高压处理联合葡萄多酚调控玉米淀粉长期回生及面团功能特性及其在吞咽障碍食品开发中的应用潜力

《Food Chemistry: X》：Regulation of corn starch long-term retrogradation and dough functionality by grape polyphenols and HHP treatment with potential implications for dysphagia food development

　　

摘要专业翻译 淀粉是一种能量密集的营养素，可高效地为人体供能。淀粉回生（starch retrogradation）是由糊化的直链淀粉（amylose）和支链淀粉（amylopectin）链的重新缔合与重结晶引起的，可促进食品硬化、脱水收缩（syneresis）和感官品质劣变，从而缩短淀粉基食品的货架期。高静水压（high hydrostatic pressure, HHP）是一种非热物理加工技术，可影响淀粉的长期回生。HHP处理已被证明对淀粉的理化性质和短期回生具有一定影响。葡萄富含多种多酚类物质，尤其在葡萄籽和葡萄皮中含量丰富。这些多酚表现出显著的抗氧化、抗炎和抗癌特性，并可通过非共价键与淀粉发生相互作用。在HHP处理下，淀粉的天然结构被破坏，促进了多酚与淀粉之间的相互作用，从而影响淀粉的理化及营养特性。然而，HHP处理和多酚添加对淀粉长期回生的调控效应及其潜在机制仍不明确。特别是，在长期贮藏过程中淀粉-多酚体系的结构演变与其抗回生性能之间的关系有待深入研究。因此，本研究旨在阐明HHP处理和多酚添加对玉米淀粉（corn starch, CS）回生行为的影响，并建立结构特征、质构特性和水分迁移行为之间的相关性。在回生14天后，采用扫描电子显微镜（SEM）、质构剖面分析（TPA）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和低场核磁共振（LF-NMR）对淀粉及淀粉-多酚复合物的微观结构、力学性能、结晶结构、短程分子有序性和水分分布的变化进行表征。此外，选取具有增强抗回生性能的淀粉样品掺入曲奇面团中，以评估其对面团特性和产品质量的影响，从而探索其在开发具有改善贮藏稳定性和吞咽适宜性的淀粉基食品中的应用潜力。本研究为HHP处理和多酚添加调控淀粉回生的机制提供了新见解，并为功能性淀粉基食品的合理设计提供了理论基础，特别是针对吞咽障碍（dysphagia）人群的食品。

论文解读

一、研究背景与意义

淀粉基食品在贮藏过程中普遍面临回生（retrogradation）问题。回生是由糊化后的直链淀粉和支链淀粉链重新缔合与重结晶所驱动的过程，直接导致食品硬化、脱水收缩和感官品质劣变，显著缩短产品货架期。因此，如何有效调控淀粉回生是淀粉基食品工业的关键技术难题。高静水压（HHP）作为一种非热物理加工技术，已被证实可影响淀粉的理化性质和短期回生行为。葡萄多酚类物质，尤其是葡萄籽和葡萄皮中富含的低聚原花青素（GSOP）、葡萄籽多酚（GSP）和葡萄皮花青素（GSA），具有显著的抗氧化、抗炎和抗癌活性，并可通过非共价键与淀粉相互作用。在HHP处理条件下，淀粉天然结构被破坏，可促进多酚与淀粉的相互作用，进而影响淀粉的理化及营养特性。然而，HHP处理联合多酚添加对淀粉长期回生的调控效应及机制仍不清楚，特别是长期贮藏过程中淀粉-多酚体系结构演变与抗回生性能之间的关联有待阐明。本研究旨在系统揭示HHP处理和多酚添加对玉米淀粉（CS）回生行为的影响机制，并探索其在吞咽障碍（dysphagia）人群专用食品开发中的应用潜力，为功能性淀粉基食品的理性设计提供理论依据。

