濕磨輔助制備淀粉-脂質復合物及其結構和性能研究

董 營,代養勇*,曹 健,侯漢學,王文濤,張 慧,丁秀臻,李 誠,王 斌

1.山東農業大學 食品科學與工程學院,山東 泰安 271018

2.山東省糧食加工技術工程技術研究中心,山東 泰安 271018

3.河南工業大學 生物工程學院,河南 鄭州 450001

淀粉-脂質復合物是一種新型的綠色改性淀粉,為擴大淀粉的應用提供了新思路。淀粉-脂質復合物的形成能夠減少淀粉溶脹和溶解,延緩淀粉糊化和回生,顯著改變淀粉的理化性質,從而影響最終產品的質量和營養特性[1-2]。因此,淀粉-脂質復合物的生產和應用越來越受到研究人員的關注。

常見的淀粉-脂質復合物的制備方法有化學法(二甲亞砜分散法、堿液分散法等)、物理法(加熱法、超高壓法和擠壓蒸煮法等)、酶法(脫支酶等)等[3]?；瘜W法具有復合效率高等優點,但存在產生大量廢液、污染環境等問題。酶法可以精準增加淀粉體系中直鏈淀粉分子含量,從而提高復合效率,但由于工藝復雜,局限性大等問題,不適合大規模生產。物理法憑借其綠色環保、工藝簡單等優點而被廣泛關注[4]。研磨在改善淀粉性能方面顯示出良好的潛力。在研磨過程中,強勁的沖擊、剪切和摩擦會引起淀粉形態、晶體或分子結構受損,進而導致淀粉在熱特性、水溶性和消化等方面發生變化[5]。Zhang等[6]發現,超細粉碎可以顯著減小薏苡仁淀粉的粒徑,并改善其糊化和熱性能。Liu等[7]研究表明,球磨會導致淀粉顆粒破裂、變形,結晶度和短程有序度降低。

以往的研究更多使用干法研磨對淀粉進行改性,而濕磨對淀粉結構和性質的影響研究較少。在濕磨過程中,水可以防止被研磨的材料黏附在球上,顯著提高研磨的均勻性[8]。同時水還可以吸收研磨過程中產生的熱量,有效避免粉塵爆炸等問題[8]。更重要的是,水作為一種優良的淀粉增塑劑,可能會增強研磨對淀粉結構的作用。因此,作者以玉米淀粉(CS)與月桂酸為原料,采用濕磨輔助制備淀粉-脂質復合物,并分析先復合后濕磨(C/WG)和先濕磨后復合(WG/C)兩種處理方式對淀粉-脂質復合物結構和性能的影響,為濕磨處理在淀粉-脂質復合物生產中的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

普通玉米淀粉(水分13.06%、粗蛋白質0.39%、粗脂肪0.34%)：山東諸城興貿玉米開發有限公司;α-淀粉酶(100 U/mg)：美國Sigma-Aldrich公司;淀粉葡萄糖苷酶(100 000 U/mL)：上海源葉生物科技有限公司;月桂酸、溴化鉀等均為分析純。

1.2 儀器與設備

ST-Q200行星式球磨機：北京旭鑫儀器設備有限公司;Advance X射線衍射儀：德國Bruker AXS有限公司;200 PC差示掃描量熱儀：德國Netzsch公司;RVA-Eritm快速黏度分析儀：瑞典Perten公司;Quanta FEG250掃描電子顯微鏡：美國FEI公司;Nicolet iS5傅里葉變換紅外光譜儀：美國Thermo Fisher Scientific公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 濕磨輔助制備淀粉-脂質復合物

方法一(C/WG)：稱取50.00 g天然玉米淀粉(NCS)溶于去離子水中配制10%(m/m)的淀粉懸浮液,90 ℃攪拌加熱30 min。再加入溶于乙醇(3.00 mL)的月桂酸(3.00 g)溶液,90 ℃攪拌加熱60 min,之后將混合液置于研磨罐中,90 ℃按球料(研磨球與淀粉樣品)質量比4∶1分別研磨0、2.5、5、10、15 min。用50%乙醇溶液離心洗滌3次。再將沉淀物干燥、研磨并通過100目篩,儲存在自封袋中,分別命名為未進行濕磨的對照組(Control)、CS-C/WG-2.5、CS-C/WG-5、CS-C/WG-10和CS-C/WG-15。

