應用高壓均質技術制備玉米淀粉-硬脂酸復合物

孟 爽，馬 鶯，劉天一

(1.哈爾濱工業(yè)大學 食品科學與工程學院，150090哈爾濱;2.哈爾濱商業(yè)大學輕工學院，150028哈爾濱)

淀粉是由直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種多糖組成的天然高分子聚合物，兩種類型的淀粉分子均可與脂肪酸、乳化劑等脂質形成淀粉-脂質復合物，但是以直鏈淀粉為主.脂質的引入能夠改變淀粉的功能和性質，如能夠改善淀粉的抗老化性，降低其溶解性及淀粉糊黏度，改變淀粉的消化性等［1-2］.因此，淀粉-脂質復合物可作為食品加工中的增稠劑、穩(wěn)定劑，果凍、布丁等的凝膠形成劑，脂肪替代品，化妝品組分以及藥片的賦形劑、糖衣制劑、緩釋劑等［1，3-4］.

目前淀粉-脂質復合物的制備方法有:加熱法、擠壓蒸煮法、蒸汽噴射蒸煮法 、冷凍法、二甲亞砜制備法等［1，5-7］.加熱法是淀粉-脂質復合物制備最常用的方法，在高于淀粉糊化溫度條件下，將淀粉與脂肪酸、乳化劑等脂質加去離子水制得熱溶液，緩慢冷卻，脂質在疏水作用下進入淀粉螺旋疏水腔內部形成復合物.該方法工藝簡單方便，但由于脂質在溶液中的溶解度低、分散性差，可形成復合物的直鏈淀粉質量分數(shù)少，復合物形成量較少.因此，淀粉顆粒中直鏈淀粉的釋放量及脂質的溶解度或其在淀粉懸濁液中的分散性是影響淀粉-脂質復合物形成的關鍵因素.高壓均質作為一種常用于淀粉物理改性的動態(tài)高壓技術可有效解決以上問題.高壓作用下淀粉懸濁液高速流過狹窄縫隙時受到劇烈的剪切力、撞擊力和強烈的高頻振蕩，會改變淀粉的黏性，甚至使其結構發(fā)生變化.淀粉糊均質處理時會使吸水膨脹的淀粉顆粒破碎，釋放出直鏈淀粉［8］，而且均質作用會使脂質在淀粉懸濁液中充分分散［9］，因此，高壓均質處理利于淀粉-脂質復合物的形成.本文將高壓均質技術與加熱處理相結合，以硬脂酸作為脂質客體，制備玉米淀粉-硬脂酸復合物，探討高壓均質技術促進玉米淀粉-硬脂酸復合物形成的原因，研究均質條件和硬脂酸添加量對復合物的形成和性質的影響.

1 實驗

1.1 實驗材料與試劑

玉米淀粉(直鏈淀粉質量分數(shù)25.60%)，食品級，長春黃龍食品工業(yè)有限公司;硬脂酸、碘化鉀、碘均為分析純.

1.2 儀器與設備

NS1001L-panda超高壓納米均質機，意大利Niro Soavi公司;FW80-1萬能粉碎機，天津能斯特公司;TLXJ-IIC低速臺式大容量多管離心機，上海安亭科學儀器廠;差示掃描量熱儀DSC6，美國PE公司;D/Max2500X射線衍射儀，日本理學公司;UV754紫外可見分光光度計，上海光譜儀器有限公司.

1.3 實驗方法

1.3.1 脫脂玉米淀粉的制備

利用索氏抽提法以無水乙醚為有機溶劑，將玉米淀粉回流8 h以去除淀粉中脂肪.待乙醚揮發(fā)后，置于40℃干燥24 h，得到干燥的脫脂淀粉.

