楊留枝， 婁雪， 史苗苗， 閆溢哲， 王菲， 劉延奇

(鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

淀粉是小麥粉的主要組成成分，在面制品加工過程中與蛋白質(zhì)、多糖以及維生素等不同組分之間相互作用，發(fā)生物理化學(xué)性質(zhì)改變，從而對面制品的質(zhì)量、風(fēng)味、營養(yǎng)價值和保質(zhì)期等指標(biāo)產(chǎn)生影響，如提高面條的筋力和耐煮性、改變面包烘培的品質(zhì)、增加餅干的口感與韌彈性等[1-3]。PARADA等[4]研究表明，食物中淀粉與脂類和蛋白質(zhì)相互作用形成的復(fù)合物會改變淀粉消化率以及其在血糖反應(yīng)中的作用。

淀粉與脂質(zhì)之間能夠通過絡(luò)合作用形成復(fù)合物，降低淀粉的溶解度和溶脹力，抑制淀粉的回生，提高糊化溫度，降低淀粉對酶解的敏感性及增加淀粉糊的最終黏度[5]。同時，淀粉與氨基酸之間也能形成復(fù)合物，在高直鏈小麥淀粉中添加氨基酸，可以增加淀粉的熱穩(wěn)定性，使食品完整性更高，抗消化性更強[6]。目前，關(guān)于淀粉復(fù)合物的研究主要集中在淀粉和脂質(zhì)以及淀粉和蛋白質(zhì)的二元復(fù)合物上，而對于淀粉、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)三元復(fù)合物的研究較為少見。CHAO等[7]研究表明，淀粉與脂質(zhì)在β-乳清蛋白的作用下能形成二元以及三元復(fù)合物，且三元復(fù)合物比二元復(fù)合物更加有序，焓值也更高。脂質(zhì)結(jié)構(gòu)是影響三元復(fù)合物形成的關(guān)鍵因素。不飽和度低的脂肪酸有利于三元復(fù)合物的形成，同時脂肪酸鏈越長，不飽和度越低，三元復(fù)合物的熱穩(wěn)定性越高[8]。單硬脂酸甘油酯,簡稱單甘酯(glycerin monostearate, GMS)，溶解性和乳化能力較好，是較為常見的食品乳化劑，也被認為是最安全的食品添加劑[9]。GMS含有2個親水性羥基和1個親油性羥基，容易與直鏈淀粉形成復(fù)合物[10]。GMS鏈長相對來說較長，不飽和程度較低，有利于增加三元復(fù)合物的熱穩(wěn)定性[11]。氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單位，包括必需氨基酸和非必需氨基酸，可通過各類食品如全麥粉獲取[12]。色氨酸是芳香族氨基酸，屬于必需氨基酸，不能被人體自身合成，只能通過食物獲??；色氨酸是人體重要的營養(yǎng)補充劑，既可以用于調(diào)節(jié)精神狀態(tài)，改善睡眠質(zhì)量，也可用于補充妊娠期婦女和嬰幼兒的營養(yǎng)；色氨酸還具有抗氧化功能，與褪黑激素的產(chǎn)生有關(guān)[13]。目前，色氨酸產(chǎn)品形式較為單一，少見與其他物質(zhì)復(fù)合[14]。因此，本研究從配體用量、制備條件等方面，經(jīng)X-射線衍射(diffraction of X-rays，XRD)測定，以相對結(jié)晶度為指標(biāo)，系統(tǒng)探究無水乙醇體積分數(shù)、色氨酸質(zhì)量和單甘酯質(zhì)量對小麥直鏈淀粉-單甘酯-色氨酸三元復(fù)合物(以下簡稱三元復(fù)合物)結(jié)晶結(jié)構(gòu)及其結(jié)晶度的影響，其結(jié)果有助于優(yōu)化新食品的生產(chǎn)和開發(fā)，為面制品營養(yǎng)和品質(zhì)的提升提供參考。

