脂肪酸鏈長(zhǎng)對(duì)高直鏈玉米淀粉—脂質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的影響

江佳妮 向貴元 鄧佳宜 韓文芳 周夢(mèng)舟 蔣志榮 肖華西 林親錄 李 勃 李江濤

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)稻谷及副產(chǎn)物深加工國(guó)家工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004;2. 湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068；3. 長(zhǎng)沙榮業(yè)智能制造有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；4. 江蘇康之源糧油有限公司，江蘇 宿遷 223800)

淀粉是自然界含量最豐富的多糖之一，也是常見(jiàn)食物的主要成分之一，主要由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成[1]?；诘矸鄣南潭龋蓪⑵浞譃榭煜矸?RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗消化淀粉(RS)[2]?？剐缘矸凼侵改切┰诮】等梭w腸道不能被消化吸收的淀粉，可以通過(guò)多種處理方式獲得，具有預(yù)防肥胖、調(diào)節(jié)腸道免疫功能等作用。由直鏈淀粉和脂質(zhì)相互作用結(jié)合而成的復(fù)合物即RS5，作為一種新型的抗性淀粉逐漸受到人們的廣泛關(guān)注[3-6]。

淀粉—脂質(zhì)復(fù)合物的形成，歸因于淀粉與脂肪酸(FA)之間的相互作用，當(dāng)?shù)矸墼谟兄舅岽嬖诘那闆r下發(fā)生糊化，線(xiàn)性的直鏈淀粉由于氫鍵的作用而發(fā)生卷曲形成左螺旋空腔，脂質(zhì)分子的疏水尾部可進(jìn)入螺旋空腔，借助于疏水相互作用與淀粉連接在一起，形成穩(wěn)定的復(fù)合物[7]。而復(fù)合物的形成不僅受脂質(zhì)的飽和程度、溶解度、鏈長(zhǎng)以及添加量的影響，還與直鏈淀粉的鏈長(zhǎng)以及復(fù)合條件有關(guān)[8]。

淀粉—脂質(zhì)復(fù)合物作為抗性淀粉中的新品類(lèi)，性能優(yōu)越，因低溶解度、良好的穩(wěn)定性與成膜性和較強(qiáng)的抗消化性，以及作為抗性淀粉所具備的益生元特性[9]，被廣泛應(yīng)用于食品和醫(yī)療領(lǐng)域。研究[10-13]表明，淀粉—脂質(zhì)復(fù)合物的形成主要受脂質(zhì)、淀粉以及復(fù)合條件的影響，但關(guān)于不同鏈長(zhǎng)的脂肪酸配體以及不同直鏈淀粉含量的淀粉影響復(fù)合物形成的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。文章擬以高直鏈玉米淀粉為原料，探討不同脂肪酸鏈長(zhǎng)以及脫支/非脫支處理對(duì)淀粉—脂質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)特性和理化性質(zhì)的影響，旨在為淀粉—脂質(zhì)復(fù)合物的形成提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

高直鏈玉米淀粉(HACS)：直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為71%，北京祥玉生物科技有限公司；

普魯蘭酶(EC 3.2.1.41)：西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司；

月桂酸(C12:0，LA)、軟脂酸(C16:0，PA)、硬脂酸(C18:0，SA)：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

其余試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

差示掃描量熱儀：DSC Q2000型，美國(guó)沃特斯公司；

傅里葉紅外光譜分析儀：IRTracer-100型，日本島津公司；

X-射線(xiàn)衍射儀：Ultima IV型，日本理學(xué)公司；

高壓滅菌鍋：GI54DWS型，美國(guó)致微儀器有限公司；

恒溫磁力攪拌器：DF-101S型，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；

數(shù)顯恒溫水浴鍋：HH-4型，常州潤(rùn)華電器有限公司；

可見(jiàn)分光光度計(jì)：V1800型，尤尼柯(上海)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

(1)脫支高直鏈玉米淀粉制備：根據(jù)文獻(xiàn)[14]修改如下：精確稱(chēng)取8.0 g高直鏈玉米淀粉(HACS)，取80 mL醋酸鹽緩沖液(pH 5.5)混合制成10%的分散液，121 ℃高壓蒸汽滅菌30 min，冷卻至55 ℃，加入普魯蘭酶(40 U/g淀粉)反應(yīng)12 h，用0.1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至7，煮沸15 min，得到脫支高直鏈玉米淀粉，命名為DHA7。

