洋蔥皮乙醇提取物對馬鈴薯淀粉理化性質及回生性質的影響

高增明，張福娟，姜辰昊，王存堂,2*

1(齊齊哈爾大學 食品與生物工程學院，黑龍江 齊齊哈爾，161006) 2(東北農業大學 食品學院，黑龍江 哈爾濱，150030) 3(朝陽師范高等?？茖W校生化工程系，遼寧 朝陽，122000)

馬鈴薯作為我國第4大糧食作物，是國民綠色食品、健康產業發展中重要食品。馬鈴薯淀粉(potato starch，PS)是除小麥、玉米之外的第3大淀粉原料，也是國家推行馬鈴薯主食化的主要原因[1]。PS具有很好的加工性能，如色澤潔白，透明度較高以及膨脹性大等，已在食品加工、醫藥制造、紡織印染、造紙和日用化妝品等行業廣泛應用[2]。但由于PS制品的性能都受到淀粉回生的影響，回生成為制約馬鈴薯主食化發展的一個主要因素，因此可利用食品添加劑改善PS產品的感官特性和存儲特性等。研究表明，可通過化學(乳化劑類、低聚糖類以及親水性膠體等)、物理(微波、高溫高壓、超聲、電離放射處理等)以及生物技術改變淀粉結構，達到改善淀粉應用特性的目的[3]。植物多酚類物質通常作為天然抗氧化劑添加到淀粉類食品中，許多研究表明多酚類物質對淀粉的回生性質有顯著影響，如原花青素可抑制大米淀粉的回生[4]，阿魏酸可抑制馬鈴薯淀粉的回生[5]，綠茶多酚提取物可顯著抑制大米、玉米和馬鈴薯淀粉的回生[6]，而黑茶中的多酚類物質對蠟質玉米淀粉和大米淀粉的回生能起到顯著的抑制效果，但是將黑茶多酚加入到馬鈴薯淀粉中，則對其糊化焓值和回生焓值沒有顯著影響[7]，但蘆丁和槲皮素對小麥淀粉的回生進程卻具有促進作用[8]。由此可見，植物多酚類物質對淀粉回生的影響主要與多酚物質的種類與結構、多酚的添加量以及淀粉的來源密切相關。洋蔥外皮中黃酮類物質含量極為豐富，其成分主要是黃酮類、黃酮醇類和花色素類等，具有抗氧化、抗炎、殺菌、降血壓等生理作用[9]，但是洋蔥皮黃酮類物質對馬鈴薯淀粉理化性質和回生性質的影響未見報道。因此，本研究將洋蔥皮乙醇提取物(ethanol extract of onion skins, EEOS)添加到PS中，通過分析PS的透明度、老化度、溶解度、膨脹度以及凝膠強度的變化，探討EEOS對PS理化性質的影響；采用差式掃描量儀(differential scanning calorimeter,DSC)測定其糊化和回生的熱力學性質，評價EEOS對PS回生的影響，同時分析了EEOS對PS體外消化性能的影響，從而為洋蔥皮黃酮類物質在淀粉質食品中的廣泛應用、為開發具有多種功能特性的食品提供有效的數據支撐和理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫色洋蔥皮,齊齊哈爾市瀏園市場；馬鈴薯淀粉(含水質量分數14.21%)，市售；糖化酶(100 000 U/g)、豬胰腺α淀粉酶(20 000 U/mL)、NaOH、乙酸、乙醇、無水乙酸鈉、重苯酚、3，5-二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉、Na2SO3均為分析純，天津凱通化學試劑公司。

2L-ARE旋轉蒸發器，上海皓莊儀器有限公司；GX-220高速不銹鋼多功能粉碎機，浙江高鑫工貿有限公司；UPG-722可見分光光度計，北京優譜通用科技有限公司；C-LM型數顯式剪切力儀，東北農業大學工程學院；真空冷凍干燥機(2.5L freezePrysystem)，美國Labconco公司；STA449F3同步熱分析儀，德國耐馳有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 EEOS的制備

