V型小麦直链淀粉-正癸醇复合物的制备及其表征

娄雪，杨留枝，史苗苗，闫溢哲，王菲，刘延奇

(郑州轻工业大学食品与生物工程学院，河南 郑州 450002)

淀粉是自然界中最重要的多糖之一。淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成，直链淀粉主要位于无定形区，而支链淀粉主要位于结晶区。根据晶型结构的不同，淀粉被分为A型、B型、C型和V型。V型结构淀粉很少天然形成，主要存在于加工过程中形成的V型淀粉复合物中[1]。V型淀粉复合物是由配体诱导直链淀粉形成左手双螺旋结构，然后经疏水相互作用进入空腔形成的。天然淀粉常见于食品、药品和工业等领域，但因不耐酸、不耐剪切以及易糊化老化等缺点，使其应用范围受到限制，而解决该问题最常见的方法就是对天然淀粉进行改性处理[2]。V型淀粉复合物是天然淀粉改性产物之一，在工业上作为新型抗消化淀粉、生物活性载体、控制释放体系、生物降解材料、脂肪替代品和食品改良剂等被广泛应用[3]。直链淀粉可以和醇类[4]、酚类[5]、酯类[6]、酸类[7]以及风味物质[8]等形成配合物结构，通过直链淀粉的包结络合作用制备出生物材料、光学材料、物理交联凝胶和自组装膜等新材料。闫晓侠[9]研究发现，结晶度较高的淀粉可以作为增强相制备复合材料，提高纳米复合材料的力学性能和阻隔性能。短链直链淀粉和醇类物质更易形成复合物，这是因为醇类物质易使直链淀粉形成稳定的单螺旋结构。ZIEGLER等[10]研究证实，II型结晶结构的复合物离解温度顺序为醇类>醛类>酸类。正癸醇是短链一元醇，与长链醇相比，更容易与淀粉进行复合。同时，正癸醇具有玫瑰和橙花气味，天然存在于甜橙精油中，几乎无毒无害，较为安全，是比较理想的配体物质。

小麦是世界粮食品种中种植、消费和交易最多的作物之一。河南省是中国小麦生产第一大省，小麦储备充足，而相关产品的应用还有待开发。同时，小麦淀粉含有较高含量的直链淀粉，易于与配体复合，比较适合用于制作复合物。本研究以小麦淀粉为原料，经X-射线衍射(diffraction of X-rays，XRD)测定，以相对结晶度为指标，考察无水乙醇体积分数、结晶温度、正癸醇体积及淀粉质量浓度对其结构的影响，并对V型复合物进行表征测定，为深入探索复合后淀粉性质的变化规律、扩大淀粉的应用范围奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

小麦淀粉购自美国西格玛公司，水分质量分数8.8%～11.5%，蛋白质质量分数小于等于0.3%；正癸醇、溴化钾购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，分析纯；无水乙醇购自天津市富宇精细化工有限公司，分析纯；其余试剂天津市大茂化学试剂厂，分析纯。

1.2 小麦直链淀粉的制备

参考刘延奇等[11]的方法，将小麦淀粉用盐酸酸解3 d后过滤，将滤饼用氢氧化钠中和，随后淀粉经糊化、离心获得上清液并将其冷冻，制备成小麦淀粉B型微晶，即小麦直链淀粉。

1.3 V型小麦直链淀粉-正癸醇复合物的制备

取不同质量浓度的小麦直链淀粉溶液，放入数显控温电热套(SXKW，北京中兴伟业仪器有限公司)加热至沸腾，将适量体积正癸醇与不同体积分数无水乙醇混合后加入其中，继续加热10 min之后冷却至设定的结晶温度，放入恒温水浴锅(HH-S，江苏省金坛市医疗仪器厂)保温2 h，于25 ℃静置2 d，在高速离心机(LG10-2.4A，北京医用离心机厂)中3 000 r·min-1离心10 min，取沉淀物放入冷冻干燥机(Scientz-10N，宁波新芝生物科技有限公司)进行干燥，研磨过100目筛，所得样品即为V型小麦直链淀粉-正癸醇复合物，简称V型复合物。

研究结果以V型复合物相对结晶度来衡量，参考KOMIYA等[12]利用XRD谱图计算相对结晶度的方法。取适量样品通过XRD仪(Burker D8，德国布鲁克公司)测定，使用波长为0.154 2 nm的单色Cu-Kα射线扫描得到XRD谱图。扫描条件：管压3 kV，管流20 mA，扫描区域为5～35°，采样步宽0.02°，扫描方式为连续，重复次数为1。

