脂肪酸链长对高直链玉米淀粉—脂质复合物结构及理化性质的影响

江佳妮 向贵元 邓佳宜 韩文芳 周梦舟 蒋志荣 肖华西 林亲录 李 勃 李江涛

(1. 中南林业科技大学稻谷及副产物深加工国家工程研究中心，湖南 长沙 410004;2. 湖北工业大学，湖北 武汉 430068；3. 长沙荣业智能制造有限公司，湖南 长沙 410000；4. 江苏康之源粮油有限公司，江苏 宿迁 223800)

淀粉是自然界含量最丰富的多糖之一，也是常见食物的主要成分之一，主要由直链淀粉和支链淀粉组成[1]。基于淀粉的消化程度，可将其分为快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗消化淀粉(RS)[2]。抗性淀粉是指那些在健康人体肠道不能被消化吸收的淀粉，可以通过多种处理方式获得，具有预防肥胖、调节肠道免疫功能等作用。由直链淀粉和脂质相互作用结合而成的复合物即RS5，作为一种新型的抗性淀粉逐渐受到人们的广泛关注[3-6]。

淀粉—脂质复合物的形成，归因于淀粉与脂肪酸(FA)之间的相互作用，当淀粉在有脂肪酸存在的情况下发生糊化，线性的直链淀粉由于氢键的作用而发生卷曲形成左螺旋空腔，脂质分子的疏水尾部可进入螺旋空腔，借助于疏水相互作用与淀粉连接在一起，形成稳定的复合物[7]。而复合物的形成不仅受脂质的饱和程度、溶解度、链长以及添加量的影响，还与直链淀粉的链长以及复合条件有关[8]。

淀粉—脂质复合物作为抗性淀粉中的新品类，性能优越，因低溶解度、良好的稳定性与成膜性和较强的抗消化性，以及作为抗性淀粉所具备的益生元特性[9]，被广泛应用于食品和医疗领域。研究[10-13]表明，淀粉—脂质复合物的形成主要受脂质、淀粉以及复合条件的影响，但关于不同链长的脂肪酸配体以及不同直链淀粉含量的淀粉影响复合物形成的研究尚未见报道。文章拟以高直链玉米淀粉为原料，探讨不同脂肪酸链长以及脱支/非脱支处理对淀粉—脂质复合物的结构特性和理化性质的影响，旨在为淀粉—脂质复合物的形成提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

高直链玉米淀粉(HACS)：直链淀粉质量分数为71%，北京祥玉生物科技有限公司；

普鲁兰酶(EC 3.2.1.41)：西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司；

月桂酸(C12:0，LA)、软脂酸(C16:0，PA)、硬脂酸(C18:0，SA)：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

其余试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

差示扫描量热仪：DSC Q2000型，美国沃特斯公司；

傅里叶红外光谱分析仪：IRTracer-100型，日本岛津公司；

X-射线衍射仪：Ultima IV型，日本理学公司；

高压灭菌锅：GI54DWS型，美国致微仪器有限公司；

恒温磁力搅拌器：DF-101S型，巩义市予华仪器有限责任公司；

数显恒温水浴锅：HH-4型，常州润华电器有限公司；

可见分光光度计：V1800型，尤尼柯(上海)仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

(1)脱支高直链玉米淀粉制备：根据文献[14]修改如下：精确称取8.0 g高直链玉米淀粉(HACS)，取80 mL醋酸盐缓冲液(pH 5.5)混合制成10%的分散液，121 ℃高压蒸汽灭菌30 min，冷却至55 ℃，加入普鲁兰酶(40 U/g淀粉)反应12 h，用0.1 mol/L NaOH溶液调节pH至7，煮沸15 min，得到脱支高直链玉米淀粉，命名为DHA7。

(2)脱支高直链玉米淀粉与脂肪酸(DHA7-FA)的复合：将不同链长的脂肪酸(5%)溶解于2 mL无水乙醇中，并分别加至脱支淀粉匀浆中，90 ℃搅拌30 min，冷却，继续搅拌1 h，4 000 r/min离心30 min，用50%热乙醇溶液洗涤3次，分别得到脱支高直链玉米淀粉—月桂酸复合物(DHA7-LA)、脱支高直链玉米淀粉—软脂酸复合物(DHA7-PA)以及脱支高直链玉米淀粉—硬脂酸复合物(DHA7-SA)，将洗涤后的沉淀干燥、研磨，过100目筛备用。

