月桂酸添加量對淀粉三元復合物形成的影響

牛斌，閆溢哲，王書軍*

1.天津科技大學食品科學與工程學院（天津 300457）；2.鄭州輕工業大學食品與生物工程學院（鄭州 450000）

淀粉是食品中重要的供能物質之一，它能和食品中的脂質、蛋白質相互作用，形成淀粉-脂質復合物或淀粉-脂質-蛋白質三元復合物[1-2]，從而影響淀粉基食品的諸多功能性質，如老化[3-4]、黏度[5-6]、消化性[7-9]等。目前，已有大量研究表明淀粉種類[10]、直鏈淀粉含量[11-12]、聚合度（DP）[13-15]、溫度[16-17]、水分[18-19]、脂肪酸種類[5,20-23]、鹽離子濃度[24]等因素均能顯著影響淀粉-脂質復合物的結構及性質。淀粉-脂質復合物的形成會隨著直鏈淀粉含量及其DP的升高而逐漸升高，并且高溫、高水分含量以及高NaCl濃度也會促進淀粉-脂質復合物的形成。近年來，淀粉-脂質-蛋白質三元復合物因其具有較高的熱穩定性、較強的抗消化性以及良好的水溶性等逐漸引起研究者的注意，但是關于淀粉-脂質-蛋白質三元復合物形成的影響因素研究較少，僅有脂肪酸鏈長及種類對其形成及性質影響的研究。短鏈或不飽和度低的脂肪酸更易形成三元復合物，但是所形成的復合物穩定性較低。并且與二元復合物相比，三元復合物受脂肪酸鏈長影響較小[9]。同時，脂肪酸可以形成三元復合物，但是其單甘脂由于沒有羧基結構，不能形成三元復合物[25]。

盡管已有文獻研究脂肪酸添加量對淀粉-脂質復合物形成的影響[26-28]，但是其對淀粉-脂肪酸-蛋白質三元復合物的影響研究未見報道。試驗以小麥淀粉、月桂酸和β-乳球蛋白為模型體系，通過示差量熱掃描儀（DSC）、X-射線衍射儀（XRD）以及拉曼光譜（Raman）等分析，探究不同脂肪酸添加量（0，10，50，100和150 mg）對淀粉-脂質-蛋白質復合物形成及性質的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

普通小麥淀粉（WS，美國Sigma化學公司）；月桂酸（LA，≥99%，美國Sigma化學公司）；β-乳球蛋白（βLG，≥99%，美國Sigma化學公司）。

1.2 儀器與設備

SQP分析天平（美國Sartotius公司）；RVA-4快速黏度檢測儀（澳大利亞博通公司）；Scientz-10N真空冷凍干燥機（寧波新芝生物科技股份有限公司）；6875冷凍研磨儀（美國SPEX Sample Prep公司）；D8 Advance廣角X-射線衍射儀（德國布魯克公司）；inVia Reflex激光共聚焦拉曼光譜（英國雷尼紹公司）；DSC200 F3示差掃描量熱儀（德國耐馳公司）；IS 50傅里葉紅外光譜儀（美國賽默飛世爾尼高力公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 利用RVA制備二元及三元復合物

準確稱取2.0 g（濕基）普通小麥淀粉置于RVA鋁桶中，加入不同量月桂酸（0，10，50，100和150 mg），然后加去離子水使總量達到28.0 g。將混合物在50 ℃下保持在RVA中1 min，之后以12 ℃/min的速率從50 ℃加熱至95 ℃，在95 ℃保持2.5 min，同樣以12 ℃/min的速率從95 ℃冷卻至50 ℃，并在50 ℃保持4 min。加熱過程中在前10 s以960 r/min恒定速率旋轉攪拌，之后恒定在160 r/min下旋轉攪拌直至結束，得到的淀粉糊置于聚丙烯袋密封并迅速在液氮中冷凍，放入-80 ℃冰箱過夜之后冷凍干燥，研磨過篩，得到小麥淀粉-月桂酸樣品（WS-LA），命名為WS-LA-月桂酸添加量。與WS-LA制備基本相同，將小麥淀粉（2.0 g）、β-乳球蛋白（200 mg）以及不同量月桂酸混合，經過上述RVA程序，即得小麥淀粉-β-乳球蛋白-月桂酸樣品（WS-βLG-LA），命名為WS-βLGLA-月桂酸添加量。