1.3.2 玉米淀粉-硬脂酸復合物的制備

將硬脂酸溶于乙醇，加入一定量脫脂玉米淀粉，攪拌混合后蒸干乙醇，加入蒸餾水配制淀粉質量分數(shù)為10%的淀粉硬脂酸(硬脂酸質量分數(shù)為淀粉基的0.5%～5%)混合物懸濁液.于95℃水浴中糊化30 min，糊化后樣品冷卻至50℃后進行高壓均質處理，均質壓力為20～120 MPa，均質1～5次.均質后樣品緩慢冷卻至室溫，用50%的乙醇洗滌兩次，除去未反應的硬脂酸，干燥、粉碎后過100目篩.未添加硬脂酸的樣品進行相同的處理作為對照樣.

1.3.3 淀粉-硬脂酸復合物的復合率

應用De Pilli等［5］的方法進行淀粉-脂質復合物復合率的測定.稱取2 g碘化鉀、1.3 g碘，溶于50 mL蒸餾水中，溶解2 h，定容至100 mL.稱取5 g均質后樣品，加25 mL蒸餾水于離心管中，用漩渦混合器混合2 min，3 000g離心15 min，取500μL上清液，加入15 mL蒸餾水、2 mL碘溶液，在690 nm測吸光度，確定與碘的結合能力.根據(jù)下式計算淀粉-硬脂酸復合物的復合率:

式中:C為淀粉 -硬脂酸復合物的復合率;Areference為未添加硬脂酸的對照樣的吸光度;Asample為淀粉-硬脂酸復合物的吸光度.

1.3.4 淀粉糊黏度

將均質后的樣品冷卻至25℃(不攪拌)，應用Brookfield黏度儀(63或64號轉子)，轉子轉速30 r/min，測定樣品黏度.

1.3.5 X-射線衍射分析

固體粉末樣品 X-射線衍射分析，采用Cu靶，石墨單色器、30 kV、30 mA，以掃描速度8°/min、步長 0.02°，在衍射角 2θ為 4°～30°范圍掃描測得.

1.3.6 淀粉-硬脂酸復合物熱特性

稱取淀粉-硬脂酸復合物樣品4.0 mg(干基)于鋁制坩堝中，并以1∶2的比例加入去離子水，密封后平衡24 h.以空坩堝為參比，加熱范圍為20～140℃，加熱速率為10℃/min.相變參數(shù)分別用起始溫度(to)、峰值溫度(tp)、最終溫度(tc)和焓變(ΔH)表示.

1.3.7 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，所有數(shù)據(jù)重復3次，用Origin 8.5軟件繪圖.

2 結果與分析

2.1 玉米淀粉－硬脂酸復合物復合率分析

2.1.1 均質壓力對復合率的影響

圖1為不同均質壓力處理的淀粉糊的吸光度及淀粉-硬脂酸復合物(均質3次，硬脂酸添加量為1%)的復合率.根據(jù)淀粉與碘形成的復合物在690 nm處紫外吸光度值的變化說明高壓均質處理對淀粉分子結構的影響.均質后淀粉糊吸光度隨均質壓力的增大而逐漸增大，淀粉與碘分子的結合能力逐漸增大.均質壓力達80 MPa時，與碘分子結合力最大，吸光度為1.45.當均質壓力為80～120 MPa時，吸光度變化不大.淀粉在高壓均質過程中產生的高速剪切、高頻震蕩、空穴現(xiàn)象和對流撞擊等機械力作用下，一方面使吸水膨脹的淀粉顆粒破碎，釋放直鏈淀粉;另一方面，淀粉在均質過程中部分鏈發(fā)生斷裂，隨著支鏈淀粉被打斷，直鏈淀粉質量分數(shù)增加，導致淀粉與碘的結合能力增強，吸光度增大［10-11］.壓力高于 80 MPa時，吸光度變化較小，表明壓力繼續(xù)增大時產生的剪切、震蕩和撞擊力并不能進一步促進直鏈淀粉的釋放.

