短鏈直鏈淀粉-脂類復(fù)合物的制備及表征

荊曉艷，楊留枝，劉延奇

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，河南鄭州450002）

在天然淀粉或結(jié)晶淀粉中，鏈狀淀粉一般以雙螺旋形式存在于結(jié)晶結(jié)構(gòu)中；而在淀粉溶液中，淀粉分子則以無規(guī)線團形式存在。當(dāng)?shù)矸廴芙庥谒袝r，一旦水溶液中有配體存在時，直鏈淀粉發(fā)生構(gòu)象的改變，由無規(guī)線團逐漸形成單螺旋結(jié)構(gòu)，并將配體引入其疏水螺旋腔中[1]。螺旋腔的直徑由配體的性質(zhì)決定（每圈包含6，7或8個葡萄糖殘基）[2]，而支鏈淀粉則不易與配體物質(zhì)復(fù)合。理論上18～24葡糖分子能絡(luò)合1個分子脂質(zhì)，組成3圈，每個截距上含有6個或者8個葡糖。相關(guān)報道顯示，有一些支鏈淀粉外支含有15個～25個葡糖也能作為游離的淀粉與配體形成復(fù)合物[3]。

直鏈淀粉與醇類配體通過絡(luò)合作用可形成淀粉-醇類復(fù)合物[4-5]，本試驗以B-型微晶為底物，使之與單硬脂酸甘油酯（GMS）、硬脂酰乳酸鈉（SSL）和蔗糖酯（SE-15）等可作為乳化劑的配體物質(zhì)相復(fù)合[6]。研究和探索相互之間的復(fù)合作用效果，探索配體對V-型淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

B-型微晶淀粉：本試驗室采用參考文獻[7]提出的冷凍結(jié)晶法自制得到；無水乙醇（AR級）：洛陽昊華化學(xué)試劑有限公司；單甘脂（GMS）：食品級，天津市福晨化學(xué)試劑廠；硬脂酰乳酸鈉（SSL）：食品級，鄭州金源科貿(mào)有限公司；蔗糖酯（SE—15）：食品級，柳州高通食品化工有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

YX-280型手提式壓力蒸汽滅菌鍋器：合肥華泰醫(yī)療設(shè)備有限公司生產(chǎn)；BurkerD8型X-射線衍射儀：德國布魯克公司生產(chǎn)；NETISCH-449C型差示掃描量熱儀：德國NETISCH公司生產(chǎn)；Diamond TG/DTA-A型綜合熱分析儀：日本產(chǎn)；FTS3000型紅外光譜掃描儀：美國BIO-RAO公司生產(chǎn)；LC-10Avp型凝膠滲透色譜儀：美國產(chǎn)。

1.3 直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的制備

稱取5.0 gB-型微晶，量取100 mL蒸餾水，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的淀粉溶液，在90℃加熱，使淀粉完全溶解。稱取0.25 g脂質(zhì)（GMS，SE，SSL），在 10 mL 熱的無水乙醇中溶解。將脂質(zhì)加入到淀粉溶液中，將得到的混合溶液在90℃條件下恒溫攪拌2 h。之后將樣品放入壓力蒸汽滅菌鍋內(nèi)，在121℃條件處理30 min，再在90℃條件下恒溫2 h，自然冷卻2 d，收集沉淀，即制得直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物。

1.4 分析方法

1.4.1 X-射線測試（XRD）

取適量微晶淀粉粉末置于長方形鋁片中心（孔大小為15 mm×20 mm，厚為115 mm），隨后壓緊，用BurkerD8型X射線衍射儀測定，所用波長為0. 1542 nm的單色Cu2KA射線，測試條件為：管壓3kV，管流20mA，掃描速度 2 °/min，掃描區(qū)域 5°～35 °，采樣步寬 0.02°，掃描方式為連續(xù)，重復(fù)次數(shù)為1。

1.4.2 差示掃描量熱分析（DSC測試）

取5 mg左右干燥樣品放入已稱好的樣品盤中，并將樣品盤壓緊密封，放入DCS儀器中進行測定。測試條件為：升溫速率5℃/min，掃描范圍30℃～135℃。

1.4.3 紅外測試

取2 mg左右干燥微晶淀粉樣品，置于瑪瑙研缽中，加入100 mg～200 mg干燥的KBr，混合研磨均勻，之后將混合物用壓膜器中壓制成片，隨后取出樣品薄片進行紅外掃描。

1.4.4 主成分分析[8]

