秈米淀粉-庚醇包合物的制備及其釋放動力學研究

金姍姍，張舒，李雅琴，周裔彬

(安徽農業大學 茶與食品科技學院，安徽 合肥，230036)

秈米淀粉-庚醇包合物的制備及其釋放動力學研究

金姍姍，張舒，李雅琴，周裔彬*

(安徽農業大學 茶與食品科技學院，安徽 合肥，230036)

采用熱熔法制備秈米淀粉-庚醇包合物。單因素正交實驗結果表明：秈米淀粉-庚醇包合物的最佳包合條件為主客投料比為10∶0.3(g∶μL)、包合溫度30 ℃、萃取溫度60 ℃時，此時包合率為77.01%。通過x-衍射、13C-NMR及SEM從結構方面表明了包合物的形成。引入Avrami方程研究了該包合物在不同溫度及相對濕度下風味物質的釋放規律。結果表明：溫度越高、相對濕度越大時，庚醇釋放越快。

秈米淀粉；庚醇；包合；釋放動力學

庚醇是一種具有特有芳香氣味的小分子風味物質，天然存在于水果、蔬菜中，通常被用作調配草莓、香蕉、蘑菇等食用香料[1]。庚醇具有的低沸點、易揮發及水溶性較差等特點限制了其在食品工業中的應用。微膠囊技術是將易揮發、低沸點的液體狀風味成分包合成穩定的固體化合物，提高產品的穩定性及延長貯藏期[2]。

秈米淀粉由直鏈淀粉及支鏈淀粉組成，其中直鏈淀粉通過α-D-1,4糖苷鍵形成多糖鏈，其空間結構為無規則的線圈或者由6個葡萄糖殘基而形成的螺旋結構。直鏈淀粉的螺旋鏈形成了空腔結構，其中C3、C5上的氫和氧原子形成了內部疏水結構，外部則因為羥基而形成了親水結構，由于這種內疏水、外親水的結構，使得淀粉可以與環糊精一樣成為許多風味物質包合物壁材的選擇[3]。

選擇價格低廉、來源豐富的秈米淀粉作為包合壁材包合庚醇，通過單因素、正交實驗確定了該包合物的最佳制備條件。利用x-衍射、13C-NMR及SEM等方法證明了包合物的形成，并對庚醇的釋放特性進行了探討，為秈米淀粉的開發應用及庚醇類小分子風味物質的應用提供了理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

秈米，合肥市金玉超股份有限公司；秈米淀粉(直鏈淀粉含量17.54%)，實驗室自制。庚醇(99%)，西格瑪奧德里奇公司；無水乙醇(AR)，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

BSA224S型電子天平，北京賽多利斯科學儀器有限公司；QL-901 Vortex 漩渦混合器，海門市其林貝爾儀器制造有限公司；DK-S26型電熱恒溫水浴鍋，上海精宏實驗設備有限公司；KQ-250DE型數控超聲波清洗機，昆山市超聲儀器有限公司；JW-3021HR高速冷凍離心機,安徽嘉文儀器裝備有限公司；FD-1A-50型冷凍干燥機，北京博醫康實驗儀器有限公司；7890B氣相色譜儀，美國安捷倫科技有限公司；D8ADVANCE多晶X射線粉末衍射儀，德國布魯克儀器有限公司；400MHz布魯赫核磁共振波譜儀，德國布魯克儀器有限公司；S-4800掃描電鏡，日本日立公司。

1.3 方法

1.3.1 秈米淀粉-庚醇包合物的制備

包合物的制備采用熱熔法[4-5]。稱取0.15 g秈米淀粉于20 mL的具塞試管中，加入15 mL蒸餾水，在漩渦振蕩器上充分振蕩后于100 ℃水浴中水浴1 h。將試管取出冷卻至室溫，加入庚醇醇溶液，振蕩搖勻后，在超聲儀中于30～70 ℃的條件下超聲30 min。取出試管于4 ℃環境中放置12 h，將反應液倒入平皿中-18 ℃條件下預凍12 h。-48 ℃，真空度為15 Pa冷凍干燥24 h后得到白色絨狀物質，于4 ℃密封干燥保存。

