擠壓與低溫貯藏對玉米淀粉-月桂酸復合物理化及消化性質的影響

徐澎聰，欒茜玉，王雨生，陳海華,2?

（1.青島農業大學 食品科學與工程學院，山東 青島 266109；2.青島農業大學 巴瑟斯未來農業科技學院，山東 青島 266109）

玉米種植歷史悠久，世界范圍內廣泛種植。2012年起，我國玉米的種植面積和產量均首次超越水稻，成為我國第一大糧食作物[1]。玉米中淀粉含量最高，約為 64%～78%，玉米淀粉由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成。根據直鏈淀粉含量不同，玉米可分為普通玉米、蠟質玉米、高直鏈玉米。普通玉米來源廣泛、價格低廉。普通玉米淀粉通常是由23%～27%的直鏈淀粉和 73%～77%的支鏈淀粉組成，淀粉糊黏度高，易形成凝膠，在食品工業中常用作增稠劑、穩定劑、膠凝劑[2]。脂肪酸是構成油脂的重要組分，油脂是食品加工的重要配料，能有效改善食品的風味、口感、外觀和貨架期。食品加工中，脂肪酸可通過疏水相互作用與淀粉相互作用，形成具有單鏈螺旋結構的淀粉-脂肪酸復合物，提高淀粉的抗消化能力[3-4]，避免餐后血糖水平急劇升高，為人們提供健康有益的低血糖食品[5]。

淀粉-脂肪酸復合物制備方法很多，如HCl/KOH法、二甲亞砜/H2O法、蒸汽噴射法、擠壓蒸煮法等[5]。與其他方法相比，擠壓法制備淀粉-脂肪酸復合物具有加工周期短、能耗低、生產加工連續性強等優點[6]。Bhatnagar等[7]和Cervantes-Ramírez等[1]研究表明擠壓處理能促進淀粉與脂肪酸形成淀粉-脂肪酸復合物。與單一擠壓處理相比，擠壓處理后再進行低溫貯藏處理能有效提高淀粉的抗消化性。Neder-Suárez等[6]研究表明擠壓玉米淀粉經低溫冷藏處理后，抗性淀粉含量明顯增加。Zhang等[8]研究表明擠壓處理結合低溫貯藏能提高大米淀粉的相對結晶度和老化焓值。目前擠壓處理結合低溫貯藏主要集中于單一淀粉消化性質的研究，擠壓法制備淀粉-脂肪酸復合物的研究也多集中于復合物理化性質、晶體結構、消化性質等方面，然而擠壓處理結合低溫貯藏制備淀粉-脂肪酸復合物及其對復合物的結構和消化性質影響的研究很少。本研究以普通玉米淀粉和月桂酸為原料，采用差示掃描量熱儀、X射線衍射儀等方法系統研究了擠壓處理結合低溫貯藏對普通玉米淀粉-月桂酸復合物糊化度、復合指數、熱性質、結晶結構及消化性質的影響，以期為淀粉-脂肪酸復合物和抗消化淀粉食品的制備提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

普通玉米淀粉：諸城興貿玉米開發有限公司；月桂酸：天津市巴斯夫化工有限公司；豬胰α-淀粉酶（1.96×104U/g）：美國Sigma公司；糖化酶（1×105U/g）：濰坊康地恩生物科技有限公司；其余試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

DS30-Ⅱ實驗雙螺桿主機（螺桿直徑30 mm，長徑比22.67，螺桿長度820 mm，圓形模頭，?？字睆綖? mm）：濟南賽信機械有限公司；MB25水分測定儀：奧豪斯儀器（常州）有限公司；DSC1型差示掃描量熱儀：瑞士Mettler-Toledo集團；is10型傅里葉紅外光譜分析儀：美國熱電尼高力公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品制備

（1）擠壓普通玉米淀粉

將普通玉米淀粉的水分含量調至40%，裝入密封袋中，室溫下平衡水分12 h。設置雙螺桿擠壓機機腔三個區的溫度分別為：40 ℃、100 ℃、120 ℃，主機轉速15 Hz，喂料速度15 Hz。擠出后樣品分為兩部分：一部分樣品直接在 40 ℃鼓風干燥箱中干燥 12 h，粉碎過 100目篩，記為CS40；另一部分置于4 ℃儲藏12 h，再在40 ℃鼓風干燥箱中干燥12 h，粉碎過100目篩，樣品記為CSR40。未經擠壓處理的淀粉樣品記為對照CS。