對紅外數(shù)據(jù)借助DPS7.05軟件進行主成分分析及因子分子，得到晶體復(fù)合物的數(shù)據(jù)模型和復(fù)合物中配體的含量。

1.4.5 分子量測試

將樣品配成0.1%水溶液，加熱糊化，以水作為流動相，Waters HSPgel AQ 3.0為色譜柱，選用示差檢測器，LC-10Avp凝膠色譜儀對樣品進行分析測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 XRD分析

分別選擇硬脂酸單甘脂（GMS）、硬脂酰乳酸鈉（SSL）、硬脂酰蔗糖酯（SE）為配體，直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，復(fù)合反應(yīng)溫度為121℃，反應(yīng)時間30 min，淀粉與配體的質(zhì)量為20∶1，應(yīng)用X-射線衍射儀測定各所得產(chǎn)品的衍射圖譜，分析不同配體對直鏈淀粉復(fù)合物晶型結(jié)構(gòu)的影響，并計算復(fù)合物的相對結(jié)晶度。

圖1分別是3種配體與直鏈淀粉形成的復(fù)合物的X-射線衍射圖譜。

圖1 AM-GMS，AM-SE，AM-SSL復(fù)合物的X-射線衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction pattern of AM-GMS，AM-SE and AMSSL complex

從圖1中可以看出，得到的3種復(fù)合物在2θ為7.5°，12.7°和19.7°左右均有特征吸收峰存在，為典型的V-型結(jié)晶結(jié)構(gòu)。當(dāng)SE作為配體時，在7.9°的吸收峰不明顯，且在17.58°處也有一個較弱的吸收峰，此處應(yīng)該是結(jié)構(gòu)中混雜的A-型結(jié)構(gòu)的一個特征峰，A-型淀粉在2θ為17°和18°處都有吸收峰，此處是該兩處吸收峰弱化的結(jié)果，這也表明當(dāng)B-型淀粉經(jīng)溶解后再經(jīng)長時間的靜置，能部分生成A-型淀粉[9]。當(dāng)SSL作為配體時，在2θ=17.3°處也有1個較弱的吸收峰，當(dāng)配體為GMS時，衍射圖譜中無雜峰出現(xiàn)。圖1中3條曲線的數(shù)據(jù)分析見表1。

當(dāng)配體是GMS時，復(fù)合物結(jié)晶結(jié)構(gòu)較完整，從表1可看出，與其他兩條曲線相比，直鏈淀粉-GMS復(fù)合物的各特征衍射峰的強度最大，其相對結(jié)晶度也最高，這與3種配體的分子結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。GMS的分子結(jié)構(gòu)是典型的線性結(jié)構(gòu)，當(dāng)直鏈淀粉形成單螺旋結(jié)構(gòu)時，GMS分子能夠很好的嵌入到單螺旋腔中，雖然SSL的分子結(jié)構(gòu)也是線性的，但是其親水端為-COO-Na+，該基團親水能力較強，不利于SSL分子進入單螺旋中；而SE的分子中存在蔗糖分子結(jié)構(gòu)，親水能力強且存在兩個環(huán)狀結(jié)構(gòu)，就更加不利于V-型復(fù)合物的形成。

表1 AM-GMS，AM-SE，AM-SSL復(fù)合物的X-射線衍射圖譜分析Table 1 The analytic list of X-ray diffraction date of AM-GMS，AM-SE and AM-SSL complex

2.2 DSC分析

圖2分別是AM-GMS、AM-SE和AM-SSL復(fù)合物的DSC曲線。

圖2 AM-GMS，AM-SE，AM-SSL復(fù)合物的DSC圖譜Fig.2 The DSC pattern of AM-GMS，AM-SE and AM-SSL complex

從圖2中可以看出AM-SE復(fù)合物只有1個吸熱峰，且峰型寬廣；AM-SSL和AM-GMS復(fù)合物均有2個吸熱峰。AM-SSL復(fù)合物在55℃的吸熱峰是體系中殘余的SSL配體的吸熱峰。AM-GMS復(fù)合物在65℃的吸熱峰則是體系中殘余的GMS配體的吸熱峰，而SE則由于水溶性較高，反應(yīng)體系中多余的SE均被水洗除去，在圖譜中未發(fā)現(xiàn)該物質(zhì)殘留。

DSC圖譜中較寬廣的峰是復(fù)合物所形成的吸熱峰，由圖2可以看出AM-SE復(fù)合物的吸熱峰值最高，約為92℃，焓變是最小的；AM-GMS復(fù)合物的吸熱峰值約為87℃，焓變最大。說明加熱破壞AM-GMS復(fù)合物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)需吸收較多的熱量，也表明AM-GMS復(fù)合物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)相對較完整。