圖1 均質壓力對玉米淀粉－硬脂酸復合物復合率的影響

硬脂酸在疏水力推動下進入淀粉螺旋的疏水腔形成復合物，由于硬脂酸占據(jù)了部分淀粉的螺旋內腔，阻礙其與碘分子的結合，導致吸光度降低.因此，復合率可以用來說明淀粉與硬脂酸絡合形成復合物的程度［3，5，12］.淀粉-硬脂酸復合物的復合率曲線說明，均質壓力小于100 MPa時，隨著均質壓力的升高，淀粉-硬脂酸復合物的復合率迅速增大.在100 MPa時復合率達19.92%，而均質壓力由100 MPa升高到120 MPa時，復合率增幅較小.這一變化趨勢與高壓均質對淀粉與碘結合能力的影響一致.高壓均質能夠促進淀粉與硬脂酸形成復合物的原因為:一方面，硬脂酸在水中的溶解度較低，導致其在糊化淀粉體系中分散性較差，而高壓均質過程產生的高剪切力、高頻震蕩、空穴現(xiàn)象和對流撞擊保證硬脂酸微粒均勻地分布于糊化淀粉中，提高了淀粉與硬脂酸接觸的概率;另一方面，與硬脂酸生成復合物的主要是直鏈淀粉［1，13］，高壓均質作用使得破碎的淀粉顆粒中釋放更多的直鏈淀粉，進而促進復合物的形成.

2.1.2 均質次數(shù)對復合率的影響

圖2顯示了均質壓力100 MPa、硬脂酸質量分數(shù)為1%時，均質次數(shù)對淀粉糊吸光度及淀粉-硬脂酸復合物復合率的影響.淀粉-碘復合物的吸光度在均質1～2次時迅速增大，即淀粉與碘分子的結合能力增大.但當均質次數(shù)超過3次后，吸光度增幅較小.表明均質次數(shù)高于3次時，繼續(xù)增加均質次數(shù)并不能使直鏈淀粉的釋放量無限增大.均質次數(shù)對淀粉-硬脂酸復合物復合率的影響與對淀粉糊吸光度的影響結果相似.均質3次后，吸水膨脹的淀粉顆粒已經(jīng)充分破碎、降解，硬脂酸也在淀粉糊中充分分散，故復合率變化不大.

圖2 均質次數(shù)對玉米淀粉－硬脂酸復合物復合率的影響

2.1.3 硬脂酸添加量對復合率的影響

圖3為均質壓力100 MPa、均質處理3次時，不同硬脂酸添加量的淀粉-硬脂酸復合物的復合率.當硬脂酸的添加量由0.5%增大到3%時，復合率由7.25%迅速增大到54.01%.當添加量高于3%時，復合率的變化趨于平緩.硬脂酸添加量越高，直鏈淀粉與其結合的概率越大，復合率升高.但由于硬脂酸在水中的溶解度較低，硬脂酸增加到一定量時會產生聚集［14］，影響復合物的形成.因此，硬脂酸質量分數(shù)為3%～5%時，復合率變化不大.

圖3 硬質酸添加量對玉米淀粉－硬脂酸復合物復合率的影響

Bhatnagar等［15］將玉米淀粉中添加4%硬脂酸，利用擠壓蒸煮法，在擠壓溫度110℃、螺桿轉速110 r/min、19%水分質量分數(shù)條件下，制備得到的玉米淀粉-硬脂酸復合物的復合率為41.0%.Kawai等［12-14］應用加熱法分別利用馬鈴薯淀粉和小麥淀粉與硬脂酸制備淀粉-硬脂酸復合物，其最大復合率分別為 30.9%和 28.0%.本實驗中均質壓力100 MPa、均質3次、硬脂酸添加量3%，得到的玉米淀粉-硬脂酸復合物的復合率為54.01%，高于Kawai等［12，14-15］的研究結果.高壓均質處理利于直鏈淀粉的釋放，提高了淀粉與硬脂酸接觸概率，促進復合物的形成，是復合率提高的主要原因.

