不同晶型淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物的制备及表征

黄琴，闫溢哲，2，冀晓龙，2，程艳秋，史苗苗，2*，刘延奇，2*

（1.郑州轻工业大学食品与生物工程学院，河南 郑州 450002；2.食品生产与安全河南省协同创新中心，河南 郑州 450002）

淀粉中含有丰富的碳水化合物，可以从谷类、根、茎、豆类和未成熟的植物果实中获得[1]。在食品体系中，淀粉和脂类是主要的两种成分，因此对它们之间相互作用的研究是十分必要的。根据X-射线衍射波谱分析，可以将淀粉分为A型、B型、C型和V型4种晶体结构类型[2-3]。淀粉晶体结构以及结晶度均与淀粉及其制品的性质及应用有着密切的联系[4]。因此，通过脂质对不同晶型的淀粉进行改性，可以扩大其在食品中的应用范围。

根据淀粉分子化学结构的特点，可以将淀粉分为直链淀粉和支链淀粉两种。由于支链淀粉高度的分支结构会引起空间位阻效应，因此支链淀粉与脂质的相互作用能力有限[5]，使得直链淀粉更易与脂肪酸发生络合反应，形成单螺旋V型络合物[6]。Chen等[7]采用高压均质法制备莲子淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物，并对其结构及流变学特性进行了研究。Li等[8]采用正交试验的方法，制备了不同浓度的软脂酸与山药（薯蓣）淀粉复合物，得到了山药淀粉与软脂酸的最佳配比。Shi等[9]研究了超声强度对小麦淀粉-单甘油酯复合物（wheat starch-monoglyceride complex，WSG）的影响，以及WSG对馒头品质的影响。

目前关于淀粉与脂肪酸作用的研究主要集中在脂肪酸的种类、作用条件（pH值、NaCl溶液的浓度、温度等）[10]及脂肪酸的链长[11]对单一种类淀粉形成的复合物的影响，对复合方法、淀粉的晶型与脂肪酸相互作用研究相对较少。本研究中，采用快速黏度分析仪（rapid viscosity analyzer，RVA）将不同晶型的淀粉分别与单硬脂酸甘油酯复合，并测定复合指数、结构及热特性等性质，以期为不同晶型淀粉与脂质的复合及改性方法提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

木薯淀粉（tapioca starch，TS）：河南恩苗食品有限公司；马铃薯淀粉（potato starch，PS）：固原长城淀粉有限公司；山药淀粉（yam starch，YS）：郑州轻工业大学食品与生物工程学院功能性多糖实验室自制；单硬脂酸甘油酯（glyceryl monostearate，GMS，分析纯）：广东光华化学厂有限公司；溴化钾（色谱纯）：天津市科密欧化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

RVA4500型快速黏度分析仪：瑞典Perten公司；DZKW-4型电热恒温水浴锅：北京中兴伟业仪器有限公司；AB265-S型分析天平：上海梅特勒-托利多仪器有限公司；TDZ5-WS型高速离心机：湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；Scientz-12N压盖型冷冻干燥机：宁波新芝生物科技股份有限公司；QE-100型高速粉碎机：浙江屹立工贸有限公司；UV-1800型紫外分光光度计：上海精密仪器仪表有限公司；Regulus8100扫描电子显微镜：日本Rili公司；Vertex70型傅里叶变换红外光谱仪、D8 Advance型X-射线衍射仪：德国Bruker公司；BWS465-785S型便携式拉曼光谱仪：美国B&W Tek公司；Q20型差示扫描量热仪：美国TA公司。

1.3 方法

1.3.1 复合物的制备

不同晶型淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物的制备，参照Chao等[12]的方法，并作适当修改。准确称取100 mg单硬脂酸甘油酯与淀粉样品（2.0 g）混合置于RVA铝罐中，加入去离子水使总质量为28.0 g，旋转搅拌，使样品充分融合。根据RVA提供的standard 1程序进行操作，并稍作修改：在整个加热-冷却循环过程中，前10 s以960 r/min恒定速率旋转搅拌，随后速率恒定在160 r/min。先将混合好的淀粉乳液在50℃下保持1 min，接着以12℃/min的速率将样品从50℃加热至95℃后保持3 min，再从95℃冷却至50℃后保持4 min，全程共15.5 min。将制备好的样品冷却至室温（25℃），放入冷冻干燥机中至完全干燥后即得到不同晶型淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物，使用粉碎机磨成粉末，过120目筛，备用。