1 材料與儀器

1.1 材料

小麥淀粉購自美國Sigma公司；L-色氨酸購自天津市科密歐試劑有限公司；GSM購自廣東光華化學(xué)廠有限公司，化學(xué)純；溴化鉀購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，分析純；其他試劑購自天津市大茂化學(xué)試劑廠，分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

高速離心機，LG10-2.4A，北京醫(yī)用離心機廠；冷凍干燥機，Scientz-10N型，寧波新芝生物科技有限公司； X-射線衍射儀，Bruker D8型，德國布魯克公司；傅里葉紅外光譜儀，Bruker TENSOR27型，德國布魯克公司；拉曼光譜儀，Acton Spectra Pro500i型，雷尼紹貿(mào)易有限公司；差示掃描量熱儀，Q20型，美國TA公司；掃描電子顯微鏡，Philips XL-3型，日本日立公司。

2 試驗方法

2.1 小麥直鏈淀粉的制備

鹽酸酸解小麥淀粉3 d，隨后用氫氧化鈉中和，過濾收集的固體樣品經(jīng)干燥、糊化、離心處理，得到的上清液在-18 ℃下冷凍結(jié)晶，然后在25 ℃下融化并溶入冰水混合物中，過濾得到小麥微晶淀粉，即小麥直鏈淀粉，具體方法見參考文獻[15]。

2.2 三元復(fù)合物的制備

取1.0 g小麥直鏈淀粉，20 mL蒸餾水,按照m(淀粉/g)∶V(水/mL)=1∶20于三口燒瓶中制備淀粉溶液，并加入不同質(zhì)量的色氨酸加熱至沸騰，滴加溶于無水乙醇的適量質(zhì)量的GMS，繼續(xù)加熱10 min之后冷卻至40 ℃保溫2 h，于25 ℃靜置2 d，之后在3 000 r·min-1條件下離心10 min，取沉淀物進行冷凍干燥、研磨后過100目篩，所得樣品即小麥直鏈淀粉-單甘酯-色氨酸三元復(fù)合物。參照祖巖巖等[16]方法，根據(jù)XRD圖譜通過軟件Jade6.0計算得到三元復(fù)合物相對結(jié)晶度(relative crystallinity,RC)。XRD儀掃描條件為管壓40 kV、管流40 mA、Cu-Kα(λ=0.154 2 nm)射線、步寬0.02°、掃描區(qū)域5°～35°。

2.3 三元復(fù)合物制備單因素試驗

按照方法2.2制備三元復(fù)合物，以無水乙醇體積分數(shù)35%、色氨酸質(zhì)量0.11 g、GMS質(zhì)量0.07 g為固定條件，分別考察無水乙醇體積分數(shù)(25%、30%、35%、40%、45%)、色氨酸質(zhì)量(0.07、0.09、0.11、0.13、0.15 g)、GMS質(zhì)量(0.03、0.05、0.07、0.09、0.11 g)對三元復(fù)合物結(jié)晶結(jié)構(gòu)及其結(jié)晶度的影響。

2.4 三元復(fù)合物制備正交優(yōu)化試驗

在2.3試驗結(jié)果基礎(chǔ)上，以無水乙醇體積分數(shù)(30%、35%、40%)(A)；色氨酸質(zhì)量(0.09、0.11、0.13 g)(B)；GMS質(zhì)量(0.05、0.07、0.09 g)(C)為因素,用L9(34)正交試驗表進行試驗。因素水平如表1所示。

表1 正交試驗設(shè)計Table 1 Design of orthogonal test

2.5 三元復(fù)合物性質(zhì)分析

2.5.1 X-射線衍射測定 以小麥直鏈淀粉為對照，根據(jù)方法2.2取經(jīng)過正交優(yōu)化得到的三元復(fù)合物進行XRD測定。

2.5.2 傅里葉紅外光譜測定 以小麥直鏈淀粉為對照，參照陳玲等[17]的方法，并稍加修改。將3 mg的經(jīng)過正交優(yōu)化得到的三元復(fù)合物和0.3 g 溴化鉀混合研磨制成圓片，以空氣為空白對照，通過傅里葉紅外光譜儀，以分辨率4 cm-1掃描64 s，范圍為4 000～400 cm-1，得到傅里葉紅外光譜(fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)T-IR)圖譜。

