高直链玉米淀粉配合体的抗消化特性与晶体结构

詹锦玲，王瑞，田耀旗*

1(江南大学，食品科学与技术国家重点实验室，江苏 无锡，214122)2(江南大学，粮食发酵工艺与技术国家工程实验室，江苏 无锡，214122)



高直链玉米淀粉配合体的抗消化特性与晶体结构

詹锦玲1,2，王瑞1，田耀旗1*

1(江南大学，食品科学与技术国家重点实验室，江苏 无锡，214122)2(江南大学，粮食发酵工艺与技术国家工程实验室，江苏 无锡，214122)

配合体；乳化剂；抗性淀粉；V-型晶体

抗性淀粉(resistant starch，RS)是指在健康人体小肠中不能被酶解，但在人体大肠中可与挥发性脂肪酸一同发生发酵反应的一类功能性淀粉[1]。此类功能性淀粉在人体内消化、吸收都较缓慢，具有饱腹、瘦身等功能作用，可作为糖尿病、肥胖等慢性病患者食品的重要配料。抗性淀粉的主要制备方法为结晶法、物理包埋法、挤压法，存在抗性淀粉加工性能差的局限。研究发现，淀粉与乳化剂络合形成配合体，对酶具有抗性[2]，且该配合体作为食品配料，具有很好的热加工性能，可作为新型抗性淀粉制备的潜在途径。

淀粉-乳化剂配合体主要显示VI-型和VII-型2种结晶形态，其中VI-型主要为乳化剂分子穿插淀粉螺旋构成，VII-型结晶为乳化剂分子部分穿插淀粉螺旋、部分与淀粉外壁羟基通过氢键等次级键驱动所形成[2]；VII-型较VI-型晶体具有更高的耐热、耐酶解特性，更具备制备抗性淀粉的潜在可能性。目前，相关研究主要集中在乳化剂抑制淀粉酶解现象、抽象的V-型晶体及其耐酶解特性表征等方面[2]；通过乳化剂的筛选，特别是基于某些特殊乳化剂客体分子的VII-型结晶体系的构建、结构解析及其应用于制备抗性淀粉的系统研究未见报道。

前期，通过筛选出乳化剂——单硬脂酸甘油酯，利用乙醇碱法制备了高直链玉米淀粉配合体，该配合体具有较高含量的慢消化淀粉[3]。本文拟进一步筛选乳化剂客体，采用经典HCl/KOH沉淀法制备抗性淀粉，以期解析目标抗性淀粉的抗消化特征与VII-型结晶晶体结构的关联性。

1　材料与方法

1.1试剂与仪器

高直链玉米淀粉，国民淀粉工业上海有限公司；单硬脂酸甘油酯(glycerol monostearate，GMS)，硬脂酰乳酸钙(calcium stearoyl lactylate，CSL)，硬脂酸(stearic acid，SA)，油酸(oleic acid，OA)，杭州富春食品添加剂有限公司；猪胰α-淀粉酶，23 U/mg,Sigma-Aldrich贸易有限公司；糖化酶，140 000 U/g：江苏无锡赛德生物工程有限公司。

双束紫外可见分光光度计(TU1900)，北京普析通用仪器责任有限公司；X-射线衍射仪(X-ray)(D8-Advance型)，德国Bruker AXS公司；傅立叶变换近红外光谱仪(FT-IR),德国布鲁克公司。

1.2实验方法

1.2.1高直链玉米淀粉配合体的制备

参照林若慧等人的方法[4]并作一定改进，制备高直链玉米淀粉配合体。称取10 g高直链玉米淀粉于锥形瓶中，加入100 mL KOH(0.01 mol/L)溶液，置于磁力搅拌水浴锅中高速搅拌，调节水浴温度至90 ℃结晶温度。另称取乳化剂1 g，加入100 mL KOH(0.01 mol/L)溶液并预热到90 ℃。将配置好的乳化剂溶液缓慢滴入淀粉溶液中，当混合溶液达到90 ℃时，逐滴加入20 mL HCl(0.1mol/L)溶液，并在90 ℃结晶温度下恒温30 min，离心(3 000 r/min，15 min)，将上清液去除，沉淀物用蒸馏水重复洗涤3次至中性。将所制备沉淀物60 ℃真空干燥、研磨、过筛即得目标配合体，密封备用。

1.2.2配合体的络合率测定

以乳化剂的利用率表示高直链玉米淀粉配合体的络合率，采用GB5009.6—2003中的索氏提取法[5]测定配合体中乳化剂的含量。根据公式(1)计算络合率：

高直链玉米淀粉配合体络合率/%=

(1)

