脂肪酸鏈長對高直鏈玉米淀粉—脂質復合物結構及理化性質的影響

江佳妮 向貴元 鄧佳宜 韓文芳 周夢舟 蔣志榮 肖華西 林親錄 李 勃 李江濤

(1. 中南林業科技大學稻谷及副產物深加工國家工程研究中心，湖南 長沙 410004;2. 湖北工業大學，湖北 武漢 430068；3. 長沙榮業智能制造有限公司，湖南 長沙 410000；4. 江蘇康之源糧油有限公司，江蘇 宿遷 223800)

淀粉是自然界含量最豐富的多糖之一，也是常見食物的主要成分之一，主要由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成[1]。基于淀粉的消化程度，可將其分為快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗消化淀粉(RS)[2]。抗性淀粉是指那些在健康人體腸道不能被消化吸收的淀粉，可以通過多種處理方式獲得，具有預防肥胖、調節腸道免疫功能等作用。由直鏈淀粉和脂質相互作用結合而成的復合物即RS5，作為一種新型的抗性淀粉逐漸受到人們的廣泛關注[3-6]。

淀粉—脂質復合物的形成，歸因于淀粉與脂肪酸(FA)之間的相互作用，當淀粉在有脂肪酸存在的情況下發生糊化，線性的直鏈淀粉由于氫鍵的作用而發生卷曲形成左螺旋空腔，脂質分子的疏水尾部可進入螺旋空腔，借助于疏水相互作用與淀粉連接在一起，形成穩定的復合物[7]。而復合物的形成不僅受脂質的飽和程度、溶解度、鏈長以及添加量的影響，還與直鏈淀粉的鏈長以及復合條件有關[8]。

淀粉—脂質復合物作為抗性淀粉中的新品類，性能優越，因低溶解度、良好的穩定性與成膜性和較強的抗消化性，以及作為抗性淀粉所具備的益生元特性[9]，被廣泛應用于食品和醫療領域。研究[10-13]表明，淀粉—脂質復合物的形成主要受脂質、淀粉以及復合條件的影響，但關于不同鏈長的脂肪酸配體以及不同直鏈淀粉含量的淀粉影響復合物形成的研究尚未見報道。文章擬以高直鏈玉米淀粉為原料，探討不同脂肪酸鏈長以及脫支/非脫支處理對淀粉—脂質復合物的結構特性和理化性質的影響，旨在為淀粉—脂質復合物的形成提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

高直鏈玉米淀粉(HACS)：直鏈淀粉質量分數為71%，北京祥玉生物科技有限公司；

普魯蘭酶(EC 3.2.1.41)：西格瑪奧德里奇(上海)貿易有限公司；

月桂酸(C12:0，LA)、軟脂酸(C16:0，PA)、硬脂酸(C18:0，SA)：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

其余試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

差示掃描量熱儀：DSC Q2000型，美國沃特斯公司；

傅里葉紅外光譜分析儀：IRTracer-100型，日本島津公司；

X-射線衍射儀：Ultima IV型，日本理學公司；

高壓滅菌鍋：GI54DWS型，美國致微儀器有限公司；

恒溫磁力攪拌器：DF-101S型，鞏義市予華儀器有限責任公司；

數顯恒溫水浴鍋：HH-4型，常州潤華電器有限公司；

可見分光光度計：V1800型，尤尼柯(上海)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

(1)脫支高直鏈玉米淀粉制備：根據文獻[14]修改如下：精確稱取8.0 g高直鏈玉米淀粉(HACS)，取80 mL醋酸鹽緩沖液(pH 5.5)混合制成10%的分散液，121 ℃高壓蒸汽滅菌30 min，冷卻至55 ℃，加入普魯蘭酶(40 U/g淀粉)反應12 h，用0.1 mol/L NaOH溶液調節pH至7，煮沸15 min，得到脫支高直鏈玉米淀粉，命名為DHA7。

(2)脫支高直鏈玉米淀粉與脂肪酸(DHA7-FA)的復合：將不同鏈長的脂肪酸(5%)溶解于2 mL無水乙醇中，并分別加至脫支淀粉勻漿中，90 ℃攪拌30 min，冷卻，繼續攪拌1 h，4 000 r/min離心30 min，用50%熱乙醇溶液洗滌3次，分別得到脫支高直鏈玉米淀粉—月桂酸復合物(DHA7-LA)、脫支高直鏈玉米淀粉—軟脂酸復合物(DHA7-PA)以及脫支高直鏈玉米淀粉—硬脂酸復合物(DHA7-SA)，將洗滌后的沉淀干燥、研磨，過100目篩備用。