相对结晶度(relative crystallinity,RC)计算公式：

RC=Ac/(Ac+Aa)

式中：Ac为XRD谱图中结晶区面积；Aa为XRD谱图中无定型区面积。

1.4 不同因素对V型复合物制备的影响

1.4.1 无水乙醇体积分数对V型复合物制备的影响 按照1.3方法，取小麦直链淀粉质量浓度50 g·L-1，将0.3 mL正癸醇分别与体积分数34%、38%、42%、46%和50%无水乙醇混合，取结晶温度50 ℃，以相对结晶度为指标考察不同无水乙醇体积分数对V型复合物制备的影响。

1.4.2 结晶温度对V型复合物制备的影响 按照方法1.3，取小麦直链淀粉质量浓度50 g·L-1，将0.3 mL正癸醇与体积分数38%的无水乙醇混合，取结晶温度35、40、45、50和55 ℃，以相对结晶度为指标考察不同结晶温度对V型复合物制备的影响。

1.4.3 正癸醇体积对V型复合物制备的影响 按照方法1.3，取小麦直链淀粉质量浓度50 g·L-1，将0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 mL正癸醇与体积分数38%无水乙醇混合，取结晶温度50 ℃，以相对结晶度为指标考察不同正癸醇体积对V型复合物制备的影响。

1.4.4 淀粉质量浓度对V型复合物制备的影响按照1.3方法，取小麦直链淀粉质量浓度30、40、50、60和70 g·L-1，将0.3 mL正癸醇与体积分数38%无水乙醇混合，取结晶温度50 ℃，以相对结晶度为指标考察不同淀粉质量浓度对V型复合物制备的影响。

1.5 V型复合物制备正交试验优化

在单因素试验基础上，以无水乙醇体积分数(38%、42%、46%)(A)、结晶温度(40、45、50 ℃)(B)、正癸醇(0.2、0.3、0.4 mL)(C)以及淀粉质量浓度(40、50、60 g·L-1)(D)为因素，设计4因素3水平的正交试验。因素水平如表1所示。

表1 V型复合物制备正交试验设计Table 1 Design of orthogonal test of preparation of V-type complex

1.6 V型复合物表征测定

对经过正交优化得到的V型复合物样品进行表征测定，以小麦直链淀粉为对照，包括XRD测定、傅里叶红外光谱(fourier transform infrared spectrometer，FT-IR)测定、拉曼光谱(Raman)测定、差示扫描量热(differential scanning calorimetry,DSC)测定、热重(thermogravimetry,TG)分析、导数热重(derivative thermogravimetry,DTG)分析以及扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)观察。

1.6.1 XRD测定 按照1.3方法对样品进行XRD扫描测定，得到样品XRD谱图。

1.6.2 FT-IR测定 称取3 mg样品，与0.3 g在45 ℃干燥后的溴化钾混合放入玛瑙研钵中充分研磨混匀，在傅里叶红外光谱仪(Bruker TENSOR27，德国布鲁克公司)的压片槽中压片，进行测试。测试条件:扫描波数范围 4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，扫描时间64 s后得到样品FT-IR谱图[13]。

1.6.3 Raman测定 将样品放入便携式拉曼光谱仪(Acton Spectra Pro500i，雷尼绍贸易有限公司)中压实、铺平并密封好后，进行测试，所得谱图即为样品的拉曼光谱图。测试条件:积分时间10 000 ms，激光功率100 W。使用 BWIQ 的软件计算 480 cm-1处的特征峰半高宽(full width of half height，FWHH)。

1.6.4 DSC测定 称取3 mg样品放入铝盘中，并加入纯净水至10 mg，密封室温下平衡24 h，以空铝盘作为对照，在差示扫描量热仪(Q100，美国TA公司)中以10 ℃·min-1的速度从20 ℃加热到120 ℃，得到样品的吸热曲线，即DSC曲线，并用 TA 2000 分析软件分析样品的热性质，包括起始温度T0、峰值温度Tp、最终温度Tc和糊化焓ΔH[14]。

1.6.5 TG和DTG分析 使用同步热分析仪(STA449F3，耐驰科学仪器商贸(上海)有限公司)，取3 mg 样品置于小坩埚中，以氮气作为保护气，以40 mL·min-1的氮气流和 10 ℃·min-1的升温速度从30 ℃加热到600 ℃，得到样品的TG谱图和DTG谱图[15]。

