張明月，楊留枝，婁雪，馮琳琳，景悅，劉延奇, *

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

淀粉作為離散的半結(jié)晶顆粒儲(chǔ)存在高等植物中，占亞洲國(guó)家每日能量攝入量的50%以上[1]。天然的淀粉顆粒，包含直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種大分子，均是由α-1, 4糖苷鍵和少量的α-1, 6糖苷鍵連接α-D-吡喃葡萄糖形成的復(fù)雜高分子[2]。在復(fù)合物的形成過(guò)程中，由于直鏈淀粉的螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部是非極性區(qū)域，可與脂質(zhì)的碳?xì)滏溨g發(fā)生疏水性交互作用，進(jìn)而形成單螺旋包合物。淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的形成可以改變?cè)矸鄣睦砘再|(zhì)，例如可以延緩淀粉的老化、降低淀粉的水解、增加抗消化性等。因此，淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物作為穩(wěn)定劑、脂肪替代品和乳化劑應(yīng)用于食品及功能性食品等領(lǐng)域。

目前，淀粉-復(fù)合物的制備方法包括DMSO法、KOH溶劑法、酶催化合成法、高壓均質(zhì)法、蒸汽噴射蒸煮法、擠壓蒸煮法、干法等[3]。除了制備方法外，淀粉的種類(lèi)、直鏈淀粉的含量、配體分子的大小及HLB值等均可以影響淀粉-脂類(lèi)復(fù)合物的形成[4]。研究表明不同制備方法顯著影響淀粉結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。申瑞玲等[5]研究了KOH溶劑法制備最佳藜麥淀粉-硬脂酸復(fù)合物的工藝條件：硬脂酸與淀粉比例1︰12、溫度為60℃、0.1 mol/L HCl添加量14 mL、保溫時(shí)間30 min。劉靜娜等[6]研究了高壓均質(zhì)法制備最佳玉米淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的工藝條件：硬脂酸添加量0.5%、高壓均質(zhì)壓力100 MPa、高壓均質(zhì)次數(shù)3次、糊化預(yù)處理溫度95 ℃。Wang等[7]研究了超聲波處理、DMSO加熱和支鏈淀粉酶脫支3種處理方法對(duì)馬鈴薯淀粉-月桂酸復(fù)合物和淀粉基薄膜性質(zhì)的影響，結(jié)果表明3種方法制備的淀粉復(fù)合物均具有高的拉伸性和低的透濕性。Lu等[8]采用兩種干法制備了淀粉-脂肪酸復(fù)合物，發(fā)現(xiàn)采用加入脂肪酸之前加熱淀粉這種干法更能促進(jìn)薄層微晶的形成?？傊?，不同的方法制備脂肪酸復(fù)合物的復(fù)合指數(shù)及性質(zhì)都有影響。為了更快速有效地制備單甘酯-小麥淀粉（GMS-WS）復(fù)合物，試驗(yàn)采用DMSO法制備GMS-WS復(fù)合物，研究單甘脂的添加量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)CI的影響，同時(shí)探究了單甘酯對(duì)小麥淀粉熱性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的影響，以掌握單甘酯對(duì)小麥淀粉性質(zhì)影響的規(guī)律，為擴(kuò)大小麥淀粉的應(yīng)用范圍，提供相關(guān)應(yīng)用參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥淀粉，Sigma公司，食品級(jí)；甘油單硬脂酸酯（GMS），廣東光華化學(xué)廠有限公司，化學(xué)純；二甲基亞砜（DMSO），天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司，分析純；無(wú)水乙醇，天津富宇精細(xì)化工有限公司，分析級(jí)；溴化鉀，天津光復(fù)精細(xì)化工研究所，光譜純。

1.2 儀器與設(shè)備

電子恒溫水浴鍋（DZKW-4型，北京中興偉業(yè)儀器有限公司）；高速離心機(jī)（TDZ 5-WS型，湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司）；紫外可見(jiàn)光光度計(jì)（TGL-16 gH型，科曉化工儀器設(shè)備有限公司）；傅里葉變換紅外光譜儀（Vertex 70型，德國(guó)布魯克公司）；多功能X射線衍射儀（D 8 Advance型，德國(guó)Bruker公司）；差示掃描量熱儀（Q 20型，美國(guó)TA公司）。

