基于多尺度結(jié)構(gòu)表征研究直鏈淀粉-番茄紅素復(fù)合物的組裝方式

趙文紅，何 穎，宮兆海，關(guān)二旗,

（1.河南工業(yè)大學(xué) 國家糧食和物資儲備局糧油食品工程技術(shù)研究中心，河南省重點實驗室，河南 鄭州 450001；2.山東魯花集團有限公司，山東 萊陽 265229）

番茄紅素是一種新型功能性食用色素，具有異戊二烯化學(xué)結(jié)構(gòu)（圖1）?；谄涠嚯p鍵結(jié)構(gòu)（13 個不飽和雙鍵），番茄紅素具有強抗氧化活性，能夠淬滅活性氧[1]、消除人體自由基[2]、增強機體免疫[3]等作用。流行病學(xué)調(diào)查顯示膳食攝入番茄紅素及其制品可有效降低血漿低密度膽固醇、延緩動脈粥樣硬化、保護心血管并預(yù)防多種癌癥[4]的發(fā)生。但番茄紅素較差的物理化學(xué)穩(wěn)定性和生物利用度制約了其在食品、藥品及化妝品等領(lǐng)域的應(yīng)用。利用改性糊精[5]、乳蛋白[6]以及植物蛋白-多糖復(fù)合物等制備番茄紅素的負(fù)載體系能夠較大程度提高番茄紅素的水溶性改善其生物利用度[7]。Silva等[8]采用明膠-果膠復(fù)合材料為壁材制備番茄紅素微膠囊，可高效封裝番茄紅素，但不能有效阻止貯存過程中番茄紅素的降解；Pelissari等[9]的研究表明，在5 ℃真空貯存番茄紅素脂質(zhì)體90 d后，其中番茄紅素的損失率達到60%；Tan Chen等[10]發(fā)現(xiàn)在4 ℃充氮貯存番茄紅素脂質(zhì)微粒20 d后，其中番茄紅素的損失率為58%。因此，仍需開發(fā)新的番茄紅素載體以改善番茄紅素穩(wěn)定性并拓寬其實際應(yīng)用。

圖1 全反式番茄紅素的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 Chemical structure of lycopene

食品組分間通過主客體作用，利用主體結(jié)構(gòu)特征形成主客體包結(jié)物，是保護內(nèi)容物、改善產(chǎn)品穩(wěn)定性的常用手段。目前包合物制劑多為環(huán)糊精類物質(zhì)，利用其分子結(jié)構(gòu)中的剛性空腔包埋客體分子。但由于番茄紅素為長鏈型多不飽和碳?xì)浣Y(jié)構(gòu)，鏈長達4.0～6.8 nm，而環(huán)糊精為剛性結(jié)構(gòu)，其包合效果受空腔直徑（0.47～0.83 nm）和深度（0.79 nm）尺寸限制的影響[11]。因此，尚需進一步研究開發(fā)合適的復(fù)合載體，以保護內(nèi)容物、促進產(chǎn)品穩(wěn)定性。

