脂肪酸不饱和度对高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物结构和热性能的影响

米红波,苏 情,李政翰,仪淑敏,李学鹏,励建荣

(渤海大学食品科学与工程学院,辽宁省食品安全重点实验室,生鲜农产品贮藏加工及安全 控制技术国家地方联合工程研究中心,国家鱼糜及鱼糜制品加工技术研发分中心,辽宁锦州 121013)

直链淀粉是一种由α-D-葡萄糖组成的线性多聚物,可将脂质等小分子化合物缠绕在内部,呈左手螺旋结构。每6个葡萄糖单位组成螺旋的一个节距,在螺旋内部只含亲油的氢原子,羟基位于螺旋外侧,形成V型直链淀粉结构[1-2]。已证明直链淀粉作为一种包埋壁材可以与多种化合物形成分子复合物[3-6],并在药物、保健品、食品中起着重要作用。

随着近年来对微观包埋技术的深入研究,淀粉作为壁材已经成为学者研究的热点,尤其对于直链淀粉-脂肪酸复合物的研究备受关注。因淀粉直链可将脂肪酸分子包裹在螺旋内部,可以有效地抑制多不饱和脂肪酸的受热和氧化降解[7]。脂肪酸的种类和浓度、实验条件以及制备方法等都会对淀粉-脂肪酸复合物的复合度和结构产生影响。直链淀粉-脂肪酸的复合度与脂肪酸的链长呈正比,与脂肪酸不饱和度呈反比[8]。Tang等[9]证明淀粉-脂肪酸复合物的复合度随添加脂肪酸浓度的增加而增加,但是高于一定浓度,脂质倾向于自身缔合而不是形成淀粉-脂质复合物。与二甲基亚砜(DMSO)制备法相比,利用酸碱法(HCl/KOH)制备的复合物颗粒较大[10],与快速黏度分析仪(RVA)法相比,利用HCl/KOH法制备的淀粉-脂肪酸的相对结晶度降低[11]。目前,对于淀粉-脂肪酸复合物的研究主要集中在实验条件的优化、制备方法的探索等方面,而对淀粉与不饱和脂肪酸形成复合物的性质、结构及稳定性方面研究较少。

因此,本研究以高直链玉米淀粉和4种饱和度不同的C18脂肪酸(硬脂酸、油酸、亚油酸、亚麻酸)为原料制备复合物,从热性能、微观结构、粒径分布及Zeta电位等方面探究脂肪酸不饱和度对淀粉-脂肪酸复合物结构和稳定性的影响,从而拓宽淀粉和脂肪酸的应用范围,为淀粉基食品的生产提供参考和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

高直链玉米淀粉(糊化起始温度78.47 ℃) 秦皇岛骊骅淀粉有限公司;硬脂酸、油酸、亚油酸、亚麻酸 西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司;氢氧化钾(KOH)、乙醇 国药集团化学试剂有限公司。

Q2000型差示热量扫描仪(DSC) 美国TA公司;Rigaku Ultima IV型X射线粉末衍射仪(XRD) 日本理学公司;S-4800(带能谱)型冷场发射扫描电镜(SEM) 日本日立公司;SE-70型原子力显微镜(AFM) 韩国Park Systems公司;BT-9300ST型激光粒度分布仪 丹东市百特仪器有限公司;90Plus Zeta电位分析仪 美国Brookhaven公司。

1.2 实验方法

1.2.1 淀粉-脂肪酸复合物的制备 参考Zabar等[10]的方法。将5 g高直链玉米淀粉置于300 mL预热到90 ℃的0.1 mol/L KOH中,在300 r/min下搅拌5 min;将0.5 g脂肪酸加入到500 mL预热到90 ℃的0.1 mol/L KOH中,搅拌5 min;将上述两种混合物混合并搅拌20 min后,用2 mol/L HCl将混合物的pH调至4.7,搅拌3 h;将悬浮液冷却至25 ℃,3000 r/min离心15 min,得沉淀物,用50%的乙醇洗三次,真空冷冻干燥后研磨成粉末,-40 ℃冻藏。对照组除不加脂肪酸外处理方法相同。