2.2 淀粉糊黏度分析

2.2.1 均質壓力對黏度的影響

圖4為不同均質壓力處理的玉米淀粉糊和玉米淀粉-硬脂酸復合物(硬脂酸添加量為1%)的黏度.高壓均質過程中，吸水膨脹的淀粉顆粒在高剪切、高頻震蕩、空穴現(xiàn)象和對流撞擊等機械力的作用下使淀粉顆粒破碎，甚至導致淀粉分子鏈的斷裂，降低了淀粉的相對分子質量，因此，淀粉糊黏度隨均質壓力的升高而降低.與淀粉糊黏度的變化相比，均質壓力對淀粉-硬脂酸復合物黏度的影響更為顯著.隨著均質壓力的升高，玉米淀粉-硬脂酸復合物生成量不斷增加，黏度迅速降至1 Pa·s.淀粉-脂質復合物的形成改變了淀粉的分子結構，由于硬脂酸進入淀粉螺旋疏水腔內，使得淀粉尤其是直鏈淀粉由原來隨機的無規(guī)則卷曲結構轉變?yōu)槭嬲沟膯温菪Y構，直鏈淀粉的流體力學體積降低，導致黏度下降［16］.

圖4 均質壓力對淀粉糊和淀粉－硬脂酸復合物黏度的影響

2.2.2 均質次數(shù)對黏度的影響

均質次數(shù)對淀粉糊和淀粉-硬脂酸復合物黏度的影響如圖5所示.隨著均質次數(shù)的增加，淀粉糊黏度降低.當均質1次時，黏度迅速由未均質的 17.9 Pa·s降為 13.6 Pa·s.但當均質次數(shù)繼續(xù)增加時，黏度降低速度減慢.隨均質次數(shù)增加，淀粉-硬脂酸復合物黏度的變化規(guī)律與淀粉糊相似.由于均質1次時就會形成大量復合物，導致黏度大幅度下降，由未均質樣品的17.4 Pa·s降為 1 Pa·s.繼續(xù)增加均質次數(shù)對復合物形成的影響較小，故黏度變化減緩.

2.2.3 硬脂酸添加量對黏度的影響

圖6顯示了不同硬脂酸添加量對玉米淀粉-硬脂酸復合物黏度的影響.隨著硬脂酸添加量的逐漸增大，黏度先顯著降低.當硬脂酸添加量增大到1.5%后，黏度又略有升高.這是由于隨著硬脂酸添加量的增大，形成更多的玉米淀粉-硬脂酸復合物，引起黏度迅速下降.然而隨著玉米淀粉-硬脂酸復合物量的增加，更多硬脂酸的疏水端進入淀粉螺旋內部，位于螺旋外部的羥基會與相鄰分子形成氫鍵，引起黏度小幅升高［16-17］.均質壓力、均質次數(shù)及硬脂酸質量分數(shù)均會影響玉米淀粉-硬脂酸復合物黏度，這一結果與前面復合率變化規(guī)律一致，進一步說明高壓均質處理有助于玉米淀粉-硬脂酸復合物的形成.

圖5 均質次數(shù)對淀粉糊及淀粉－硬脂酸復合物黏度的影響

圖6 硬脂酸添加量對淀粉－硬脂酸復合物黏度的影響

2.3 淀粉－硬脂酸復合物的X－射線衍射分析

圖7為不同均質條件及硬脂酸添加量制備的玉米淀粉-硬脂酸復合物的X-射線衍射圖譜.將其與原普通玉米淀粉的圖譜進行比較，發(fā)現(xiàn)玉米淀粉-硬脂酸復合物幾乎失去了普通玉米淀粉A型晶型的所有特征峰 (14.9°，17.2°，18.1°和22.9°)，而在7.4°，12.9°和 19.8°出現(xiàn)衍射峰，這正是淀粉-脂質復合物形成的V型晶型的特征峰，說明硬脂酸進入淀粉的單螺旋內部形成絡合物［18］.隨著壓力的增高、均質次數(shù)的增多、硬脂酸添加量的增大，V型特征峰的強度逐漸增大(12.9°和 19.8°兩個特征峰的強度變化尤為明顯).表明玉米淀粉-硬脂酸復合物生成量增多，且復合物X-射線衍射特征峰強度的變化規(guī)律與復合率結果一致，再一次證明高壓均質處理會促進淀粉與硬脂酸形成復合物.

