淀粉包埋亞麻籽油脂粉末的制備及其性質(zhì)分析

羅明昌，朱寶燕，吳晨孛，馮一農(nóng)，黃強*

（1.東莞東美食品有限公司，廣東 東莞 523055）（2.華南理工大學食品科學與工程學院，廣東 廣州 510640）

亞麻籽是世界上最重要的油料作物之一，作為食品和紡織原料已有5000多年的歷史[1]。亞麻籽富含α-亞麻酸（ALA，18:3n-3），是ω-3多不飽和脂肪酸（PUFAs）的最優(yōu)來源，其含量高于魚油、大豆、玉米和海藻[2]。因此，近幾十年來，對ω-3不飽和脂肪酸比例顯著的食用油源的需求不斷增加，極大地促進了亞麻籽油作為功能食品的消費。亞麻籽油因其PUFAs組成而受到消費者的青睞，具有多種有益的生理和功能特性，包括促進腦神經(jīng)的發(fā)育，增強記憶力，提高免疫力，預防腦血栓和心肌梗死[3-9]。然而，常溫貯藏期間亞麻籽油極易氧化變質(zhì)，最終影響亞麻籽油類產(chǎn)品的貨架期，限制了其在食品工業(yè)中的應用[10，11]。因此，在食品藥品領(lǐng)域，制備一種綠色環(huán)保、安全無害、易于加工的油脂替代品勢在必行。

粉末油脂一般是以蛋白質(zhì)及碳水化合物為包埋壁材，將液態(tài)油脂制備成粉末的一類油脂制品。它能夠延緩芯材與氧氣的接觸，從而加強油脂的抗氧化能力。研究發(fā)現(xiàn)，將亞麻籽油進行包埋處理成粉末油脂是一種可行性很高的改善亞麻籽油品質(zhì)的辦法。Fioramonti等[12]以濃縮乳清蛋白和海藻酸鈉為原料，設計了水包油雙層乳液并通過噴霧干燥制備了亞麻籽油粉末油脂。麥芽糊精含量最高的粉狀微膠囊的包封率可達84%，油脂粉末在18 ℃和4 ℃保存6個月后，過氧化值和巴比妥酸值保持不變，在20 ℃保存6周后，過氧化值沒有超過冷榨油允許的最大值。Gomes等[13]利用蛋白質(zhì)水解物或完整蛋白質(zhì)與麥芽糊精相結(jié)合進行亞麻籽油微膠囊化，并研究了其脂質(zhì)氧化穩(wěn)定性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)貯藏30 d后，堿性蛋白酶水解蛋白的過氧化值分別比用完整蛋白或風味酶水解蛋白包裹的樣品低95%和96%，這歸因于其較高的抗氧化能力。Elik等[14]采用噴霧冷凍干燥法對 16種不同配方的富類胡蘿卜素亞麻油進行包封。結(jié)果表明，噴霧凍干技術(shù)具有較低的包封率和較好的流動性能，類胡蘿卜素的添加使得產(chǎn)品在氧化方面更加穩(wěn)定。

關(guān)于淀粉基載體包埋亞麻籽油的研究目前還比較少。多孔淀粉是一種無毒、經(jīng)濟的吸附劑，廣泛應用于食品、制藥和環(huán)境等行業(yè)。近年來，多孔淀粉因其高吸附性和緩釋性而受到越來越多的關(guān)注[15]。有文獻表明，利用多孔淀粉包埋延長了油的保質(zhì)期和穩(wěn)定性[16]。在大多數(shù)情況下，在適當?shù)臈l件下（油/淀粉=4/1，40 ℃，70～80 min），通過機械攪拌，將多孔淀粉與油攪拌以促進油的滲透和擴散[17]。Belingheri等[18]采用加速氧化法，以過氧化值和共軛二烯（CD）為指標，評估了多孔淀粉包埋的高油酸葵花籽油的氧化水平。結(jié)果表明，與散裝油相比，光對包封油中CD增加的影響減小。值得注意的是，多孔淀粉的油脂包埋率相對較低，而且當環(huán)境條件（如溫度、濕度）發(fā)生變化時，多孔淀粉的結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變化，穩(wěn)定性較差。因此，需要開發(fā)一種新型淀粉基包埋壁材作為替代品，來更好地應用于油脂加工工業(yè)。