1.2.2 热性能测定 参考Zhou等[12]的方法。取3 mg样品于铝坩埚中,加入7 mg超纯水,密封后平衡2 h。温度范围30～120 ℃,升温速率10 ℃/min。记录各峰的起始温度(To)、峰值温度(Tp)、终止温度(Tc)和焓变(ΔH),采用Origin 8.5软件进行数据分析。

1.2.3 X-射线衍射 参考Chang等[13]的方法。采用X射线衍射仪测定复合物的晶体结构。测定条件:电压44 kV,电流30 mA,连续扫描,2θ范围4～35°,扫描速度10°/min。利用Jade 5.0软件计算样品的结晶度。

1.2.4 扫描电子显微镜 参考Vasiliadou等[14]的方法。将样品均匀的喷洒在导电双面胶上,经喷金处理后,用扫描电镜观察直链淀粉-脂肪酸复合物微观结构。

1.2.5 原子力显微镜 参考Lesmes等[8]的方法。将样品按1∶10比例分散在50%乙醇中,取2 μL滴在刚剥离的云母载玻片上,然后覆盖玻片以防止空气中的微粒沉积在云母片上,过夜干燥后放置在原子力显微镜台上进行扫描,采用Gwyddion软件对图片进行3D处理。

1.2.6 粒度分布测定 参考Lesmes等[8]的方法。取样品0.1 g,加蒸馏水制成10%的分散液,滴入激光粒度分布仪中,得到样品粒度分布。采用Origin 8.5软件进行数据分析。

1.2.7 Zeta电位测定 参考Seo等[15]的方法。用超纯水将样品稀释至0.1%～0.5%(w/v),倒入样品池,插入电极,使用90Plus Zeta电位分析仪进行分析,控制温度25 ℃,pH7,在25 ℃时水的折射率和黏度分别为1.333和0.89 cP。

1.3 数据处理

采用SPSS 19.0统计分析软件对数据进行方差分析,显著性差异检验使用Duncan多重检验,P<0.05 表示具有显著性差异。

2 结果与分析

2.1 高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物的热性能

表1列出了样品在加热过程中形成的各个吸热峰的起始温度(To)、峰值温度(Tp)、终止温度(Tc)和焓变(ΔH)。高直链淀粉-硬脂酸复合物出现两个吸热峰,而其他样品仅在80～105 ℃左右出现1个大小不等的吸热峰。Kawai等[16]报道马铃薯淀粉与硬脂酸形成的复合物也存在第一个峰,这是由于常温下乙醇不能彻底洗去复合物中游离的硬脂酸,其熔融产生了第一个吸热峰;Lesmes[8]认为,乙醇能够洗掉游离的脂肪酸,淀粉-硬脂酸复合物组产生的第一个吸热峰是由于淀粉与硬脂酸产生了除螺旋结构之外的另一种微观的复合结构,但由于不饱和脂肪酸在常温下是液态,无法保持这种特殊的结构。根据王雨生等[17]的研究报道,淀粉经碱热处理后,结晶度增加,因此,对照组淀粉的起始温度高于未做处理的原淀粉(78.47 ℃)。与对照组相比,淀粉与脂肪酸形成复合物的吸热峰的To、Tp降低,除淀粉-硬脂酸复合物外,其余三种复合物的Tc与对照组之间并无显著性差异(P>0.05),且脂肪酸不饱和度越高,糊化Tp越低,这与Zhou等[12]的研究结果一致。在碱热处理后,淀粉链自身形成的重结晶被淀粉-脂肪酸复合物取代,而淀粉-脂肪酸复合物结晶没有淀粉链重结晶稳定,导致糊化温度降低。因此,淀粉与脂肪酸形成复合物后的热稳定性比碱热处理淀粉(对照组)低,表1中形成的淀粉-脂肪酸复合物的To呈现出随不饱和度增加而降低的趋势,这可能是由于脂肪酸不饱和度越高稳定性越差导致的,这与王雨生等[17]的研究结果一致。