1.3.2 示差量熱掃描儀（DSC）測定熱力學性質

精確稱取3 mg上述樣品置于40 μL DSC鋁盤中，用10 μL的移液槍向鋁盤中加入去離子水使樣品/水比例為1∶3（W/W）。密封坩堝，在室溫下平衡過夜，以10 ℃/min的速率從20 ℃加熱至120 ℃，其中空的坩堝為空白對照。由數據記錄軟件確定樣品的熱力學參數[起始凝膠化溫度（To）、峰值溫度（Tp）、終止溫度（Tc）和熔融焓變（ΔH）]。

1.3.3 X-射線衍射（XRD）測定樣品的長程有序性

使用廣角X-射線衍射儀測定所得粉末樣品的長程有序性，工作電壓和電離分別是40 kV和40 mA，射線源為Cu-Kα源（λ=0.154 nm），檢測時以2°/min的掃描速率和0.02°的步長在5°～30°（2θ）的范圍內進行掃描。

1.3.4 衰減全反射傅里葉變換紅外光譜（ATR-FTIR）

使用配有DLATGS檢測器的尼高力IS-50紅外光譜儀對樣品的ATR-FTIR光譜進行測試。將凍干粉末（150 mg）壓制成圓形片劑，掃描范圍為4 000～400 cm-1，累積32次掃描，分辨率為4 cm-1。以空氣為掃描背景，每個樣品至少掃描6次以獲得完整的信息，所得紅外光譜使用OMNIC 8.0進行處理。

1.3.5 LCM-Raman光譜測定樣品短程有序性

利用激光共聚焦顯微拉曼光譜測定樣品的短程有序性。首先用硅片在520 cm-1處進行儀器校正，然后取少量樣品于載玻片上，壓成平滑不透明的薄片，在顯微鏡下找到清晰的圖像。使用785 nm綠色二極管激光源。每個樣品至少取5個不同的點，掃描范圍為3 200～100 cm-1，分辨率約為7 cm-1。使用軟件WiRE 2.0獲得在480 cm-1處的譜帶的半峰寬（FWHM）以表征淀粉樣品的短程有序性。

1.3.6 數據處理與分析

采用Origin 8、SPSS 19.0等軟件處理試驗數據，試驗數據以“平均值±標準偏差”表示。顯著性（p＜ 0.05）檢驗方法為Duncan多重比較。

2 結果與討論

2.1 不同脂肪酸添加量對二元及三元體系糊黏度變化的影響

圖1 小麥淀粉和不同量月桂酸二元混合物的RVA圖

圖2 小麥淀粉、β-乳球蛋白以及不同量月桂酸三元混合物的RVA圖

不同月桂酸添加量對淀粉-月桂酸、淀粉-β-乳球蛋白-月桂酸混合物RVA黏度變化的影響如圖1和圖2所示。圖1是淀粉-脂質二元體系在不同脂肪酸添加量（0，10，50，100和150 mg）條件下，經過RVA程序加熱后表現出的糊黏度變化。隨著脂肪酸添加量增加，樣品在回生階段的黏度逐漸增加，最終黏度（FV）也逐漸增加，并在脂肪酸添加量為100和150 mg時出現冷卻峰，且兩種樣品冷卻峰的強度幾乎一樣。之前的文獻表明RVA淀粉糊的黏度，尤其是回生階段的黏度峰和最終黏度都與復合物的形成有關，且復合物形成得越多，冷卻黏度峰或者FV越高[5,9]。上述結果說明隨著月桂酸添加量增加，所形成WS-LA復合物的數量逐漸增加，并在其添加量為100 mg時達到飽和。對于WS-βLG-LA體系（圖2），當月桂酸添加量為0和10 mg時，兩種樣品在回生階段沒有出現黏度峰，而當月桂酸添加量為50，100和150 mg時，在冷卻階段出現了黏度峰，并且月桂酸從10 mg增加至50 mg時冷卻峰強度和最終黏度增加明顯，之后繼續增加月桂酸使用量，樣品糊黏度的增加逐漸不明顯，說明WS-βLG-LA復合物的形成也隨著LA的增加出現先增加后逐漸趨于飽和的趨勢。WS-βLG-LA體系在冷卻階段的黏度以及FV高于相應的WS-LA體系，說明WS-βLG-LA三元復合物比WS-LA二元復合物黏度高，并且加入β-乳球蛋白能夠促進更多復合物形成。另外，在小麥淀粉-月桂酸二元體系下，月桂酸添加量為100 mg時復合物基本飽和，而在小麥淀粉-β-乳球蛋白-月桂酸三元體系中，其添加量為50 mg時即能達到飽和，可能是β-乳球蛋白促進了月桂酸的溶解度，使其在較小添加量時（50 mg）即能形成較多的復合物。

