基于高压均质制备大米淀粉-没食子酸复合物及其结构、理化与功能特性解析

秦晨晓1,2,4,曹磊2,3,邵子晗2,3,宋玉2,3,陶澍2,3,洪莹2,3,朱佳琪2,3,彭天宇2,3,刘超2,3,杨丽萍1,4*,朱莉莉2,3*

1(安徽科技学院 食品科学与工程学院,安徽 滁州,239001)2(安徽省农业科学院 农产品加工研究所,安徽 合肥,230031)

3(安徽省食品微生物发酵与功能应用工程实验室,安徽 合肥,230031)4(全谷物营养与高值利用联合共建学科重点实验室,安徽 滁州,239001)

摘 要 该研究探究了不同均质压力对大米淀粉-没食子酸复合物复合指数、理化特性、结构、抗氧化及消化特性的影响。研究结果显示,随均质压力的提高,复合物的复合指数和水溶性指数先上升后下降,而吸水指数和溶胀力呈现出相反的趋势。在0~100 MPa范围内,随均质压力的升高,复合物的形貌由疏松多孔状态逐渐转变为连续致密的凝胶网络结构,在0 MPa时复合物孔隙率为28.27%,平均孔径为0.85 μm,100 MPa时孔隙率降至16.15%,平均孔径为0.53 μm;结晶度和淀粉短程有序性均提高,双螺旋程度降低,且所有复合物均为V型晶体结构。抗氧化活性随均质压力增加呈现先升后降的趋势,在100 MPa时DPPH自由基和ABTS阳离子自由基清除率最高,分别为63.86、46.24 μmol抗坏血酸当量(ascorbic acid equivalent,AAE)/g DW,同时复合物抗性淀粉含量也达到最高为54.80%。综上所述,100 MPa是制备大米淀粉-没食子酸复合物的最优均质压力,在此条件下复合物具有良好的结构稳定性、高抗氧化活性及抗消化性,研究结果为低升糖指数功能性食品(如米粉、馒头、代餐粉)的开发提供理论依据和技术支撑。

关键词 大米淀粉;没食子酸;复合物;高压均质;抗氧化活性;消化特性

根据国际糖尿病联合会(International Diabetes Federation,IDF)2024年数据显示,全球糖尿病患病人数约5.89亿,我国糖尿病患者达1.48亿,位居全球首位。淀粉是稻米中的主要营养成分,为人体新陈代谢供给能量,在我国居民膳食结构中具有重要地位[1]。大米淀粉分为直链淀粉和支链淀粉,高温糊化后易被人体中的淀粉酶和葡萄糖苷酶水解,引起餐后血糖快速上升,长期处于高血糖状态与肥胖、糖尿病等多种代谢功能紊乱疾病的发生密切相关[2]。降低大米淀粉快消化淀粉(rapidly digestible starch,RDS)含量,提高慢消化淀粉(slowly digestible starch,SDS)和抗性淀粉(resistant starch,RS)含量不仅能降低患病风险,未消化淀粉还可被肠道菌群利用,改善肠道微环境,直接关乎国民营养健康[2]。因此,创建降低大米淀粉消化率的技术和方法,开发抗性淀粉含量高的食品,对国民健康有重要意义。

