淀粉鏈/支比和脂肪酸鏈長對淀粉-脂肪酸復合物結晶結構的影響

張書艷 朱 杰 李 琳,2 王 強

(東莞理工學院化學工程與能源技術學院1，東莞 523808) (華南理工大學食品科學與工程學院；華南理工大學淀粉與植物蛋白深加工教育部工程研究中心； 廣東省天然產物綠色加工與產品安全重點實驗室2，廣州 510640) (中國農業科學院農產品加工所3，北京 100193)

淀粉是食品的重要組成部分，是碳水化合物的主要貯藏形式。根據淀粉在人體內消化速度不同，淀粉可分為易消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)[1]。淀粉的消化性與人體的許多疾病息息相關，如SDS和RS有助于維持餐后血糖穩定，改善餐后血糖負荷，提高機體對胰島素的敏感性[2]。X-射線衍射圖譜可把淀粉顆粒的結晶結構分為A型、B型和C型3種[3]，淀粉的結晶結構直接影響淀粉的消化性能，如B型淀粉中的抗消化淀粉含量高于A型淀粉[1]。為進一步擴大淀粉的應用價值，提高淀粉的抗消化性，需對淀粉進行改性或修飾。有研究學者發現，淀粉與脂類物質相互作用后形成的復合物，能明顯提高淀粉基物料的功能性質，如：大幅度降低淀粉的糊化和結合水能力，延遲老化，增強對淀粉酶的水解耐受性[4]，提高淀粉光澤度、透明度和乳化穩定性等，此外，淀粉的抗消化性能也不同程度的提高。制備的復合物可廣泛用于食品、日用化學品、醫藥、造紙紡織業等[5]。

淀粉與脂肪酸復合是指脂肪酸尾部的疏水基團進入淀粉α-螺旋結構內以疏水間相互作用結合，形成穩定的單鏈螺旋結構復合物。有研究表明，淀粉的分支程度、聚合度，反應溫度、濃度以及脂類的結構(如脂肪酸的共軛性、鏈長)等是影響復合物精細結構與功能性質間關系的重要指標[6]。如脂肪酸與不同聚合度(DP30、40、80和900)的直鏈淀粉形成復合物時，直鏈淀粉的聚合度決定其薄片狀晶體的尺寸大小，隨著直鏈淀粉鏈長增加，結晶厚度隨之增加[7]。然而，支鏈淀粉含量較高的A型淀粉中抗性淀粉含量較低，目前對淀粉-脂肪酸復合物的研究主要涉及直鏈淀粉-脂肪酸復合物的結晶結構、理化性質等，缺乏進一步探究鏈/支比對淀粉-脂肪酸復合物結構的影響。本研究在前人基礎上探討了不同反應條件、淀粉鏈/支比及脂肪酸鏈長對淀粉-脂肪酸復合程度及結晶結構的影響，以期為擴大淀粉在食品加工中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

材料：蠟質玉米淀粉(waxy)：秦皇島驪華淀粉股份有限公司；普通玉米淀粉(normal)：黃龍食品工業有限公司；G50玉米淀粉、G80玉米淀粉：澳大利亞Penford有限公司；月桂酸、棕櫚酸、冰乙酸、石油醚(分析純)：天津市大茂化學試劑廠；硬脂酸(分析純)：上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 主要儀器與設備

DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：上海予華儀器設備有限公司；TG16K-Ⅱ臺式高速離心機：長沙東旺實驗儀器有限公司；Spectrumlab 22可見光分光光度計：上海棱光技術有限公司；X’Pert PRO型X-射線衍射儀：荷蘭Panlytical公司。

1.3 方法

1.3.1 反應時間對淀粉復合指數的影響

準確稱取10.0 g普通玉米淀粉于250 mL圓底燒瓶中，加入150 mL蒸餾水，于95 ℃水浴中恒溫攪拌糊化30 min。將硬脂酸按淀粉質量0.5%的比例加入淀粉糊中，在80 ℃(高于硬脂酸熔化溫度)條件下分別恒溫攪拌反應10、20、30、40 min，反應產物冷卻至室溫后，用約100 mL 50%的乙醇洗滌以除去未與淀粉反應的硬脂酸[5]，于65 ℃烘箱中干燥備用。

1.3.2 反應溫度對淀粉復合指數的影響

反應過程中的溫度變量分別為70、80、90、100 ℃，恒溫攪拌時間為30 min，其余操作均與1.3.1一致。

1.3.3 硬脂酸添加量對淀粉復合指數的影響

硬脂酸的添加量分別按淀粉質量0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、1.0%的比例加入到淀粉糊中，確定反應時間為30 min，反應溫度為80 ℃，其余操作均與1.3.1一致。

1.3.4 淀粉-脂肪酸復合指數的測定

根據郭東旭[9]測定復合指數的方法，準確稱取0.100 0 g樣品于100 mL容量瓶中，加入1 mL無水乙醇充分濕潤，后加入1 mol/L NaOH溶液9 mL，于沸水中分散10 min后定容。吸取分散液5.00 mL于100 mL容量瓶，后加入1 mL乙酸溶液(1 mol/L)，并用蒸餾水定容，最后加入碘液，顯色10 min后于620 nm處讀取吸光度，進行3次平行實驗。

