黃承剛，李津源，徐任園，劉 娜，余邵鵬，劉 菊，郭東偉

（西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北旱區(qū)玉米生物學與遺傳育種重點實驗室，陜西楊凌 712100）

淀粉是存在于自然界中的一類高分子化合物，是人類碳水化合物的主要來源，具有安全無毒、可再生、易生產(chǎn)加工等優(yōu)點。根據(jù)分子結(jié)構(gòu)的不同，淀粉又可分為直鏈淀粉和支鏈淀粉，二者都是葡萄糖的聚合體，但理化性質(zhì)有所不同[1]。高直鏈淀粉主要指淀粉中直鏈淀粉的含量超過50%的淀粉[2]。由于直鏈淀粉含量顯著增加，高直鏈淀粉具備很多普通淀粉較難達到的特性和用途，如糊化溫度升高、取代度高、易老化、成膜性好等[3?4]。在醫(yī)療方面，高直鏈淀粉的抗消化性強，不會引起餐后血糖水平的快速升高[5?6]，可以用來制備糖尿病患者的專用食品。

高直鏈淀粉的糊化不能夠通過普通水浴來實現(xiàn)。微波輻射加工技術(shù)是一門新興技術(shù)，其加熱淀粉的作用機制可歸結(jié)為微波的介電加熱效應(yīng)和電磁極化效應(yīng)[7?8]，具有穿透性好、加熱均勻等特點，在食品工業(yè)和基礎(chǔ)研究中廣泛應(yīng)用[9]。微波能夠從分子內(nèi)部進行加熱，使得高直鏈淀粉能夠更簡易的達到其糊化溫度，形成淀粉糊。

脂肪酸是食品或藥品的重要組成成分，能夠?qū)κ称菲焚|(zhì)產(chǎn)生影響。當?shù)矸叟c脂肪酸通過氫鍵作用形成淀粉脂質(zhì)復合物時，原淀粉的一些性質(zhì)會得到改變，例如：提高淀粉的抗消化性、阻止脂肪酸不飽和鍵氧化、提高脂質(zhì)在消化過程中的保留率、改變淀粉晶型結(jié)構(gòu)、提高淀粉的透明度[10?11]等。通過一定工藝方法制備出的復合物，可以作為食品加工中的增味劑、增稠劑、穩(wěn)定劑等添加劑，也可以作為藥品加工中的糖衣制劑、緩釋劑[12]等。

目前對于淀粉-脂質(zhì)復合物的研究多在于晶體結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)等，但是該復合物的性質(zhì)是否與淀粉中直鏈淀粉含量相關(guān)仍然有待驗證。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，通過電鏡觀察、X 射線衍射分析、傅里葉紅外光譜分析等方法，研究不同直支比淀粉形成的淀粉-脂質(zhì)復合物的形態(tài)、晶體構(gòu)型、抗消化性、緩釋性，以期更全面地了解直鏈淀粉含量對淀粉-脂質(zhì)復合物性質(zhì)的影響，為高直鏈淀粉在食品、藥品等方面的開發(fā)應(yīng)用提供新的方向和參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

高直鏈玉米淀粉（G60）、糯玉米淀粉（waxy）均由西北農(nóng)林科技大學農(nóng)業(yè)部西北旱區(qū)玉米生物學與遺傳育種重點實驗室提供；普通玉米淀粉（normal）由上海易匯生物科技有限公司提供；通過雙波長比色法[13]測得三種淀粉的直鏈淀粉含量分別為：糯玉米淀粉0.67%±0.4%、普通玉米淀粉23.7%±0.7%、高直鏈玉米淀粉58.4%±0.5%；豬胰α-淀粉酶（3 U/mg，sigma P7545）、糖化酶（260 U/mL，sigma 7095） 美國sigma 公司；D-葡萄糖測試試劑盒 Megazyme公司；硬脂酸（SA） 阿拉丁公司；無水乙醇 成都市科隆化學品有限公司；試驗中用到的其他試劑和藥品均為分析純。