表1 高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物的DSC曲线关键参数Table 1 Key parameters of DSC curve of high amylose corn starch-fatty acid complexes

注:同列小写字母不同表示差异显著(P<0.05),“-”处表示样品此处无峰。

与对照组相比,高直链玉米淀粉与亚麻酸形成复合物后ΔH没有显著性变化(P>0.05),而与其他三种脂肪酸形成复合物后ΔH降低(表1),且随着脂肪酸不饱和度的增加而增加。这是由于淀粉凝胶化吸热比复合物解离吸热高,随着脂肪酸不饱和度的增加,形成的复合物减少,导致对ΔH 影响也越小。Arik Kibar等[18]也报道淀粉与不饱和脂肪酸形成复合物的ΔH高于其与饱和脂肪酸形成复合物的ΔH。

2.2 高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物X-射线衍射分析

高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物的X-射线衍射曲线如图1所示。由图1可见,高直链玉米淀粉与脂肪酸复合后,其晶体结构发生明显变化。对照组的衍射图谱分别在5.7°、13.2°、20.0°时出现较强的衍射峰,在16.8°处出现强衍射峰,属于B型晶体结构。高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物在13.2°、20.0°处出现衍射峰,表明高直链玉米淀粉与脂肪酸形成复合物后转化为V型晶体结构。一般认为16.8°处为直链淀粉结晶峰,与对照组相比,高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物在16.8°时特征峰明显降低,表明大量的直链淀粉从颗粒中浸出后与脂肪酸形成螺旋结构,无法老化成原来的晶体结构[10]。对照样品在20.0°显示的结晶峰认为是高直链玉米淀粉与脂的复合物,而高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物在20.0°的结晶峰是高直链玉米淀粉与脂复合物及高直链玉米淀粉与脂肪酸复合物共同的结晶峰,此峰与对照组相比变化不明显。这是由于高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物为微结晶,对结晶峰影响较小[10]。另外,高直链玉米淀粉-硬脂酸复合物在21.5°和24.0°处各出现一个衍射峰,根据Marinopoulou等[19]的研究认为这是未复合的硬脂酸聚集而产生的衍射峰,这与DSC的结果一致(表1)。

图1 高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物的X射线衍射曲线Fig.1 X-ray diffraction curves of high amylose corn starch-fatty acid complexes 注:括号内数值为相应样品的相对结晶度。

图1可以看出,高直链玉米淀粉与脂肪酸形成复合物后,其结晶度下降,且淀粉-脂肪酸复合物的结晶度随着脂肪酸不饱和度的增加而降低。王雨生等[20]、Chang等[13]均报道了淀粉与脂肪酸形成复合物的相对结晶度低于原淀粉。淀粉由直链和支链相互缠绕形成结晶结构,对照组淀粉颗粒加热后直链淀粉析出,再经冷却后老化,淀粉颗粒中形成重结晶,而加入外源脂肪酸后,析出的直链淀粉能够与脂肪酸反应形成复合物,从而阻碍了直链淀粉重新回到淀粉颗粒中,导致结晶度降低[2]。Godet等[21]指出每个脂肪酸单体在与淀粉链形成螺旋结构的复合物时,需要葡萄糖单体个数与脂肪酸链中CH2基团的个数有关。本实验中制备的高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物所用脂肪酸链长相等,所以高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物结晶度随着脂肪酸不饱和度的增加而降低,是由于双键阻碍了复合物中微结晶的形成,且随着双键个数增加阻碍作用越大,但是,在双键个数达到2个以上时对结晶度影响不明显。根据Lu[22]的研究,不饱和脂肪酸双键使脂肪酸分子呈现非100%线性结构,从而阻碍其与淀粉链形成微晶结构。