2.3 紅外分析

圖3是3種復(fù)合物的紅外光譜圖。

圖3 AM-GMS，AM-SE，AM-SSL復(fù)合物的紅外圖譜Fig.3 IR pattern of AM-GMS，AM-SE and AM-SSL complex

從圖3中我們可以看到3種復(fù)合物的紅外特征吸收峰位置大致相同，整體上來看，AM-SE復(fù)合物的每個吸收峰都不是很強，比另外2種復(fù)合物的吸收峰弱。AM-SSL復(fù)合物和AM-GMS復(fù)合物在 1730 cm-1左右有吸收峰，此處的吸收峰是酯鍵的非對稱伸縮振動特征峰，而AM-SE復(fù)合物在 1730 cm-1左右基本看不到吸收，原因是SE分子中有2個環(huán)狀結(jié)構(gòu)，空間位阻大，酯鍵的非對稱伸縮振動后移，導(dǎo)致 1645 cm-1處的吸收相對變寬。圖譜中其他各吸收峰的解析結(jié)果見表2。

表2 AM-GMS，AM-SE，AM-SSL復(fù)合物的紅外光譜圖解析結(jié)果Table 2 The analytic list of IR pattern of AM-GMS，AM-SE and AM-SSL complex

2.4 主成分分析

取紅外數(shù)據(jù) 5 個波長點，1730，1645，1465，1180和 1025 cm-1五個對應(yīng)的波峰位置點，以每個波長點為中心上下各取50個數(shù)據(jù)，即構(gòu)成5組101個數(shù)據(jù)點，用DPS7.05軟件對這些數(shù)據(jù)進行主成分分析和因子分析，其主成分分析數(shù)據(jù)和因子分析數(shù)據(jù)分別見表3和表4。

由PCA分析得到3個樣品的紅外數(shù)據(jù)的均p＜0. 0001，故可以考慮進行因子分析。

表3 AM-GMS、AM-SE、AM-SSL復(fù)合物的主成分分析Table 3 The principal component analysis of AM-GMS，AM-SE and AM-SSL complex

KMO是用來觀測相關(guān)系數(shù)值與偏相關(guān)系數(shù)值的一個指標(biāo)，KMO值越接近1，意味著因子分析的結(jié)果越可信。

表 4是 AM-GMS，AM-SE，AM-SSL 復(fù)合物的因子分析表，從表中我們可以看到AM-SE復(fù)合物有5個初始因子特征根，分別為4.9924、0.0046、0. 0019、0. 0007和0. 0004，其中峰1和峰2分別是第1主成分和第2主成分，峰1對復(fù)合物的貢獻率為99.848%，峰2對復(fù)合物的貢獻率為0. 0921%，累積貢獻率為99.85%，基本可以全面反映復(fù)合物的信息。同樣，AM-GMS復(fù)合物中峰1峰2分別是第1主成分和第1主成分，反映復(fù)合物信息量為99.88%。AM-SSL復(fù)合物中峰1峰2分別是第1主成分和第二主成分，反映復(fù)合物信息量為99.83%。

表4 AM-GMS，AM-SE，AM-SSL復(fù)合物的因子分析表Table 4 The factor analysis of AM-GMS，AM-SE and AM-SSL complex

將紅外數(shù)據(jù)經(jīng)正交旋轉(zhuǎn)后得到因子載荷矩陣，見表5，峰1和峰2即為各復(fù)合物的主因子。

表5 AM-GMS，AM-SE，AM-SSL復(fù)合物的因子載荷矩陣Table 5 Factor loading matrix of AM-GMS，AM-SE and AMSSL complex

根據(jù)表5復(fù)合物的因子載荷矩陣可以得到復(fù)合物的數(shù)學(xué)模型表6，F(xiàn)a1'代表AM-GMS復(fù)合物中第一因子峰1，F(xiàn)a2'代表AM-GMS復(fù)合物中第2因子峰2；Fb1'代表AM-SE復(fù)合物中第 1因子峰1，F(xiàn)b2'代表AM-SE復(fù)合物中第3因子峰2；Fc1'代表AM-SSL復(fù)合物中第1因子峰1，F(xiàn)c2'代表AM-SSL復(fù)合物中第2因子峰2。

表6 AM-GMS，AM-SE，AM-SSL復(fù)合物的數(shù)學(xué)模型Table 6 Mathematical model of relationship between IR absorption peak and principal component factor of AM-GMS，AM-SE and AM-SSL complex