2 試驗(yàn)方法

2.1 GMS-WS復(fù)合物的制備

參照劉延奇等[9]和史苗苗等[10]的方法，稱(chēng)取不同含量的單甘脂（1%，3%，5%，7%和9%）溶于15 mL乙醇，再加入30 mL DMSO配成脂肪酸溶液。將3 g小麥淀粉加入脂肪酸溶液，用電爐加熱至沸騰后加入300 mL 90 ℃的水，分別在不同溫度（60，70，80，90和100 ℃）下保溫10，20，30，40和50 min。待體系冷卻至室溫后離心，沉淀用50%的乙醇/水溶液洗滌離心3次，在40 ℃下烘干24 h，研磨過(guò)篩，即得GMSWS復(fù)合物。

2.2 復(fù)合指數(shù)的測(cè)定

GMS-WS復(fù)合物的復(fù)合指數(shù)依據(jù)Wang等[11]的方法進(jìn)行測(cè)量，并稍作修改：稱(chēng)取2.1小節(jié)制備的GMS-WS復(fù)合物（0.4 g）到50 mL離心管中，加入蒸餾水至總質(zhì)量為5 g。將懸浮液在沸水浴中加熱10 min或直到淀粉完全膠凝化。冷卻至室溫后，將25 mL蒸餾水加入到膠凝樣品中，并渦旋振蕩2 min，然后以3 000 r/mL離心15 min。再吸取上清液（500 μL）轉(zhuǎn)移到試管中并與15 mL蒸餾水和2 mL碘溶液（2.0% KI和1.3% I2的蒸餾水）混合。在620 nm處測(cè)量紫外吸光度。使用小麥淀粉作為參考。CI按式（1）計(jì)算：

2.3 單因素試驗(yàn)對(duì)復(fù)合指數(shù)的影響

試驗(yàn)選擇3個(gè)單因素來(lái)考察對(duì)GMS-WS復(fù)合物的復(fù)合指數(shù)的影響，分別是單甘酯的添加量（1%，3%，5%，7%和9%）、反應(yīng)溫度（60，70，80，90和100 ℃）和保溫時(shí)間（10，20，30，40和50 min），試驗(yàn)結(jié)果均以小麥淀粉復(fù)合物的復(fù)合指數(shù)來(lái)衡量和選擇。

2.4 正交試驗(yàn)優(yōu)化

為了優(yōu)化GMS-WS復(fù)合物的制備工藝，基于單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用L9(34)正交試驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表1。

表1 L9(34)因素與水平

2.5 傅里葉紅外光譜分析（FT-IR）

取定量干燥的KBr，研細(xì)，再加入少量地樣品，混合均勻并壓片（0.5 mm），隨后將該薄片放入樣品卡槽于主機(jī)中掃描。測(cè)定條件：分辨率4 cm-1，波數(shù)范圍4 000～400 cm-1，掃描次數(shù)64次。

2.6 X-射線衍射測(cè)試（XRD）

將淀粉樣品（0.5 g）置于鋁板上的矩形槽中（開(kāi)口尺寸15～20 mm，厚度1.5 mm）并壓制。在3 kV和20 mA下用XRD的Cu-Kα射線測(cè)量淀粉樣品。測(cè)量在5°和40°（2θ）之間進(jìn)行，樣品步長(zhǎng)為0.02°，掃描速率為4°/min，掃描方式為連續(xù)，重復(fù)1次。

2.7 熱特性分析（DSC）

將約10 mg樣品（水與淀粉質(zhì)量比7︰3）置于鋁盤(pán)中，用卷曲機(jī)密封，在室溫下平衡12 h。使用空鋁盤(pán)作為參考，加熱范圍20～140 ℃，加熱速率10 ℃/min。相變參數(shù)分別用起始溫度（T0）、峰值溫度（Tp）、最終溫度（Tc）和焓變（ΔH）表示。

3 結(jié)果與分析

3.1 GMS-WS復(fù)合物制備的工藝條件優(yōu)化

3.1.1 GMS-WS復(fù)合物制備的單因素試驗(yàn)結(jié)果

考察單甘酯與小麥淀粉添加比例、結(jié)晶溫度和保溫時(shí)間對(duì)GMS-WS復(fù)合物復(fù)合指數(shù)的影響，結(jié)果如圖1所示。