秈米淀粉-庚醇物理混合樣：稱取0.15 g秈米淀粉于20 mL的具塞試管中，加入15 mL蒸餾水，在漩渦振蕩器上充分振蕩后于100 ℃水浴中水浴1 h。將試管取出冷卻至室溫，加入庚醇醇溶液，將溶液倒入平皿中-18 ℃條件下預凍12 h。-48 ℃，真空度為15 Pa冷凍干燥24 h后得到白色絨狀物質，于4 ℃密封干燥保存。

樣品原樣：稱取0.15 g秈米淀粉于20 mL的具塞試管中，加入15 mL蒸餾水，在漩渦振蕩器上充分振蕩后于100 ℃水浴中水浴1 h。將試管取出冷卻至室溫，將溶液倒入平皿中-18 ℃條件下預凍12 h。-48 ℃，真空度為15 Pa冷凍干燥24 h后得到白色絨狀物質，于4 ℃密封干燥保存。

1.3.2 包合物中風味物質的提取(萃取)

稱取包合物60 mg分散于7 mL乙醇中，密封混勻后在50～70 ℃下超聲30 min,使得風味物質從包合物中充分分離出來。然后10 000 r/min，4 ℃，離心10 min,取上清液，過濾膜后通過氣相色譜測得相應的峰面積，根據標準曲線計算得出包合物中風味物質的含量，即包合率。

1.3.3 包合率的計算

包合率按式(1)計算：

(1)

1.3.4 秈米淀粉-庚醇包合物的單因素實驗

(1)主客比對包合率的影響

秈米淀粉-庚醇包合物的制備按照主客比為10∶0.1、10∶0.2、10∶0.4、10∶0.6、10∶0.8、10∶1(g∶μL)進行包合，得到包合物后測其包合率，考察不同的主客比投料比對包合率的影響。

(2)超聲溫度對包合率的影響

選擇1.3.4(1)中所確定的最佳主客比，分別在30、40、50、60、70 ℃下超聲30 min，測所得包合物的包合率，比較不同超聲溫度對包合率的影響。

(3)萃取溫度對包合率的影響

選擇1.3.4(1)及(2)中分別確定的2種包合物各自的最佳主客比及超聲溫度，得包合物后，分別在30、40、50、60、70 ℃下進行萃取實驗，考察2種包合物的包合率，確定萃取溫度對包合率的影響。

1.3.5 秈米淀粉-庚醇包合物制備的條件優化

在1.3.4單因素實驗的基礎上，選取包合物主客比、包合溫度及萃取溫度為影響因素，以所得包合物的包合率為指標，設計3因素3水平L9(34)的正交實驗，見表1。

表1 正交實驗因素水平表

1.3.6 包合率的測定

(1)標準曲線的繪制

將庚醇分散于乙醇中，配制成不同體積濃度的庚醇-乙醇溶液，體積濃度比(庚醇/乙醇)分別為：0.08、0.16、0.24、0.32、0.40 μL/mL。使用氣相色譜得出相應的峰面積，以體積濃度比為橫坐標，峰面積為縱坐標繪制標準曲線，得到相應的回歸方程y=1 210.5x-17.257,R2=0.995 62。

1.3.7 氣相色譜條件

色譜柱為DB-WAX極性毛細管柱(30 m×0.32 nm×0.25 μm)，載氣為氮氣，流速為1 mL/min,分流比為10∶1,檢測器為FID,進樣口溫度和檢測器溫度分別為250 ℃、275 ℃，柱箱溫度為50 ℃保持1 min后，以2.5 ℃/min升至80 ℃，保持5 min,以25 ℃/min升至240 ℃，保持5 min。

1.4 包合物的結構表征

1.4.1 X-衍射

為了研究包合物包合后物質的結晶度及晶體結構的變化，分別對糊化秈米淀粉、秈米淀粉-庚醇物理混合樣及秈米淀粉-庚醇包合樣進行X-衍射測定。測定條件為電壓40 kV，電流200 mA，用Cu Kα射線掃描。掃描范圍4～50°，掃描步長為0.02°[6]。相對結晶度[7]的計算方程如下：