取粉碎的紫色洋蔥皮100 g，然后加入體積分數70%的乙醇200 mL，在25 ℃下浸提2 h，然后將浸提液經6 000 r/min的離心處理，取上清液備用。離心后的沉渣再次經過浸提、離心處理，合并2次離心上清液。將合并后的提取液在旋轉蒸發器中真空濃縮(50 ℃)，再將濃縮液冷凍干燥即為EEOS(得率為10.28%，總酚質量分數為42.12%)，將EEOS儲存于-20 ℃冰箱中備用。

1.2.2 PS透明度測定

取PS 1.0 g，加入占PS質量分別為0(對照)、1%、2.5%、5.0%、10.0%的EEOS進行混合，然后加入100 mL去離子水配制成PS-EEOS混合溶液， 90 ℃水浴加熱30 min，隨即冷卻到20 ℃，振蕩器搖勻，在620 nm處測定吸光度值，并將樣品在4 ℃下分別冷藏1、3、5、7 d后，將樣品搖勻后在620 nm處測定淀粉溶液的吸光度值，并用去離子水做空白[5]。

1.2.3 PS溶解度、膨脹度測定

取PS 1.0 g，加入占PS質量分別為0(對照)、1%、2.5%、5.0%、10.0%的EEOS進行混合，然后加入100 mL去離子水配制成PS-EEOS混合溶液，在90 ℃下加熱30 min，然后冷卻到室溫，在4 000 r/min離心10 min，將上清液倒入培養皿中在水浴鍋上蒸干，并在105 ℃烘箱中烘干至恒重。稱取被溶解淀粉的質量記為A，W為1.0 g,按公式(1)計算淀粉的溶解度S：離心管剩余淀粉糊的質量記為P，按公式(2)計算淀粉的膨脹度B[5]。

(1)

(2)

1.2.4 PS老化度測定

取PS 1.0 g，加入占PS質量分別為0(對照)、1%、2.5%、5.0%、10.0%的EEOS進行混合，然后加入100 mL去離子水配制成PS-EEOS混合溶液，在90 ℃下加熱30 min，然后冷卻到室溫，將其分裝到離心管中，并在4 ℃下靜置冷藏1、3、5、7 d后，記錄上清液的體積[5]，淀粉老化度按公式(3)計算:

(3)

1.2.5 PS凝膠硬度測定

按照廖盧艷等[10]的方法并做修改。準確稱量20 g PS，分別加入占PS質量的0(對照)、1%、2.5%、5.0%、10.0%的EEOS進行混合，再加入25 mL去離子水配制成淀粉溶液，在90 ℃下加熱30 min使其糊化，冷卻至室溫后，裝進 10 mL 的注射器中冷卻，并在4 ℃下冷藏1、3、5、7 d后，形成直徑 1.5 cm 的圓柱形凝膠。測試前將凝膠倒出切成直徑1.5 cm高2 cm 的小圓柱形體在CL-M型剪切力儀上進行凝膠硬度測定，凝膠柱被切斷時所受的力的大小(N)即為凝膠硬度。此值越大，說明凝膠硬度越大。

1.2.6 PS回生樣品的制備

取PS 10 g，分別加入占PS質量的0(對照)、1.0%、2.5%、5%、10%的EEOS混合，并加入20 mL水后在121 ℃下糊化20 min。將糊化后樣品放入4 ℃冰箱內貯存15 d后，將樣品凍干后研磨，過120目篩后，備用。