1.3.2 复合指数（complex index，CI）测定

依据Guo等[13]的方法对复合指数（CI）进行测量，并作适当修改：称取0.4 g制备好的复合物及原淀粉分别置于50 mL离心管中，加入去离子水，使总质量达到5.0 g。首先将样品在沸水浴中加热10 min后，取出冷却至室温（25℃），再加入25 mL去离子水，涡旋振荡2 min，使淀粉样品充分分散。然后以3 000 r/min速率离心15 min，吸取500 μL上清液转移至试管中，与15 mL去离子水和2 mL碘溶液（2.0%KI和1.3%I2）充分混合。为避免淀粉回生，试验在60 min内进行。用紫外分光光度计测定620 nm处的吸光度。以原淀粉作为空白对照，计算复合物的CI，公式如下。

式中：A原淀粉为原淀粉（YS、TS、PS）溶液的吸光度；A复合物为不同晶型淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物溶液的吸光度。

1.3.3 扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）分析

将导电胶黏附在电镜样品台上，然后在导电胶上分别铺薄薄的一层原淀粉及不同晶型淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物样品，吹去浮粉；喷金处理30 s，使其具有导电性；然后将样品台置于扫描电子显微镜下进行观察。测试的工作电压为20 kV，放大500倍进行观察并找到具有代表性的样品颗粒形貌，拍照。

1.3.4 傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）分析

称取干燥后溴化钾（KBr）约0.3 g，置于玛瑙研钵中，将待测样品与KBr以质量比1∶100混合，充分研磨混匀，移于压模中，使其分布均匀，把压模水平放置在压片机座上，加压到15 MPa～20 MPa，静置2 min，取出。测定条件为分辨率4 cm-1，范围4 000 cm-1～400 cm-1；在室温（25℃）下进行64次扫描。

1.3.5 拉曼光谱分析

取约1.0 g原淀粉及不同晶型的淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物分别置于测试槽中，并压至表面光滑平整。光谱的波数范围设定为3 200 cm-1～300 cm-1，分辨率为4.5 cm-1，积分时间为10 s，激光功率为100 mW（开始测试前去除暗电流），平均8次，得到样品平均次数后的拉曼光谱图。采用BWIQ软件，计算波数480 cm-1处的半峰宽（full width at half-maximum，FWHM）值。

1.3.6 X-射线衍射（X-ray diffraction，XRD）测试

取适量的淀粉样品，均匀铺在X-射线衍射仪的样品池中，使用载玻片将其压平。用波长为0.154 2 nm的单色Cu-K α射线进行测定。测试条件：管压30 kV，管流 20 mA，扫描区域 5°～35°（2θ），步长 0.02°，扫描速率为4°/min，扫描方式为连续，重复1次，试验均在室温（25℃）下进行。将得到的X-射线衍射图谱通过MDI Jade 6.5软件对样品的尖峰区域面积和总面积区间分别进行积分计算，可以得到待测样品的相对结晶度（relative crystallinity，RC），计算公式如下。

式中：Ac为样品中结晶区部分面积；Aa为样品中非结晶区（无定形区）部分面积。

1.3.7 差示扫描量热（differential scanning calorimetry，DSC）分析

取3 mg淀粉样品放入铝盘中，以淀粉与去离子水质量比3∶7为标准，加入去离子水至总质量为10 mg左右。用配套铝盖密封后，置于室温（25℃）下平衡12h。以空铝盘作为参照，以10℃/min的速率，测定20℃～120℃样品的热特性。

1.4 数据处理

所有样品测试均进行3次平行试验。采用Origin 9.0软件作图及SPSS 21.0对数据进行单因素方差分析（ANOVA）和Duncan的多重比较分析，分析比较数据平均值之间的差异（P＜0.05表示有显著性差异），试验数据以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 复合指数结果分析

不同晶型淀粉及淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物的复合指数（CI）见表1。

表1 不同晶型淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物的复合指数Table 1 Complex index of different crystal types of starchglyceryl monostearate complexes

