湿磨辅助制备淀粉-脂质复合物及其结构和性能研究

董 营,代养勇*,曹 健,侯汉学,王文涛,张 慧,丁秀臻,李 诚,王 斌

1.山东农业大学 食品科学与工程学院,山东 泰安 271018

2.山东省粮食加工技术工程技术研究中心,山东 泰安 271018

3.河南工业大学 生物工程学院,河南 郑州 450001

淀粉-脂质复合物是一种新型的绿色改性淀粉,为扩大淀粉的应用提供了新思路。淀粉-脂质复合物的形成能够减少淀粉溶胀和溶解,延缓淀粉糊化和回生,显著改变淀粉的理化性质,从而影响最终产品的质量和营养特性[1-2]。因此,淀粉-脂质复合物的生产和应用越来越受到研究人员的关注。

常见的淀粉-脂质复合物的制备方法有化学法(二甲亚砜分散法、碱液分散法等)、物理法(加热法、超高压法和挤压蒸煮法等)、酶法(脱支酶等)等[3]。化学法具有复合效率高等优点,但存在产生大量废液、污染环境等问题。酶法可以精准增加淀粉体系中直链淀粉分子含量,从而提高复合效率,但由于工艺复杂,局限性大等问题,不适合大规模生产。物理法凭借其绿色环保、工艺简单等优点而被广泛关注[4]。研磨在改善淀粉性能方面显示出良好的潜力。在研磨过程中,强劲的冲击、剪切和摩擦会引起淀粉形态、晶体或分子结构受损,进而导致淀粉在热特性、水溶性和消化等方面发生变化[5]。Zhang等[6]发现,超细粉碎可以显著减小薏苡仁淀粉的粒径,并改善其糊化和热性能。Liu等[7]研究表明,球磨会导致淀粉颗粒破裂、变形,结晶度和短程有序度降低。

以往的研究更多使用干法研磨对淀粉进行改性,而湿磨对淀粉结构和性质的影响研究较少。在湿磨过程中,水可以防止被研磨的材料黏附在球上,显著提高研磨的均匀性[8]。同时水还可以吸收研磨过程中产生的热量,有效避免粉尘爆炸等问题[8]。更重要的是,水作为一种优良的淀粉增塑剂,可能会增强研磨对淀粉结构的作用。因此,作者以玉米淀粉(CS)与月桂酸为原料,采用湿磨辅助制备淀粉-脂质复合物,并分析先复合后湿磨(C/WG)和先湿磨后复合(WG/C)两种处理方式对淀粉-脂质复合物结构和性能的影响,为湿磨处理在淀粉-脂质复合物生产中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

普通玉米淀粉(水分13.06%、粗蛋白质0.39%、粗脂肪0.34%)：山东诸城兴贸玉米开发有限公司;α-淀粉酶(100 U/mg)：美国Sigma-Aldrich公司;淀粉葡萄糖苷酶(100 000 U/mL)：上海源叶生物科技有限公司;月桂酸、溴化钾等均为分析纯。

1.2 仪器与设备

ST-Q200行星式球磨机：北京旭鑫仪器设备有限公司;Advance X射线衍射仪：德国Bruker AXS有限公司;200 PC差示扫描量热仪：德国Netzsch公司;RVA-Eritm快速黏度分析仪：瑞典Perten公司;Quanta FEG250扫描电子显微镜：美国FEI公司;Nicolet iS5傅里叶变换红外光谱仪：美国Thermo Fisher Scientific公司。

1.3 试验方法

1.3.1 湿磨辅助制备淀粉-脂质复合物

方法一(C/WG)：称取50.00 g天然玉米淀粉(NCS)溶于去离子水中配制10%(m/m)的淀粉悬浮液,90 ℃搅拌加热30 min。再加入溶于乙醇(3.00 mL)的月桂酸(3.00 g)溶液,90 ℃搅拌加热60 min,之后将混合液置于研磨罐中,90 ℃按球料(研磨球与淀粉样品)质量比4∶1分别研磨0、2.5、5、10、15 min。用50%乙醇溶液离心洗涤3次。再将沉淀物干燥、研磨并通过100目筛,储存在自封袋中,分别命名为未进行湿磨的对照组(Control)、CS-C/WG-2.5、CS-C/WG-5、CS-C/WG-10和CS-C/WG-15。

