蘆丁和槲皮素對小麥淀粉理化特性的影響

任順成，孫曉莎

蘆丁和槲皮素對小麥淀粉理化特性的影響

任順成，孫曉莎

（河南工業大學糧油食品學院，小麥和玉米深加工國家工程實驗室，河南 鄭州 450001）

在低質量分數蘆丁和槲皮素存在條件下，研究小麥淀粉的熱特性、微觀結構、流變特性、糊化特性、質構的變化，以及蘆丁和槲皮素對小麥淀粉-碘復合物的影響。結果表明：加入蘆丁或槲皮素后，小麥淀粉的糊化初始溫度、糊化峰值溫度和糊化最終溫度無顯著變化，老化焓值分別增加85.71%和85.71%，老化度分別增加156.09%和93.24%；同時，電子顯微鏡結果也證明蘆丁或槲皮素加快了老化進程；小麥淀粉的儲存模量和損耗模量降低；淀粉黏度結果表明蘆丁和槲皮素分別使小麥淀粉的峰值黏度減小5.56%和18.10%、最低黏度減小6.41%和21.32%、最終黏度減小3.28%和14.22%以及峰值時間減小1.93%和4.16%，回生值增加3.36%和0.52%，成糊溫度升高0.63%和3.25%；蘆丁和槲皮素分別使小麥淀粉的硬度降低44.60%和34.52%、黏性降低60.79%和30.95%、彈性降低2.94%和3.13%，黏聚性增加16.13%和16.13%；槲皮素能與小麥淀粉發生較強的相互作用，且能形成V型包合物。總體而言，蘆丁和槲皮素能顯著影響小麥淀粉的理化特性。

蘆丁；槲皮素；小麥淀粉；理化特性

多酚普遍存于植物界，具有多種保健功能，在化學、醫學和流行病學領域的研究愈加重視，如抗氧化、抗動脈硬化、抗癌、抗細菌和抗病毒活性[1]。黃酮作為多酚中的一大類化合物，種類眾多，其中槲皮素是高抗氧化活性的類黃酮系列的代表性物質，在水果和蔬菜中較為常見[2]，而蘆丁（槲皮素-3-O-蕓香糖苷）是苦蕎中最主要的黃酮類化合物。

目前，國內外有關酚類化合物對淀粉特性影響的研究主要集中在茶多酚、阿魏酸和其他植物提取物，其中關于茶多酚對淀粉特性影響的報道較多，包括淀粉的流變、糊化、回生、凝膠特性和消化性等[3-4]。研究結果表明，多酚類物質可以與淀粉分子產生復雜的相互作用，由于生物小分子的作用特異性和生物大分子的結構復雜性，兩者可以通過氫鍵、疏水鍵和靜電力等發生相互作用，作用力強弱受各自的結構特征[5-8]以及反應體系中發生的物理、化學變化如水活度[8-9]、pH值和溫度[9]等所影響，且這種相互作用會改變淀粉的熱特性、微觀結構、流變特性、糊化特性和質構參數等，進而影響淀粉類產品的質量。

有研究表明苦蕎食品對糖尿病人具有良好的降血糖功效[10-11]，作為苦蕎功能特性的重要物質蘆丁和槲皮素發揮了重要作用。通過研究小麥淀粉與蘆丁及槲皮素之間的相互作用，對提高苦蕎食品及相關淀粉類食品的加工特性和功能特性具有積極的指導意義，但該方面的研究鮮有報道。因此本實驗以小麥淀粉為研究對象，添加一定質量分數的蘆丁和槲皮素，借助差示掃描量熱儀、掃描電子顯微鏡、流變儀、快速黏度分析儀和質構分析儀測定小麥淀粉理化性質的改變，探討蘆丁和槲皮素與小麥淀粉之間的相互作用，為弄清蘆丁或槲皮素對淀粉類食品特性的影響，開發蘆丁和槲皮素功能性食品提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥淀粉 南京甘汁園糖業有限公司；蘆丁、槲皮素（純度95%） 上海源葉生物有限公司。

