CN111296728B - 一种脉冲电场诱导的菊粉复合物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脉冲电场诱导的菊粉复合物及其制备方法。该菊粉复合物制备方法包括：将菊粉的水溶液与原花青素的水溶液均匀混合得到混合溶液，经脉冲电场处理、超滤透析、浓缩、冷冻干燥后，得到所述菊粉复合物。本发明提出了通过制备复合物来改善菊粉结构和功能的思路；利用脉冲电场耦合超滤透析技术，最终得到的菊粉复合物可作为一种天然无毒副作用的功能性食品配料，整个制备过程绿色低碳环保。本发明基于脉冲电场诱导合成的菊粉复合物中，在优选条件下总酚含量比普通热反应增加了25％以上，具有更好的抗氧化活性和结构稳定性。

Description

一种脉冲电场诱导的菊粉复合物及其制备方法
技术领域
本发明属于功能食品加工领域，更具体地，涉及一种脉冲电场诱导的菊粉复合物及其制备方法。
背景技术
菊粉是一种可从自然界植物中获得的非消化性碳水化合物，其分子链主体是由D-果糖经β-糖苷键连接而成的链状多糖，根据端基的不同可以表示为两种形式：GFn型和Fn型，其中G为葡萄糖单元(Glucose)，F为果糖单元(Fructose)，n为菊粉的聚合度(2<n<60)。平均聚合度(degree of polymerization，DP)≤10的菊粉称为短链菊粉，平均DP≥23的菊粉称为长链菊粉。菊粉具有良好的水溶性、凝胶性、保湿性、稳定性和较好的口感、风味，能明显改善食品品质，提高食品营养、口感和保藏性。菊粉甜度较低，约为蔗糖的20％，人体摄入菊粉后，其在口腔、胃及小肠中基本不分解或吸收，产生很少的热量，不影响血糖水平，可作为糖尿病人可接受的潜在的新型甜味剂。除此之外，菊粉凝胶还具有良好的黏弹体流变学特性，表观性状类似于脂肪，具有与奶油相似的口感和外观，能改善食品组织状态，可在低能量食品中应用成为一种优良的脂肪替代品。然而，不同聚合度的菊粉对食品加工品质的影响存在较大差异性，在提高食品功能特性的同时也可能产生某些不需宜的感官或质构改变等，一定程度上限制了菊粉在食品中的应用。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种脉冲电场诱导的菊粉复合物及其制备方法，采用该方法制备的菊粉-原花青素复合体使菊粉的溶解性、分散性和稳定性等均显著提升，同时增加了体系的总酚含量，并具有更强的抗氧化活性，可在食品中广泛应用。
本案发明人经研究发现，脉冲电场可促进原花青素(最优选荔枝果皮原花青素)与菊粉的体外相互作用，使菊粉对原花青素的吸附量提高25％以上。因此，本发明利用脉冲电场技术诱导菊粉复合物的合成，不仅能提高化学反应效率、提高原花青素的装载量，本身也是一种绿色低能耗的制备方法，在功能食品加工领域极具开发潜力。
为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种脉冲电场诱导的菊粉复合物制备方法，该菊粉复合物制备方法包括：
将菊粉的水溶液与原花青素的水溶液均匀混合，经脉冲电场处理、超滤透析、浓缩、冷冻干燥后，得到所述菊粉复合物。
根据本发明，在一个具体的实施方式中，所述菊粉水溶液的制备方法包括：将菊粉与纯水混合并在80℃水浴中加热至形成无色透明的菊粉水溶液。
根据本发明，原花青素的水溶液中原花青素提取物的纯度＞95％。
作为优选方案，所述菊粉的聚合度DP为10＜DP＜60。
作为优选方案，所述原花青素为荔枝果皮原花青素。本发明中，相对于其他原花青素，采用荔枝果皮原花青素的有益之处在于，其是一种原花青素低聚体的混合物，同时包含了单体、二聚体和三聚体等(低聚体含量大于90％)，且结构清晰、活性极强。
作为优选方案，混合溶液中，菊粉和原花青素的质量比为3-5:1，控制上述比例的有益之处在于，在此比例范围内，菊粉能最大程度的吸附原花青素。
作为优选方案，脉冲电场处理的脉冲电场强度为6-30kV/cm，进一步优选为12-21kV/cm，最优选为13-14kV/cm。