(2)

其中，Ac為X-衍射圖譜中的結晶區域面積，Aa為非結晶區域面積。

1.4.2 固體核磁共振(13C-NMR)

分別對糊化秈米淀粉、包合物及物理混合樣進行測試。將樣品置于7mm固體核磁管，磁場為400 Hz，探頭溫度為20 ℃[8]。

1.4.3 掃描電鏡(SEM)

分別對糊化秈米淀粉、包合物及物理混合樣進行掃描電鏡測試。使用導電雙面膠將樣品固定在樣品臺上，鍍金后在3 kV進行觀察,觀察倍數為2 000倍[9]。

1.5 包合物的釋放

為了更好地理解包合物中風味物質的釋放，引進Avrami方程[10]對風味物質釋放進行擬合，方程如下：

R=exp[-(kt)n]

(3)

式中：R表示風味物質在釋放之后的保留值，t表示時間(s)，n表示釋放機理，k表示釋放速率常數。

該公式最早用于研究結晶成長速度，近年來也用來表征固-氣反應以及固-液反應。SUN[10]等人成功地利用該公式對蛋白質在蔗糖以及海藻糖溶液中隨時間的變化其活性的變化進行了分析。n=1時，代表反應為一級反應；n=0.54時，反應為擴散限制反應。

對公式兩邊取對數，得到公式：

ln(-lnR)=nlnk+nlnt

(4)

以lnt為橫坐標，ln(-lnR)為縱坐標作圖，根據所得線性回歸方程可以計算出n和k的值。

釋放實驗主要考察包合物在冷藏溫度4 ℃和室溫25 ℃，相對溫度為33%和93%的條件下的情況。準確稱取(0.150±0.000 2) g秈米淀粉-庚醇包合物平鋪于干燥皿中，放入用MgCl2、KCl飽和鹽溶液配制好相對濕度RH在33%和93%的干燥器中，分別在釋放1、3、5、7、14、21 d后取出一個干燥皿，測其中風味物質的保留率，代入Avrami方程進行擬合分析。

2 結果與分析

2.1 秈米淀粉-庚醇包合物單因素實驗結果

圖1為秈米淀粉-庚醇包合物的單因素實驗結果。從主客比來看，當秈米淀粉/庚醇為10∶0.2(g∶μL)時，秈米淀粉-庚醇包合物的包合率達到最高，為59.98%。當主客比升至10∶0.4、10∶0.6、10∶0.8、10∶1(g∶μL)時，包合率分別為39.84%、36.17%、35.67%、30.23%，包合率是一直在下降的，這是由于包合物中被包合的客體物質飽和后，增加客體物質的量會降低包合物的包合率。從包合溫度這個因素來看，當包合溫度在40 ℃時，包合率達到最大，為63.25%，繼續升高溫度有可能使得被包合的風味物質脫離包合主體或者與包合壁材結合不緊密的客體物質也易在高溫的條件下脫離、揮發。在萃取溫度為60 ℃時，秈米淀粉-庚醇包合物的包合率達到最大值，為88.10%，繼續升溫后，包合率開始下降。這可能是當萃取溫度過高時，被包合的風味成分被萃取出來后揮發導致的。所以萃取溫度不宜過高，否則會造成不必要的損失。秈米淀粉-庚醇包合物的單因素實驗結果表明當主客比為10∶0.2(g∶μL)、包合溫度40 ℃、萃取溫度60 ℃時包合效果達到最好，此時的包合率為88.10%。

圖1 秈米淀粉-庚醇包合物單因素實驗結果Fig.1 Single factor experiments results of the indica rice starch-2-heptanol inclusion complexes