多酚是广泛存在于谷物、果蔬中的次生代谢产物,按结构分为酚酸、黄酮类、二苯乙烯类和木脂素四类,具有抗氧化、降血糖、抗炎等功能活性[3]。近些年,淀粉与多酚的相互作用降低淀粉消化率受到人们广泛关注,多酚与淀粉的复合可有效抑制淀粉的分散,且经消化降解后的多酚可抑制消化酶活性,进而降低淀粉消化率[4]。淀粉-多酚复合物包括包合物和非包合物,包合物中多酚被淀粉内疏水螺旋密封在空腔中,非包合物是多酚与淀粉分子表面结合形成分子间聚集体[3]。淀粉-多酚复合物主要是通过淀粉与多酚的共糊化来制备,在热处理下淀粉发生糊化,淀粉颗粒膨胀并增加其孔隙,使得多酚进入淀粉颗粒内部,更好地与淀粉分子相互作用形成V型复合物[3]。物理处理如高压均质、高静水压、超声波、微波可以促进淀粉-多酚复合物的形成,其中高压均质是一种高效、环保的技术,该过程产生的高压、机械剪切、空化等作用可以降解淀粉并释放出直链淀粉,同时增强多酚分散,从而增加多酚与直链淀粉的复合[3, 5]。黎明明等[6]报道了先高压均质后加热处理制备的辛烯基琥珀酸酐(octenyl succinic anhydride,OSA)玉米淀粉-表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin gallate,EGCG)复合物具有较高的抗氧化活性及储藏稳定性,并通过氢键与疏水相互作用形成更稳定的复合物。此外,高压均质还能够降解支链淀粉,破坏其无定形结构,并实现细颗粒的均匀化,进而促进淀粉糊化,提升溶解度和消化性;同时,高压均质还能使淀粉内部链结构重组和重新排列,或使颗粒变为无定形,从而增强淀粉的抗消化能力[7]

本文以大米淀粉、没食子酸为研究对象,采用高压均质辅助水热法制备大米淀粉-没食子酸(rice starch-gallic acid,RS-GA)复合物,分析不同均质压力下复合物的理化特性、结构、抗氧化及消化特性,阐明均质压力对复合物形成、结构及功能活性的影响与机理,为降低大米淀粉消化率及功能食品开发提供理论指导与数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大米淀粉、ABTS、糖化酶(100 000 U/g),上海源叶生物科技有限公司;GA、二甲基亚砜(dimethyl sulfoxide,DMSO)、抗坏血酸(ascorbic acid,AA),上海麦克林生物科技股份有限公司;α-淀粉酶(3 700 U/g),北京索莱宝科技有限公司;福林酚试剂,上海碧云天生物技术有限公司;DPPH,德国默克公司;DNS,北京雷根生物技术有限公司。

1.2 仪器与设备

Nicolet is5傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)仪,赛默飞世尔科技;Regulus8230扫描电子显微镜,日立集团;D8 Advance X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)仪,德国布鲁克公司;AH-1500高压均质机,安拓思纳米技术(苏州)有限公司;PHS-3c型pH计,上海仪电科学股份有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 大米淀粉-没食子酸复合物的制备

参考LIU等[8]描述的方法,并稍作修改。10 g大米淀粉、90 mL去离子水与10 mL没食子酸溶液(0.1 g/mL,无水乙醇配制)充分混匀后分别在均质压力为0、25、50、75、100、125 MPa条件下处理5个循环,接着置于95 ℃水浴1 h,用50%乙醇(体积分数)洗涤后于5 200 r/min离心10 min,重复2次,去除上清液,沉淀物进行真空冷冻干燥,获得的RS-GA复合物样品,用于后续试验分析。

1.3.2 复合指数的测定

参考LUO等[5]的方法测定RS-GA复合物的复合指数(complex index,CI),并稍作修改。取0.05 g复合物于5 mL无水乙醇中,混匀后于40 ℃水浴30 min,冷却至室温后于5 200 r/min离心10 min,得到多酚提取液。将0.5 mL多酚提取液与1.0 mL福林酚试剂(1 N,当量浓度)混合,加入2 mL 60 g/L 的Na2CO3溶液,并加蒸馏水定容至5 mL,室温下避光30 min,于736 nm处测定吸光值。复合物的CI值计算如公式(1)所示:

(1)

1.3.3 水合特性的测定

参考SHAO等[9]的方法测定复合物的水合特性,并稍作修改。将0.2 g复合物与5 mL去离子水混合,于90 ℃水浴30 min,冷却至室温后于6 000 r/min离心30 min,将上清液缓慢倒入预干燥后的铝盒中。将其在105 ℃的烘箱中干燥,直至恒重后称量。吸水指数(water absorption index,WAI)、水溶性指数(water solubility index,WSI)和溶胀力(swelling power,SP)计算如公式(2)~公式(4)所示:

(2)

(3)

(4)

式中:A0,样品质量,g,干物质;A1,离心烘干后所得上清液溶解淀粉质量,g,干物质;A2,残留物的质量,g。

1.3.4 形貌观察

使用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)对RS-GA复合物形貌进行观察。将样品粘在导电粘合剂上并镀金,在3 kV电压下进行观察,图像放大倍数为5 000倍,结合ImageJ软件分析测定RS-GA复合物的孔隙率和平均孔径。

1.3.5 FTIR分析

使用FTIR对RS-GA复合物的官能团进行分析。将m(复合物)∶m(KBr)=1∶200混合研磨并压片,在分辨率4 cm-1,扫描范围4 000~400 cm-1条件下进行扫描。短程分子序列(R1047/1022)和双螺旋(R995/1022)程度的变化采用OMNIC 8.2软件进行分析。

1.3.6 XRD分析

将一定量样品紧密填充玻璃样品板上,并置于载物台上。X射线衍射条件为Cu靶,电压40 kV,扫描步长0.02°,扫描速度5°/min,测定范围10°~50°,相对结晶度使用Jade软件计算。

1.3.7 抗氧化分析

1.3.7.1 DPPH自由基清除能力

将20 mg RS-GA复合物溶解于3.0 mL DMSO溶液中,加入30.0 mL体积分数为70%的无水乙醇,在6 000 r/min下离心10 min,所得上清液用于后续试验。参照FAN等[10]的方法测定复合物DPPH自由基清除率,并稍作修改。将2 mL上清液与3 mL DPPH溶液混合,避光反应30 min。在517 nm处记录吸光值,以浓度为0~0.1 mmol/L的AA标准溶液制作标准曲线(y=-3.569 8x+0.470 1,R2=0.993 3),结果以AA当量(μmol AAE/100 g DW)表示。

1.3.7.2 ABTS阳离子自由基清除能力

参考TANG等[11]的方法测定复合物的ABTS阳离子自由基清除率,并稍作修改。将等体积的ABTS储备溶液(7 mmol/L)与过硫酸钾(2.45 mmol/L)混合,并在黑暗中处理14 h制备ABTS阳离子自由基。用乙醇将ABTS阳离子自由基溶液稀释至在734 nm处的吸光值为0.700±0.02,用于后续试验。将4 mL稀释后的ABTS阳离子自由基溶液与200 μL提取液混合并平衡7 min,在734 nm处测定吸光值。以浓度为0~0.10 mmol/L的AA标准溶液绘制标准曲线(y=-6.211 7x+0.652 3,R2=0.997 6),结果以AA当量(μmol AAE/100 g DW)表示。

1.3.8 消化特性分析

参考SHAO等[9]方法分析RS-GA复合物的体外消化特性,并稍作修改。将0.2 g样品与5 mL醋酸钠缓冲液(pH 5.2)混合并在沸水浴中糊化15 min。将4 mL葡萄糖糖苷酶溶液(20 U/mL)和16 mL α-淀粉酶溶液(6.4 U/mL)混匀并于37 ℃预热5 min后转移至样品中,于37 ℃、200 r/min的恒温振荡器中孵育,分别在0、20、120 min取1 mL样品液于含有4 mL无水乙醇的离心管中,4 000 r/min离心5 min,获得上清液。上清液中还原糖含量采用DNS法进行测定,以葡萄糖标准溶液绘制标准曲线。复合物中RDS、SDS和RS含量的计算如公式(5)~公式(7)所示:

(5)

(6)

(7)

式中:G120,酶解120 min后样品中的还原糖含量,mg;G20,酶解20 min后样品中的还原糖含量,mg;FG,酶解前样品中的游离还原糖含量,mg;TS,样品总淀粉量,mg。

