3種晶型淀粉與月桂酸復(fù)合對其抗老化特性的影響

解明昱， 李安平， 李冬陽， 肖建萍

(中南林業(yè)科技大學(xué)；工程流變學(xué)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410004)

糊化的淀粉基食品在儲藏或流通過程中會發(fā)生老化，包括短期老化和長期老化。短期老化主要是直鏈淀粉重結(jié)晶[1]，發(fā)生在儲藏初期。長期老化則是由支鏈淀粉[2]相互聚集引起，因?yàn)橹ф湹矸鄣母叨确种ЫY(jié)構(gòu)導(dǎo)致其空間位阻較大，故長期老化發(fā)生在儲藏后期且持續(xù)時間較長。淀粉老化后，淀粉基食品保水能力降低，變硬、變干，質(zhì)地粗糙，感官品質(zhì)惡化，因此，有關(guān)延緩糊化淀粉基食品老化的物理改性方法一直是研究的熱點(diǎn)。

提高淀粉抗老化的方法有化學(xué)改性、酶改性及物理改性[3-5]。Adebowale等[6]研究結(jié)果表明淀粉乙?；蜓趸矸鄣然瘜W(xué)改性方法均能降低天然淀粉的回生焓[7]，但其安全性受到質(zhì)疑。Nguyen等[8]研究證實(shí)苧麻葉中的β-淀粉酶可顯著降低4 ℃條件下儲藏48 h時淀粉基食品的回生速率，但酶改性法增加了工藝的復(fù)雜程度和生產(chǎn)成本。物理改性包括使用熱、機(jī)械力、物理場等手段對淀粉進(jìn)行處理。物理改性的安全性較高，是淀粉抗老化研究的主要方向。Prakaywatchara等[9]發(fā)現(xiàn)添加甘油或甘油與乳化劑聯(lián)合使用均可降低米粉的回生焓，延緩其老化。Yu等[10]研究表明淀粉中添加硬脂酸和海藻酸鈉均可顯著提高淀粉的抗老化特性，且二者復(fù)配使用效果更佳。

淀粉和脂肪酸均是人體所需營養(yǎng)素，目前的研究常利用二者的相互作用、通過不同的手段將其結(jié)合，形成淀粉-脂肪酸復(fù)合物，提升淀粉的功能特性，擴(kuò)大淀粉的應(yīng)用范圍。本研究則將淀粉和脂肪酸通過高速剪切乳化形成復(fù)合物，安全性較高，且以3種天然晶型淀粉(A型、B型和C型)為研究對象，比較其糊化后與月桂酸形成的復(fù)合物在短期和長期抗老化性能的變化規(guī)律，以期為不同種類淀粉的深加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米淀粉(A型)、馬鈴薯淀粉(B型)：食品級；錐栗淀粉(C型)：自制；月桂酸：食品級；氫氧化鈉、無水乙醇、溴化鉀：分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

FD5-4型真空冷凍干燥機(jī)，DHR-2型流變儀，TA-XT Plus型質(zhì)構(gòu)儀，DSC Q2000差示掃描量熱儀，IRTracer-100型傅里葉紅外光譜儀，Empyrean銳影X射線儀。

1.3 方法

1.3.1 錐栗淀粉的制備

將新鮮栗仁與0.2% NaOH溶液按料液比為1∶5混合，組織搗碎機(jī)破碎，靜置24 h后除去上層黏液層，用超純水反復(fù)洗滌沉淀物并分別過100、200和300目篩，濾液離心后收集底層白色沉淀，依次用水和95%乙醇溶液洗滌，所得沉淀物于40 ℃烘箱干燥48 h，研磨過篩，即得錐栗淀粉。

1.3.2 樣品的制備

分別稱取3種晶型原淀粉與月桂酸按質(zhì)量比為97∶3混勻，取3 g混合物于RVA儀器的專用鋁盒中，加入25 mL純水，攪拌均勻形成淀粉懸浮液，然后于RVA儀器中糊化。RVA 程序設(shè)置： 50 ℃保持1 min；經(jīng)過 3.75 min 后升溫至 95 ℃，保溫 2.5 min，經(jīng)過 3.75 min 降溫至 50 ℃，之后保持 1 min。RVA糊化程序結(jié)束后得到淀粉-月桂酸復(fù)合物(Starch -Fatty Acid Complex，SF)，玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和錐栗淀粉的復(fù)合物分別記為ASF、BSF、CSF，不添加月桂酸的原淀粉糊化后的淀粉糊化物(Gelatinized Starch，GS)分別記為AGS、BGS、CGS。