2.2 秈米淀粉-庚醇包合物正交實驗結果

極差分析結果(表2)表明：3個因素對包合效果的影響順序是：A>C>B，即主客比>萃取溫度>包合溫度，其中主客比對包埋率的影響最為顯著。方差結果(表3)表明：主客比對包合率的影響顯著，而包合溫度及萃取溫度對秈米淀粉-庚醇的包合率影響不顯著。最佳組合是A3B1C2，即以乙醇為萃取劑、主客比為10∶0.3(g∶μL)、包合溫度30 ℃、萃取溫度60 ℃。同時進行了最佳組合的包合率測定實驗，包合率為77.01%。

表2 秈米淀粉-庚醇包合物的正交實驗結果

表3 秈米淀粉-庚醇包合物的方差分析結果

2.3 X-衍射分析

圖2為糊化秈米淀粉、秈米淀粉-庚醇包合物及其物理混合樣的X-衍射圖譜。從圖2中可以看出，秈米淀粉在糊化的過程中結晶度有所下降，形成了無定型區域。李冰[11]等人研究表明，包合物的XRD衍射峰一般皆為Vh型。包合物及物理混合樣在2θ = 13°、20°處存在明顯的尖銳的峰型，表明包合物和物理混合樣的XRD衍射峰均為Vh型，這可能是在物理混合樣混合的過程中由于庚醇分子較小，有部分分子進入淀粉空腔內，形成了一定的結合作用。從相對結晶度上來看，包合樣的相對結晶度為19.23%，物理混合樣的相對結晶度為22.36%。其中包合物的相對結晶度較物理混合樣的有所下降，這可能是由于在包合過程中形成了更加穩定的結構，使得結晶度有所下降。這也在一定程度上證明了包合物的形成。

圖2 糊化秈米淀粉及包合物、物理混合樣的XRD衍射圖譜Fig.2 X-ray diffraction patterns of gelatinized indica rice starch, mixtures and inclusion complexes

2.4 固體核磁共振(13C-NMR)

圖3中可以看出，糊化秈米淀粉的C1-C6峰分別在102.22、93.59、81.53、 71.85、 60.61和31.09 ppm處。秈米淀粉-庚醇包合物與糊化秈米淀粉相比C1-C6有部分化學位移，C1-C6峰分別在遷移至102.26、93.23、81.41、71.64、60.52和31.67 ppm處。在包合物中都有0～50 ppm的甲基、亞甲基及次亞甲基峰[12]，此處為庚醇的C化學位移，這說明了在包合物中有庚醇的存在，也進一步說明了包合物的形成。與包合物相比，物理混合樣的化學位移有明顯不同，這說明包合物的形成而不是簡單地物理混合。

圖3 糊化淀粉及包合物、混合物的核磁共振圖譜Fig.3 13C-NMR spectra of the ingredients mixtures and inclusion complexes

2.5 掃描電鏡(SEM)

通過掃描電鏡觀察包合物表面形態與糊化秈米淀粉的差異，從而判斷包合物是否形成。從圖4中可以看出糊化秈米淀粉表面光滑平整，呈現片狀網狀結構，這是秈米淀粉在糊化過程中，直鏈淀粉伸展開來，形成致密的網狀結構。而秈米淀粉-庚醇包合物都呈現出片塊狀并且表面有許多小孔，這是由于小分子風味物質進入淀粉空腔時，產生了許多小孔，較糊化秈米淀粉而言，包合物的空間層次減弱，表面形態發生了明顯變化，這說明了在包合過程中，秈米淀粉與風味物質之間產生了一定的相互作用，證明了包合物形成。物理混合樣與包合物相比，其表面平整度降低，空間層次多，這也進一步說明了包合物不僅僅是簡單的物理混合。

圖4 糊化淀粉及包合物、混合物的掃描電鏡圖譜Fig.4 SEM graphs of the ingredients mixtures and inclusion complexes