方法二(WG/C)：稱取50.00 g天然玉米淀粉(NCS)溶于去離子水中配制成10%(m/m)的淀粉懸浮液,90 ℃攪拌加熱30 min。再加入溶于乙醇(3.00 mL)的月桂酸(3.00 g)溶液,并將其置于研磨罐中,90 ℃按球料質量比4∶1分別研磨0、2.5、5、10、15 min。之后再將混合液90 ℃攪拌加熱60 min。用50%乙醇溶液離心洗滌3次。再將沉淀物干燥、研磨并通過100目篩,儲存在自封袋中,分別命名為CS-WG/C-2.5、CS-WG/C-5、CS-WG/C-10和CS-WG/C-15。

1.3.2 復合指數

將2.00 g淀粉樣品分散到20.00 mL去離子水中,95 ℃加熱30 min。再將5.00 mL混合液與25.00 mL去離子水混合均勻后振蕩離心。取500 μL上清液,加入15 mL去離子水與2 mL碘溶液。在波長690 nm處測定樣品的吸光度,并計算復合指數[9]。

1.3.3 晶體結構

采用X射線衍射儀測定淀粉顆粒結晶特性。電壓40 kV,電流100 mA,特征射線CuKα,測量角(2θ)5°～40°,步長0.02°,掃描速率4°/min[10]。

1.3.4 分子結構

將1.00 mg樣品和150.00 mg溴化鉀粉末充分研磨后裝入壓片模具中,經抽真空壓制成薄片。利用傅里葉紅外光譜儀對淀粉樣品進行掃描,測定條件：波數400～4 000 cm-1,掃描次數64,分辨率4 cm-1[11]。

1.3.5 糊化特性

采用差示量熱掃描儀(DSC)測定淀粉的糊化特性。將5.00 mg淀粉樣品與15 μL去離子水加到鋁制密封坩堝中,在室溫下平衡過夜。升溫速率為10 ℃/min,測量溫度由20 ℃升至120 ℃,保護氣N2[12]。

1.3.6 黏度特征

在快速黏度分析儀(RVA)程序中輸入淀粉樣品的水分含量,根據程序給出的數值,在鋁罐中加入淀粉樣品和去離子水,測定淀粉的黏度特征值[13]。

1.3.7 溶解度和膨脹力

配制2.0%(m/m)的淀粉乳,85 ℃連續攪拌糊化30 min。待懸浮液冷卻至室溫后,離心并收集上清液。將上清液于105 ℃干燥至恒質量,并稱量離心后沉淀物的質量,計算溶解度(S)與膨脹力(SP)。

S=A/C×100%;SP=B/(C(100-S)),

式中：A為上清液烘至恒重后的質量,g;B為離心后沉淀物質量,g;C為樣品干基質量,g。

1.3.8 體外消化

將適量淀粉樣品分散在磷酸鹽緩沖溶液中。加入混合酶溶液(α-淀粉酶和葡糖淀粉酶),37 ℃分別振蕩20、30、60、90、120、150、180 min,使用葡萄糖分析儀測定水解過程中各時間段的葡萄糖釋放量[4]。

