3種晶型淀粉與月桂酸復(fù)合對(duì)其形貌結(jié)構(gòu)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(xué)1，長(zhǎng)沙 410004) (工程流變學(xué)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，長(zhǎng)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(jié)晶結(jié)構(gòu)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(dǎo)致其應(yīng)用受到限制。為改善天然淀粉的性能，往往對(duì)其進(jìn)行改性處理。物理改性、化學(xué)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(jī)械手段可將淀粉與脂肪酸復(fù)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(fù)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(zhǎng)度、不同飽和度脂肪酸形成復(fù)合物提高淀粉黏彈性的規(guī)律；Chang[7]探究了脂質(zhì)加入方式對(duì)淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的分布及理化性質(zhì)和淀粉的消化特性的影響。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)脂肪酸-淀粉復(fù)合物的研究大部分集中在不同種類淀粉、不同鏈長(zhǎng)及飽和度脂肪酸、不同復(fù)合方法等方面對(duì)復(fù)合物性能的影響，較少?gòu)牡矸劬徒嵌葘?duì)復(fù)合物性能的改善進(jìn)行探討。本研究采用高壓均質(zhì)和糊化相結(jié)合的方法，將3種晶型淀粉分別與脂肪酸復(fù)合，比較3種復(fù)合物間形貌結(jié)構(gòu)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(fù)合物在食品行業(yè)中的應(yīng)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(jí)；錐栗淀粉：自制，原料購(gòu)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(jí)；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(shè)備

HR/T20M臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)，F(xiàn)A25標(biāo)準(zhǔn)型高剪切分散乳化機(jī)，D-6L型高壓均質(zhì)機(jī)，F(xiàn)D5-4型真空冷凍干燥機(jī)，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(dāng)改動(dòng)。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(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaOH溶液，并將其用組織搗碎機(jī)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(fù)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(fù)洗滌離心，最后用95%乙醇洗滌。將所得沉淀物于40 ℃烘箱鼓風(fēng)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(fù)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(zhì)量3%的脂肪酸溶于無水乙醇中，待充分溶解后置于轉(zhuǎn)速為10 000 r/min的高剪切分散乳化機(jī)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(zhì)復(fù)合2次，將復(fù)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(fù)合物(S-FA)；純淀粉在相同條件下經(jīng)糊化和高壓均質(zhì)處理，所得樣品記為糊化后高壓均質(zhì)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(zhì)淀粉和淀粉-脂肪酸復(fù)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(cè)定

按照GB/T 15683—2008測(cè)定原淀粉中直鏈淀粉含量、糊化后高壓均質(zhì)淀粉及淀粉-脂肪酸復(fù)合物中等效直鏈淀粉含量(簡(jiǎn)稱直鏈淀粉含量)。

1.3.4 復(fù)合指數(shù)的測(cè)定

脂肪酸與淀粉的復(fù)合程度通過復(fù)合指數(shù)來評(píng)估。具體方法為：稱取100 mg樣品，加入1 mL 95%的乙醇溶液浸潤(rùn)，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(cè)吸光度A。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次，取平均值，然后按照公式計(jì)算復(fù)合指數(shù)(CI)：

式中：CI為復(fù)合指數(shù)；Ac為糊化后高壓均質(zhì)淀粉的吸光度；Aa為脂肪酸-淀粉復(fù)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(tái)的導(dǎo)電雙面膠上，在真空下進(jìn)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(jìn)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(tái)中進(jìn)行測(cè)試。采用單色Cu-Ka射線，測(cè)試條件為：管電壓40 kV，管電流40 mA，掃描速率5°/min進(jìn)行連續(xù)掃描，2θ掃描范圍： 4°～40°，步長(zhǎng)0.02°。測(cè)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(jié)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(duì)結(jié)晶度RC=Y/X×100%。

1.3.7 紅外光譜測(cè)定

參照Wang等[12]的方法并作部分調(diào)整：稱取0.002 g待測(cè)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(jìn)行壓片3 min，放入紅外光譜儀中掃描。掃描波長(zhǎng)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(duì)FTIR圖譜進(jìn)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(cè)定