(3)高直链玉米淀粉与脂肪酸(HACS-FA)的复合：对照样品未进行脱支处理，其余操作与脱支样品一致，得到高直链玉米淀粉—月桂酸复合物(HACS-LA)、高直链玉米淀粉—软脂酸复合物(HACS-PA)以及高直链玉米淀粉—硬脂酸复合物(HACS-SA)。将原淀粉于121 ℃灭菌30 min，90 ℃搅拌30 min，冷却，继续搅拌1 h，得到空白对照样品(HACS-0)，离心、干燥、研磨，过100目筛备用。

1.3.2 复合指数测定 准确称取(100.0±0.5)mg淀粉脂质复合物加入到含有1 mL无水乙醇和9 mL NaOH(1 mol/L)溶液的试管中，沸水浴10 min，冷却，加水定容至100 mL。准确移取5.0 mL样品至100 mL容量瓶中，加入1 mL乙酸(1 mol/L)溶液，去离子水定容，再加2 mL 碘试剂，摇匀，静置10 min。测定620 nm处吸光度，每组样品平行测定3次，并按式(1)计算复合物的络合指数(CI)。

(1)

式中：

CI——络合指数，%；

A0——HACS-0的吸光值；

A——复合物吸光值。

1.3.3 X-射线衍射分析 使用X-射线衍射仪于40 kV、40 mA Cu-Kα辐射(λ=0.154 06 nm)，扫描速度2 (°)/min，步长0.02°，3°～35°(2θ)范围内进行扫描，每组样品平行测定3次，并按式(2)计算相对结晶度。

(2)

式中：

RC——相对结晶度，%；

Ac——结晶区面积；

Aa——无定形区面积。

1.3.4 傅里叶红外光谱测定 使用傅里叶红外光谱分析仪于4 000～400 cm-1进行扫描，分辨率4 cm-1，扫描次数64次，每组样品平行测定3次，并利用OMNIC软件对波谱进行分析。

1.3.5 差示扫描量热分析 称取3 mg干燥的淀粉样品，加入7 μL超纯水，室温下平衡过夜。使用空白铝盘作参考，以10 ℃/min从25 ℃升温至160 ℃，每组样品平行测定3次，分别记录糊化起始温度(To)、糊化峰值温度(Tp)、糊化终止温度(Tc)及热焓(ΔH)。

1.3.6 溶解度和膨胀度测定 称取0.6 g样品，与蒸馏水配成30 mL 2%的悬浮液，沸水浴30 min，冷却，3 000 r/min离心10 min，将上清液倒入培养皿中，105 ℃干燥至恒重，分别按式(3)、式(4)计算溶解度和膨胀度。

(3)

(4)

式中：

S——溶解度，%；

Sw——膨胀度，%；

m1——上清液干重，g；

m2——沉淀重，g；

m0——样品干重，g。

1.3.7 数据处理与分析 采用Origin 2019软件绘图；采用Execl 2019和SPSS 25软件进行数据统计分析，显著性分析水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 淀粉—脂质复合物的复合指数

由表1可知，脂肪酸链长对淀粉—脂质复合物复合率有一定影响，HACS-FA组中，HACS-LA、HACS-PA的复合指数分别为11.82%，13.73%，随着脂肪酸碳链长的增加，其与直链淀粉单螺旋内部的疏水作用力逐渐增强，与淀粉的结合能力也越强[15]，因此复合物的络合指数(CI值)逐渐增大，与Kaur等[16]的研究结果一致。而HACS-SA的CI值降低，可能是硬脂酸的碳链过长，难以均匀分散在淀粉基质中，也不利于进入直链淀粉单螺旋内，从而减少了与淀粉的接触和复合。