式中：CI為復合指數；AS為淀粉吸光度值；AS-L為小麥淀粉-脂肪酸復合物吸光度值。

1.3.5 脂肪酸鏈長對淀粉復合指數的影響

保持脂肪酸添加量為淀粉質量的1.0%，選用不同鏈長的月桂酸、棕櫚酸、硬脂酸與普通玉米淀粉反應，其余操作均與1.3.1一致。

1.3.6 淀粉鏈/支比對淀粉復合指數的影響

準確稱取不同鏈/支比玉米淀粉各10.0 g(waxy、normal、G50、G80)，前期研究[8]中測得4種淀粉中直鏈淀粉含量分別為(0.67±0.07)%、(23.74±0.08)%、(47.31±0.05)%、(81.28±0.14)%。確定硬脂酸的添加量為淀粉質量的1.0%，反應時間為30 min，反應溫度為80 ℃，其余操作均與1.3.1一致。

1.3.7 淀粉及其脂肪酸復合物結晶結構分析

將樣品平鋪于玻璃樣品板上，并置于X-射線衍射儀的載物臺上，采用Cu-Kα射線源(λ=0.154 2 nm)，測試電壓40 kV，電流40 mA，測試2θ范圍為5°～40°，掃描步長為0.02°，掃描速度0.1(°)/s。

1.3.8 統計分析

淀粉-脂肪酸復合物的復合指數測定均進行3次平行測定，所得實驗數據均利用SPSS 22.0統計分析軟件進行方差分析(P<0.05)。

2 結果與討論

2.1 不同反應條件對復合物復合程度的影響

圖1為不同反應時間、反應溫度及不同硬脂酸添加量下普通玉米淀粉與硬脂酸的復合指數。由圖可知，隨著反應溫度的升高、反應時間的延長，CI值總體呈現先上升后下降趨勢，分別在反應溫度為80 ℃、反應時間30 min時，淀粉復合硬脂酸的能力達到最大，對應的CI值分別為30.45%、44.03%。在復合過程中，過高的溫度和過長的反應時間均會促使淀粉的螺旋形結構受到破壞，內部的疏水性基團外露，導致吸附在淀粉上的硬脂酸脫落，復合指數下降。

另外，隨著硬脂酸添加量的逐漸增大，淀粉的復合指數呈現明顯的先上升后穩定的趨勢。其中，當硬脂酸添加量為0.7%時，CI值達到最大46.01%，此時淀粉的疏水性空腔對硬脂酸的吸附能力達到飽和。當硬脂酸的濃度過高時，硬脂酸自身產生聚集作用，阻礙了淀粉-脂肪酸復合物的形成，另外，空間位阻過大也會抑制硬脂酸進入淀粉的疏水性空腔，反而進入到淀粉鏈螺旋結構的間隙，從而影響復合物的形成。

圖1 不同反應條件下普通玉米淀粉-硬脂酸的CI值

2.2 脂肪酸鏈長對復合物復合程度的影響

圖2為相同實驗條件下不同鏈長脂肪酸與普通玉米淀粉復合后的CI值。由統計學分析可知，淀粉與不同鏈長脂肪酸的復合指數呈顯著性差異，隨著脂肪酸鏈長的增加而增大。有研究表明，月桂酸和硬脂酸相比，碳鏈短的飽和脂肪酸更易與直鏈淀粉形成復合物，促使前者的復合指數明顯高于后者[10]，這與本研究結果并不一致。直鏈淀粉與脂肪酸形成復合物過程中，淀粉的螺旋結構內部的疏水性區域與脂肪酸尾部的碳鏈之間形成單螺旋包接結構，有研究表明，脂肪酸的疏水性越高，包接結構形成的幾率越大[11-12]。本研究中脂肪酸的疏水性大小順序為月桂酸<棕櫚酸<硬脂酸，從而復合指數隨脂肪酸碳鏈增長而升高。

圖2 不同鏈長脂肪酸與普通玉米淀粉復合的CI值

2.3 淀粉鏈/支比對復合物復合程度的影響

圖3為在相同實驗條件下不同鏈/支比淀粉與硬脂酸復合后的CI值。由圖3可知，隨著直鏈淀粉含量的增加，不同淀粉與硬脂酸的復合指數總體呈上升趨勢，即相比較支鏈淀粉而言，直鏈淀粉更易與脂肪酸復合。前人研究結果表明，淀粉主要通過疏水相互作用與脂肪酸分子形成淀粉-脂肪酸復合物[13]，由于支鏈淀粉是一種高度多枝杈結構的多聚體，其分支或末端直鏈部分的鏈長較短及淀粉分子本身存在較大空間位阻，且淀粉鏈的空間構象有序性較低，導致硬脂酸不易進入疏水性螺旋空腔內，妨礙了與脂肪酸的復合。隨著直鏈淀粉含量的增加，線性淀粉分子的運動性更強、空間位阻減弱，有利于淀粉與脂肪酸復合的進行。