V型淀粉可與疏水客體分子絡合從而形成單螺旋結(jié)構(gòu)，可用于生物活性化合物的遞送，并在改善食品質(zhì)量、延長產(chǎn)品貨架期和增強藥物吸收方面發(fā)揮重要作用[19]。本研究以玉米淀粉為原料，利用反溶劑法制備V型淀粉，探究其復合溫度與油脂吸附的構(gòu)效關(guān)系，并對粉末油脂的理化性質(zhì)進行表征。通過物理吸附和V型空腔絡合得到的亞麻籽油粉末油脂，工藝簡單綠色，生物相容性高，應用前景廣闊。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

普通玉米淀粉（食品級），吉林中糧生化能源銷售有限公司；蠟質(zhì)玉米淀粉（食品級），秦皇島驪驊股份有限公司；商業(yè)多孔淀粉N-Zorbit，美國Ingredion公司；亞麻籽油（食品級，α-亞麻酸含量＞54%），山西寶山鼎盛科技有限公司；溴化鉀（分析純），天津啟輪化學有限公司；尼羅紅（分析純），美國Sigma-Aldrich公司；無水乙醇（分析純），廣東光華科技股份有限公司；一次性塑料平皿（60 mm×15 mm），美國CORNING有限公司。

1.2 儀器與設備

DL-5-B型離心機，上海安亭科學儀器廠；MR Hei-Tec型磁力加熱攪拌器，德國 heidolph公司；NewClassic ME型電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；Phenom Pro型臺式掃描電子顯微鏡，荷蘭Phenom-World公司；Zetasizer Nano ZSE型納米粒度儀，英國Malvern公司；D8 ADVANCE型X射線衍射儀，德國Bruker AXS公司；DHG-9030A型電熱鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；XW-80A型旋渦混合器，上海精科實業(yè)有限公司；TCS.SP5型激光共聚焦顯微鏡，德國 LEICA公司；Nicolet IS50-Nicolet Continuum型傅立葉紅外光譜分析儀，美國Thermo Fisher Scientific公司。便攜式數(shù)碼相機，日本佳能公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 V型結(jié)晶淀粉的制備

V型結(jié)晶淀粉的制備參考Huang等人[20]的方法并進行改進，具體步驟為：稱取 6 g（干基）淀粉溶于100 mL去離子水中，溶液置于水?。?00 ℃）中加熱1 h，滴加兩倍體積的無水乙醇（V/V），反應完成后，將沉淀離心（1800×g，20 min），使用無水乙醇洗滌三次，離心后在烘箱（40 ℃）中烘干，研磨粉碎，過100目篩，即得到V型淀粉。

1.3.2 最大油脂吸附能力測定

最大油脂吸附能力測定采用 Ahmad等人[21]的方法并進行改進，具體步驟為：分別稱取1 g原淀粉、V型淀粉和商業(yè)多孔淀粉置于50 mL離心管中，加入10 g亞麻籽油，置于自動渦旋儀混合振蕩30 s，然后在磁力攪拌30 min，將處理后的樣品于1800×g下離心，利用膠頭滴管和濾紙吸出沉淀中的多余油份，當濾紙上沒有額外的油/水時，測量沉淀物的重量。

吸油能力計算如下：

式中：

W0——干淀粉重量，g；

W——離心后沉淀重量，g。

將吸完油的淀粉置于干凈透明的一次性塑料平皿中，使用數(shù)碼相機對其表觀形態(tài)進行拍照記錄。

1.3.3 不同復合溫度下粉末油脂的制備

分別稱取1 g原淀粉、V型淀粉或商業(yè)多孔淀粉置于自封袋中，每袋中加入0.6 g亞麻籽油干混并分別置入60、70、80、90、100 ℃烘箱中加熱0.5 h，將所得樣品取出置于干凈透明的一次性平皿中，使用數(shù)碼相機拍攝其表觀形貌。

1.3.4 動態(tài)光散射測定粒徑

使用納米粒度儀對粉末油脂的粒徑分布進行分析，將一定濃度的粉末樣品分散至無水乙醇中，超聲分散30 min后，取上清液置于儀器中進行測試。

1.3.5 掃描電鏡（SEM）觀察微觀形貌

利用 SEM 研究了粉末油脂樣品的表面形貌[22]。干燥的粉末油脂顆粒被撒在附在樣品支架上的雙面膠帶上，并在真空蒸發(fā)器中涂上一層薄薄的金（真空度＜0.1 MPa，300 s）。獲得的樣品在15 kV的加速電壓下被 Phenom Pro電子顯微鏡放大 1000倍（Phenom-world，荷蘭）。