淀粉為線性多糖，在解鏈再重排過程中可與客體自發(fā)地組裝或聚集形成超分子復(fù)合物[12]，因而作為柔性基材已被應(yīng)用于敏感性活性成分的復(fù)合與保護中[13-14]。伍秀英[15]以多孔淀粉為壁材包埋番茄紅素，提高了番茄紅素的穩(wěn)定性及其在食品體系中的分散性；Rocha等[16]使用改性淀粉復(fù)合番茄紅素，其復(fù)合率（復(fù)合的番茄紅素占番茄紅素制備總量的比例）在21.01%～29.73%之間。前期實驗發(fā)現(xiàn)：土豆來源的直鏈淀粉（聚合度（degree of polymerization，DP）約1000～6000）與玉米及小麥淀粉（DP為200～1200）相比具有更大的分子長度，因而更適用于番茄紅素等長鏈物質(zhì)的復(fù)合組裝。本課題組前期采用土豆來源的直鏈淀粉為柔性基材，基于淀粉的回生過程，制備了直鏈淀粉-番茄紅素復(fù)合物（amyloselycopene complexes，ALCs）。該復(fù)合物對番茄紅素的復(fù)合率可達（81.42±0.63）%，與Ranveer等[17]采用蔗糖和明膠包封番茄紅素的復(fù)合率（63.90%～82.20%）相當(dāng)。ALCs在加速實驗和常溫避光貯存情況下能有效保持番茄紅素的色澤、含量及抗氧化活性[18]。其中，室溫避光保存28 d后，復(fù)合物中番茄紅素的保留率可達（65.85±0.17）%，結(jié)果表明：ALCs能有效改善番茄紅素的貯藏穩(wěn)定性。但該復(fù)合物的精細(xì)結(jié)構(gòu)及組裝方式尚需進一步明確。本研究即在ALCs的制備基礎(chǔ)上，采用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）觀察復(fù)合物表面微觀形貌；采用X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）分析復(fù)合物結(jié)晶結(jié)構(gòu)；采用差示掃描量熱儀（differential scanning calorimetry，DSC）分析復(fù)合物的類型；采用傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）研究復(fù)合物中主客體復(fù)合類型；使用13C CP/MAS核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）分析復(fù)合物的螺旋結(jié)構(gòu)。通過分析表征復(fù)合物的表面微觀結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、晶體類型、晶體構(gòu)成（無定型、雙螺旋和單螺旋），明確ALCs主客體可能的組裝方式，以揭示其增強番茄紅素穩(wěn)定性的機制，以期為淀粉基番茄紅素穩(wěn)定制劑的制備提供理論依據(jù)，促進番茄紅素作為功能性色素在食品、藥品和材料等方面的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

直鏈淀粉（土豆來源，75%）、番茄紅素 上海源葉生物科技有限公司；蒸餾水由實驗室自制；二甲基亞砜、無水乙醇（均為分析純）天津科密歐儀器試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

X Pert PRO型XRD儀 荷蘭PANalytical公司；AVANCE III 400WB超導(dǎo)（固體）NMR儀 德國布魯克公司；超聲波儀 深圳德瑞超聲儀器有限公司；MX-S渦旋振動器、MS-H280-Pro恒溫磁力攪拌器 美國Scilogex公司；氮吹儀、DZF-6050真空干燥箱 上海齊欣科學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 ALCs的制備

將300 mg直鏈淀粉分散于0.4 mL無水乙醇中，加30 mL蒸餾水溶解，95 ℃水浴5 min；將15 mg番茄紅素溶于15 mL二甲基亞砜溶液中，保溫至50 ℃?zhèn)溆?；將直鏈淀粉溶液降溫?0 ℃與番茄紅素溶液混合，500 r/min攪拌2 h后，靜置，程序降溫至4 ℃冷藏6 h；經(jīng)1500 r/min離心30 min，棄去上清液；加10 mL無水乙醇渦旋振蕩1 min，2500 r/min離心25 min，棄去上清液，重復(fù)清洗2 遍，除去殘余溶液和游離的番茄紅素后真空干燥，即得ALCs。所有操作均在避光、避氧條件下進行。

1.3.2 ALCs復(fù)合指數(shù)（composite index，CI）的測定

采用碘藍法測定ALCs的CI，以評價淀粉對番茄紅素的復(fù)合作用。稱取0.1 g樣品分散于1 mL乙醇溶液中，加入9 mL 1 mol/L的NaOH溶液，于100 ℃水浴鍋熱處理10 min后定容至10 mL。取2 mL定容液依次加入3 mL 0.09 mol/L NaOH溶液、50 mL水、1 mL 1 mol/L乙酸溶液、1 mL實驗用碘液，定容至100 mL；放置15 min后，在680 nm波長處測其吸光度。以直鏈淀粉為對照，根據(jù)吸光度的變化，通過式（1）計算其CI：

