红豆淀粉-脂质复合物结构及体外消化性质

郭宏伟，赵城彬，吴玉柱，张 浩，张隋鑫，李 妍，许秀颖*，刘景圣*

（吉林农业大学食品科学与工程学院，小麦和玉米深加工国家工程实验室，吉林 长春 130118）

红豆（Vigna angularis）在我国种植广泛，其营养成分丰富，主要成分为淀粉，其淀粉质量分数在41.83%～59.89%之间[1]。脂肪酸是食品的重要组成成分，影响食品品质。淀粉与脂肪酸可以复合形成淀粉-脂质复合物，改善淀粉加工性质、提高品质特性、增加功能特性，提高淀粉的稳定性和抗老化性能，降低淀粉在水中的溶解度[2]；淀粉-脂质复合物因具有抗消化性又被称RS5型抗性淀粉（resistant starch，RS），具有降血糖、预防结肠癌和肥胖等多种生理功能[3-4]。

淀粉-脂质复合物的制备方法主要有快速黏度分析法、水浴加热法、HCl/KOH法、二甲亚砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）分散法、挤压蒸煮法等[5-7]。常丰丹[8]研究了脂质加入方式对淀粉-脂质复合物的影响，结果发现先热处理淀粉再加入脂肪酸这种制备方法较先将脂肪酸与淀粉混合后再加热更利于淀粉-脂质复合物的形成。Le-Bail等[9]将脂肪酸包埋在淀粉中，在500 MPa、40 ℃下处理20 min，得到淀粉-脂质复合物。Bienkiewicz等[10]将鱼类脂质与糊化淀粉溶液混合，在90 W、2 450 Hz下微波炉加热处理4 min，得到淀粉-脂质复合物。Lalush等[11]采用水/DMSO和KOH/HCl络合方法制备直链淀粉-亚油酸复合物，发现前种方法制得的样品结晶度大于后者。

Marinopoulou等[12]研究发现高直链玉米淀粉与脂肪酸复合时形成典型的V型晶体，并且随着制备温度的增加，淀粉-脂质复合物的结晶度增加，而晶体尺寸减小。Vasiliadou等[13]研究表明，直链淀粉-脂肪酸复合的程度与脂肪酸链长度有关，即脂肪酸链长度越短，直链淀粉与脂肪酸的相互作用越强。Farooq等[14]研究发现淀粉-脂质复合物的形成降低了大米淀粉的体外消化率，增加了抗性淀粉含量，同时降低了快速和慢速消化淀粉含量。因此，淀粉-脂质复合物对于调节血糖、血脂，调控消化功能，以及为淀粉健康食品的开发提供新方向。但是，目前豆类淀粉与脂肪酸复合物的特性研究不够深入，特别是缺乏豆类淀粉与脂肪酸在结构与消化性能之间关系的研究。

本实验在实验室前期研究的基础上，先对红豆淀粉（adzuki starch，AS）进行微波处理，再分别添加硬脂酸、棕榈酸、油酸、亚油酸4 种脂肪酸到淀粉溶液中，使用水浴加热的方法制备AS-脂质复合物，对4 种AS-脂质复合物形态结构、热性质、晶体结构、消化特性等方面进行研究，为脂肪酸在豆类淀粉的加工应用以及制备RS5型抗性淀粉提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

红小豆为市售；棕榈酸（palmitic acid，PA）、硬脂酸（stearic acid，SA） 天津市光复精细化工研究所；油酸（oleic acid，OA）（纯度97%）、亚油酸（linoleic acid，LA）（纯度97%） 美国Sigma公司；猪胰α-淀粉酶（45.5 U/mg） 合肥博美生物科技有限责任公司；糖化酶（105U/mL） 酷尔化学科技有限公司；总淀粉、直链淀粉/支链淀粉、D-葡萄糖（GOPOD法）检测试剂盒 爱尔兰Megazyme公司。