1.2 儀器與設備

Pyris-1差示掃描量熱儀 美國Perkin Elmer公司；su8010場發射掃描電子顯微鏡 江蘇萬科科教儀器有限公司；DHR-1流變儀 美國TA公司；Super4快速黏度檢測儀 澳大利亞Newport Scientif i c有限公司；TA.XT.Plus質構儀 英國Stable Micro System公司；UV-752紫外-可見分光光度計 上海菁華科技儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 熱力學特性

準確稱取3.0 mg添加質量分數0.50%蘆丁或槲皮素的小麥淀粉和7.5 μL的去離子水混合，密封壓蓋后放入4 ℃平衡12 h，用差示掃描量熱儀進行升溫測定，以空坩堝作參比。升溫范圍為25～95 ℃，升溫速率為5 ℃/min。從熱力學特性曲線可知糊化初始溫度、糊化峰值溫度、糊化最終溫度、糊化焓值。將測完糊化參數后的坩堝取出，4 ℃放置7 d后測定其老化焓值和老化度等老化參數，操作過程同糊化過程。

1.3.2 微觀結構的測定

準確稱取3.0 g添加質量分數0.50%蘆丁或槲皮素的小麥淀粉，與25 mL去離子水混合均勻，95 ℃恒溫水浴中糊化20 min。冷卻至室溫后凍干、粉碎，過0.15 mm×0.15 mm的篩孔，采用掃描電子顯微鏡對蘆丁或槲皮素與淀粉的復合物進行微觀結構觀察，將少量的粉末分散在載物臺上的雙面導電膠上，加速電壓20 kV，真空條件下噴金處理后觀察。

小麥淀粉和蘆丁或槲皮素的混合物糊化過程同上，冷卻至室溫后在4 ℃放置7 d后凍干，測定復合物的微觀結構。

1.3.3 動態流變特性

準確稱取3.0 g添加質量分數0.50%蘆丁或槲皮素的小麥淀粉，與25 mL去離子水混合均勻，95 ℃恒溫水浴中糊化20 min。冷卻至室溫后立即測定樣品儲存模量和損耗模量隨振蕩頻率的變化。動態黏彈性測定條件：在應變力0.5%條件下，25 mm平板，間隙1 mm，測試溫度25 ℃，振蕩頻率0.1～10 Hz，對樣品進行振蕩掃描。

1.3.4 快速黏度分析

準確稱取3.0 g分別添加質量分數0.50%蘆丁或槲皮素的小麥淀粉，與25 mL去離子水混合均勻，進行淀粉黏度測定，過程參照GB/T 24853—2010《小麥、黑麥及其粉類和淀粉糊化特性測定 快速粘度儀法》進行測定。

1.3.5 凝膠強度和破裂距離

準確稱取6.0 g分別添加質量分數0.15%、0.30%、0.45%、0.60%和0.75%蘆丁或槲皮素的小麥淀粉，溶于55 mL去離子水中，攪拌均勻后95 ℃水浴10 min，放置至室溫，采用P/5探頭，測前速率1 mm/s，測中速率0.5 mm/s，測后速率10 mm/s，位移15 mm，對淀粉凝膠進行分析。

1.3.6 凝膠TPA特性

將質構儀設置為TPA模式，小麥淀粉凝膠處理方式同1.3.5節。第1次壓縮時的最大峰值代表硬度，第1次壓縮曲線達到零點到第2次壓縮曲線開始之間的曲線的負面積代表黏性，2 次壓縮所做正功之比為黏聚性，第2次壓縮樣品恢復高度和第1次的壓縮變形量之比代表彈性。

1.3.7 蘆丁和槲皮素對小麥淀粉-碘復合物形成的影響

將1.5 g KI溶解在12.5 mL蒸餾水中，再加入0.635 g I2，用蒸餾水定容至50 mL。將溶液在4 ℃條件下避光儲存用作碘溶液。準確稱取50 mg添加質量分數0.15%、0.30%、0.45%、0.60%和0.75%蘆丁或槲皮素的小麥淀粉，滴入9.0 mL濃度為1.0 mol/L的NaOH溶液和體積分數95%乙醇溶液1.0 mL，定容至50 mL后放置30 min，分別取反應液1.0 mL和碘液3.0 mL混合，放置10 min，于波長620 nm處測吸光度。