1.6.6 SEM观察 将样品均匀平铺于导电胶上，然后进行120 s喷金处理，放入扫描电子显微镜(Philips XL-3，日本日立公司)下观察，选择样品区域进行不同放大倍数(5 000、10 000 X)拍摄[16]。

2 结果与分析

2.1 不同因素对V型复合物制备的影响

2.1.1 无水乙醇体积分数对复合物制备的影响 以无水乙醇体积分数为单因素，所得5种复合物的XRD谱图如图1所示。7.39°、12.89°和19.78°为V型晶型的特征峰[17]，淀粉-正癸醇复合物为V型结构。随着反应体系中无水乙醇体积分数的提高，衍射曲线中3个代表V型结构的衍射峰的峰强度和衍射峰面积先增大后降低，无水乙醇体积分数为34%、38%、42%、46%、50%对应的RC值是39.2%、48.7%、53.0%、36.6%、34.9%。当无水乙醇体积分数为42%时，峰强度和峰面积达到最大，RC值最高，此时结晶结构最规整。

图1 不同无水乙醇体积分数时所得复合物XRD谱图Fig.1 XRD patterns of the complexes obtained at different anhydrous ethanol volumes

2.1.2 结晶温度对复合物制备的影响 以结晶温度为单因素，所得5种复合物的XRD图谱如图2所示。其中，7.39°、12.85°和19.71°为V型晶型的特征峰[17]，淀粉-正癸醇复合物为V型结构。衍射峰的峰强度和衍射峰面积随结晶温度的升高先增强后降低，结晶温度35、40、45、50、55 ℃对应的RC值是38.4%、57.9%、49.0%、48.7%、48.5%。在40 ℃时峰强度和峰面积达到最大，RC值也最高，这表明温度的升高有利于V型复合物的形成，但过高的温度会造成V型复合物中的正癸醇挥发，从而使结晶度降低。

图2 不同结晶温度下所得复合物XRD谱图Fig.2 XRD patterns of the complexes obtained at different crystallization temperatures

2.1.3 正癸醇体积对复合物制备的影响 以正癸醇体积为单因素，所得5种复合物的XRD谱图如图3所示。其中，7.33°、12.79°和19.65°为V型晶型的特征峰[17]，淀粉-正癸醇复合物为V型结构。随着反应体系中正癸醇浓度的提高，衍射曲线中3个代表V型结构的衍射峰的峰强度和峰面积先增大后减小，正癸醇体积0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL对应的RC值是34.4%、45.0%、48.7%、40.4%、34.4%。当正癸醇体积为0.3 mL时，峰强度和峰面积达到最大，RC值最高。

图3 不同正癸醇体积下所得复合物XRD谱图Fig.3 XRD patterns of complexes obtained at different decanol concentrations

2.1.4 淀粉质量浓度对复合物制备的影响 以小麦直链淀粉质量浓度为单因素，所得5种复合物的XRD谱图如图4所示。其中，7.41°、12.93°和19.84°为V型晶型的特征峰[17]，3个衍射峰中峰强度和峰面积随淀粉添加量的增加先增加后降低，表明结晶结构含量先增加后降低。小麦直链淀粉质量浓度30、40、50、60和70 g·L-1对应的RC值是33.5%、41.4%、48.7%、38.2%和33.3%。在小麦直链淀粉质量浓度为50 g·L-1时，复合物的RC值最高。

图4 不同淀粉质量浓度下所得复合物XRD谱图Fig.4 XRD patterns of complexes obtained at different mass concentrations of starch

2.1.5 V型复合物的正交试验 在单因素试验基础上，通过正交试验确定最佳制备条件。正交试验设计结果如表2所示。V型复合物最佳制备条件是A1B1C2D2，即无水乙醇体积分数38%，结晶温度为40 ℃，正癸醇体积为0.3 mL，淀粉质量浓度为50 g·L-1，此时V型复合物结晶度最高为57.9%。表2试验结果中的极差R表明，本试验因素存在显著性顺序，其主次关系为A>B>D>C，即影响V型复合物的制备的因素最主要是无水乙醇体积分数，其次是结晶温度、淀粉质量浓度和正癸醇体积。

