不同晶型淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物的制備及表征

黃琴，閆溢哲，2，冀曉龍，2，程艷秋，史苗苗，2*，劉延奇，2*

（1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.食品生產(chǎn)與安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450002）

淀粉中含有豐富的碳水化合物，可以從谷類(lèi)、根、莖、豆類(lèi)和未成熟的植物果實(shí)中獲得[1]。在食品體系中，淀粉和脂類(lèi)是主要的兩種成分，因此對(duì)它們之間相互作用的研究是十分必要的。根據(jù)X-射線(xiàn)衍射波譜分析，可以將淀粉分為A型、B型、C型和V型4種晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型[2-3]。淀粉晶體結(jié)構(gòu)以及結(jié)晶度均與淀粉及其制品的性質(zhì)及應(yīng)用有著密切的聯(lián)系[4]。因此，通過(guò)脂質(zhì)對(duì)不同晶型的淀粉進(jìn)行改性，可以擴(kuò)大其在食品中的應(yīng)用范圍。

根據(jù)淀粉分子化學(xué)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可以將淀粉分為直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種。由于支鏈淀粉高度的分支結(jié)構(gòu)會(huì)引起空間位阻效應(yīng)，因此支鏈淀粉與脂質(zhì)的相互作用能力有限[5]，使得直鏈淀粉更易與脂肪酸發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，形成單螺旋V型絡(luò)合物[6]。Chen等[7]采用高壓均質(zhì)法制備蓮子淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物，并對(duì)其結(jié)構(gòu)及流變學(xué)特性進(jìn)行了研究。Li等[8]采用正交試驗(yàn)的方法，制備了不同濃度的軟脂酸與山藥（薯蕷）淀粉復(fù)合物，得到了山藥淀粉與軟脂酸的最佳配比。Shi等[9]研究了超聲強(qiáng)度對(duì)小麥淀粉-單甘油酯復(fù)合物（wheat starch-monoglyceride complex，WSG）的影響，以及WSG對(duì)饅頭品質(zhì)的影響。

目前關(guān)于淀粉與脂肪酸作用的研究主要集中在脂肪酸的種類(lèi)、作用條件（pH值、NaCl溶液的濃度、溫度等）[10]及脂肪酸的鏈長(zhǎng)[11]對(duì)單一種類(lèi)淀粉形成的復(fù)合物的影響，對(duì)復(fù)合方法、淀粉的晶型與脂肪酸相互作用研究相對(duì)較少。本研究中，采用快速黏度分析儀（rapid viscosity analyzer，RVA）將不同晶型的淀粉分別與單硬脂酸甘油酯復(fù)合，并測(cè)定復(fù)合指數(shù)、結(jié)構(gòu)及熱特性等性質(zhì)，以期為不同晶型淀粉與脂質(zhì)的復(fù)合及改性方法提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

木薯淀粉（tapioca starch，TS）：河南恩苗食品有限公司；馬鈴薯淀粉（potato starch，PS）：固原長(zhǎng)城淀粉有限公司；山藥淀粉（yam starch，YS）：鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院功能性多糖實(shí)驗(yàn)室自制；單硬脂酸甘油酯（glyceryl monostearate，GMS，分析純）：廣東光華化學(xué)廠(chǎng)有限公司；溴化鉀（色譜純）：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

RVA4500型快速黏度分析儀：瑞典Perten公司；DZKW-4型電熱恒溫水浴鍋：北京中興偉業(yè)儀器有限公司；AB265-S型分析天平：上海梅特勒-托利多儀器有限公司；TDZ5-WS型高速離心機(jī)：湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司；Scientz-12N壓蓋型冷凍干燥機(jī)：寧波新芝生物科技股份有限公司；QE-100型高速粉碎機(jī)：浙江屹立工貿(mào)有限公司；UV-1800型紫外分光光度計(jì)：上海精密儀器儀表有限公司；Regulus8100掃描電子顯微鏡：日本Rili公司；Vertex70型傅里葉變換紅外光譜儀、D8 Advance型X-射線(xiàn)衍射儀：德國(guó)Bruker公司；BWS465-785S型便攜式拉曼光譜儀：美國(guó)B&W Tek公司；Q20型差示掃描量熱儀：美國(guó)TA公司。

