王思琪，許秀穎，崔維建，吳天昊，吳玉柱，趙城彬，劉景圣

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 長春 130118）

玉米淀粉（corn starch，CS）是玉米籽粒的主要組成成分，占玉米總質(zhì)量的70%以上，作為重要的谷類淀粉，在食品加工及工業(yè)中的應(yīng)用前景廣泛[1-2]，然而，其易回生，在一定程度上限制了在食品生產(chǎn)中的應(yīng)用[3]。淀粉在加工及儲存過程中，食品的感官品質(zhì)等物理、化學(xué)性質(zhì)會受到影響，主要包括流變性、水分遷移、質(zhì)構(gòu)特性等[4-5]。天然玉米淀粉受熱穩(wěn)定性、凍融穩(wěn)定性等特性較差的制約，不能廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代生產(chǎn)工藝及食用需求[6-7]，同時，不同的需求對淀粉理化性質(zhì)的要求也有一定的差異。相關(guān)研究表明，多酚、黃酮等小分子物質(zhì)的加入可以延緩淀粉的老化，從而影響淀粉類食品的加工儲存[8]。Wang 等[9]通過差式熱量掃描法、X 射線衍射等試驗(yàn)手段發(fā)現(xiàn)原花青素可與淀粉相互作用，阻礙淀粉重結(jié)晶，起到抑制淀粉回生的作用。Lv 等[10]研究茶多酚及兒茶素對小麥淀粉回生性質(zhì)的影響，結(jié)果表明：在儲存過程中，與茶多酚及兒茶素的相互作用干擾了淀粉鏈的重新結(jié)合，淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，從而延遲了回生，在食品工業(yè)中可用作潛在的抗逆添加劑。

酚類化合物與淀粉作用方式不同，所產(chǎn)生的影響也可能不同[11]。大豆異黃酮（Soy Isoflavones，SI）是生物黃酮中的一種，存在于多種植物中，是植物生長中形成的一類次級代謝產(chǎn)物，廣泛存在于大豆及大豆制品加工副產(chǎn)物中[12]。大豆異黃酮的主要結(jié)構(gòu)形式為以3-苯并吡喃酮為母核的化合物群，是一類有較高營養(yǎng)價(jià)值和健康保護(hù)作用的非固醇類生物活性物質(zhì)[13-14]。近年來，在大豆異黃酮功能性食品方面的研發(fā)及應(yīng)用逐漸增加[15-16]，成為食品保健品和醫(yī)藥等行業(yè)的熱點(diǎn)之一。目前關(guān)于大豆異黃酮改變淀粉凝膠特性及其與淀粉相互作用的機(jī)理研究報(bào)道很少。本研究通過紅外光譜、動態(tài)流變、差式量熱掃描、物性分析、低場強(qiáng)核磁共振等試驗(yàn)手段探究大豆異黃酮對玉米淀粉老化性質(zhì)的影響，以期進(jìn)一步豐富黃酮類化合物對淀粉老化性能影響的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米淀粉（總淀粉83.42%，直鏈淀粉28.30%，脂肪0.54%，蛋白質(zhì)0.36%，水分11.35%），上海金穗生物科技有限公司；大豆異黃酮（≥90%，西安天豐生物科技股份有限公司）；其它試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

冷凍干燥機(jī)（ALPHA1-4LD plus），德國Christ公司；高速離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；流變儀（MCR302），奧地利安東帕（中國）有限公司；VERTEX70 傅里葉紅外光譜儀，德國Bruker 公司；物性測定儀（TA-XT Plus），英國Stable Micro Systems 公司；差示掃描量熱儀（DSC-Q2000），美國TA 儀器；低場強(qiáng)核磁共振（MesoMR23-040V-Ⅰ），上海紐邁電子科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備 參考Li 等[17]的方法，并做適當(dāng)改動。稱取5 g 玉米淀粉，將玉米淀粉與蒸餾水配制成料水比1∶10 的乳液，將0%，0.5%，1%，1.5%和2%的大豆異黃酮（SI/CS，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）溶解在乙醇中，在持續(xù)攪拌下，30 min 內(nèi)緩慢滴入淀粉分散體中。經(jīng)70 ℃水浴攪拌1 h 后，將混合物緩慢冷卻至室溫，將所得懸浮液以3 000 r/min 離心5 min，使用乙醇溶液（體積分?jǐn)?shù)50%）洗滌3 次并離心，以除去未與玉米淀粉復(fù)合的大豆異黃酮，冷凍干燥樣品，分別標(biāo)記為SSI-0、SSI-1、SSI-2、SSI-3 和SSI-4。