由圖1（a）可知，隨著單甘酯含量的增加，GMSWS復(fù)合物的CI值逐漸增加，當(dāng)單甘酯的含量為5%時(shí)，它的CI值趨于穩(wěn)定。這可能是因?yàn)樾←湹矸叟c單甘酯已經(jīng)充分結(jié)合，所以再增加單甘酯的含量，CI值也不會(huì)有顯著變化[10]。從圖1（b）中發(fā)現(xiàn)，GMS-WS復(fù)合物的CI值呈先增加后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诘蜏叵碌矸鄯肿硬荒芘c單甘酯充分接觸，導(dǎo)致GMS-WS復(fù)合程度不完全；隨著反應(yīng)溫度的升高，小麥淀粉的結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)易形成多孔結(jié)構(gòu)，增加了單甘酯與淀粉的絡(luò)合；當(dāng)溫度達(dá)到90 ℃以上，由于V型無(wú)定形復(fù)合物在94～110 ℃發(fā)生熔融現(xiàn)象致使復(fù)合物的CI值降低[5]。由圖1（c）可知，GMS-WS復(fù)合物的CI值在20 min時(shí)達(dá)到了最大值，繼續(xù)增加保溫時(shí)間，CI值逐漸減小。當(dāng)保溫時(shí)間為10 min 時(shí)，單甘酯難溶于水，與小麥淀粉不能充分有效接觸，導(dǎo)致CI較低[12]。通過(guò)單因素試驗(yàn)可知，單甘酯的添加量為7%、結(jié)晶溫度為80 ℃和保溫時(shí)間為30 min，更有利于GMS-WS復(fù)合物的形成。

圖1 單甘酯添加量、結(jié)晶溫度和保溫時(shí)間對(duì)CI的影響

3.1.2 GMS-WS復(fù)合物制備的正交試驗(yàn)優(yōu)化

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以單甘酯添加量、保溫時(shí)間和反應(yīng)溫度為因素，CI為指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)，對(duì)GMS-WS復(fù)合物的制備工藝進(jìn)行優(yōu)化。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，單甘酯添加量、反應(yīng)溫度和保溫時(shí)間對(duì)GMS-WS復(fù)合物的形成均有一定的影響，其中單甘酯添加量的CI值影響最大，其次是保溫時(shí)間和反應(yīng)溫度。同時(shí)，可以得出DMSO法制得GMS-WS復(fù)合物的最佳反應(yīng)條件：?jiǎn)胃术ヌ砑恿?%（物質(zhì)總量）、反應(yīng)溫度80 ℃、保溫時(shí)間30 min，在該反應(yīng)條件下的CI值為86.8%。

3.2 FT-IR分析

FT-IR光譜（圖2）被用來(lái)研究小麥淀粉及GMSWS復(fù)合物的化學(xué)基團(tuán)。與原淀粉相比，在GMS-WS樣品的FT-IR光譜中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)額外的吸收帶，分別在1 710和2 855 cm-1。1 710 cm-1處的吸收峰是羰基的伸縮振動(dòng)峰[13]，2 55 cm-1處較弱的吸收峰是單甘酯分子中亞甲基結(jié)構(gòu)的吸收峰，這是表明淀粉的疏水基團(tuán)在淀粉鏈螺旋結(jié)構(gòu)的非極性區(qū)域形成疏水螺旋腔，與單甘酯的碳?xì)滏I之間發(fā)生疏水性交互作用，進(jìn)而形成單螺旋包合物[14]。Wang等[15]也發(fā)現(xiàn)了這兩個(gè)額外的吸收帶，而且還觀察到脂肪酸的羰基帶轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈咧档闹舅狨サ矸蹚?fù)合物的羰基帶，這歸因于結(jié)晶階段脂肪酸的氫鍵斷裂和脂肪酸的羰基與直鏈淀粉的羥基之間形成新的氫鍵。3 000～3 600 cm-1區(qū)域內(nèi)的較大寬峰帶為淀粉中—OH的伸縮振動(dòng)峰。GMS-WS復(fù)合物的峰值減弱，說(shuō)明GMS-WS復(fù)合物中部分游離的—OH與分子蒸餾單甘酯中的酯鍵發(fā)生酯交換反應(yīng)，從而使小麥淀粉復(fù)合物中—OH減少[16]。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