(2)脫支高直鏈玉米淀粉與脂肪酸(DHA7-FA)的復(fù)合：將不同鏈長(zhǎng)的脂肪酸(5%)溶解于2 mL無(wú)水乙醇中，并分別加至脫支淀粉勻漿中，90 ℃攪拌30 min，冷卻，繼續(xù)攪拌1 h，4 000 r/min離心30 min，用50%熱乙醇溶液洗滌3次，分別得到脫支高直鏈玉米淀粉—月桂酸復(fù)合物(DHA7-LA)、脫支高直鏈玉米淀粉—軟脂酸復(fù)合物(DHA7-PA)以及脫支高直鏈玉米淀粉—硬脂酸復(fù)合物(DHA7-SA)，將洗滌后的沉淀干燥、研磨，過(guò)100目篩備用。

(3)高直鏈玉米淀粉與脂肪酸(HACS-FA)的復(fù)合：對(duì)照樣品未進(jìn)行脫支處理，其余操作與脫支樣品一致，得到高直鏈玉米淀粉—月桂酸復(fù)合物(HACS-LA)、高直鏈玉米淀粉—軟脂酸復(fù)合物(HACS-PA)以及高直鏈玉米淀粉—硬脂酸復(fù)合物(HACS-SA)。將原淀粉于121 ℃滅菌30 min，90 ℃攪拌30 min，冷卻，繼續(xù)攪拌1 h，得到空白對(duì)照樣品(HACS-0)，離心、干燥、研磨，過(guò)100目篩備用。

1.3.2 復(fù)合指數(shù)測(cè)定 準(zhǔn)確稱(chēng)取(100.0±0.5)mg淀粉脂質(zhì)復(fù)合物加入到含有1 mL無(wú)水乙醇和9 mL NaOH(1 mol/L)溶液的試管中，沸水浴10 min，冷卻，加水定容至100 mL。準(zhǔn)確移取5.0 mL樣品至100 mL容量瓶中，加入1 mL乙酸(1 mol/L)溶液，去離子水定容，再加2 mL 碘試劑，搖勻，靜置10 min。測(cè)定620 nm處吸光度，每組樣品平行測(cè)定3次，并按式(1)計(jì)算復(fù)合物的絡(luò)合指數(shù)(CI)。

(1)

式中：

CI——絡(luò)合指數(shù)，%；

A0——HACS-0的吸光值；

A——復(fù)合物吸光值。

1.3.3 X-射線(xiàn)衍射分析 使用X-射線(xiàn)衍射儀于40 kV、40 mA Cu-Kα輻射(λ=0.154 06 nm)，掃描速度2 (°)/min，步長(zhǎng)0.02°，3°～35°(2θ)范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，每組樣品平行測(cè)定3次，并按式(2)計(jì)算相對(duì)結(jié)晶度。

(2)

式中：

RC——相對(duì)結(jié)晶度，%；

Ac——結(jié)晶區(qū)面積；

Aa——無(wú)定形區(qū)面積。

1.3.4 傅里葉紅外光譜測(cè)定 使用傅里葉紅外光譜分析儀于4 000～400 cm-1進(jìn)行掃描，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)64次，每組樣品平行測(cè)定3次，并利用OMNIC軟件對(duì)波譜進(jìn)行分析。

1.3.5 差示掃描量熱分析 稱(chēng)取3 mg干燥的淀粉樣品，加入7 μL超純水，室溫下平衡過(guò)夜。使用空白鋁盤(pán)作參考，以10 ℃/min從25 ℃升溫至160 ℃，每組樣品平行測(cè)定3次，分別記錄糊化起始溫度(To)、糊化峰值溫度(Tp)、糊化終止溫度(Tc)及熱焓(ΔH)。

1.3.6 溶解度和膨脹度測(cè)定 稱(chēng)取0.6 g樣品，與蒸餾水配成30 mL 2%的懸浮液，沸水浴30 min，冷卻，3 000 r/min離心10 min，將上清液倒入培養(yǎng)皿中，105 ℃干燥至恒重，分別按式(3)、式(4)計(jì)算溶解度和膨脹度。