2.4 淀粉－硬脂酸復合物熱特性分析

表1～3分別為不同均質壓力、均質次數(shù)和硬脂酸添加量制備的淀粉-硬脂酸復合物的熱特性參數(shù).結果表明，不同條件制備的復合物均在93～115℃區(qū)間內產生吸熱峰，峰值在103～106℃范圍內，而均質壓力、均質次數(shù)和硬脂酸添加量均對其沒有顯著影響.Putseys 等［1，19］的研究結果均表明淀粉脂質復合物的吸熱特征峰為90～115℃范圍內，與本實驗的結果一致.

圖7 不同均質條件及硬脂酸添加量制備的玉料淀粉－硬脂酸復合物X－射線衍射圖

表1 不同均質壓力制備的玉米淀粉－硬脂酸復合物(硬脂酸添加量1%，均質3次)熱特性

表2 不同均質次數(shù)制備的玉米淀粉－硬脂酸復合物(均質壓力100 MPa，硬脂酸添加量1%)熱特性

表3 不同硬脂酸添加量制備的玉米淀粉－硬脂酸復合物(均質壓力100 MPa，均質3次)熱特性

隨著均質壓力升高和均質次數(shù)的增加，復合物熱焓值由 1.89 J/g分別增至 3.26和 3.25 J/g.同樣，硬脂酸的添加量對復合物熱焓值也有顯著影響，焓值隨著硬脂酸添加量的增大而升高，當添加 5%的硬脂酸時，熱焓值達 5.93 J/g.Eliasson［20］的研究表明，熱焓值的大小可以用來衡量復合物的生成量.因此，焓值越高說明生成越多的淀粉-脂質復合物，這進一步說明均質壓力、均質次數(shù)和硬脂酸添加量均會影響玉米淀粉-硬脂酸復合物的生成.

3 結論

1)玉米淀粉與硬脂酸在高壓均質的作用下可以生成玉米淀粉-硬脂酸復合物，高壓均質導致淀粉顆粒的破碎、降解，獲得更多直鏈淀粉，同時提高硬脂酸與直鏈淀粉的接觸機會.因此，高壓均質處理促進了淀粉-硬脂酸復合物的生成.硬脂酸添加量為3%、100 MPa均質3次時，復合率可達54.01%.玉米淀粉-硬脂酸復合物的復合率越高，黏度越低.

2)X-射線衍射圖在 7.4°，12.9°和 19.8°出現(xiàn)淀粉-脂質復合物V型晶型的特征峰，表明玉米淀粉與硬脂酸在高壓均質的作用下生成了具有V型結構的玉米淀粉-硬脂酸復合物.均質壓力增大、均質次數(shù)和硬脂酸量增多，生成的復合物增多，V型特征峰強度增大.

3)對玉米淀粉-硬脂酸復合物的熱特性研究發(fā)現(xiàn)在93～115℃范圍內出現(xiàn)的吸熱峰，為淀粉脂質復合物的特征吸熱峰.增大均質壓力、均質次數(shù)和硬脂酸添加量，復合物熱焓值升高.

［1］ PUTSEYS J A，LAMBERTS L，DELCOUR J A.Amylose-inclusion complexes:formation，identity and physico-chemical properties［J］.Journal of Cereal Science，2010，51(3):238-247.