M1-L236A 美的微波爐 廣東美的集團；Alpha1-4LDplus 冷凍干燥機 德國Christ 公司；Philips XL-3 型掃描電子顯微鏡 日本日立公司；TG16KR 高速離心機 長沙東旺實驗儀器有限公司；vertex70 傅里葉紅外光譜儀、D8 ADVANCE A25 X-射線衍射儀德國 Bruker 公司；DK-320 恒溫水浴鍋 上海精宏實驗設(shè)備有限公司；UV-1750 紫外分光光度計日本島津公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 復合物制備 分別稱取2 g 糯玉米淀粉（waxy）、普通玉米淀粉（normal）、高直鏈玉米淀粉（G60）于50 mL 燒杯內(nèi)，分別標號A1、A2、A3，另外稱取2 g普通玉米淀粉于50 mL 燒杯內(nèi)作為陰性對照（ck）。向四個燒杯內(nèi)分別加入20 mL 蒸餾水，放入微波爐內(nèi)800～1000 W 內(nèi)加熱5～10 min，為防止淀粉顆粒沉降，采取間歇加熱。稍冷卻后再以90 ℃恒溫水浴15 min。

向A1、A2、A3 號燒杯內(nèi)加入0.3 g 的硬脂酸，陰性對照ck 組不加入硬脂酸，其他處理相同，95 ℃水浴攪拌40 min，取出，用（50:50，w/w）的乙醇/水洗滌三次并離心（3500 r/min），除去未與玉米淀粉復合的脂肪酸。冷凍干燥24 h，制成淀粉-脂質(zhì)復合物，研磨過篩。對照所用原淀粉（未經(jīng)處理）分別標注為waxy（糯玉米原淀粉）、normal（普通玉米淀粉）、G60（高直鏈玉米淀粉）；得到的淀粉脂質(zhì)復合物分別標注為waxy-SA（糯玉米淀粉脂質(zhì)復合物）、normal-SA（普通玉米淀粉脂質(zhì)復合物）、G60-SA（高直鏈玉米淀粉脂質(zhì)復合物）。

1.2.2 電鏡觀察 將制成的不同復合物分布在載物臺的導電雙面膠上，抽真空后放在掃描電子顯微鏡上觀察，選取最佳觀察角度與倍數(shù)進行形態(tài)觀察，并拍照。

1.2.3 紅外光譜分析 分別稱取四個實驗組復合物1 mg（干重），與150 mg 溴化鉀在紅外燈下研磨，置于模具中15 MPa 下抽真空壓片60 s，扣除溴化鉀背景，在4000～400 cm?1下，掃描64 次，分辨率為4 cm?1，得到紅外光譜圖。

1.2.4 X 射線衍射 四個樣品分別放置于玻璃放樣架的凹槽內(nèi)，使用光滑平整的壓片壓實，使樣品平整鋪在凹槽處，在管壓40 kV、管流40 mA、2θ掃描范圍 4～60°、掃描速度5°/min。測定樣品的數(shù)據(jù)處理采用XRD 分析配套的Jade5.0 軟件。

1.2.5 體外消化性測定 體外消化性使用經(jīng)微波處理后的原淀粉作為對照組，微波處理操作與1.2.1 相同，分別標注為：waxy-ck（微波處理后糯玉米淀粉）、normal-ck（微波處理后普通玉米淀粉）、G60-ck（微波處理后高直鏈玉米淀粉）。

參考 Englyst 等[14]方法并稍加改動，稱取100 mg樣品置于50 mL 離心管中，加入 15 mL 醋酸鈉緩沖液（0.1 mol/L，pH5.2），渦旋振蕩混勻后加入2.5 mL混合酶液（6 mL 醋酸鈉緩沖液中加入1160 mg 豬胰酶（3 U/mg）和692 μL 糖化酶（260 U/mL），37 ℃放置），放入搖床孵育（搖床參數(shù)為37 ℃，300 r/min）。先向1.5 mL 離心管中加入l mL 無水乙醇，分別在0、20、120、180 min 取出0.1 mL 溶液，加到1.5 mL離心管中。在取點結(jié)束后，將此溶液于離心機10000 r/min 離心5 min。取0.1 mL 上清液，使用D-葡萄糖試劑盒測定葡萄糖含量。根據(jù)以下公式計算淀粉-脂質(zhì)復合物的快速消化淀粉（RDS）、慢速消化淀粉（SDS）、抗性淀粉（RS）的含量：