2.5.3 便攜式拉曼光譜測定 以小麥直鏈淀粉為對照，參照LIU等[18]的方法，通過拉曼光譜儀對經(jīng)過正交優(yōu)化得到的三元復(fù)合物進行測定。積分時間10 000 ms，激光功率100 W，得到拉曼光譜(Raman)圖譜。通過BWIQ 軟件對圖譜進行分析，找到峰頂拉曼位移在 480 cm-1處的半高峰寬(Full width of half height，F(xiàn)WHH)。

2.5.4 差示掃描量熱測定 以小麥直鏈淀粉為對照，在差示掃描量熱儀中鋁盤加入3 mg經(jīng)過正交優(yōu)化得到的三元復(fù)合物，調(diào)節(jié)至10 mg，25 ℃下密封平衡24 h。溫度范圍為20～120 ℃，加熱速率為10 ℃·min-1，從而得到差示掃描量熱(differential scanning calorimetry, DSC)曲線。通過 TA軟件分析焓值ΔH和糊化溫度，包括起始溫度T0、峰值溫度Tp和終止溫度Tc[19]。

2.5.5 掃描電子顯微鏡觀察 以小麥直鏈淀粉為對照，參照CHEN等[20]的方法，將經(jīng)過正交優(yōu)化得到的三元復(fù)合物置于5 Pa壓力下鍍金120 s。通過掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)放大5 000 倍觀察并成像。

3 結(jié)果與分析

3.1 三元復(fù)合物制備單因素試驗結(jié)果

3.1.1 無水乙醇體積分數(shù)對三元復(fù)合物結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響 不同無水乙醇體積分數(shù)制備的三元復(fù)合物XRD圖譜如圖1所示。其中，衍射曲線上雜峰很少，顯著峰主要有3個，分別在7.53°、13.03°和19.90°處，為V型晶型的特征峰[21]。無水乙醇條件下結(jié)晶類型沒有發(fā)生變化，且結(jié)晶結(jié)構(gòu)都比較規(guī)整。不同的是RC值隨無水乙醇體積分數(shù)的增加先增加后降低，對應(yīng)于衍射曲線中衍射峰峰強度和峰面積先增加后減弱。當(dāng)無水乙醇體積分數(shù)為35%時，復(fù)合物的RC值最高為54.8%。

圖1 三元復(fù)合物在不同無水乙醇體積分數(shù)下的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of the ternary complexes obtained at different anhydrous ethanol volume fractions

3.1.2 色氨酸質(zhì)量對三元復(fù)合物結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響 不同質(zhì)量的色氨酸制備的三元復(fù)合物XRD圖譜如圖2所示。其中，7.47°、13.01°和19.88°為V型晶型的特征峰，淀粉經(jīng)復(fù)合后為V型結(jié)構(gòu)。衍射峰的面積和強度隨色氨酸質(zhì)量的增加先增加后減弱，對應(yīng)的RC值也是先增加后降低。當(dāng)色氨酸0.09 g時，RC值最高為61.4%。

圖2 三元復(fù)合物在不同色氨酸質(zhì)量下的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of ternary complexes obtained at different tryptophan contents

3.1.3 GMS質(zhì)量對三元復(fù)合物結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響 不同質(zhì)量的GMS制備的三元復(fù)合物XRD圖譜如圖3所示。7.33°、12.87°和19.73°為V型晶型的特征峰，淀粉經(jīng)復(fù)合后為V型結(jié)構(gòu)。RC值從50.8%增加到54.8%再降低到51.4%。對應(yīng)的衍射峰的面積和強度也先增加后減弱。當(dāng)GMS質(zhì)量為0.07 g時，RC值最高為54.8%。

