大豆異黃酮-玉米淀粉復合物制備及其性能研究

王思琪,吳天昊,李 妍,趙城彬,吳玉柱,許秀穎,劉景圣

(吉林農業大學食品科學與工程學院,小麥和玉米深加工國家工程實驗室 吉林長春 130118)

黃酮類化合物是天然的抗氧化劑和自由基清除劑,具有明顯的抗氧化、抗菌功能,是一類極具開發前景的天然產物,在食品、醫藥等領域被廣泛應用[1]。大豆異黃酮是生物黃酮中的一種,是大豆生長中形成的一類次級代謝產物,廣泛存在于大豆及大豆制品加工副產物中。大豆是人類獲得異黃酮的唯一有效來源,其結構與雌激素相似,也稱“植物雌激素”[2],可發揮類雌激素或抗雌激素雙向調節功能。大豆異黃酮結構中含有酚羥基易被氧化是良好的抗氧化劑,能夠影響腸道中微生物酶活性,改善腸道菌群代謝能力[3-4]。

玉米淀粉生產成本低、質量優,常作為上漿劑、粘接劑和食品增稠劑被應用于食品工業中,但相對其它淀粉,玉米淀粉糊粘度低、凝膠硬度高,限制了玉米淀粉在食品加工中的應用前景。因此,改善玉米淀粉的加工性質是有必要的。目前,多酚和淀粉復合物的制備方法有熱溶法、酸堿中和法、酶促聚合法等,其中熱溶法操作簡單,是較為常用的多酚和淀粉復合的方法[5]。研究表明,多酚與淀粉可通過氫鍵、疏水相互作用、靜電相互作用、離子相互作用及范德華力等作用力[6-8],以吸附、聚合、包埋等多種方式形成復合物[9-12]。相關研究主要集中于多酚與淀粉的相互作用方面[13-16],并且對多酚與淀粉體系的糊化特性、流變特性等進行研究,發現多酚可不同程度的影響淀粉的理化特性[17-20]。但關于大豆異黃酮與淀粉復合的研究鮮見報道。

本研究采用熱溶法制備大豆異黃酮-玉米淀粉復合物,在單因素實驗基礎上,采用響應面法優化制備工藝,并對其糊化特性、流變特性和凝膠質構特性進行研究,為玉米淀粉在食品加工中的應用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米淀粉(corn starch,CS)總淀粉83.42%、直鏈淀粉28.30%、脂肪0.54%、蛋白質0.36%、水分11.35% 上海金穗生物科技有限公司;大豆異黃酮(soy isoflavone,SI)≥90% 西安天豐生物科技股份有限公司;其他試劑 均為分析純。

ALPHA1-4LD plus型冷凍干燥機 德國Christ公司;RVA-Tec MasterTM型快速黏度分析儀 澳大利亞Perten公司;MCR302型流變儀 奧地利安東帕(中國)有限公司;TA.XT.Plus型食品物性測試儀 英國Stable Micro System 公司;AllegraX-30高速離心機 美國BECKMA公司;Lambda365型紫外分光光度計 美國PerkinElmer公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 復合物的制備 參考Li等[21]的方法,并做適當改動。稱取5 g玉米淀粉,將玉米淀粉與蒸餾水配制成10%的乳液,放入水浴鍋中70 ℃恒溫攪拌加熱50 min。將不同添加量的大豆異黃酮(SI/CS,w/w)溶解在乙醇中,在持續攪拌下,30 min內緩慢滴入淀粉分散體中。經一定溫度水浴攪拌一定時間后,將混合物緩慢冷卻至室溫,將所得懸浮液以3000 r/min離心5 min,使用乙醇溶液(50%,V/V)洗滌三次并離心,以除去未與玉米淀粉復合的大豆異黃酮,冷凍干燥樣品。不加入大豆異黃酮,在相同條件下處理淀粉得到的樣品即為對照的玉米淀粉。

1.2.2 SI含量的測定 參考文獻[22-23]的方法并做適當改動。稱量樣品(20 mg,干基),溶于3 mL二甲基亞砜中。將得到的混合物在4000 r/min離心10 min,并收集上清液。取出2 mL溶液于10 mL容量瓶中,加入200 μL 95%乙醇后用蒸餾水定容。通過測定260 nm處的吸光度確定SI含量。染料木黃酮用于制備標準曲線,繪制標準曲線為:Y=0.1259X-0.0016,相關系數r=0.9995,線性范圍在0～8 μg/mL。