2.6 釋放實驗結果

從圖5中可以看出，當在4 ℃時，秈米淀粉-庚醇包合物釋放1 d后，在相對濕度為33%時，庚醇的保留率為82.37%，而當相對濕度為93%時，包合物中庚醇的保留率還剩下27.48%，兩者之間是有很大差異性的。而當釋放結束時，相對濕度33%條件下，包合物中庚醇的保留率還剩29.81%，相對濕度為93%時包合物中的庚醇保留率還剩下17.39%，兩者釋放曲線的斜率表明了該環境下的釋放速率。從斜率上來看，當溫度一定時，相對濕度越大，包合物中客體分子釋放得越容易[13]。造成這種差異存在的原因有2個：(1)當水分子的存在時，包合物處于與包合過程相反的逆向過程中，原來包合的主客體之間開始分離，從而使得處于結合態的被包合風味物質處于游離的狀態，進一步加快了客體分子的釋放速率；(2)是水分子與秈米淀粉空腔內的庚醇分子形成了競爭的關系，能夠取代已經被包合的庚醇分子，將部分的客體分子擠到了反應環境中，從而離開包合物，加劇了客體物質的釋放[14]。

圖5 不同貯藏條件下秈米淀粉-庚醇包合物的釋放曲線Fig.5 Release behavior of the indica rice starch-2-heptanol inclusion complexes under different storage conditions

從表4可以看出，通過Avrami方程擬合，相關系數R2都在0.900 0以上，說明曲線擬合度較好。對于秈米淀粉-庚醇包合物來說，在4 ℃、25 ℃及相對濕度在33%、93%的條件下，其釋放機制常數n在0.28～0.67之間，說明秈米淀粉-庚醇包合物釋放介于擴散以及釋放之間[15]。在4 ℃時，在相對濕度33%和93%的條件下，秈米淀粉-庚醇包合物的釋放常數k分別為0.108 4 d-1和8.482 3 d-1，在25 ℃時，其釋放常數分別是0.226 6 d-1和9.036 7 d-1，這說明在溫度相同時，釋放速率隨相對濕度的增加而增加。我認為這主要因為庚醇包合物吸收空氣中的水分，使得部分庚醇中的羥基易與空氣中的水分形成氫鍵，從而使庚醇更易釋放。而在相對濕度一定時，釋放速率又隨溫度的增加而增加。這是因為當相對濕度一定時，環境溫度升高也使得本來就極易揮發的庚醇離開包合主體，加劇釋放。

表4 包合物的釋放相關常數

3 結論

在單因素實驗的基礎上，根據正交實驗結果顯示，制備秈米淀粉-庚醇包合物的最佳條件為主客比10∶0.3(g∶μL)、包合溫度30 ℃、萃取溫度60 ℃。同時進行了最佳組合的包合率測定實驗，包合率為77.01%。

對所制備的包合物進行了X-衍射、固體核磁及掃描電鏡分析結果表明包合物的形成。X-衍射分析可得包合物與糊化秈米的晶型有所改變，為Vh型；固體核磁證明了包合物中風味物質的存在，從而進一步說明了包合物的形成；掃描電鏡淀粉在包合物形成的前后由光滑平整，片狀網狀結構變成片塊狀并且表面有許多小孔，也說明了包合物的形成。

在釋放動力學研究中表明在溫度相同時，庚醇的釋放隨濕度的增加而增加；在濕度相同時，庚醇釋放隨溫度的增加而增加，說明秈米淀粉-庚醇包合物應該在低溫干燥的條件下貯藏。

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Preparation and release characterization of indica rice starch-2-heptanol

JIN Shan-shan, ZHANG Shu, LI Ya-qin, ZHOU Yi-bin*

(School of Tea and Food Technology, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China)

The indica rice starch-2-heptanol inclusion complex was prepared by melting method. The results showed that the highest inclusion efficiency of indica rice starch-2-heptanol was 77.01% under the following conditions: the ratio of the host and the guest 10∶0.3(g∶μL), the inclusion temperature 30 ℃ and the extract temperature 60 ℃. The formation of inclusion complex was confirmed by X-ray,13C-NMR and SEM. The release of indica rice starch-2-heptanol under different conditions were detected by Avrami equation. The results indicated that 2-heptanol released faster under higher temperature and humidity.

indica rice starch; 2-heptanol; inclusion; release kinetics

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201612024

碩士研究生(周裔彬教授為通訊作者,E-mail：zhouyibin@ahau.edu.cn)。

國家自然科學基金(31271960)

2016-02-16，改回日期：2016-05-26