表2 正交试验设计结果Table 2 Results of orthogonal experimental design

2.2 最优V型复合物的表征测定

2.2.1 XRD测定结果分析 XRD中衍射峰位置和衍射强度是晶体物质的特征参数，反映了物质的内部结构，因此可以用来研究晶体结构及其变化规律。通过XRD谱图，可以将淀粉分为A型、B型、C型和V型结构[18-20]。从图5可知，小麦直链淀粉在14.14°、14.83°、17.00°、19.45°、21.94°、23.88°和26.19°有特征峰，此为B型结构的特征峰，与刘延奇等[11]结果一致。而复合物在7.47°、12.95°和19.84°有特征峰，是典型的V型结构特征峰，表明该复合物为 V型结构[21-22]。V型复合物RC值为57.9%，高于小麦直链淀粉RC值52.1%，表明经过复合小麦直链淀粉形成了结晶度更高的复合物。

图5 小麦直链淀粉和V型淀粉复合物的XRD谱图Fig.5 XRD patterns of wheat amylose and V-type complex

2.2.2 FT-IR测定结果分析 FT-IR谱图用来研究小麦直链淀粉和V型复合物中化学基团的变化。V型复合物是在直链淀粉的基础上络合配体物质，因此利用FT-IR谱图判断加入的配体分子是否与淀粉发生络合，并分析直链淀粉与淀粉复合物之间在结构上的差异[23]。如图6所示，小麦直链淀粉和V型复合物的主要衍射吸收峰的位置变化很小，V型淀粉样品的主要衍射吸收峰的强度明显高于小麦直链淀粉，但峰的形状都很相似。小麦直链淀粉在3 419 cm-1处的吸收峰是由淀粉葡萄糖残基中的羟基振动产生的[24]，而V型复合物在3 392 cm-1处的峰转向低波数，这是由于淀粉与正癸醇羟基叠加造成。V型复合物的峰强度在3 419 cm-1和2 927 cm-1处都高于小麦直链淀粉，是因为正癸醇的羟基和亚甲基存在叠加现象。V型复合物在1 022 cm-1和1 373 cm-1附近的峰强度增加、峰形尖锐，是由于部分正癸醇作为配体进入淀粉的螺旋空穴，在氢键、范德华力及基团的叠加作用下使螺旋结构更紧密，增强了吸收峰强度[25]。

图6 小麦直链淀粉和V型复合物的红外图谱Fig.6 FTIR spectra of wheat amylose and V-type complex

2.2.3 Raman测定结果分析 拉曼光谱是散射光谱，其强度和位置可以用来反映分子振动或转动，分析化合物分子中不同的官能团或化学键，从而获取化学物中分子结构的信息[26]。峰顶拉曼位移在480 cm-1附近的FWHH值用来描述淀粉结构短程有序性，FWHH值越低，表明形成有序性高[27-28]。通过BWIQ 软件计算得知，V型复合物在480 cm-1附近的FWHH值为15.28 cm-1，而小麦直链淀粉的FWHH值为16.13 cm-1，因此V型复合物比小麦直链淀粉更短程有序。从图7可知，474 cm-1处存在强峰，是由醚基骨架振动引起，是淀粉的特征峰[29]。在800～1 500 cm-1存在很多杂峰，说明此处不同基团累积，化学键高度重叠。这个区域主要是由葡萄糖单体振动产生。淀粉复合后，醚基在474、937、1 338 cm-1附近的峰强度明显降低，这是非晶结构转化为结晶结构的结果[30]。小麦直链淀粉与正癸醇之间的相互作用，在1 126 cm-1、1 338 cm-1和2 902 cm-1处的峰向低波数移动。当淀粉的双螺旋结构形成左手单螺旋结构时，拉曼光谱的峰强度和峰位置发生变化。

图7 小麦直链淀粉和V型复合物的拉曼光谱图Fig.7 Raman spectra of wheat amylose and V-type complex

2.2.4 DSC测定结果分析 DSC可以用来检测淀粉-配体包合物形成。图8表示的是小麦直链淀粉和V型复合物的DSC曲线。与小麦直链淀粉相比，V型复合物出现了相对宽的吸热峰，表明V型复合物需要更多的能量才能使其淀粉结构破损。在DSC曲线中，TP反映的是热稳定性，ΔH反映的是与复合物的短程有序程度相关的复合配体的数量[31]。从表3中可知，V型复合物的峰值温度高于小麦直链淀粉，表明V型复合物的结构比小麦直链淀粉结构稳定，这与XRD、Raman测定结果一致。同时，V型复合物的ΔH明显高于小麦直链淀粉。淀粉的结晶结构和配体影响淀粉的热性质。