(3)

(4)

式中：

S——溶解度，%；

Sw——膨脹度，%；

m1——上清液干重，g；

m2——沉淀重，g；

m0——樣品干重，g。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理與分析 采用Origin 2019軟件繪圖；采用Execl 2019和SPSS 25軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，顯著性分析水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 淀粉—脂質(zhì)復(fù)合物的復(fù)合指數(shù)

由表1可知，脂肪酸鏈長(zhǎng)對(duì)淀粉—脂質(zhì)復(fù)合物復(fù)合率有一定影響，HACS-FA組中，HACS-LA、HACS-PA的復(fù)合指數(shù)分別為11.82%，13.73%，隨著脂肪酸碳鏈長(zhǎng)的增加，其與直鏈淀粉單螺旋內(nèi)部的疏水作用力逐漸增強(qiáng)，與淀粉的結(jié)合能力也越強(qiáng)[15]，因此復(fù)合物的絡(luò)合指數(shù)(CI值)逐漸增大，與Kaur等[16]的研究結(jié)果一致。而HACS-SA的CI值降低，可能是硬脂酸的碳鏈過(guò)長(zhǎng)，難以均勻分散在淀粉基質(zhì)中，也不利于進(jìn)入直鏈淀粉單螺旋內(nèi)，從而減少了與淀粉的接觸和復(fù)合。

表1 HACS-FA和DHA7-FA的CI值?Table 1 CI values of HACS-FA and DHA7-FA

DHA7-FA組中，復(fù)合物的CI值與脂肪酸碳鏈長(zhǎng)呈反比，復(fù)合率最高的是DHA7-LA。這是由于碳鏈較短的脂肪酸在淀粉糊中的分散度好，能夠與其充分接觸，有利于復(fù)合物的形成[17]；并且在淀粉酶解脫支過(guò)程中，破壞了淀粉的分子結(jié)構(gòu)，改變了螺旋內(nèi)部的疏水性，因而可以快速進(jìn)入到DHA7內(nèi)部與之結(jié)合。此外，與同一脂肪酸復(fù)合時(shí)，DHA7-FA組的CI值均高于對(duì)應(yīng)的HACS-FA組，是因?yàn)槊撝幚碓黾恿嗽矸壑械闹辨湹矸酆?。而相比直鏈淀粉，支鏈淀粉過(guò)短的碳鏈長(zhǎng)以及分支結(jié)構(gòu)之間的空間位阻作用都不利于其與脂質(zhì)復(fù)合，因此，不同鏈長(zhǎng)的脂肪酸及脫支處理對(duì)淀粉—脂質(zhì)復(fù)合物的生成均有一定影響，一般來(lái)說(shuō)，12～16個(gè)碳原子的脂肪酸更有利于復(fù)合物的形成。

2.2 結(jié)晶特性

由表2和圖1可知，HACS在5.3°，15.1°，17.3°，19.8°，22.1°，24.0°處均有較高強(qiáng)度的衍射峰，脂肪酸的加入以及脫支處理改變了淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。脫支及壓熱處理并未改變淀粉的晶型，但DHA7和HACS-0的各衍射峰強(qiáng)度有所下降，HACS-0甚至呈彌散衍射特征，未出現(xiàn)明顯的尖銳峰。

圖1 HACS-FA和DHA7-FA復(fù)合物的X-衍射Figure 1 X-ray diffraction of HACS-FA and DHA7-FA complexes

表2 HACS-FA和DHA7-FA的特征峰及結(jié)晶度?Table 2 Characteristic peaks and degree of crystallinity of HACS-FA and DHA7-FA