式中：A0為對照吸光度；A1為ALCs的吸光度。

1.3.3 ALCs的微觀結(jié)構(gòu)測定

室溫條件下，采用SEM測定ALCs的微觀結(jié)構(gòu)。將樣品均勻涂于薄層導(dǎo)電雙面膠上，使用真空噴涂儀對樣品噴金處理1 min，設(shè)置操作電壓為3.00 kV，使用SEM觀測復(fù)合物樣品的微觀形貌，分析樣品的顆粒大小及其形狀。

1.3.4 ALCs結(jié)晶結(jié)構(gòu)的測定

室溫條件下，采用XRD對ALCs進行測試，以表征復(fù)合物結(jié)晶結(jié)構(gòu)。將樣品均勻平鋪于樣品池中，置于XRD儀樣品臺中準(zhǔn)備測試。設(shè)置測試參數(shù)為：銅靶CuKα（λ＝0.1540598 nm），測試管壓40 kV，測試管流40 mA，掃描范圍（2θ）5°～36°，掃描速率2°/min，步長0.02°。使用MDI Jade 6.0軟件計算相對結(jié)晶度。

1.3.5 ALCs結(jié)晶穩(wěn)定性測定

通過DSC對ALCs（已干燥至恒定質(zhì)量）進行熱變分析，研究復(fù)合物類型。取3 mg樣品置于鋁盒中并加入7 μL蒸餾水，將鋁盒壓緊密封，室溫放置12 h后，進行測試。將樣品盤放置于樣品臺上，先將樣品在25 ℃保持5 min，再以5 ℃/min升溫至200 ℃，記錄復(fù)合物樣品的相變起始溫度T0、峰值溫度Tp、終止溫度Tc，并計算焓變ΔH等熱變參數(shù)。

1.3.6 ALCs中主客體復(fù)合類型測定

室溫條件下對ALCs進行FTIR分析，以研究復(fù)合物中主客體復(fù)合類型。實驗采用溴化鉀壓片法制樣，將樣品與溴化鉀以1∶100比例混合，使用模具壓片，設(shè)置背景為溴化鉀和空氣，掃描次數(shù)為64，分辨率為4 cm－1。

1.3.7 ALCs結(jié)構(gòu)組成的測定

采用13C CP/MAS NMR測定ALCs的結(jié)構(gòu)有序性。取干燥過的ALCs樣品100 mg，用模具壓實后密封置于樣品管中，放置于儀器樣品池中檢測。設(shè)置參數(shù)為：接觸時間13 ms，掃描速率20 Hz，掃描次數(shù)4096，譜寬38 KHz，檢測頻率100 MHz。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

實驗所得數(shù)據(jù)采用Origin 8.5軟件和Microsoft Excel 2016軟件制圖，并用SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計學(xué)處理，各項指標(biāo)表示為，以P＜0.05為差異顯著，P＜0.01為差異極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 ALCs淀粉對番茄紅素的包合效果

采用碘量法研究ALCs中淀粉對番茄紅素的包合效果，其原理是基于熱力作用下碘分子進入直鏈淀粉的疏水螺旋空腔形成復(fù)合物，根據(jù)淀粉和碘復(fù)合的程度，在680 nm波長處發(fā)生吸光度變化，藍值越大，則復(fù)合程度越小。CI表示螺旋空腔中進入番茄紅素的直鏈淀粉（復(fù)合）占直鏈淀粉總量的百分比。