方法二(WG/C)：称取50.00 g天然玉米淀粉(NCS)溶于去离子水中配制成10%(m/m)的淀粉悬浮液,90 ℃搅拌加热30 min。再加入溶于乙醇(3.00 mL)的月桂酸(3.00 g)溶液,并将其置于研磨罐中,90 ℃按球料质量比4∶1分别研磨0、2.5、5、10、15 min。之后再将混合液90 ℃搅拌加热60 min。用50%乙醇溶液离心洗涤3次。再将沉淀物干燥、研磨并通过100目筛,储存在自封袋中,分别命名为CS-WG/C-2.5、CS-WG/C-5、CS-WG/C-10和CS-WG/C-15。

1.3.2 复合指数

将2.00 g淀粉样品分散到20.00 mL去离子水中,95 ℃加热30 min。再将5.00 mL混合液与25.00 mL去离子水混合均匀后振荡离心。取500 μL上清液,加入15 mL去离子水与2 mL碘溶液。在波长690 nm处测定样品的吸光度,并计算复合指数[9]。

1.3.3 晶体结构

采用X射线衍射仪测定淀粉颗粒结晶特性。电压40 kV,电流100 mA,特征射线CuKα,测量角(2θ)5°～40°,步长0.02°,扫描速率4°/min[10]。

1.3.4 分子结构

将1.00 mg样品和150.00 mg溴化钾粉末充分研磨后装入压片模具中,经抽真空压制成薄片。利用傅里叶红外光谱仪对淀粉样品进行扫描,测定条件：波数400～4 000 cm-1,扫描次数64,分辨率4 cm-1[11]。

1.3.5 糊化特性

采用差示量热扫描仪(DSC)测定淀粉的糊化特性。将5.00 mg淀粉样品与15 μL去离子水加到铝制密封坩埚中,在室温下平衡过夜。升温速率为10 ℃/min,测量温度由20 ℃升至120 ℃,保护气N2[12]。

1.3.6 黏度特征

在快速黏度分析仪(RVA)程序中输入淀粉样品的水分含量,根据程序给出的数值,在铝罐中加入淀粉样品和去离子水,测定淀粉的黏度特征值[13]。

1.3.7 溶解度和膨胀力

配制2.0%(m/m)的淀粉乳,85 ℃连续搅拌糊化30 min。待悬浮液冷却至室温后,离心并收集上清液。将上清液于105 ℃干燥至恒质量,并称量离心后沉淀物的质量,计算溶解度(S)与膨胀力(SP)。

S=A/C×100%;SP=B/(C(100-S)),

式中：A为上清液烘至恒重后的质量,g;B为离心后沉淀物质量,g;C为样品干基质量,g。

1.3.8 体外消化

将适量淀粉样品分散在磷酸盐缓冲溶液中。加入混合酶溶液(α-淀粉酶和葡糖淀粉酶),37 ℃分别振荡20、30、60、90、120、150、180 min,使用葡萄糖分析仪测定水解过程中各时间段的葡萄糖释放量[4]。