作为优选方案，脉冲电场处理的条件为：流速为1.25mL/s，半峰宽为50μs，频率为1.02KHz。
作为优选方案，超滤透析的步骤包括：
将经脉冲电场处理的反应液转入1KDa透析袋中，置于水中透析至达到动态平衡。透析优选使用纯水。判断标准是：当透析达到动态平衡时，水溶液在紫外280nm处吸光度值恒定。
作为优选方案，冷冻干燥的步骤包括：
将超滤透析后的溶液减压浓缩，以无水乙醇沉淀；离心回收沉淀物，经冷冻干燥后得到所述菊粉复合物。
作为优选方案，离心的转速为5000-7000r/min，时间为15-25min。
本发明的第二方面提供由上述的菊粉复合物制备方法制备得到的菊粉复合物。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
本发明提出了通过制备复合物来改善菊粉结构和功能的思路；利用脉冲电场耦合超滤透析技术，最终得到的菊粉复合物可作为一种天然无毒副作用的功能性食品配料，整个制备过程绿色低碳环保。
本发明基于脉冲电场诱导合成的菊粉复合物中，总酚含量在优选条件下比普通热反应增加了25％以上，具有更好的抗氧化活性和结构稳定性。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1示出了不同脉冲电场处理时菊粉对原花青素的吸附量。
图2示出了菊粉、LPPC、未处理复合物、脉冲电场处理复合物和物理混合物的紫外光谱图。
图3示出了菊粉、LPPC、脉冲电场处理复合物和物理混合物的DSC图。
图4示出了菊粉、LPPC、未处理复合物、脉冲电场处理复合物和物理混合物的扫描电镜图。
图5示出了菊粉、LPPC、脉冲电场处理复合物和物理混合物(左-右)对羟基自由基的清除率。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例1：
将菊粉(200mg)溶于100mL纯水并在80℃水浴中加热至无色透明，完全溶解后冷却至室温。同时，称取荔枝果皮原花青素(LPPC)50mg，配制为1mg·mL-1的溶液。将两种预处理的溶液充分混合后待用。在脉冲电场处理前，使用电导率仪测量混合溶液三次，控制电导率均值在1500μs/cm左右。排空脉冲电场系统中的空气，样品溶液由下端进入样品室处理。处理过程中，固定操作参数为流速1.25mL/s，半峰宽50μs，频率1.02KHz，处理3次；调节电场强度为6.7kV/cm。将处理后的混合溶液转入透析袋(MD45，1KDa)，再将透析袋放入装有3000mL纯水的烧杯透析48h，直至达到平衡。取出透析袋内的溶液，减压浓缩，再用三倍体积的无水乙醇沉淀浓缩液，离心(6000r/min，20min)回收沉淀物，经冷冻干燥后得到菊粉-原花青素复合物1。
实施例2：
将菊粉(200mg)溶于100mL纯水并在80℃水浴中加热至无色透明，完全溶解后冷却至室温。同时，称取LPPC 50mg，配制为1mg·mL-1的溶液。将两种预处理的溶液充分混合后待用。排空脉冲电场系统中的空气，样品溶液由下端进入样品室处理。处理过程中，固定操作参数为流速1.25mL/s，半峰宽50μs，频率1.02KHz，处理3次；调节电场强度为13.3kV/cm。将处理后的混合溶液转入透析袋(MD45，1KDa)，再将透析袋放入装有3000mL纯水的烧杯透析48h，直至达到平衡。取出透析袋内的溶液，减压浓缩，再用三倍体积的无水乙醇沉淀浓缩液，离心(6000r/min，20min)回收沉淀物，经冷冻干燥后得到菊粉-原花青素复合物2。
实施例3：
将菊粉(200mg)溶于100mL纯水并在80℃水浴中加热至无色透明，完全溶解后冷却至室温。同时，称取LPPC 50mg，配制为1mg·mL-1的溶液。将两种预处理的溶液充分混合后待用。排空脉冲电场系统中的空气，样品溶液由下端进入样品室处理。处理过程中，固定操作参数为流速1.25mL/s，半峰宽50μs，频率1.02KHz，处理3次；调节电场强度为20kV/cm。将处理后的混合溶液转入透析袋(MD45，1KDa)，再将透析袋放入装有3000mL纯水的烧杯透析48h，直至达到平衡。取出透析袋内的溶液，减压浓缩，再用三倍体积的无水乙醇沉淀浓缩液，离心(6000r/min，20min)回收沉淀物，经冷冻干燥后得到菊粉-原花青素复合物3。
