高功率超声处理和热处理对小麦淀粉-咖啡酸复合物物理化学性质的影响

《LWT》：Effect of high-power ultrasonication and heat treatments on the physicochemical properties of wheat starch–caffeic acid complexes

　　超声处理协同形成小麦淀粉-咖啡酸复合物，显著提升抗性淀粉含量至18.84 g/100 g。FTIR和1H NMR证实咖啡酸通过氢键与淀粉表面结合，XRD显示结晶结构由A型转变为A+V混合型。复合物溶解性、膨胀力及热稳定性均优于原料淀粉，且糊化特性改变。研究为开发低升糖指数功能性食品提供了新策略。

　　本研究旨在评估通过超声波（US）处理在75°C下，小麦淀粉（WS）与咖啡酸（CA）之间形成的复合物的结构与性质变化，特别是其对淀粉消化性的影响。通过这一研究，研究人员发现，经过30秒的超声波处理后，WS-CA复合物的抗性淀粉（RS）含量显著高于其他处理组（p < 0.05），达到18.84 g/100 g。研究还指出，淀粉颗粒表面出现凹陷，这在增强淀粉溶解性和释放直链淀粉方面起着关键作用。这些经过超声波处理的WS-CA复合物表现出部分糊化状态，从而降低了其糊化性质和焓值，而其结晶模式为A + V型。此外，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和氢核磁共振（1H NMR）分析表明，WS-CA复合物的表面与CA通过氢键相互作用，而不是完全被CA的疏水结构所包裹。因此，将WS-CA复合物应用于功能性食品配方中，为开发具有健康益处的新食品提供了机会。

淀粉作为人类饮食中主要的碳水化合物来源，对日常热量摄入具有显著影响。淀粉的消化速率和分解过程会显著改变血清葡萄糖水平，进而影响多种生理过程的调节。世界卫生组织（WHO）报告指出，心血管疾病死亡中约有20%归因于高血糖水平。过去20年，糖尿病相关死亡率增加了3%，而在低收入和中等收入国家，这一增长率达到了13%。这些数据凸显了全球范围内需要采取更有效的措施来降低这种致命代谢疾病的发病率和流行率，尤其是在2型糖尿病方面，它已成为全球公共健康的重要议题。因此，如何有效延缓食品中淀粉的消化性，特别是在淀粉类食品中，成为食品科学领域的重要挑战。

淀粉的消化性是一个复杂的物理化学过程，受多种因素影响，包括结晶结构类型（A、B或C型）、颗粒大小、形状、孔径、脂质、蛋白质、直链淀粉/支链淀粉比例以及抗性淀粉（RS）含量等。通常，支链淀粉比例较高的淀粉更容易被消化，导致较高的血糖指数（GI）。相反，直链淀粉含量较高的淀粉则表现出延迟消化的特性。值得注意的是，普通食物中还含有其他成分，如脂质、蛋白质、多糖和多酚，这些成分可能影响甚至阻碍淀粉的消化过程。因此，近年来科学家们越来越关注通过研究食品成分之间的相互作用来调控淀粉的消化性，并开发出一系列低GI的食品产品，这些产品在促进健康和改善生活质量方面具有重要意义。

咖啡酸（CA）属于羟基肉桂酸类化合物，广泛存在于人类的饮食中，如水果、蔬菜、植物、咖啡豆、葡萄酒和橄榄油等。CA及其合成衍生物具有多种生物活性，包括神经保护、抗炎、抗菌、抗氧化以及抑制肿瘤细胞增殖等。研究发现，CA分子中的C=C双键和羰基可以与α-淀粉酶形成高度稳定的共价结构，从而抑制酶的活性并减弱葡萄糖的释放。此外，多酚倾向于迁移到淀粉颗粒内部，与直链淀粉和支链淀粉的螺旋核心相互作用，破坏淀粉的结晶区域。这种相互作用可以增强淀粉半结晶结构的改变，形成淀粉-多酚复合物，从而影响淀粉的物理化学性质和消化特性。

为了提高RS含量，许多研究探索了物理改性技术，其中超声波（US）因其环保、无毒、高效、无污染和可持续等优点而受到广泛关注。超声波处理通过在溶液中传播高强度（10–1000 W/cm2）和频率（100–2000 kHz）的机械波，产生强烈的微射流和冲击波，形成高压和高温区域。这种现象（空化）可以有效改变淀粉的物理化学性质，通过强烈的剪切力溶解淀粉链，促进直链淀粉的释放并增加其含量。此外，超声波处理还被报道可以增强无定形区域淀粉链之间的相互作用，从而在糊化过程中促进双螺旋结构的形成。这些效果涉及淀粉-淀粉和淀粉-脂质之间的相互作用，导致分子内键的增强、复合物的形成或直链淀粉结晶阵列的改变。因此，物理改性方法在改变淀粉的物理化学性质方面具有重要作用，特别是对快速消化淀粉（RDS）、慢速消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）含量的影响。

本研究提出了一种方法，通过在75°C下对小麦淀粉和咖啡酸进行超声波处理，以增强WS-CA复合物的形成。同时，研究还分析、探讨和比较了WS-CA复合物与原始小麦淀粉在结构、物理化学性质和消化性方面的变化。研究预期结果将有助于WS-CA复合物作为功能性食品成分的开发，特别是用于创建低GI的淀粉基食品，为糖尿病患者的饮食管理提供显著的益处。

