單甘酯-小麥淀粉復合物的制備及其性能

張明月，楊留枝，婁雪，馮琳琳，景悅，劉延奇, *

1. 鄭州輕工業大學食品與生物工程學院（鄭州 450002）；2. 食品生產與安全河南省協同創新中心（鄭州 450002）

淀粉作為離散的半結晶顆粒儲存在高等植物中，占亞洲國家每日能量攝入量的50%以上[1]。天然的淀粉顆粒，包含直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種大分子，均是由α-1, 4糖苷鍵和少量的α-1, 6糖苷鍵連接α-D-吡喃葡萄糖形成的復雜高分子[2]。在復合物的形成過程中，由于直鏈淀粉的螺旋結構內部是非極性區域，可與脂質的碳氫鏈之間發生疏水性交互作用，進而形成單螺旋包合物。淀粉-脂質復合物的形成可以改變原淀粉的理化性質，例如可以延緩淀粉的老化、降低淀粉的水解、增加抗消化性等。因此，淀粉-脂質復合物作為穩定劑、脂肪替代品和乳化劑應用于食品及功能性食品等領域。

目前，淀粉-復合物的制備方法包括DMSO法、KOH溶劑法、酶催化合成法、高壓均質法、蒸汽噴射蒸煮法、擠壓蒸煮法、干法等[3]。除了制備方法外，淀粉的種類、直鏈淀粉的含量、配體分子的大小及HLB值等均可以影響淀粉-脂類復合物的形成[4]。研究表明不同制備方法顯著影響淀粉結構及性質。申瑞玲等[5]研究了KOH溶劑法制備最佳藜麥淀粉-硬脂酸復合物的工藝條件：硬脂酸與淀粉比例1︰12、溫度為60℃、0.1 mol/L HCl添加量14 mL、保溫時間30 min。劉靜娜等[6]研究了高壓均質法制備最佳玉米淀粉-脂質復合物的工藝條件：硬脂酸添加量0.5%、高壓均質壓力100 MPa、高壓均質次數3次、糊化預處理溫度95 ℃。Wang等[7]研究了超聲波處理、DMSO加熱和支鏈淀粉酶脫支3種處理方法對馬鈴薯淀粉-月桂酸復合物和淀粉基薄膜性質的影響，結果表明3種方法制備的淀粉復合物均具有高的拉伸性和低的透濕性。Lu等[8]采用兩種干法制備了淀粉-脂肪酸復合物，發現采用加入脂肪酸之前加熱淀粉這種干法更能促進薄層微晶的形成。總之，不同的方法制備脂肪酸復合物的復合指數及性質都有影響。為了更快速有效地制備單甘酯-小麥淀粉（GMS-WS）復合物，試驗采用DMSO法制備GMS-WS復合物，研究單甘脂的添加量、反應溫度和反應時間對CI的影響，同時探究了單甘酯對小麥淀粉熱性質和結構的影響，以掌握單甘酯對小麥淀粉性質影響的規律，為擴大小麥淀粉的應用范圍，提供相關應用參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥淀粉，Sigma公司，食品級；甘油單硬脂酸酯（GMS），廣東光華化學廠有限公司，化學純；二甲基亞砜（DMSO），天津市風船化學試劑科技有限公司，分析純；無水乙醇，天津富宇精細化工有限公司，分析級；溴化鉀，天津光復精細化工研究所，光譜純。

1.2 儀器與設備

電子恒溫水浴鍋（DZKW-4型，北京中興偉業儀器有限公司）；高速離心機（TDZ 5-WS型，湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司）；紫外可見光光度計（TGL-16 gH型，科曉化工儀器設備有限公司）；傅里葉變換紅外光譜儀（Vertex 70型，德國布魯克公司）；多功能X射線衍射儀（D 8 Advance型，德國Bruker公司）；差示掃描量熱儀（Q 20型，美國TA公司）。

2 試驗方法

2.1 GMS-WS復合物的制備

參照劉延奇等[9]和史苗苗等[10]的方法，稱取不同含量的單甘脂（1%，3%，5%，7%和9%）溶于15 mL乙醇，再加入30 mL DMSO配成脂肪酸溶液。將3 g小麥淀粉加入脂肪酸溶液，用電爐加熱至沸騰后加入300 mL 90 ℃的水，分別在不同溫度（60，70，80，90和100 ℃）下保溫10，20，30，40和50 min。待體系冷卻至室溫后離心，沉淀用50%的乙醇/水溶液洗滌離心3次，在40 ℃下烘干24 h，研磨過篩，即得GMSWS復合物。

