《食品科学》：暨南大学田灵敏副研究员等：花色苷与淀粉复合物的制备及应用研究进展
2023-10-18作者：来源：责任编辑：食品界
字体A+AA-
花青素是天然水溶性植物色素，广泛存在于水果、蔬菜、谷物中，赋予食物鲜艳的外观。当花青素以糖苷形式与糖基结合时，即为花色苷，花色苷是2-苯基苯并吡喃阳离子羟基甲基化后与一个或多个糖分子结合而成的化合物。花色苷具有多种有益健康的活性，如抗氧化、抗微生物、抗糖尿病、抗肥胖、抗炎、抗增殖和抗癌等。但花色苷对环境非常敏感，化学稳定性较差，pH值、温度、光照、溶剂和金属离子等因素的改变均会引起花色苷化学结构的变化。将花色苷进行包埋改造以使其更好地在消化道中递送十分重要。
暨南大学理工学院的娄艺航、黄婷、田灵敏*等汇总了多种花色苷-淀粉的混合物制备方式，并总结制备中的互作对花色苷稳定性、生物利用度、抗氧化活性、淀粉结晶度、糊化性质、力学性能、消化率的影响，以及复合物在当前的应用进展，旨在更好地了解花色苷-淀粉相互作用机制。
淀粉是一种由众多α-葡萄糖残基单元聚合而成的多糖，按分子结构不同可将其分为直链淀粉与支链淀粉。直链淀粉和支链淀粉的特殊化学结构为淀粉颗粒与花色苷等生物活性分子的相互作用提供了可能。相互作用的结果及其对食品特性的影响取决于花色苷和淀粉的类型、结构以及复合物的制备方法。直链淀粉可以与客体小分子（如花色苷），相互作用以形成V型直链淀粉单个左旋螺旋形式的包合物，其主要作用力为螺旋腔内的疏水相互作用（图1）。研究表明，对于同一多酚类化合物，支链淀粉比直链淀粉具有更强的负载能力。
基于以上相互作用，目前研究者已采用加热糊化法、挤压法、乳化法、缩醛法、超高压法、微凝胶法、微胶囊化等多种包埋技术，成功将花色苷负载于淀粉中，极大改善了两者的物理特性和化学活性。
1.1 糊化法
淀粉在含水体系中经加热和退火后物理结构发生极大变化，即淀粉的糊化和老化。淀粉糊化后直链淀粉的羟基暴露，容易通过氢键或疏水相互作用与极性有机化合物（如带正电的花色苷）相互作用，进一步形成V型复合物。在淀粉回生时添加花色苷可将其包埋入淀粉链中，形成不稳定的淀粉-花色苷复合物（图2）。因此，该法可以在淀粉缓慢冷却时形成淀粉-花色苷复合物。 1.2 挤压法
挤压是一种高温短时间的加工方法，涉及多种操作，包括混合、加热、捏合、剪切和成型，这类热机械过程可以破坏淀粉中的化学键，导致淀粉糊化、熔化和降解。 高温不仅导致淀粉糊化，还会使花色苷共价键断裂，发生热不稳定性降解并破坏细胞壁基质，因此更短时间的高温处理可以提高花色苷的保留率，从而提高淀粉与花色苷互作的可及性。当淀粉通过挤压糊化时，由于分子间和分子内氢键的断裂，晶体结构被破坏，导致更多的羟基暴露与水分子形成氢键。小分子花色苷的存在可以插入聚合物链，中断氢键并使淀粉链展开，红外光谱显示酚类化合物的加入并未产生新的共价键，挤出后复合物间的相互作用主要由非共价键（如氢键）提供。另外，通过挤压法花色苷可以与淀粉产生更复杂的基质，增加淀粉膜的厚度。 花色苷与淀粉共混挤出既能促使两者结合，同时可以保护花色苷活性免于损失，在挤压过程中花色苷的保留率取决于挤压温度、水分含量、螺杆转速和进料速度。当花色苷单独挤出时，花色苷损失显著。 1.3 乳化法
1） 单一乳化法