在实验方法方面，研究采用了多种分析技术，包括抗性淀粉（RS）含量的测定、溶胀能力（SP）的分析、微观结构的观察、直链淀粉含量的测量、热稳定性分析、偏振交叉性质的测定以及糊化性质的评估。具体而言，WS-CA复合物的RS含量通过Megazyme?抗性淀粉试剂盒测定，采用标准操作程序（SOPs）进行。溶胀能力的测定通过在不同温度下（65°C、75°C、85°C、95°C）对WS-CA复合物进行反应，以评估其在不同条件下的溶胀性能。微观结构的分析采用场发射扫描电子显微镜（FESEM）进行，观察淀粉颗粒的表面特征和形态变化。直链淀粉含量的测定基于碘液染色法，通过紫外可见光谱仪（ELISA）进行。热稳定性分析采用热重分析仪（TGA）进行，在氮气氛围下以60 mL/min的流速和10°C/min的升温速率对淀粉样品进行热分解。偏振交叉性质的测定则通过偏振显微镜进行，观察淀粉在偏振光下的光学特性。糊化性质的测定采用差示扫描量热法（DSC），测量淀粉糊化过程中的起始温度（To）、峰值温度（Tp）、结束温度（Tc）和焓变（ΔH）。

实验结果显示，经过不同时间的超声波处理后，WS-CA复合物的RS含量显著变化。在30秒的处理时间下，RS含量达到最高值（18.84 g/100 g），而随着处理时间的延长（60秒和180秒），RS含量显著下降。这一现象可能归因于淀粉颗粒的完全糊化，从而减少了RS的形成。同时，淀粉颗粒的表面出现了许多凹陷、缺口或沟槽，这可能与超声波处理过程中产生的空化效应有关。超声波处理产生的高压力梯度和微射流可能破坏淀粉颗粒的结构，导致其表面的不规则变化，从而促进淀粉的释放和复合物的形成。

在热重分析（TGA）中，研究发现所有淀粉样品的热分解主要分为两个阶段。第一阶段的重量损失归因于样品中残留水分的蒸发，发生在低于120°C的温度范围内。第二阶段的重量损失则代表样品中物质的分解。值得注意的是，WS-CA复合物的热分解温度低于原始小麦淀粉的分解温度（约317°C），这可能与淀粉中多酚的引入有关。多酚的加入可能改变淀粉的分子间有序性，从而降低其热稳定性。此外，不同处理时间下的WS-CA复合物表现出不同的热分解行为，其中经过30秒超声波处理的样品表现出最高的残留重量比（57.9%）和最低的热损失，这表明其具有较好的热稳定性。

偏振交叉性质的分析显示，原始小麦淀粉在偏振光下呈现出明显的马耳他十字（Maltese cross），而经过超声波处理的WS-CA复合物则表现出不同程度的偏振交叉变化。随着处理时间的延长，偏振交叉逐渐减弱并最终消失，这可能与淀粉颗粒的糊化状态有关。同时，DSC分析显示，随着超声波处理时间的增加，淀粉糊化的焓值（ΔH）逐渐降低，表明淀粉的结晶性减少。此外，不同处理时间下的WS-CA复合物表现出不同的糊化温度，其中经过30秒处理的样品在糊化温度范围内表现出最显著的峰值。

XRD分析进一步揭示了WS-CA复合物的结晶结构变化。原始小麦淀粉和未经处理的WS-CA复合物表现出典型的A型结晶模式，而经过超声波处理的样品则表现出V型结晶结构。这一现象表明，超声波处理可以促进淀粉与CA之间的相互作用，从而改变其结晶结构。此外，研究还发现，随着处理时间的延长，A型结晶峰逐渐减弱，而V型结晶峰则更加显著。这一趋势与之前的研究结果一致，表明超声波处理可以有效调控淀粉复合物的结晶结构。

FTIR和1H NMR分析进一步支持了上述结论。FTIR结果显示，WS-CA复合物在1047 cm?1和1022 cm?1处的吸收峰比原始小麦淀粉更显著，表明CA与淀粉之间形成了更多的氢键相互作用。同时，1H NMR分析显示，CA在WS-CA复合物中的存在导致了淀粉羟基峰的增强，表明其与淀粉分子之间存在较强的氢键相互作用。这些结果表明，CA主要通过氢键与淀粉相互作用，而不是完全被包裹在淀粉的疏水结构中。

本研究的结论表明，超声波处理在75°C下可以显著提高WS-CA复合物的抗性淀粉含量，同时改变其结晶结构和糊化性质。这些变化可能对淀粉的消化性产生积极影响，为开发低GI食品提供了新的思路和方法。此外，研究还指出，WS-CA复合物的形成和性质变化受到多种因素的影响，包括处理时间、温度、超声波功率等。因此，进一步优化这些处理参数，以获得最佳的RS含量和结晶结构，将是未来研究的重要方向。

通过本研究，科学家们不仅揭示了WS-CA复合物在结构和性质上的变化，还为功能性食品的开发提供了理论依据和技术支持。这一研究为食品工业和公共健康领域带来了新的机遇，特别是在开发低GI食品和改善糖尿病患者的饮食管理方面。同时，研究结果也为进一步探索淀粉与多酚之间的相互作用提供了基础，有助于推动功能性食品的发展和创新。