2.2 復合指數的測定

GMS-WS復合物的復合指數依據Wang等[11]的方法進行測量，并稍作修改：稱取2.1小節制備的GMS-WS復合物（0.4 g）到50 mL離心管中，加入蒸餾水至總質量為5 g。將懸浮液在沸水浴中加熱10 min或直到淀粉完全膠凝化。冷卻至室溫后，將25 mL蒸餾水加入到膠凝樣品中，并渦旋振蕩2 min，然后以3 000 r/mL離心15 min。再吸取上清液（500 μL）轉移到試管中并與15 mL蒸餾水和2 mL碘溶液（2.0% KI和1.3% I2的蒸餾水）混合。在620 nm處測量紫外吸光度。使用小麥淀粉作為參考。CI按式（1）計算：

2.3 單因素試驗對復合指數的影響

試驗選擇3個單因素來考察對GMS-WS復合物的復合指數的影響，分別是單甘酯的添加量（1%，3%，5%，7%和9%）、反應溫度（60，70，80，90和100 ℃）和保溫時間（10，20，30，40和50 min），試驗結果均以小麥淀粉復合物的復合指數來衡量和選擇。

2.4 正交試驗優化

為了優化GMS-WS復合物的制備工藝，基于單因素試驗基礎上，采用L9(34)正交試驗方案進行設計。試驗因素與水平見表1。

表1 L9(34)因素與水平

2.5 傅里葉紅外光譜分析（FT-IR）

取定量干燥的KBr，研細，再加入少量地樣品，混合均勻并壓片（0.5 mm），隨后將該薄片放入樣品卡槽于主機中掃描。測定條件：分辨率4 cm-1，波數范圍4 000～400 cm-1，掃描次數64次。

2.6 X-射線衍射測試（XRD）

將淀粉樣品（0.5 g）置于鋁板上的矩形槽中（開口尺寸15～20 mm，厚度1.5 mm）并壓制。在3 kV和20 mA下用XRD的Cu-Kα射線測量淀粉樣品。測量在5°和40°（2θ）之間進行，樣品步長為0.02°，掃描速率為4°/min，掃描方式為連續，重復1次。

2.7 熱特性分析（DSC）

將約10 mg樣品（水與淀粉質量比7︰3）置于鋁盤中，用卷曲機密封，在室溫下平衡12 h。使用空鋁盤作為參考，加熱范圍20～140 ℃，加熱速率10 ℃/min。相變參數分別用起始溫度（T0）、峰值溫度（Tp）、最終溫度（Tc）和焓變（ΔH）表示。

3 結果與分析

3.1 GMS-WS復合物制備的工藝條件優化

3.1.1 GMS-WS復合物制備的單因素試驗結果

考察單甘酯與小麥淀粉添加比例、結晶溫度和保溫時間對GMS-WS復合物復合指數的影響，結果如圖1所示。

由圖1（a）可知，隨著單甘酯含量的增加，GMSWS復合物的CI值逐漸增加，當單甘酯的含量為5%時，它的CI值趨于穩定。這可能是因為小麥淀粉與單甘酯已經充分結合，所以再增加單甘酯的含量，CI值也不會有顯著變化[10]。從圖1（b）中發現，GMS-WS復合物的CI值呈先增加后減小的趨勢。這是因為在低溫下淀粉分子不能與單甘酯充分接觸，導致GMS-WS復合程度不完全；隨著反應溫度的升高，小麥淀粉的結晶區和無定形區易形成多孔結構，增加了單甘酯與淀粉的絡合；當溫度達到90 ℃以上，由于V型無定形復合物在94～110 ℃發生熔融現象致使復合物的CI值降低[5]。由圖1（c）可知，GMS-WS復合物的CI值在20 min時達到了最大值，繼續增加保溫時間，CI值逐漸減小。當保溫時間為10 min 時，單甘酯難溶于水，與小麥淀粉不能充分有效接觸，導致CI較低[12]。通過單因素試驗可知，單甘酯的添加量為7%、結晶溫度為80 ℃和保溫時間為30 min，更有利于GMS-WS復合物的形成。

圖1 單甘酯添加量、結晶溫度和保溫時間對CI的影響

3.1.2 GMS-WS復合物制備的正交試驗優化

在單因素試驗基礎上，以單甘酯添加量、保溫時間和反應溫度為因素，CI為指標，進行三因素三水平的正交試驗，對GMS-WS復合物的制備工藝進行優化。正交試驗設計及結果見表2。

由表2可知，單甘酯添加量、反應溫度和保溫時間對GMS-WS復合物的形成均有一定的影響，其中單甘酯添加量的CI值影響最大，其次是保溫時間和反應溫度。同時，可以得出DMSO法制得GMS-WS復合物的最佳反應條件：單甘酯添加量7%（物質總量）、反應溫度80 ℃、保溫時間30 min，在該反應條件下的CI值為86.8%。