1.3.9 数据分析

每个试验至少重复3次,结果以“平均值±标准差”表示。数据统计分析通过软件SPSS 27.0进行,采用单因素Duncan多重比较(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 均质压力对复合指数的影响

图1 均质压力对大米淀粉-没食子酸复合指数的影响
Fig.1 Effects of homogenization pressure on the rice starch-gallic acid complex index

注:不同字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。

如图1所示,随均质压力的增加,RS-GA复合物的CI值在0~125 MPa呈现先升高后下降的趋势,在100 MPa时达到最高值为2.37%,该值高于LIU等[8]的研究报道,其探究了大米淀粉与10%没食子酸(体积分数)在高压均质压力为150 MPa、循环次数为3次时进行复合,所得的RS-GA复合物的复合指数为1.02%。在0~100 MPa,随均质压力的增加,复合物的CI值升高可能是由于较高的均质压力和温度诱导淀粉部分糊化,使得GA被包埋在大米淀粉螺旋空腔中,增强了两者之间的相互作用;然而,随着均质压力的继续增加,CI值却出现下降趋势,这可能是由于过高压力及温度会导致淀粉分子中糖苷键断裂,导致GA从大米淀粉螺旋腔中脱落,糊化形成的连续紧凑的网络结构被破坏[12]。此外,适度的均质压力会增加淀粉中直链淀粉含量,进而利于淀粉-多酚复合物的形成[13]。LUO等[5]也报道了类似的结果,在0~90 MPa,豌豆淀粉-没食子酸复合物的CI值随均质压力的增加而增加,但在90~150 MPa CI值随均质压力的增加而降低。

2.2 均质压力对水合特性的影响

如表1所示,复合物的WAI与SP在0~125 MPa均呈现先下降后上升的趋势,当均质压力为100 MPa时,WAI和SP值最小,分别为12.54 g/g和12.52 g/g,而WSI则呈现相反的趋势,在100 MPa时达到最高为8.06%。结果表明高压均质处理降低了RS-GA复合物的吸水能力和溶胀力,这可能是由于复合物的形成导致链间相互作用减少和淀粉颗粒的有限膨胀[14]。复合物WSI的提高可能是由于GA的添加暴露了更多的游离羟基[15]。研究报道,复合物的WAI和WSI与其中的亲水基团和降解程度有关[16]。此外,还有研究报道溶解在水中的酚羟基之间的相互作用改变了水溶液的水活度和离子强度,进而促进了可溶性淀粉的溶解[17]。HAN等[17]也报道了类似的结果,大米淀粉与10%添加量的没食子酸通过水热法复合后,其WSI和SP值分别为12.16%和8.63 g/g,与本研究的结果有所差异,这可能与制备方法和原料来源不同有关。

表1 均质压力对大米淀粉-没食子酸复合物水合特性的影响
Table 1 Effect of homogenization pressure on the hydration properties of rice starch-gallic acid

均质压力/MPaWAI/(g/g)WSI/%SP/(g/g)015.34±0.70d5.46±0.11a15.33±0.70d2513.55±0.45bc5.99±0.40a13.54±0.45bc5013.82±0.27c5.98±0.86a13.81±0.27c7512.83±0.46ab7.51±1.18b12.81±0.46ab10012.54±0.10a8.06±0.37b12.52±0.10a12513.28±0.25abc7.65±0.37b13.27±0.25abc