（2）擠壓普通玉米淀粉-月桂酸復合物

向普通玉米淀粉中添加4%的月桂酸，混合均勻后將水分含量調至40%，裝入密封袋中，室溫下平衡水分12 h。設置雙螺桿擠壓機機腔三個區的溫度分別為：40 ℃、100 ℃、120 ℃，主機轉速15 Hz，喂料速度15 Hz。擠出后樣品分為兩部分：一部分樣品直接在 40 ℃鼓風干燥箱中干燥12 h，粉碎過100目篩，記為CSLA40；另一部分置于4 ℃儲藏12 h，再在40 ℃鼓風干燥箱中干燥 12 h，粉碎過 100目篩，樣品記為CSLAR40。

1.3.2 糊化度測定方法

稱取50 mg樣品置于10 mL離心管中，加入4 mL醋酸緩沖液（pH 4.75），置于59 ℃水浴中。加入1 mL糖化酶（50 U/mL），混勻。水浴震蕩45 min，期間每隔10 min渦旋一次。然后沸水浴加熱10 min，滅酶。3 500 r/min離心10 min。取上清液50 μL，用DNS法測定還原糖含量。未經擠壓處理的普通玉米淀粉作為空白對照，其他操作處理同上。糊化度為樣品吸光值與全糊化樣品吸光值的比值。

1.3.3 復合指數的測定

參照作者[5]之前的實驗方法，并進行改進。稱取0.01 g樣品，加入0.1 mL無水乙醇，再加入0.9 mL NaOH溶液，沸水浴10 min。沸水浴后加入2 mL乙醇和5 mL水，3 500 r/min離心10 min。取上清液0.12 mL，加入2.88 mL水和4 mL碘液，靜置10 min，在690 nm條件下測定吸光值。復合指數（complex index, CI）計算公式如下：

CI=（原淀粉的吸光值-復合物的吸光值）/原淀粉的吸光值×100%

1.3.4 熱性質分析

參照趙陽等[9]的方法，準確稱取樣品干重7 mg，置于鋁坩堝中，樣品與水的質量比為1∶3，壓蓋后常溫靜置24 h以平衡水分。設定溫度掃描范圍30～130 ℃，升溫速率10 ℃/min，記錄起始糊化溫度（To）、峰值糊化溫度（Tp）、終止糊化溫度（Tc）和糊化焓（ΔH）。

1.3.5 X射線衍射分析

參照陳海華等[4]的方法，采用單色Cu-Ka射線，管電壓40 kV，管電流40 mA，2θ掃描范圍4°～45°，掃描速率 5°/min。測定 CSLA 復合物的X射線衍射圖譜。利用Jade 5.0軟件對X射線圖譜進行分析，計算樣品的相對結晶度。

1.3.6 營養片段分析

（1）葡萄糖標準曲線的測定

采用 3,5-二硝基水楊酸（DNS）法測定還原糖含量。在540 nm波長測定光透射強度，并繪制葡萄糖標準曲線。擬合葡萄糖濃度與吸光值關系方程為：y=1.220 7x-0.032 2,R2=0.996 7，其中x為葡萄糖濃度，單位mg/mL，y為540 nm透射光相對強度。

（2）營養片段測定

根據Englyst等[10]的方法，稱取400 mg樣品于50 mL離心管中，加入25 mg瓜爾豆膠，5個玻璃球，20 mL緩沖液（pH 5.2），于37 ℃下平衡 5 min。加入 10 mL酶液（豬胰 α-淀粉酶290 U/mL，糖化酶 15 U/mL），每支離心管加酶時間間隔1 min，便于準確計時。在37 ℃下水浴震蕩，頻率為160次/min。20 min、120 min時，取1 mL酶解液，加于事先準備的9 mL 66%的乙醇中，渦旋，3 500 r/min離心3 min。取0.5 mL上清液用DNS法測定葡萄糖的濃度。

根據葡萄糖標準曲線，計算樣品中快速消化淀粉（RDS）、慢速消化淀粉（SDS）、抗性淀粉（RS）的含量。

RDS（%）=（G20-FG）×0.9×100/TS

SDS（%）=（G120-G20）×0.9×100/TS

RS（%）=（TS-RDS-SDS）×100/TS

式中：G20—水解20 min后樣品中的葡萄糖含量（mg）；G120—水解120 min后樣品中的葡萄糖含量（mg）；FG—水解前樣品中的葡萄糖含量（mg）；TS—樣品中總淀粉干基含量（mg）。

