3種晶型淀粉與月桂酸復合對其形貌結構和消化特性的影響

解明昱 李安平 毛立波 謝正美 張 勖

(中南林業(yè)科技大學1，長沙 410004) (工程流變學湖南省重點實驗室2，長沙 410004)

淀粉廣泛存在于各種植物器官中,是人類獲取能量的主要來源之一。根據(jù)淀粉顆粒X衍射圖呈現(xiàn)的結晶結構不同，天然淀粉分為A型、B型和C型，玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和錐栗淀粉分別是這3種晶型淀粉的代表，但多數(shù)天然淀粉存在易老化、易引起血糖快速上升[1]、溶解性差等問題，導致其應用受到限制。為改善天然淀粉的性能，往往對其進行改性處理。物理改性、化學改性、酶法改性是目前常用的淀粉改性方法[2]，其中物理改性的安全性較高[3，4]。

脂肪是食品的常規(guī)成分，通過機械手段可將淀粉與脂肪酸復合形成V型淀粉。V型淀粉相比天然淀粉性能得到極大改善。劉靜娜等[5]研究表明玉米淀粉與硬脂酸的復合形成物顯著改善了淀粉的熱穩(wěn)定性；Tang MC等[6]找尋小麥淀粉與不同碳鏈長度、不同飽和度脂肪酸形成復合物提高淀粉黏彈性的規(guī)律；Chang[7]探究了脂質加入方式對淀粉-脂質復合物的分布及理化性質和淀粉的消化特性的影響。

目前，國內(nèi)外對脂肪酸-淀粉復合物的研究大部分集中在不同種類淀粉、不同鏈長及飽和度脂肪酸、不同復合方法等方面對復合物性能的影響，較少從淀粉晶型角度對復合物性能的改善進行探討。本研究采用高壓均質和糊化相結合的方法，將3種晶型淀粉分別與脂肪酸復合，比較3種復合物間形貌結構和消化特性的差異，找出其中的變化規(guī)律，為改善天然淀粉的性能以及淀粉-脂肪酸復合物在食品行業(yè)中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米淀粉、馬鈴薯淀粉：食品級；錐栗淀粉：自制，原料購自福建省建甌市川石鄉(xiāng)的油特品種；月桂酸、肉豆蔻酸、軟脂酸、硬脂酸：食品級；豬胰α-淀粉酶(酶活10 U/mg)、糖化酶(酶活10萬U/mL)；無水乙醇、氫氧化鈉：分析純。

1.2 主要儀器與設備

HR/T20M臺式高速冷凍離心機，F(xiàn)A25標準型高剪切分散乳化機，D-6L型高壓均質機，F(xiàn)D5-4型真空冷凍干燥機，IRTracer-100型傅立葉紅外光譜儀，Empyrean銳影X射線儀，SIGMA HD掃描電子顯微鏡，Q-2000型差式掃描量熱儀。

1.3 方法

1.3.1 錐栗淀粉的制備

參考Liu[8]和李照茜[9]的方法，并做適當改動。新鮮錐栗剝殼去衣后得栗仁，然后按料液比為1∶5加入0.2%質量分數(shù)的NaOH溶液，并將其用組織搗碎機低速勻漿2 min，室溫靜置24 h后棄去上部棕色黏液層。用超純水反復洗滌沉淀物，分別過100、200、300目篩。將濾液離心并除去上清液，并刮去沉淀物表面的棕色層，加水反復洗滌離心，最后用95%乙醇洗滌。將所得沉淀物于40 ℃烘箱鼓風干燥48 h，研磨后過100目篩，即得錐栗淀粉。