3.2 FT-IR分析

FT-IR光譜（圖2）被用來研究小麥淀粉及GMSWS復合物的化學基團。與原淀粉相比，在GMS-WS樣品的FT-IR光譜中發現兩個額外的吸收帶，分別在1 710和2 855 cm-1。1 710 cm-1處的吸收峰是羰基的伸縮振動峰[13]，2 55 cm-1處較弱的吸收峰是單甘酯分子中亞甲基結構的吸收峰，這是表明淀粉的疏水基團在淀粉鏈螺旋結構的非極性區域形成疏水螺旋腔，與單甘酯的碳氫鍵之間發生疏水性交互作用，進而形成單螺旋包合物[14]。Wang等[15]也發現了這兩個額外的吸收帶，而且還觀察到脂肪酸的羰基帶轉變為具有更高值的脂肪酸酯淀粉復合物的羰基帶，這歸因于結晶階段脂肪酸的氫鍵斷裂和脂肪酸的羰基與直鏈淀粉的羥基之間形成新的氫鍵。3 000～3 600 cm-1區域內的較大寬峰帶為淀粉中—OH的伸縮振動峰。GMS-WS復合物的峰值減弱，說明GMS-WS復合物中部分游離的—OH與分子蒸餾單甘酯中的酯鍵發生酯交換反應，從而使小麥淀粉復合物中—OH減少[16]。

表2 正交試驗設計及結果分析

圖2 小麥淀粉和GMS-WS復合物的紅外光譜圖

3.3 XRD分析

使用X-射線衍射圖譜（圖3）來驗證GMS-WS晶體復合物的形成。小麥淀粉衍射峰主要在15°，17°，18°和23°附近（2θ），為典型的A型結構[17]。同時，再加入單甘酯后額外增加峰值在2θ值為7.59°，13.09°和19.85°，表明小麥淀粉的疏水排斥力誘導直鏈淀粉形成疏水腔，游離單甘酯進入直鏈淀粉的疏水腔，形成了穩定的GMS-WS復合物（A+V型晶體）[18]。從圖3中計算出小麥淀粉的結晶度為53.14%，而GMS-WS復合物的結晶度為46.13%。結果明顯GMS-WS復合物的結晶度小于小麥淀粉的結晶度，這可能是單甘酯阻礙了小麥淀粉的重結晶，導致結晶的致密性和有序度降低，從而使相對結晶度降低[19]。Chang等[20]研究了不同直鏈淀粉含量的玉米淀粉-月桂酸復合物的相對結晶度，發現淀粉復合物的相對結晶度與直鏈淀粉的含量呈負相關，并表明是淀粉糊化過程中支鏈淀粉晶體被破壞導致淀粉復合物的相對結晶度降低。這些結果與FT-IR光譜一致。

圖3 小麥淀粉和GMS-WS復合物的X-射線衍射圖

3.4 熱特性分析

使用DSC熱譜圖來分析GMS-WS復合物的糊化性質。由圖4明顯可以看到原淀粉和GMS-WS復合物都有一個吸熱峰，但添加單甘酯的小麥淀粉T0、Tp、Tc以及ΔH均低于原小麥淀粉，這可能是因為單甘酯分子與直鏈淀粉絡合形成了螺旋結構，使淀粉分子的穩定性降低，且單甘酯的糊化溫度較低，因此導致GMS-WS復合物糊化溫度減小。淀粉的ΔH反映了雙螺旋或淀粉微晶的損失，這些結構的損失很大程度上取決于淀粉顆粒的膨脹程度[21]。在加入單甘酯后，GMS-WS復合物的ΔH顯著降低，可能是淀粉微晶的熔化受到抑制。Wang等[22]和楊偉軍等[23]認為加入脂肪酸導致大米淀粉復合物的ΔH降低可能是淀粉糊化時吸收的熱量與復合物形成時放出的熱量相抵消所導致的。這與添加單甘酯后對小麥淀粉的熱特性研究結果一致，說明單甘酯的添加導致淀粉的糊化溫度降低。

圖4 小麥淀粉和GMS-WS復合物的DSC圖

4 結論

GMS-WS復合物的CI隨單甘酯添加量的增加、反應溫度的升高、反應時間的延長呈先增大后減小的趨勢，影響因素主次順序為單甘酯添加量＞反應溫度=反應時間，制備GMS-WS復合物最佳工藝條件為單甘酯添加量7%、反應溫度80 ℃、保溫時間30 min，此條件下復合指數最高，為86.8%。紅外光譜分析顯示，小麥淀粉與單甘酯發生了反應，形成GMS-WS復合物。X-射線衍射圖表明在2θ值為7.59°，13.09°和19.85°存在特征峰，證實了GMS-WS復合物為V型晶體。DSC熱譜圖分析發現，與原淀粉相比，GMS-WS復合物的糊化溫度和糊化焓降低。