本研究中ALCs的CI為（17.10±0.01）%，表明番茄紅素存在進入直鏈淀粉螺旋空腔（約17%）中的行為，即直鏈淀粉可包合番茄紅素形成復(fù)合物。Chen Bingyan等[19]采用蓮子淀粉包合不同脂肪酸（C8～C18），其CI為54.60%～86.30%。與之相比，ALCs的CI相對較低，這是由于直鏈淀粉-配體復(fù)合物的包合效果取決于配體C鏈的長度[20]。與脂肪酸相比，番茄紅素具有40 個碳的長異戊二烯結(jié)構(gòu)，其鏈長可能太長而無法被直鏈淀粉完全包埋[19]，僅部分碳鏈進入直鏈淀粉螺旋腔[21]。因此，需進行進一步結(jié)構(gòu)表征以揭示直鏈淀粉-番茄紅素的組裝方式。

2.2 ALCs的微觀結(jié)構(gòu)

采用SEM觀察直鏈淀粉、番茄紅素及ALCs的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖2所示，直鏈淀粉呈球狀、橢球狀和不規(guī)則塊狀，表面光滑有少許凹陷，顆粒間無黏連，粒徑約為（10.5±0.5）μm（圖2a）；番茄紅素呈規(guī)則的片層狀結(jié)構(gòu)（圖2b）；ALCs鏡下觀察可見不規(guī)則球狀、表面有破損孔洞和凹陷，顆粒間基本無黏連（圖2c1）。這與Fanta等[22]制備的直鏈淀粉-脂肪酸復(fù)合物具相似的微觀結(jié)構(gòu)；此外，ALCs的制備為濕熱處理，因此可能對淀粉微觀結(jié)構(gòu)造成破壞，可見部分顆粒嚴(yán)重凹陷（圖2c2）；ALCs的完整球狀顆粒粒徑約為（17.5±0.8）μm，約為原直鏈淀粉的1.7 倍。Loksuwan[23]制備的木薯淀粉-β-胡蘿卜素復(fù)合物也為2～18 μm之間的球形微晶。因此，與原淀粉顆粒相比，ALCs形成復(fù)合物后為粒徑增大的不規(guī)則球狀顆粒。

圖2 直鏈淀粉（a）、番茄紅紅素（b）及ALCs（c）的SEM圖Fig.2 SEM of amylose (a),lycopene (b) and ALCs (c)

2.3 ALCs的晶體結(jié)構(gòu)

XRD圖譜常用來反映樣品的結(jié)晶類型，其中衍射尖峰通常反映完整的微晶晶體；而衍射寬峰反映不完整的、具有一定缺陷的晶體，這類破損的晶體稱為亞微晶[24]。采用XRD儀對直鏈淀粉及ALCs進行衍射測定，以解析其結(jié)晶結(jié)構(gòu)，結(jié)果見圖3；并采用MDI JADE 6.0軟件分析計算結(jié)晶度，研究其晶體結(jié)構(gòu)含量，結(jié)果見表1。

表1 直鏈淀粉及ALCs的結(jié)晶度Table 1 Relative crystallinity (RC) of amylose and ALCs

圖3 直鏈淀粉及ALCs的XRD圖Fig.3 XRD patterns of amylose and ALCs

如圖3所示，直鏈淀粉分別在15.18°、17.31°、18.02°、19.80°、23.04°和26.39°處存在衍射尖峰（圖3a）。其中15.18°、17.31°、18.02°和23.04°這4 處衍射尖峰為A-型微晶的特征衍射峰，19.80°和26.39°處的衍射尖峰為B-型微晶的特征衍射峰，因此，直鏈淀粉表現(xiàn)為A＋B-型晶體結(jié)構(gòu)，其結(jié)晶度達（48.53±0.87）%；從ALCs衍射圖譜中可見：與原淀粉相比，其衍射尖峰消失，在13°和20°處存在典型的衍射寬峰（圖3b），這與前人研究制備的淀粉-脂肪酸復(fù)合物結(jié)構(gòu)一致[25]，具有典型的V-型晶體結(jié)構(gòu)[26]，結(jié)晶度為（65.32±0.22）%。已有研究表明，配體的存在利于V-型結(jié)構(gòu)的形成[27]，會引起淀粉B-型結(jié)構(gòu)向V-型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變[28]；另外，其中的支鏈淀粉具有‘記憶’功能，經(jīng)重結(jié)晶后仍形成數(shù)目基本固定的雙螺旋結(jié)構(gòu)[29]。XRD分析結(jié)果表明，基于直鏈淀粉的熱特性，其回生再結(jié)晶過程中，由于番茄紅素存在誘導(dǎo)形成V-型亞微晶結(jié)構(gòu)復(fù)合物。