2.3 高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物的形态观察

高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物的扫描电镜照片如图2所示。对照组淀粉颗粒经处理后表面出现破损和球晶现象,这些球晶是淀粉-脂形成复合物老化后形成的;高直链玉米淀粉-硬脂酸复合物颗粒表面有凸起的球晶和包裹的层状复合物,还有不规则晶体嵌在淀粉颗粒表面,可能是聚集的硬脂酸;高直链玉米淀粉-油酸复合物颗粒表面有球晶和嵌在颗粒表面的层状物质;高直链玉米淀粉-亚油酸复合物颗粒表面有球晶和嵌进颗粒表面的破损的层状物质;高直链玉米淀粉-亚麻酸复合物颗粒表面有突起的球晶和嵌在颗粒表面的絮状物质,这与Marinopoulou等[23]和Kim等[24]的研究结果一致。由图2可以得出,高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物有两种形态:一是样品颗粒表面突起的球晶,这是直链淀粉析出过程中直接与脂肪酸结合,老化后形成的;二是嵌在淀粉表面的层状物质或絮状物质,这是直链淀粉在析出后与周围的脂肪酸形成的复合物。形成的复合物是包含在淀粉颗粒中的晶胞还是嵌在表面的物质,与淀粉链析出时间有关,附着在淀粉颗粒表面的微晶也表现出不同形状。Vasiliadou等[14]通过控制加入脂肪酸的时间和温度,得到不同形态的淀粉-脂肪酸复合物,在淀粉加热前加入脂肪酸形成的复合物在颗粒表面以球晶的形式存在;而在淀粉加热后加入脂肪酸,需要在足够的低温下才能制得球晶结构的复合物。本实验中嵌在高直链玉米淀粉颗粒表面的复合物随着脂肪酸不饱和度的增加变得更不规则(图2),推断高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物的形状还可能与脂肪酸的不饱和度有关。

图3 高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物的原子力显微镜图Fig.3 Atomic force microscopies of high amylose corn starch-fatty acid complexes 注:a:对照组;b:淀粉-硬脂酸复合物;c:淀粉-油酸复合物;d:淀粉-亚油酸复合物;e:淀粉-亚麻酸复合物。

图2 高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物的扫描电镜图Fig.2 Scanning electron micrographs of high amylose corn starch-fatty acid complexes 注:a:对照组；b:淀粉-硬脂酸复合物； c:淀粉-油酸复合物；d:淀粉-亚油酸复合物 e:淀粉-亚麻酸复合物;白色箭头表示球晶, 黑色箭头表示层状或絮状复合物。

2.4 高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物的原子力显微镜分析

图3为利用原子力显微镜观察到的样品颗粒表面的微观图像。由图3可以看出,对照组淀粉颗粒表面平整,有较小的凸起,根据电镜结果认为小凸起是经老化后形成了淀粉-脂复合物的球晶。与对照组相比,高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物的颗粒表面都能观察到较大的晶体结构,进一步证实了电镜观察到的结果,其中高直链玉米淀粉-硬脂酸复合物、高直链玉米淀粉-油酸复合物和高直链玉米淀粉-亚油酸复合物颗粒表面可观察到球状凸起,且形状规则;高直链玉米淀粉-亚油酸复合物和淀粉-亚麻酸复合物颗粒表面观察到嵌入颗粒表面的絮状物质,但形状不规则,这与扫描电镜观察到的结果一致(图2)。这说明高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物的微观结构与脂肪酸双键数目有关,随脂肪酸不饱和度增加,形成的复合物越不规则,呈镂空状,根据XRD结果,是由于不饱和脂肪酸分子结构不规则导致的[22]。Lesmes等[8]在原子力显微镜图像中观察到淀粉-脂肪酸复合物呈絮状且嵌入淀粉颗粒表面,与本实验结果一致。