1.2.7 糊化和回生PS的熱力學性質測定

采用DSC對糊化和回生PS的熱力學性質進行測定[4]。分別添加占PS質量的0(對照)、1%、2.5%、5%及10%的EEOS于PS中。稱取2 mg EEOS-PS混合樣品加入PE坩堝中，按質量比1∶2的比例加入去離子水?；旌蠘悠访芊?，4 ℃條件下靜置24 h，在DSC上進行糊化焓值測定。測定條件如下：以10 ℃/min的速度從30 ℃升溫到120 ℃，以空坩堝作對照，N2為載氣，氣流流速為20 mL/min。根據糊化溫度曲線，可以確定出淀粉糊化過程中的起始溫度(T0)、峰值溫度(Tp)、終止溫度(Tc)和糊化焓值(ΔHg)。然后測定1.2.6中EEOS-PS混合物回生樣品的起始溫度、峰值溫度、終止溫度和回生焓值(ΔHr)升溫程序與測定條件和測定糊化焓值的相同，回生率為相同EEOS添加量的PS的回生焓和糊化焓的比值，根據回生溫度曲線可以確定并計算樣品的回生率DR(%)，按公式(4)計算：

(4)

1.2.8 回生 PS 的體外消化性能測定

根據 Englyst 法進行PS體外消化實驗，分別配制質量分數為0(對照)、1%、2.5%、5%、10% EEOS的 PS 混合樣品。取 100 mg 樣品，加入25 mL乙酸鈉緩沖液(pH 5.2)，振蕩混勻后加入 5 mL 混合酶溶液(將5 mL 2.0×104U/mL豬胰腺α-淀粉酶與2 g 1.0×105U/g糖化酶溶于100 mL蒸餾水離心取上清液即為混合酶溶液)。37 ℃氣浴條件下振蕩反應，當反應20、120 min時分別取出反應液1 mL，隨機滅酶處理(加入5 mL體積分數 95%的乙醇)，然后以5 000 r/min離心10 min。取1 mL 離心上清液，加入2 mL DNS 溶液后沸水浴 5 min，隨即定容至 15 mL，在 520 nm處測其吸光度值。以葡萄糖為標準品，做標準曲線，方程式為y=1.613 4x-0.083 2，R2=0.999 1，根據葡萄糖標準曲線計算淀粉在20和120 min生成還原糖的含量[11],快消化淀粉(rapidly digestible starch，RDS)、慢消化淀粉(slowly digestible starch，SDS)、抗性淀粉(resistant starch，RS)分別按公式(5)(6)(7)計算:

(5)

(6)

(7)

式中:m20為酶水解20 min后產生的葡萄糖質量,mg；mG為酶水解處理前淀粉中游離葡萄糖質量,mg；m120為酶水解120 min后產生的葡萄糖質量,mg；mTS為樣品中總淀粉質量,mg。

1.3 數據處理

所有實驗結果用平均值±標準差表示，使用軟件SPSS 21.0進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 EEOS對PS透明度的影響

許多因素都會對淀粉糊的透明度產生影響，包括淀粉的植物來源、淀粉中脂肪酸含量、直鏈淀粉和支鏈淀粉的含量，以及在淀粉糊化過程中添加的化學成分等[5]。由圖1可知，隨著儲藏時間的延長，添加不同量的EEOS淀粉透明度逐漸下降。這是由于淀粉與水共熱后，淀粉分子吸水膨脹，支鏈和直鏈分子不斷進行交聯作用，隨著儲藏時間的延長，分子交聯越多，促使透明度越低。同時，在相同的貯藏時間下，EEOS 的添加促使 PS 的透明度顯著增加。在糊化 PS 儲存第7天時，添加了2.5% EEOS 的PS 透明度均顯著高于對照組樣品在第0天時的透明度。此外，糊化 PS 儲存至第7天時，與第1天相比，對照組 PS 的透明度下降了62.03%，而EEOS添加質量分數為2.5%的PS透明度僅僅下降了40.99%，說明 EEOS 對 PS 的透明度下降有很好的抑制效果。