1.3.2 動態(tài)時間掃描測定 參考張丹丹等[18]的方法將糊化的樣品冷卻至室溫后，采用平板測量系統(tǒng)（型號PP 25，直徑25 mm，設(shè)置間隙1.025 mm）。測定條件：在溫度為4 ℃、應(yīng)變力為1%的條件下測定2 h 內(nèi)樣品儲能模量（G'）的變化。樣品用硅油覆蓋以防止水分蒸發(fā)。

1.3.3 老化熱力學(xué)測定 參考肖瑜等[19]的方法，準(zhǔn)確稱?。?.0±0.02）mg 樣品，以1 ∶3 的比例與蒸餾水混合，密封壓蓋后放入4 ℃平衡24 h，用差示掃描量熱儀進(jìn)行升溫測定，以空坩堝作參比。升溫范圍為30～120 ℃，升溫速率為10 ℃/min。從DSC 曲線可知糊化初始溫度T0，糊化峰值溫度TP、糊化最終溫度TC、糊化焓值ΔH。完成后將樣品盤在4 ℃下儲存1，4，7，14 和21 d，再次進(jìn)行DSC 測量，測量前樣品盤于室溫下平衡1 h，得到不同儲存天數(shù)的初始溫度T0、糊化峰值溫度TP、糊化最終溫度TC及糊化焓值ΔH，所有樣品均一式3 份測量分析。

1.3.4 質(zhì)構(gòu)特性測定 將糊化后的淀粉凝膠置于4 ℃條件下冷藏1，4，7，14，21 d 后取出，參考物性儀TPA 測定模式，采用圓柱形金屬探頭（P/0.5，平底）。參考任順成等[20]的方法，測試條件：測前速率1.0 mm/s；測試速率2.0 mm/s；測后速率2.0 mm/s；測試距離10.0 mm；壓縮程度為40%；兩次壓縮間隔為2 s；觸發(fā)力為5 g；觸發(fā)類型為自動，每個樣品做3 組平行試驗(yàn)，得到質(zhì)構(gòu)參數(shù)曲線。通過Texture Expert Excede Version 1.0（Stable Micro Systems Software）軟件分析處理數(shù)據(jù)，得到硬度值。

1.3.5 傅里葉紅外光譜掃描 將糊化后的淀粉凝膠置于4 ℃條件下冷藏 1，4，7，14，21 d 后取出后凍干，F(xiàn)T-IR 測定前，樣品在40 ℃下平衡24 h。參考Zhao 等[21]的方法并做部分改動：稱取1 mg 已經(jīng)干燥至恒重的樣品與50 mg 溴化鉀在紅外燈下研磨混合均勻，置于模具中，在15 MPa 下抽真空壓片60 s。扣除溴化鉀薄片的背景，在4 000～400 cm-1下，掃描64 次，分辨率為4 cm-1，使用origin 8 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到紅外光譜圖。采用OMNIC 8.0 對譜圖進(jìn)行基線矯正和自動平滑處理，得到處理后的紅外光譜圖。

1.3.6 水分遷移變化測定 根據(jù)Wang 等[22]的方法稍作修改，將糊化后的淀粉凝膠置于進(jìn)樣瓶中，隨即置于4 ℃條件下冷藏1，4，7，14，21 d 后取出，放置至室溫后將樣品置于NMR 玻璃管中，CPMG 脈沖序列測定樣品的自旋-自旋弛豫時間（T2）。主要參數(shù)設(shè)置為：射頻信號頻率偏移量O1=376 786.36 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)TD 為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，累加次數(shù)NS 為4，回波數(shù)NECH 為10 000。使用NMRAS 分析軟件采集信號，反演后對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。每個樣品進(jìn)行3 次LF-NMR 測試，數(shù)據(jù)取平均值。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理 所有數(shù)據(jù)為3 次平行測量的平均值，結(jié)果以xˉ±s 表示，使用Origin 2018 軟件進(jìn)行相關(guān)圖表繪制，采用SPSS 21 軟件通過ANOVA統(tǒng)計(jì)學(xué)分析在顯著性水平0.05 進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 動態(tài)時間掃描分析