(3)高直鏈玉米淀粉與脂肪酸(HACS-FA)的復合：對照樣品未進行脫支處理，其余操作與脫支樣品一致，得到高直鏈玉米淀粉—月桂酸復合物(HACS-LA)、高直鏈玉米淀粉—軟脂酸復合物(HACS-PA)以及高直鏈玉米淀粉—硬脂酸復合物(HACS-SA)。將原淀粉于121 ℃滅菌30 min，90 ℃攪拌30 min，冷卻，繼續攪拌1 h，得到空白對照樣品(HACS-0)，離心、干燥、研磨，過100目篩備用。

1.3.2 復合指數測定 準確稱取(100.0±0.5)mg淀粉脂質復合物加入到含有1 mL無水乙醇和9 mL NaOH(1 mol/L)溶液的試管中，沸水浴10 min，冷卻，加水定容至100 mL。準確移取5.0 mL樣品至100 mL容量瓶中，加入1 mL乙酸(1 mol/L)溶液，去離子水定容，再加2 mL 碘試劑，搖勻，靜置10 min。測定620 nm處吸光度，每組樣品平行測定3次，并按式(1)計算復合物的絡合指數(CI)。

(1)

式中：

CI——絡合指數，%；

A0——HACS-0的吸光值；

A——復合物吸光值。

1.3.3 X-射線衍射分析 使用X-射線衍射儀于40 kV、40 mA Cu-Kα輻射(λ=0.154 06 nm)，掃描速度2 (°)/min，步長0.02°，3°～35°(2θ)范圍內進行掃描，每組樣品平行測定3次，并按式(2)計算相對結晶度。

(2)

式中：

RC——相對結晶度，%；

Ac——結晶區面積；

Aa——無定形區面積。

1.3.4 傅里葉紅外光譜測定 使用傅里葉紅外光譜分析儀于4 000～400 cm-1進行掃描，分辨率4 cm-1，掃描次數64次，每組樣品平行測定3次，并利用OMNIC軟件對波譜進行分析。

1.3.5 差示掃描量熱分析 稱取3 mg干燥的淀粉樣品，加入7 μL超純水，室溫下平衡過夜。使用空白鋁盤作參考，以10 ℃/min從25 ℃升溫至160 ℃，每組樣品平行測定3次，分別記錄糊化起始溫度(To)、糊化峰值溫度(Tp)、糊化終止溫度(Tc)及熱焓(ΔH)。

1.3.6 溶解度和膨脹度測定 稱取0.6 g樣品，與蒸餾水配成30 mL 2%的懸浮液，沸水浴30 min，冷卻，3 000 r/min離心10 min，將上清液倒入培養皿中，105 ℃干燥至恒重，分別按式(3)、式(4)計算溶解度和膨脹度。

(3)

(4)

式中：

S——溶解度，%；

Sw——膨脹度，%；

m1——上清液干重，g；

m2——沉淀重，g；

m0——樣品干重，g。

1.3.7 數據處理與分析 采用Origin 2019軟件繪圖；采用Execl 2019和SPSS 25軟件進行數據統計分析，顯著性分析水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 淀粉—脂質復合物的復合指數

由表1可知，脂肪酸鏈長對淀粉—脂質復合物復合率有一定影響，HACS-FA組中，HACS-LA、HACS-PA的復合指數分別為11.82%，13.73%，隨著脂肪酸碳鏈長的增加，其與直鏈淀粉單螺旋內部的疏水作用力逐漸增強，與淀粉的結合能力也越強[15]，因此復合物的絡合指數(CI值)逐漸增大，與Kaur等[16]的研究結果一致。而HACS-SA的CI值降低，可能是硬脂酸的碳鏈過長，難以均勻分散在淀粉基質中，也不利于進入直鏈淀粉單螺旋內，從而減少了與淀粉的接觸和復合。