1.3.6 激光共聚焦顯微鏡（CLSM）觀察油脂分布

稱取0.1 g AS-NMS或N-Zorbit于離心管（鋁箔紙包裹）中，再加入1 mL蒸餾水和100 μL尼羅紅染色劑[1%（m/m）]，渦旋振蕩（100×g，30 min）。在載玻片上滴加1滴淀粉懸浮液，蓋上蓋玻片，于488 nm激光下利用CLSM觀察粉末油脂中的油脂分布情況。

1.3.7 X射線衍射（XRD）分析

XRD衍射圖能夠得出淀粉晶型和結(jié)晶率的變化。實驗使用D8 ADVANCE型號X射線衍射分析儀，Cu-Ka射線（0.154 nm）輻射，設置電壓及電流（分別為40 kV和40 mA），設置掃描速率及范圍（分別為0.5 °/min 和 4 °～35 °）。使用 Jade 6.5 軟件分析數(shù)據(jù)。相對結(jié)晶度由以下公式[23]得出：

式中：

Ac——結(jié)晶區(qū)；

Aa——非結(jié)晶區(qū)。

1.3.8 傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜（FT-IR）分析

使用FT-IR光譜儀（IS50，Thermo Fisher Scientific，USA）和DLATGS檢測器獲得粉末油脂的FT-IR光譜。采用Zhang等人[24]的方法，將粉末狀樣品（2 mg）與KBr（150 mg）混合，研磨成細粉并壓成薄片。以空氣為背景，記錄4000～400 cm-1的光譜，累積64次掃描，分辨率為4 cm-1。所有光譜在1200和800 cm-1范圍內(nèi)采用OMNIC 8.2自動基線校正，并以19 cm-1的半帶寬和1.9的增強因子進行反卷積處理[25]。

1.3.9 數(shù)據(jù)處理與分析

使用SPSS 19.0軟件分析數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以平均值±標準差表示（n=3）。利用Tukey檢驗和單向方差分析比較均值差異。當p＜0.05代表存在顯著性差異，使用Origin 2017軟件作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 淀粉最大油脂吸附能力比較

原淀粉、V型淀粉和商業(yè)多孔淀粉的最大油脂吸附能力如圖1所示。從圖中可以看出，普通玉米淀粉和蠟質(zhì)玉米淀粉對亞麻籽油的吸附能力較弱，分別為0.71和0.70 g/g。這是由于原淀粉結(jié)構(gòu)相對致密，顆粒表面由支鏈淀粉的雙螺旋結(jié)晶結(jié)構(gòu)組成，直鏈淀粉的穿插在支鏈淀粉之間，形成穩(wěn)定的半晶體結(jié)構(gòu)，盡管玉米淀粉顆粒具有從表面到內(nèi)部的微小通道，但其數(shù)量較少，且尺寸為納米級，無法為液體油脂提供更多的負載位點，與Chen等[26]的研究結(jié)果相似。V型淀粉中AS-NMS的油脂吸附能力最強（1.54 g/g），從圖中油脂粉末的顏色也可看出，相比其他粉末油脂顏色較深。AS-WMS油脂吸附能力為1.11 g/g，與商業(yè)多孔淀粉（1.08 g/g）效果相當。AS-WMS在吸附相同量的亞麻籽油后體積較少，結(jié)構(gòu)為半固體，這可能是因為蠟質(zhì)玉米淀粉在制備成V型淀粉后，表面的孔洞相比于酶解淀粉更大，油脂穿過表層向顆粒內(nèi)部運動所致。然而，AS-NMS相比于AS-WMS具有更高的直鏈淀粉含量，當?shù)矸奂訜岷?，直鏈淀粉溢出，在乙醇的作用下重新誘導形成單螺旋復合物。通過自組裝形成的V型淀粉具有納米尺寸的粒徑范圍，比表面積增大，同時表面具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，更適合包埋液態(tài)油脂；AS-WMS的粒徑仍然為微米范圍，雖然表面仍具有一些孔洞，但是無法通過疏水相互作用對油脂進行包埋，因此相比于AS-NMS，吸油能力較差。