淀粉糊在貯藏期間會經(jīng)歷老化的過程，可分短期老化和長期老化兩個階段[23]。短期老化在淀粉糊化后幾個小時到1 d 內(nèi)完成，主要是由于直鏈淀粉的重聚。淀粉的短期老化趨勢可以用動態(tài)黏彈特性來反映，在老化初期，直鏈淀粉通過氫鍵相互連接，聚集重排形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，從而淀粉彈性增大，在動態(tài)時間掃描中表現(xiàn)為儲能模量的升高[24]。

圖1所示為4 ℃條件下，在老化時間為2 h內(nèi)，樣品儲能模量G' 隨時間變化的曲線。由圖可知，在測試初期所有樣品G' 迅速升高，隨后進(jìn)入緩慢升高階段。直鏈淀粉逐漸滲漏出來以氫鍵締結(jié)形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，致使凝膠彈性模量不斷增大。隨著大豆異黃酮含量的增加，G'值逐漸降低，且變化率減小。與SSI-0 相比，其它樣品的G' 值逐漸降低，表明其滲漏直鏈淀粉聚集重排速率下降，延緩淀粉的短期老化。與丁月平[25]結(jié)果相似。

圖1 玉米淀粉與不同濃度大豆異黃酮混合體系儲能模量隨時間變化曲線Fig.1 Elasticity modulus as a function of time for corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

2.2 老化熱力學(xué)分析

儲存期間各樣品的熱力學(xué)分析如表1所示。儲存1 d 的熱力學(xué)數(shù)據(jù)中未觀察到明顯的回生焓值，而在儲存4，7，14，21 d 后出現(xiàn)明顯的熱焓值且逐漸增加，表明淀粉在儲存期間老化程度增大。由表中數(shù)據(jù)可知，峰值溫度Tp均在50 ℃左右，其屬于支鏈淀粉老化的解離峰[26]。隨著儲存時間的延長，起始溫度T0、峰值溫度Tp及終止溫度Tc逐漸降低，熱焓值ΔH 逐漸增加，表明淀粉老化程度增大，融化支鏈淀粉結(jié)晶所需能量逐漸增大。

表1 玉米淀粉與不同濃度大豆異黃酮混合體系老化熱力學(xué)參數(shù)Table 1 DSC values of corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

T0、Tp及Tc隨大豆異黃酮含量的增加逐漸升高，ΔH 逐漸降低。ΔH 值可以用來反映淀粉顆粒的結(jié)晶和無定型區(qū)域中，雙螺旋的取向和堆積能量。由表1數(shù)據(jù)可知，由于大豆異黃酮的存在淀粉的ΔH 值被降低。此外，大豆異黃酮中含有的羥基基團(tuán)可與淀粉分子相互作用，干擾并阻礙淀粉分子的重結(jié)晶[27]。大豆異黃酮的加入，影響了淀粉在老化過程中的重結(jié)晶，阻礙淀粉在回生過程中相對有序結(jié)構(gòu)的生成。大豆異黃酮有助于延緩淀粉的老化程度，且在試驗(yàn)范圍內(nèi)其含量越高延緩老化程度越明顯。

表2所示為各樣品的回生率，隨著儲存時間的延長，淀粉回生率逐漸增加，表明其老化程度逐漸增大；但在相同儲存期內(nèi)，隨著大豆異黃酮含量的增加，淀粉回生率顯著降低（P＜0.05），儲存時間為4 d 時，回生率由（18.80±0.43）%降低至（5.14±0.57）%；儲存時間為7 d 時，回生率由（47.44±0.86）%降低至（19.43±1.14）%；儲存時間為14 d時，回生率由（51.71±0.86）%降低至（33.71±3.43）%；儲存時間為 21 d 時，回生率由（56.84±0.86）%降低至（37.71±0.58）%；表明大豆異黃酮有效地延緩了淀粉的老化程度。