參考劉成梅等[11]方法，并做部分改動。樣品制備后立即轉(zhuǎn)移至流變儀上測定，此為短期老化特征值。樣品制備后在4 ℃條件下分別儲藏1、7、14 d后測定，此為長期老化特征值。3種晶型淀粉糊化后儲藏1、7、14 d后的長期老化樣品測定值分別記為AGS1、AGS7、AGS14，BGS1、BGS7、BGS14，CGS1、CGS7、CGS14，3種晶型淀粉-月桂酸復(fù)合物儲藏1、7、14 d后的長期老化樣品分別記為ASF1、ASF7、ASF14，BSF1、BSF7、BSF14，CSF1、CSF7、CSF14。

1.3.3 流變特性測定

將3種晶型淀粉糊化物和與月桂酸的復(fù)合物樣品立即轉(zhuǎn)移至流變儀上測定，獲得樣品流變特征值。流變特性測定[12]：板間距為1 mm，溢出樣品剔除，用硅油密封，然后在淀粉的線性黏彈區(qū)對樣品進(jìn)行動態(tài)時間掃描，測量4 ℃溫度下0～2 h內(nèi)樣品的損耗模量(G″)與儲能模量(G′)。G′(t)和G′(0)分別為儲能模量的瞬時值和初始值，損耗角正切值tanδ=G″/G′。

1.3.4 凝膠硬度測定

將樣品在4 ℃條件下儲藏1、7、14 d的長期老化淀粉凝膠切割成形狀相同的小塊，用TA-XT Plus型質(zhì)構(gòu)儀測定其硬度。樣品測定參數(shù)設(shè)定：TPA模式，P/0.5探頭，測試速度為1.0 mm/s，壓縮程度為40%。

1.3.5 熱力學(xué)性質(zhì)測定

將樣品在4 ℃條件下儲藏1、7、14 d的長期老化淀粉凝膠真空冷凍干燥，得粉末樣品。稱取3 mg樣品裝入DSC鋁盒中，按樣品與水的質(zhì)量比1∶3加入超純水，用壓片機(jī)密封鋁盒，室溫平衡12 h。測定時以空鋁盒為參比，參數(shù)設(shè)置：掃描溫度范圍30～130 ℃，升溫速率10 ℃/min。用TA Universal Analysis軟件計算出樣品吸熱峰的峰值溫度(Tp)和焓值(ΔH)。

1.3.6 紅外光譜掃描

將按1.3.5中方法制備的粉末樣品和干燥至恒重的溴化鉀粉末以質(zhì)量比1∶100比例混合均勻，充分研磨后壓片，對樣品進(jìn)行紅外光譜掃描。光譜范圍為4 000～400 cm-1，掃描次數(shù)為64，分辨率為4 cm-1。用OMNIC 9.2版軟件進(jìn)行基線校準(zhǔn)并去卷積，去卷積范圍為1 200～800 cm-1，設(shè)置半峰寬和增強(qiáng)因子，計算1 047和1 022 cm-1附近處的峰高比值。

1.3.7 X-射線衍射

測試條件：采用Cu-Ka射線，管壓40 kV，管流40 mA，掃描區(qū)域?yàn)?θ=4°～40°，掃描速率5(°)/min。用Jade 6.0軟件計算樣品的相對結(jié)晶度。

1.4 數(shù)據(jù)與統(tǒng)計分析

所有試驗(yàn)均重復(fù)3次，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。采用SPSS 22軟件中的One-way ANOVA對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析(P<0.05)，Origin 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種晶型淀粉與月桂酸復(fù)合的流變特性

儲能模量(G′)的變化是監(jiān)測淀粉老化進(jìn)程的重要指標(biāo)。G′(t)和G′(0)分別代表儲能模量的瞬時值和初始值，其比值反應(yīng)了淀粉的老化速度。玉米淀粉(A型)、馬鈴薯淀粉(B型)和錐栗淀粉(C型)等3種晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸復(fù)合物2 h內(nèi)隨時間變化的G′(t)/ G′(0)值變化見圖1，tanδ值變化見圖2。