1.3.2 淀粉樣品與脂肪酸的復合

稱取5 g未處理的原淀粉(US)于燒杯中，配置成5%的淀粉懸浮液，90 ℃條件下糊化30 min得淀粉糊；將淀粉干基質量3%的脂肪酸溶于無水乙醇中，待充分溶解后置于轉速為10 000 r/min的高剪切分散乳化機中剪切1 min，接著倒入制備的淀粉糊，并攪拌均勻，50 MPa的壓力和45 ℃的溫度條件下均質復合2次，將復合液置于4 ℃下12 h，用50%的乙醇洗滌離心2次，然后真空冷凍干燥48 h，研磨粉碎后過100目篩，得到淀粉-脂肪酸復合物(S-FA)；純淀粉在相同條件下經(jīng)糊化和高壓均質處理，所得樣品記為糊化后高壓均質淀粉(GH)，玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和錐栗淀粉等3種原淀粉、糊化后高壓均質淀粉和淀粉-脂肪酸復合物分別記為AUS、AGH、AS-FA；BUS、BGH、BS-FA；CUS、CGH、CS-FA。

1.3.3 直鏈淀粉含量的測定

按照GB/T 15683—2008測定原淀粉中直鏈淀粉含量、糊化后高壓均質淀粉及淀粉-脂肪酸復合物中等效直鏈淀粉含量(簡稱直鏈淀粉含量)。

1.3.4 復合指數(shù)的測定

脂肪酸與淀粉的復合程度通過復合指數(shù)來評估。具體方法為：稱取100 mg樣品，加入1 mL 95%的乙醇溶液浸潤，然后再加入9.0 mL 90%的DMSO溶液，振蕩分散均勻，沸水浴加熱10 min 后冷卻至室溫，接著加蒸餾水定容到100 mL，振搖混勻。另取100 mL容量瓶，向瓶中依次加入50 mL蒸餾水、5 mL樣液、1 mL乙酸溶液、2 mL的碘試劑，加水定容，搖勻，靜置10 min顯色， 620 nm下測吸光度A。每個樣品重復測定3次，取平均值，然后按照公式計算復合指數(shù)(CI)：

式中：CI為復合指數(shù)；Ac為糊化后高壓均質淀粉的吸光度；Aa為脂肪酸-淀粉復合物的吸光度。

1.3.5 掃描電鏡觀察

將樣品均勻分布在金屬臺的導電雙面膠上，在真空下進行50 s噴金處理，然后將樣品放在掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察，選取最具形貌代表性的區(qū)域進行拍照。

1.3.6 X-射線衍射

參照徐澎聰[10]等的方法并稍作修改。將樣品放入玻璃槽中壓緊，置于X-衍射儀樣品臺中進行測試。采用單色Cu-Ka射線，測試條件為：管電壓40 kV，管電流40 mA，掃描速率5°/min進行連續(xù)掃描，2θ掃描范圍： 4°～40°，步長0.02°。測定數(shù)據(jù)處理采用Jade6.0軟件，參照陳翠蘭[11]的方法，在4°和30°間劃背底直線，并扣除背底，繪出結晶區(qū)與無定形區(qū)分割線，記衍射曲線與基線間的面積為X，衍射曲線與分割線間的面積為Y，則淀粉樣品的相對結晶度RC=Y/X×100%。

1.3.7 紅外光譜測定

參照Wang等[12]的方法并作部分調整：稱取0.002 g待測樣品，然后與0.2 g在120 ℃下干燥至恒重的溴化鉀粉末混合均勻，用瑪瑙研缽研磨并進行壓片3 min，放入紅外光譜儀中掃描。掃描波長為4 000～400 cm-1，掃描 64 次，分辨率為 4 cm-1。利用軟件Omnic 9.2對FTIR圖譜進行處理，得到9種樣品的紅外光譜圖及峰值。

1.3.8 體外消化特性測定

參照Englyst[13]的方法并作部分調整：準確稱取200 mg樣品，加入 15 mL 0.2 mol/L pH為5.2的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液，在37 ℃水浴下保溫30 min，加入玻璃珠和5 mL豬胰α-淀粉酶和糖化酶的混合酶液后快速于37 ℃恒溫水浴中振蕩，20 min和120 min時各吸取1 mL消化液，加入0.2 mL質量分數(shù)為5%的NaOH溶液滅酶，使消化反應停止，將反應液于5 000 r/min離心15 min。取0.2 mL上清液，分別加入1.8 mL蒸餾水和1.5 mL的DNS試劑，漩渦混勻器混勻，在沸水浴中顯色10 min。將顯色后的樣品快速冷卻至室溫，用超純水將其定容為25 mL，室溫靜置30 min，以2.0 mL超純水和1.5 mLDNS試劑的混合液為對照調零，于540 nm測吸光度，平行測定3次，取平均值，計算葡萄糖含量。再根據(jù)公式分別計算樣品的快速消化淀粉(RDS)、緩慢消化淀粉(SDS)、抗性淀粉(RS)的含量:

RS=100%-RDS-SDS

式中：G20為消化20 min 時的葡萄糖質量/mg；G120為消化120 min 時的葡萄質量/mg；W為樣品的質量/mg。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Origin 8.5軟件對數(shù)據(jù)作圖，采用SPSS 22軟件中的One-way ANOVA對數(shù)據(jù)進行顯著性分析。所有實驗均重復3次，數(shù)據(jù)以平均值±標準偏差表示。

2 結果與分析

2.1 3種晶型淀粉與不同鏈長脂肪酸復合的復合指數(shù)比較

3種晶型淀粉分別與4種不同鏈長的飽和脂肪酸進行復合，由表1可知，脂肪酸與3種淀粉的復合指數(shù)隨脂肪酸鏈長的增加而減小。Kawai等[14，15]的研究也得出類似結論，這可能是因為脂肪酸的鏈越長，顆粒越大，其親水性越差，難以均勻分散在淀粉糊中，從而很難進入淀粉螺旋腔內(nèi)部與淀粉復合。相反，脂肪酸鏈長較短，分子小，則更容易進入淀粉打開的螺旋結構中形成脂肪酸-淀粉復合物[16]。3種晶型淀粉與月桂酸復合形成時的復合指數(shù)最高，因此后續(xù)淀粉-脂肪酸復合物中的脂肪酸選用月桂酸。

表1 3種晶型淀粉與不同鏈長脂肪酸復合的復合指數(shù)

2.2 3種晶型淀粉與月桂酸復合形成物中直鏈淀粉含量及復合指數(shù)比較

從圖1可看出，與未處理的原淀粉US相比，3種晶型淀粉經(jīng)糊化后高壓均質形成的GH中直鏈淀粉含量均有不同程度的增加，但僅有馬鈴薯淀粉中直鏈淀粉含量有極顯著性增加(P<0.01)。這是由于淀粉顆粒糊化，螺旋結構打開，體積增大，在均質的高速剪切作用力下，部分淀粉的長鏈和側鏈結構被剪斷，形成短直鏈淀粉，因此直鏈淀粉含量增加。馬鈴薯淀粉的微晶結合力只有弱力，而玉米和錐栗淀粉的微晶結合力則有弱力和強力兩種結合力[17]，因此馬鈴薯淀粉糊化更徹底，螺旋結構打開更完全，剪切時支鏈結構更易被切斷，能形成更多的直鏈淀粉。與僅進行糊化和高壓均質的淀粉(GH)相比，3種晶型淀粉糊化后經(jīng)高壓均質與脂肪酸形成的淀粉-脂肪酸復合物(S-FA)的直鏈淀粉含量均顯著減少(P<0.05)，玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和錐栗淀粉分別減少了6%、27%和9%。糊化后的淀粉，通過高壓均質作用與脂肪酸復合形成緊密結構，碘無法進入淀粉螺旋結構內(nèi)部，不能發(fā)生顯色反應，因此檢測出的直鏈淀粉含量減少。

圖1 3種晶型淀粉與月桂酸復合形成物的直鏈淀粉含量

圖2 3種晶型淀粉復合形成物中的直鏈淀粉 含量與其復合指數(shù)的相關性

從圖2可知，玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和錐栗淀粉等3種晶型淀粉與月桂酸復合過程中US、GH和S-FA等3種物質的中直鏈淀粉含量與其復合指數(shù)的相關系數(shù)R分別為-0.884、0.975和0.968，即復合指數(shù)與GH和S-FA中直鏈淀粉含量呈顯著正相關(P<0.05)，復合指數(shù)隨其直鏈淀粉含量的增加而提高。淀粉與脂肪酸復合過程主要是直鏈淀粉與脂肪酸的相互作用，支鏈淀粉由于枝杈結構較多，易造成空間位阻，較短的側鏈結構不易與脂肪酸接觸復合。