表1 HACS-FA和DHA7-FA的CI值?Table 1 CI values of HACS-FA and DHA7-FA

DHA7-FA組中，復合物的CI值與脂肪酸碳鏈長呈反比，復合率最高的是DHA7-LA。這是由于碳鏈較短的脂肪酸在淀粉糊中的分散度好，能夠與其充分接觸，有利于復合物的形成[17]；并且在淀粉酶解脫支過程中，破壞了淀粉的分子結構，改變了螺旋內部的疏水性，因而可以快速進入到DHA7內部與之結合。此外，與同一脂肪酸復合時，DHA7-FA組的CI值均高于對應的HACS-FA組，是因為脫支處理增加了原淀粉中的直鏈淀粉含量。而相比直鏈淀粉，支鏈淀粉過短的碳鏈長以及分支結構之間的空間位阻作用都不利于其與脂質復合，因此，不同鏈長的脂肪酸及脫支處理對淀粉—脂質復合物的生成均有一定影響，一般來說，12～16個碳原子的脂肪酸更有利于復合物的形成。

2.2 結晶特性

由表2和圖1可知，HACS在5.3°，15.1°，17.3°，19.8°，22.1°，24.0°處均有較高強度的衍射峰，脂肪酸的加入以及脫支處理改變了淀粉的結晶結構。脫支及壓熱處理并未改變淀粉的晶型，但DHA7和HACS-0的各衍射峰強度有所下降，HACS-0甚至呈彌散衍射特征，未出現明顯的尖銳峰。

圖1 HACS-FA和DHA7-FA復合物的X-衍射Figure 1 X-ray diffraction of HACS-FA and DHA7-FA complexes

表2 HACS-FA和DHA7-FA的特征峰及結晶度?Table 2 Characteristic peaks and degree of crystallinity of HACS-FA and DHA7-FA

不同鏈長的FA與不同前處理的淀粉復合后，在7°，13°，20°附近處出現了不同強度的V型結晶特征衍射峰，說明復合物均為V型結晶結構[8]。DHA7-FA組中，DHA7-LA在20°處的衍射峰明顯相比DHA7-PA、DHA7-SA的更尖銳；而HACS-FA組中，HACS-PA的峰又比HACS-LA和HACS-SA的更尖銳，且DHA7-FA組在20°處的衍射峰強度均高于對應的HACS-FA組。通常衍射峰的強度與復合物的生成量呈正相關，表明DHA7與FA的復合程度比HACS高，而DHA7-LA和HACS-PA又分別是這兩組中復合程度最好的，與CI值的測定結果一致。此外HACS-PA、HACS-SA在22°，24°附近處出現衍射峰，歸因于游離FA的聚集[12]。而DHA7-SA和DHA7-PA的聚集衍射峰明顯降低甚至消失，可能是因為脫支酶解使淀粉糊化的初始黏度降低，使得FA能夠更充分地與之混合，從而減少聚集。

根據復合物的結晶度可知，HACS的結晶度(23.11%)明顯高于DHA7(17.95%)和HACS-0(11.44%)的，可能是因為壓熱、脫支等處理，破壞了淀粉的結晶結構。對于淀粉—脂質復合物，支鏈淀粉側鏈分支的螺旋結構、直鏈淀粉含量、復合物的生成量、脂肪酸含量等均會影響其結晶度[18]。HACS-FA的結晶度降低，可能是在復合物的形成過程中，HACS中支鏈淀粉的側鏈分支螺旋結構被破壞，導致相對結晶度降低。而DHA7-FA的結晶度升高，可能是復合物生成量高，形成了更多的高度有序結構，且與12～16個碳的FA所形成的復合物更容易形成這種有序結構，且脫支處理能增強這一趨勢。

2.3 淀粉—脂質復合物的有序結構

圖2 HACS-FA和DHA7-FA復合物紅外光譜圖Figure 2 Infrared spectra of HACS-FA and DHA7-FA complexes

2.4 淀粉—脂質復合物的熱特性

由表3、圖3和圖4可知，75～108 ℃的峰2代表I型復合物的解離；102～125 ℃的峰3代表II型復合物的解離，而55～70 ℃的峰1可能是未復合或50%乙醇洗滌后留存在淀粉螺旋結構間隙的FA的熔融峰，這與前人[22-23]的研究結果一致。