表2 玉米淀粉與不同濃度大豆異黃酮混合體系的回生率Table 2 Retrogradation rate of corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

2.3 質(zhì)構(gòu)特性分析

淀粉凝膠的質(zhì)構(gòu)特性是淀粉基食品重要性能，TPA 可用來評估淀粉凝膠在儲存過程中的老化程度[28]。硬度值是凝膠質(zhì)構(gòu)特性的重要指標(biāo)，TPA 中硬度是模擬人體咀嚼壓縮樣品所需要的力[29]。在儲存期間，淀粉凝膠老化程度加劇，硬度值會表現(xiàn)出升高的特征。圖2所示，隨著老化天數(shù)的增加，淀粉凝膠的硬度值逐漸升高，主要是因?yàn)閮Υ鏁r間延長老化程度加大，在老化過程中，直鏈淀粉分子間交聯(lián)纏繞形成了具有一定強(qiáng)度的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，且交聯(lián)程度越大硬度值越高[30]。

圖2 玉米淀粉與不同濃度大豆異黃酮混合體系老化過程的硬度值Fig.2 Parameters of hardness of retrogradation corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

與SSI-0 相比，樣品硬度值降低，且下降趨勢隨大豆異黃酮含量增加更為明顯。這可能是由于大豆異黃酮的加入阻礙了直鏈淀粉聚集重排，減小淀粉分子間作用力，從而減弱淀粉老化程度，使凝膠質(zhì)地更柔軟。

2.4 紅外光譜分析

紅外光譜主要用來反映淀粉在老化期間氫鍵的變化[31]。如圖3所示，在儲存1，4，7，14 和21 d的期間，圖譜中沒有新的吸收峰出現(xiàn)或消失，表明淀粉與大豆異黃酮通過氫鍵等非共價(jià)相互作用。3 400 cm-1左右較寬吸收峰是羥基的拉伸振動所產(chǎn)生的[32]，羥基存在于分子間和分子內(nèi)，大豆異黃酮的加入使此處的吸收峰發(fā)生了紅移，氫鍵的作用力增強(qiáng)，且隨大豆異黃酮含量的增加而增強(qiáng)，這可能包含了淀粉與淀粉及淀粉與大豆異黃酮間的氫鍵。

圖3 玉米淀粉與不同濃度大豆異黃酮混合體系老化過程的紅外光譜圖Fig.3 FT-IR of retrogradation corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

將紅外光譜圖中1 200～900 cm-1處進(jìn)行去卷積處理以去除雜峰，并得到R（1047/1022）cm-1和R（995/1022）cm-1處的峰強(qiáng)度比值。R（1047/1022）cm-1和R（995/1022）cm-1附近的數(shù)值可以揭示淀粉相對有序度和雙螺旋度的內(nèi)部變化[33-34]，這可反映淀粉的老化程度，值越大淀粉老化程度越強(qiáng)。表3為各樣品在儲存期間內(nèi)（R1047/1022） cm-1和（R995/1022） cm-1處的比值，隨著老化天數(shù)的增加，所有樣品在這兩處的比值均增加，老化過程中淀粉分子間發(fā)生相互交聯(lián)，增加其相對有序程度。添加大豆異黃酮后，淀粉在這兩處的比值減小，由此可知在老化過程中，大豆異黃酮的加入可以抑制淀粉分子間的交聯(lián)，從而降低淀粉在老化期間的結(jié)晶程度，進(jìn)而抑制淀粉相對有序結(jié)構(gòu)生成，且抑制效果以含量依賴性的方式增強(qiáng)。

表3 玉米淀粉與不同濃度大豆異黃酮混合體系老化過程的短程有序性Table 3 Short-range order of retrogradation corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