2.3 3種晶型淀粉與月桂酸復合形成物掃描電鏡觀察

3種晶型淀粉與月桂酸復合過程中US、GH和S-FA等3種物質的掃描電子顯微鏡見圖3。從3種晶型未處理的原淀粉US可看出，玉米淀粉和錐栗淀粉顆粒形狀不規(guī)則，呈現(xiàn)多角結構或扁圓結構，而馬鈴薯淀粉則呈圓潤的卵球形結構。經(jīng)糊化和高壓均質處理后，3種晶型淀粉GH的形狀變得不規(guī)則，表面凹凸不平，同時形成大量孔洞，且孔洞從淀粉顆粒表面延伸到顆粒內(nèi)部。這可能是由于糊化處理后淀粉的螺旋結構被打開，同時高壓均質的強大作用力將淀粉顆粒剪切成更小的碎片，且表面結遭到破環(huán)。與GH相比，3種晶型淀粉與脂肪酸復合形成淀粉-脂肪酸復合物S-FA的體積變大，淀粉的孔洞變少，甚至消失，表面變得更加光滑，結構更加緊密。這主要是因為月桂酸填塞了糊化和高壓均質產(chǎn)生的孔洞[18]，且部分淀粉-脂肪酸復合物S-FA進行了重結晶[19]，因此復合物結構變得相對緊實。淀粉-脂肪酸復合物S-FA微觀結構上致密性的變化意味著在消化過程中將更不易被淀粉酶水解，體積增大則減少了與淀粉酶接觸的相對面積，進一步降低了消化速率。

圖3 3種晶型淀粉與月桂酸復合形成物的電鏡圖

2.4 3種晶型淀粉與月桂酸復合形成物的X-衍射對比

從圖4中可以看出，AUS在15.2°、17.3°、18.1°和23.1°處出現(xiàn)衍射峰，BUS在5.7°、17.2°、22.2°和24.1°處出現(xiàn)衍射峰，CUS在5.8°、15.2°、17.2°、20°和23.2°處出現(xiàn)衍射峰，根據(jù)出峰位置判斷玉米、馬鈴薯、錐栗的未處理原淀粉分別呈A型、B型和C型結晶結構。這與季寒一等[20]的衍射結果一致。3種晶型淀粉經(jīng)糊化和高壓均質處理后形成的GH淀粉均沒有明顯衍射峰，說明3種晶型淀粉經(jīng)糊化和高壓均質處理時，螺旋結構打開，結晶結構被破壞。3種晶型淀粉與月桂酸形成淀粉-脂肪酸復合物S-FA均在7.8°、13°和20°附近重新出現(xiàn)衍射峰。這些衍射峰正是V型晶體結構的特征峰[21-23]，說明3種晶型淀粉與月桂酸復合后，重新形成了V型結構的結晶區(qū)。Chen等[15]的實驗結果也證實了此結論。

由表2可知，與未處理原淀粉US相比，玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和錐栗淀粉等3種淀粉-脂肪酸復合物S-FA的結晶度分別減小了12.93%、8.4%和13.6%，說明淀粉-脂肪酸復合物僅僅是部分參與了重結晶。糊化后高壓均質淀粉GH沒有結晶結構，組織松散，消化過程中更容易被酶解，而淀粉-脂肪酸復合物S-FA重新形成V型結晶，意味著淀粉結構變得更緊密，更難被淀粉酶酶解，從而顯示出抗消化特性。

圖4 3種晶型淀粉與月桂酸復合形成物X-衍射圖譜比較

表2 3種晶型淀粉與月桂酸復合形成物的X-衍射比較

2.5 3種晶型淀粉與月桂酸復合形成物紅外光譜比較

由圖5可知，3種晶型淀粉經(jīng)過糊化、高壓均質和與脂肪酸復合等處理后，其紅外光譜基本相同，無特征峰生成，說明在淀粉與脂肪酸復合過程中僅是分子間的相互作用，未發(fā)生化學反應生成新的官能團，但不同樣品的出峰位置出現(xiàn)了偏移。