1.2.3配合体的抗消化淀粉含量测定

参照詹锦玲等人的Englyst法[1,3]测定配合体中抗性淀粉含量，并略作改进。称取200 mg样品于锥形瓶中，添加8 mL、pH 5.2的磷酸-柠檬酸缓冲液，混匀后加入2 mL糖化酶(200 U/mL)和猪胰α-淀粉酶(300 U/mL)的混合酶液。将锥形瓶置于37 ℃恒温水浴振荡(160 r/min)反应并计时。振荡反应0、20和120 min分别取0.1 mL上清液并加入0.9 mL 无水乙醇进行灭酶处理，采用3，5-二硝基水杨酸比色法(DNS法)在540 nm处测定葡萄糖含量，每个样品平行测定3次，取平均值。按下列公式计算抗性淀粉含量：

RS/%=1-RDS%-SDS%

(2)

RDS/%=[(G20-FG)/m]×0.9×100

(3)

SDS/%=[(G120-G20)/m]×0.9×100

(4)

式中：RS为抗性淀粉含量，%；RDS为快消化淀粉含量，%；SDS为慢消化淀粉含量，%；G20、G120分别为配合体样品被酶水解20 min、120 min后产生的葡萄糖含量，mg；FG为淀粉中游离的葡萄糖量，mg，为配合体样品被酶水解0 min时葡萄糖含量，mg；m为淀粉总量，mg。

1.2.4X-射线衍射(XRD)

称取配合体样品0.8 g，采用标准片制备待测样品。测试实验条件为：管电压40 kV，管电流40 mA，扫描范围4～35°，扫描速度3°/min，试验重复3次，用MDI Jade 5.0软件进行结果分析。

1.2.5傅里叶转换红外光谱(FT-IR)

分别称取原淀粉和配合体样品2 mg，加入溴化钾100 mg压片制样。测试条件：波数范围为400～4 000 cm-1，分辨率为4 cm-1，采用DTGS检测器，以空气为空白，扫描16次后取平均值得红外光谱图。

2　结果分析

2.1配合体络合率与抗性淀粉含量关系

如图1所示，高直链玉米淀粉硬脂酸配合体、单硬脂酸甘油酯配合体、硬脂酰乳酸钙配合体、油酸配合体的络合率分别为84.3%、56.3%、28.3%、22.6%，相应配合体抗性淀粉含量分别为37.2%、14.2%、10.4%、7.1%。由此可见，配合体的络合率与其抗性淀粉含量呈正相关性，采用硬脂酸作为反应客体，可以得到最高含量的抗性淀粉。这主要归因于硬脂酸与具有双键的油酸相比，具有更佳的柔性分子结构，与直链淀粉络合更好的结构兼容性。两者主要以硬脂酸疏水性端穿插于直链淀粉螺旋空腔形成VI-型结晶配合体；同时，配合体与配合体之间以氢键、范德华力等作用可能形成VII-型结晶晶胞，据报道此晶胞为抗性淀粉晶体结构的主要构成组分[6]。

图1　高直链玉米淀粉-乳化剂配合体的络合率和抗性淀粉含量Fig.1　The complex rate and resistant starch content of high amylose corn starch-emulsifier complexes

2.2配合体XRD晶体结构特征分析

V-型晶体分为VI-型和VII-型，其中VI-型淀粉配合体V-型特征峰形平缓且吸收强度低，晶体松散，结晶程度较低；VII-型配合体V-峰形尖锐且吸收强度高，晶体排列完美，结晶程度较高[2]。原淀粉与客体物理混合物、高直链淀粉硬脂酸配合体、单硬脂酸甘油酯配合体、硬脂酰乳酸钙配合体、油酸配合体XRD图谱如图2所示。

原高直链淀粉与硬脂酸配合体的X-射线衍射图谱在2θ为7.1°、20.0°、21.5°、24.2°处出现特征衍射峰(图2-a)，且峰形尖锐，吸收强度高，说明两者形成了V-型晶体，且呈VII-型晶体结构。原高直链淀粉与单硬脂酸甘油酯配合体的X-射线衍射图谱在2θ为12.8°、19.5°、21.4°处分别出现特征衍射峰(图2-b)，但峰形平缓，吸收强度低，表明单硬脂酸甘油酯配合体呈VI-型晶体结构。原淀粉与硬脂酰乳酸钙、油酸配合体的X-衍射图谱在2θ为13.0°、19.7°处出现V-型结构的特征衍射峰，但比较弱，呈VI-型晶体结构。通过Jade5.0软件依次计算上述四种配合体的结晶度，分别为40.6%、48.6%、37.6%、33.1%(表1)。可见，配合体的抗性淀粉含量与结晶度没有必然相关性。这主要因为高直链淀粉单硬脂酸甘油酯配合体主要形成VII-型亚微晶晶体，该晶体类型为慢消化淀粉的主要晶体组分[6]，因此尽管结晶度最高，抗性淀粉含量相比较却居其次。