2.5 高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物的粒径

由高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物的粒径分布结果得出,对照组淀粉颗粒粒径分布范围为1～100 μm;与脂肪酸形成复合物后颗粒粒径分布范围变为1～30 μm,分布范围变小,颗粒变得更均匀。由图4可知,对照组淀粉颗粒的平均粒径为18.27 μm,高直链玉米淀粉与脂肪酸形成复合物后,平均粒径降低,这可能是因为脂肪酸的加入阻碍了直链淀粉重新回到淀粉颗粒中,导致粒径降低。另外,Lesmes等[8]认为粒径的变化可能与复合物的制备方法有关。而高直链玉米淀粉-硬脂酸、高直链玉米淀粉-油酸、高直链玉米淀粉-亚油酸复合物的平均粒径并没有显著性差异(P>0.05),高直链玉米淀粉-亚麻酸复合物的平均粒径显著高于另外三种复合物的(P<0.05),这是由于脂肪酸的加入阻碍直链淀粉重新回到淀粉颗粒,使颗粒变小。根据原子力显微镜结果可知(图3),高直链玉米淀粉-亚麻酸复合物形状不规则,呈蓬松状,嵌在淀粉颗粒表面,导致其平均粒径增大。Lesmes等[8]也报道脂肪酸的不饱和度与复合物的粒径分布密切相关,且随着不饱和度的增加,制得的复合物颗粒尺寸更大,粒径分布范围更广。

图4 高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物的平均粒径Fig.4 Average particle size of high amylose corn starch-fatty acid complexes 注:不同小写字母代表差异显著(P<0.05);图5同。

2.6 高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物的Zeta电位分析

Zeta电位可以表示分散体系的稳定性,Zeta电位的绝对值越高表明体系越稳定,稳定性受分散体系中颗粒大小和颗粒表面状态影响。Zeta电位绝对值在0～5 mV时体系会快速凝结或凝聚;10～30 mV开始变得不稳定;大于30 mV体系具有较好的稳定性[24]。对照高直链玉米淀粉和淀粉-脂肪酸复合物Zeta电位的绝对值结果如图5所示,所有样品Zeta电位的绝对值都在10～30 mV之间,处于不稳定状态。Seo等[15]利用高直链玉米淀粉与共轭亚油酸制备复合物,其分散体系的Zeta电位绝对值约为10 mV,与本实验结果一致。由图5可知,淀粉-脂肪酸复合物的Zeta电位的绝对值高于对照组的,且随着脂肪酸(除亚麻酸)不饱和度的增加而增加,因此脂肪酸的加入可提高淀粉分散液的稳定性,这是因为淀粉与脂肪酸形成复合物后颗粒变小(图4),导致稳定性提高,根据电镜结果,脂肪酸不饱和度越高,形成的复合物越蓬松,导致Zeta电位随着脂肪酸(除亚麻酸)不饱和度的增加而增加,但是粒径结果显示,高直链玉米淀粉-亚麻酸复合物粒径比其他复合物组显著增大(P<0.05),导致高直链玉米淀粉-亚麻酸分散液的稳定性降低。

图5 高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物的Zeta电位Fig.5 Zeta potential of high amylose corn starch-fatty acid complexes

3 结论

高直链玉米淀粉与脂肪酸复合后糊化起始温度由88.05 ℃变为76.41～87.61 ℃,复合物的热稳定性降低;高直链玉米淀粉可与硬脂酸、油酸、亚油酸、亚麻酸复合转变为V型晶体结构,但结晶度随着不饱和度的增加而减小;通过扫描电镜和原子力显微镜可观察到高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物有两种存在形式,分别为颗粒表面凸起的球晶和嵌在颗粒表面的层状或絮状结构,且第二种存在形式随脂肪酸中双键个数的增加变得稀松;高直链玉米淀粉与脂肪酸复合后颗粒平均粒径降低,Zeta电位的绝对值提高,分散液更稳定。因此,脂肪酸不饱和度对高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物的结构和热性能具有明显影响。