由圖1可知，3種晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸復(fù)合物的G′(t)/G′(0)值在2 h內(nèi)均隨掃描時間的延長而增大，但復(fù)合物的值顯著小于對應(yīng)的淀粉糊化物的值(P<0.05)。這表明無論是否與月桂酸復(fù)合，3種晶型淀粉糊化物2 h內(nèi)都發(fā)生快速老化，而淀粉-月桂酸復(fù)合物短期回生更慢。這與Li等[12]在研究海藻酸鈉對玉米淀粉回生特性影響時所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。淀粉糊化后的直鏈淀粉相互間以氫鍵快速締結(jié)，進(jìn)行重結(jié)晶[13]，使得凝膠彈性增強(qiáng)，因此所有樣品的G′(t)/ G′(0)值都增大[12]，均出現(xiàn)短期回生。短鏈脂肪酸與糊化解旋的直鏈淀粉在外力作用下通過氫鍵和范德華力結(jié)合，脂肪酸嵌入淀粉螺旋結(jié)構(gòu)中，可防止水分外溢，不利于彈性凝膠形成，淀粉短期老化延緩。

由圖2可看出，3種晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸復(fù)合物的的tanδ值均小于0.3，且在2 h內(nèi)均隨掃描時間的延長而降低。這表明儲能模量(G′)遠(yuǎn)大于損耗模量(G″)，淀粉糊化后黏性成分逐漸減少，彈性成分增加，主要發(fā)生彈性形變，材料呈固態(tài)。Chen等[14]在研究大米淀粉時也得出了相似實(shí)驗(yàn)結(jié)果。玉米淀粉和錐栗淀粉糊化后與月桂酸形成的復(fù)合物的tanδ值高于對應(yīng)淀粉的糊化物，說明與月桂酸復(fù)合對短期老化有抑制作用。這與G′(t)/G′(0)變化規(guī)律相一致。但馬鈴薯淀粉與月桂酸形成的復(fù)合物的tanδ值卻低于對應(yīng)淀粉的糊化物。這可能是馬鈴薯淀粉的聚合度高，支鏈淀粉結(jié)合了大量磷酸基團(tuán)，因此BGS黏度大，tanδ值最高。但復(fù)合后，月桂酸干擾了磷酸基團(tuán)與淀粉分子和水分子之間的相互作用，進(jìn)而降低體系黏度，因此BSF的tanδ值較BGS更低。

圖1 3種晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸復(fù)合物隨時間變化的G′(t)/G′(0)值

圖2 3種晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸復(fù)合物隨時間變化的tanδ值

2.2 3種晶型淀粉與月桂酸復(fù)合的熱力學(xué)性質(zhì)

3種晶型淀粉形成的糊化物和淀粉-月桂酸復(fù)合物儲藏一段時間后的熱力學(xué)曲線見圖3，回生熱力學(xué)參數(shù)見表1。根據(jù)圖3可見，3種晶型淀粉的淀粉-月桂酸復(fù)合物分別在40～45 ℃(峰Ⅰ)、50～65 ℃(峰Ⅱ)、95～105 ℃(峰Ⅲ)和110～120 ℃(峰Ⅳ)處出現(xiàn)吸熱峰，而淀粉糊化物則只在50～65 ℃(峰Ⅱ)和95～105 ℃(峰Ⅲ)處出現(xiàn)吸熱峰。峰Ⅰ對應(yīng)于游離月桂酸的熔融峰，峰Ⅱ?qū)?yīng)于支鏈淀粉重結(jié)晶的熔融峰[10,15-17]，峰Ⅲ和峰Ⅳ均為復(fù)合物的熔融峰[10,15,17]。與對應(yīng)的淀粉糊化物相比，復(fù)合物的熱力學(xué)曲線中除增加了峰Ⅰ(游離月桂酸的熔融峰)外，還增加了峰Ⅳ，表明復(fù)合物中形成了新的復(fù)合物。

表1可知，當(dāng)儲藏時間從1 d增加到14 d時，3種晶型淀粉的糊化物和對應(yīng)淀粉-月桂酸復(fù)合物于峰Ⅱ處的熔融焓ΔH均顯著增大(P<0.05)。這說明此3種晶型淀粉糊化物和復(fù)合物隨著儲藏時間延長，支鏈淀粉重結(jié)晶增多，淀粉老化。相同儲藏時間的3種晶型淀粉的糊化物于峰Ⅱ處的熔融焓ΔH顯著高于對應(yīng)的淀粉-月桂酸復(fù)合物(P<0.05)。這說明淀粉與月桂酸復(fù)合后抑制了支鏈淀粉的重結(jié)晶，延緩了淀粉的長期老化。Arik等[15]實(shí)驗(yàn)也有類似結(jié)果。之所以與月桂酸復(fù)合會對淀粉長期老化產(chǎn)生影響，可能是由于直鏈淀粉與月桂酸復(fù)合后延緩了直鏈淀粉的重聚，支鏈淀粉回生所需的晶核數(shù)量減少，從而抑制了支鏈淀粉的重聚和結(jié)晶[18]，延緩了淀粉的老化。

