脂肪酸不飽和度對高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物結構和熱性能的影響

米紅波,蘇 情,李政翰,儀淑敏,李學鵬,勵建榮

(渤海大學食品科學與工程學院,遼寧省食品安全重點實驗室,生鮮農產品貯藏加工及安全 控制技術國家地方聯合工程研究中心,國家魚糜及魚糜制品加工技術研發分中心,遼寧錦州 121013)

直鏈淀粉是一種由α-D-葡萄糖組成的線性多聚物,可將脂質等小分子化合物纏繞在內部,呈左手螺旋結構。每6個葡萄糖單位組成螺旋的一個節距,在螺旋內部只含親油的氫原子,羥基位于螺旋外側,形成V型直鏈淀粉結構[1-2]。已證明直鏈淀粉作為一種包埋壁材可以與多種化合物形成分子復合物[3-6],并在藥物、保健品、食品中起著重要作用。

隨著近年來對微觀包埋技術的深入研究,淀粉作為壁材已經成為學者研究的熱點,尤其對于直鏈淀粉-脂肪酸復合物的研究備受關注。因淀粉直鏈可將脂肪酸分子包裹在螺旋內部,可以有效地抑制多不飽和脂肪酸的受熱和氧化降解[7]。脂肪酸的種類和濃度、實驗條件以及制備方法等都會對淀粉-脂肪酸復合物的復合度和結構產生影響。直鏈淀粉-脂肪酸的復合度與脂肪酸的鏈長呈正比,與脂肪酸不飽和度呈反比[8]。Tang等[9]證明淀粉-脂肪酸復合物的復合度隨添加脂肪酸濃度的增加而增加,但是高于一定濃度,脂質傾向于自身締合而不是形成淀粉-脂質復合物。與二甲基亞砜(DMSO)制備法相比,利用酸堿法(HCl/KOH)制備的復合物顆粒較大[10],與快速黏度分析儀(RVA)法相比,利用HCl/KOH法制備的淀粉-脂肪酸的相對結晶度降低[11]。目前,對于淀粉-脂肪酸復合物的研究主要集中在實驗條件的優化、制備方法的探索等方面,而對淀粉與不飽和脂肪酸形成復合物的性質、結構及穩定性方面研究較少。

因此,本研究以高直鏈玉米淀粉和4種飽和度不同的C18脂肪酸(硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸)為原料制備復合物,從熱性能、微觀結構、粒徑分布及Zeta電位等方面探究脂肪酸不飽和度對淀粉-脂肪酸復合物結構和穩定性的影響,從而拓寬淀粉和脂肪酸的應用范圍,為淀粉基食品的生產提供參考和理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

高直鏈玉米淀粉(糊化起始溫度78.47 ℃) 秦皇島驪驊淀粉有限公司;硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸 西格瑪奧德里奇(上海)貿易有限公司;氫氧化鉀(KOH)、乙醇 國藥集團化學試劑有限公司。

Q2000型差示熱量掃描儀(DSC) 美國TA公司;Rigaku Ultima IV型X射線粉末衍射儀(XRD) 日本理學公司;S-4800(帶能譜)型冷場發射掃描電鏡(SEM) 日本日立公司;SE-70型原子力顯微鏡(AFM) 韓國Park Systems公司;BT-9300ST型激光粒度分布儀 丹東市百特儀器有限公司;90Plus Zeta電位分析儀 美國Brookhaven公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 淀粉-脂肪酸復合物的制備 參考Zabar等[10]的方法。將5 g高直鏈玉米淀粉置于300 mL預熱到90 ℃的0.1 mol/L KOH中,在300 r/min下攪拌5 min;將0.5 g脂肪酸加入到500 mL預熱到90 ℃的0.1 mol/L KOH中,攪拌5 min;將上述兩種混合物混合并攪拌20 min后,用2 mol/L HCl將混合物的pH調至4.7,攪拌3 h;將懸浮液冷卻至25 ℃,3000 r/min離心15 min,得沉淀物,用50%的乙醇洗三次,真空冷凍干燥后研磨成粉末,-40 ℃凍藏。對照組除不加脂肪酸外處理方法相同。