2.2 復合溫度對粉末油脂表觀形貌的影響

在60%亞麻籽油添加比例下，復合溫度對粉末油脂表觀形貌的影響如圖2所示。從圖中可以看出，隨著復合溫度的升高，淀粉樣品的吸油能力增加，表現(xiàn)為粉末油脂由半固態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變。V型淀粉中的AS-NMS在不同溫度復合得到的粉末油脂均保持粉末狀，AS-WMS與N-Zorbit效果相當，隨著復合溫度升高，粉末油脂均向粉末狀態(tài)轉(zhuǎn)變，這些結(jié)果說明了復合溫度的增加能促進油脂分子運動速度加快，促使亞麻籽油向V型淀粉顆粒內(nèi)部擴散，表面油脂減少，“顆粒感”增強。同時溫度升高降低了亞麻籽油黏度，使之滲透擴散能力增強，從而使V型淀粉包埋率增大[27]。不同復合溫度下兩種原淀粉形成的淀粉油脂混合物均保持半固態(tài)，無法形成粉末狀，這與圖1的吸油能力結(jié)果相吻合。

2.3 復合溫度對粉末油脂粒徑和微觀形態(tài)的影響

以 AS-NMS樣品為代表研究了不同復合溫度制備的粉末油脂的粒徑變化，結(jié)果如圖3所示。從圖3a中可以看出，反溶劑法制備的V型淀粉主要有兩個峰，粒徑峰值分別為20 nm和100 nm，峰值粒徑在1 μm左右存在少量的淀粉聚集體，表明反溶劑法制備的V型淀粉粒子尺寸主要為納米級，遠低于原淀粉和多孔淀粉的粒徑，為亞麻籽油的吸附提供了更大的比表面積。隨著復合溫度的升高，粉末油脂的粒徑逐漸減小，平均粒徑由60 ℃的1100 nm降低至90 ℃的418 nm（圖3b），這是因為溫度的升高加速了油脂向淀粉顆粒的擴散，使油脂在淀粉顆粒中的分布更為均勻，淀粉顆粒不易聚集。繼續(xù)提高復合溫度至100 ℃，粒徑有所上升，這可能是由于油脂分子勢能增大，V型淀粉內(nèi)部包埋的油脂分子之間引力減小，導致油脂分子向外運動擴散所致。

淀粉的SEM照片見圖4，反溶劑法制備的V型淀粉（AS-NMS）為不規(guī)則形狀顆粒，部分顆粒聚集成較大粒子，與粒徑分布結(jié)果一致。V型淀粉制備成粉末油脂后，由于表面油脂含量較多，不同復合溫度制備的粉末油脂微觀形貌沒有顯著差異，油脂將淀粉顆粒團聚在一起，形成具有一定輪廓的團聚狀態(tài)。復合溫度的升高會加速油脂的熱運動及對顆粒內(nèi)部的滲透，進而降低粉末油脂團聚程度和顆粒尺寸，這與粒徑分布結(jié)果吻合。

采用激光共聚焦顯微鏡觀測復合溫度對油脂吸附的影響，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，淀粉顆粒中的油脂被尼羅紅染色，呈現(xiàn)紅色亮點，商業(yè)多孔淀粉能明顯觀察到紅色亮點分布在淀粉顆粒表面和內(nèi)部，隨著復合溫度的升高，多孔淀粉油脂粉末紅色區(qū)域增加，說明在較高溫度下淀粉吸附油脂的速率增加，更多油脂由表面向內(nèi)部擴散。AS-NMS制備的粉末油脂粒徑較小，為納米尺寸，因此，在CLSM的放大倍數(shù)下，較難觀察單個顆粒的油脂負載及分布情況。但從整個區(qū)域范圍來看，我們根據(jù)紅色點的密集程度，可以定性分析出其結(jié)合的含量，同時觀察視野里游離的較大粒徑油滴的情況，不難得出復合溫度升高對V型淀粉粉末脂質(zhì)的復合程度的影響規(guī)律。以上結(jié)果表明，復合溫度升高加速了油脂向淀粉顆粒的擴散，使油脂負載能力提升，顆粒聚集減少。但當復合溫度達100 ℃時，發(fā)現(xiàn)游離的油滴增加，可能是溫度繼續(xù)升高導致油脂分子勢能增大，V型淀粉內(nèi)部包埋的油脂分子之間引力減小，油脂分子開始向外運動擴散所致。這一現(xiàn)象與粒徑的結(jié)果相一致。