不同鏈長(zhǎng)的FA與不同前處理的淀粉復(fù)合后，在7°，13°，20°附近處出現(xiàn)了不同強(qiáng)度的V型結(jié)晶特征衍射峰，說(shuō)明復(fù)合物均為V型結(jié)晶結(jié)構(gòu)[8]。DHA7-FA組中，DHA7-LA在20°處的衍射峰明顯相比DHA7-PA、DHA7-SA的更尖銳；而HACS-FA組中，HACS-PA的峰又比HACS-LA和HACS-SA的更尖銳，且DHA7-FA組在20°處的衍射峰強(qiáng)度均高于對(duì)應(yīng)的HACS-FA組。通常衍射峰的強(qiáng)度與復(fù)合物的生成量呈正相關(guān)，表明DHA7與FA的復(fù)合程度比HACS高，而DHA7-LA和HACS-PA又分別是這兩組中復(fù)合程度最好的，與CI值的測(cè)定結(jié)果一致。此外HACS-PA、HACS-SA在22°，24°附近處出現(xiàn)衍射峰，歸因于游離FA的聚集[12]。而DHA7-SA和DHA7-PA的聚集衍射峰明顯降低甚至消失，可能是因?yàn)槊撝附馐沟矸酆某跏拣ざ冉档?，使得FA能夠更充分地與之混合，從而減少聚集。

根據(jù)復(fù)合物的結(jié)晶度可知，HACS的結(jié)晶度(23.11%)明顯高于DHA7(17.95%)和HACS-0(11.44%)的，可能是因?yàn)閴簾?、脫支等處理，破壞了淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。對(duì)于淀粉—脂質(zhì)復(fù)合物，支鏈淀粉側(cè)鏈分支的螺旋結(jié)構(gòu)、直鏈淀粉含量、復(fù)合物的生成量、脂肪酸含量等均會(huì)影響其結(jié)晶度[18]。HACS-FA的結(jié)晶度降低，可能是在復(fù)合物的形成過(guò)程中，HACS中支鏈淀粉的側(cè)鏈分支螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致相對(duì)結(jié)晶度降低。而DHA7-FA的結(jié)晶度升高，可能是復(fù)合物生成量高，形成了更多的高度有序結(jié)構(gòu)，且與12～16個(gè)碳的FA所形成的復(fù)合物更容易形成這種有序結(jié)構(gòu)，且脫支處理能增強(qiáng)這一趨勢(shì)。

2.3 淀粉—脂質(zhì)復(fù)合物的有序結(jié)構(gòu)

圖2 HACS-FA和DHA7-FA復(fù)合物紅外光譜圖Figure 2 Infrared spectra of HACS-FA and DHA7-FA complexes

2.4 淀粉—脂質(zhì)復(fù)合物的熱特性

由表3、圖3和圖4可知，75～108 ℃的峰2代表I型復(fù)合物的解離；102～125 ℃的峰3代表II型復(fù)合物的解離，而55～70 ℃的峰1可能是未復(fù)合或50%乙醇洗滌后留存在淀粉螺旋結(jié)構(gòu)間隙的FA的熔融峰，這與前人[22-23]的研究結(jié)果一致。

表3 脂肪酸鏈長(zhǎng)對(duì)HACS-FA和DHA7-FA復(fù)合物熱特性的影響?Table 3 Effect of fatty acid chain length on thermal properties of HACS-FA and DHA7-FA complexes

圖3 HACS-FA的DSC圖譜Figure 3 The DSC spectrum of HACS-FA

圖4 DHA7-FA的DSC圖譜Figure 4 The DSC spectrum of DHA7-FA

峰2中，在HACS組，HACS-SA具有最高的Tp值，因此熱穩(wěn)定性最好，可能是因?yàn)殚L(zhǎng)鏈脂肪酸與淀粉螺旋腔之間存在較強(qiáng)的疏水相互作用；焓變與絡(luò)合物的解離有關(guān)，碳鏈較短的脂肪酸在糊化淀粉中具有良好的分散性，有助于與單螺旋淀粉形成復(fù)合物，因此HACS-LA具有最高的ΔH，與Li等[24]的研究結(jié)果一致。但在DHA7組中，DHA7-SA擁有最低的Tp值，可能是由于復(fù)合程度的降低，而焓值的變化可能與脫支處理有關(guān)，具體的影響機(jī)制有待進(jìn)一步驗(yàn)證。此外，所有復(fù)合物的ΔH均低于原淀粉HACS的，可能是由于溫度升高過(guò)程中，未復(fù)合的淀粉與脂肪酸重新復(fù)合，放出了熱量，與復(fù)合物解離吸收的熱量部分相抵，表現(xiàn)為糊化焓值降低[25]。