注:同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。

2.3 均质压力对复合物微观结构的影响

不同均质压力下制备的RS-GA复合物的微观结构见图2,孔隙率和平均孔径如表2所示。在0 MPa时,复合物呈现表面粗糙、蜂窝状多孔的网络结构,孔隙率高达28.27%、平均孔径为0.85 μm,表明其结构疏松且孔隙粗大;随均质压力升至100 MPa,孔隙率下降显著为16.15%,平均孔径缩小至0.53 μm,证实凝胶网络结构趋于致密。这可能是由于大米淀粉在糊化过程中多酚能抑制淀粉分子聚合,因此呈现出松散的多孔结构[18]。随均质压力的提高,复合物颗粒表面呈现出凹陷和孔隙,边缘部分崩解,颗粒显著膨胀并黏连进而形成凝胶网络。在均质压力为100 MPa时,淀粉颗粒糊化完全,破碎达到最大,GA与淀粉结合紧密,形成了连续的凝胶网络基质。这可能是适度的高压均质处理诱导大米淀粉部分糊化形成网络结构,淀粉双螺旋结构因糊化作用而解开,使得GA得以渗透至淀粉链内部,增强了大米淀粉和GA的相互作用[12]。在125 MPa时,复合物凝胶网络断裂为不规则碎片,孔隙率和平均孔径相比较于100 MPa升高,这可能是由于过高的压力及剪切力破坏两者之间的连接,出现了更多的孔隙和通道,提高淀粉水解酶对淀粉的可及性[12]。RAZA等[19]也报道了相似的结果,高压均质可以促使大米淀粉颗粒部分糊化和无定形区域的破坏,促进其与绿原酸的复合,当均质压力增加到100 MPa时,复合物尺寸显著增加,并发生聚集现象,增强了复合物中淀粉颗粒之间的相互作用,凝胶网络结构的改变也进一步影响复合物的分子结构及理化特性。

a-0 MPa;b-25 MPa;c-50 MPa;d-75 MPa;e-100 MPa;f-125 MPa

图2 不同均质压力下制备的大米淀粉-没食子酸复合物扫描电镜分析
Fig.2 SEM analysis of rice starch-gallic acid complexes prepared at different homogenization pressures

表2 均质压力对大米淀粉-没食子酸复合物孔隙率和平均孔径的影响
Table 2 Effect of homogenization pressure on the porosity and average pore size of rice starch-gallic acid complexes

均质压力/MPa孔隙率/%平均孔径/μm028.27±0.51e0.85±0.11c2522.41±1.07d0.73±0.10bc5019.83±0.86c0.68±0.08b7518.10±0.83b0.65±0.05ab10016.15±0.50a0.53±0.05a12517.66±0.12b0.63±0.06ab

2.4 不同均质压力下制备复合物的FTIR分析

如图3-a所示,所有复合物FTIR图谱中既没有新特征吸收峰的出现和缺失,也没有峰的位置发生偏移,表明RS-GA复合物没有产生新的官能团。而吸收峰强度发生了一定程度的变化,说明GA的添加改变了大米淀粉的分子链构象,可能是由于酚羟基通过氢键和静电作用与大米淀粉相互作用导致[16]。复合物在波数3 400 cm-1附近显示出强而宽的吸收峰,这归因于复合物中羟基(—OH)的拉伸振动;在波数为2 930、1 642 cm-1处的吸收峰分别对应于复合物中亚甲基(—CH2)和羰基(—CO)的反对称拉伸振动;在800~1 200 cm-1范围内的吸收峰与复合物中淀粉的—C—OH、—C—C和—C—H的拉伸振动有关[5]

FTIR图谱中1 047、1 022 cm-1波数处的吸收峰强度与淀粉分子的短程有序结构密切相关,R1047/1022R995/1022值分别表示淀粉分子的短程有序结构及无定形结构,R1047/1022与淀粉的结晶和无定形区域有关,而R995/1022值与双螺旋的程度有关[20]。由图3-b可知,在0~125 MPa时,复合物的R1047/1022值随均质压力的升高呈现先升后降的趋势,在100 MPa时,R1047/1022值最高为1.10;而复合物的R995/1022值呈现相反趋势,当100 MPa时最低为1.16,说明适宜的高压均质处理可以提高淀粉的短程有序性和降低双螺旋结构,这可能是由于多酚通过氢键等相互作用包裹在淀粉中,从而增强了淀粉的有序结构,减少淀粉的双螺旋结构[16]。综上,高压均质的高温和高剪切作用导致了淀粉的重组和取向重排,从而影响复合物的化学结构和相互作用[12]

a-FTIR图谱;b-短程分子序列(R1047/1022)和双螺旋(R995/1022)程度的变化

图3 不同均质压力下制备的大米淀粉-没食子酸复合物FTIR分析
Fig.3 FTIR analysis of rice starch-gallic acid complexes prepared at different homogenization pressures