表1 HACS-FA和DHA7-FA的CI值†Table 1 CI values of HACS-FA and DHA7-FA

DHA7-FA组中，复合物的CI值与脂肪酸碳链长呈反比，复合率最高的是DHA7-LA。这是由于碳链较短的脂肪酸在淀粉糊中的分散度好，能够与其充分接触，有利于复合物的形成[17]；并且在淀粉酶解脱支过程中，破坏了淀粉的分子结构，改变了螺旋内部的疏水性，因而可以快速进入到DHA7内部与之结合。此外，与同一脂肪酸复合时，DHA7-FA组的CI值均高于对应的HACS-FA组，是因为脱支处理增加了原淀粉中的直链淀粉含量。而相比直链淀粉，支链淀粉过短的碳链长以及分支结构之间的空间位阻作用都不利于其与脂质复合，因此，不同链长的脂肪酸及脱支处理对淀粉—脂质复合物的生成均有一定影响，一般来说，12～16个碳原子的脂肪酸更有利于复合物的形成。

2.2 结晶特性

由表2和图1可知，HACS在5.3°，15.1°，17.3°，19.8°，22.1°，24.0°处均有较高强度的衍射峰，脂肪酸的加入以及脱支处理改变了淀粉的结晶结构。脱支及压热处理并未改变淀粉的晶型，但DHA7和HACS-0的各衍射峰强度有所下降，HACS-0甚至呈弥散衍射特征，未出现明显的尖锐峰。

图1 HACS-FA和DHA7-FA复合物的X-衍射Figure 1 X-ray diffraction of HACS-FA and DHA7-FA complexes

表2 HACS-FA和DHA7-FA的特征峰及结晶度†Table 2 Characteristic peaks and degree of crystallinity of HACS-FA and DHA7-FA

不同链长的FA与不同前处理的淀粉复合后，在7°，13°，20°附近处出现了不同强度的V型结晶特征衍射峰，说明复合物均为V型结晶结构[8]。DHA7-FA组中，DHA7-LA在20°处的衍射峰明显相比DHA7-PA、DHA7-SA的更尖锐；而HACS-FA组中，HACS-PA的峰又比HACS-LA和HACS-SA的更尖锐，且DHA7-FA组在20°处的衍射峰强度均高于对应的HACS-FA组。通常衍射峰的强度与复合物的生成量呈正相关，表明DHA7与FA的复合程度比HACS高，而DHA7-LA和HACS-PA又分别是这两组中复合程度最好的，与CI值的测定结果一致。此外HACS-PA、HACS-SA在22°，24°附近处出现衍射峰，归因于游离FA的聚集[12]。而DHA7-SA和DHA7-PA的聚集衍射峰明显降低甚至消失，可能是因为脱支酶解使淀粉糊化的初始黏度降低，使得FA能够更充分地与之混合，从而减少聚集。

根据复合物的结晶度可知，HACS的结晶度(23.11%)明显高于DHA7(17.95%)和HACS-0(11.44%)的，可能是因为压热、脱支等处理，破坏了淀粉的结晶结构。对于淀粉—脂质复合物，支链淀粉侧链分支的螺旋结构、直链淀粉含量、复合物的生成量、脂肪酸含量等均会影响其结晶度[18]。HACS-FA的结晶度降低，可能是在复合物的形成过程中，HACS中支链淀粉的侧链分支螺旋结构被破坏，导致相对结晶度降低。而DHA7-FA的结晶度升高，可能是复合物生成量高，形成了更多的高度有序结构，且与12～16个碳的FA所形成的复合物更容易形成这种有序结构，且脱支处理能增强这一趋势。

2.3 淀粉—脂质复合物的有序结构

图2 HACS-FA和DHA7-FA复合物红外光谱图Figure 2 Infrared spectra of HACS-FA and DHA7-FA complexes

2.4 淀粉—脂质复合物的热特性

由表3、图3和图4可知，75～108 ℃的峰2代表I型复合物的解离；102～125 ℃的峰3代表II型复合物的解离，而55～70 ℃的峰1可能是未复合或50%乙醇洗涤后留存在淀粉螺旋结构间隙的FA的熔融峰，这与前人[22-23]的研究结果一致。