式中：G0 為淀粉酶解前的葡萄糖質(zhì)量（mg）；G20 為酶解20 min 時的葡萄糖質(zhì)量（mg）；G120 為酶解120 min 時的葡萄糖質(zhì)量（mg）；G180 為酶解180 min 時的葡萄糖質(zhì)量（mg）。

1.2.6 緩釋性測定 將樣品稱取0.05 g 于15 mL 離心管中，每個樣品稱取12 管，放置于40 ℃烘箱內(nèi)，每隔24 h 取出兩支進行硬脂酸含量測定，測定剩余硬脂酸量。硬脂酸含量測定：取出兩支離心管，加入5 mL 無水乙醇，渦旋超聲樣品，4000 r/min 離心5 min后取上清液于比色管中定容，在232 nm 條件下測定吸光度，根據(jù)標準曲線計算硬脂酸含量。

式中：x 為232 nm 處吸光度；y 為硬脂酸質(zhì)量（mg）；R2=0.9923。

1.3 數(shù)據(jù)處理

除緩釋性檢測只重復兩次外，其余指標均進行三次實驗重復，測定數(shù)據(jù)均利用SPSS 18.0 統(tǒng)計分析軟件進行方差分析（P＜0.05），數(shù)據(jù)使用平均值±標準差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 顆粒形態(tài)分析

如圖1 所示，圖a、b、c 分別為waxy、normal、G60 淀粉電鏡照片，三類淀粉的原淀粉顆粒間均未出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，多為光滑的球狀或塊狀，淀粉顆粒較小。經(jīng)微波法處理后的ck 組結(jié)構(gòu)遭到破壞，形態(tài)發(fā)生變化，淀粉顆粒體積變大，呈現(xiàn)塊狀結(jié)構(gòu)，表面較粗糙。加入硬脂酸處理后的waxy-SA 組受制于支鏈淀粉高度分支的結(jié)構(gòu)，支鏈淀粉本身就具有較大的空間位阻[15]，當?shù)矸叟c脂肪酸復合時，空間位阻將會阻止脂肪酸的插入，導致微波水浴處理后的淀粉顆粒更為有序，表面更為光滑。而normal-SA、G60-SA 淀粉組在加入硬脂酸后，形成的復合物結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，淀粉顆粒被破壞，體積大于ck 組，表面粗糙，凹凸不平，同時顆粒間有粘連現(xiàn)象[16]，顆粒外部出現(xiàn)凹陷，顆粒間存在大量孔隙，該結(jié)構(gòu)可能利于脂肪酸的插入與復合。

圖1 玉米淀粉及淀粉-脂質(zhì)復合物的電鏡照片（1000×）Fig.1 SEM images of corn starch and starch-lipid complexs (1000×)