表7 AM-GMS，AM-SE，AM-SSL復(fù)合物的主成分得分Table 7 The principal component factor’s scores of AM-GMS，AM-SE and AM-SSL complex

峰1代表的是特征峰 1730 cm-1左右，由表7我們可以看出在峰1處3個樣品的主成分得分中，AMSE復(fù)合物的主成分得分絕對值最大，因此，我們可以推斷AM-SE復(fù)合物中殘留在外的配體SE含量最大。此外，純配體中特征峰處的主成分得分為-0. 1849，所以我們可得到復(fù)合物中配體含量。其中AM-GMS復(fù)合物中配體含量最高為17.09%，AM-SE復(fù)合物中配體含量最低為15.45%，AM-SSL復(fù)合物中配體含量為16.39%。

2.5 分子量的測定

圖4是所得3種復(fù)合物樣品的凝膠滲透色譜圖。

圖4 AM-GMS，AM-SE，AM-SSL復(fù)合物的凝膠色譜圖Fig.4 IR pattern of AM-GMS，AM-SE and AM-SSL complex

對途中復(fù)合物分子質(zhì)量變化曲線進行積分，即得到復(fù)合物的數(shù)均相對分子量Mn，重均相對分子量MW，和分散系數(shù)Z=MW/Mn（見表8）。

MW為重均分子量，Mn為數(shù)均分子量，Z為每種聚合物—溶劑體系的分散系數(shù)，DP為聚合度。Z=MW/Mn，Z越接近1說明分子量分布越窄。

表8 AM-GMS，AM-SE，AM-SSL復(fù)合物相對分子質(zhì)量及多分散性Table 8 The relative molecular weight and disposition of AMGMS，AM-SE and AM-SSL complex

由表8可以看出3種復(fù)合物的相對分子質(zhì)量都比B-Type直鏈淀粉的相對分子質(zhì)量大，其中AMGMS復(fù)合物的重均相對分子質(zhì)量增加到3044，增長了16.2%，AM-SE復(fù)合物的質(zhì)量均相對分子質(zhì)量增加到 3449，增長了26.2%，AM-SSL復(fù)合物的質(zhì)量均相對分子質(zhì)量增加到 3265，增加了22.1%。復(fù)合物分子量的增加與3種配體物質(zhì)的分子量的大小是正相關(guān)的。

3 結(jié)論

1）用短鏈的B-型淀粉與不同的乳化劑進行復(fù)合，制備得到了3種V-型直鏈淀粉復(fù)合物。結(jié)果表明，3種乳化劑中，GMS最易與直鏈淀粉形成復(fù)合物，這是因為GMS分子是典型的線性結(jié)構(gòu)，且親水端甘油分子結(jié)構(gòu)適中，另外，它是油包水型乳化劑，親水性低，更偏向進入疏水螺旋腔，而SSL雖然也是線性結(jié)構(gòu)，但是其親水端比GMS的親水端分子大，由于空間位阻不利于SSL分子進入單螺旋中；SE分子結(jié)構(gòu)中有蔗糖分子結(jié)構(gòu)，即存在2個環(huán)狀結(jié)構(gòu)，就更不利于V-型復(fù)合物的形成了。

2）SSL和SE是水包油型乳化劑，親水性強，也不利于配體與淀粉的復(fù)合。DSC曲線分析得到SE-復(fù)合物的吸熱峰值最大，其焓變最??；GMS-復(fù)合物的吸熱峰值最小，焓變最大，說明GMS-復(fù)合物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)較完整。紅外分析結(jié)果也表明配體與淀粉發(fā)生了復(fù)合。根據(jù)主成分分析（PCA）結(jié)果，我們得到了3種直鏈淀粉/脂質(zhì)復(fù)合物的數(shù)學(xué)模型和復(fù)合物中配體的含量，即AM-GMS復(fù)合物中配體的含量為17.09%，AM-SE復(fù)合物中配體的含量為15.45%，AM-SSL復(fù)合物中配體的含量為16.39%。

3）用凝膠色譜測定了3種復(fù)合物的分子量分布，得到3種復(fù)合物的相對分子質(zhì)量都比B-型直鏈淀粉的相對分子質(zhì)量大，其中AM-GMS復(fù)合物的質(zhì)量均相對分子質(zhì)量增加到 3044，增長了16.2%，AM-SE復(fù)合物的質(zhì)量均相對分子質(zhì)量增加到3449，增長了26.2%，AM-SSL復(fù)合物的重均相對分子質(zhì)量增加到 3265，增加了22.1%。

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