2.4 粉末油脂的結(jié)晶性質(zhì)

V型淀粉及其不同復合溫度下制備的粉末油脂的XRD結(jié)果見圖6。V型淀粉（AS-NMS）的結(jié)晶峰出現(xiàn)在7.8°、13.5°和20.7°附近，這是V型淀粉典型的V6型特征峰[28，29]。AS-NMS 制備的粉末油脂在 7.6°、13.2°及20.0°附近出現(xiàn)結(jié)晶峰，在不同復合溫度下，結(jié)晶峰的位置沒有發(fā)生改變，說明溫度的升高并不會影響AS-NMS粉末油脂的結(jié)晶形態(tài)，但結(jié)晶度有小幅增加，這歸因于V型復合物絡合作用，油脂與V型淀粉復合后進入單螺旋空腔，進而增大了V型衍射峰的信號強度，這與多孔淀粉吸附油脂方式的有顯著區(qū)別。值得注意的是，與V型淀粉相比，粉末油脂的特征吸收峰由20.7°向較低的峰值移動。根據(jù)布拉格定律，nλ=2dsinθ，衍射峰向更小的2θ位移，表明平面間距離增大（d）。這可能是因為當V型淀粉吸附亞麻籽油時，更多的油脂分子進入V型淀粉的單螺旋疏水空腔結(jié)構(gòu)，導致形成了更大尺寸的螺旋空腔。這一現(xiàn)象與Fu等[30]的研究結(jié)果吻合。

2.5 粉末油脂的分子結(jié)構(gòu)

淀粉分子水平上的結(jié)構(gòu)變化，如淀粉鏈構(gòu)象、螺旋度、結(jié)晶度、回生過程和含水量等，在FT-IR光譜中表現(xiàn)較為明顯[31，32]。在 1200～800 cm-1的特征峰為C-O鍵和C-C鍵拉伸振動，該區(qū)域的紅外光譜主要吸收帶對應波長分別為1045 cm-1、1022 cm-1和995 cm-1，其中1045 cm-1處主要為淀粉的有序結(jié)構(gòu)，1022 cm-1處主要為無定形淀粉拉伸形成，因此對無定形結(jié)構(gòu)很敏感，995 cm-1處是碳水化合物螺旋的鍵合[33，34]。不同復合溫度制備的粉末油脂的FT-IR圖譜如圖7所示，從圖中可以看出，粉末油脂紅外光譜主要吸收帶對應波長分別為1060 cm-1、1022 cm-1和995 cm-1。隨著復合溫度的升高，1060/1022 cm-1峰強呈現(xiàn)出上升的趨勢，表明溫度的升高使淀粉分子短程結(jié)構(gòu)有序性增加，相對應地1022/995 cm-1峰強呈現(xiàn)下降的趨勢，表明溫度的升高使淀粉分子的無定形區(qū)域減少。與XRD結(jié)果相一致，亞麻籽油與V型淀粉復合后，部分進入淀粉的單螺旋疏水空腔形成V型復合物，進而增加了長程和短程的分子有序性。

3 結(jié)論

與原淀粉和商業(yè)多孔淀粉相比，反溶劑法制備的V型淀粉具有顯著更高的油脂吸附能力，與60%的亞麻籽油復合后仍能維持較好的粉末形態(tài)；隨著溫度的升高，油脂的擴散速度加快，AS-NMS與亞麻籽油表現(xiàn)出了更高程度的復合，粉末油脂粒徑隨之降低。復合溫度的升高使淀粉的V型結(jié)晶度增大，分子長程有序性升高，表明V型淀粉的單螺旋疏水空腔參與了對油脂的吸附；隨著復合溫度上升，AS-NMS的短程分子結(jié)構(gòu)有序性升高，無定形區(qū)減少。本研究通過物理吸附和V型空腔絡合相結(jié)合得到的粉末油脂，工藝簡單綠色，生物相容性高，為粉末油脂的加工利用提供了新思路。后續(xù)將繼續(xù)開展淀粉基壁材的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及氧化穩(wěn)定性相關(guān)評價研究。