1.2 仪器与设备

微波炉 广东美的厨房电器制造有限公司；Alpha1-4LDplus冷冻干燥机 德国Christ公司；Phenom Pro台式扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM） 复纳科学仪器（上海）有限公司；Q2000差示扫描量热（differential scanning calorimeter，DSC）仪美国TA公司；VERTEX 70傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR）仪 德国Bruker公司；D/max200PC X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）仪 日本理学公司；恒温水浴振荡摇床 上海精宏实验设备有限公司；Allegra X-30高速离心机 美国Beckman公司；Spectramax190全波长酶标仪 美国Molecular Devices公司。

1.3 方法

1.3.1 AS提取

参考李冠华等[15]的碱提法，并做适当改动：称取红小豆→浸泡4.5 h（料液比1∶7）→去皮→打碎磨浆→过滤（弃滤渣）→调pH 9.0→搅拌→静置0.5 h（弃上层蛋白液）→加水搅拌→过滤→静置（弃上层液）→干燥→粉碎→淀粉成品。

1.3.2 AS的基本营养成分测定

采用总淀粉和直链淀粉/支链淀粉检测试剂盒测定AS的总淀粉与直链淀粉的质量分数[16]。脂肪质量分数测定：参照GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》中的索氏抽提法；蛋白质量分数测定：参照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》中的自动凯氏定氮仪法；灰分质量分数测定：参照GB/T 22427.1—2008《淀粉灰分测定》。

1.3.3 AS-脂质复合物样品的制备

在实验室前期研究的基础上进行AS-脂质复合物的制备：称取10 g AS，将AS与蒸馏水配成质量浓度为10 g/100 mL溶液，放置在微波炉中，设置微波功率500 W、作用时间50 s，取出后与AS干基质量1.5%的PA、SA、OA、LA混合，95 ℃水浴搅拌30 min取出，用体积分数50%的乙醇溶液洗涤3 次并离心，除去未与AS复合的脂肪酸，冷冻干燥样品，分别得到AS-PA、AS-SA、AS-OA、AS-LA。不加入脂肪酸，在相同条件下处理淀粉得到的样品即为对照AS。

1.3.4 形态观察

将AS-脂质复合物及对照AS分布在载物台的导电双面胶上，喷金处理120 s后，于SEM下观察，选取最佳角度与放大倍数观察样品的形貌状态。

1.3.5 热特性分析

用DSC仪分析样品的热特性及结构特性。参考Koo等[17]的方法并适当改动：加热速率5 ℃/min，温度范围为30～140 ℃。取2 mg样品，加20 mg高纯水，压片，在室温下平衡24 h。N2流速为50 mL/min，以空坩埚作参比。

1.3.6 FT-IR分析

使用FT-IR仪测定样品的结构。参考Zhao Chengbin等[18]的方法并作部分改动：称取1 mg已干燥至恒质量的样品与150 mg溴化钾在红外灯下研磨混合均匀，置于模具中在15 MPa下抽真空压片60 s。扣除溴化钾薄片背景，在4 000～400 cm－1范围内扫描64 次，分辨率为4 cm－1，得到FT-IR图。

1.3.7 XRD测定

将样品放在玻璃凹槽内，用压片压紧，使样品平整铺在凹槽处，测试条件参考徐澎聪等[19]方法。测定参数为管压40 kV、管流40 mA、2θ扫描范围4°～40°、扫描速率5°/min。

1.3.8 消化特性测定

参考Englyst等[20]的方法并做适当改动：称取0.2 g样品于锥形瓶中，加入15 mL 0.2 mol/L醋酸钠缓冲液（pH 5.2），混匀后加入10 mL酶混合液（含290 U/mL猪胰α-淀粉酶和15 U/mL糖化酶），37 ℃恒温水浴中振荡120 min。在20、120 min各取0.5 mL酶解液，加入4 mL无水乙醇，于4 000 r/min离心10 min。取上清液，采用D-葡萄糖检测试剂盒测定葡萄糖质量浓度。根据式（1）～（3）分别计算AS-脂质复合物的快速消化淀粉（rapidly digested starch，RDS）、慢速消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）和RS的质量分数。

式中：ρ0为淀粉酶解前葡萄糖质量浓度/（mg/mL）；ρ20为酶解20 min时葡萄糖质量浓度/（mg/mL）；ρ120为酶解120 min时葡萄糖质量浓度/（mg/mL）；V为反应体系总体积/mL；m为样品中淀粉质量/mg。