1.3.9 顆粒形貌

將干燥的淀粉樣品用導電雙面膠帶固定在圓形鋁臺上,并用金噴涂。使用掃描電子顯微鏡放大500倍進行顆粒形態的觀察。

1.4 數據處理

每組試驗至少重復3次,結果表示為平均值±標準偏差。采用SPSS 22.0和Origin 8.5對數據進行處理。

2 結果與分析

2.1 復合指數

直鏈淀粉與月桂酸分子的結合會降低淀粉結合碘的能力,據此可測定淀粉-脂質復合物的含量。復合指數越大,表明直鏈淀粉分子和月桂酸所形成淀粉-脂質復合物越多[14-16]。如圖1所示,隨著濕磨時間從0 min增加至10 min,CS-WG/C與CS-C/WG的復合指數逐漸增加。表明濕磨處理可使更多的月桂酸進入直鏈淀粉的疏水性腔,形成更多的淀粉-脂質復合物。但在濕磨處理15 min后,復合指數下降,這是由于長時間的濕磨處理導致直鏈淀粉過度解聚,進而不易與月桂酸形成復合物。此外,在相同的濕磨時間下,CS-WG/C比CS-C/WG的復合指數更大。表明在先復合后濕磨的過程中,部分已經形成的淀粉-脂質復合物可能會被之后的濕磨處理所破壞。所以先濕磨后復合的方式更有利于形成淀粉-脂質復合物。

注：不同大小寫字母分別表示CS-WG/C與CS-C/WG組中不同樣本間差異顯著(P<0.05)。圖1 樣品的復合指數Fig.1 Composite index of samples

2.2 晶體結構

由圖2可知,NCS在15°、17°、18°和23°處出現了強衍射峰,表明NCS為典型的A型晶體結構[17]。而Control、CS-WG/C與CS-C/WG都在13°和20°附近出現強衍射峰,這是V型晶體結構的特征峰,表明玉米淀粉與月桂酸形成了淀粉-脂質復合物[4,18]。同時,CS-WG/C與CS-C/WG都比Control表現出了更強的衍射峰強度,表明濕磨處理有利于更多的淀粉-脂質復合物的形成。隨著濕磨時間從0 min增加至10 min,CS-WG/C與CS-C/WG的V型結晶特征衍射峰強度逐漸增大。這是由于濕磨破壞了淀粉顆粒,使其釋放出更多的直鏈淀粉來參與淀粉-脂質復合物的形成。同時,濕磨還可以增加月桂酸與直鏈淀粉的接觸機會,促進復合物的形成。在相同的濕磨時間下,CS-WG/C比CS-C/WG的衍射峰強度更高?？梢?先濕磨后復合更有利于的淀粉-脂質復合物形成,復合指數也進一步佐證了這一推測。

2.3 分子結構

如圖3所示,與NCS相比,Control、CS-WG/C與CS-C/WG在2 850 cm-1與1 740 cm-1處出現了2個新的吸收峰,這是由于月桂酸分子中的亞甲基基團和羰基基團的伸縮振動引起的,這也證明了Control、CS-WG/C與CS-C/WG中淀粉-脂質復合物的形成。同時,隨著濕磨時間從0 min增加至10 min,CS-WG/C與CS-C/WG在2 850 cm-1與1 740 cm-1處的吸收峰強度逐漸增大?？梢?濕磨處理促進了更多的月桂酸進入淀粉螺旋空腔形成淀粉-脂質復合物,進而使淀粉螺旋結構更加密集。

注：(a)-1、(a)-2分別為(a)在2 830～2 870 cm-1和1 720～1 760 cm-1的放大圖;(b)-1、(b)-2分別為(b)在2 830～2 870 cm-1和1 720～1 760 cm-1的放大圖。圖3 樣品的紅外光譜Fig.3 FT-IR spectra of samples

2.4 糊化特性

表1 樣品的DSC參數Table 1 DSC parameters of samples

2.5 黏度特征

RVA常用于測定淀粉懸浮液在加熱過程中的黏度變化[19]。如表2所示,與Control相比,CS-WG/C與CS-C/WG的峰值黏度、谷值黏度較小?？梢?淀粉顆粒經過濕磨處理后淀粉鏈易解旋斷裂,黏度降低。與Control相比,CS-WG/C與CS-C/WG的終值黏度與成糊溫度較大。這是由于月桂酸與直鏈淀粉相互纏繞成了更加緊密的網狀結構,進而增強了淀粉顆粒的熱穩定性。與相同研磨時間下的CS-C/WG相比,CS-WG/C的終值黏度與成糊溫度更大。CS-WG/C-10的終值黏度增至最大(2 541 mPa·s),CS-WG/C-10的成糊溫度也增至最大(83.1 ℃)?？梢?此時形成了更多的淀粉-脂質復合物。