圖1 EEOS的添加量對PS透明度的影響Fig.1 Effect of EEOS addition on light transmittance of PS

與我們的實驗結果相似的是，苦蕎多酚的添加可導致蕎麥淀粉和小麥淀粉的透光率顯著下降[8]，同時在高直鏈淀粉中添加咖啡酸、綠原酸、兒茶素、沒食子酸、花青素、單寧酸以及阿魏酸等，也可導致淀粉糊的透明度下降。然而，也有研究發現在蠟質玉米淀粉中添加咖啡酸、綠原酸、沒食子酸以及單寧酸，則淀粉糊的透明度變化不顯著，將花青素和兒茶素加入蠟質玉米淀粉可導致淀粉糊透明度顯著增加[5]。由此可知，由于淀粉來源和多酚結構的差異，導致多酚類物質的添加對淀粉透明度的影響差異很大。

2.2 EEOS對PS溶解度和膨脹度的影響

淀粉的溶解度和膨脹度是淀粉與水在加熱的條件下出現的最基本的物理性質。淀粉與水之間相互作用力的強弱可以通過溶解度和膨脹度的大小來判斷。通常在常溫下淀粉不溶于水，然而當水-淀粉混合物受熱時，直鏈淀粉析出和水分子不斷形成氫鍵，表現為淀粉開始溶解，隨著糊化時間的延長，未溶解的淀粉分子逐漸吸水膨脹，分子內部的作用力不斷減小，膨脹度增大[5]。由圖2可知，EEOS的添加可顯著增加馬鈴薯淀粉糊的溶解度和膨脹度(P<0.05)，而且隨著EEOS添加量的增加，馬鈴薯淀粉糊的溶解度和膨脹度也隨之增大。與對照組相比，當EEOS的添加質量分數為10%時，淀粉糊溶解度和膨脹度分別增加了約2.2倍和2.7倍。

于此結果相似的是，沒食子酸的添加也可導致玉米淀粉的溶解度和膨脹度增大[5]，這可能是因為EEOS中羥基基團能夠進入到淀粉分子的內部從而產生一定的空間位阻，導致直鏈、支鏈淀粉不能重新聚合，從而暴露出更多的氫鍵與水結合，從而使淀粉糊的溶解度增大[12]。然而也有研究發現，單寧酸、原花青素、咖啡酸、兒茶素、綠原酸和阿魏酸均能減小玉米淀粉的溶解度膨脹度[5]。由此可見，由于淀粉來源和多酚結構以及多酚的添加量的不同，對淀粉溶解度和膨脹度的影響差異很大。

圖2 EEOS的添加量對PS溶解度和膨脹度的影響Fig.2 Effect of EEOS addition on solubility and expansion of PS

2.3 EEOS對PS老化度的影響

淀粉的老化度可以用淀粉的持水能力大小來表示。糊化后的淀粉分子在冷卻的過程中，處于無序狀態的分子間開始互相碰撞、結合，而在分子結合成有序狀態的過程中促使水分析出，從而導致淀粉的持水能力下降。當淀粉析出的水分越多時，則表明淀粉的持水能力越小，即淀粉的老化程度越大[13]。由圖3可知，隨著回生時間的延長，PS的老化度也隨之增加。但是，EEOS的添加促使PS老化度下降。與對照組相比，在不同的回生時間，EEOS添加質量分數為2.5%的PS老化度下降最大，說明EEOS的添加對PS的回生有抑制效果，且對PS回生的抑制程度隨EEOS添加量的增加呈現先上升后下降的趨勢。此外，EEOS的添加對PS老化的速率也有顯著影響，對照組樣品第7天的老化度比第1天時增加了46.33%；而添加2.5%EEOS的PS樣品在回生7 d 后的老化度則上升了42.91%。