1.2.2 熱性能測定 參考Zhou等[12]的方法。取3 mg樣品于鋁坩堝中,加入7 mg超純水,密封后平衡2 h。溫度范圍30～120 ℃,升溫速率10 ℃/min。記錄各峰的起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、終止溫度(Tc)和焓變(ΔH),采用Origin 8.5軟件進行數據分析。

1.2.3 X-射線衍射 參考Chang等[13]的方法。采用X射線衍射儀測定復合物的晶體結構。測定條件:電壓44 kV,電流30 mA,連續掃描,2θ范圍4～35°,掃描速度10°/min。利用Jade 5.0軟件計算樣品的結晶度。

1.2.4 掃描電子顯微鏡 參考Vasiliadou等[14]的方法。將樣品均勻的噴灑在導電雙面膠上,經噴金處理后,用掃描電鏡觀察直鏈淀粉-脂肪酸復合物微觀結構。

1.2.5 原子力顯微鏡 參考Lesmes等[8]的方法。將樣品按1∶10比例分散在50%乙醇中,取2 μL滴在剛剝離的云母載玻片上,然后覆蓋玻片以防止空氣中的微粒沉積在云母片上,過夜干燥后放置在原子力顯微鏡臺上進行掃描,采用Gwyddion軟件對圖片進行3D處理。

1.2.6 粒度分布測定 參考Lesmes等[8]的方法。取樣品0.1 g,加蒸餾水制成10%的分散液,滴入激光粒度分布儀中,得到樣品粒度分布。采用Origin 8.5軟件進行數據分析。

1.2.7 Zeta電位測定 參考Seo等[15]的方法。用超純水將樣品稀釋至0.1%～0.5%(w/v),倒入樣品池,插入電極,使用90Plus Zeta電位分析儀進行分析,控制溫度25 ℃,pH7,在25 ℃時水的折射率和黏度分別為1.333和0.89 cP。

1.3 數據處理

采用SPSS 19.0統計分析軟件對數據進行方差分析,顯著性差異檢驗使用Duncan多重檢驗,P<0.05 表示具有顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物的熱性能

表1列出了樣品在加熱過程中形成的各個吸熱峰的起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、終止溫度(Tc)和焓變(ΔH)。高直鏈淀粉-硬脂酸復合物出現兩個吸熱峰,而其他樣品僅在80～105 ℃左右出現1個大小不等的吸熱峰。Kawai等[16]報道馬鈴薯淀粉與硬脂酸形成的復合物也存在第一個峰,這是由于常溫下乙醇不能徹底洗去復合物中游離的硬脂酸,其熔融產生了第一個吸熱峰;Lesmes[8]認為,乙醇能夠洗掉游離的脂肪酸,淀粉-硬脂酸復合物組產生的第一個吸熱峰是由于淀粉與硬脂酸產生了除螺旋結構之外的另一種微觀的復合結構,但由于不飽和脂肪酸在常溫下是液態,無法保持這種特殊的結構。根據王雨生等[17]的研究報道,淀粉經堿熱處理后,結晶度增加,因此,對照組淀粉的起始溫度高于未做處理的原淀粉(78.47 ℃)。與對照組相比,淀粉與脂肪酸形成復合物的吸熱峰的To、Tp降低,除淀粉-硬脂酸復合物外,其余三種復合物的Tc與對照組之間并無顯著性差異(P>0.05),且脂肪酸不飽和度越高,糊化Tp越低,這與Zhou等[12]的研究結果一致。在堿熱處理后,淀粉鏈自身形成的重結晶被淀粉-脂肪酸復合物取代,而淀粉-脂肪酸復合物結晶沒有淀粉鏈重結晶穩定,導致糊化溫度降低。因此,淀粉與脂肪酸形成復合物后的熱穩定性比堿熱處理淀粉(對照組)低,表1中形成的淀粉-脂肪酸復合物的To呈現出隨不飽和度增加而降低的趨勢,這可能是由于脂肪酸不飽和度越高穩定性越差導致的,這與王雨生等[17]的研究結果一致。

