā)生相互作用，但是作用方式尚不明確。

表1 7種食源多酚對高直鏈玉米淀粉粒徑的影響Table 1 Effects of 7 kinds of food-borne polyphenols on the particle size of high amylose corn starch μm

注：D10指顆粒粒徑小于該直徑的顆粒占10%；D50指顆粒粒徑小于該直徑的顆粒占50%；D90指顆粒粒徑小于該直徑的顆粒占90%，表2同。

表2 7種食源多酚對蠟質玉米淀粉粒徑的影響Table 2 Effects of 7 kinds of food-borne polyphenols on the particle size of waxy corn starch μm

2.2 食源多酚對玉米淀粉與碘結合力的影響

淀粉可以與碘發(fā)生相互作用，支鏈淀粉與碘形成紫紅色復合物，而直鏈淀粉與碘則形成藍色復合物，故常用淀粉與碘復合物的比色法來測定淀粉中直鏈淀粉含量和鑒定直鏈淀粉純度[21]。如圖1所示，7種多酚與高直鏈玉米淀粉相互作用后，淀粉與碘結合力顯著下降，其中，咖啡酸和阿魏酸影響最為顯著，它們發(fā)生相互作用后，碘離子嵌入到直鏈淀粉螺旋內腔的數量顯著減少，其中小分子的多酚(兒茶素、咖啡酸、沒食子酸、綠原酸和阿魏酸)對其影響較為明顯，進一步說明多酚有效阻止了直鏈淀粉與碘的結合，并且小分子的多酚可以進入直鏈淀粉螺旋內腔，這與粒徑分析結果較為一致。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，圖2同。圖1 7種食源多酚對高直鏈玉米淀粉與碘結合力的影響Fig.1 Effects of 7 kinds of food-borne polyphenols on the iodine binding force of high amylose corn starch

圖2 7種食源多酚對蠟質玉米淀粉與碘結合力的影響Fig.2 Effects of 7 kinds of food-borne polyphenols on the iodine binding force of waxy corn starch

如圖2所示，除單寧酸外，其他6種多酚均顯著減小了蠟質玉米淀粉與碘的結合力，其中咖啡酸和綠原酸影響比較顯著。碘離子也可以與支鏈淀粉形成復合物，可能是由于7種多酚在氫鍵、范德華力、離子相互作用和疏水相互作用等作用力下，與支鏈淀粉的側鏈結合在一起，從而阻止了碘離子與支鏈淀粉的結合。

2.3 食源多酚與玉米淀粉復合物紅外分析

從圖3可以看出，將添加了多酚的試驗組與空白組進行比較，發(fā)現在波譜圖中并沒有新峰出現，說明高直鏈玉米淀粉與多酚發(fā)生相互作用后，并沒有產生新的共價鍵，即淀粉與多酚是通過非共價相互作用(氫鍵)而連接到一起。據報道，淀粉在3 197～3 428 cm-1、3 515 cm-1處會出現吸收峰，并且當淀粉中羥基形成分子內或者分子間氫鍵時該波段向低波段平移，并且波形變得平滑[22-25]。高直鏈玉米淀粉分別添加食源多酚后, 在3 515 cm-1處有向低波段平移的趨勢，阿魏酸、咖啡酸和綠源酸較為明顯，說明食源多酚與直鏈淀粉或者支鏈淀粉形成分子內或者分子間氫鍵。

注：1—8分別為HACS、原花青素+HACS、兒茶素+HACS、咖啡酸+HACS、單寧酸+HACS、沒食子酸+HACS、綠原酸+HACS、阿魏酸+HACS。圖3 7種食源多酚與高直鏈玉米淀粉復合物紅外分析Fig.3 Infrared analysis of complexes of 7 kinds of food-borne polyphenols and high amylose corn starch

從表3可以看出，幾種食源多酚均明顯減小了高直鏈玉米淀粉在1 162 cm-1波峰處的擬合面積，咖啡酸和阿魏酸影響最為明顯；幾種食源多酚均明顯減小了高直鏈玉米淀粉在1 082 cm-1的波峰處的擬合面積，降低了淀粉的結晶度，咖啡酸、綠原酸和阿魏酸影響最為明顯。

表3 7種食源多酚與高直鏈玉米淀粉復合物在λ1 000、λ1 082和λ1 162的峰擬合面積Table 3 Peak fitting area of complexes of 7 kinds of food-borne polyphenols and high amylose corn starch at λ1 000, λ1 082 and λ1 162

注：λ1 000、λ1 082和λ1 162分別代表在波數1 000、1 082和1 162 cm-1處的擬合面積，表4同。

從圖4可以看出，蠟質玉米淀粉與多酚發(fā)生相互作用后，并沒有產生新的共價鍵，即支鏈淀粉與多酚是通過非共價相互作用結合到一起。蠟質玉米淀粉分別添加一定比例的食源多酚后，在3 515 cm-1處的波峰向小波段平移了一小段距離，其中，咖啡酸、綠原酸和阿魏酸平移最為明顯，說明這7種多酚可以與支鏈淀粉形成分子間氫鍵，咖啡酸、綠原酸和阿魏酸與其作用最強。