［2］ ELIASSON A C，KROG N.Physical properties of amylose-monoglyceride complexes［J］.Journalof Cereal Science，1985，3(3):239-248.

［3］ GURAYA H S，KADAN R S，CHAMPAGNE E T.Effect ofrice starch-lipid complexeson in vitro digestibility，complexing index，and viscosity ［J］.Cereal Chemistry，1997，74(5):561-565.

［4］SINGH M，BYARS J A.Starch-lipid composites in plain set yogurt［J］.International Journal of Food Science and Technology，2009，44(1):106-110.

［5］PILLIDE T，JOUPPILA K，IKONEN J，et al.Study on formation of starch-lipid complexes during extrusioncooking ofalmond flour［J］.JournalofFood Engineering，2008，87(4):495-504.

［6］ FANTA G F，KENAR J A，BYARS J A，et al.Properties of aqueous dispersions of amylose-sodium palmitate complexes prepared by steam jet cooking［J］.Carbohydrate Polymers，2010，81(3):645-651.

［7］ZABAR S，LESMES U，KATZ I，et al.Studying different dimensions of amylose-long chain fatty acid complexes:molecular，nano and micro level characteristics［J］.Food Hydrocolloids，2009，23(7):1918-1925.

［8］CHE L M，WANG L J，LI D，et al.Starch pastes thinning during high-pressure homogenization ［J］.Carbohydrate Polymers，2009，75(1):32-38.

［9］ LESMESU， BARCHECHATHJ， SHIMONIE.Continuous dual feed homogenization for the production of starch inclusion complexes for controlled release of nutrients［J］.Innovative Food Science ＆ Emerging Technologies，2008，9(4):507-515.

［10］WANG B，LI D，WANG L J，et al.Effect of high-pressure homogenization on microstructure and rheological properties of alkali-treated high-amylose maize starch［J］.Journal of Food Engineering，2012，113(1):61-68.

［11］NILSSON L，LEEMAN M，WAHLUND K G，et al.Mechanical degradation and changes in conformation of hydrophobically modified starch ［J］.Biomacromolecules，2006，7(9):2671-2679.

［12］KAWAI K，TAKATO S，SASAKI T，et al.Complex formation，thermal properties，and in-vitro digestibility of gelatinized potato starch-fatty acid mixtures［J］.Food Hydrocolloids，2012，27(1):228-234.

［13］MORRISON W R，LAW R V，SNAPE C E.Evidence for inclusion complexes of lipids with v-amylose in maize，rice and oat starches［J］.Journal of Cereal Science，1993，18(2):107-109.

［14］TANG M C，COPELAND L.Analysis of complexes between lipids and wheat starch ［J］.Carbohydrate Polymers，2007，67(1):80-85.

［15］BHATNAGAR S，HANNA M A.Amylose lipid complexformation during single-screw extrusion of various corn Starches［J］.Cereal Chemistry，1994，71(6):582-587.

［16］RAPHAELIDES S N.Rheological studies of starch fattyacid gels［J］.Food Hydrocolloids，1993，7(6):479-495.

［17］RAPHAELIDES S N，GEORGIADIS N.Effect of fatty acids on the rheological behaviour of maize starch dispersions during heating ［J］. Carbohydrate Polymers，2006，65(1):81-92.

［18］SHOGREN R L，F(xiàn)ANTA G F，F(xiàn)ELKER F C.X-ray diffraction study of crystal transformations in spherulitic amylose/lipid complexes from jet-cooked starch ［J］.Carbohydrate Polymers，2006，64(3):444-451.

［19］KARKALAS J，MA S，MORRISON W R，et al.Some factors determining the thermal-properties of amylose inclusion complexes with fatty-acids［J］.Carbohydrate Research，1995，268(2):233-247.

［20］ELIASSON A C.Starch-lipid interactions studied by differential scanning calorimetry［J］.Thermochimica Acta，1985，95(2):369-374.