淀粉包埋亚麻籽油脂粉末的制备及其性质分析

罗明昌，朱宝燕，吴晨孛，冯一农，黄强*

（1.东莞东美食品有限公司，广东 东莞 523055）（2.华南理工大学食品科学与工程学院，广东 广州 510640）

亚麻籽是世界上最重要的油料作物之一，作为食品和纺织原料已有5000多年的历史[1]。亚麻籽富含α-亚麻酸（ALA，18:3n-3），是ω-3多不饱和脂肪酸（PUFAs）的最优来源，其含量高于鱼油、大豆、玉米和海藻[2]。因此，近几十年来，对ω-3不饱和脂肪酸比例显著的食用油源的需求不断增加，极大地促进了亚麻籽油作为功能食品的消费。亚麻籽油因其PUFAs组成而受到消费者的青睐，具有多种有益的生理和功能特性，包括促进脑神经的发育，增强记忆力，提高免疫力，预防脑血栓和心肌梗死[3-9]。然而，常温贮藏期间亚麻籽油极易氧化变质，最终影响亚麻籽油类产品的货架期，限制了其在食品工业中的应用[10，11]。因此，在食品药品领域，制备一种绿色环保、安全无害、易于加工的油脂替代品势在必行。

粉末油脂一般是以蛋白质及碳水化合物为包埋壁材，将液态油脂制备成粉末的一类油脂制品。它能够延缓芯材与氧气的接触，从而加强油脂的抗氧化能力。研究发现，将亚麻籽油进行包埋处理成粉末油脂是一种可行性很高的改善亚麻籽油品质的办法。Fioramonti等[12]以浓缩乳清蛋白和海藻酸钠为原料，设计了水包油双层乳液并通过喷雾干燥制备了亚麻籽油粉末油脂。麦芽糊精含量最高的粉状微胶囊的包封率可达84%，油脂粉末在18 ℃和4 ℃保存6个月后，过氧化值和巴比妥酸值保持不变，在20 ℃保存6周后，过氧化值没有超过冷榨油允许的最大值。Gomes等[13]利用蛋白质水解物或完整蛋白质与麦芽糊精相结合进行亚麻籽油微胶囊化，并研究了其脂质氧化稳定性。结果发现贮藏30 d后，碱性蛋白酶水解蛋白的过氧化值分别比用完整蛋白或风味酶水解蛋白包裹的样品低95%和96%，这归因于其较高的抗氧化能力。Elik等[14]采用喷雾冷冻干燥法对 16种不同配方的富类胡萝卜素亚麻油进行包封。结果表明，喷雾冻干技术具有较低的包封率和较好的流动性能，类胡萝卜素的添加使得产品在氧化方面更加稳定。

关于淀粉基载体包埋亚麻籽油的研究目前还比较少。多孔淀粉是一种无毒、经济的吸附剂，广泛应用于食品、制药和环境等行业。近年来，多孔淀粉因其高吸附性和缓释性而受到越来越多的关注[15]。有文献表明，利用多孔淀粉包埋延长了油的保质期和稳定性[16]。在大多数情况下，在适当的条件下（油/淀粉=4/1，40 ℃，70～80 min），通过机械搅拌，将多孔淀粉与油搅拌以促进油的渗透和扩散[17]。Belingheri等[18]采用加速氧化法，以过氧化值和共轭二烯（CD）为指标，评估了多孔淀粉包埋的高油酸葵花籽油的氧化水平。结果表明，与散装油相比，光对包封油中CD增加的影响减小。值得注意的是，多孔淀粉的油脂包埋率相对较低，而且当环境条件（如温度、湿度）发生变化时，多孔淀粉的结构容易发生变化，稳定性较差。因此，需要开发一种新型淀粉基包埋壁材作为替代品，来更好地应用于油脂加工工业。

V型淀粉可与疏水客体分子络合从而形成单螺旋结构，可用于生物活性化合物的递送，并在改善食品质量、延长产品货架期和增强药物吸收方面发挥重要作用[19]。本研究以玉米淀粉为原料，利用反溶剂法制备V型淀粉，探究其复合温度与油脂吸附的构效关系，并对粉末油脂的理化性质进行表征。通过物理吸附和V型空腔络合得到的亚麻籽油粉末油脂，工艺简单绿色，生物相容性高，应用前景广阔。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

普通玉米淀粉（食品级），吉林中粮生化能源销售有限公司；蜡质玉米淀粉（食品级），秦皇岛骊骅股份有限公司；商业多孔淀粉N-Zorbit，美国Ingredion公司；亚麻籽油（食品级，α-亚麻酸含量＞54%），山西宝山鼎盛科技有限公司；溴化钾（分析纯），天津启轮化学有限公司；尼罗红（分析纯），美国Sigma-Aldrich公司；无水乙醇（分析纯），广东光华科技股份有限公司；一次性塑料平皿（60 mm×15 mm），美国CORNING有限公司。