二、研究内容与结论概述

研究人员以玉米淀粉为原料，分别添加三种葡萄多酚（GSOP、GSP、GSA），在0%至2.0%的浓度范围内制备淀粉-多酚复合物，经600 MPa、15 min的HHP处理后进行糊化，并在4°C条件下贮藏14天以诱导长期回生。研究发现，HHP联合葡萄多酚处理促进了稳定的短程有序结构形成，同时抑制了淀粉链的过度重排和长程结晶，从而降低了回生程度、减缓了凝胶硬化并改善了贮藏期间的水分保持能力。其中，GSP对淀粉回生的抑制效果最为显著，表明多酚的分子大小和化学结构差异可能影响其与淀粉的相互作用及抗回生效果。此外，筛选出的HCS-多酚体系制备的曲奇面团满足IDDSI 4级食品的定性要求，展示了其在质地改良型淀粉基食品中的应用潜力。

三、关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于分析淀粉短程有序结构和面团中面筋蛋白二级结构变化；X射线衍射（XRD）用于表征淀粉结晶结构和相对结晶度；扫描电子显微镜（SEM）用于观察凝胶微观形貌；质构剖面分析（TPA）用于测定凝胶和面团的质构特性；低场核磁共振（LF-NMR）用于分析水分分布和迁移行为；磁共振成像（MRI）用于可视化凝胶内水分的空间分布；国际吞咽障碍饮食标准化倡议（IDDSI）测试框架用于评估凝胶样品的吞咽适宜性分级；流变学测量（频率扫描和蠕变-回复测试）用于表征面团的粘弹特性。样本来源方面，玉米淀粉购自上海源叶生物科技有限公司，葡萄籽多酚购自上海麦克林生化科技有限公司，葡萄皮花青素从北冰红品种山葡萄皮中提取。

四、研究结果

4.1 短程有序结构分析

FTIR分析显示，所有样品在贮藏期间未出现新峰或峰消失，表明长期回生主要涉及分子重排和物理重组而非共价键的形成或断裂。与HCS相比，多酚处理样品的O-H伸缩振动带明显变窄，表明HHP促进了葡萄多酚与淀粉分子间的相互作用，形成了更均一的氢键环境。贮藏14天后，所有样品的R_1050/1022值升高而R_990/1022值降低，表明贮藏促进了局部有序结构的形成，但多酚抑制了有序双螺旋结构的形成。与HCS相比，R_990/1022值分别降低14.46%（HCS-1.5% GSOP）、16.03%（HCS-2% GSP）和16.48%（HCS-0.5% GSA）。多酚的芳香结构可嵌入直链淀粉单螺旋的疏水空腔形成包合物，其羟基与淀粉分子形成分子间氢键，从而限制直链淀粉链的排列和再缔合，抑制有序双螺旋结构的形成。

4.2 XRD分析

XRD图谱显示，长期回生后CS原有的A型结晶结构完全消失，仅在约17°和20°处出现强吸收峰，表明形成了V型结晶结构。V型结构的形成归因于多酚与溶出的直链淀粉之间的络合作用。与0天相比，所有样品在贮藏期间相对结晶度（RC）均呈增加趋势，与FTIR中R_1050/1022比值的变化趋势一致。然而，HCS-多酚-14d样品的RC增幅显著低于HCS-14d，表明多酚的掺入延缓了回生过程中有序结晶结构的形成，这归因于多酚与淀粉链之间的非共价相互作用（氢键和疏水相互作用）限制了淀粉分子链的流动性和重排。

4.3 SEM分析

SEM观察显示，长期贮藏导致淀粉凝胶网络发生显著结构重排，凝胶网络收缩、淀粉组分聚集增加、微观结构更加致密。与HCS相比，多酚的掺入显著改变了淀粉凝胶的形态，形成了具有可见空腔的异质层状结构。可能的机制是葡萄多酚通过氢键和疏水相互作用与淀粉链结合，改变分子间缔合和淀粉链重排；此外，多酚羟基与水分子的相互作用影响了淀粉基质中的水分分布和保留，冻干过程中冰晶形成和升华可能产生额外孔隙。

4.4 凝胶特性分析

质构分析显示，14天回生后所有样品的凝胶硬度较0天显著增加。但与HCS-14d组相比，含多酚的HCS-多酚样品硬度增幅较小，表明其从无序向有序状态转变更慢，水分渗出减少。这间接证实了HHP处理下淀粉-多酚相互作用形成的复合物抑制了CS的长期回生。HHP处理破坏淀粉颗粒结构促进了直链淀粉溶出，直链淀粉随后与多酚在螺旋空腔内相互作用形成V型包合物，多酚还可与HCS的碎片化分子链发生交联。