2.4 ALCs的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

從焓變的角度可分析復(fù)合物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。本研究采用DSC分析研究直鏈淀粉和ALCs的熱特性變化，其參數(shù)結(jié)果見表2。其中T0、TP、Tc反映樣品晶體結(jié)構(gòu)向無定型轉(zhuǎn)變的溫度變化，ΔH則表示破壞結(jié)晶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的吸熱焓變[30]。

表2 直鏈淀粉和ALCs的熱特性參數(shù)Table 2 Thermal characteristics of amylose and ALCs

物質(zhì)的熱穩(wěn)定性可以通過DSC曲線中的相變溫度進行比較[31]，其峰值溫度Tp越高表明復(fù)合物的熱穩(wěn)定性越好[32]。由表2 可知，ALCs的峰值溫度Tp為（122.43±0.41）℃，顯著高于原淀粉（（70.55±0.51）℃）（P＜0.05）。以往的研究認(rèn)為，通過糊化和重結(jié)晶過程形成的回生淀粉具有更好的熱穩(wěn)定性[33]。本研究中ALCs的制備即基于淀粉的糊化與重結(jié)晶過程，因此，與原淀粉相比，ALCs相變溫度更高。

淀粉基復(fù)合物通常具有I型和II型兩種類型的結(jié)構(gòu)[25]。其中，I型復(fù)合物具有較低的T0（＜100 ℃）和較低的糊化焓（ΔH），而II型復(fù)合物具有更高的T0（＞100 ℃）和更高的ΔH[32,34]。由表2可見，ALCs的起始溫度T0為（106.72±0.63）℃（＞100 ℃），高于原直鏈淀粉的（67.14±0.67）℃。結(jié)果表明，ALCs為II型復(fù)合物，其結(jié)晶結(jié)構(gòu)與原淀粉相比具有更好的穩(wěn)定性。此外，ALCs的焓變ΔH為（138.92±0.85）J/g，顯著大于淀粉的（11.61±0.39）J/g（P＜0.05），說明與直鏈淀粉相比，更大的能量才能改變其晶體結(jié)構(gòu)，因此，ALCs結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更高。

2.5 ALCs的分子結(jié)構(gòu)

測定直鏈淀粉、番茄紅素、兩者混合物及ALCs的紅外光譜，分析其分子基團結(jié)構(gòu)，以研究ALCs中主客體的復(fù)合類型，結(jié)果見圖4。在紅外光譜圖中，1164 cm－1處和930 cm－1處分別為淀粉的糖苷鍵C—O—C和α-1,4糖苷鍵的特征吸收峰；在1022 cm－1處的吸收峰用于表征淀粉的無定形結(jié)構(gòu)[35]。與原淀粉相比，ALCs譜圖中存在α-1,4糖苷鍵特征吸收（930 cm－1），同時1022 cm－1處無定型區(qū)的吸收峰收窄變尖。由2.1節(jié)碘藍法檢測淀粉對番茄紅素的復(fù)合結(jié)果可知，回生過程中分子重排，客體番茄紅素可進入淀粉螺旋空腔，占據(jù)約17%的結(jié)合點，形成螺旋有序結(jié)構(gòu)，因此，ALCs可能具有更好的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。該變化與2.3節(jié)的相對結(jié)晶度分析結(jié)果相印證，ALCs結(jié)晶度（（65.32±0.22）%）高于原淀粉（（48.53±0.87）%）。