1.3.9 颗粒形貌

将干燥的淀粉样品用导电双面胶带固定在圆形铝台上,并用金喷涂。使用扫描电子显微镜放大500倍进行颗粒形态的观察。

1.4 数据处理

每组试验至少重复3次,结果表示为平均值±标准偏差。采用SPSS 22.0和Origin 8.5对数据进行处理。

2 结果与分析

2.1 复合指数

直链淀粉与月桂酸分子的结合会降低淀粉结合碘的能力,据此可测定淀粉-脂质复合物的含量。复合指数越大,表明直链淀粉分子和月桂酸所形成淀粉-脂质复合物越多[14-16]。如图1所示,随着湿磨时间从0 min增加至10 min,CS-WG/C与CS-C/WG的复合指数逐渐增加。表明湿磨处理可使更多的月桂酸进入直链淀粉的疏水性腔,形成更多的淀粉-脂质复合物。但在湿磨处理15 min后,复合指数下降,这是由于长时间的湿磨处理导致直链淀粉过度解聚,进而不易与月桂酸形成复合物。此外,在相同的湿磨时间下,CS-WG/C比CS-C/WG的复合指数更大。表明在先复合后湿磨的过程中,部分已经形成的淀粉-脂质复合物可能会被之后的湿磨处理所破坏。所以先湿磨后复合的方式更有利于形成淀粉-脂质复合物。

注：不同大小写字母分别表示CS-WG/C与CS-C/WG组中不同样本间差异显著(P<0.05)。图1 样品的复合指数Fig.1 Composite index of samples

2.2 晶体结构

由图2可知,NCS在15°、17°、18°和23°处出现了强衍射峰,表明NCS为典型的A型晶体结构[17]。而Control、CS-WG/C与CS-C/WG都在13°和20°附近出现强衍射峰,这是V型晶体结构的特征峰,表明玉米淀粉与月桂酸形成了淀粉-脂质复合物[4,18]。同时,CS-WG/C与CS-C/WG都比Control表现出了更强的衍射峰强度,表明湿磨处理有利于更多的淀粉-脂质复合物的形成。随着湿磨时间从0 min增加至10 min,CS-WG/C与CS-C/WG的V型结晶特征衍射峰强度逐渐增大。这是由于湿磨破坏了淀粉颗粒,使其释放出更多的直链淀粉来参与淀粉-脂质复合物的形成。同时,湿磨还可以增加月桂酸与直链淀粉的接触机会,促进复合物的形成。在相同的湿磨时间下,CS-WG/C比CS-C/WG的衍射峰强度更高。可见,先湿磨后复合更有利于的淀粉-脂质复合物形成,复合指数也进一步佐证了这一推测。

2.3 分子结构

如图3所示,与NCS相比,Control、CS-WG/C与CS-C/WG在2 850 cm-1与1 740 cm-1处出现了2个新的吸收峰,这是由于月桂酸分子中的亚甲基基团和羰基基团的伸缩振动引起的,这也证明了Control、CS-WG/C与CS-C/WG中淀粉-脂质复合物的形成。同时,随着湿磨时间从0 min增加至10 min,CS-WG/C与CS-C/WG在2 850 cm-1与1 740 cm-1处的吸收峰强度逐渐增大。可见,湿磨处理促进了更多的月桂酸进入淀粉螺旋空腔形成淀粉-脂质复合物,进而使淀粉螺旋结构更加密集。

注：(a)-1、(a)-2分别为(a)在2 830～2 870 cm-1和1 720～1 760 cm-1的放大图;(b)-1、(b)-2分别为(b)在2 830～2 870 cm-1和1 720～1 760 cm-1的放大图。图3 样品的红外光谱Fig.3 FT-IR spectra of samples

2.4 糊化特性

表1 样品的DSC参数Table 1 DSC parameters of samples

2.5 黏度特征

RVA常用于测定淀粉悬浮液在加热过程中的黏度变化[19]。如表2所示,与Control相比,CS-WG/C与CS-C/WG的峰值黏度、谷值黏度较小。可见,淀粉颗粒经过湿磨处理后淀粉链易解旋断裂,黏度降低。与Control相比,CS-WG/C与CS-C/WG的终值黏度与成糊温度较大。这是由于月桂酸与直链淀粉相互缠绕成了更加紧密的网状结构,进而增强了淀粉颗粒的热稳定性。与相同研磨时间下的CS-C/WG相比,CS-WG/C的终值黏度与成糊温度更大。CS-WG/C-10的终值黏度增至最大(2 541 mPa·s),CS-WG/C-10的成糊温度也增至最大(83.1 ℃)。可见,此时形成了更多的淀粉-脂质复合物。