圖3 三元復(fù)合物在不同GMS質(zhì)量下的XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of ternary complexes obtained at different GMS contents

3.1.4 三元復(fù)合物制備正交試驗結(jié)果 正交試驗設(shè)計結(jié)果如表2所示。三元復(fù)合物最佳制備工藝是A2B1C2,即無水乙醇體積分數(shù)35%，色氨酸質(zhì)量0.09 g,GMS質(zhì)量0.07 g，此時三元復(fù)合物RC值為61.4%。無水乙醇體積分數(shù)對三元復(fù)合物制備影響最大，其次是GMS質(zhì)量，最后是色氨酸質(zhì)量。

表2 三元復(fù)合物制備正交試驗設(shè)計結(jié)果Table 2 Result of orthogonal experimental of ternary complex preparation

3.2 最優(yōu)三元復(fù)合物的性質(zhì)分析

3.2.1 XRD結(jié)果分析 從圖4可知，小麥直鏈淀粉在14.09°、14.81°、16.96°、19.45°、21.98°、23.88°和26.17°有特征峰，為B型結(jié)晶結(jié)構(gòu)。而三元復(fù)合物主要衍射峰在7.37°、12.87°和19.69°，為V型結(jié)晶結(jié)構(gòu)。三元復(fù)合物經(jīng)復(fù)合后RC值增加到61.4%，表明小麥直鏈淀粉與色氨酸、GMS復(fù)合后結(jié)晶度更高，結(jié)構(gòu)更加長程有序。

圖4 小麥直鏈淀粉和三元復(fù)合物的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of wheat amylose and ternary complex

3.2.2 FT-IR結(jié)果分析 傅里葉紅外光譜是用來分析樣品成分和結(jié)構(gòu)的儀器，利用紅外光譜分析化學(xué)鍵變化推測可能發(fā)生的化學(xué)變化[22]。同時，淀粉的短程有序性還可以通過紅外光譜中1 047 cm-1和1 022 cm-1的吸光度的比值來判斷。小麥直鏈淀粉、三元復(fù)合物、色氨酸和GMS的紅外光譜如圖5所示。三元復(fù)合物在 1 730 cm-1和 2 850 cm-1處出現(xiàn)了2種額外的峰，推測在1 730 cm-1是單甘酯的羰基伸縮振動峰[23]，以及色氨酸與小麥直鏈淀粉形成了酯鍵。三元復(fù)合物和GMS在2 850 cm-1處都有吸收峰，為GMS的亞甲基吸收峰。小麥直鏈淀粉在3 402 cm-1處出現(xiàn)的寬吸收峰是由淀粉中羥基振動產(chǎn)生的，在2 927 cm-1附近的峰是甲基或亞甲基特征峰。1 647 cm-1附近的峰是羥基彎曲振動產(chǎn)生的，與水的羥基、淀粉的無定形區(qū)域有關(guān)。1 000～1 300 cm-1的峰歸因于酯鍵的伸縮振動[24]。1 412 cm-1處的峰則是芳環(huán)的骨架伸縮振動形成。苯環(huán)是屬于色氨酸的特征基團，這說明色氨酸存在于復(fù)合物中。三元復(fù)合物的峰在3 402 cm-1向長波長移動，推測是因為淀粉羥基與色氨酸和淀粉羥基發(fā)生結(jié)合使羥基減少造成的，以及色氨酸的氨基在3 404 cm-1處有特征峰。三元復(fù)合物在1 630 cm-1處有峰，對應(yīng)于色氨酸的氨基彎曲振動。三元復(fù)合物在1 026 cm-1處的吸收峰峰強度比GMS在此處的峰強度大，推測是因為酯鍵增加造成的，這說明小麥直鏈淀粉與色氨酸發(fā)生酯化反應(yīng)。因此，小麥直鏈淀粉、色氨酸、GMS之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，既不是簡單的混合，也不是形成了二元復(fù)合物。由表3可知，小麥直鏈淀粉的紅外吸光度的比值高于三元復(fù)合物的比值，表明小麥直鏈淀粉與三元復(fù)合物相比，結(jié)構(gòu)更短程有序。