1.4 数据处理与分析

实验数据采用Microsoft Excel 2010和Origin 8.5软件完成，结果以表示；采用DPS V7.65软件用Tukey法进行差异显著性分析，P＜0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 AS基本营养成分测定结果

表 1 AS基本营养成分Table 1 Chemical composition of adzuki starch

由表1可知，AS中总淀粉质量分数为（93.10±0.64）%，直链淀粉质量分数为（31.30±0.72）%，脂肪质量分数为（0.35±0.03）%，蛋白质量分数为（0.26±0.03）%，灰分质量分数为（0.17±0.01）%。

2.2 SEM观察结果

由图1可知，应用SEM观察样品发现，经过加热处理后的4 种AS-脂肪酸复合物与未加入脂肪酸的AS相比，颗粒形态发生明显改变。对照AS的表面较为平整，呈现片状或块状，表面积较小，没有大量颗粒的聚集（图1A）。与脂质复合后，淀粉形貌发生明显改变，淀粉颗粒破坏更明显，形成了更加不规则的形状，体积增大、外形差异大、表面粗糙、凹凸不平，颗粒内部多孔洞，这可能利于脂肪酸的插入，有利于复合（图1B～E）。

图 1 AS及AS-脂质复合物的SEM图（×2 000）Fig. 1 SEM images of adzuki starch and starch-lipid complexes (× 2 000)

2.3 热特性分析结果

表 2 AS与AS-脂质复合物的相变温度及焓Table 2 Phase transition temperature and enthalpy of adzuki starch and starch-lipid complexes

采用DSC测定淀粉的热相变过程，可以反映结构的变化。由表2可知，对照AS在30～140 ℃升温过程中有1 个吸热峰，4 种AS-脂质复合物均存在3 个吸热峰。峰I是淀粉的糊化吸热峰，淀粉颗粒在糊化过程中吸水使氢键断开，结晶结构受到破损，伴随着吸热现象。在添加脂肪酸后，AS-SA、AS-OA、AS-LA、AS-LA分别比对照AS的To高3.41、1.44、0.63、1.28 ℃（P＜0.05），Tp高1.29、2.01、0.40、1.56 ℃（除AS-LA外均差异显著，P＜0.05），Tc高1.66、6.88、1.43、0.40 ℃（P＜0.05），ΔH高3.76、3.25、2.14、1.92 J/g（P＜0.05），表明添加这4 种脂肪酸抑制了淀粉的糊化。峰II和峰III为淀粉-脂质复合物的相变吸热峰。峰II为I型淀粉-脂质复合物解旋熔融的吸收峰，其熔点比II型淀粉-脂质复合物低，为非晶结构；峰III是II型淀粉-脂质复合物解旋熔融的吸收峰，熔点较高，其又可以分为IIa型和IIb型复合物，且复合物的含量与ΔH相关，同时，ΔH的增加也与抗性淀粉含量的增加有关[21-22]。IIa型相变温度大概在115～120 ℃，IIb型温度则更高。由表2可知，4 种AS-脂质复合物均是由I型和II型复合物共同构成。I型复合物通常为缓慢消化淀粉，II型复合物特别是IIb型复合物为抗性淀粉。不同脂肪酸碳链长度与淀粉的作用程度也不相同，这是PA（C16:0）与SA（C18:0）产生不同作用效果的主要原因。长链脂肪酸随着碳链长度的增加，亲水性变得越来越差，使得脂肪酸在淀粉体系的分散变差，从而降低了二者接触的可能性[23]。SA、OA、LA均含有18 个碳原子，与AS作用后，ΔH依次为AS-SA＞AS-OA＞AS-LA，说明SA与AS复合率更大，LA与AS复合率最小，这是由于SA为饱和脂肪酸，OA含有1 个不饱和双键，而LA有两个不饱和双键，双键的存在会产生空间阻碍的作用，使得复合率降低。复合熔融温度范围（Tc～To）越大，表明淀粉颗粒晶体的多样性越多[24]。