1.4 統計分析

每次實驗均進行3 次平行，每個數據均為3 次平行實驗的平均值，實驗數據經過SPSS 16.0軟件分析，蘆丁和槲皮素對小麥淀粉特性的影響實驗分析中采用最小顯著差異（P≤0.05）的方法。數據以±s表示。

2 結果與分析

2.1 熱力學特性

圖1 添加0.25%蘆丁或槲皮素的小麥淀粉混合物的差示掃描量熱圖Fig. 1 DSC curves of wheat starch added with 0.25% rutin or quercetin

表1 添加0.25%蘆丁或槲皮素的小麥淀粉混合物的差示掃描量熱法分析結果Table 1 Retrogradation and gelatinization properties of wheat starch added with 0.25% rutin or quercetin

由表1可知，與對照組相比，在小麥淀粉中加入蘆丁或槲皮素后，糊化初始溫度、糊化峰值溫度和糊化最終溫度無顯著變化；在淀粉糊放置7 d后的測試中，蘆丁和槲皮素均顯著增大了小麥淀粉的老化焓值（分別增加了85.71%和85.71%）和老化度（分別增加了156.09%和93.24%），且槲皮素組的老化度小于蘆丁組。

淀粉在加入蘆丁或槲皮素前后，糊化溫度變化不顯著，表明糊化難度并未改變；老化度增加顯著，表明蘆丁和槲皮素加快了淀粉的老化速度。Guzar[4]和Wu Yue[12]等指出，茶多酚富含的羰基和羥基，可與淀粉分子的羥基通過范德華力和氫鍵誘導淀粉分子聚集，因此多酚能增加淀粉鏈與鏈之間的空間位阻，使分子的有序性重排降低，以此干擾了淀粉微晶束氫鍵的形成，進一步延緩淀粉的老化。因此上述變化可能是蘆丁或槲皮素和小麥淀粉分子相互作用，對溶液酸堿度的改變和水分的重新分配[13-14]等共同影響的結果。

2.2 微觀結構

圖2 蘆丁或槲皮素對小麥淀粉微觀結構的影響Fig. 2 Effect of rutin or quercetin on the microstructure of wheat starch

有研究表明，槲皮素在絡合物中呈現的狀態為無定形晶體[15-17]，如圖2a、b所示，蘆丁呈現大小不一的粉狀，而槲皮素呈現針狀結晶。如圖2c～h所示，淀粉分子表面未發現明顯的粉狀物或針狀結晶，說明蘆丁或槲皮素在和小麥淀粉共同糊化過程中可能發生了相互作用。相比于圖2c～e中小麥淀粉不再呈完整的片狀，而呈松散的絮狀，連接不再緊密，說明蘆丁和槲皮素可抑制小麥淀粉糊化過程中的聚合，使糊化進程減慢；且相比于圖2e，圖2d的片狀更加松散，說明蘆丁更易抑制糊化進程。相比于圖2f，圖2g和圖2h中小麥淀粉的基質寬松度變差，硬塊程度增大，干燥過程中形成的網孔結構更加不明顯，說明實驗組的小麥淀粉持水性變差，蘆丁或槲皮素促進了小麥淀粉老化進程；且相比于圖2h，圖2g的硬塊狀更密實，說明蘆丁更易加速回生進程。據報道，在儲存期間，具有持水能力的植物化學物質分散在淀粉凝膠中，可抑制水的蒸發，進而控制凝膠萎縮并幫助保持微觀結構[18]，而蘆丁和槲皮素的非親水基團，導致小麥淀粉糊化更加困難且老化速度加快。

2.3 動態流變特性

圖3 添加0.50%蘆丁或槲皮素的小麥淀粉混合物的動態流變掃描結果Fig. 3 Dynamic rheological curves of wheat starch added with 0.50%rutin or quercetin