1.2 仪器与设备

DL-5-B型离心机，上海安亭科学仪器厂；MR Hei-Tec型磁力加热搅拌器，德国 heidolph公司；NewClassic ME型电子天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；Phenom Pro型台式扫描电子显微镜，荷兰Phenom-World公司；Zetasizer Nano ZSE型纳米粒度仪，英国Malvern公司；D8 ADVANCE型X射线衍射仪，德国Bruker AXS公司；DHG-9030A型电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；XW-80A型旋涡混合器，上海精科实业有限公司；TCS.SP5型激光共聚焦显微镜，德国 LEICA公司；Nicolet IS50-Nicolet Continuum型傅立叶红外光谱分析仪，美国Thermo Fisher Scientific公司。便携式数码相机，日本佳能公司。

1.3 试验方法

1.3.1 V型结晶淀粉的制备

V型结晶淀粉的制备参考Huang等人[20]的方法并进行改进，具体步骤为：称取 6 g（干基）淀粉溶于100 mL去离子水中，溶液置于水浴（100 ℃）中加热1 h，滴加两倍体积的无水乙醇（V/V），反应完成后，将沉淀离心（1800×g，20 min），使用无水乙醇洗涤三次，离心后在烘箱（40 ℃）中烘干，研磨粉碎，过100目筛，即得到V型淀粉。

1.3.2 最大油脂吸附能力测定

最大油脂吸附能力测定采用 Ahmad等人[21]的方法并进行改进，具体步骤为：分别称取1 g原淀粉、V型淀粉和商业多孔淀粉置于50 mL离心管中，加入10 g亚麻籽油，置于自动涡旋仪混合振荡30 s，然后在磁力搅拌30 min，将处理后的样品于1800×g下离心，利用胶头滴管和滤纸吸出沉淀中的多余油份，当滤纸上没有额外的油/水时，测量沉淀物的重量。

吸油能力计算如下：

式中：

W0——干淀粉重量，g；

W——离心后沉淀重量，g。

将吸完油的淀粉置于干净透明的一次性塑料平皿中，使用数码相机对其表观形态进行拍照记录。

1.3.3 不同复合温度下粉末油脂的制备

分别称取1 g原淀粉、V型淀粉或商业多孔淀粉置于自封袋中，每袋中加入0.6 g亚麻籽油干混并分别置入60、70、80、90、100 ℃烘箱中加热0.5 h，将所得样品取出置于干净透明的一次性平皿中，使用数码相机拍摄其表观形貌。

1.3.4 动态光散射测定粒径

使用纳米粒度仪对粉末油脂的粒径分布进行分析，将一定浓度的粉末样品分散至无水乙醇中，超声分散30 min后，取上清液置于仪器中进行测试。

1.3.5 扫描电镜（SEM）观察微观形貌

利用 SEM 研究了粉末油脂样品的表面形貌[22]。干燥的粉末油脂颗粒被撒在附在样品支架上的双面胶带上，并在真空蒸发器中涂上一层薄薄的金（真空度＜0.1 MPa，300 s）。获得的样品在15 kV的加速电压下被 Phenom Pro电子显微镜放大 1000倍（Phenom-world，荷兰）。

1.3.6 激光共聚焦显微镜（CLSM）观察油脂分布

称取0.1 g AS-NMS或N-Zorbit于离心管（铝箔纸包裹）中，再加入1 mL蒸馏水和100 μL尼罗红染色剂[1%（m/m）]，涡旋振荡（100×g，30 min）。在载玻片上滴加1滴淀粉悬浮液，盖上盖玻片，于488 nm激光下利用CLSM观察粉末油脂中的油脂分布情况。

1.3.7 X射线衍射（XRD）分析

XRD衍射图能够得出淀粉晶型和结晶率的变化。实验使用D8 ADVANCE型号X射线衍射分析仪，Cu-Ka射线（0.154 nm）辐射，设置电压及电流（分别为40 kV和40 mA），设置扫描速率及范围（分别为0.5 °/min 和 4 °～35 °）。使用 Jade 6.5 软件分析数据。相对结晶度由以下公式[23]得出：

式中：

Ac——结晶区；

Aa——非结晶区。

1.3.8 傅立叶转换红外光谱（FT-IR）分析

使用FT-IR光谱仪（IS50，Thermo Fisher Scientific，USA）和DLATGS检测器获得粉末油脂的FT-IR光谱。采用Zhang等人[24]的方法，将粉末状样品（2 mg）与KBr（150 mg）混合，研磨成细粉并压成薄片。以空气为背景，记录4000～400 cm-1的光谱，累积64次扫描，分辨率为4 cm-1。所有光谱在1200和800 cm-1范围内采用OMNIC 8.2自动基线校正，并以19 cm-1的半带宽和1.9的增强因子进行反卷积处理[25]。