表1 高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物的DSC曲線關鍵參數Table 1 Key parameters of DSC curve of high amylose corn starch-fatty acid complexes

注:同列小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05),“-”處表示樣品此處無峰。

與對照組相比,高直鏈玉米淀粉與亞麻酸形成復合物后ΔH沒有顯著性變化(P>0.05),而與其他三種脂肪酸形成復合物后ΔH降低(表1),且隨著脂肪酸不飽和度的增加而增加。這是由于淀粉凝膠化吸熱比復合物解離吸熱高,隨著脂肪酸不飽和度的增加,形成的復合物減少,導致對ΔH 影響也越小。Arik Kibar等[18]也報道淀粉與不飽和脂肪酸形成復合物的ΔH高于其與飽和脂肪酸形成復合物的ΔH。

2.2 高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物X-射線衍射分析

高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物的X-射線衍射曲線如圖1所示。由圖1可見,高直鏈玉米淀粉與脂肪酸復合后,其晶體結構發生明顯變化。對照組的衍射圖譜分別在5.7°、13.2°、20.0°時出現較強的衍射峰,在16.8°處出現強衍射峰,屬于B型晶體結構。高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物在13.2°、20.0°處出現衍射峰,表明高直鏈玉米淀粉與脂肪酸形成復合物后轉化為V型晶體結構。一般認為16.8°處為直鏈淀粉結晶峰,與對照組相比,高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物在16.8°時特征峰明顯降低,表明大量的直鏈淀粉從顆粒中浸出后與脂肪酸形成螺旋結構,無法老化成原來的晶體結構[10]。對照樣品在20.0°顯示的結晶峰認為是高直鏈玉米淀粉與脂的復合物,而高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物在20.0°的結晶峰是高直鏈玉米淀粉與脂復合物及高直鏈玉米淀粉與脂肪酸復合物共同的結晶峰,此峰與對照組相比變化不明顯。這是由于高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物為微結晶,對結晶峰影響較小[10]。另外,高直鏈玉米淀粉-硬脂酸復合物在21.5°和24.0°處各出現一個衍射峰,根據Marinopoulou等[19]的研究認為這是未復合的硬脂酸聚集而產生的衍射峰,這與DSC的結果一致(表1)。

圖1 高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物的X射線衍射曲線Fig.1 X-ray diffraction curves of high amylose corn starch-fatty acid complexes 注:括號內數值為相應樣品的相對結晶度。

圖1可以看出,高直鏈玉米淀粉與脂肪酸形成復合物后,其結晶度下降,且淀粉-脂肪酸復合物的結晶度隨著脂肪酸不飽和度的增加而降低。王雨生等[20]、Chang等[13]均報道了淀粉與脂肪酸形成復合物的相對結晶度低于原淀粉。淀粉由直鏈和支鏈相互纏繞形成結晶結構,對照組淀粉顆粒加熱后直鏈淀粉析出,再經冷卻后老化,淀粉顆粒中形成重結晶,而加入外源脂肪酸后,析出的直鏈淀粉能夠與脂肪酸反應形成復合物,從而阻礙了直鏈淀粉重新回到淀粉顆粒中,導致結晶度降低[2]。Godet等[21]指出每個脂肪酸單體在與淀粉鏈形成螺旋結構的復合物時,需要葡萄糖單體個數與脂肪酸鏈中CH2基團的個數有關。本實驗中制備的高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物所用脂肪酸鏈長相等,所以高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物結晶度隨著脂肪酸不飽和度的增加而降低,是由于雙鍵阻礙了復合物中微結晶的形成,且隨著雙鍵個數增加阻礙作用越大,但是,在雙鍵個數達到2個以上時對結晶度影響不明顯。根據Lu[22]的研究,不飽和脂肪酸雙鍵使脂肪酸分子呈現非100%線性結構,從而阻礙其與淀粉鏈形成微晶結構。