1.2.3 單因素實驗 通過改變SI添加量、加熱溫度和加熱時間來探究其對復合物中SI含量的影響。按照1.2.1方法,控制其他條件不變,進行單因素實驗。分別設置大豆異黃酮和玉米淀粉復合物的復合條件為:SI添加量(1%、2%、3%、4%、5%)、加熱溫度(60、65、70、75、80 ℃)和加熱時間(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h)每組試驗重復3次。單因素實驗中固定的因素水平設定為SI添加量2%,加熱溫度70 ℃,加熱時間1.0 h。

1.2.4 響應面試驗設計 在單因素實驗基礎上,以SI添加量、加熱溫度、加熱時間為因素進行三因素三水平的Box-Behnken試驗,以復合物中SI含量為響應值。因素與水平設計見表1。

表1 響應面試驗因素與水平Table 1 Factor and level by Box-Behnken

1.2.5 糊化特性測定 參考美國谷物化學師協會操作規程中的標準程序,采用升溫-降溫循環式[24]在快速黏度分析儀(rapid visco analyser,RVA)中進行測定。準確稱取3 g樣品于RVA鋁盒中加入25 mL去離子水均勻混合,測定條件:50 ℃保溫1 min,以6 ℃/min的速率升溫至95 ℃,保溫5 min,再以6 ℃/min的速率降溫至50 ℃,保溫2 min。前10 s內攪拌速率為960 r/min,而后以160 r/min攪拌速率進行測定。制備大豆異黃酮與玉米淀粉的物理復合物,方法為:相同比例的大豆異黃酮與對照玉米淀粉在研缽中研磨15 min使其混合均勻,備用,下同,以作為熱溶法制備復合物加工特性研究的參照。

1.2.6 動態流變特性測定 參考Luo等[25]的方法并加以改動，取1.2.5制得的樣品,采用平板測量系統(型號PP25,直徑25 mm,設置間隙1 mm)。每次測試均需更換樣品。測定條件:在溫度為25 ℃、應變力為1%的條件下測定角頻率在0.1～100 rad/s 內儲能模量(G′)、損耗模量(G″)、損耗角正切值tanδ隨角頻率變化情況,測定樣品黏彈性。樣品用硅油覆蓋以防止水分蒸發。

1.2.7 質構特性測定 參考任順成等[26]的方法并加以改動,將1.2.5制得的樣品于RVA鋁盒中在室溫條件下冷卻,密封,4 ℃條件下冷藏24 h,用于質構測定。測試條件:P 0.5探頭,測試前速率1.0 mm/s,測試速率5.0 mm/s,測試后速率5.0 mm/s;壓縮程度50%;觸發力5 g。

1.3 數據處理

所有數據為3次平行測量的平均值,結果以X±S表示,使用Origin 2018軟件進行相關圖表繪制,采用Design Expert 8.0.6軟件進行響應面分析,采用SPSS 21軟件通過ANOVA統計學分析在顯著性水平0.05進行檢驗。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 SI添加量對復合物中SI含量的影響 由圖1可知,隨著SI添加量的增加,復合物中SI含量也隨之增加。SI添加量從1%變化至2%時,復合物中SI含量從1.74 mg/g增加到5.01 mg/g。當SI添加量進一步增加時,復合物中SI含量增加緩慢,曲線趨于平緩,推測是由于復合量逐漸達到飽和。因此,SI添加量為2%時復合效果相對較好。

圖1 SI添加量對復合物中SI含量的影響Fig.1 Effect of added amount of soy isoflavone on soy isoflavone content in complexs

2.1.2 加熱溫度對復合物中SI含量的影響 由圖2可知,加熱溫度從60 ℃升高到70 ℃時復合物中SI含量增加,65～70 ℃時曲線的漲幅較高。當溫度高于70 ℃時,復合物中SI含量呈下降趨勢。較高的溫度會增加SI和淀粉的復合速率,所以當糊化溫度為60～70 ℃時,復合物中SI含量隨著溫度的升高而升高,但隨著糊化溫度增加淀粉黏度增大,流動性降低,不利于SI和淀粉接觸從而使復合物中SI含量下降。此外,過高的溫度可能會導致大豆異黃酮的降解和氧化。因此,制備復合物的最適加熱溫度為70 ℃。