圖4 直鏈淀粉、番茄紅素及其混合物和ALCs的FTIR Fig.4 FTIR of amylose,lycopene,their mixture and ALCs

1640 cm－1處為—CH＝CH—特征伸縮振動峰，1674 cm－1處為C＝C伸長振動吸收峰，960 cm－1處為反式單烯雙取代的R1HC＝CR2H（反式）搖擺振動吸收峰，該處吸收為番茄紅素的特征吸收[36]。與物理混合物相比，ALCs的紅外吸收光譜中未觀察到960 cm－1處的番茄紅素特征吸收峰。這是由于特征吸收峰會保留在兩種材料的物理混合物中[37]；而在主客體形成的包合物中，其FTIR表現(xiàn)為客體分子原有的特征峰發(fā)生位移、減弱或消失[38]。Liu Benguo等[21]對環(huán)糊精-木犀草素的結(jié)構(gòu)表征中觀察到木犀草素的B環(huán)插入β-CD的空腔中形成包合物，其配體分子的原始特征吸收峰的消失。本研究中番茄紅素（R1HC＝CR2H）在960 cm－1處的光譜特征消失，同時，ALCs的紅外光譜中未出現(xiàn)新的吸收峰。由此推斷，直鏈淀粉與番茄紅素可能發(fā)生了主客體復(fù)合作用，通過氫鍵、疏水相互作用和其他分子間作用力形成了ALCs，從而掩蓋了番茄紅素的特征吸收。FTIR結(jié)果表明，直鏈淀粉經(jīng)熱處理后晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，包合配體番茄紅素形成ALCs。

2.6 ALCs的結(jié)構(gòu)組成

固體NMR譜圖中峰的化學(xué)位移能夠反映物質(zhì)短程有序的結(jié)構(gòu)信息，進而可分析其精細(xì)結(jié)構(gòu)組成。本研究采用13C CP/MAS NMR檢測分析直鏈淀粉及ALCs的短程有序結(jié)構(gòu)，結(jié)果見圖5。ALCs和直鏈淀粉的NMR譜出峰位點結(jié)果見表3。ALCs與經(jīng)典的淀粉NMR譜圖具有相似的出峰位點[39]。其中，C1在δ90～110處，δ70～79為C2，3，5的化學(xué)位移，δ80～84為C4的化學(xué)位移，δ58～65為C6的化學(xué)位移。13C NMR譜可解析關(guān)于淀粉的結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)的信息，由ALCs的13C CP/MAS NMR譜圖可見，ALCs在δ100.41處顯示明顯出峰，該吸收峰在δ100.3附近說明ALCs含有V-型結(jié)構(gòu)[40]；同時，由于A-型和B-型結(jié)構(gòu)在C1區(qū)分別表現(xiàn)為三重峰和雙峰[41]，ALCs NMR譜圖中在C1區(qū)信號強峰右側(cè)δ98～103處譜峰頂部較寬，并分別在δ97.01和δ102.85處有小突起峰，另在δ92～98區(qū)間的δ94.49處有一小峰，表現(xiàn)為混合圖譜特征，說明ALCs結(jié)構(gòu)中同時還含有A-/B-型晶體結(jié)構(gòu)。固體NMR譜圖譜結(jié)果表明，ALCs主要表現(xiàn)為V-型晶體結(jié)構(gòu)，同時含有部分A-/B-型結(jié)構(gòu)。

表3 直鏈淀粉及ALCs在13C CP/MAS NMR譜圖的出峰位點Table 3 Peak positions of amylose and ALCs in 13C CP/MAS NMR spectra

圖5 直鏈淀粉（a）及ALCs（b）的NMR有序亞譜圖和無序亞譜圖Fig.5 Ordered and disordered NMR sub-spectra of amylose (a) and ALCs (b)