复合指数的大小常被用来表示淀粉与脂肪酸的复合程度及与碘的结合能力[14]，CI值越大，淀粉与脂肪酸的复合程度越高。由表1可见，不同晶型的淀粉均与GMS形成了复合物，木薯淀粉-单硬脂酸甘油酯（TS-GMS）复合程度最高，CI值为77.51%。不同晶型的淀粉与GMS复合物的复合指数间存在着显著差异（P＜0.05），其大小顺序为 TS-GMS＞YS-GMS＞PS-GMS。

2.2 扫描电子显微镜分析

不同晶型淀粉及淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物的扫描电子显微镜图见图1。

图1 不同晶型淀粉及淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物扫描电子显微镜图Fig.1 Scanning electron microscopy images of different crystal types of starches and starch-glyceryl monostearate complexes

通过图1可以看出，不同晶型的淀粉加入GMS后，淀粉颗粒的形貌发生了明显的变化。木薯淀粉（A型）颗粒结构较完整，一端光滑，另一端有不平整的截口；与朱玲等[15]研究观察到的木薯淀粉特有的“头盔状”结果相似；通过RVA复合后，木薯淀粉与GMS复合物的碎片结构表面出现许多细小密集的孔洞。马铃薯淀粉（B型）颗粒饱满，呈椭圆形，表面光滑无凹陷，大小不均一；与GMS复合后，马铃薯淀粉原有的超螺旋结构被破坏，形成了片状的结构，表面光滑，沟壑分明。山药淀粉（C型）颗粒表面光滑，无杂质，轮廓清晰，呈椭圆形或扁圆形，大小均匀；与GMS复合后，山药淀粉颗粒的原有形貌被完全破坏，形成了不规则的块状颗粒结构。这可能是因为RVA的剪切作用使原淀粉的结构遭到破坏，形成了不同晶型淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物现有形貌。

2.3 FTIR及拉曼光谱分析

不同晶型淀粉及淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物的红外光谱图见图2。

图2 不同晶型淀粉及淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物红外光谱图Fig.2 Infrared spectra of different crystal types of starches and starch-glyceryl monostearate complexes

由图2可知，样品均在3 000 cm-1～3 600 cm-1处出现一个较大的宽峰带，这是淀粉中羟基的伸缩振动的特征吸收峰。与原淀粉相比，淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物在1 730 cm-1和2 850 cm-1附近出现了两个小吸收峰，这两个峰分别代表的是单硬脂酸甘油酯分子中的羰基的振动峰和亚甲基的不对称伸缩振动峰[16]，表明脂肪酸分子被紧密地固定在淀粉螺旋结构的间隙中，形成了单螺旋包合物[17]。

为了进一步区分原淀粉和淀粉-脂肪酸样品的FTIR光谱，对其进行了去卷积分析，不同晶型淀粉及淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物红外吸收峰的比值（1 047 cm-1/1 022cm-1）及相对结晶度见表2。1047 cm-1和1 022 cm-1处吸收峰的比值反映了淀粉的短程结构有序性的高低，比值越大，表明淀粉短程结构有序性越高，淀粉的结晶度也越高。

表2 不同晶型淀粉及淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物的红外吸收峰比值（1 047 cm-1/1 022 cm-1）、相对结晶度及半峰宽值Table 2 The ratio of FTIR absorbance（1 047 cm-1/1 022cm-1），relative crystallinity and full width at half-maximum value of different crystal types of starches and starch-glyceryl monostearate complexes

不同晶型淀粉及淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物的拉曼光谱图见图3。

图3 不同晶型淀粉及淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物的拉曼光谱图Fig.3 Raman spectra of different crystal types of starches and starch-glyceryl monostearate complexes

由表2可知，与原淀粉相比，淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物在1 047 cm-1与1 022 cm-1处吸收峰的比值均下降，说明复合后淀粉的短程有序性降低。结合图3及表2中半峰宽值，与原淀粉相比，在480 cm-1处，不同晶型的淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物的FWHM值均升高，其中YS-GMS的FWHM值最小，其次是PSGMS，TS-GMS的FWHM值最大。Guo等[18]研究发现，随着淀粉短程有序结构的增加，FWHM值随之降低，从而进一步证实了不同晶型淀粉与单硬脂酸甘油酯复合后其短程有序结构降低，这与FTIR、XRD、DSC的分析结果相一致。