图8 小麦直链淀粉和V型复合物的DSC曲线Fig.8 DSC curves of wheat amylose and V-type complex

表3 小麦直链淀粉和V型复合物的DSC表征数据Table 3 Data of characteristics determined by DSC of wheat amylose and V-type complex

2.2.5 TG和DTG测定结果分析 热重分析是利用热重法检测物质温度和质量变化关系的方法，当被测样品在加热过程中有升华、汽化、分解出气体或失去水时，被测样品的质量会损失[32]。由图9可知，小麦直链淀粉和V型复合物的TG和DTG谱图基本重合，说明小麦直链淀粉和V型复合物在加热条件下质量变化差别不大。当温度在50～100 ℃，曲线趋势较迅速，此时淀粉中水分发生了损失；当温度在100～250 ℃，曲线较平缓，推测是淀粉中分子间氢键和淀粉与正癸醇之间的氢键开始受到破坏；当温度在250～350 ℃，曲线非常陡峭，样品发生了快速分解；当温度在350～600 ℃，曲线较平缓，此时样品完全分解。由DTG谱图可知，当温度达到300 ℃左右，2条曲线均出现峰值，推测此过程中涉及淀粉以及正癸醇的分解。

图9 小麦直链淀粉和V型复合物的TG和DTG谱图Fig.9 TG and DTG profiles of wheat amylose and V-type complex

2.2.6 SEM观察结果分析 小麦直链淀粉和V型复合物样品的扫描电镜如图10所示。小麦直链淀粉为圆球状颗粒，而V型复合物的颗粒为碎片状以及圆饼状，推测是由于淀粉在复合时发生膨胀，且正癸醇与淀粉的螺旋空腔复合导致淀粉颗粒发生了变化。

注：(a)小麦直链淀粉5 000X照片；(b)小麦直链淀粉10 000X照片；(c)V型复合物5 000X照片；(d)V型复合物10 000X照片。Note:(a) 5 000X photo of wheat amylose;(b) 10 000X photo of wheat amylose;(c) 5 000X photo of V-type complex;(d) 10 000X photo of V-type complex.图10 小麦直链淀粉和V型复合物的扫描电子显微镜照片Fig.10 SEM images of wheat amylose and V-type complex

3 结论与讨论

本研究系统考察了V型小麦直链淀粉-正癸醇复合物制备过程中的影响因素，并以小麦直链淀粉为对照，对V型复合物进行了表征测定。通过正交试验，本研究得到V型复合物最优制备条件为小麦直链淀粉质量浓度50 g·L-1，正癸醇体积0.3 mL，无水乙醇体积分数38%，结晶温度40 ℃，其结晶度最高为57.9%。对最优V型复合物进行XRD、Raman、FT-IR、TG、DTG和DSC测定，并进行SEM观察，结果显示V型复合物是由小麦直链淀粉与正癸醇发生化学反应复合在一起，并非简单的混合，且与小麦直链淀粉相比，V型复合物的长程和短程更加有序，具有相对稳定的结构。研究发现，以玉米淀粉和马铃薯淀粉为原料制作的V型复合物，虽然结晶度较高，但存在结晶峰形不完整、热稳定性差等问题[4]。相比之下，本研究中小麦淀粉直链淀粉含量更高、杂质含量更低，小麦淀粉复合的结晶峰形更好，而且其结构更加短程有序、热稳定性好。本研究为不同种类的V型复合物的制备提供了理论依据，扩大了小麦淀粉的应用范围，有助于挖掘改性淀粉作为新型材料在工业应用上的潜力。

本研究发现，无水乙醇体积分数、结晶温度、正癸醇体积和淀粉质量浓度对V型复合物的结晶结构均有不同程度的影响。溶剂中无水乙醇体积分数对复合物结构产生影响，是因为正癸醇在水中的溶解度极小，用无水乙醇溶解正癸醇，扩大了正癸醇和小麦直链淀粉的接触面积，使接触更充分，正癸醇更容易进入到淀粉的螺旋空腔中从而发生复合；但当无水乙醇体积分数过大时，淀粉链不易舒展开来，反而无法形成有效包合结构。正癸醇体积太小时，小麦直链淀粉不能充分和正癸醇发生复合；而正癸醇体积太大，多余的正癸醇会阻碍其与淀粉发生复合，此时结晶度略有下降。随着淀粉质量浓度增大，淀粉与配体形成的复合物更容易结晶[33]。但当淀粉质量浓度过高时，淀粉链与配体之间、淀粉链与淀粉链之间的作用会形成竞争，从而导致相对结晶度减少。