表2 樣品的RVA參數Table 2 RVA parameters of samples

2.6 溶解度與膨脹力

從表3可以看出,與Control相比,CS-WG/C與CS-C/WG的溶解度和膨脹力都有所下降?？梢?淀粉顆粒經過濕磨處理后更容易與月桂酸形成淀粉-脂質復合物。淀粉-脂質復合物的形成會影響直鏈淀粉的羥基親水結構,抑制水分子滲透到顆粒內部,進而抑制淀粉顆粒膨脹與溶解[20]。另外,淀粉-脂質復合物致密的有序結構對水的擴散具有較高的屏蔽作用,進而使淀粉難以被溶解[21]。隨著濕磨時間從0 min增加至10 min,CS-WG/C與CS-C/WG的溶解度和膨脹力都有所下降。并且CS-WG/C-10的溶解度和膨脹力降至最小值,分別為3.9%與7.8 g/g?？梢?在濕磨處理10 min后直鏈淀粉與月桂酸形成了的淀粉-脂質復合物最多。在相同的濕磨時間下,CS-WG/C比CS-C/WG的溶解度和膨脹力值都低。這是由于先濕磨后復合的方式促進了更多淀粉-脂質復合物的形成,進而阻礙了淀粉顆粒的溶解與溶脹。

表3 樣品的溶解度與膨脹力Table 3 Solubility and swelling power of samples

2.7 體外消化

如圖4所示,與Control相比,CS-WG/C與CS-C/WG展現出了較低的體外消化曲線?？梢?形成的淀粉-脂質復合物越多,淀粉顆粒內部越緊密,淀粉酶越不容易進入淀粉顆粒。同時,在相同研磨時間下,CS-WG/C具有比CS-C/WG更低的體外消化曲線。根據淀粉的消化速率可將其分為RDS、SDS與RS三類[22]。如圖4所示,隨著研磨時間從0 min延長到10 min,CS-WG/C與CS-C/WG的RDS含量不斷下降,而RS含量不斷增大。與相同研磨時間下的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%)?？梢?先濕磨后復合的方式會使得淀粉具有更高的酶抗性。這也與形成了更多的淀粉-脂質復合物有關,這一結果與XRD和DSC的結果相一致。

圖4 樣品的體外消化曲線Fig.4 In vitro digestion curves of samples

2.8 顆粒形貌

在圖5(a)中,天然玉米顆粒是不規則的多面體,具有相對光滑和完整的表面。天然玉米淀粉分子排列緊密,不溶于冷水。在90 ℃下攪拌加熱30 min后,水分子進入淀粉顆粒內部,淀粉顆粒被糊化,顆粒形態被嚴重破壞,越來越多的顆粒黏結在一起(圖5(b)—(j))。Control、CS-WG/C與CS-C/WG顆粒表面出現一些褶皺與裂縫。顆粒表面吸附的淀粉小碎屑明顯增多。同時,隨著研磨時間的延長,越來越多的CS-WG/C與CS-C/WG顆粒表面出現裂縫(圖5(c)—(j)),有利于月桂酸的擴散與直鏈淀粉的浸出。

圖5 樣品的掃描電鏡圖Fig.5 SEM characterization of samples

3 結論

在濕磨作用下,淀粉顆粒被破壞,更多的直鏈淀粉鏈被釋放出來參與淀粉-脂質復合物的形成。同時,濕磨還增加了月桂酸與直鏈淀粉的接觸機會,促進復合物的形成。此外,先濕磨后復合的方式更有利于淀粉-脂質復合物的形成。但較長時間的研磨處理會破壞已經形成的淀粉-脂質復合物。本研究可為濕磨改善淀粉性能的研究提供理論基礎,但僅使用玉米淀粉與月桂酸為原料制備淀粉-脂質復合物,不同類型的淀粉與配體對淀粉-脂質復合物形成的影響及其作用機理尚不明確,有待于進一步研究。