圖3 不同鏈/支比淀粉與硬脂酸復合的CI值

2.4 脂肪酸鏈長對復合物結晶結構的影響

圖4為普通玉米淀粉及與不同鏈長脂肪酸復合后的XRD圖譜。由圖4可知，普通玉米淀粉在2θ=15.1°及23.2°處有較強的衍射峰，在2θ=17.1°和18.1°處呈現較強衍射雙峰，屬于典型的A型晶體。淀粉與不同鏈長脂肪酸復合后，3種復合物的衍射圖譜相似，均在2θ=13.5°、20.1°處有較強衍射峰(如圖所示)，表明3種復合物均形成不同程度的V型結晶結構[14]。有研究表明，當淀粉與脂肪酸復合時，較高的溫度導致復合物整體呈現V型結晶結構的同時，在2θ=14.9°、17.1°和22.6°附近出現A型結晶結構的衍射峰[15]，對于淀粉-月桂酸、淀粉-棕櫚酸復合物而言，兩種復合物的衍射圖譜在此衍射角附近出現類似衍射峰，表明這兩種復合物保留部分A型結晶。另外，對于淀粉-棕櫚酸復合物而言，在2θ=21.7°附近有較弱衍射峰，有研究表明，這可能是V型淀粉結晶的同質異晶現象導致[16]。此外，對比不同鏈長脂肪酸-淀粉復合物的X-射線衍射圖譜可知，隨著脂肪酸鏈長的增加，原淀粉的結晶結構破壞程度越高，更易形成新的V型結晶，也與2.2結果中脂肪酸碳鏈越長則復合程度越高的結果對應。

圖4 不同鏈長脂肪酸-普通玉米淀粉復合物的X-射線衍射圖譜

2.5 淀粉鏈/支比對復合物結晶結構的影響

由圖5中(a)可知，蠟質玉米淀粉在2θ=15.1°、18.1°和23.2°附近有較強衍射峰, 在2θ=17.1°和18.1°呈現雙峰，也屬A型晶體。對于蠟質淀粉而言，與硬脂酸復合之后，淀粉的特征衍射峰幾乎全部消失，形成了寬泛的彌散衍射峰，由2.3分析可知，由于蠟質淀粉分枝結構阻礙了硬脂酸順利進入疏水性空腔，生成的復合物較少，重結晶行為不明顯，故XRD圖譜未出現明顯的衍射峰，復合物整體呈現無定型態。

圖5 不同鏈/支比淀粉及其淀粉-硬脂酸復合物的X-射線衍射圖譜

由圖4c和圖4d可知，G80與G50玉米淀粉結晶結構相似，二者在2θ=15.6°、16.9°和19.5°處有較強衍射峰，在2θ=5.6°呈現較弱衍射峰，均屬B型晶體。與硬脂酸形成復合物后，仍出現B型晶體的特征衍射峰，即兩種淀粉與硬脂酸復合后，結晶結構無顯著變化，表明本研究中，高直鏈淀粉與脂肪酸以非螺旋插入方式相互作用進入疏水空腔[5]，對淀粉重結晶的影響較小。但2θ=19.5°特征峰的衍射強度增大，表明復合物生成量增多[17]；另外，在2θ=22.5°和24.2°也形成更明顯的衍射峰，可進一步證明脂肪酸晶體嵌入到淀粉的螺旋空腔[18]。

淀粉-脂肪酸復合物中晶體的成核速率(nucleation rate)主要由體系的黏度決定，淀粉分子的運動性越慢，成核速率越慢[18-19]。在本實驗中，支鏈淀粉黏度明顯高于直鏈淀粉體系，從而導致前者形成的復合物整體處于無定型態；隨著直鏈淀粉含量的增加，在更大衍射角(2θ=30.0°、33.2°)形成新的衍射峰，即高直鏈淀粉與脂肪酸形成的復合物在老化過程中更易形成小尺寸的晶體。

3 結論

在淀粉糊化后與脂肪酸的復合過程中，隨著反應時間和反應溫度的增加，淀粉-脂肪酸復合指數呈現先上升后下降的趨勢，隨著脂肪酸含量的增加，淀粉疏水性空腔對脂肪酸的復合能力達到飽和。復合過程中，脂肪酸的碳鏈越長，疏水性越高，與淀粉形成包接結構的幾率越大，因而淀粉-脂肪酸復合指數越高，且復合物V型結晶結構越明顯。支鏈淀粉分子顯著的空間位阻效應會對復合過程產生阻礙作用，且形成的復合物中重結晶更緩慢，線型直鏈淀粉與脂肪酸復合程度更高，且重結晶行為更顯著。后續研究將關注淀粉與脂肪酸分子結構對復合物消化特性的影響，本研究結果可為進一步提高淀粉在健康食品領域的應用提供參考。