為進一步明晰其分子結(jié)構(gòu)，ALCs的NMR譜圖經(jīng)Solver工具處理后得到無序亞譜和有序亞譜，并采用Peak Fit軟件對分解得到的無序亞譜、有序亞譜進行分峰擬合后（擬合譜圖系數(shù)R2≥0.999），分析計算其雙螺旋結(jié)構(gòu)、單螺旋結(jié)構(gòu)及無定形態(tài)結(jié)構(gòu)含量組成。如表4所示，ALCs各結(jié)構(gòu)組成及排序為：雙螺旋（（55.95±3.25）%）＞無定形態(tài)（（26 .21 ± 2 .44 ）% ）＞V-型單螺旋（（17.84±0.96）%）。首先，ALCs含有（17.84±0.96）% V-型單螺旋結(jié)構(gòu)，驗證了2.2節(jié)XRD分析所得ALCs具有V-型亞微晶復(fù)合結(jié)構(gòu)的結(jié)果；其次，其有序（螺旋）結(jié)構(gòu)占比高達73.79%，因此與原直鏈淀粉相比，ALCs具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，該結(jié)果與DSC熱變分析結(jié)果一致。13C CP/MAS NMR分析結(jié)果表明，直鏈淀粉包合番茄紅素形成了V-型螺旋結(jié)構(gòu)，且番茄紅素與直鏈淀粉可能發(fā)生分子鏈纏繞從而使ALCs的雙螺旋結(jié)構(gòu)含量增加。

表4 直鏈淀粉和ALCs的結(jié)構(gòu)組成Table 4 Structural compositions of amylose and ALCs

3 討論

在當(dāng)今“后疫情”時代，人們的健康意識普遍提升，食品加工也加速朝著“美味、營養(yǎng)、健康”的方向發(fā)展。番茄紅素以食品添加劑、醫(yī)藥原料等形式應(yīng)用，是一種極具潛力的新型功能性食用色素。加拿大衛(wèi)生部于2017年8月批準(zhǔn)番茄紅素作為食品著色劑用于糖果、果醬、乳品飲料、肉制品、冰淇淋等系列食品（NOM/ADM-0099），并于2020年3月批準(zhǔn)其在非碳酸甜味水基飲料和運動飲料中使用（NOM/ADM-0143）；而我國國家衛(wèi)生健康委員會發(fā)布《2021年第2號公告》進一步擴大番茄紅素的使用范圍，允許其在糖果和半固體復(fù)合調(diào)味飲料中使用；《保健食品原料 番茄紅素》標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿也于2022年2月25日發(fā)布。但番茄紅素易受光照、氧氣、溫度和金屬等的影響，造成分解及損失[42]，制約了其在食品、藥品及化妝品等領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，改善番茄紅素的穩(wěn)定性是目前應(yīng)用中亟待解決的問題。

淀粉是廣泛存在于谷類、豆類植物果實及植物塊莖中的一種碳水化合物。其中，直鏈淀粉具有線性結(jié)構(gòu)，在施加的外力（熱處理、溶劑處理、超高壓等）作用下，其分子內(nèi)氫鍵相互作用、鏈狀結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，形成了疏水性的左手螺旋空腔結(jié)構(gòu)；配體分子便可借助疏水作用力進入空腔與其復(fù)合[43]，形成左手單螺旋結(jié)構(gòu)[44]；同時分子間重排可形成雙螺旋晶體結(jié)構(gòu)?；谥辨湹矸鄣膬?nèi)絡(luò)合作用可制備淀粉-配體超分子體復(fù)合物，不同的復(fù)合客體包括β-胡蘿卜素[11]、咖啡酸[45]、兒茶素[46]、姜黃素[12]、酶類及脂肪酸等。因此，直鏈淀粉可作為柔性基材用于敏感活性物質(zhì)的保護、改善其穩(wěn)定性。