1.3 方法

1.3.1 復(fù)合物的制備

不同晶型淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物的制備，參照Chao等[12]的方法，并作適當(dāng)修改。準(zhǔn)確稱(chēng)取100 mg單硬脂酸甘油酯與淀粉樣品（2.0 g）混合置于RVA鋁罐中，加入去離子水使總質(zhì)量為28.0 g，旋轉(zhuǎn)攪拌，使樣品充分融合。根據(jù)RVA提供的standard 1程序進(jìn)行操作，并稍作修改：在整個(gè)加熱-冷卻循環(huán)過(guò)程中，前10 s以960 r/min恒定速率旋轉(zhuǎn)攪拌，隨后速率恒定在160 r/min。先將混合好的淀粉乳液在50℃下保持1 min，接著以12℃/min的速率將樣品從50℃加熱至95℃后保持3 min，再?gòu)?5℃冷卻至50℃后保持4 min，全程共15.5 min。將制備好的樣品冷卻至室溫（25℃），放入冷凍干燥機(jī)中至完全干燥后即得到不同晶型淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物，使用粉碎機(jī)磨成粉末，過(guò)120目篩，備用。

1.3.2 復(fù)合指數(shù)（complex index，CI）測(cè)定

依據(jù)Guo等[13]的方法對(duì)復(fù)合指數(shù)（CI）進(jìn)行測(cè)量，并作適當(dāng)修改：稱(chēng)取0.4 g制備好的復(fù)合物及原淀粉分別置于50 mL離心管中，加入去離子水，使總質(zhì)量達(dá)到5.0 g。首先將樣品在沸水浴中加熱10 min后，取出冷卻至室溫（25℃），再加入25 mL去離子水，渦旋振蕩2 min，使淀粉樣品充分分散。然后以3 000 r/min速率離心15 min，吸取500 μL上清液轉(zhuǎn)移至試管中，與15 mL去離子水和2 mL碘溶液（2.0%KI和1.3%I2）充分混合。為避免淀粉回生，試驗(yàn)在60 min內(nèi)進(jìn)行。用紫外分光光度計(jì)測(cè)定620 nm處的吸光度。以原淀粉作為空白對(duì)照，計(jì)算復(fù)合物的CI，公式如下。

式中：A原淀粉為原淀粉（YS、TS、PS）溶液的吸光度；A復(fù)合物為不同晶型淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物溶液的吸光度。

1.3.3 掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）分析

將導(dǎo)電膠黏附在電鏡樣品臺(tái)上，然后在導(dǎo)電膠上分別鋪薄薄的一層原淀粉及不同晶型淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物樣品，吹去浮粉；噴金處理30 s，使其具有導(dǎo)電性；然后將樣品臺(tái)置于掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀(guān)察。測(cè)試的工作電壓為20 kV，放大500倍進(jìn)行觀(guān)察并找到具有代表性的樣品顆粒形貌，拍照。

1.3.4 傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）分析

稱(chēng)取干燥后溴化鉀（KBr）約0.3 g，置于瑪瑙研缽中，將待測(cè)樣品與KBr以質(zhì)量比1∶100混合，充分研磨混勻，移于壓模中，使其分布均勻，把壓模水平放置在壓片機(jī)座上，加壓到15 MPa～20 MPa，靜置2 min，取出。測(cè)定條件為分辨率4 cm-1，范圍4 000 cm-1～400 cm-1；在室溫（25℃）下進(jìn)行64次掃描。

1.3.5 拉曼光譜分析

取約1.0 g原淀粉及不同晶型的淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物分別置于測(cè)試槽中，并壓至表面光滑平整。光譜的波數(shù)范圍設(shè)定為3 200 cm-1～300 cm-1，分辨率為4.5 cm-1，積分時(shí)間為10 s，激光功率為100 mW（開(kāi)始測(cè)試前去除暗電流），平均8次，得到樣品平均次數(shù)后的拉曼光譜圖。采用BWIQ軟件，計(jì)算波數(shù)480 cm-1處的半峰寬（full width at half-maximum，F(xiàn)WHM）值。