由圖3可以看出，隨著掃描頻率的增加，添加蘆丁或槲皮素使小麥淀粉的儲存模量和損耗模量均降低，即彈性和黏性均降低，小麥凝膠體系變薄弱；且相比于蘆丁添加組，槲皮素添加組的儲存模量和損耗模量降低較少。儲存模量表示材料中貯存的能量或者表示在一個形變周期內可恢復的能量，損耗模量指材料在發生形變時，由于不可逆的黏性形變而損耗的能量大小。由于黃酮的加入，小麥淀粉溶液電負性減弱，淀粉鏈之間的排斥作用減弱，進而使得淀粉凝膠的結構致密性、有序性降低[6,18]；其次，槲皮素和蘆丁由于其難溶于水的特性，可能與小麥淀粉中的直鏈淀粉或支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；最后，分散在水中的蘆丁或槲皮素吸附在小麥淀粉表面進而抑制糊化過程中水分子進入淀粉螺旋分子內部[8]。

2.4 快速黏度分析

表2 添加不同質量分數蘆丁或槲皮素的小麥淀粉的糊化特性Table 2 Pasting properties of wheat starch added with different concentrations of rutin or quercetin

由表2可知，小麥淀粉和蘆丁混合后，其峰值黏度、最低黏度、最終黏度和峰值時間分別降低5.56%、6.41%、3.28%和1.93%，回生值和成糊溫度分別升高3.36%和0.63%；小麥淀粉與槲皮素混合后，其峰值黏度、最低黏度、最終黏度和峰值時間分別降低18.10%、21.32%、14.22%和4.16%，回生值和成糊溫度分別升高0.52%和3.25%。這與文獻[18]的結果一致：一些植物化學提取物能顯著降低淀粉的最終黏度。峰值黏度反映小麥淀粉的分子間力，衰減值（即抗剪切和耐熱性能）反映淀粉糊的穩定性，回生值則反映淀粉冷糊的穩定性和老化趨勢[19]，表明蘆丁和槲皮素均減弱了小麥淀粉的分子間力，使淀粉糊穩定性降低。繆銘等[20]研究表明，禾谷類淀粉的衰減值和易消化淀粉呈正相關關系，因此槲皮素使得小麥易消化淀粉顯著降低，對糖尿病人有利。由于植物多酚的濃度不同，化學組成不同，分子質量不同以及結構多樣性等，對小麥淀粉的糊化特性的影響也不同。相比蘆丁，槲皮素對小麥淀粉的峰值黏度、最低黏度、最終黏度、成糊溫度和峰值時間影響更顯著，蘆丁和槲皮素對小麥淀粉特性的影響不同，可能原因：1）槲皮素和蘆丁在淀粉鏈之間形成氫鍵的數量不同。與槲皮素相比，蘆丁結構較大，平面性差，羥基較多，水溶性較強，因此蘆丁或作為架橋基團，以氫鍵結合為主，在小麥淀粉鏈之間形成類似架橋的結構，使分子結構穩定性發生變化，進而影響小麥淀粉糊化老化等特性。而槲皮素分子更易進入直鏈淀粉的螺旋型結構中以疏水相互作用的方式存在。2）槲皮素和蘆丁對小麥淀粉體系中水分的影響不同。黃酮的羥基基團與水分子作用形成少量氫鍵，阻礙了水分子運動，小麥淀粉鏈的活動也會受到擠壓，蘆丁分子上較槲皮素更多的羥基會對自由水影響更多。3）蘆丁和槲皮素對小麥淀粉水溶液的酸堿度影響不同。蘆丁和槲皮素分子結構中含有的酚羥基使溶液顯弱酸性，使得小麥淀粉溶液的電負性降低[21-22]，分子鏈之間排斥力降低，老化趨勢增強。在某種程度上，淀粉的糊化特性呈現對pH值的依賴性[23]，且Zhu Fan等[5,18]證明多酚類物質可以改變溶液的pH值和系統的離子強度。

2.5 凝膠強度和破裂距離的測定

淀粉凝膠是在溫度升高時，淀粉顆粒逐漸溶脹、破裂，直鏈淀粉從顆粒中逸出，彼此相互交聯而成。不同植物多酚通過與淀粉形成氫鍵、疏水鍵和范德華力，在不同程度上改變連續相的性質和直鏈淀粉間的交互作用，從而改變凝膠質構[18]，其中凝膠質構可用凝膠強度和凝膠破裂距離表示。

