天津科技大学张黎明教授等：淀粉/石榴皮多酚自组装体形成及消化性分析
2024-01-19作者：来源：责任编辑：食品界
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淀粉是一种由直链淀粉与支链淀粉构成的天然高分子化合物，其中直链淀粉通常以双螺旋的形式存在。在外部条件作用下，直链淀粉分子构象发生转变，形成具有“内腔疏水、外腔亲水”特性的单螺旋腔体结构，这种特殊结构可使其作为主体分子，通过非共价作用与客体分子发生自组装，使客体分子包于淀粉螺旋空腔内或介于直链淀粉两个螺旋之间。相关研究发现多酚类化合物可通过氢键、疏水相互作用及静电作用等非共价作用与淀粉发生主客体相互作用，所形成的自组装体的理化性质与营养性质均发生明显改善。
石榴皮多酚（PP）是一种富含安石榴苷、没食子酸、原儿茶素、绿原酸、表儿茶素、咖啡酸、芦丁、槲皮素、山柰素的多酚类物质，鉴于其具有良好抑制淀粉酶的活性，天津科技大学工业发酵微生物教育部重点实验室的郭晋彪、曲迎辉、张黎明*等选择PP作为客体分子，探究将PP和马铃薯淀粉（PS）共球磨处理对PS/PP自组装体的形成、理化性质和抗消化性能的影响，旨在寻找一种绿色环保、生产可控的制备淀粉与多酚类物质自组装体的方法，提高抗性淀粉营养片段的比例，更好地保护PP使其发挥高效的生物活性。
1 制备条件对PS/PP自组装体总多酚含量及组装率的影响1.1 球磨时间对PS/PP自组装体总多酚含量及组装率的影响
由图1可知，球磨过程中PS/PP自组装体总多酚含量及多酚组装率均呈平稳上升，后迅速下降的趋势。当球磨处理5～10 h时，自组装体总多酚含量及多酚组装率显著上升，到达10 h时自组装体中总多酚含量最高（7.12±0.13）mg/g。当球磨处理15～25 h时，PS/PP自组装体总多酚含量与多酚组装率呈现显著降低趋势，这可能与球磨处理进一步破坏了PS的直链淀粉单螺旋空腔有关，因此PS与PP自组装能力下降。综上可知制备PS/PP自组装体较好球磨处理时间为10 h。1.2 球磨转速对PS/PP自组装体总多酚含量及多酚组装率的影响 从图2可知，随着球磨处理转速升高，PS/PP自组装体总多酚含量及多酚组装率趋势为先稳定上升后急剧下降。当球磨处理的转速由100 r/min升高至500 r/min时，PS/PP自组装体中总多酚含量及多酚组装率显著升高，当球磨处理的转速为500 r/min时，该条件下PS/PP自组装体总多酚含量达到峰值（11.15±0.10）mg/g，这可能是由于当球磨处理时间一致时，PS与PP晶体结构破坏程度随球磨处理转速的升高而增加，利于PS与PP形成自组装体。当球磨处理的转速持续升高，PS/PP自组装体中总多酚含量及多酚组装率均显著降低，由此可知球磨法制备PS/PP自组装体的球磨转速应取500 r/min。1.3 PS与PP质量比对自组装体总多酚含量及多酚组装率的影响
从图3可得，随着PP用量增加，PS/PP自组装体体总多酚含量平稳升高。当PS与PP质量比由1∶0.02变化至1∶0.15时，PS/PP自组装体总多酚含量显著升高当质量比为1∶0.15时，总多酚含量最高（19.91±0.32） mg/g，这可能由于球磨时间和转速相同，PP用量升高可促使其与直链淀粉单螺旋空腔充分接触，故PS/PP自组装体总酚含量呈现平稳升高的走势。多酚组装率由PS与PP质量比1∶0.02变化至1∶0.05时呈现增长的趋势，在1∶0.05时最高（76.14±0.55）%，当PP的质量比持续升高，表现显著下降趋势。
从图4可知，PP呈不规则多面体颗粒，散布随机，颗粒间粒径差异较小（图4A）。PS为表面光滑球状或椭球状颗粒，轮廓圆润，颗粒完整，个体间大小差异明显（图4C）。观察PS与PP物理混合物，PP与PS外观及形态未有明显变化，PP颗粒随机附着于PS表面（图4E）。球磨后PP呈团聚状态，颗粒体积增大（图4B）。PS球磨后颗粒表面粗糙程度增加，伴随团聚现象的发生，有部分较小颗粒出现，可能是由于球磨后淀粉比天然淀粉的黏度更高，在球磨过程中淀粉颗粒不断发生破损和黏附，淀粉颗粒受损出现较小碎块，部分颗粒黏附于较大的PS颗粒表面（图4D）。PS/PP自组装体颗粒破损程度及团聚程度相较球磨后的PS进一步增加，表面分布大量凹陷、空隙；相较于PS/PP物理混合物，PS/PP自组装体表面未见PP颗粒附着（图4F）。