2.4 FT-IR分析结果

图 2 AS及AS-脂质复合物的FT-IR图Fig. 2 FT-IR of adzuki starch and starch-lipid complexes

表 3 AS与AS-脂质复合物的FT-IR解析Table 3 FT-IR analysis of adzuki starch and starch-lipid complexes

由图2可知，5 种样品的FT-IR图相似，没有新基团特征峰的生成，说明在AS与脂肪酸的结合时，没有发生化学反应，而是依靠疏水作用力形成结合。表3是样品可能含有的官能团及其出峰位置。不同样品的特征峰出峰位置有所偏移。1 703 cm－1附近是C＝O的振动峰，1 240～1 249 cm－1附近是—COOH的振动峰，这两处峰是游离脂肪酸的特征峰，图2中未出现这两处振动峰，这是由于AS与脂肪酸形成的复合物屏蔽了脂肪酸的振动峰[25]。与对照AS相比，AS-脂质复合物在3 410.94 cm－1的—OH振动峰向低波数处移动，发生红移，—OH稳定性增强，这是由于AS与脂肪酸复合时通过氢键发生作用，氢键的结合增多说明AS-脂质复合物的形成。AS-PA的—OH振动峰向低波数处移动的距离大于AS-SA、AS-OA、AS-LA，说明PA与AS复合率更高。氢键稳定性增强使AS与脂肪酸的结合更牢固，可能造成了RS含量的增加。2 928.89 cm－1处为淀粉—CH2的伸缩振动峰[26]。与对照AS相比，AS-脂质复合物中—CH2伸缩振动峰也发生红移，表明AS与脂肪酸—CH2基团的重叠引起—CH2稳定性增强。AS-SA的—CH2基团吸收峰波数AS-OA、AS-LA，说明饱和脂肪酸与AS复合能力更强。AS-脂质复合物在1 080.46 cm－1处的C—O—H吸收峰稍向高波数处移动，说明复合物的形成使C—O—H稳定性降低。在1 369.34 cm－1处的C—H、O—H弯曲振动峰向高波数处略微移动，说明复合物的形成轻微增加了C—H、O—H的弯曲振动。

2.5 XRD分析结果

淀粉是多晶体系，主要可以分为结晶区与非结晶区。淀粉由于结晶结构的差异生成不同类型特征的XRD图。有尖峰特征的是结晶区，弥散特征的为非结晶区。淀粉结晶结构有A、B、C、V型。其中V型鲜少存在于天然淀粉中，主要是通过直链淀粉与脂肪酸、碘、乳化剂等混合获得[27]。淀粉与复合物的晶型可以通过衍射峰位置判断。A型晶体在15°、17°、18°、23°处有强衍射峰，B型晶体在5.6°、17°、22°、24°处有强衍射峰，V型晶体在7.6°、12.8°、19.8°附近有强衍射峰[28-29]。徐向东[1]测得AS在15.21°、17.18°、22.91°处有强衍射峰，判断AS为A型晶体结构，经热处理后，晶体结构有所消失。

图 3 AS及AS-脂质复合物的XRD图Fig. 3 XRD patterns of adzuki starch and starch-lipid complexes

由图3可知，与对照AS相比，AS-脂质复合物在17°处的衍射峰强度明显降低，在19.8°附近有强衍射峰，在12.8°附近有弱衍射峰，出现的新峰表明复合物产生了V型晶体的特征峰。这是由于在复合物形成后的冷却过程中，脂肪酸的疏水基团在直链淀粉的螺旋腔内参与了淀粉重结晶，形成独特的V型晶体结构[30]。常丰丹[8]研究发现在温度为80 ℃时，制备的高链玉米淀粉-月桂酸复合物为B型晶体结构占主导，随着温度的升高，V型结构特征峰增强。AS-OA在22.08°、24.12°出现衍射峰，可能是游离OA聚集成的结晶峰；AS-PA在21.77°、24.21°出现衍射峰，这可能是游离的PA聚集而成的结晶峰，乙醇溶液洗涤并未将溶解度低的脂肪酸完全除去，这与陈海华等[25]研究的结果相似。AS-PA、AS-SA、AS-OA的V型结果特征峰强度明显高于AS-LA，尖锐特征峰强度变化明显，表明前三者形成复合物的含量更多。此外，结晶特性与消化性存在一定关系，V型结构特征峰强度越大，可能越有利于RS的形成。