作为常见的天然生物聚合物，淀粉由于其可生物降解性、生物相容性和低成本等优点，被广泛用于制备Pickering乳液。淀粉颗粒除每个结构单元中的众多官能团外，不同分子质量和化学结构的不同类型淀粉可以进行各种改性，从而产生一系列具有不同疏水性的改性淀粉；其次，与脂质和蛋白质作为稳定剂时相反，热诱导糊化后淀粉结构变得更加稳定。 纳米淀粉颗粒更有利于形成稳定的乳液，同时其与花色苷互作增强了乳液的抗氧化活性。采用纳米级红米淀粉与花青素制备稳定的O/W型Pickering乳液，发现红米淀粉颗粒越小，乳化程度越高，乳液稳定性越好，并且较白米淀粉具有更高的抗脂质氧化稳定性。 水包油包水（W/O/W）双重乳液也是一种常见的微胶囊化工艺，通常用作亲水活性材料的载体。多重乳化后在红外光谱和X射线衍射图中可以观察花青素与多糖壁材的静电相互作用和结晶度下降的现象。如图3所示，将花青素水溶液水相（W1）和由聚蓖麻油酸甘油酯（PGPR）组成的大豆油油相（O）充分混合均匀，制备负载花青素的W1/O乳液，再将其加入到含有辛烯基琥珀酸修饰的藜麦淀粉的外部水相W2，混合制备得到花青素负载双Pickering乳液，在模拟肠液消化后，由于淀粉水解导致乳滴破坏，大部分花青素得以释放，极大增强了花青素的稳定性，该技术提供了一种基于淀粉的双重Pickering乳液作为花青素有效载体用于肠道靶向递送的潜在途径。 1.4 高静水压法
高压对淀粉含量、溶胀性和溶解性、双折射性、热特性、糊化、回生和淀粉的体外酶消化率等理化性质均有影响。与热处理相比，高压处理能更好地保留重要的生物活性化合物，例如对花色苷抗氧化活性有保护作用。 先前的研究表明，大多数经超高压处理的淀粉保持了颗粒形状并表现出有限的膨胀能力。而高压对花色苷的影响较小，高压法对淀粉与花色苷互作的影响取决于压力强度、淀粉类型和含量、加压时间、温度和介质。使用高静水压法处理后花色苷结构仍保持完整，将淀粉与花色苷复合物以水为介质施加高压（400～500 MPa）并进行分析发现，高压提高了淀粉的消化率，而花色苷的抗氧化活性得到保留。此外，与挤压糊化、化学法等其他方法相比，高压处理是一种更为清洁、节能的技术，对能源消耗少、成本低，特别是对环境的污染程度非常小。 花色苷是多羟基的酚类黄酮化合物，可在水溶液或酸性体系下与淀粉糖基中的半缩醛羟基发生缩合反应，形成糖苷键，形成花色苷-淀粉复合物。虽然这类反应不彻底，仍会有花色苷游离在反应体系中，但花色苷和淀粉的互作效率依然很高，保留率高达83.69%。有研究表明，与纯花色苷相比，花色苷-马铃薯支链淀粉复合物在不同温度、氧化或还原、氧化金属离子等条件下均表现出更好的抗降解能力和抗氧化能力。 1.6 微胶囊化法
使用淀粉包埋花色苷是一种常见的有效提高花色苷稳定性和生物利用度的方法。天然淀粉作为包封剂的性能可通过改性提高，水解淀粉（如麦芽糖糊精）由于其高溶解度提高了微胶囊化的效率。目前花色苷的包埋研究中，麦芽糖糊精由于具有良好的乳化性、水溶性以及高含量时的低黏度、可生物降解性和成膜性，是常用壁材之一。一些天然淀粉颗粒（如玉米淀粉）具有表面孔隙以及颗粒中的通道，也可用于封装一系列生物活性成分。 1.7 微凝胶法