4.5 LF-NMR分析

LF-NMR鉴定出四种水分群体：结合水（A₂₁，T₂₁<1 ms）、弱结合水（A₂₂，T₂₂=1-100 ms）、自由水（A₂₃，T₂₃=100-1000 ms）和几乎未结合的冷冻自由水（A₂₄，T₂₄>1000 ms）。与HCS-14d相比，HCS-多酚-14d样品的T₂₂值显著更高，表明水分子保持更大的流动性，多酚掺入延缓了回生过程中过度的水分固定化。GSOP和GSP组的A₂₃值显著低于HCS-14d组，表明这些多酚处理有效限制了水分迁移并维持了淀粉凝胶网络内更稳定的水分分布；GSA组的A₂₃值无显著变化，可能与甲氧基取代结构对淀粉和水分子的相互作用能力较弱有关。MRI质子密度成像进一步可视化验证了HHP处理联合多酚对水分迁移的调节作用。

4.6 IDDSI测试结果

IDDSI测试结果表明，所有凝胶样品均通过叉压测试，可在吞咽时被舌力破碎，降低吞咽阻力；叉滴测试显示凝胶可稳定积聚在叉齿上方，不会快速穿过叉齿间隙，表明具有适宜的稠度和结构稳定性；汤匙倾斜测试显示，除HCS样品外，所有凝胶配方在倾斜时均能相对完整地从勺面滑落，表明HCS-多酚样品凝胶体系表现出改善的粘附性和适宜的 cohesiveness。综合三项测试结果，HCS-多酚复合凝胶样品总体满足IDDSI 4级食品标准，具有作为易吞咽食品基料的潜力。

4.7 曲奇面团加工特性分析

FTIR分析显示，与对照组C-CK相比，处理组面团（C-CS、C-GSOP、C-GSP、C-GSA）的有序结构含量显著增加，无规卷曲含量显著降低，表明HCS和HCS-多酚复合物的替代添加增强了面团的结构稳定性，其中C-GSP组的β-折叠和α-螺旋含量分别增加38.73%和47.55%。质构分析显示，处理组面团硬度显著低于对照组，含多酚样品的硬度低于仅含HCS的样品；粘附性和内聚性增加，弹性降低约45.65%，咀嚼度显著降低，C-GSP组降幅最大（约56.57%）。流变学分析显示，所有面团样品的G'均大于G"，tanδ值低于1；处理组G'降低而G"增加，表明面团向粘性更强、弹性更弱的粘弹特性转变，有利于吞咽。蠕变-回复测试显示，多酚掺入改善了弹性回复与抗变形能力之间的平衡。LF-NMR分析显示，处理组面团结合水比例增加、自由水比例降低，表明水-基质相互作用增强，结构稳定性提高。

五、结论与讨论

本研究系统阐明了HHP处理联合葡萄多酚添加对CS长期回生的调控效应。研究发现，HHP联合葡萄多酚促进了稳定的短程有序结构形成，同时抑制了过度淀粉链重排和长程结晶，从而降低了回生程度、减缓了凝胶硬化并改善了贮藏期间的水分保持能力。三种多酚中，GSP对淀粉回生的抑制效果最为显著，表明多酚的分子大小和化学结构差异可能影响其与淀粉的相互作用及抗回生效果。选定的HCS-多酚体系制备的曲奇面团满足IDDSI 4级的定性要求，展示了其在质地改良型淀粉基食品中的应用潜力。需要指出的是，尽管回生延缓可能归因于葡萄多酚与淀粉分子间的相互作用，但潜在的分子机制仍有待直接验证；观察到的效应可能反映HHP预处理与后续热糊化的联合作用而非HHP的独立贡献；吞咽安全性和消费者可接受性尚未评估。未来研究应采用先进的分子表征技术、设置适当的热处理对照，并结合流变学、摩擦学、感官、体外吞咽及临床评估，以进一步验证这些配方用于吞咽障碍导向食品的机制和实际适用性。