从图5可看到，PP存在数个强弱不一的X射线衍射峰，特别当2θ为27.2°时，出现尖衍射峰，当2θ介于10.5°～26.3°及31.7°～45.5°之间，伴随数个相对较弱衍射峰，由此可判断PP具有良好的晶体结构（图5A）。球磨后的PP 2θ在10.5°～26.3°及27.2°、31.7°与45.5°衍射峰强度明显减弱或消失，可知PP在球磨后部分晶体结构发生改变，但仍具有相对良好的结晶性（图5B）。PS在2θ为5.0°、17.0°、22.8°及24.0°时存在衍射峰，可知PS属于B型晶体，13.0°和20.0°处的小衍射峰主要与PS中直链淀粉和脂质之间存在复合物有关（图5C）。球磨后PS较于PS，2θ为17.0°的衍射峰明显减弱，其余衍射峰均已消失，这是由于球磨破坏了PS结晶区域，分子内和分子间氢键被部分破坏，淀粉链的排布方式发生改变，导致PS转为无定形结构（图5D）。PS/PP物理混合物衍射峰涵盖部分PP与PS特征峰，保留了二者结晶特征，这与SEM观察PS/PP物理混合物中PP仅附着于PS颗粒表面，二者形态未发生变化一致（图5E）。PS/PP自组装体在2θ为27.2°处有微弱衍射峰，2θ为17°时，PS特征衍射峰消失（图5F），据推断，当PP存在时，球磨可加速破坏PS颗粒结晶区，PS从半结晶结构向无定形态过渡。因此，PS结晶度的降低可能有利于PP的渗透，并促进PS与PP相互作用。
由图6可知，PP位于3 600～3 400 cm-1处红外吸收峰是由羟基O—H伸缩振动形成，1 600 ～1 480 cm-1处吸收峰主要是苯环伸缩振动形成，880 cm-1处吸收峰是苯环弯曲振动的结果（图6A）。球磨后PP相较于PP红外吸收峰类型未有明显变化，没有新基团产生，3 600～3 400 cm-1处红外吸收峰强度变弱，可能是由于球磨破坏PP晶体结构，破坏了PP晶体中部分氢键（图6B）。PS中3 600～3 400 cm-1处吸收峰由羟基O—H伸缩振动形成，由于PS分子内氢键和分子间氢键的存在，故表现出较宽的吸收峰，在3 000～2 800 cm-1处所产生的吸收峰是由饱和C—H键伸缩振动所形成，C—O—C伸缩振动及C—OH弯曲振动使PS在990～1 300 cm-1处有吸收峰（图6C）。球磨后PS相较于PS在3 600～3 400 cm-1处吸收强度变弱，是由于球磨破坏了PS结晶域，直链淀粉与支链淀粉双螺旋结构破坏，PS分子氢键数目下降（图6D）。PS与PP物理混合物涵盖PS与PP的红外吸收特征峰，但仍具有明显的苯环吸收特征峰（图6E）。PS/PP自组装体相较于球磨PS，在3 600～3 400 cm-1处羟基O—H伸缩振动所形成红外吸收峰明显变强，这与球磨后无定形马铃薯淀粉通过氢键与石榴皮多酚形成自组装体有关（图6F）；相比较PP及PS/PP物理混合物，自组装体于1 600～1 480 cm-1及880 cm-1处苯环红外特征峰明显减弱，是因为PS与PP发生自组装，PS部分特征峰强度降低。这些特征峰的变化提供了明确的证据，可知PP和PS之间发生了相互作用，球磨可有效破坏淀粉颗粒的晶体结构，增加无定形状态的PS比例。由于PP的含有丰富的羟基，可能通过氢键夹在淀粉链之间，从而导致新的低阶晶体结构。因此，氢键可能是PS和PP之间相互作用的主要原因。
PP（图7A）及球磨PP（图7B）在455 ℃左右出现第1个热失重峰，比较球磨PP，未球磨PP热稳定性略高，这是由于球磨破坏了PP晶体结构，热稳定性下降。PS（图7C）、球磨后的PS（图7D）、物理混合物（图7E）及自组装体（图7F）在温度达到300 ℃之前差异较小，在达到100 ℃之前有一个小的热失重峰，是由于淀粉中水分挥发，在100～300 ℃之间质量分数未发生明显变化，处于第一个平台期；当温度达到300～350 ℃时，出现第2个失重峰，这与PS分解有关，依次出现失重峰的分别是PS、复合物、物理混合物及球磨后的PS。在2 次失重阶段均可看出自组装体质量损失最小，最终PS、球磨PS、物理混合物及自组装体剩余质量分别为最初质量的15.51%、11.09%、18.34%与22.86%，由此可以看出PP通过与PS自组装提高了PS的热稳定性。