圖3 EEOS的添加量對PS老化度的影響Fig.3 Effect of EEOS addition on aging degree of PS

淀粉老化的過程是淀粉鏈相鄰分子間通過氫鍵重新結合的過程，是由無序結構逐步向有序結構轉變的過程，植物多酚類化合物屬于多羥基結構，可與淀粉分子形成氫鍵，從而阻礙了淀粉分子間氫鍵的形成，抑制多酚淀粉老化的進程[7]。研究發現，柑橘黃酮(柚皮苷、新橙皮苷、橙皮苷)可以延緩玉米淀粉的老化進程[14]，而蘆丁或槲皮素則加快了小麥淀粉老化進程[15]，同時綠茶提取物可以降低大米、玉米和馬鈴薯淀粉的老化進程，且綠茶提取物對大米淀粉和玉米淀粉的老化抑制效果優于馬鈴薯淀粉[6]。由此可見，植物多酚類物質對淀粉的老化的影響因素較為復雜，淀粉來源、植物多酚結構以及多酚的添加量等均對淀粉老化度的影響較大。需要指出的是，EEOS(主要是黃酮類物質)富含較多的羥基，這些羥基可能增加淀粉分子鏈間的空間位阻，從而增加淀粉分子的持水性能，抑制馬鈴薯淀粉的老化進程[16]。

2.4 EEOS對回生PS凝膠硬度的影響

硬度是淀粉類食物在回生過程中最主要的感官特性，因此也是淀粉類食品最重要的評價指標之一[5]。淀粉類食物在貯存過程中，老化程度加劇導致食品的硬度增加、口感變差。淀粉糊化后在冷卻的過程中，分子內部相互交纏形成三維的網絡結構的凝膠狀態，使其具有一定的硬度[17]。

從圖4可知，在貯存過程中，PS凝膠的硬度呈總體升高的趨勢。EEOS的添加可導致PS凝膠硬度增加速度顯著降低(P<0.05)，且當EEOS的添加量增加時，PS凝膠硬度下降程度更大。

圖4 EEOS的添加量對PS凝膠硬度的影響Fig.4 Effect of EEOS addition on the hardness of PS gel

許多研究發現了相似的研究結果，蘆丁或槲皮素也可導致小麥淀粉形成的凝膠硬度減小[15]，同時茶多酚可使甘薯淀粉的凝膠硬度顯著下降，也抑制了回生過程中凝膠硬度的增加速率[18]。這可能是因為植物多酚類成分可與淀粉分子形成氫鍵、疏水鍵和范德華力，從而改變淀粉分子間的相互作用，一定程度上抑制淀粉分子的重排和結晶過程，進而降低淀粉凝膠的硬度[15]。

2.5 EEOS對回生PS糊化熱力學性質的影響

淀粉的糊化焓值代表在與水共熱的條件下，解開淀粉分子中雙螺旋結構能量的大小，其本質是親水性的羥基基團與支鏈淀粉的側鏈相互作用，并在不同程度上結合到淀粉顆粒的無定形區域，從而改變結晶區和無定形基質之間的耦合力的能力[19]。

如表1所示，與對照組相比，添加EEOS的PS的糊化初始溫度(To)、糊化峰值溫度(Tp)和糊化焓值(ΔHg)均顯著下降(P<0.05)，這說明在PS中添加EEOS后，在較低溫度條件下，淀粉顆粒也能出現糊化過程。與對照組相比，EEOS添加質量分數為2.5%時，PS的ΔHg是18.48 J/g，下降程度最大為31.86%，當EEOS的添加量繼續增大時，PS的ΔHg又出現了上升的現象。

表1 洋蔥皮乙醇提取物添加量對PS糊化熱力學特性影響Table 1 Effect of EEOS adding amount on gelatinization thermodynamic properties of PS

植物多酚類物質，如茶多酚、苦蕎多酚等含有較多羥基，容易與淀粉的側鏈發生相互作用，能在一定程度上促進淀粉的糊化[6, 8]。這被認為是由于多酚的羥基與淀粉的非結晶區域發生不同程度的結合，從而改變晶體與非晶體之間的耦合矩陣，使得淀粉在糊化時所需的能量減小[20]。由此可見，在馬鈴薯淀粉中添加EEOS，可導致其糊化溫度和糊化焓值下降，表明EEOS可促使馬鈴薯淀粉加熱時發生糊化所需的能量更小。