表2 样品的RVA参数Table 2 RVA parameters of samples

2.6 溶解度与膨胀力

从表3可以看出,与Control相比,CS-WG/C与CS-C/WG的溶解度和膨胀力都有所下降。可见,淀粉颗粒经过湿磨处理后更容易与月桂酸形成淀粉-脂质复合物。淀粉-脂质复合物的形成会影响直链淀粉的羟基亲水结构,抑制水分子渗透到颗粒内部,进而抑制淀粉颗粒膨胀与溶解[20]。另外,淀粉-脂质复合物致密的有序结构对水的扩散具有较高的屏蔽作用,进而使淀粉难以被溶解[21]。随着湿磨时间从0 min增加至10 min,CS-WG/C与CS-C/WG的溶解度和膨胀力都有所下降。并且CS-WG/C-10的溶解度和膨胀力降至最小值,分别为3.9%与7.8 g/g。可见,在湿磨处理10 min后直链淀粉与月桂酸形成了的淀粉-脂质复合物最多。在相同的湿磨时间下,CS-WG/C比CS-C/WG的溶解度和膨胀力值都低。这是由于先湿磨后复合的方式促进了更多淀粉-脂质复合物的形成,进而阻碍了淀粉颗粒的溶解与溶胀。

表3 样品的溶解度与膨胀力Table 3 Solubility and swelling power of samples

2.7 体外消化

如图4所示,与Control相比,CS-WG/C与CS-C/WG展现出了较低的体外消化曲线。可见,形成的淀粉-脂质复合物越多,淀粉颗粒内部越紧密,淀粉酶越不容易进入淀粉颗粒。同时,在相同研磨时间下,CS-WG/C具有比CS-C/WG更低的体外消化曲线。根据淀粉的消化速率可将其分为RDS、SDS与RS三类[22]。如图4所示,随着研磨时间从0 min延长到10 min,CS-WG/C与CS-C/WG的RDS含量不断下降,而RS含量不断增大。与相同研磨时间下的CS-C/WG相比,CS-WG/C的RDS含量更低,RS含量更高。CS-WG/C-10的RS增加到最大(36.32%)。可见,先湿磨后复合的方式会使得淀粉具有更高的酶抗性。这也与形成了更多的淀粉-脂质复合物有关,这一结果与XRD和DSC的结果相一致。

图4 样品的体外消化曲线Fig.4 In vitro digestion curves of samples

2.8 颗粒形貌

在图5(a)中,天然玉米颗粒是不规则的多面体,具有相对光滑和完整的表面。天然玉米淀粉分子排列紧密,不溶于冷水。在90 ℃下搅拌加热30 min后,水分子进入淀粉颗粒内部,淀粉颗粒被糊化,颗粒形态被严重破坏,越来越多的颗粒黏结在一起(图5(b)—(j))。Control、CS-WG/C与CS-C/WG颗粒表面出现一些褶皱与裂缝。颗粒表面吸附的淀粉小碎屑明显增多。同时,随着研磨时间的延长,越来越多的CS-WG/C与CS-C/WG颗粒表面出现裂缝(图5(c)—(j)),有利于月桂酸的扩散与直链淀粉的浸出。

图5 样品的扫描电镜图Fig.5 SEM characterization of samples

3 结论

在湿磨作用下,淀粉颗粒被破坏,更多的直链淀粉链被释放出来参与淀粉-脂质复合物的形成。同时,湿磨还增加了月桂酸与直链淀粉的接触机会,促进复合物的形成。此外,先湿磨后复合的方式更有利于淀粉-脂质复合物的形成。但较长时间的研磨处理会破坏已经形成的淀粉-脂质复合物。本研究可为湿磨改善淀粉性能的研究提供理论基础,但仅使用玉米淀粉与月桂酸为原料制备淀粉-脂质复合物,不同类型的淀粉与配体对淀粉-脂质复合物形成的影响及其作用机理尚不明确,有待于进一步研究。