圖2 加熱溫度對復合物中SI含量的影響Fig.2 Effect of heating temperature on soy isoflavone content in the complexs

2.1.3 加熱時間對復合物中SI含量的影響 由圖3可知,加熱時間0.5～1.0 h復合物中SI含量呈明顯上升趨勢,復合物中SI含量從3.85 mg/g增加到5.03 mg/g,在1.0 h時達到最高點,隨著加熱時間的延長復合物中SI含量趨于穩定。大豆異黃酮與玉米淀粉相互作用可能需要一定的時間,反應一開始大豆異黃酮通過疏水作用進入直鏈淀粉螺旋腔,而后大豆異黃酮與支鏈淀粉通過氫鍵相互作用[5],時間繼續延長復合物中SI含量維持基本不變。因此,制備復合物適宜的加熱時間為1.0 h。

圖3 加熱時間對復合物中SI含量的影響Fig.3 Effect of heating time on soy isoflavone content in the complexs

2.2 響應面試驗

在單因素實驗基礎上,綜合考慮各因素對復合物中SI含量的影響,根據Box-Behnken試驗設計原理,選擇SI添加量、加熱溫度、加熱時間三因素三水平響應面分析方法,確定最佳制備條件,結果見表2。將所得試驗數據采用Design-Expert 8軟件進行多元回歸擬合,得到各因素與復合物中SI含量(Y)的二次多項式模型:

Y=5.07+0.17A+0.26B+0.13C+0.17AB-0.14AC-0.05BC-0.21A2-0.79B2-0.15C2

表2 響應面試驗設計及結果Table 2 Design and results for response surface tests

表3 復合物中SI含量回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance in regression model of soybean isoflavone content in complexs

圖4 SI添加量和加熱溫度交互作用對復合物中SI含量影響的響應面圖和等高線圖Fig.4 Response surface plots and contour of the effect of interaction between thesoy isoflavone addition amount and heating temperature on the content of soy isoflavone in complexs

方差分析中BC對響應值影響不顯著,一次項C、交互項AB、AC、二次項C2影響顯著(P<0.05),A、B、A2和B2影響極顯著(P<0.01),說明各因素對復合物中SI含量的影響不是簡單線性關系。各因素對復合物中SI含量的影響次序依次為B(加熱溫度)>A(SI添加量)>C(加熱時間)。

2.3 響應面分析

各因素交互作用如圖4～圖6所示。在確定某一因素條件下,改變另一因素條件對復合物中SI含量的影響,其變化與單因素結果基本一致。由圖4～6可知,SI添加量(A)和加熱溫度(B)、SI添加量(A)和加熱時間(C)等高線圖呈明顯的橢圓形,表明兩因素間交互作用顯著。相比之下,加熱溫度(B)和加熱時間(C)交互作用較小。

2.4 驗證試驗

通過回歸方程得到復合物中SI含量的最佳條件為:SI添加量2.41%、加熱溫度70.99 ℃、加熱時間1.10 h,理論上可得復合物中SI含量為5.14 mg/g。考慮到實際操作,將最優條件調整為SI添加量2.4%、加熱溫度70 ℃、加熱時間1.0 h,經驗證試驗得復合物中SI含量為5.04 mg/g,接近最佳條件預測值,證實擬合響應面模型具有良好的預測性,可以用來預測復合物中SI含量。

2.5 糊化特性分析

圖5 加熱溫度和加熱時間交互作用對復合物中SI含量影響的響應面圖和等高線圖Fig.5 Response surface plots and contour of the effect of interaction between the heating temperature and heating time on the content of soy isoflavonein complexs

圖6 SI添加量和加熱時間交互作用對復合物中SI含量影響的響應面圖和等高線圖Fig.6 Response surface plots and contour of the effect of interaction between thesoy isoflavone addition amount and heating time on the content of soy isoflavone in complexs