圖3 儲藏時間對3種晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸復(fù)合物回生熱力學(xué)曲線的影響

表1 儲藏時間對3種晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸復(fù)合物回生熱力學(xué)參數(shù)的影響

2.3 3種晶型淀粉與月桂酸復(fù)合的凝膠硬度

糊化淀粉在冷卻和儲藏過程中，直鏈淀粉和支鏈淀粉通過氫鍵重聚，從無序狀態(tài)逐漸恢復(fù)到有序狀態(tài)，淀粉糊形成凝膠。凝膠硬度一定程度上反映了淀粉的老化程度[19，20]。玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和錐栗淀粉等3種晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸復(fù)合物在4 ℃條件下儲存1、7、14 d后，各樣品的凝膠硬度如圖4所示。所有樣品的凝膠硬度在1、7、14 d 3個時間段均隨儲藏時間增加而顯著增大(P<0.05)，也即所有樣品隨儲藏時間增加發(fā)生老化。3種晶型淀粉的糊化物在相同儲存期的凝膠硬度由高到低依次為：玉米淀粉、錐栗淀粉和馬鈴薯淀粉。相同儲藏時間，3種晶型淀粉與月桂酸復(fù)合后的凝膠硬度均顯著小于對應(yīng)的淀粉糊化物(P<0.05)。儲存14 d時，玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和錐栗淀粉形成的淀粉-月桂酸復(fù)合物與對應(yīng)淀粉糊化物相比，硬度分別下降了408、169、360 g。這與Zhang等[20]和Morikawa等[21]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。月桂酸與淀粉的復(fù)合就是在淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)之間嵌入月桂酸[22]。嵌入月桂酸增大了淀粉凝膠連接點(diǎn)間的距離，減少了聚集密度，因此淀粉凝膠硬度降低。馬鈴薯淀粉復(fù)合后硬度降低小，可能是由于馬鈴薯淀粉分支結(jié)構(gòu)復(fù)雜、粒徑較大，與月桂酸形成的復(fù)合物較少，因此對老化影響小。這一點(diǎn)與表1中峰I處未復(fù)合的游離月桂酸的吸熱焓值大小變化規(guī)律相一致。

注：不同字母表示相同樣品不同儲藏時間存在差異性顯著(P<0.05)。*表示相同儲藏時間同一淀粉的糊化物與淀粉-月桂酸復(fù)合物之間存在顯著性差異(P<0.05)，**表示存在極顯著差異(P<0.01)。下同。圖4 儲藏時間對3種晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸復(fù)合物凝膠硬度的影響

2.4 3種晶型淀粉與月桂酸復(fù)合的紅外光譜

淀粉在1 200～800 cm-1波段的紅外光譜可反映其結(jié)構(gòu)的短程有序性，1 047cm-1和1 022 cm-1附近的特征吸收峰分別代表淀粉顆粒中有序結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)[23]。儲藏時間對3種晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸復(fù)合物吸收峰比值(R1 047/1 022)的影響見圖5。3種晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸復(fù)合物的R1 047/1 022值在1、7、14 d 3個時間段隨儲藏時間的增加而顯著增大(P<0.01)。相同儲藏時間同一種淀粉糊化物的R1 047/1 022值極顯著高于相應(yīng)的淀粉-月桂酸復(fù)合物(P<0.01)。這說明3種晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸復(fù)合物在儲存期間均逐漸老化，糊化淀粉與月桂酸復(fù)合后可以有效抑制淀粉重結(jié)晶，延緩糊化淀粉的老化。Yu[10]在研究硬脂酸和海藻酸鈉對小麥淀粉回生特性的影響時也有相似實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3種晶型淀粉糊化物的R1 047/1 022值中玉米淀粉的最大，馬鈴薯淀粉的最小。這可能是由于馬鈴薯淀粉的葡聚糖鏈最長，分支最多，在重結(jié)晶過程中阻力最大，而玉米淀粉的葡聚糖鏈短，在回生過程中淀粉分子更容易自身締合形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。

圖5 儲藏時間對3種晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸復(fù)合物的R1 047/1 022值的影響

2.5 3種晶型淀粉與月桂酸復(fù)合的X-射線衍射圖

3種晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸復(fù)合物隨儲藏時間變化的X-射線衍射圖(XRD)見圖6。樣品衍射特征峰位置和相對結(jié)晶度檢測結(jié)果見表2。