1.3.6 X-射線(xiàn)衍射（X-ray diffraction，XRD）測(cè)試

取適量的淀粉樣品，均勻鋪在X-射線(xiàn)衍射儀的樣品池中，使用載玻片將其壓平。用波長(zhǎng)為0.154 2 nm的單色Cu-K α射線(xiàn)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)試條件：管壓30 kV，管流 20 mA，掃描區(qū)域 5°～35°（2θ），步長(zhǎng) 0.02°，掃描速率為4°/min，掃描方式為連續(xù)，重復(fù)1次，試驗(yàn)均在室溫（25℃）下進(jìn)行。將得到的X-射線(xiàn)衍射圖譜通過(guò)MDI Jade 6.5軟件對(duì)樣品的尖峰區(qū)域面積和總面積區(qū)間分別進(jìn)行積分計(jì)算，可以得到待測(cè)樣品的相對(duì)結(jié)晶度（relative crystallinity，RC），計(jì)算公式如下。

式中：Ac為樣品中結(jié)晶區(qū)部分面積；Aa為樣品中非結(jié)晶區(qū)（無(wú)定形區(qū)）部分面積。

1.3.7 差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）分析

取3 mg淀粉樣品放入鋁盤(pán)中，以淀粉與去離子水質(zhì)量比3∶7為標(biāo)準(zhǔn)，加入去離子水至總質(zhì)量為10 mg左右。用配套鋁蓋密封后，置于室溫（25℃）下平衡12h。以空鋁盤(pán)作為參照，以10℃/min的速率，測(cè)定20℃～120℃樣品的熱特性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有樣品測(cè)試均進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。采用Origin 9.0軟件作圖及SPSS 21.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA）和Duncan的多重比較分析，分析比較數(shù)據(jù)平均值之間的差異（P＜0.05表示有顯著性差異），試驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合指數(shù)結(jié)果分析

不同晶型淀粉及淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物的復(fù)合指數(shù)（CI）見(jiàn)表1。

表1 不同晶型淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物的復(fù)合指數(shù)Table 1 Complex index of different crystal types of starchglyceryl monostearate complexes

復(fù)合指數(shù)的大小常被用來(lái)表示淀粉與脂肪酸的復(fù)合程度及與碘的結(jié)合能力[14]，CI值越大，淀粉與脂肪酸的復(fù)合程度越高。由表1可見(jiàn)，不同晶型的淀粉均與GMS形成了復(fù)合物，木薯淀粉-單硬脂酸甘油酯（TS-GMS）復(fù)合程度最高，CI值為77.51%。不同晶型的淀粉與GMS復(fù)合物的復(fù)合指數(shù)間存在著顯著差異（P＜0.05），其大小順序?yàn)?TS-GMS＞YS-GMS＞PS-GMS。

2.2 掃描電子顯微鏡分析

不同晶型淀粉及淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物的掃描電子顯微鏡圖見(jiàn)圖1。

圖1 不同晶型淀粉及淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物掃描電子顯微鏡圖Fig.1 Scanning electron microscopy images of different crystal types of starches and starch-glyceryl monostearate complexes

通過(guò)圖1可以看出，不同晶型的淀粉加入GMS后，淀粉顆粒的形貌發(fā)生了明顯的變化。木薯淀粉（A型）顆粒結(jié)構(gòu)較完整，一端光滑，另一端有不平整的截口；與朱玲等[15]研究觀(guān)察到的木薯淀粉特有的“頭盔狀”結(jié)果相似；通過(guò)RVA復(fù)合后，木薯淀粉與GMS復(fù)合物的碎片結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)許多細(xì)小密集的孔洞。馬鈴薯淀粉（B型）顆粒飽滿(mǎn)，呈橢圓形，表面光滑無(wú)凹陷，大小不均一；與GMS復(fù)合后，馬鈴薯淀粉原有的超螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，形成了片狀的結(jié)構(gòu)，表面光滑，溝壑分明。山藥淀粉（C型）顆粒表面光滑，無(wú)雜質(zhì)，輪廓清晰，呈橢圓形或扁圓形，大小均勻；與GMS復(fù)合后，山藥淀粉顆粒的原有形貌被完全破壞，形成了不規(guī)則的塊狀顆粒結(jié)構(gòu)。這可能是因?yàn)镽VA的剪切作用使原淀粉的結(jié)構(gòu)遭到破壞，形成了不同晶型淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物現(xiàn)有形貌。