淀粉水凝胶是在含水体系下凝胶化形成，以多种形式存在，是生物活性化合物最可行的载体之一。因此，在淀粉水凝胶体系中添加花色苷也是开发淀粉基功能食品的一种可行方法。淀粉凝胶的流变特性很大程度上取决于淀粉种类（如直链淀粉含量）以及掺入食品成分的比例。 通过氧化技术产生带负电荷的淀粉（葡萄糖醛酸残基），带负电荷的淀粉通过静电作用吸附，能够包裹带正电荷的花色苷，其中酶促水解可以进一步提高带负电荷的淀粉对花色苷包埋和传递的效率。 淀粉微凝胶可保护花青素免于在胃中降解并将其输送到肠道，因其在胃肠道环境中表现出的良好稳定性而被广泛用作活性成分的递送载体。一项研究已证实淀粉改性可以增强微凝胶对溶菌酶的吸附和释放作用。由水解氧化淀粉开发了一种新型多孔微凝胶，用于花色苷的包埋与传递，该产品表现出更高的花色苷负载能力和更慢的释放速率。 有研究将红甘蓝花青素提取物添加到改性淀粉中制备活性包装膜，发现两者通过静电相互作用和新的氢键形成了稳定的复合物，实现了薄膜抗氧化性能的可持续性，使花色苷在薄膜中更稳定地存在并增强了花色苷在薄膜中的热稳定性。 羟基和甲氧基的取代对稳定性有影响。花青素稳定性随着B环中甲氧基数量的增加而增加，并随着B环中游离羟基数量的增加而降低。花色苷的稳定性还与贮藏温度相关，花色苷降解速率常数随着贮藏温度的升高不断增加，半衰期随之相应缩短。 微凝胶被广泛用作药物输送载体，在上述方式中，微胶囊法和微凝胶法均能将花色苷包埋入淀粉壁材中，保护花色苷在上消化道的吸收，提高花色苷在小肠消化过程中的释放率，有利于活性成分在体内的递送。
1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）自由基清除率被广泛用作测定复合薄膜抗氧化活性的标准方法，抗氧化活性物质可以将DPPH自由基的颜色改变为二苯基苦基肼络合物的黄色，该反应的程度主要取决于抗氧化剂的供氢能力。花色苷是多酚类物质，含有大量酚羟基，酚羟基通过形成苯氧基消除自由基，提供了供氢能力，而纯淀粉薄膜不具有供氢能力，没有抗氧化活性。 通过干燥喷雾法制备麦芽糊精包裹花色苷的微胶囊，复合物有效延长了花色苷体外模拟胃肠道的释放时间，DPPH自由基清除能力和脂质过氧化抑制活性增强，该方法显著降低了复合物的水分活度，有利于保持微胶囊的稳定性。有学者使用水凝胶法包埋花青素制备复合膜，将淀粉、壳聚糖、聚乙烯醇（PVA）3 种材料进行比较，发现使用淀粉/聚乙烯醇作为薄膜材料具有最高的DPPH自由基清除率，高达95.79%。 2.2 互作对淀粉的影响
复合物的结晶度可以反映不同复合物组分之间的相容性和分子间相互作用。许多研究表明，淀粉与花色苷互作后，由于聚合物有序结构被破坏，导致负载产物结晶度降低。一方面，互作后结晶度的变化与花色苷的添加量有关，随着花色苷添加量的增加，产物结晶度逐渐降低。复合物的晶体结构转变为无定形相，阻断了淀粉链之间的相互作用，破坏了相对有序结构的形成。 对于糊化性质，微胶囊化的改性淀粉-花青素粉末显示出比天然淀粉更高的起始温度和峰值温度；这是由于直链淀粉-酚类化合物形成长链复合物，需要更高的温度才能断裂。适量的花色苷与淀粉相互作用有助于促进淀粉有序结构的形成，从而提高了复合物对水热处理的抗力，而过量的花色苷有助于破坏氢键网络，进而降低淀粉的热稳定性和糊化温度。 淀粉在机械性能上存在局限性，而通过与花色苷互作，力学性能得到极大改善。表1列举了不同来源淀粉与花色苷互作后力学性能的变化情况。 拉伸强度增加可能是因为花色苷中的羟基与淀粉中的羟基形成氢键，从而使淀粉与花色苷提取物之间的界面黏附力更强，增加了复合薄膜的拉伸强度；随着花色苷添加量进一步增加，复合物薄膜拉伸强度逐渐降低，这可能是由于过量花色苷形成的聚集体破坏了薄膜网络的致密性。 