圖4 添加不同質量分數蘆丁或槲皮素的小麥淀粉的凝膠強度和破裂距離Fig. 4 Gel strength and rupture distance of wheat starch added with different concentrations of rutin or quercetin

由圖4可知，蘆丁使小麥淀粉凝膠強度增大（26.91%）顯著，破裂距離減小（48.66%）顯著；槲皮素使小麥淀粉凝膠強度增大（50.25%）顯著，破裂距離減小（52.01%）顯著。凝膠質構可以用淀粉凝膠受到壓迫時會逐漸引起變形，隨著壓力漸增，凝膠會發生破裂，此時探頭的下壓距離被稱為凝膠破裂距離，該指標反映凝膠的脆性和彈性，破裂距離越小，凝膠的彈性越差，脆性越好。小麥淀粉加入槲皮素和蘆丁后，其凝膠破裂距離均顯著減小，表示凝膠彈性變差。上述結果可歸因于小麥淀粉分子內化學鍵、溶液酸堿性、自由水以及小麥淀粉分子粒徑的變化[12-13,24]。

2.6 凝膠質構特性的測定

表3 添加不同質量分數蘆丁的小麥淀粉凝膠質構分析Table 3 Texture properties of wheat starch gels with different concentrations of rutin

表4 添加不同質量分數槲皮素的小麥淀粉凝膠質構分析Table 4 Texture properties of wheat starch gels with different concentrations of quercetin

由表3可知，蘆丁使小麥淀粉的硬度降低44.60%、黏性降低60.79%、彈性降低2.94%以及黏聚性增加16.13%；由表4可知，槲皮素使小麥淀粉的硬度降低34.52%、黏性降低30.95%、彈性降低3.13%以及黏聚性增加16.13%。小麥淀粉凝膠的硬度、黏性和彈性顯著降低，黏聚性顯著增大。表明蘆丁或槲皮素的加入使得小麥淀粉凝膠口感更加柔軟，咀嚼時“橡膠”感減弱，同時，淀粉凝膠之間相互作用更強。產生上述結果的原因可解釋為：蘆丁或槲皮素與淀粉的相互作用會促進淀粉分子聚集形成復合體，進而阻礙直鏈淀粉的重排以及纏繞成雙螺旋結構的過程，使淀粉分子更易移動[25]，而這種相互作用的主導因素之一可能與凝膠pH值的變化有關[26]。

2.7 蘆丁和槲皮素對小麥淀粉-碘復合物形成的影響

圖5 添加不同質量分數蘆丁或槲皮素對小麥淀粉與碘形成復合物的影響Fig. 5 Effects of different concentrations of rutin or quercetin on the formation of wheat starch-iodine complexes

如圖5所示，蘆丁對小麥淀粉-碘復合物的形成影響不顯著，而槲皮素能顯著抑制該復合物的形成，且抑制作用隨質量分數增加而增加，當槲皮素質量分數為0.75%時，小麥淀粉、碘和槲皮素混合液在波長620 nm處的吸光度顯著降低14.29%，說明槲皮素可能通過疏水相互作用，與小麥淀粉螺旋空腔結合，從而抑制淀粉-碘復合物的形成。

Wokadala等[27]指出：直鏈淀粉可與一系列小客體分子相互作用，可形成單一的、呈左手螺旋的V型直鏈淀粉包合物，且驅動力是螺旋空腔內的疏水性相互作用。據報道，蘆丁無法與高直鏈淀粉玉米淀粉形成V型包合物[28]，但Zhang Liming等[16]報道，槲皮素可與淀粉相互作用，形成新的晶體結構。多酚或黃酮與淀粉空腔形成包合物可能與其分子大小，疏水能力強弱或直鏈淀粉螺旋空腔的尺寸等有關，由于蘆丁分子結構中羥基較槲皮素多，疏水性更弱，且分子體積較槲皮素大，因而無法與淀粉形成相應的包合物，抑制淀粉-碘復合物的形成的作用不顯著。Cohen[29]和Yang Liqun[30]等研究表明，酚類化合物和直鏈淀粉螺旋的內部腔絡合后具有耐洗滌特性，而那些未進入空腔的酚類則容易被洗掉，槲皮素進入小麥淀粉螺旋空腔后的耐洗滌性，對淀粉類食品品質可能會產生重要影響。