淀粉基復(fù)合物具有不同的晶體結(jié)構(gòu)。Le等[47]發(fā)現(xiàn)C3至C20系列線性飽和脂肪酸的淀粉基復(fù)合物可形成V6I、V6II和V73 種晶型；Kong Lingyan等[48]的研究表明抗壞血酸棕櫚酸酯與直鏈淀粉形成V-型復(fù)合物；而Biais等[49]制備的直鏈淀粉與香氣化合物復(fù)合物分別為V6I型和V6III型復(fù)合結(jié)構(gòu)，即大部分客體分子進入螺旋腔而小部分被截留于螺旋結(jié)構(gòu)間的縫隙中?；诘矸坌再|(zhì)和前期研究對淀粉基番茄紅素復(fù)合物可能的組裝方式理論推測為：番茄紅素進入到直鏈淀粉分子的左手螺旋體結(jié)構(gòu)空腔內(nèi)形成VI型包合物（圖6a）；截留于淀粉結(jié)構(gòu)間隙形成V6III型絡(luò)合物（圖6b）；還可能與散亂的淀粉鏈相互纏繞形成凝聚物（圖6c）。不同淀粉基復(fù)合物的組裝尚需進一步通過結(jié)構(gòu)表征等研究揭示。

圖6 淀粉基復(fù)合物可能的組裝方式Fig.6 Possible assembly mode of starch based complex

本研究基于直鏈淀粉可在熱力作用下包合客體分子制備ALCs，并對其微觀結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)及精細(xì)結(jié)構(gòu)組成進行表征與分析。由碘量法檢測可知，復(fù)合物中淀粉對番茄紅素的CI為（17.10±0.01）%，表明番茄紅素可能占據(jù)約17%的淀粉螺旋空腔形成包合；復(fù)合物顆粒間無明顯黏連，呈直徑約為17 μm的球狀微晶（圖2）；其在13°和20°處顯示為衍射寬峰，這是由于直鏈淀粉在番茄紅素存在情況下，經(jīng)熱處理后其A＋B-型晶型轉(zhuǎn)變?yōu)閂-型亞微晶包合結(jié)構(gòu)（圖3），其復(fù)合物晶體結(jié)晶度可達（65.32±0.22）%（表1）；復(fù)合物的熱變參數(shù)峰值溫度Tp均高于100 ℃（表2），為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的II型晶體，因而ALCs具良好的熱穩(wěn)定性；紅外光譜顯示ALCs可能為包合型復(fù)合物，表現(xiàn)為其中的番茄紅素特征吸收峰的減弱和消失（圖4）；13C CP/MAS NMR分析可見ALCs各結(jié)構(gòu)組成（圖5），其排序為：雙螺旋（55.95%）＞無定形態(tài)（26.21%）＞V-型單螺旋（17.84%）（表4）。因此，基于表征結(jié)果推測其組裝方式為：直鏈淀粉在受熱后再重排結(jié)晶過程中部分包合番茄紅素形成V-型螺旋結(jié)構(gòu)；同時，番茄紅素與直鏈淀粉發(fā)生分子鏈纏繞形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。ALCs主客體組裝方式見圖7。

圖7 ALCs的主客體組裝方式Fig.7 Host-guest assembly mode of ALCs

4 結(jié)論

本研究基于多尺度結(jié)構(gòu)表征研究ALCs的組裝方式。研究結(jié)果表明：番茄紅素進入淀粉螺旋空腔，占據(jù)約（17.10±0.01）%的結(jié)合位點形成ALCs；ALCs為球形亞微晶的II型復(fù)合結(jié)構(gòu)；ALCs中淀粉與番茄紅素存在主客體間復(fù)合作用，形成V-型單螺旋結(jié)構(gòu)。因此，土豆來源的直鏈淀粉可通過包合和纏繞番茄紅素，組裝形成熱穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)。本研究闡明了ALCs的組裝方式，揭示了淀粉基復(fù)合物改善番茄紅素穩(wěn)定性的機制，可為拓展番茄紅素作為功能性色素在食品和藥品領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)。