從圖6和表2可看出，儲藏14 d期間玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和錐栗淀粉等3種晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸復(fù)合物的衍射峰均沒有發(fā)生明顯改變。但3種晶型淀粉的糊化物出現(xiàn)衍射峰的位置不一樣，其中玉米淀粉在17°和20°處出現(xiàn)，馬鈴薯淀粉則在15°、17°、20°和22°處，而錐栗淀粉在17°、20°和22°處。17°處的衍射峰為淀粉重結(jié)晶的特征峰[24]，20°處的衍射峰為V型復(fù)合物的特征峰[25]，其他衍射峰是由于糊化和回生過程中淀粉顆粒內(nèi)部的堆積狀態(tài)發(fā)生了改變，分子進(jìn)行重排，從而形成的新衍射峰。衍射峰位置不同的3種晶型淀粉糊化物，卻在與月桂酸復(fù)合物后，且在1、7、14 d的儲藏期間均同時在8°、13°、17°和20°處出現(xiàn)衍射峰。這表明3種晶型淀粉糊化后與月桂酸復(fù)合形成了相同的晶型物質(zhì)。8°、13°、20°處為V型淀粉的特征峰[25]。這說明3種晶型淀粉與月桂酸復(fù)合后均形成了V型淀粉。這與Godet等[26]的研究結(jié)果一致。

由圖6可看出，3種晶型淀粉的糊化物在17°處的衍射峰強(qiáng)度隨儲存時間的延長而增大，說明淀粉在儲存期間發(fā)生了重結(jié)晶。 Chang[27]等的研究也有類似結(jié)論。與淀粉糊化物相比，3種晶型淀粉的淀粉-脂肪酸復(fù)合物均在8°和13°處出現(xiàn)新衍射峰，且在20°處的衍射峰增強(qiáng)，表明復(fù)合后V型淀粉增多，但在17°處的衍射峰減弱，說明與月桂酸復(fù)合阻礙了淀粉的重結(jié)晶。淀粉在與月桂酸形成復(fù)合物和自身重結(jié)晶間存在競爭，糊化后淀粉更傾向形成V型淀粉[28]。

圖6 儲藏時間對3種晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸復(fù)合物的X-射線衍射圖的影響

在14 d儲存期間，3種晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸復(fù)合物的結(jié)晶度均隨著儲存時間的延長而顯著增大(P<0.05)。這表明糊化后支鏈淀粉仍在不斷地重結(jié)晶。3種晶型淀粉形成的淀粉-月桂酸復(fù)合物的結(jié)晶度顯著小于其對應(yīng)淀粉糊化物，說明與月桂酸復(fù)合延緩了淀粉的長期老化。

表2 儲藏時間對3種晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸復(fù)合物相對結(jié)晶度的影響

3 結(jié)論

玉米淀粉(A型)、馬鈴薯淀粉(B型)和錐栗淀粉(C型)等3種天然晶型淀粉糊化后與月桂酸形成的復(fù)合物在短期老化和長期老化性能方面具有不同的變化規(guī)律。無論是否與月桂酸復(fù)合，3種晶型淀粉糊化后在2 h內(nèi)均快速老化，但與月桂酸復(fù)合后的G′(t)/ G′(0)值和tanδ值均顯著低于和高于對應(yīng)的淀粉糊化物，表明復(fù)合能抑制淀粉短期老化。

當(dāng)儲藏時間從1 d增加到14 d時，3種晶型淀粉的糊化物和對應(yīng)淀粉-月桂酸復(fù)合物的回生熱力學(xué)曲線、凝膠硬度、紅外光譜吸收峰比值R1 047 /1 022、X-射線衍射圖的變化規(guī)律均表明隨著儲藏時間延長，淀粉均出現(xiàn)老化現(xiàn)象，但與月桂酸形成復(fù)合物后能顯著抑制淀粉的老化進(jìn)程。與糊化物相比，3種晶型淀粉-月桂酸復(fù)合物的熱力學(xué)曲線中于110～120 ℃(峰Ⅳ)處出現(xiàn)新峰，證實(shí)淀粉與月桂酸形成了新的復(fù)合物。X-射線衍射圖的衍射峰顯示，在14 d的儲藏期，3種晶型淀粉與月桂酸復(fù)合后形成了更多的V型淀粉，于17°處的衍射峰減弱，相對結(jié)晶度顯著降低，因而淀粉的長期老化得到了抑制。