2.2 紅外光譜分析

玉米淀粉對照以及復合物紅外光譜圖如圖2 所示。在微波處理時并不引入新的官能團。三種原淀粉在2862 cm?1附近均未出現(xiàn)額外吸收峰，而與ck 和waxy相比，normal 和G60 組在2862 cm?1處有額外吸收，此處為脂肪酸亞甲基的C-H 不對稱拉伸振動峰[17]，該處特征吸收峰的出現(xiàn)也驗證了復合物的形成。如表1 所示，與ck 相比，三組淀粉經(jīng)過處理后，在3304.61 cm?1處O-H 處出峰波數(shù)均降低，該特征峰反映了O-H 集團的數(shù)量以及反應(yīng)的強度，波數(shù)越低，O-H 集團越多[18]，該變化是由于淀粉與脂肪酸復合時通過氫鍵發(fā)生作用，氫鍵的結(jié)合增多，說明了淀粉-脂質(zhì)復合物的形成[19]；G60-SA 組的O-H 出峰波數(shù)比normal-SA 組更低，說明了G60 與硬脂酸結(jié)合得更為緊密，可能導致淀粉與硬脂酸的復合率升高。同時說明淀粉與硬脂酸發(fā)生反應(yīng)，主要依靠的是淀粉內(nèi)的直鏈淀粉與脂肪酸之間的相互作用，直鏈淀粉含量越高，可供結(jié)合的氫鍵越多，形成的復合物的絕對數(shù)量也越多，結(jié)構(gòu)也更牢固，這有可能導致最終抗性淀粉含量的增加。

圖2 玉米淀粉及淀粉-脂質(zhì)復合物的紅外光譜Fig.2 FT-IR of corn starch and starch-lipid complexs

表1 玉米淀粉及淀粉-脂質(zhì)復合物的紅外光譜解析Table 1 FT-IR analysis of corn starch and starch-lipid complexs

2.3 X 射線衍射分析

XRD 圖譜能夠直觀地反映晶體構(gòu)型，其中的衍射峰代表著晶體的結(jié)晶區(qū)，彌散峰代表非結(jié)晶區(qū)。淀粉常見的晶型結(jié)構(gòu)主要有：A 型結(jié)構(gòu)（糯玉米淀粉與普通玉米淀粉屬于此晶型，該類型晶體特征衍射峰位于15°、17°、18°、23°）、B 型結(jié)構(gòu)（高直鏈淀粉屬于此晶型，該類型晶體特征衍射峰位于5.6°、17°、22°、24°）、V 型結(jié)構(gòu)（該晶型極少出現(xiàn)于天然存在的淀粉之中，往往是淀粉經(jīng)過一定的物理化學方法改性后生成，該類型特征晶體衍射峰位于7.6°、12.8°、19.8°）。

如圖3，waxy 原淀粉在15.2°、17.1°、23.1°有較強衍射峰，屬于A 型結(jié)構(gòu)。加入硬脂酸復合后，屬于淀粉的特征峰幾乎消失，說明糯玉米淀粉分支或末端直鏈部分的鏈長較短及淀粉分子本身存在較大空間位阻阻礙了脂肪酸的疏水作用，使得脂肪酸難以進入空腔內(nèi)部，內(nèi)部的水分子較難排出，氫鍵與范德華力作用不強烈，生成的復合物數(shù)量較少[20]。因此XRD圖譜中的特征峰幾乎消失，復合物呈現(xiàn)無定型的狀態(tài)。

圖3 玉米淀粉及淀粉-脂質(zhì)復合物的X-射線衍射圖譜Fig.3 X-RD of corn starch and starch-lipid complexs

normal 原淀粉在15.2°、17.1°、23.1°處有較強衍射峰，屬于A 型結(jié)構(gòu)。加入硬脂酸復合后，復合物在12.8°、19.8°處出現(xiàn)了較強特征衍射峰，屬于V 型晶體，淀粉的晶型發(fā)生變化，同時在22.5°處存在脂肪酸衍射峰，說明形成淀粉-脂肪酸復合物。

G60 原淀粉在5.6°、17.2°、22.5°、23.9°處有較強特征衍射峰，屬于B 型結(jié)構(gòu)。加入硬脂酸復合后，復合物在12.6°、19.8°處出現(xiàn)了較強特征衍射峰，屬于V 型晶體。同時在5.7°、17.2°、22.5°處有較強衍射峰，此處峰屬于B 型晶體特征衍射峰，兩種不同類型晶體峰的出現(xiàn)，說明仍有部分淀粉未與硬脂酸形成復合物，從而通過淀粉回生產(chǎn)生B 型淀粉結(jié)構(gòu)。說明G60 復合物由V 型與B 型兩種晶體類型構(gòu)成。此外，復合物于22.5°存在脂肪酸衍射峰也表明脂肪酸進入直鏈淀粉的疏水空腔[21]。