(a)高直链玉米淀粉-硬脂酸物理混合物与配合体；(b)高直链玉米淀粉-单硬脂酸甘油酯物理混合物与配合体；(c)高直链玉米淀粉-硬脂酰乳酸钙物理混合物与配合体；(d)高直链玉米淀粉-油酸物理混合物与配合体图2　高直链玉米淀粉-乳化剂配合体X-衍射光谱图Fig.2 XRD patterns for four kinds of ligands

配合体相对峰总面积相对结晶峰面积相对结晶度/%硬脂酸540102209540.6单硬脂酸甘油酯523992547148.6油酸484621822037.6硬脂酰乳酸钙460861523933.1

2.3配合体FT-IR图谱分析

图3　高直链玉米淀粉-乳化剂配合体红外光谱图Fig.3　FT-IR spectra of HACS-emulsifier complexes

3　结论

(1)硬脂酸、单硬脂酸甘油酯、油酸、硬脂酰乳酸钙4种乳化剂客体与高直链玉米淀粉的络合能力大小顺序为：硬脂酸>单硬脂酸甘油酯>硬脂酰乳酸钙>油酸；其中，添加硬脂酸所制得的高直链玉米淀粉配合体的抗性淀粉含量最高，达到37.2%。

(2)高直链玉米淀粉配合体XRD图谱分析结果表明，4种配合体均出现了V-型特征衍射峰，说明客体分子与高直链玉米淀粉形成了配合体，基于峰型和峰强度判断，硬脂酸配合体为VII-型结晶，为构成抗性淀粉的主要晶体组分，与抗性淀粉含量呈现显著的正相关性。

[1]ENGLYST H N, KINGMAN S M, CUMMINGS. Classification and measurement of nutritionally important starch fractions[J].European Journal of Clinical Nutrition,1992,45(2):33-50.

[2]PUTSEYS J A, LAMBERTS L, DELCOUR J A. Amylose-inclusion complexes: formation, dentity and physico-chemical properties[J].Journal of Cereal Science,2010,51(3):238-247.

[3]詹锦玲,胡秀婷,沙晨希,等.高直链玉米淀粉络合体的慢消化性与结构鉴定[J].食品工业科技, 2015,36(20):141-144.

[4]林若慧,柴向华,吴克刚，等.硬脂酸-直链淀粉复合物的制备工艺的研究[J].食品科技,2011,(4):207-210.

[5]GB5009.6—2003.食品中脂肪的测定[S].

[6]沙晨希.高直链玉米淀粉配合体的构建及其慢消化性研究[D].无锡:江南大学,2013.

Resistant properties and crystalline structure of high amylose corn starch-emulsifier complexes

ZHAN Jin-ling1,2, WANG Rui1, TIAN Yao-qi1*

1 (State Key Laboratory of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)2 (National Engineering Laboratory for Cereal Fermention Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

Amylose corn starch (HACS) complexes with emulsifiers stearic acid (SA), glycerol monostearate (GMS), calcium stearoyl lactylate (CSL), and oleic acid (OA) to prepare V-type HACS complex by a classic HCl/KOH precipitation method. The resistant digestion and crystalline structure were studied. The result showed that the complex content was 84.3% in HACS-SA complex and resistant starch was at maximum content of 37.2%. XRD data indicated that the HACS-SA complex generated strong peaks with VII-type crystallites, but other three complexes showed weaker peak for VI-type crystallites. The result obtained from FT-IR analysis also confirmed the VII-type complexes formation. In summary, the HACS-SA complex shows VII-type crystallites. The increase of the resistant starch and the formation of the complex can provide a new approach to prepare resistant starch with better processing properties.

ligand; emulsifier; resistant starch; V-type crystallite

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201609011

硕士研究生(田耀旗副教授为通讯作者，E-mail: yqtian@jiangnan.edu.cn)。

国家自然科学基金项目(No.31571792)

2016-01-05，改回日期：2016-02-27