2.6 EEOS對回生PS熱力學性質的影響

在低溫條件下貯存時，糊化后淀粉分子間可形成以氫鍵結合的晶體聚合物[21]。淀粉回生焓值(ΔHr)指當淀粉晶體聚合物發生熔融時所需要的能量，所以ΔHr越大淀粉的回生程度越大[5]。

由表2可知，EEOS的添加對淀粉的ΔHr和 DR 影響顯著，且隨著含量的增加,淀粉的ΔHr和 DR 呈現先下降后上升的趨勢。與對照組相比，添加2.5% EEOS的PS，ΔHr和 DR 分別下降了50.19%和26.91%。XIAO等[7]研究發現，茶多酚可降低大米淀粉老化焓值,與本研究結果相似。植物多酚中的羥基易與淀粉中的羥基形成氫鍵，這個過程可抑制淀粉多聚物鏈的形成，從而使得回生淀粉的重結晶在熔融時所需的能量下降。同時，過量的EEOS可在淀粉表面形成水化層，使得淀粉外層不能直接與水進行接觸，表現為ΔHr和 DR 的增加。

表2 EEOS添加量對PS回生15 d的熱力學特性及DR值的影響Table 2 Effect of EEOS adding amount on regeneration thermodynamic properties and DR of PS

2.7 EEOS對PS體外消化性能的影響

許多因素都會對淀粉的消化性能產生影響，如淀粉的來源、淀粉顆粒的大小、淀粉中支鏈與直鏈淀粉含量之間的比值、淀粉結晶結構以及分解淀粉的酶的活性等[22]。由表3可知，當EEOS添加質量分數為10%時，與對照組相比，在4 ℃回生5 d 的PS中，RDS下降了58.61%，SDS和RS分別增加了約2倍和8倍。此外，隨著回生時間的延長，對照組中RDS的含量下降較快，而隨著EEOS的添加量增大，RDS的含量下降趨勢明顯減緩，這也說明EEOS的添加抑制了PS的回生過程。

表3 EEOS添加量對回生PS體外消化的影響Table 3 Effects of EEOS assing amount on in vitro digestive properties of PS after retrogradation

與此結果相似的時，茶多酚也可導致玉米淀粉和馬鈴薯淀粉中的SDS和RS的含量增加。這可能由于植物多酚類物質的多羥基結構形成較多的氫鍵，同時淀粉的顆粒表面被多酚類物質的多羥基結構緊緊包圍，減少了酶對淀粉消化作用的表面積[23]。SUN等[24]研究發現，植物多酚類成分對淀粉體外消化性能具有顯著的抑制效果，其作用主要表現在對關鍵消化酶(α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶)活性的抑制效果，也表現為植物多酚對淀粉本身結構的影響。因此，植物多酚類提取物或純多酚與淀粉的共存體系可為預防和治療II型糖尿病產品的開發提供理論依據[25]。

3 結論

PS在回生過程中理化性質和回生性質均發生變化。當EEOS加入PS中，可顯著改變PS的理化性質和回生性質，PS的透明度、溶解度、膨脹度均有所增加，且當EEOS添加質量分數為2.5%時，其透明度、溶解度、膨脹度增加值最高，老化度下降最低。當EEOS 的添加量增大時，PS形成的凝膠硬度會逐漸下降。EEOS的添加可促使PS糊化初始溫度、峰值溫度和糊化焓值降低，同時也導致PS回生焓值和回生率下降，EEOS既降低了PS的糊化溫度，也抑制了PS的回生程度。EEOS的添加，導致PS的消化性能下降，RDS含量下降，SDS和RS的含量增加。由于EEOS屬于粗提物，影響PS回生性質的黃酮類物質的分子結構并不明確。因此，為了深入分析洋蔥皮黃酮類物質對PS回生性質的影響機理，今后可將EEOS分離純化并鑒定相關物質結構，通過紅外光譜、核磁共振技術等揭示具體的黃酮類物質對PS回生的影響機制。