2.5 水分遷移變化分析

在淀粉凝膠體系中，隨著儲存時間的變化，體系中水分也隨之變化。在儲存過程中，淀粉氫鍵作用增強(qiáng)，導(dǎo)致淀粉與水分子間氫鍵作用減弱，結(jié)合水含量降低而自由水含量增加，淀粉持水力下降。低場強(qiáng)核磁共振橫向弛豫時間T2可用來反映淀粉凝膠體系水分遷移情況[35]，T2值較大水分子流動性強(qiáng)，相反，T2值較小水分子與底物結(jié)合緊密。T2弛豫時間在0.1～10 ms 范圍內(nèi)為結(jié)合水，在10～100 ms 內(nèi)為不易流動水，大于100 ms 為自由水[36]。不同樣品在儲存1，4，7，14 和21 d 的水分遷移變化如圖4所示，隨著儲存時間的延長，圖譜上的峰整體向左偏移，通過T2值計(jì)算區(qū)分為4 個部分，相應(yīng)的T2值于表4中，T2b、T221均為較緊密的結(jié)合水，T2值逐漸降低，表明在老化過程中，淀粉分子聚集重排形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，淀粉分子間與水分子結(jié)合緊密，水分子流動受限[37]。大豆異黃酮的加入，體系T2值逐漸升高，但圖譜中結(jié)合水、不易流動水以及自由水的變化規(guī)律不明顯，且無法確認(rèn)峰面積，還需對各弛豫峰進(jìn)一步計(jì)算分析。

表4 玉米淀粉與不同濃度大豆異黃酮混合體系老化過程的T2 參數(shù)Table 4 T2 values of retrogradation corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

圖4 玉米淀粉與不同濃度大豆異黃酮混合體系老化過程水分遷移變化Fig.4 Changed in water migration of retrogradation corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

水分子相對含量可用峰面積來反映，對弛豫圖譜進(jìn)行積分得到各部分峰面積。由圖5可知結(jié)合水，不易流動水和自由水的相對含量，其中自由水和不易流動水含量較低（小于5%），而自由水所占比例較高（大于95%），表明此凝膠體系中水與底物結(jié)合較少。隨著回生時間的增加，體系中結(jié)合水、不易流動水含量逐漸降低，自由水含量逐漸升高?；厣^程中淀粉分子鏈間相互作用增強(qiáng)，形成的分子內(nèi)氫鍵迫使淀粉鏈與水分子形成的分子外氫鍵斷裂，導(dǎo)致水分被析出，結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤?，凝膠持水力下降。在相同儲存期，隨著大豆異黃酮濃度的增加，自由水含量逐漸降低。這可能是由于大豆異黃酮與淀粉相互作用，增加了凝膠體系的空間位阻致使淀粉間結(jié)合減少，減弱了分子間的氫鍵作用，且大豆異黃酮濃度越大作用越明顯。此外，大豆異黃酮中的羥基基團(tuán)也可與淀粉及水分子以氫鍵作用形成交聯(lián)。大豆異黃酮的加入可增強(qiáng)體系的持水性，減少體系自由水含量，有效地減緩淀粉老化進(jìn)程。

圖5 玉米淀粉與不同濃度大豆異黃酮混合體系老化過程的峰面積比例Fig.5 Peak area ratio of retrogradation corn starch/different concentrations of soy isoflavones mixed systems

3 結(jié)論

淀粉凝膠隨儲存時間的延長，其老化程度逐漸增大，在一定程度上影響淀粉基食品食用品質(zhì)。本文重點(diǎn)考察了不同濃度大豆異黃酮對玉米淀粉老化特性影響及體系水分遷移變化，結(jié)果表明：在相同儲存期間內(nèi)，隨著大豆異黃酮濃度的增加，淀粉凝膠彈性模量逐漸降低；淀粉的老化焓值減小，回生率顯著降低；硬度值減小，形成質(zhì)地更為柔軟的凝膠，表明大豆異黃酮的加入，阻礙了直鏈淀粉的聚集重排，減小淀粉分子間作用力，從而減弱淀粉老化程度。紅外光譜圖中氫鍵吸收峰發(fā)生紅移，R1047/1022和R995/1022處的值逐漸降低，表明大豆異黃酮可抑制淀粉分子間的交聯(lián)，降低淀粉相對有序度。體系的結(jié)合水和不易流動水含量增加，自由水含量減少。大豆異黃酮可在一定程度上延緩玉米淀粉的短期及長期老化。