參照Englyst[13]的方法并作部分調(diào)整：準(zhǔn)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(shí)各吸取1 mL消化液，加入0.2 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH溶液滅酶，使消化反應(yīng)停止，將反應(yīng)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(duì)照調(diào)零，于540 nm測(cè)吸光度，平行測(cè)定3次，取平均值，計(jì)算葡萄糖含量。再根據(jù)公式分別計(jì)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(shí)的葡萄糖質(zhì)量/mg；G120為消化120 min 時(shí)的葡萄質(zhì)量/mg；W為樣品的質(zhì)量/mg。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Origin 8.5軟件對(duì)數(shù)據(jù)作圖，采用SPSS 22軟件中的One-way ANOVA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析。所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種晶型淀粉與不同鏈長(zhǎng)脂肪酸復(fù)合的復(fù)合指數(shù)比較

3種晶型淀粉分別與4種不同鏈長(zhǎng)的飽和脂肪酸進(jìn)行復(fù)合，由表1可知，脂肪酸與3種淀粉的復(fù)合指數(shù)隨脂肪酸鏈長(zhǎng)的增加而減小。Kawai等[14，15]的研究也得出類似結(jié)論，這可能是因?yàn)橹舅岬逆溤介L(zhǎng)，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(jìn)入淀粉螺旋腔內(nèi)部與淀粉復(fù)合。相反，脂肪酸鏈長(zhǎng)較短，分子小，則更容易進(jìn)入淀粉打開的螺旋結(jié)構(gòu)中形成脂肪酸-淀粉復(fù)合物[16]。3種晶型淀粉與月桂酸復(fù)合形成時(shí)的復(fù)合指數(shù)最高，因此后續(xù)淀粉-脂肪酸復(fù)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(zhǎng)脂肪酸復(fù)合的復(fù)合指數(shù)

2.2 3種晶型淀粉與月桂酸復(fù)合形成物中直鏈淀粉含量及復(fù)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(zhì)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(jié)構(gòu)打開，體積增大，在均質(zhì)的高速剪切作用力下，部分淀粉的長(zhǎng)鏈和側(cè)鏈結(jié)構(gòu)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(jié)合力只有弱力，而玉米和錐栗淀粉的微晶結(jié)合力則有弱力和強(qiáng)力兩種結(jié)合力[17]，因此馬鈴薯淀粉糊化更徹底，螺旋結(jié)構(gòu)打開更完全，剪切時(shí)支鏈結(jié)構(gòu)更易被切斷，能形成更多的直鏈淀粉。與僅進(jìn)行糊化和高壓均質(zhì)的淀粉(GH)相比，3種晶型淀粉糊化后經(jīng)高壓均質(zhì)與脂肪酸形成的淀粉-脂肪酸復(fù)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(zhì)作用與脂肪酸復(fù)合形成緊密結(jié)構(gòu)，碘無法進(jìn)入淀粉螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部，不能發(fā)生顯色反應(yīng)，因此檢測(cè)出的直鏈淀粉含量減少。

圖1 3種晶型淀粉與月桂酸復(fù)合形成物的直鏈淀粉含量

圖2 3種晶型淀粉復(fù)合形成物中的直鏈淀粉 含量與其復(fù)合指數(shù)的相關(guān)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(fù)合過程中US、GH和S-FA等3種物質(zhì)的中直鏈淀粉含量與其復(fù)合指數(shù)的相關(guān)系數(shù)R分別為-0.884、0.975和0.968，即復(fù)合指數(shù)與GH和S-FA中直鏈淀粉含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，復(fù)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(fù)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(jié)構(gòu)較多，易造成空間位阻，較短的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)不易與脂肪酸接觸復(fù)合。

2.3 3種晶型淀粉與月桂酸復(fù)合形成物掃描電鏡觀察

3種晶型淀粉與月桂酸復(fù)合過程中US、GH和S-FA等3種物質(zhì)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(jié)構(gòu)或扁圓結(jié)構(gòu)，而馬鈴薯淀粉則呈圓潤(rùn)的卵球形結(jié)構(gòu)。經(jīng)糊化和高壓均質(zhì)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(shí)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(jié)構(gòu)被打開，同時(shí)高壓均質(zhì)的強(qiáng)大作用力將淀粉顆粒剪切成更小的碎片，且表面結(jié)遭到破環(huán)。與GH相比，3種晶型淀粉與脂肪酸復(fù)合形成淀粉-脂肪酸復(fù)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(jié)構(gòu)更加緊密。這主要是因?yàn)樵鹿鹚崽钊撕透邏壕|(zhì)產(chǎn)生的孔洞[18]，且部分淀粉-脂肪酸復(fù)合物S-FA進(jìn)行了重結(jié)晶[19]，因此復(fù)合物結(jié)構(gòu)變得相對(duì)緊實(shí)。淀粉-脂肪酸復(fù)合物S-FA微觀結(jié)構(gòu)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(duì)面積，進(jìn)一步降低了消化速率。