2.3 高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物的形態觀察

高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物的掃描電鏡照片如圖2所示。對照組淀粉顆粒經處理后表面出現破損和球晶現象,這些球晶是淀粉-脂形成復合物老化后形成的;高直鏈玉米淀粉-硬脂酸復合物顆粒表面有凸起的球晶和包裹的層狀復合物,還有不規則晶體嵌在淀粉顆粒表面,可能是聚集的硬脂酸;高直鏈玉米淀粉-油酸復合物顆粒表面有球晶和嵌在顆粒表面的層狀物質;高直鏈玉米淀粉-亞油酸復合物顆粒表面有球晶和嵌進顆粒表面的破損的層狀物質;高直鏈玉米淀粉-亞麻酸復合物顆粒表面有突起的球晶和嵌在顆粒表面的絮狀物質,這與Marinopoulou等[23]和Kim等[24]的研究結果一致。由圖2可以得出,高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物有兩種形態:一是樣品顆粒表面突起的球晶,這是直鏈淀粉析出過程中直接與脂肪酸結合,老化后形成的;二是嵌在淀粉表面的層狀物質或絮狀物質,這是直鏈淀粉在析出后與周圍的脂肪酸形成的復合物。形成的復合物是包含在淀粉顆粒中的晶胞還是嵌在表面的物質,與淀粉鏈析出時間有關,附著在淀粉顆粒表面的微晶也表現出不同形狀。Vasiliadou等[14]通過控制加入脂肪酸的時間和溫度,得到不同形態的淀粉-脂肪酸復合物,在淀粉加熱前加入脂肪酸形成的復合物在顆粒表面以球晶的形式存在;而在淀粉加熱后加入脂肪酸,需要在足夠的低溫下才能制得球晶結構的復合物。本實驗中嵌在高直鏈玉米淀粉顆粒表面的復合物隨著脂肪酸不飽和度的增加變得更不規則(圖2),推斷高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物的形狀還可能與脂肪酸的不飽和度有關。

圖3 高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物的原子力顯微鏡圖Fig.3 Atomic force microscopies of high amylose corn starch-fatty acid complexes 注:a:對照組;b:淀粉-硬脂酸復合物;c:淀粉-油酸復合物;d:淀粉-亞油酸復合物;e:淀粉-亞麻酸復合物。

圖2 高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物的掃描電鏡圖Fig.2 Scanning electron micrographs of high amylose corn starch-fatty acid complexes 注:a:對照組；b:淀粉-硬脂酸復合物； c:淀粉-油酸復合物；d:淀粉-亞油酸復合物 e:淀粉-亞麻酸復合物;白色箭頭表示球晶, 黑色箭頭表示層狀或絮狀復合物。

2.4 高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物的原子力顯微鏡分析

圖3為利用原子力顯微鏡觀察到的樣品顆粒表面的微觀圖像。由圖3可以看出,對照組淀粉顆粒表面平整,有較小的凸起,根據電鏡結果認為小凸起是經老化后形成了淀粉-脂復合物的球晶。與對照組相比,高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物的顆粒表面都能觀察到較大的晶體結構,進一步證實了電鏡觀察到的結果,其中高直鏈玉米淀粉-硬脂酸復合物、高直鏈玉米淀粉-油酸復合物和高直鏈玉米淀粉-亞油酸復合物顆粒表面可觀察到球狀凸起,且形狀規則;高直鏈玉米淀粉-亞油酸復合物和淀粉-亞麻酸復合物顆粒表面觀察到嵌入顆粒表面的絮狀物質,但形狀不規則,這與掃描電鏡觀察到的結果一致(圖2)。這說明高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物的微觀結構與脂肪酸雙鍵數目有關,隨脂肪酸不飽和度增加,形成的復合物越不規則,呈鏤空狀,根據XRD結果,是由于不飽和脂肪酸分子結構不規則導致的[22]。Lesmes等[8]在原子力顯微鏡圖像中觀察到淀粉-脂肪酸復合物呈絮狀且嵌入淀粉顆粒表面,與本實驗結果一致。