由表4可知,與CS相比,SI-CS物理復合峰值黏度、崩解值、終值黏度和回生值略有降低,峰值時間和糊化溫度無明顯變化;SI-CS復合物峰值黏度增加了20.39%、終值黏度增加了37.15%、峰值時間延長了1.35 min,崩解值降低了70.78%,糊化溫度無明顯變化。SI-CS復合物峰值黏度增加,表明大豆異黃酮的加入復合物對水熱處理有高抗性。SI-CS復合物崩解值降低了70.78%,由此可知,復合物中的大豆異黃酮影響了淀粉糊的穩定性,繆銘等[27]研究表明,禾谷類淀粉的崩解值和易消化淀粉呈正相關關系。大豆異黃酮溶解性較低,從而影響淀粉吸水速度,抑制淀粉顆粒分解,使淀粉糊化過程變緩,峰值時間延長。SI-CS復合物黏度較高,更有利于淀粉作為粘稠劑應用。

表4 SI-CS復合物的糊化特征值Table 4 Gelatinization characteristic values of soy isoflavone-corn starch complexs

圖7 SI-CS復合物的RVA糊化曲線Fig.7 RVA pasting curve of soy isoflavone-corn starch complexs

2.6 動態流變特性分析

CS、SI-CS物理復合和SI-CS復合物儲能模量(G′)、損耗模量(G″)如圖8所示。G′和G″隨著角頻率的增加而增加,在測量頻率內二者沒有交叉,G′始終大于G″。淀粉凝膠的彈性模量大于粘性模量,表明凝膠屬于典型弱凝膠動態流變學體系[28]。因此,SI-CS復合物凝膠為典型弱凝膠體系。與對照CS相比,SI-CS復合物的G′降低,G″升高,即彈性降低而黏性升高。G′反映物質在形變周期中可恢復的能量,G″反映在物質形變過程中因黏性形變不可逆從而損耗的能量。由于大豆異黃酮難溶于水,因此通過疏水作用進入玉米淀粉螺旋腔內,阻礙淀粉分子間交聯作用及其聚集和重新排列,減弱淀粉凝膠網絡從而降低凝膠彈性。tanδ為G″與G′比值,tanδ越大,體系黏性比例越大,可流動性強,反之則彈性比例較大,固體特性強[29]。添加大豆異黃酮后tanδ增大,體系黏彈性從固態狀轉變為液態狀,可流動性增強,固體特性減弱。SI-CS復合物黏性和tanδ較高,復合物體系比較穩定,有利于蒸煮類淀粉基食品的加工。

表5 SI-CS復合物的凝膠質構參數Table 5 Texture parameters of soy isoflavone-corn starch complexs

圖8 SI-CS復合物動態模量(A、B) 及tanδ(C)隨角頻率變化曲線Fig.8 Dynamic modulus and tanδ variation rate of soybean isoflavone-corn starch complexs

2.7 質構特性分析

由表5可知,復合物的凝膠性發生顯著變化。與 CS相比,SI-CS復合物硬度降低20.22%、彈性降低18.62%、咀嚼性降低42.06%、膠黏性增加18.96%、內聚性無明顯變化,由此表明SI-CS復合物的口感相比玉米淀粉更加柔軟。直鏈淀粉含量可影響淀粉凝膠硬度,直鏈淀粉重排及纏繞成雙螺旋結構的程度越高,凝膠硬度越大[30]。大豆異黃酮的加入阻礙了直鏈淀粉分子間的交聯作用及其聚集和重新排列,致使淀粉分子便于移動[31],從而降低凝膠硬度,使其咀嚼起來更柔和。將其應用于蒸煮類淀粉基食品(饅頭、蒸糕等)可使其更加軟糯,口感體驗度更高。

3 結論

本試驗采用熱溶法制備大豆異黃酮-玉米淀粉復合物,通過響應面試驗優化制備工藝,得到最優制備條件為:SI添加量2.4%、加熱溫度70 ℃、加熱時間1.0 h,在此條件下得復合物中SI含量為5.04 mg/g。各因素對復合物中SI含量的影響次序依次為:加熱溫度>SI添加量>加熱時間。通過熱溶法與大豆異黃酮復合的玉米淀粉黏性增加、崩解值和硬度降低,為其進一步在食品加工中的應用提供依據。后續試驗可針對大豆異黃酮與玉米淀粉相互作用方式進行研究。