葡萄糖基與羥基親水性基團在螺旋腔的外表面，螺旋腔的內(nèi)表面由亞甲基和糖苷氧原子排列組成，形成疏水性空腔，因此醇、碘、脂類等小分子物質(zhì)可以進入螺旋強內(nèi)部從而形成復合物[22]。脂質(zhì)分子具有非極性部分，因此憑借著非極性部分的疏水作用力，脂質(zhì)得以插入或鑲嵌到位于直鏈淀粉內(nèi)部的疏水空腔，同時直鏈淀粉螺旋內(nèi)與螺旋間產(chǎn)生了大量的氫鍵以及范德華力將原本空腔內(nèi)存在的水分子排出[23]。

2.4 體外消化性分析

抗性淀粉可以被腸道菌群發(fā)酵產(chǎn)生多種有益代謝產(chǎn)物如：短鏈脂肪酸（short-chainfatty acids，SCFAs）和乳酸等，降低腸道pH，促進有益菌生長，減少有害菌的滋生，在調(diào)節(jié)腸道平衡和改善機體健康方面發(fā)揮重要作用[24]。并且抗性淀粉在食品添加中對食品的結(jié)構(gòu)和口味無毒副作用[25]。

從圖4 可以看出，三種淀粉經(jīng)處理后形成的復合物對原淀粉的消化性都產(chǎn)生了不同程度的影響。waxy-SA 組，RDS 含量升高，該現(xiàn)象可能是由于蠟質(zhì)玉米淀粉核心結(jié)構(gòu)松散，直鏈淀粉含量較少，只有少量直鏈淀粉與硬脂酸形成復合物，同時淀粉內(nèi)部存在大量通道，在糊化過程中完全膨脹，顆粒結(jié)構(gòu)遭到破壞，酶與淀粉顆粒接觸面積變大，經(jīng)過長時間作用后完全被消化[26]。與normal-ck 和G60-ck 相比，normal、G60 形成復合物后，表現(xiàn)為RDS 含量降低，SDS 含量升高，RS 含量升高，與Liu 等[27]的研究結(jié)果一致；normal-SA、G60-SA 淀粉的RDS 含量分別降低了45.8%、24.8%，這可能是由于淀粉與脂肪酸堆積密度變大導致；SDS 含量分別提升2.1%、6.6%；RS 含量分別提升43.7%、18.2%，均高于相應(yīng)對照組。說明淀粉與硬脂酸通過氫鍵結(jié)合之后能夠提高抗性淀粉含量，抑制淀粉的消化，與2.2 分析結(jié)果一致，這是由于脂肪酸在氫鍵的作用下進入玉米淀粉疏水空腔并與淀粉牢固結(jié)合，形成了更為致密、穩(wěn)定的V-型螺旋狀淀粉晶型結(jié)構(gòu)，使得淀粉酶對淀粉發(fā)生作用時受到阻礙[28]。RS 含量：G60-SA（52.4%±1.1%）＞normal-SA（52.0%±1.6%）＞waxy-SA（4.5%±1.4%），表明復合物的抗消化性隨著直鏈淀粉含量提高而提高。同時，normal 與G60 在形成復合物后的抗性淀粉含量差異不顯著（P＞0.05）。結(jié)合2.4 分析結(jié)果，表明盡管復合體的形成隨直鏈含量的增加而增加，但在現(xiàn)有的硬脂酸濃度處理下，G60 處理組有一部分直鏈淀粉仍未與硬脂酸相結(jié)合，這有可能是由于反應(yīng)體系中的硬脂酸集團濃度過低造成的，也可能是形成的復合體在空間結(jié)構(gòu)上進一步阻礙了更多脂肪酸的介入，復合體的形成達到了飽和，含量不能隨直鏈淀粉含量的提高而無限增加。