多酚被普遍认为可以抑制消化酶活性，阻碍消化酶接触淀粉并改变淀粉的结构，最终减少或阻止淀粉的水解消化。花色苷对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶活性的抑制作用体现在对其二级结构的影响，在α-淀粉酶中，α-螺旋相对含量随着花色苷含量的升高而降低，在α-葡萄糖苷酶中，花色苷的添加降低了α-螺旋和β-转角的相对含量，而β-折叠和无规卷曲的相对含量增加。 花色苷可以通过氢键和疏水相互作用与淀粉互作，形成了与大米淀粉物理化学和微观结构特性不同的复合物，使大米淀粉消化率降低。花色苷与淀粉通过非共价相互作用形成包含花色苷小分子的V型直链淀粉，有助于增加抗性淀粉的比例从而降低消化率。此外，与淀粉复合的花色苷 量以及互作淀粉中的直链淀粉与支链淀粉的比例也会影响淀粉的消化机制。 生物活性薄膜可用于制造生物活性包装，近年来受到广泛关注。一方面，生物活性包装环保，其可以取代石油衍生的塑料包装。另一方面，淀粉-花色苷复合薄膜还具有抗菌活性，花色苷能增加质膜的通透性，抑制细胞外酶分泌。 纯淀粉薄膜亲水性强，机械性能较差，限制了其在食品包装中的应用，将淀粉与其他聚合物混合是改善淀粉薄膜物理性能的有效途径。近年来，研究人员已将花色苷添加到淀粉基薄膜中，以提高薄膜的抗氧化和抗菌性能。 环境pH值的变化通常表示食品质量发生变化，智能食品包装可以指示食品包装环境的变化，为消费者提供贮藏和运输过程中的食品质量信息。利用花色苷对环境pH值敏感的特性，可将其添加入包装材料中作为pH指示剂。表2总结了多种不同来源淀粉与花色苷互作后在生产中的应用情况。
花色苷分子含有多个酚羟基，具有较高的抗氧化活性，但由于结构不稳定限制了花色苷在实际中的应用，淀粉作为一种典型的天然多糖，其数量庞大，然而由于自身特性限制了其应用范围。因此，花色苷与淀粉的互作结合逐渐成为研究热点。花色苷与淀粉互作后花色苷的稳定性、生物利用度大大增加，纳米淀粉颗粒可以保护花色苷，用于医疗和美容领域花色苷的递送，成为生物活性化合物递送系统的潜在候选者。不仅如此，淀粉的结晶度、糊化温度、力学性质也得到改善，两者结合使花色苷和淀粉得的利用率得到提高。淀粉-花色苷复合物在食品化学、制药、材料工程、精细化学等重要领域具有广阔的应用前景。
相互作用对淀粉和花色苷性质的影响很大程度取决于植物提取物的来源、淀粉与花色苷的结构与类型、互作方式和实验条件等。因此，在食品配制和加工过程中，需要综合考虑这些因素，调整食品的加工条件和参数，以实现新型功能性食品的开发应用。虽然目前已对淀粉和酚类化合物之间相互作用有一定了解，但花色苷与淀粉颗粒互作仍需要更多探索。例如，淀粉与花色苷相互作用的动力学机制；利用淀粉-酚类相互作用进行食品开发；制定相应的策略以适应基于淀粉-酚类相互作用的新型功能性食品的监管和标签；互作过程中花色苷和淀粉之间的潜在形成机制和相互作用力。 本文《花色苷与淀粉复合物的制备及应用研究进展》来源于《食品科学》2023年44卷13期317-327页. 作者：娄艺航，黄婷，张璇，田灵敏，白卫滨. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220731-349.