圖2 小麥淀粉和GMS-WS復(fù)合物的紅外光譜圖

3.3 XRD分析

使用X-射線衍射圖譜（圖3）來(lái)驗(yàn)證GMS-WS晶體復(fù)合物的形成。小麥淀粉衍射峰主要在15°，17°，18°和23°附近（2θ），為典型的A型結(jié)構(gòu)[17]。同時(shí)，再加入單甘酯后額外增加峰值在2θ值為7.59°，13.09°和19.85°，表明小麥淀粉的疏水排斥力誘導(dǎo)直鏈淀粉形成疏水腔，游離單甘酯進(jìn)入直鏈淀粉的疏水腔，形成了穩(wěn)定的GMS-WS復(fù)合物（A+V型晶體）[18]。從圖3中計(jì)算出小麥淀粉的結(jié)晶度為53.14%，而GMS-WS復(fù)合物的結(jié)晶度為46.13%。結(jié)果明顯GMS-WS復(fù)合物的結(jié)晶度小于小麥淀粉的結(jié)晶度，這可能是單甘酯阻礙了小麥淀粉的重結(jié)晶，導(dǎo)致結(jié)晶的致密性和有序度降低，從而使相對(duì)結(jié)晶度降低[19]。Chang等[20]研究了不同直鏈淀粉含量的玉米淀粉-月桂酸復(fù)合物的相對(duì)結(jié)晶度，發(fā)現(xiàn)淀粉復(fù)合物的相對(duì)結(jié)晶度與直鏈淀粉的含量呈負(fù)相關(guān)，并表明是淀粉糊化過(guò)程中支鏈淀粉晶體被破壞導(dǎo)致淀粉復(fù)合物的相對(duì)結(jié)晶度降低。這些結(jié)果與FT-IR光譜一致。

圖3 小麥淀粉和GMS-WS復(fù)合物的X-射線衍射圖

3.4 熱特性分析

使用DSC熱譜圖來(lái)分析GMS-WS復(fù)合物的糊化性質(zhì)。由圖4明顯可以看到原淀粉和GMS-WS復(fù)合物都有一個(gè)吸熱峰，但添加單甘酯的小麥淀粉T0、Tp、Tc以及ΔH均低于原小麥淀粉，這可能是因?yàn)閱胃术シ肿优c直鏈淀粉絡(luò)合形成了螺旋結(jié)構(gòu)，使淀粉分子的穩(wěn)定性降低，且單甘酯的糊化溫度較低，因此導(dǎo)致GMS-WS復(fù)合物糊化溫度減小。淀粉的ΔH反映了雙螺旋或淀粉微晶的損失，這些結(jié)構(gòu)的損失很大程度上取決于淀粉顆粒的膨脹程度[21]。在加入單甘酯后，GMS-WS復(fù)合物的ΔH顯著降低，可能是淀粉微晶的熔化受到抑制。Wang等[22]和楊偉軍等[23]認(rèn)為加入脂肪酸導(dǎo)致大米淀粉復(fù)合物的ΔH降低可能是淀粉糊化時(shí)吸收的熱量與復(fù)合物形成時(shí)放出的熱量相抵消所導(dǎo)致的。這與添加單甘酯后對(duì)小麥淀粉的熱特性研究結(jié)果一致，說(shuō)明單甘酯的添加導(dǎo)致淀粉的糊化溫度降低。

圖4 小麥淀粉和GMS-WS復(fù)合物的DSC圖

4 結(jié)論

GMS-WS復(fù)合物的CI隨單甘酯添加量的增加、反應(yīng)溫度的升高、反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈先增大后減小的趨勢(shì)，影響因素主次順序?yàn)閱胃术ヌ砑恿浚痉磻?yīng)溫度=反應(yīng)時(shí)間，制備GMS-WS復(fù)合物最佳工藝條件為單甘酯添加量7%、反應(yīng)溫度80 ℃、保溫時(shí)間30 min，此條件下復(fù)合指數(shù)最高，為86.8%。紅外光譜分析顯示，小麥淀粉與單甘酯發(fā)生了反應(yīng)，形成GMS-WS復(fù)合物。X-射線衍射圖表明在2θ值為7.59°，13.09°和19.85°存在特征峰，證實(shí)了GMS-WS復(fù)合物為V型晶體。DSC熱譜圖分析發(fā)現(xiàn)，與原淀粉相比，GMS-WS復(fù)合物的糊化溫度和糊化焓降低。