圖5 3種晶型淀粉與月桂酸復合形成物的紅外光譜比較

在圖5中，3種晶型淀粉的US、GH和S-FA的紅外光譜均在3 446、2 933、1 645、1 154、1 023 cm-1附近出現(xiàn)振動峰，其中3 446 cm-1處為淀粉中—OH的特征峰，2 933 cm-1處為淀粉的—CH2特征峰，1 645 cm-1附近是醛基伸縮振動特征峰，1 154 cm-1附近的特征峰是由醇羥基C—O、C—C伸縮振動形成，700～1 100 cm-1出現(xiàn)的特征峰是由D-吡喃葡萄糖羥基相連的C—O伸縮振動形成。

2.6 3種晶型淀粉與月桂酸復合形成產(chǎn)物消化特性比較

從圖6中可知，3種晶型淀粉的原淀粉US中，玉米淀粉中RDS含量最高，錐栗淀粉次之，馬鈴薯淀粉最少。圖3中，玉米淀粉(A型)顆粒相對馬鈴薯淀粉(B型)顆粒更小，且呈多角結構，與消化酶可有更多接觸面積，所以更易消化，而錐栗淀粉(C型)雖顆粒較小，但其結構多呈扁圓形，與消化酶的相對接觸面積比玉米淀粉較小，也難消化。

圖6 3種晶型淀粉與月桂酸復合形成物的營養(yǎng)消化片段比較

與未處理的原淀粉US相比，3種晶型淀粉經(jīng)糊化和高壓均質后形成的GH中的RDS含量顯著提高(P<0.05)，而RS和SDS含量則顯著減少(P<0.05)。這是因為淀粉經(jīng)過糊化和高壓均質處理后淀粉的結晶結構和螺旋結構遭到破壞，消化酶更容易進入內(nèi)部，更容易被人體消化吸收。

與僅進行糊化和高壓均質的GH相比，玉米淀粉、鈴薯淀粉和錐栗淀粉經(jīng)過糊化和高壓均質與脂肪酸復合形成的AS-FA、BS-FA和CS-FA中的RDS含量降低，SDS和RS含量。徐澎聰?shù)萚10]研究得出的結論與此基本一致。各消化片段的變化與淀粉和脂肪酸的復合后結構形貌的變化對應。淀粉與脂肪酸復合形成的脂肪酸-淀粉復合物是一種不完美的單螺旋結構，其晶型為V型結構，具有緊密性和高度穩(wěn)定性，同時淀粉粒徑增大，與消化酶接觸的相對面積減小，變得更不易被消化酶分解，因此RS和SDS含量增大。

3 結論

玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和錐栗淀粉等3種晶型淀粉與飽和脂肪酸復合時，復合指數(shù)隨脂肪酸鏈長的增加而減小，且與復合物直鏈淀粉含量呈顯著正相關(P<0.05)。電鏡顯示3種晶型原淀粉US表面光滑，經(jīng)糊化和高壓均質后的淀粉GH表面形成孔洞結構，而與脂肪酸復合后孔洞被充填，結構變得致密，體積增大，減小了與消化酶的接觸面積。X-衍射顯示3種晶型淀粉與月桂酸的復合物S-FA均在7.8°、13°和20°附近出現(xiàn)衍射峰，表明淀粉已分別由A、B、C型轉化成為V型；復合前后樣品的傅里葉紅外光譜圖在2 933 cm-1附近的振動峰的波數(shù)發(fā)生改變，但沒有新振動峰，表明復合物是依靠分子間的相互作用力形成的，而非新的化學鍵。與僅進行糊化和高壓均質的淀粉GH相比，復合物S-FA的RDS含量減小，SDS、RS含量增加，抗消化性能增強，且各消化片段的變化與復合后結構形貌的變化對應。3種晶型淀粉與脂肪酸復合后均可顯著提升抗消化性，復合物不會引起人體血糖的快速升高，能廣泛應用于健康食品。