2.5 高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物的粒徑

由高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物的粒徑分布結果得出,對照組淀粉顆粒粒徑分布范圍為1～100 μm;與脂肪酸形成復合物后顆粒粒徑分布范圍變為1～30 μm,分布范圍變小,顆粒變得更均勻。由圖4可知,對照組淀粉顆粒的平均粒徑為18.27 μm,高直鏈玉米淀粉與脂肪酸形成復合物后,平均粒徑降低,這可能是因為脂肪酸的加入阻礙了直鏈淀粉重新回到淀粉顆粒中,導致粒徑降低。另外,Lesmes等[8]認為粒徑的變化可能與復合物的制備方法有關。而高直鏈玉米淀粉-硬脂酸、高直鏈玉米淀粉-油酸、高直鏈玉米淀粉-亞油酸復合物的平均粒徑并沒有顯著性差異(P>0.05),高直鏈玉米淀粉-亞麻酸復合物的平均粒徑顯著高于另外三種復合物的(P<0.05),這是由于脂肪酸的加入阻礙直鏈淀粉重新回到淀粉顆粒,使顆粒變小。根據原子力顯微鏡結果可知(圖3),高直鏈玉米淀粉-亞麻酸復合物形狀不規則,呈蓬松狀,嵌在淀粉顆粒表面,導致其平均粒徑增大。Lesmes等[8]也報道脂肪酸的不飽和度與復合物的粒徑分布密切相關,且隨著不飽和度的增加,制得的復合物顆粒尺寸更大,粒徑分布范圍更廣。

圖4 高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物的平均粒徑Fig.4 Average particle size of high amylose corn starch-fatty acid complexes 注:不同小寫字母代表差異顯著(P<0.05);圖5同。

2.6 高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物的Zeta電位分析

Zeta電位可以表示分散體系的穩定性,Zeta電位的絕對值越高表明體系越穩定,穩定性受分散體系中顆粒大小和顆粒表面狀態影響。Zeta電位絕對值在0～5 mV時體系會快速凝結或凝聚;10～30 mV開始變得不穩定;大于30 mV體系具有較好的穩定性[24]。對照高直鏈玉米淀粉和淀粉-脂肪酸復合物Zeta電位的絕對值結果如圖5所示,所有樣品Zeta電位的絕對值都在10～30 mV之間,處于不穩定狀態。Seo等[15]利用高直鏈玉米淀粉與共軛亞油酸制備復合物,其分散體系的Zeta電位絕對值約為10 mV,與本實驗結果一致。由圖5可知,淀粉-脂肪酸復合物的Zeta電位的絕對值高于對照組的,且隨著脂肪酸(除亞麻酸)不飽和度的增加而增加,因此脂肪酸的加入可提高淀粉分散液的穩定性,這是因為淀粉與脂肪酸形成復合物后顆粒變小(圖4),導致穩定性提高,根據電鏡結果,脂肪酸不飽和度越高,形成的復合物越蓬松,導致Zeta電位隨著脂肪酸(除亞麻酸)不飽和度的增加而增加,但是粒徑結果顯示,高直鏈玉米淀粉-亞麻酸復合物粒徑比其他復合物組顯著增大(P<0.05),導致高直鏈玉米淀粉-亞麻酸分散液的穩定性降低。

圖5 高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物的Zeta電位Fig.5 Zeta potential of high amylose corn starch-fatty acid complexes

3 結論

高直鏈玉米淀粉與脂肪酸復合后糊化起始溫度由88.05 ℃變為76.41～87.61 ℃,復合物的熱穩定性降低;高直鏈玉米淀粉可與硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸復合轉變為V型晶體結構,但結晶度隨著不飽和度的增加而減小;通過掃描電鏡和原子力顯微鏡可觀察到高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物有兩種存在形式,分別為顆粒表面凸起的球晶和嵌在顆粒表面的層狀或絮狀結構,且第二種存在形式隨脂肪酸中雙鍵個數的增加變得稀松;高直鏈玉米淀粉與脂肪酸復合后顆粒平均粒徑降低,Zeta電位的絕對值提高,分散液更穩定。因此,脂肪酸不飽和度對高直鏈玉米淀粉-脂肪酸復合物的結構和熱性能具有明顯影響。