圖5 小麥直鏈淀粉、三元復(fù)合物、色氨酸、GMS的

表3 小麥直鏈淀粉和三元復(fù)合物結(jié)構(gòu)的短程有序分析Table 3 Short-range ordered structure of wheat amylose and ternary complex

3.2.3 Raman結(jié)果分析 拉曼光譜峰的位置和強度可以反映分子的振動和轉(zhuǎn)動，從而判斷分子的化學(xué)鍵。在480 cm-1附近峰頂拉曼位移的FWHH值表征淀粉結(jié)構(gòu)的短程有序程度。FWHH值越低，峰相對強度越強，表明結(jié)構(gòu)更加短程有序[25]。480 cm-1附近峰的半高峰寬是因為該位置顯示淀粉的特征峰。從圖6中可知，三元復(fù)合物在484 cm-1處峰相對強度低于未復(fù)合淀粉。由表3可知，三元復(fù)合物在484 cm-1附近的FWHH更高，表明三元復(fù)合物短程有序性降低。

圖6 小麥直鏈淀粉和三元復(fù)合物的拉曼圖譜Fig.6 Raman spectra of wheat amylose and ternary complex

3.2.4 DSC結(jié)果分析 DSC是通過加熱使淀粉樣品凝膠化，從而依據(jù)淀粉樣品的糊化溫度和糊化焓判斷其樣品的穩(wěn)定性。如圖7所示，三元復(fù)合物的DSC曲線完全不同于小麥直鏈淀粉。三元復(fù)合物有2個吸熱峰，其中，較高的吸熱峰正好是淀粉和GMS融化吸熱造成的，而寬且低的吸熱峰是三元復(fù)合物的熔融吸熱造成的。如表4所示，三元復(fù)合物的糊化溫度(T0、TP、TC)升高，推測是因為小麥直鏈淀粉與色氨酸、GMS復(fù)合后，更加長程有序，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，需要更高溫才能破壞其結(jié)構(gòu)。三元復(fù)合物的ΔH值更低，推測是由于色氨酸是水溶性，抑制水分子進入淀粉顆粒內(nèi)部，不如小麥直鏈淀粉凝膠化徹底。

圖7 小麥直鏈淀粉和三元復(fù)合物的DSC曲線Fig.7 DSC curves of wheat amylose and ternary complex

表4 小麥直鏈淀粉和三元復(fù)合物的熱性質(zhì)分析Table 4 Thermal analysis of wheat amylose and ternary complex

3.2.5 SEM結(jié)果分析 SEM是觀察淀粉顆粒的形貌和微觀結(jié)構(gòu)直觀有效的方法。如圖8所示，小麥直鏈淀粉為粘連的圓球狀顆粒，而三元復(fù)合物為不規(guī)則的圓片及小碎片狀顆粒，這說明小麥直鏈淀粉與色氨酸、單甘酯不是簡單混合在一起，經(jīng)過化學(xué)變化使淀粉顆粒形貌完全改變。