峰3中，HACS和DHA7組均表現(xiàn)出隨著脂肪酸鏈長(zhǎng)的增加，To、Tp、Tc均有不同程度的增加。Shuang等[26]研究表明，脂質(zhì)碳鏈越長(zhǎng)，疏水性越強(qiáng)，更傾向于保留在淀粉分子疏水螺旋腔內(nèi)。因此，越長(zhǎng)的烴鏈與淀粉螺旋內(nèi)部的疏水相互作用越大，需要更高的溫度來(lái)破壞這些鍵；且較長(zhǎng)的脂質(zhì)鏈改善了復(fù)合物的結(jié)晶特征，特別是微晶尺寸，從而導(dǎo)致熔融溫度升高[27]。

2.5 淀粉—脂質(zhì)復(fù)合物的溶解度與膨脹度

由表4可知，當(dāng)?shù)矸畚磁c脂肪酸復(fù)合時(shí)，溶解度和膨脹度均表現(xiàn)為DHA7>HACS-0>HACS，可能是由于樣品制備過(guò)程中壓熱、脫支及機(jī)械攪拌等處理，使得淀粉顆粒進(jìn)一步被破碎，分子量也隨脫支處理而減小，使得溶解度增加。

表4 HACS和DHA7與不同鏈長(zhǎng)脂肪酸復(fù)合后的溶解度和膨脹度?Table 4 Solubility and swelling degree of HACS and DHA7 with different chain length fatty acids

FA對(duì)淀粉溶解度有顯著影響[28]。一方面是由于未洗凈的脂肪酸附著在復(fù)合物表面，形成脂質(zhì)薄層，一定程度上阻礙了水分的進(jìn)入。另一方面可能是因?yàn)橹舅徇M(jìn)入到淀粉疏水空腔內(nèi)與之重新形成穩(wěn)定的螺旋結(jié)構(gòu)，減少了直鏈淀粉糊化后的浸出，而糊化過(guò)程中直鏈淀粉與支鏈淀粉的相互嵌入，也可在一定程度上減少淀粉溶出。溶解度大小為DHA7-SA>DHA7-PA>DHA7-LA，與2.1結(jié)果一致，表明脂肪酸與淀粉復(fù)合程度越高，水分進(jìn)入其內(nèi)部結(jié)晶結(jié)構(gòu)的難度越大。但在HACS-FA組中，HACS-SA與HACS-PA的溶解度幾乎無(wú)差異，可能是因?yàn)橛仓岜旧淼膹?qiáng)疏水性平衡了復(fù)合程度帶來(lái)的差異。

3 結(jié)論

試驗(yàn)表明，脂肪酸碳鏈長(zhǎng)度及淀粉脫支均會(huì)影響淀粉—脂質(zhì)復(fù)合物的形成及其理化性質(zhì)。當(dāng)高直鏈玉米淀粉與脂肪酸形成復(fù)合物時(shí)，12～16個(gè)碳原子的脂肪酸更有利于復(fù)合物的形成；當(dāng)碳鏈過(guò)長(zhǎng)時(shí)，由于疏水作用力較大，不利于其與直鏈淀粉復(fù)合；但脫支處理后，可能是由于直鏈淀粉含量進(jìn)一步增大，脂肪酸的溶解度及與淀粉的接觸程度對(duì)復(fù)合物形成的影響反而更大。與脂肪酸復(fù)合后，淀粉—脂質(zhì)復(fù)合物均轉(zhuǎn)變?yōu)榈湫偷腣型結(jié)晶，且特征峰強(qiáng)度隨復(fù)合率的增加而增強(qiáng)，脫支處理更能增強(qiáng)這一趨勢(shì)，形成更多的高度有序結(jié)構(gòu)。同時(shí)隨著復(fù)合率的增加，熱穩(wěn)定性也有所增強(qiáng)，溶解度越低，可膨脹度變化并不明顯，焓值隨脂肪酸碳鏈長(zhǎng)度的增加而下降，且脫支處理會(huì)影響這一趨勢(shì)，但具體的影響機(jī)制有待進(jìn)一步研究。