2.2 不同脂肪酸添加量時形成的二元及三元復合物的熱力學特性

圖3 不同LA添加量下得到的WS-LA樣品的DSC曲線圖

圖4 不同LA添加量下得到的WS-βLG-LA樣品的DSC曲線圖

圖3和圖4是不同月桂酸添加量時WS-LA和WSβLG-LA樣品的DSC圖譜。當脂肪酸添加量為100和150 mg時，樣品的DSC曲線出現兩個吸熱峰。其中溫度較低（40～50 ℃）的吸熱峰是樣品中游離脂肪酸的熔融峰，溫度較高（100 ℃左右）的吸熱峰是淀粉-脂質或淀粉-脂質-蛋白質復合物的熔融峰，而熔融峰焓值（ΔH）可以表征樣品中形成復合物數量的多少。對于WS-LA樣品（圖3和表1），隨著脂肪酸添加量增加，ΔH從1.6 J/g增加至6.1 J/g，表明形成的淀粉-月桂酸復合物逐漸增多。而當月桂酸添加量為100和150 mg時，ΔH分別為5.8和6.1 J/g，且兩者沒有顯著性差異，表明形成的復合物差不多，此時復合物已趨于飽和，增加脂肪酸使用量也不會使復合物顯著增加，這和文獻[5]報道一致。對于WS-βLG-LA樣品（圖4和表1），當脂肪酸添加量從10 mg增加至50 mg時，ΔH明顯增加，之后增加的量相對較少，說明此時體系中形成的復合物已經逐漸趨于飽和，增加月桂酸的添加量對復合物的形成影響不大，即三元體系中形成的復合物也隨著脂肪酸添加量增加呈現先增加后趨向平穩的趨勢。另外，相同脂肪酸添加量時焓值均高于相應的WS-LA樣品焓值，說明加入β-乳球蛋白促進了二元及三元復合物的形成。

此外，ΔT（Tc-To）和復合物的均一性以及晶體結構是否完美有關[20]。對于上述不同體系樣品，當脂肪酸添加量從10 mg增加至150 mg時，復合物熔融峰的ΔT也逐漸增加，說明形成的二元或三元復合物晶體的結構均一性逐漸變差。這可能因為當脂肪酸添加量少時，具有合適DP的、易形成復合物的直鏈淀粉優先形成復合物，由于此時直鏈淀粉鏈長較為一致，所形成晶體均一性較好；隨著脂肪酸含量增加，較長鏈或較短鏈的直鏈淀粉也逐漸形成復合物，由于所形成復合物的鏈長不同，晶體結構較差，且較長鏈直鏈淀粉可能會導致構象紊亂，從而導致晶體結構缺陷[14]。