2.4 XRD分析

不同晶型淀粉及淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物的X-射线衍射图谱见图4。

图4 不同晶型淀粉及淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物X-射线衍射图谱Fig.4 X-ray diffraction patterns of different crystal types of starches and starch-glyceryl monostearate complexes

通过X-射线衍射图谱，分析比较原淀粉晶体结构的类型及淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物晶体结构的变化。由图4可知，木薯淀粉在2θ为15°、22.8°出现单峰，17°、18°出现双肩峰，为典型的 A 型淀粉结晶结构[19]，经计算，结晶度为37.23%。马铃薯淀粉在2θ为5.6°、17°、22°和24°附近表现出强衍射峰，为典型的B型结构，结晶度为26.73%；除B型淀粉的特征峰，山药淀粉在2θ为15°和23°附近还出现A型淀粉的特征峰，这表明山药淀粉属于C型晶体结构[20]，其结晶度为25.23%。加入GMS后，不同晶型的淀粉与GMS复合物的X-射线衍射图谱在2θ为12.9°、19.8°处均出现衍射峰，为V型结构的特征峰[21]，表明GMS与不同晶型的原淀粉均形成了复合物。谢新华等[22]采用快速黏度分析处理方法使不同链长的脂肪酸与小麦淀粉复合，对其性质的研究中发现，制备出的复合物也呈V型结构，这与本文研究的结果相一致。

结合表2可知，复合物的结晶度均小于相应原淀粉的结晶度，TS-GMS的结晶度降低得更明显。Liang等[23]对添加脂质和β-环糊精的大米淀粉糊化性质差异的研究中也有相似的发现，加入脂质后的淀粉复合物的结晶度与原淀粉相比结晶度降低。这可能是因为RVA处理影响了复合物的单螺旋结晶结构，使脂质分子进入了淀粉的颗粒内部，原淀粉结晶区的螺旋结构被打开，导致复合物的致密性和有序度降低，从而使淀粉-脂质复合物的结晶度降低[24-25]。

2.5 热特性分析

图5和表3研究了不同晶型原淀粉以及淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物的DSC谱图，及其相应的凝胶化转变温度（To、Tp、Tc）和焓值（ΔH），对淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物的糊化性质进行分析。

图5 不同晶型淀粉及淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物热特性分析图Fig.5 DSC diagrams of different crystal types of starches and starch-glyceryl monostearate complexes

表3 不同晶型淀粉及淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物的热特性Table 3 Thermal properties of different crystal types of starches and starch-glyceryl monostearate complexes

由图5可以看出，与原淀粉相比，不同晶型淀粉-单硬脂酸甘油酯体系在50℃～65℃和105℃左右出现了两个新峰。50℃～65℃的峰值为脂肪酸熔融峰。Wang等[26]研究发现，淀粉-脂肪酸复合物的熔融峰出现在95℃～105℃。图5显示，不同晶型淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物均在105℃左右出现了熔融峰，证明了不同晶型的淀粉与GMS复合物的形成。从表3的结果可以看出，不同晶型的淀粉与GMS复合后To、Tp、Tc以及ΔH均低于原淀粉。DSC测定的淀粉焓值（ΔH）反映了淀粉的双螺旋结构或淀粉微晶结构的损失。不同晶型淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物的焓值减小，这是因为RVA处理后使淀粉膨胀，结晶度降低，从而导致ΔH降低，与XRD测试结果一致。

3 结论

本文采用RVA在升温-降温循环的条件下制备了3种不同晶型淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物。研究结果显示，与马铃薯淀粉和山药淀粉相比，木薯淀粉（A型）与GMS的复合程度更高；X-射线衍射图谱显示不同晶型淀粉-单硬脂酸甘油酯复合物均在2θ为12.9°、19.8°处均出现衍射峰，表明淀粉晶型已分别由A、B、C型转化形成了V型结构；同时，3种晶型的原淀粉与GMS复合后形成的复合物，形貌发生了显著变化，呈片状或块状。3种晶型淀粉的糊化温度及焓值均显著降低，其中木薯淀粉（A型）焓值降低最明显。本研究可为淀粉-脂质复合物的结构性质及淀粉的晶体结构研究提供参考。