表3 脂肪酸链长对HACS-FA和DHA7-FA复合物热特性的影响†Table 3 Effect of fatty acid chain length on thermal properties of HACS-FA and DHA7-FA complexes

图3 HACS-FA的DSC图谱Figure 3 The DSC spectrum of HACS-FA

图4 DHA7-FA的DSC图谱Figure 4 The DSC spectrum of DHA7-FA

峰2中，在HACS组，HACS-SA具有最高的Tp值，因此热稳定性最好，可能是因为长链脂肪酸与淀粉螺旋腔之间存在较强的疏水相互作用；焓变与络合物的解离有关，碳链较短的脂肪酸在糊化淀粉中具有良好的分散性，有助于与单螺旋淀粉形成复合物，因此HACS-LA具有最高的ΔH，与Li等[24]的研究结果一致。但在DHA7组中，DHA7-SA拥有最低的Tp值，可能是由于复合程度的降低，而焓值的变化可能与脱支处理有关，具体的影响机制有待进一步验证。此外，所有复合物的ΔH均低于原淀粉HACS的，可能是由于温度升高过程中，未复合的淀粉与脂肪酸重新复合，放出了热量，与复合物解离吸收的热量部分相抵，表现为糊化焓值降低[25]。

峰3中，HACS和DHA7组均表现出随着脂肪酸链长的增加，To、Tp、Tc均有不同程度的增加。Shuang等[26]研究表明，脂质碳链越长，疏水性越强，更倾向于保留在淀粉分子疏水螺旋腔内。因此，越长的烃链与淀粉螺旋内部的疏水相互作用越大，需要更高的温度来破坏这些键；且较长的脂质链改善了复合物的结晶特征，特别是微晶尺寸，从而导致熔融温度升高[27]。

2.5 淀粉—脂质复合物的溶解度与膨胀度

由表4可知，当淀粉未与脂肪酸复合时，溶解度和膨胀度均表现为DHA7>HACS-0>HACS，可能是由于样品制备过程中压热、脱支及机械搅拌等处理，使得淀粉颗粒进一步被破碎，分子量也随脱支处理而减小，使得溶解度增加。

表4 HACS和DHA7与不同链长脂肪酸复合后的溶解度和膨胀度†Table 4 Solubility and swelling degree of HACS and DHA7 with different chain length fatty acids

FA对淀粉溶解度有显著影响[28]。一方面是由于未洗净的脂肪酸附着在复合物表面，形成脂质薄层，一定程度上阻碍了水分的进入。另一方面可能是因为脂肪酸进入到淀粉疏水空腔内与之重新形成稳定的螺旋结构，减少了直链淀粉糊化后的浸出，而糊化过程中直链淀粉与支链淀粉的相互嵌入，也可在一定程度上减少淀粉溶出。溶解度大小为DHA7-SA>DHA7-PA>DHA7-LA，与2.1结果一致，表明脂肪酸与淀粉复合程度越高，水分进入其内部结晶结构的难度越大。但在HACS-FA组中，HACS-SA与HACS-PA的溶解度几乎无差异，可能是因为硬脂酸本身的强疏水性平衡了复合程度带来的差异。

3 结论

试验表明，脂肪酸碳链长度及淀粉脱支均会影响淀粉—脂质复合物的形成及其理化性质。当高直链玉米淀粉与脂肪酸形成复合物时，12～16个碳原子的脂肪酸更有利于复合物的形成；当碳链过长时，由于疏水作用力较大，不利于其与直链淀粉复合；但脱支处理后，可能是由于直链淀粉含量进一步增大，脂肪酸的溶解度及与淀粉的接触程度对复合物形成的影响反而更大。与脂肪酸复合后，淀粉—脂质复合物均转变为典型的V型结晶，且特征峰强度随复合率的增加而增强，脱支处理更能增强这一趋势，形成更多的高度有序结构。同时随着复合率的增加，热稳定性也有所增强，溶解度越低，可膨胀度变化并不明显，焓值随脂肪酸碳链长度的增加而下降，且脱支处理会影响这一趋势，但具体的影响机制有待进一步研究。