圖4 玉米淀粉及淀粉-脂質(zhì)復合物的體外消化特性Fig.4 In vitro digestion of corn starch and starch-lipid complexs

2.5 脂肪酸釋放分析

前人研究表明，淀粉脂質(zhì)復合物在30 ℃下性質(zhì)較為穩(wěn)定，在溫度大于30 ℃后，脂肪酸開始釋放[29]。實驗采用ck 組作為零點對照，對其余數(shù)據(jù)進行糾正。由圖5 可知，脂肪酸的釋放分為兩個階段。對normal-SA，第一階段為1～2 d；對G60-SA 和waxy-SA，第一階段為1～3 d。

圖5 玉米淀粉及淀粉-脂質(zhì)復合物硬脂酸的釋放Fig.5 SA release of corn starch and starch-lipid complexs

由表2 可知，在第一階段內(nèi)，各組脂肪酸的釋放速率均大于第二階段，釋放速率較快。由斜率可知釋放速率：normal-SA＞G60-SA＞waxy-SA。在3 d 之后，脂肪酸釋放速率進入第二階段。第二階段方程斜率表明，G60-SA 釋放脂肪酸的速率明顯低于normal-SA 組；waxy-SA 在第一階段已經(jīng)將脂肪酸釋放完畢。結(jié)合waxy-SA 組一、二階段方程推斷，第一階段內(nèi)釋放的脂肪酸可能為吸附于淀粉表面或包埋與螺旋之間，但未進入淀粉螺旋內(nèi)，較容易逸出的部分脂肪酸，該部分脂肪酸較容易被洗脫。進入第二階段后，脂肪酸釋放速率明顯變慢，可能是包埋于螺旋內(nèi)部的脂肪酸開始緩慢逸出。說明復合物的形成對脂肪酸的緩慢釋放起了一定效果，該緩釋效果可能隨著直鏈淀粉含量的增加而得到提升。該體系可應(yīng)用于化妝品加工中，例如：硬脂酸在化妝品加工中常用作穩(wěn)定劑，加入硬脂酸復合體后可利用大于30 ℃緩慢釋放的特性，在高溫下緩慢釋放以保護化妝品的某些有效成分等。

表2 玉米淀粉和淀粉-脂質(zhì)復合物的硬脂酸釋放速率解析Table 2 Analysis of SA release rate of corn starch and starch-lipid complexs

3 結(jié)論

使用微波-水浴法制備淀粉-脂質(zhì)復合物，復合物的形成影響了原淀粉的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，且直鏈淀粉含量的不同會對制備而成的復合物性質(zhì)產(chǎn)生不同影響。與ck 相比，復合物的形態(tài)發(fā)生變化，體積變大，出現(xiàn)互相黏連的情況，這種結(jié)構(gòu)可能有利于硬脂酸的插入，而糯玉米淀粉分枝結(jié)構(gòu)使得空間位阻增大，生成的復合物數(shù)量較少。復合過程中，隨著玉米淀粉內(nèi)直鏈淀粉含量的增加，形成的復合物在紅外光譜3304 cm?1處向右的偏移程度也增加，可能導致淀粉與硬脂酸的復合指數(shù)提高，有利于抗性淀粉的形成。復合物的形成也會導致淀粉晶型的改變，出現(xiàn)V 型晶型的特征峰。與normal-ck 和G60-ck 相比，normal和G60 復合物的RDS 含量降低，SDS 含量增加，RS含量增加，擁有更強的抗消化性，且G60 抗消化性強于normal，但G60 復合物的形成可能存在飽和作用。復合物的形成對硬脂酸存在一定的緩釋作用，其中直鏈淀粉含量高的組緩釋性更強，硬脂酸總體釋放分為兩個階段，呈現(xiàn)先快后慢的趨勢。本研究結(jié)果可進一步提高直鏈淀粉的應(yīng)用范圍，同時為淀粉-脂質(zhì)復合物在藥物緩釋劑、食品添加劑、健康食品生產(chǎn)等方面提供依據(jù)[30?31]。