2.6 体外消化特性分析

根据Englyst等[20]提出在0～20 min和20～120 min内解离的淀粉分别定义为RDS和SDS，除去RDS与SDS剩余的部分淀粉定义为RS。最初消化阶段，淀粉酶酶解未与脂肪酸发生复合作用的无序态淀粉链，这部分为RDS；随着消化时间的延长，淀粉与脂肪酸发生复合时，支链淀粉与直链淀粉或脂质之间的螺旋堆积可能受到阻碍，并且这种螺旋的填充导致形成了较不致密的晶体结构，淀粉被缓慢消化，这部分SDS、RS的形成主要归结于直链淀粉与脂肪酸复合产生的具有完美晶体结构的直链淀粉-脂质复合物和直链淀粉的老化[31]。

图 4 AS及AS-脂质复合物的体外消化特性Fig. 4 In vitro digestibility of adzuki starch and starch-lipid complexes

由图4可知，与对照AS相比，添加4 种脂肪酸形成AS-脂质复合物都降低了淀粉体外消化率，但降低程度不同。4 种AS-脂质复合物RDS质量分数降低，SDS和RS质量分数升高，表明形成的复合物会抑制淀粉的消化。这是由于脂肪酸进入AS的螺旋内部，与淀粉牢固地结合，使淀粉酶对淀粉发生作用时受到阻碍；还有一部分原因是复合物对消化酶抗性比淀粉高。AS-PA、AS-SA、AS-OA、AS-LA中RDS质量分数较对照AS显著降低（P＜0.05），分别降低了11.37%、7.41%、6.30%、4.13%，SDS质量分数较对照AS显著增加（P＜0.05），分别增加了5.24%、4.33%、4.48%、3.44%。表明复合物使淀粉的消化速率变得更加缓慢，这可能是复合时淀粉与脂肪酸之间的堆积密度变大引起的[32-33]。Sang[34]和Guraya[35]等认为，提高淀粉无定型区的堆积密度以及降低结晶区的完美度可引起淀粉的慢消化性[34-35]。与对照AS相比，AS-脂质复合物的RS质量分数增加，其增加幅度依次为：AS-PA＞AS-SA＞AS-OA＞AS-LA，以AS-PA最为明显，增加了6.13%（P＜0.05）。这可能是由于PA的碳链较短，且为饱和脂肪酸，复合时产生的晶体结构使淀粉结构更牢固，阻碍了淀粉酶的酶解作用，淀粉-脂质复合物的抗消化性随着脂肪酸碳链长度及不饱和度的增加而降低。

3 结 论

采用微波法处理淀粉，并通过水浴加热的方法制备了AS-脂质复合物，结果表明，复合物的形成影响AS的结构及消化性质，且脂肪酸的碳链长度与饱和度不同对AS特性的影响不同。与对照AS相比，AS-脂质复合物的体积变大，表面凹凸不平，颗粒的多孔洞形貌有利于吸入脂肪酸。AS-脂质复合物有3 个吸热峰，峰II与峰III分别是I型、II型复合物的解旋熔融吸收峰；ΔH随着脂肪酸碳链长度及不饱和度的增加而增大，ΔH的增加与RS的增多有关。FT-IR图谱证明了复合物的形成，复合物的氢键增加使淀粉结构更牢固，可能导致了RS质量分数增多。复合物的产生使淀粉晶型发生改变，加入脂肪酸后在17°附近的特征峰强度降低，在12.8°、19.8°附近出现V型晶体的特征峰，表征复合物的存在，并且AS-PA、AS-SA、AS-OA的特征峰强度明显高于AS-LA，说明AS-LA复合率低于其他脂肪酸形成的复合物；V型结构特征峰强度增加有利于RS的形成。与对照AS相比，AS-脂质复合物的RDS质量分数降低，SDS和RS质量分数增加，抗消化性能增强。AS-脂质复合物的抗消化性随着脂肪酸碳链长度及不饱和度的增加而降低，其中以添加PA形成的复合物的改变最为明显，表明脂肪酸在抑制淀粉消化方面有重要作用。