表1 不同月桂酸添加量時形成WS-LA和WS-βLG-LA復合物樣品的熱力學性質

2.3 不同脂肪酸添加量時形成的二元及三元復合物的長程有序性

圖5和圖6是不同月桂酸添加量時WS-LA、WSβLG-LA樣品的X-射線衍射圖。圖中位于13°和20°（2θ）左右的衍射峰是典型的V-型復合物的特征衍射峰，21.3°和24.2°（2θ）處的衍射峰是游離脂肪酸的聚集造成的[6,9]。從圖5可以看出，隨著月桂酸添加量增加，13°和20°（2θ）處的V-型衍射峰強度逐漸增加。從50 mg增加至100 mg時，衍射峰強度增加明顯，而繼續增加至150 mg，衍射峰強度基本不變，說明月桂酸添加量為100 mg時WS-LA復合物已經基本飽和。對于WS-βLG-LA樣品（圖6），當脂肪酸添加量從10 mg增加到50 mg時，V-型衍射峰強度有明顯的增強，之后繼續增加脂肪酸量，峰強度變化較小。說明在三元體系下，脂肪酸添加量為50 mg時，形成的復合物數量已經趨于飽和，這與DSC、RVA結論一致。

圖5 不同LA添加量下得到的WS-LA樣品的XRD圖

圖6 不同LA添加量下得到的WS-βLG-LA樣品的XRD圖

2.4 不同脂肪酸添加量時形成的二元及三元復合物的紅外光譜

圖7和圖8是不同月桂酸添加量時WS-LA、WSβLG-L樣品的紅外光譜圖。從圖7可以看出，當脂肪酸添加量10和50 mg時，在1 701 cm-1左右的脂肪酸的羧基振動吸收峰沒有出現，可能是因為在這兩個樣品中脂肪酸太少，不足以在紅外光譜中出現其吸收振動峰。而隨著脂肪酸添加量增加，在1 703 cm-1處出現了吸收峰，說明月桂酸的羧基振動吸收從1 701 cm-1向高波數移動，表明形成了WS-LA復合物[29]。對于WSβLG-LA體系，所有樣品均沒有出現脂肪酸的羧基振動吸收峰，尤其是WS-LA-βLG-100/150 mg樣品，它們對應的WS-LA二元體系均出現了脂肪酸羧基的吸收峰，但是在三元體系下該峰消失（圖8），說明形成的三元復合物的形成衰減了月桂酸羧基的吸收振動[6]。

圖7 不同LA添加量下得到的WS-LA樣品的紅外光譜圖

圖8 不同LA添加量下得到的WS-LA-βLG樣品的紅外光譜圖

2.5 不同脂肪酸添加量時形成的二元及三元復合物的短程有序性

拉曼光譜在480 cm-1處的吸收峰是淀粉分子的骨架振動形成的[30]，其半峰寬（FWHM）可以用來表征淀粉結構的有序程度，半峰寬越小，淀粉結構的有序程度越高。表3是WS-LA、WS-βLG-LA樣品在480 cm-1處振動吸收峰半峰寬值。可以看出，隨著月桂酸添加量增加，WS-LA和WS-βLG-LA樣品FWHM逐漸降低，分別從19.11和18.81降低至15.51和14.93，這意味著所形成復合物的數量增加。但兩個體系從月桂酸添加量分別為100和50 mg之后FWHM減少量逐漸降低，趨于平穩。說明二元及三元復合物的形成隨著月桂酸添加量增加先增加后趨于飽和，與RVA、DSC以及XRD結論一致。

表2 不同月桂酸添加量時形成WS-LA和WS-βLGLA復合物樣品在480 cm-1處吸收峰的半峰寬值

3 結論

試驗研究了不同月桂酸添加量對小麥淀粉-月桂酸二元或小麥淀粉-β-乳球蛋白-月桂酸三元復合物形成的影響。RVA、DSC、XRD以及拉曼結果表明：二元及三元復合物的形成隨著月桂酸添加量的增加先增加后逐漸達到飽和；但兩種體系達到飽和所需要的月桂酸的量不同，二元體系達到飽和時所需要的脂肪酸量大于三元體系達到飽和所需要的脂肪酸量，并且三元體系樣品中的復合物數量總是多于相同月桂酸添加量時的二元體系樣品。形成復合物熔融峰的ΔT隨著脂肪酸添加量的增加而增加，這可能是不同脂肪酸添加量時形成復合物的直鏈淀粉DP不同導致的。