2.3 FTIR及拉曼光譜分析

不同晶型淀粉及淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物的紅外光譜圖見(jiàn)圖2。

圖2 不同晶型淀粉及淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectra of different crystal types of starches and starch-glyceryl monostearate complexes

由圖2可知，樣品均在3 000 cm-1～3 600 cm-1處出現(xiàn)一個(gè)較大的寬峰帶，這是淀粉中羥基的伸縮振動(dòng)的特征吸收峰。與原淀粉相比，淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物在1 730 cm-1和2 850 cm-1附近出現(xiàn)了兩個(gè)小吸收峰，這兩個(gè)峰分別代表的是單硬脂酸甘油酯分子中的羰基的振動(dòng)峰和亞甲基的不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰[16]，表明脂肪酸分子被緊密地固定在淀粉螺旋結(jié)構(gòu)的間隙中，形成了單螺旋包合物[17]。

為了進(jìn)一步區(qū)分原淀粉和淀粉-脂肪酸樣品的FTIR光譜，對(duì)其進(jìn)行了去卷積分析，不同晶型淀粉及淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物紅外吸收峰的比值（1 047 cm-1/1 022cm-1）及相對(duì)結(jié)晶度見(jiàn)表2。1047 cm-1和1 022 cm-1處吸收峰的比值反映了淀粉的短程結(jié)構(gòu)有序性的高低，比值越大，表明淀粉短程結(jié)構(gòu)有序性越高，淀粉的結(jié)晶度也越高。

表2 不同晶型淀粉及淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物的紅外吸收峰比值（1 047 cm-1/1 022 cm-1）、相對(duì)結(jié)晶度及半峰寬值Table 2 The ratio of FTIR absorbance（1 047 cm-1/1 022cm-1），relative crystallinity and full width at half-maximum value of different crystal types of starches and starch-glyceryl monostearate complexes

不同晶型淀粉及淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物的拉曼光譜圖見(jiàn)圖3。

圖3 不同晶型淀粉及淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物的拉曼光譜圖Fig.3 Raman spectra of different crystal types of starches and starch-glyceryl monostearate complexes

由表2可知，與原淀粉相比，淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物在1 047 cm-1與1 022 cm-1處吸收峰的比值均下降，說(shuō)明復(fù)合后淀粉的短程有序性降低。結(jié)合圖3及表2中半峰寬值，與原淀粉相比，在480 cm-1處，不同晶型的淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物的FWHM值均升高，其中YS-GMS的FWHM值最小，其次是PSGMS，TS-GMS的FWHM值最大。Guo等[18]研究發(fā)現(xiàn)，隨著淀粉短程有序結(jié)構(gòu)的增加，F(xiàn)WHM值隨之降低，從而進(jìn)一步證實(shí)了不同晶型淀粉與單硬脂酸甘油酯復(fù)合后其短程有序結(jié)構(gòu)降低，這與FTIR、XRD、DSC的分析結(jié)果相一致。

2.4 XRD分析

不同晶型淀粉及淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物的X-射線(xiàn)衍射圖譜見(jiàn)圖4。

圖4 不同晶型淀粉及淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物X-射線(xiàn)衍射圖譜Fig.4 X-ray diffraction patterns of different crystal types of starches and starch-glyceryl monostearate complexes

通過(guò)X-射線(xiàn)衍射圖譜，分析比較原淀粉晶體結(jié)構(gòu)的類(lèi)型及淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)的變化。由圖4可知，木薯淀粉在2θ為15°、22.8°出現(xiàn)單峰，17°、18°出現(xiàn)雙肩峰，為典型的 A 型淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)[19]，經(jīng)計(jì)算，結(jié)晶度為37.23%。馬鈴薯淀粉在2θ為5.6°、17°、22°和24°附近表現(xiàn)出強(qiáng)衍射峰，為典型的B型結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度為26.73%；除B型淀粉的特征峰，山藥淀粉在2θ為15°和23°附近還出現(xiàn)A型淀粉的特征峰，這表明山藥淀粉屬于C型晶體結(jié)構(gòu)[20]，其結(jié)晶度為25.23%。加入GMS后，不同晶型的淀粉與GMS復(fù)合物的X-射線(xiàn)衍射圖譜在2θ為12.9°、19.8°處均出現(xiàn)衍射峰，為V型結(jié)構(gòu)的特征峰[21]，表明GMS與不同晶型的原淀粉均形成了復(fù)合物。謝新華等[22]采用快速黏度分析處理方法使不同鏈長(zhǎng)的脂肪酸與小麥淀粉復(fù)合，對(duì)其性質(zhì)的研究中發(fā)現(xiàn)，制備出的復(fù)合物也呈V型結(jié)構(gòu)，這與本文研究的結(jié)果相一致。