注：(a) 5 000倍小麥直鏈淀粉；(b)5 000倍三元復(fù)合物。

4 結(jié)論與討論

以淀粉相關(guān)的三元復(fù)合物是指將2種不同的配體添加到淀粉中，配體誘導(dǎo)淀粉形成螺旋空腔，隨后配體進入空腔與淀粉連接到一起形成的。淀粉、蛋白質(zhì)和脂類是食物系統(tǒng)的3個主要組成部分，其相互作用對食品的質(zhì)地和機械性能起著重要的作用。目前，對于三元復(fù)合物的研究還比較少，主要集中在不同鏈長的脂肪酸對淀粉-脂肪酸-乳球蛋白三元復(fù)合物方面[8]。鏈長較短、不飽和度較低的脂肪酸有利于三元復(fù)合物的形成，同時β-乳球蛋白有利于促進復(fù)合物的形成。本研究對乙醇體積分數(shù)、色氨酸質(zhì)量和GMS質(zhì)量對三元復(fù)合物制備過程中的影響進行了探索，通過正交試驗，得到最優(yōu)制備條件為無水乙醇體積分數(shù)35%、色氨酸質(zhì)量0.09 g、GMS質(zhì)量0.07 g、小麥直鏈淀粉質(zhì)量1.0 g以及結(jié)晶溫度為40 ℃。對最優(yōu)三元復(fù)合物進行XRD圖譜、FT-IR圖譜、Raman圖譜和DSC圖譜性質(zhì)分析，結(jié)果表明三元復(fù)合物為V型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，該結(jié)果與淀粉-月桂酸-乳球蛋白三元復(fù)合物形成的V型結(jié)晶結(jié)構(gòu)相同[26]。小麥直鏈淀粉與GMS、色氨酸之間不是簡單的物理混合，而是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)復(fù)合在一起形成了絡(luò)合物。與小麥直鏈淀粉相比，三元復(fù)合物結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性更好，這是由于三元復(fù)合物更加長程有序不易凝膠化。研究結(jié)果也表明，三元復(fù)合物的短程有序性下降是淀粉聚合度降低造成的[24]。

本研究發(fā)現(xiàn)，無水乙醇體積分數(shù)、色氨酸質(zhì)量、GMS質(zhì)量對三元復(fù)合物的相對結(jié)晶度均有影響, 其中，無水乙醇體積分數(shù)影響最大，其次是GMS質(zhì)量，最后是色氨酸質(zhì)量。無水乙醇能與水和多種有機溶劑互溶，將不溶于水的GMS和淀粉溶解在一起，并通過影響淀粉沉降速度從而影響淀粉復(fù)合物的形成。此外， GMS溶于無水乙醇中，擴大GMS與小麥直鏈淀粉之間的接觸，有利于GMS進入淀粉的螺旋空腔中。當(dāng)GMS質(zhì)量太大時，多余的GMS會阻礙復(fù)合。雖然色氨酸溶于水，易于與淀粉羥基發(fā)生反應(yīng)，但會受到溶劑無水乙醇的影響。

本研究結(jié)果表明，食品添加劑GMS和氨基酸對淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)有影響。謝新華等[27]研究發(fā)現(xiàn)，將GMS加入小麥淀粉中，小麥淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)類型發(fā)生改變且形成復(fù)合物，復(fù)合物的熔融焓小于小麥淀粉的熔融焓，因此凍融穩(wěn)定性得到提高，這與本研究結(jié)果類似。姬廣銀等[28]研究表明，不同氨基酸簡單加入玉米淀粉中，淀粉顆粒形貌、結(jié)晶類型均未發(fā)生變化，而在本研究三元復(fù)合物的形成過程中，氨基酸與淀粉發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，淀粉的整體結(jié)構(gòu)受到影響。同時，對于淀粉-蛋白質(zhì)混合體系來說，淀粉與蛋白質(zhì)相互作用，可形成復(fù)合物，改變結(jié)晶類型，增加蛋白質(zhì)的溶解性，抑制淀粉糊化，改變熱特性[29]。同時，與CAI等[25]研究結(jié)果相比，本研究制備的三元復(fù)合物結(jié)晶度更高，結(jié)晶結(jié)構(gòu)更加規(guī)整、有序，提高食品在高溫條件下的穩(wěn)定性可用于食品的熱加工。同時，本研究制備的三元復(fù)合物水溶性好，增加了淀粉在食品行業(yè)的應(yīng)用范圍。本研究為三元復(fù)合物制備更高結(jié)晶度和更規(guī)整結(jié)晶結(jié)構(gòu)打下基礎(chǔ)，同時也為面制品多組分之間的相互作用研究提供了參考。