表3 脂肪酸鏈長對HACS-FA和DHA7-FA復合物熱特性的影響?Table 3 Effect of fatty acid chain length on thermal properties of HACS-FA and DHA7-FA complexes

圖3 HACS-FA的DSC圖譜Figure 3 The DSC spectrum of HACS-FA

圖4 DHA7-FA的DSC圖譜Figure 4 The DSC spectrum of DHA7-FA

峰2中，在HACS組，HACS-SA具有最高的Tp值，因此熱穩定性最好，可能是因為長鏈脂肪酸與淀粉螺旋腔之間存在較強的疏水相互作用；焓變與絡合物的解離有關，碳鏈較短的脂肪酸在糊化淀粉中具有良好的分散性，有助于與單螺旋淀粉形成復合物，因此HACS-LA具有最高的ΔH，與Li等[24]的研究結果一致。但在DHA7組中，DHA7-SA擁有最低的Tp值，可能是由于復合程度的降低，而焓值的變化可能與脫支處理有關，具體的影響機制有待進一步驗證。此外，所有復合物的ΔH均低于原淀粉HACS的，可能是由于溫度升高過程中，未復合的淀粉與脂肪酸重新復合，放出了熱量，與復合物解離吸收的熱量部分相抵，表現為糊化焓值降低[25]。

峰3中，HACS和DHA7組均表現出隨著脂肪酸鏈長的增加，To、Tp、Tc均有不同程度的增加。Shuang等[26]研究表明，脂質碳鏈越長，疏水性越強，更傾向于保留在淀粉分子疏水螺旋腔內。因此，越長的烴鏈與淀粉螺旋內部的疏水相互作用越大，需要更高的溫度來破壞這些鍵；且較長的脂質鏈改善了復合物的結晶特征，特別是微晶尺寸，從而導致熔融溫度升高[27]。

2.5 淀粉—脂質復合物的溶解度與膨脹度

由表4可知，當淀粉未與脂肪酸復合時，溶解度和膨脹度均表現為DHA7>HACS-0>HACS，可能是由于樣品制備過程中壓熱、脫支及機械攪拌等處理，使得淀粉顆粒進一步被破碎，分子量也隨脫支處理而減小，使得溶解度增加。

表4 HACS和DHA7與不同鏈長脂肪酸復合后的溶解度和膨脹度?Table 4 Solubility and swelling degree of HACS and DHA7 with different chain length fatty acids

FA對淀粉溶解度有顯著影響[28]。一方面是由于未洗凈的脂肪酸附著在復合物表面，形成脂質薄層，一定程度上阻礙了水分的進入。另一方面可能是因為脂肪酸進入到淀粉疏水空腔內與之重新形成穩定的螺旋結構，減少了直鏈淀粉糊化后的浸出，而糊化過程中直鏈淀粉與支鏈淀粉的相互嵌入，也可在一定程度上減少淀粉溶出。溶解度大小為DHA7-SA>DHA7-PA>DHA7-LA，與2.1結果一致，表明脂肪酸與淀粉復合程度越高，水分進入其內部結晶結構的難度越大。但在HACS-FA組中，HACS-SA與HACS-PA的溶解度幾乎無差異，可能是因為硬脂酸本身的強疏水性平衡了復合程度帶來的差異。

3 結論

試驗表明，脂肪酸碳鏈長度及淀粉脫支均會影響淀粉—脂質復合物的形成及其理化性質。當高直鏈玉米淀粉與脂肪酸形成復合物時，12～16個碳原子的脂肪酸更有利于復合物的形成；當碳鏈過長時，由于疏水作用力較大，不利于其與直鏈淀粉復合；但脫支處理后，可能是由于直鏈淀粉含量進一步增大，脂肪酸的溶解度及與淀粉的接觸程度對復合物形成的影響反而更大。與脂肪酸復合后，淀粉—脂質復合物均轉變為典型的V型結晶，且特征峰強度隨復合率的增加而增強，脫支處理更能增強這一趨勢，形成更多的高度有序結構。同時隨著復合率的增加，熱穩定性也有所增強，溶解度越低，可膨脹度變化并不明顯，焓值隨脂肪酸碳鏈長度的增加而下降，且脫支處理會影響這一趨勢，但具體的影響機制有待進一步研究。