圖3 3種晶型淀粉與月桂酸復(fù)合形成物的電鏡圖

2.4 3種晶型淀粉與月桂酸復(fù)合形成物的X-衍射對(duì)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(jié)晶結(jié)構(gòu)。這與季寒一等[20]的衍射結(jié)果一致。3種晶型淀粉經(jīng)糊化和高壓均質(zhì)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(zhì)處理時(shí)，螺旋結(jié)構(gòu)打開，結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞。3種晶型淀粉與月桂酸形成淀粉-脂肪酸復(fù)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(jié)構(gòu)的特征峰[21-23]，說明3種晶型淀粉與月桂酸復(fù)合后，重新形成了V型結(jié)構(gòu)的結(jié)晶區(qū)。Chen等[15]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了此結(jié)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(fù)合物S-FA的結(jié)晶度分別減小了12.93%、8.4%和13.6%，說明淀粉-脂肪酸復(fù)合物僅僅是部分參與了重結(jié)晶。糊化后高壓均質(zhì)淀粉GH沒有結(jié)晶結(jié)構(gòu)，組織松散，消化過程中更容易被酶解，而淀粉-脂肪酸復(fù)合物S-FA重新形成V型結(jié)晶，意味著淀粉結(jié)構(gòu)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(fù)合形成物X-衍射圖譜比較

表2 3種晶型淀粉與月桂酸復(fù)合形成物的X-衍射比較

2.5 3種晶型淀粉與月桂酸復(fù)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(zhì)和與脂肪酸復(fù)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(fù)合過程中僅是分子間的相互作用，未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的官能團(tuán)，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(fù)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)形成。

2.6 3種晶型淀粉與月桂酸復(fù)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(duì)馬鈴薯淀粉(B型)顆粒更小，且呈多角結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)多呈扁圓形，與消化酶的相對(duì)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(fù)合形成物的營(yíng)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(zhì)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?yàn)榈矸劢?jīng)過糊化和高壓均質(zhì)處理后淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和螺旋結(jié)構(gòu)遭到破壞，消化酶更容易進(jìn)入內(nèi)部，更容易被人體消化吸收。

與僅進(jìn)行糊化和高壓均質(zhì)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(zhì)與脂肪酸復(fù)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(jié)論與此基本一致。各消化片段的變化與淀粉和脂肪酸的復(fù)合后結(jié)構(gòu)形貌的變化對(duì)應(yīng)。淀粉與脂肪酸復(fù)合形成的脂肪酸-淀粉復(fù)合物是一種不完美的單螺旋結(jié)構(gòu)，其晶型為V型結(jié)構(gòu)，具有緊密性和高度穩(wěn)定性，同時(shí)淀粉粒徑增大，與消化酶接觸的相對(duì)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(jié)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(fù)合時(shí)，復(fù)合指數(shù)隨脂肪酸鏈長(zhǎng)的增加而減小，且與復(fù)合物直鏈淀粉含量呈顯著正相關(guān)(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(zhì)后的淀粉GH表面形成孔洞結(jié)構(gòu)，而與脂肪酸復(fù)合后孔洞被充填，結(jié)構(gòu)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(fù)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(zhuǎn)化成為V型；復(fù)合前后樣品的傅里葉紅外光譜圖在2 933 cm-1附近的振動(dòng)峰的波數(shù)發(fā)生改變，但沒有新振動(dòng)峰，表明復(fù)合物是依靠分子間的相互作用力形成的，而非新的化學(xué)鍵。與僅進(jìn)行糊化和高壓均質(zhì)的淀粉GH相比，復(fù)合物S-FA的RDS含量減小，SDS、RS含量增加，抗消化性能增強(qiáng)，且各消化片段的變化與復(fù)合后結(jié)構(gòu)形貌的變化對(duì)應(yīng)。3種晶型淀粉與脂肪酸復(fù)合后均可顯著提升抗消化性，復(fù)合物不會(huì)引起人體血糖的快速升高，能廣泛應(yīng)用于健康食品。