实施例4：
将菊粉(200mg)溶于100mL纯水并在80℃水浴中加热至无色透明，完全溶解后冷却至室温。同时，称取LPPC 50mg，配制为1mg·mL-1的溶液。将两种预处理的溶液充分混合后待用。排空脉冲电场系统中的空气，样品溶液由下端进入样品室处理。处理过程中，固定操作参数为流速1.25mL/s，半峰宽50μs，频率1.02KHz，处理3次；调节电场强度为26.7kV/cm。将处理后的混合溶液转入透析袋(MD45，1KDa)，再将透析袋放入装有3000mL纯水的烧杯透析48h，直至达到平衡。取出透析袋内的溶液，减压浓缩，再用三倍体积的无水乙醇沉淀浓缩液，离心(6000r/min，20min)回收沉淀物，经冷冻干燥后得到菊粉-原花青素复合物4。
对比例1：
将菊粉(200mg)溶于100mL纯水并在80℃水浴中加热至无色透明，完全溶解后冷却至室温。同时，称取LPPC 50mg，配制为1mg·mL-1的溶液。将两种预处理的溶液充分混匀。直接将原混合溶液转入透析袋(MD45，1KDa)，再将透析袋放入装有3000mL纯水的烧杯透析48h，直至达到平衡。取出透析袋内的溶液，减压浓缩，再用三倍体积的无水乙醇沉淀浓缩液，离心(6000r/min，20min)回收沉淀物，经冷冻干燥后得到菊粉-原花青素复合物。
试验例1菊粉复合物中原花青素含量的测定
将LPPC分别制成0.005、0.01、0.2、0.3、0.4mg·mL-1的溶液，扫描不同浓度溶液在200-400nm波长范围下的图谱，记录其在280nm下的吸光值。以LPPC浓度为横坐标，其在280nm处对应的吸光度值为纵坐标，得到回归方程为Y＝9.9151X+0.0131，R2＝0.9998。根据方程得到透析袋外LPPC的浓度后，再算出复合物中LPPC的含量Qe(μg/mg)，计算公式如下：
Figure BDA0002446176740000061
其中MLPPC和Minulin分别为参与反应的LPPC质量(mg)和菊粉质量(mg)，Ce表示透析袋外原花青素的浓度(μg/mL)，V为透析外液的体积(mL)。
如图1所示，随着电场强度的增加，菊粉对原花青素的吸附量先增大然后减小，对比例1、实施例1、实施例2、实施例3、实施例4分别对应图1中的e、d、a、b、c，当电场强度为13.3kV/cm时，吸附量达到最大值103.46μg/mg(复合物2)。与未处理的复合物相比，经脉冲电场处理的原花青素的吸附量显著提高(从77增加到103μg/mg)。证明脉冲电场处理可用于提高LPPC在菊粉中的结合。通过脉冲电场处理，菊粉分子链可吸收部分能量，从而导致菊粉构型改变的可能并暴露疏水基团、增加吸附位点，因此更多的原花青素可以结合在菊粉上。
试验例2：菊粉复合物的紫外光谱分析
用纯水分别配制(a)：0.05mg/mL的LPPC溶液、(d)：1mg/mL菊粉溶液、(e)：0.5mg/mL未处理复合物、(c)：0.5mg/mL脉冲电场处理复合物2和(b)：0.5mg/mL物理混合物溶液，在200-400nm波长范围内，记录上述溶液的紫外吸收光谱。
如图2所示，在LPPC的紫外光谱图中，最大吸收峰出现在280nm处(酚羟基的π-π*跃迁)，而在菊粉中则没有出现。280nm处吸收峰的变化可以提示多酚的结构和含量的改变。LPPC和菊粉的物理混合物图谱中出现了与LPPC相同的吸收峰，但在复合物(未处理和脉冲电场处理)中该吸收峰完全消失。这表明在复合物溶液中LPPC不再以游离形式存在，而是由于LPPC与菊粉之间的相互作用造成。
试验例3：菊粉复合物的差示量热扫描分析
分别称取约2mg的(d)：菊粉、(c)：LPPC、(a)：脉冲电场处理复合物2以及(b)：物理混合物于铝盒中，盖上铝盖，记录各铝盒及样品的精确质量。取一空铝盒作为对照，依次将样品放入样品室，在氮气保护下，以10℃/min的速度从50℃升温至270℃。记录此过程中各样品的DSC曲线，并分析们的吸热峰与放热峰。