3 結 論

加入蘆丁或槲皮素后，小麥淀粉的糊化初始溫度、糊化峰值溫度和糊化最終溫度無顯著變化，老化焓值分別增加85.71%和85.71%，老化度分別增加了156.09%和93.24%；蘆丁或槲皮素加快了老化進程；添加蘆丁或槲皮素使小麥淀粉的儲存模量和損耗模量降低；蘆丁和槲皮素分別使小麥淀粉的峰值黏度減小5.56%和18.10%、最低黏度減小6.41%和21.32%、最終黏度減小3.28%和14.22%以及峰值時間減小1.93%和4.16%，回生值升高3.36%和0.52%，成糊溫度升高0.63%和3.25%；蘆丁和槲皮素分別使小麥淀粉的硬度降低44.60%和34.52%、黏性降低60.79%和30.95%、彈性降低2.94%和3.13%，黏聚性增加16.13%和16.13%；槲皮素能與小麥淀粉發生較強的相互作用，且能形成V型包合物。因此，蘆丁和槲皮素的加入能改善淀粉類產品的品質，也可作為一種提高抗性淀粉的物理改性方式。蘆丁或槲皮素與淀粉相互作用方式還有待于深入研究。

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Effects of Rutin and Quercetin on the Physicochemical Properties of Wheat Starch

REN Shuncheng, SUN Xiaosha
(National Engineering Laboratory of Wheat & Corn Further Processing, School of Food Science and Technology,Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China)

Changes in the thermal properties, microstructure, rheological properties, gelatinization properties and texture of wheat starch were examined in the presence of low-dose rutin or quercetin, as well as the effect of rutin and quercetin on wheat starch-iodine complex. It was found that the onset gelatinization temperature (T0), peak gelatinization temperature (TP)and gelatinization conclusion temperature (TC) of wheat starch did not change signif i cantly after adding rutin or quercetin.The retrogradation enthalpy (ΔH2) increased significantly by 85.71% and 85.71%, respectively, and the retrogradation degree (R) also increased signif i cantly by 156.09% and 93.24%, respectively. At the same time, electron microscopy showed that rutin and quercetin accelerated the retrogradation process, decreasing the storage modulus and loss modulus. Rapid visco analysis (RVA) results showed that rutin and quercetin decreased the peak viscosity of wheat starch by 5.56% and 18.10%, minimum viscosity by 6.41% and 21.32%, final viscosity by 3.28% and 14.22%, and peak time by 1.93% and 4.16%, and increased setback by 3.36% and 0.52%, and pasting temperature by 0.63% and 3.25%, respectively. Moreover,rutin and quercetin reduced the hardness of wheat starch by 44.60% and 34.52%, adhesiveness by 60.79% and 30.95%, and springiness by 2.94% and 3.13%, and increased cohesion by 16.13% and 16.13%, respectively. Quercetin could interact strongly with wheat starch, form V-type inclusion complex. In general, rutin and quercetin can signif i cantly inf l uence the physicochemical properties of wheat starch.

rutin; quercetin; wheat starch; physicochemical properties

10.7506/spkx1002-6630-201802005

TS201.2

A

1002-6630（2018）02-0025-06

任順成, 孫曉莎. 蘆丁和槲皮素對小麥淀粉理化特性的影響[J]. 食品科學, 2018, 39(2): 25-30.

10.7506/spkx1002-6630-201802005. http://www.spkx.net.cn

REN Shuncheng, SUN Xiaosha. Effects of rutin and quercetin on the physicochemical properties of wheat starch[J]. Food Science,2018, 39(2): 25-30. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201802005. http://www.spkx.net.cn

2016-11-23

小麥和玉米深加工國家工程實驗室開放課題（NL2016005）

任順成（1963—），男，教授，博士，研究方向為食品營養與功能食品。E-mail：scren@163.com