2.5 不同均质压力下制备复合物的XRD分析

如图4所示,所有复合物在2θ为13°和20°处有明显的衍射峰,表明复合物是V型晶体结构[19]。高压均质处理可以部分破坏淀粉分子间的作用力,致使淀粉链的双螺旋结构打开,使多酚能更好地进入与淀粉形成分子间相互作用,利于V型晶体结构的形成[16]。相对结晶度的结果显示,随均质压力的增加,结晶度呈现先增后降的趋势,在100 MPa时,结晶度最高为20.20%。在0~100 MPa范围内,高压均质使淀粉链因部分糊化而解开,GA渗透到淀粉链中,促进了GA与大米淀粉分子的复合;同时,GA通过改善淀粉分子迁移率,驱使无定形淀粉分子更加有序,促进了半结晶区域堆积地更紧密,从而使结晶度呈现上升的趋势[12]。当均质压力为125 MPa时,相对结晶度下降为19.56%,可能是由于RS-GA复合物的连续凝胶网络结构在高压及高剪切力作用下断裂为不规则碎片,晶体结构被破坏,同时,GA从大米淀粉螺旋空腔中脱落,抑制了结晶区域淀粉链和GA的重结晶[12]。LIU等[8]也报道了类似的结果,高压均质可促进大米淀粉与GA的复合,当复合物中GA添加量由5%增加到30%时,复合物的CI值和相对结晶度分别由0.97%和7.41%增至4.70%和28.21%,表明随CI值的增加,复合物的相对结晶度也增加,与我们的研究结果趋势一致。

图4 不同均质压力下制备的大米淀粉-没食子酸复合物XRD分析
Fig.4 XRD analysis of rice starch-gallic acid complexes prepared at different homogenization pressures

2.6 均质压力对大米淀粉-没食子酸复合物抗氧化能力的影响

图5 均质压力对大米淀粉-没食子酸复合物抗氧化活性的影响
Fig.5 Effect of homogenization pressure on the antioxidant activities of rice starch-gallic acid complexes

采用ABTS阳离子自由基、DPPH自由基清除能力来评估复合物的抗氧化能力,抗氧化剂主要通过电子转移来实现ABTS阳离子自由基、DPPH自由基的清除作用[21]。如图5所示,在0~125 MPa范围内DPPH自由基和ABTS阳离子自由基清除能力均随压力的增加呈先升后降趋势,在100 MPa时,复合物的ABTS阳离子自由基清除率(63.86 μmol AAE/g DW)和DPPH自由基清除率(46.24 μmol AAE/g DW)达到最高值,复合物的抗氧化活性与CI值(图1)变化趋势一致。复合物的抗氧化活性与多酚含量有关,复合物的CI值越高,其抗氧化活性就越强[10]。此外,多酚的稳定性和释放特性也会影响抗氧化活性,酚类物质与淀粉复合不仅能增强多酚的稳定性,还可以精准调控多酚的释放[22]。WANG等[22]报道了类似结果,马铃薯淀粉分别采用超声波和水热法与绿原酸进行复合,结果显示,绿原酸可显著增强淀粉的抗氧化活性,复合物DPPH自由基清除能力和ABTS阳离子自由基清除能力可达83 μmol Trolox/g以上。