如图3所示，由于吸热熔化，LPPC的吸热峰位于160℃左右。对于菊粉，DSC曲线显示出三个不同的吸热转变，第一个是菊粉的熔点吸收峰(185℃)，第二个和第三个均是菊粉长链的降解吸收峰(200℃、230℃)。然而，LPPC和菊粉的物理混合物在175℃和230℃发生吸热转变，表明物理混合物中的两种单一组分之间没有发生反应。但这些吸热峰在复合物的DSC曲线中消失，说明LPPC和菊粉之间有很强的相互作用，并形成了稳定的化学键。这也提示了脉冲电场处理复合物的结构热稳定性显著增加。
试验例4：菊粉复合物的扫描电子显微镜分析
将干燥的菊粉、LPPC、未处理复合物、脉冲电场复合物2以及物理混合物样品分别粘在清洁的铝箔纸表面上，喷金处理后，在扫描电子显微镜下进行分析。
如图4所示，菊粉表现出较大的球形颗粒，平均直径约为300-500μm；而LPPC呈现为不规则形状的碎片，物理混合物的形态与菊粉相似。未处理的复合物和脉冲电场处理的复合物在形态和形状上发生了巨大的变化。未处理的复合物显示出不规则的多面体，而脉冲电场处理的复合物主要表现出片状形态，具有相对光滑和较大的表面，这也进一步表明LPPC和菊粉之间的相互作用改变了其原有的形态特征。与未处理的复合物相比，脉冲处理的复合物具有更致密和定向的结构，这可能是由于经过电场处理，菊粉的分子间和分子内氢键减少，继而在与原花青素的相互作用过程中形成较为有序的结构，导致其复合物的物理结构与未处理的复合物间出现较大的差异。
试验例5：菊粉复合物的抗氧化活性
羟基自由基(-OH)是一种重要的活性氧，它具有极强的得电子能力即氧化能力。Fenton反应是产生羟基自由基最常见的化学反应，H2O2和在Fenton反应中产生的羟基自由基的量成正比，当加入电子受体以及gress显色剂时，反应体系呈现为紫红色，而当加入了羟基自由基抑制剂时，颜色就会变淡，呈色深浅与自由基的多少成正比，这可通过分光光度计在550nm波长下所测定吸光度来测定。
如图5所示，每个单元中，从左至右分别为菊粉、LPPC、脉冲电场处理复合物和物理混合物。保持菊粉和LPPC的质量比为4.5:1，三个单元中菊粉的浓度分别为9μg/mL、18μg/mL、36μg/mL，LPPC的浓度分别为2μg/mL、4μg/mL、8μg/mL。随着两者浓度的增加，反应体系中复合物对羟基自由基的清除能力逐渐增强(达到50％以上)，并显著高于物理混合物。结果表明，菊粉形成复合物后，不仅自身的抗氧化能力增强，其所吸附的原花青素也呈现出更优的稳定性和活性。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (5)

1.一种脉冲电场诱导的菊粉复合物制备方法，其特征在于，该菊粉复合物制备方法包括：
将菊粉的水溶液与原花青素的水溶液均匀混合，经脉冲电场处理、超滤透析、浓缩、冷冻干燥后，得到所述菊粉复合物；
脉冲电场强度为6-30kV/cm；
所述菊粉的聚合度DP为10＜DP＜60；
所述原花青素为荔枝果皮原花青素；
混合溶液中，菊粉和原花青素的质量比为3-5:1；
脉冲电场处理的条件为：流速为1.25mL/s，半峰宽为50μs，频率为1.02KHz；
超滤透析的步骤包括：将经脉冲电场处理的反应液转入1KDa透析袋中，置于水中透析至达到动态平衡。
2.根据权利要求1所述的菊粉复合物制备方法，其中，
脉冲电场强度为12-21kV/cm。
3.根据权利要求2所述的菊粉复合物制备方法，其中，
脉冲电场强度为13-14kV/cm。
4.根据权利要求1所述的菊粉复合物制备方法，其中，冷冻干燥的步骤包括：
将超滤透析后的溶液减压浓缩，以无水乙醇沉淀；离心回收沉淀物，经冷冻干燥后得到所述菊粉复合物。
5.由权利要求1-4中任意一项所述的菊粉复合物制备方法制备得到的菊粉复合物。
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