1.3.9 数据处理与分析

使用SPSS 19.0软件分析数据，数据以平均值±标准差表示（n=3）。利用Tukey检验和单向方差分析比较均值差异。当p＜0.05代表存在显著性差异，使用Origin 2017软件作图。

2 结果与讨论

2.1 淀粉最大油脂吸附能力比较

原淀粉、V型淀粉和商业多孔淀粉的最大油脂吸附能力如图1所示。从图中可以看出，普通玉米淀粉和蜡质玉米淀粉对亚麻籽油的吸附能力较弱，分别为0.71和0.70 g/g。这是由于原淀粉结构相对致密，颗粒表面由支链淀粉的双螺旋结晶结构组成，直链淀粉的穿插在支链淀粉之间，形成稳定的半晶体结构，尽管玉米淀粉颗粒具有从表面到内部的微小通道，但其数量较少，且尺寸为纳米级，无法为液体油脂提供更多的负载位点，与Chen等[26]的研究结果相似。V型淀粉中AS-NMS的油脂吸附能力最强（1.54 g/g），从图中油脂粉末的颜色也可看出，相比其他粉末油脂颜色较深。AS-WMS油脂吸附能力为1.11 g/g，与商业多孔淀粉（1.08 g/g）效果相当。AS-WMS在吸附相同量的亚麻籽油后体积较少，结构为半固体，这可能是因为蜡质玉米淀粉在制备成V型淀粉后，表面的孔洞相比于酶解淀粉更大，油脂穿过表层向颗粒内部运动所致。然而，AS-NMS相比于AS-WMS具有更高的直链淀粉含量，当淀粉加热糊化后，直链淀粉溢出，在乙醇的作用下重新诱导形成单螺旋复合物。通过自组装形成的V型淀粉具有纳米尺寸的粒径范围，比表面积增大，同时表面具有疏松多孔的结构，更适合包埋液态油脂；AS-WMS的粒径仍然为微米范围，虽然表面仍具有一些孔洞，但是无法通过疏水相互作用对油脂进行包埋，因此相比于AS-NMS，吸油能力较差。

2.2 复合温度对粉末油脂表观形貌的影响

在60%亚麻籽油添加比例下，复合温度对粉末油脂表观形貌的影响如图2所示。从图中可以看出，随着复合温度的升高，淀粉样品的吸油能力增加，表现为粉末油脂由半固态向固态转变。V型淀粉中的AS-NMS在不同温度复合得到的粉末油脂均保持粉末状，AS-WMS与N-Zorbit效果相当，随着复合温度升高，粉末油脂均向粉末状态转变，这些结果说明了复合温度的增加能促进油脂分子运动速度加快，促使亚麻籽油向V型淀粉颗粒内部扩散，表面油脂减少，“颗粒感”增强。同时温度升高降低了亚麻籽油黏度，使之渗透扩散能力增强，从而使V型淀粉包埋率增大[27]。不同复合温度下两种原淀粉形成的淀粉油脂混合物均保持半固态，无法形成粉末状，这与图1的吸油能力结果相吻合。

2.3 复合温度对粉末油脂粒径和微观形态的影响

以 AS-NMS样品为代表研究了不同复合温度制备的粉末油脂的粒径变化，结果如图3所示。从图3a中可以看出，反溶剂法制备的V型淀粉主要有两个峰，粒径峰值分别为20 nm和100 nm，峰值粒径在1 μm左右存在少量的淀粉聚集体，表明反溶剂法制备的V型淀粉粒子尺寸主要为纳米级，远低于原淀粉和多孔淀粉的粒径，为亚麻籽油的吸附提供了更大的比表面积。随着复合温度的升高，粉末油脂的粒径逐渐减小，平均粒径由60 ℃的1100 nm降低至90 ℃的418 nm（图3b），这是因为温度的升高加速了油脂向淀粉颗粒的扩散，使油脂在淀粉颗粒中的分布更为均匀，淀粉颗粒不易聚集。继续提高复合温度至100 ℃，粒径有所上升，这可能是由于油脂分子势能增大，V型淀粉内部包埋的油脂分子之间引力减小，导致油脂分子向外运动扩散所致。

淀粉的SEM照片见图4，反溶剂法制备的V型淀粉（AS-NMS）为不规则形状颗粒，部分颗粒聚集成较大粒子，与粒径分布结果一致。V型淀粉制备成粉末油脂后，由于表面油脂含量较多，不同复合温度制备的粉末油脂微观形貌没有显著差异，油脂将淀粉颗粒团聚在一起，形成具有一定轮廓的团聚状态。复合温度的升高会加速油脂的热运动及对颗粒内部的渗透，进而降低粉末油脂团聚程度和颗粒尺寸，这与粒径分布结果吻合。