2.7 均质压力对大米淀粉-没食子酸复合物消化特性的影响

淀粉消化特性是评估其营养价值与人体健康影响的关键指标之一,消化率高意味着餐后血糖易处于较高水平,而RS含量高则有助于维持餐后血糖水平的稳定[23]。如表3所示,在0~100 MPa,随均质压力的增加,复合物的RDS含量从37.69%降至32.17%,RS含量呈现上升趋势,当压力为100 MPa时最高为54.80%,而SDS含量无显著性差异。当均质压力为100 MPa时,RS-GA复合物的RS含量最高,RDS含量最低,这可能与该均质压力下的复合物CI值最高(图1)有关。GA与RS之间的相互作用会抑制淀粉的消化率,这可能是由于RS-GA复合物因其螺旋构象有效地限制了α-淀粉酶对淀粉中α-1,4糖苷键的结合,从而显著增强了自身的抗酶解能力,同时,复合物的有序结构还会抑制淀粉颗粒膨胀,使淀粉浸出受到限制,进一步降低淀粉的消化率[24]。以上结果与复合物在均质压力为100 MPa时具有最高的短程有序结构、最低的双螺旋结构占比和最高的结晶度结果一致(图3和图4)。从分子结构层面,高压均质产生的剪切作用可以使淀粉链断裂形成较短的分子链,且分子链的移动和重排增加了有序面积,导致淀粉酶的可及性和水解性降低,有利于RS的形成[7]。从晶体结构层面,高压均质制备的RS-GA复合物的空间排列高度有序,空间位阻增强,阻止了淀粉分子和消化酶之间的接触,进而提高复合物的酶解抗性[25]。另外,酚羟基可通过π-π相互作用与消化酶活性中心结合,进而抑制了消化酶的催化功能[26]。当均质压力继续增加至125 MPa时,RS含量下降,SDS含量上升,这与图1中显示的CI值趋势相同,CI值降低导致复合物中GA含量减少,抑制酶作用减弱,淀粉水解效率提升。淀粉的消化特性不仅与多酚含量密切相关,复合物的制备过程和多酚结构也可通过调节复合物的形成来影响淀粉的消化和多酚释放[18]。此外,淀粉-多酚复合会降低淀粉的消化率,提高抗性淀粉含量,且淀粉-多酚复合物比淀粉和多酚的混合物更抗消化酶水解[4]

表3 均质压力对大米淀粉-没食子酸复合物消化特性的影响
Table 3 Effect of homogenization pressure on the digestive properties of rice starch-gallic acid complexes

均质压力/MPaRDS质量分数/%SDS质量分数/%RS质量分数/%037.69±1.38c11.11±1.96a51.20±0.97a2535.43±0.21b12.59±3.25a51.95±3.45ab5035.75±0.75b12.16±2.31a52.09±1.74ab7534.61±0.80b12.36±0.34a53.03±1.14ab10032.17±0.38a13.03±0.46a54.80±0.78b12537.73±0.76c11.19±0.96a51.07±1.44a

3 结论与讨论

本研究是以大米淀粉和没食子酸为研究对象,采用高压均质结合水热法制备复合物,并对其复合指数、理化特性、结构、抗氧化及消化特性进行分析。随均质压力的升高,复合物的CI值和WSI先上升后下降,而WAI和SP呈现相反的趋势,当均质压力为100 MPa时,复合物具有最高的CI值(2.37%)、WSI(8.06%),以及最低的WAI(12.54 g/g)和SP(12.52 g/g)。随均质压力的升高复合物由疏松多孔状结构逐步转变为连续致密凝胶网络,复合物均为V型晶体结构,且在100 MPa时结晶度最高。高压均质增强了淀粉的短程有序性,降低了双螺旋程度。DPPH自由基和ABTS阳离子自由基清除率与CI值变化趋势一致,在100 MPa时,其具有最高的DPPH自由基和ABTS阳离子自由基清除率(63.86、46.24 μmol AAE/g DW)。随着均质压力的增加(0~100 MPa),RS-GA复合物的RDS含量减少,RS含量增加,有利于延缓餐后血糖上升。本研究筛选出了最优均质压力,同时,本文使用的高压均质辅助水热法制备的RS-GA复合物CI值相比于其他研究使用先水热后高压均质制备的RS-GA复合物CI值高。然而,目前的工艺参数仅适用于RS-GA复合物的制备,对于其他类型的淀粉或多酚无法直接适用,需要进一步验证。此外,未探究RS-GA复合物在食品加工中的稳定性,如高温蒸煮后复合物的损失、储存过程中GA的释放规律。因此,后续的研究可以着重探究其在模拟食品加工过程中的变化,并拓展其在食品加工领域中的应用范围。本研究结果为低升糖指数功能性主食产品(如米粉、馒头、代餐粉)的开发以及国民健康的发展提供了理论依据和技术支撑。