如图8所示，球磨后的PS消化率在5 h内显著升高，5 h时消化率达到（36.76±0.74）%，PS/PP自组装体前4 h消化率显著上升，4 h后其消化率趋于平稳。随着PP用量的升高，PS/PP自组装体的抗消化能力增加，当PS与PP质量比为1∶ 0.15时，PS/PP自组装体的消化率最低，5 h消化率为（23.84±0.60）%，消化率约为球磨后PS消化率的65%。如表1所示，球磨后的PS中SDS和RS比例分别为13.75%和80.11%。球磨处理可诱导PS中支链淀粉和直链淀粉的空间排列紊乱，导致淀粉颗粒中结晶区域破坏，促进无定形区域的形成，淀粉酶容易渗入PS颗粒内部，淀粉酶与PS接触的程度升高，因此球磨后的PS更容易被淀粉酶水解。随着PP用量升高，PS/PP自组装体中RS与SDS的比例显著升高（P＜0.05），RDS、SDS和RS比例分别介于3.53%～5.07%、8.02%～12.84%和82.09%～88.46%之间，这可能是由于PS与PP相互作用所形成的氢键妨碍淀粉分子的重新排列，淀粉与多酚复合使淀粉颗粒增大，导致底物较少暴露于酶，这与SEM观察的结果一致，因此淀粉表现出缓慢的消化特性。在水溶液中直链淀粉和多酚之间的自组装效果相对较弱。随着消化的进行，PS/PP自组装体中的PP被缓慢释放出来。因此，从PS/PP自组装体中释放的PP将以剂量依赖性的方式抑制消化酶的活性。上述当PS与PP质量比为1∶0.15时，其RDS比例为3.52%，SDS比例为8.02%，RS比例为88.46%，该条件所制得的PS/PP自组装体抗性淀粉的比例显著升高，具有较好的抗消化效果。
4 PS/PP自组装体体外胃肠道消化稳定性分析
由图9可知，PS/PP物理混合物在20 min内有少量的PP释放，后趋于稳定，这可能是由于PS颗粒上附着的少量PP在该过程中脱离。PS/PP自组装体在前60 min内稳定性较好，由此可知PS/PP自组装体可有效保护PP，避免其受胃部酸性环境及酶的作用而失活。在模拟肠道消化阶段（60～180 min），所释放出的PP含量显著升高，当PS与PP质量比为1∶0.15、模拟消化至180 min时，PP含量为（0.76±0.02）mg/100 mg。
天然多酚经由口腔输送到达结肠的过程中，由于上消化道的酸性环境及酶的作用，使多酚发生降解、代谢或变性，导致到达结肠的多酚浓度降低，因此通过口服的方式会导致多酚的生物利用度降低，不利于多酚的吸收。淀粉和多酚通过非共价作用形成的淀粉/多酚自组装体中RS和SDS的比例升高，SDS在消化道中消化缓慢，在小肠淀粉酶的作用下消化吸收，RS可通过胃和小肠到达结肠部分，在结肠微生物的作用下破坏淀粉/多酚自组装体结构并释放参与自组装的多酚类物质。近些年有报道称RS还可作为部分肠道微生物益生元，通过溴瘤胃球菌和双歧杆菌的发酵，RS可降解为有益的短链脂肪酸，利于其他肠道微生物群的进一步分解利用。
因此，球磨处理是一种较好的制备PS/PP自组装体的方法，所制备的PS/PP自组装体有望作为PP的良好输送载体，较好地保护被包含的客体分子，使其更好地发挥相关的功效。
通过球磨处理制备了PS/PP自组装体，得到较佳的制备条件为球磨处理时间10 h，球磨转速为500 r/min，PS/PP质量比为1∶0.15，该条件下PS/PP自组装体中总多酚含量为（19.91±0.32）mg/g。SEM结果显示PS/PP自组装体颗粒体积变大且表面分布大量沟壑。XRD结果显示球磨破坏了PS和PP的晶体结构，结晶度下降，衍射峰减弱或消失，PS/PP自组装体中保留了PP部分特征峰。FTIR结果显示，球磨处理破坏了PS分子内的氢键，PP与PS通过氢键作用形成自组装体。TGA结果显示PS/PP自组装体热稳定性显著增强。通过对PS/PP自组装体的消化性能分析，PS/PP自组装体消化率相比球磨PS下降了35%，抗性淀粉的比例显著升高，这类PS/PP自组装体有望作为PP的输送载体，可有效维持消化过程中客体分子的稳定性，并将其靶向释放于大肠和结肠部位，高效发挥相关功能因子的作用。因此，球磨法是一种方便快捷，绿色环保的制备淀粉/多酚自组装体的方法，具有较好的应用前景。 本文《淀粉/石榴皮多酚自组装体形成及消化性分析》来源于《食品科学》2023年44卷18期9-17页. 作者：郭晋彪，曲迎辉，李欣宇，张蕾，何希宏，张黎明，郝利民. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20221114-159