采用激光共聚焦显微镜观测复合温度对油脂吸附的影响，结果如图5所示。从图中可以看出，淀粉颗粒中的油脂被尼罗红染色，呈现红色亮点，商业多孔淀粉能明显观察到红色亮点分布在淀粉颗粒表面和内部，随着复合温度的升高，多孔淀粉油脂粉末红色区域增加，说明在较高温度下淀粉吸附油脂的速率增加，更多油脂由表面向内部扩散。AS-NMS制备的粉末油脂粒径较小，为纳米尺寸，因此，在CLSM的放大倍数下，较难观察单个颗粒的油脂负载及分布情况。但从整个区域范围来看，我们根据红色点的密集程度，可以定性分析出其结合的含量，同时观察视野里游离的较大粒径油滴的情况，不难得出复合温度升高对V型淀粉粉末脂质的复合程度的影响规律。以上结果表明，复合温度升高加速了油脂向淀粉颗粒的扩散，使油脂负载能力提升，颗粒聚集减少。但当复合温度达100 ℃时，发现游离的油滴增加，可能是温度继续升高导致油脂分子势能增大，V型淀粉内部包埋的油脂分子之间引力减小，油脂分子开始向外运动扩散所致。这一现象与粒径的结果相一致。

2.4 粉末油脂的结晶性质

V型淀粉及其不同复合温度下制备的粉末油脂的XRD结果见图6。V型淀粉（AS-NMS）的结晶峰出现在7.8°、13.5°和20.7°附近，这是V型淀粉典型的V6型特征峰[28，29]。AS-NMS 制备的粉末油脂在 7.6°、13.2°及20.0°附近出现结晶峰，在不同复合温度下，结晶峰的位置没有发生改变，说明温度的升高并不会影响AS-NMS粉末油脂的结晶形态，但结晶度有小幅增加，这归因于V型复合物络合作用，油脂与V型淀粉复合后进入单螺旋空腔，进而增大了V型衍射峰的信号强度，这与多孔淀粉吸附油脂方式的有显著区别。值得注意的是，与V型淀粉相比，粉末油脂的特征吸收峰由20.7°向较低的峰值移动。根据布拉格定律，nλ=2dsinθ，衍射峰向更小的2θ位移，表明平面间距离增大（d）。这可能是因为当V型淀粉吸附亚麻籽油时，更多的油脂分子进入V型淀粉的单螺旋疏水空腔结构，导致形成了更大尺寸的螺旋空腔。这一现象与Fu等[30]的研究结果吻合。

2.5 粉末油脂的分子结构

淀粉分子水平上的结构变化，如淀粉链构象、螺旋度、结晶度、回生过程和含水量等，在FT-IR光谱中表现较为明显[31，32]。在 1200～800 cm-1的特征峰为C-O键和C-C键拉伸振动，该区域的红外光谱主要吸收带对应波长分别为1045 cm-1、1022 cm-1和995 cm-1，其中1045 cm-1处主要为淀粉的有序结构，1022 cm-1处主要为无定形淀粉拉伸形成，因此对无定形结构很敏感，995 cm-1处是碳水化合物螺旋的键合[33，34]。不同复合温度制备的粉末油脂的FT-IR图谱如图7所示，从图中可以看出，粉末油脂红外光谱主要吸收带对应波长分别为1060 cm-1、1022 cm-1和995 cm-1。随着复合温度的升高，1060/1022 cm-1峰强呈现出上升的趋势，表明温度的升高使淀粉分子短程结构有序性增加，相对应地1022/995 cm-1峰强呈现下降的趋势，表明温度的升高使淀粉分子的无定形区域减少。与XRD结果相一致，亚麻籽油与V型淀粉复合后，部分进入淀粉的单螺旋疏水空腔形成V型复合物，进而增加了长程和短程的分子有序性。

3 结论

与原淀粉和商业多孔淀粉相比，反溶剂法制备的V型淀粉具有显著更高的油脂吸附能力，与60%的亚麻籽油复合后仍能维持较好的粉末形态；随着温度的升高，油脂的扩散速度加快，AS-NMS与亚麻籽油表现出了更高程度的复合，粉末油脂粒径随之降低。复合温度的升高使淀粉的V型结晶度增大，分子长程有序性升高，表明V型淀粉的单螺旋疏水空腔参与了对油脂的吸附；随着复合温度上升，AS-NMS的短程分子结构有序性升高，无定形区减少。本研究通过物理吸附和V型空腔络合相结合得到的粉末油脂，工艺简单绿色，生物相容性高，为粉末油脂的加工利用提供了新思路。后续将继续开展淀粉基壁材的结构优化以及氧化稳定性相关评价研究。