結(jié)合表2可知，復(fù)合物的結(jié)晶度均小于相應(yīng)原淀粉的結(jié)晶度，TS-GMS的結(jié)晶度降低得更明顯。Liang等[23]對(duì)添加脂質(zhì)和β-環(huán)糊精的大米淀粉糊化性質(zhì)差異的研究中也有相似的發(fā)現(xiàn)，加入脂質(zhì)后的淀粉復(fù)合物的結(jié)晶度與原淀粉相比結(jié)晶度降低。這可能是因?yàn)镽VA處理影響了復(fù)合物的單螺旋結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使脂質(zhì)分子進(jìn)入了淀粉的顆粒內(nèi)部，原淀粉結(jié)晶區(qū)的螺旋結(jié)構(gòu)被打開(kāi)，導(dǎo)致復(fù)合物的致密性和有序度降低，從而使淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的結(jié)晶度降低[24-25]。

2.5 熱特性分析

圖5和表3研究了不同晶型原淀粉以及淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物的DSC譜圖，及其相應(yīng)的凝膠化轉(zhuǎn)變溫度（To、Tp、Tc）和焓值（ΔH），對(duì)淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物的糊化性質(zhì)進(jìn)行分析。

圖5 不同晶型淀粉及淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物熱特性分析圖Fig.5 DSC diagrams of different crystal types of starches and starch-glyceryl monostearate complexes

表3 不同晶型淀粉及淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物的熱特性Table 3 Thermal properties of different crystal types of starches and starch-glyceryl monostearate complexes

由圖5可以看出，與原淀粉相比，不同晶型淀粉-單硬脂酸甘油酯體系在50℃～65℃和105℃左右出現(xiàn)了兩個(gè)新峰。50℃～65℃的峰值為脂肪酸熔融峰。Wang等[26]研究發(fā)現(xiàn)，淀粉-脂肪酸復(fù)合物的熔融峰出現(xiàn)在95℃～105℃。圖5顯示，不同晶型淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物均在105℃左右出現(xiàn)了熔融峰，證明了不同晶型的淀粉與GMS復(fù)合物的形成。從表3的結(jié)果可以看出，不同晶型的淀粉與GMS復(fù)合后To、Tp、Tc以及ΔH均低于原淀粉。DSC測(cè)定的淀粉焓值（ΔH）反映了淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)或淀粉微晶結(jié)構(gòu)的損失。不同晶型淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物的焓值減小，這是因?yàn)镽VA處理后使淀粉膨脹，結(jié)晶度降低，從而導(dǎo)致ΔH降低，與XRD測(cè)試結(jié)果一致。

3 結(jié)論

本文采用RVA在升溫-降溫循環(huán)的條件下制備了3種不同晶型淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物。研究結(jié)果顯示，與馬鈴薯淀粉和山藥淀粉相比，木薯淀粉（A型）與GMS的復(fù)合程度更高；X-射線(xiàn)衍射圖譜顯示不同晶型淀粉-單硬脂酸甘油酯復(fù)合物均在2θ為12.9°、19.8°處均出現(xiàn)衍射峰，表明淀粉晶型已分別由A、B、C型轉(zhuǎn)化形成了V型結(jié)構(gòu)；同時(shí)，3種晶型的原淀粉與GMS復(fù)合后形成的復(fù)合物，形貌發(fā)生了顯著變化，呈片狀或塊狀。3種晶型淀粉的糊化溫度及焓值均顯著降低，其中木薯淀粉（A型）焓值降低最明顯。本研究可為淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)性質(zhì)及淀粉的晶體結(jié)構(gòu)研究提供參考。