注：A—H分別為蠟質玉米淀粉(WCS)、原花青素+WCS、兒茶素+WCS、咖啡酸+WCS、單寧酸+WCS、沒食子酸+WCS、綠原酸+WCS、阿魏酸+WCS。圖4 7種食源多酚與蠟質玉米淀粉復合物紅外分析Fig.4 Infrared analysis of complexes of 7 kinds of polyphenols and waxy corn starch

從表4可以看出，原花青素和阿魏酸均明顯減小蠟質玉米淀粉在1 162 cm-1波峰處的擬合面積，原花青素和阿魏酸影響最為顯著；7種食源多酚對蠟質玉米淀粉在1 082 cm-1的波峰有影響，兒茶素和阿魏酸顯著減小了其波峰面積，說明它們減少了淀粉的結晶度，而單寧酸和原花青素增加了其結晶度；7種食源多酚對蠟質玉米淀粉在1 000 cm-1的波峰沒有影響，說明食源多酚對淀粉的無定形區(qū)域沒有影響。在7種多酚中，原花青素、單寧酸、阿魏酸和支鏈淀粉發(fā)生相互作用，但是作用程度很小。

表4 7種食源多酚與蠟質玉米淀粉復合物在λ1 000、λ1 082和λ1 162的峰擬合面積Table 4 Peak fitting area of complexes of 7 kinds of food-borne polyphenols and waxy corn starch at λ1 000, λ 1 082 and λ 1 162

2.4 多酚-淀粉復合物的X-射線衍射分析

對高直鏈玉米淀粉與食源多酚的混合物進行XRD分析，如圖5所示，空白組在17.1°處出現典型的B型結晶峰，說明高直鏈玉米淀粉經過7 d老化后具有B型結晶結構，與空白組相比，添加食源多酚的淀粉組特征峰較多，并出現了新的峰，具體如下：原花青素組出峰位置，17.1°、26.9°；兒茶素組出峰位置，7.3°、13.1°、17.1°、20.1°、26.9°；咖啡酸組出峰位置，7.3°、15.3°、17.1°、20.1°、26.3°；單寧酸組出峰位置，17.0°、32.4°；沒食子酸組出峰位置，10.2°、13.1°、17.1°、20.1°、24.3°、32.4°；綠原酸組出峰位置，10.2°、13.1°、17.1°、20.1°、26.3°；阿魏酸組出峰位置，7.3°、10.2°、13.1°、17.1°、20.1°、26.3°、32.4°。

當淀粉與脂肪酸、碘以及其他物質結合形成V型結晶后，會在7.0°、13.1°及20.0°形成X-射線衍射特征峰[26]。結果表明，分別在7.0°、13.1°

注：1—8分別為HACS、原花青素+HACS、兒茶素+HACS、咖啡酸+HACS、單寧酸+HACS、沒食子酸+HACS、綠原酸+HACS、阿魏酸+HACS。圖5 食源多酚-淀粉復合物(高直鏈玉米淀粉)的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of food-borne polyphenol-high amylose corn starch complexes

及20.0°出現特征峰的有兒茶素、咖啡酸、沒食子酸、綠原酸和阿魏酸，說明可以與高直鏈玉米淀粉形成V型結晶，而分子量相對較大的原花青素和單寧酸在這3處并沒有出現特征峰，沒有與淀粉形成V型結晶。這可能是因為分子量相對較小的食源多酚分子在非共價作用下，進入直鏈淀粉的螺旋內腔，從而形成了V型復合物。

如圖6所示，蠟質玉米淀粉老化7 d后也呈現B型結晶結構，在分別添加7種多酚后，除阿魏酸外，其他6種多酚在7.0°、13.1°、20.0°均沒有新峰出現。阿魏酸在13.1°出現了新峰，說明它可以與蠟質玉米淀粉形成V型結晶，這可能是因為阿魏酸在疏水、氫鍵等相互作用下進入支鏈淀粉的C鏈中從而形成了復合物。阿魏酸可以通過非共價作用與蠟質玉米淀粉形成V型復合物，而其他6種多酚則與淀粉形成不了V型復合物，這可能是由多酚分子的結構、羥基的數量及位置造成的。

注：A—H分別為WCS、原花青素+WCS、兒茶素+WCS、咖啡酸+WCS、單寧酸+WCS、沒食子酸+WCS、綠原酸+WCS、阿魏酸+WCS。圖6 食源多酚-淀粉復合物(蠟質玉米淀粉)的XRD圖譜Fig.6 XRD patterns of food-borne polyphenol-waxy corn starch complexes

3 結論

7種食源多酚均增加了高直鏈玉米淀粉的平均粒徑，單寧酸對其影響最為明顯。多酚能夠阻止淀粉與碘的結合，其中多酚對高直鏈淀粉作用更為顯著，小分子的多酚可以進入到直鏈淀粉螺旋內腔。多酚與淀粉通過非共價相互作用結合，與直鏈淀粉或者支鏈淀粉形成分子內或者分子間氫鍵，其中阿魏酸、咖啡酸和綠原酸與直鏈淀粉作用最強，原花青素、單寧酸、阿魏酸和支鏈淀粉也發(fā)生相互作用，但作用程度較弱。除原花青素和單寧酸外，其他5種多酚均能與高直鏈玉米淀粉形成V型復合物，但能與蠟質玉米淀粉形成V型復合物的只有阿魏酸。