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Preparation of rice starch-gallic acid complexes via high-pressure homogenization and analysis of their structure, physicochemical, and functional properties

QIN Chenxiao1,2,4, CAO Lei2,3, SHAO Zihan2,3, SONG Yu2,3, TAO Shu2,3, HONG Ying2,3, ZHU Jiaqi2,3, PENG Tianyu2,3, LIU Chao2,3, YANG Liping1,4*, ZHU Lili2,3*

1(College of Food Science and Engineering, Anhui Science and Technology University, Chuzhou 239001, China)

2(Institute of Agro-products Processing, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei 230031, China)

3(Anhui Engineering Laboratory of Food Microbial Fermentation and Functional Application, Hefei 230031, China)

4(Associated Discipline Key Laboratory of Whole Grain Nutrition and High-value Utilization, Chuzhou 239001, China)

ABSTRACT The effects of different homogenization pressures on the complex index, physicochemical properties, structure, antioxidant activities, and digestibility characteristics of rice starch-gallic acid complexes were investigated.The results showed that the complex index and water solubility index of the complexes were first increased and then decreased as the homogenization pressure increased, while the water absorption index and swelling power exhibited the opposite trend.The complexes gradually transformed from a loose and porous morphology to a continuous and dense gel network structure as the homogenization pressure increased from 0 MPa to 100 MPa, their porosity and average pore size were decreased from 28.27% to 16.15% and from 0.85 μm to 0.53 μm, respectively.At the range of 0 to 100 MPa, the crystallinity and the short-range order of starch in the complexes increased, while the degree of double helix decreased.Simultaneously, all complexes exhibited a V-type crystal structure.The antioxidant activities of the complexes firstly increased and then decreased with the increase of homogenization pressure, of which the DPPH free radicals and ABTS cationic radicals scavenging rates reached a highest value of 63.86 and 46.24 μmol ascorbic acid equivalent (AAE)/g DW at 100 MPa, respectively.Meanwhile, the complexes also exhibited the highest resistant starch content of 54.80% at 100 MPa.In conclusion, 100 MPa was the optimal homogenization pressure for preparing rice starch-gallic acid complexes.Under this condition, the complexes exhibited excellent structural stability, higher antioxidant activities, and anti-digestibility.These findings provide a theoretical basis and technical support for the development of low-glycemic index functional foods (e.g., rice noodles, steamed bread, meal replacement powder).

Key words rice starch;gallic acid;complexes;high-pressure homogenization;antioxidant activities;digestive properties

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.044898

引用格式:秦晨晓,曹磊,邵子晗,等.基于高压均质制备大米淀粉-没食子酸复合物及其结构、理化与功能特性解析[J].食品与发酵工业,2026,52(15):299-306.QIN Chenxiao, CAO Lei, SHAO Zihan, et al.Preparation of rice starch-gallic acid complexes via high-pressure homogenization and analysis of their structure, physicochemical, and functional properties[J].Food and Fermentation Industries,2026,52(15):299-306.

第一作者:硕士研究生(杨丽萍副教授和朱莉莉助理研究员为共同通信作者,E-mail:18788892719@163.com;Zhulili0607@126.com)

基金项目:安徽省农业科学院人才项目(XJBS-202426);安徽省科技攻坚计划项目(202423m10050002);安徽省农业科学院成果转化项目(2025ZH030)

收稿日期:2025-10-22,改回日期:2025-12-18