1.4 數據分析

每組實驗重復三次，利用 Jade 5.0軟件對X-ray圖譜進行分析，采用SPSS17.0對數據進行統計學分析，采用Origin進行數據圖表分析。

2 結果與分析

2.1 糊化度

谷物擠出過程中，受到高溫、高壓和高剪切力的作用，淀粉的結晶區發生熔融、糊化及降解，由顆粒狀態轉變為熔融狀態。糊化度反映糊化淀粉占樣品總質量的比值，是淀粉糊化與降解綜合作用的結果[11]。如圖 1所示，CS40的糊化度為89%。與CS40相比，添加脂肪酸后，CSLA40的糊化度明顯下降至75%，說明添加月桂酸能降低普通玉米淀粉的糊化度。Wang等[12]研究發現添加脂肪酸能降低小麥淀粉的糊化程度。Singh等[13]發現添加硬脂酸與肉豆蔻酸能抑制淀粉顆粒的溶脹，影響淀粉糊化。這可能是擠壓過程中，高溫、高壓和高剪切作用導致淀粉顆粒破碎、發生糊化，糊化淀粉易與脂肪酸形成淀粉-脂肪酸復合物，抑制淀粉顆粒的溶脹[14]。另一個原因可能是脂肪酸包裹在淀粉顆粒表面，形成一層油膜，阻礙淀粉與水分子之間接觸，影響淀粉的糊化程度[4]。與CS40相比，CSR40的糊化度略有降低，但不明顯。這可能是糊化淀粉通過擠壓機?？诒粩D出時，其壓力由高壓驟降至常壓，水分迅速蒸發汽化，使糊化淀粉固定化，因而低溫貯藏對CSR40的糊化度影響較小[15]。

圖1 低溫貯藏對擠壓普通玉米淀粉-月桂酸復合物糊化度的影響Fig.1 Effect of cool storage on gelatinization degree of extruded common corn starch-lauric acid complex

與CSLA40相比，CSLAR40的糊化度變化不明顯，說明低溫貯藏不影響擠壓淀粉-脂肪酸復合物的糊化度。這與賀平[16]研究結果一致，他發現4 ℃低溫貯藏的糯米淀粉-月桂酸復合物的老化焓值略有增加，但變化不明顯，說明脂肪酸存在時，低溫貯藏對淀粉老化無明顯影響。這可能是擠壓過程中形成的淀粉-脂肪酸復合物抑制了低溫貯藏過程中直鏈淀粉雙螺旋結構的形成，因而低溫貯藏對糊化度的影響較小[17]。

2.2 復合指數

復合指數可以表征淀粉-脂肪酸復合物的數量。淀粉與脂肪酸結合后，與碘結合能力降低，通過測定淀粉-碘復合物的含量，可以反映淀粉與脂肪酸結合的程度[18]。由圖2可知，CSLA40的復合指數為29%，表明普通玉米淀粉與月桂酸經擠壓處理后形成了淀粉-脂肪酸復合物。Mercier等[19]研究表明雙螺桿擠壓處理能使淀粉與脂肪酸形成V型復合物。這可能是擠壓過程中的高溫、高壓和高剪切力促使淀粉顆粒糊化形成具有疏水空腔的單螺旋結構，能通過疏水相互作用與脂肪酸絡合形成復合物[9]。經老化處理，CSLAR40的復合指數為35%，比CSLA40提高了約6%，說明低溫貯藏能進一步提高淀粉與脂肪酸之間的復合程度。Sun等[18]研究表明較低復合溫度下能提高玉米淀粉與油酸的復合程度。

圖2 低溫貯藏對擠壓普通玉米淀粉-月桂酸復合物復合指數的影響Fig.2 Effect of cool storage on complexing index of extruded common corn starch-lauric acid complex

2.3 熱性質分析

由圖3和表1可知，普通玉米淀粉在65～76 ℃存在一個吸熱峰。這與Wang等[20]研究結果一致。CS40存在兩個吸熱峰，溫度范圍分別為46～60 ℃和105～115 ℃，第一個吸熱峰的溫度范圍低于原淀粉，對應支鏈淀粉重結晶和內源性VII-型淀粉-脂肪酸復合物的熔融。Hasjim等[21]研究發現擠壓處理普通玉米淀粉在 41～73 ℃和 104～120 ℃出現兩個吸熱峰。Sievert等[22]研究發現熱處理后的玉米淀粉和小麥淀粉分別在 40～70 ℃和 100～124 ℃存在兩個吸熱峰。第一個吸熱峰可能是低溫貯藏導致糊化的支鏈淀粉分子鏈重結晶[22]。第二個吸熱峰出現的原因可能是淀粉中存在少量內源性脂肪酸，擠壓過程中與淀粉形成了淀粉-脂肪酸復合物[22]。CSLA40存在三個吸熱峰，糊化溫度范圍分別為 38～44 ℃、91～101 ℃和 106～117 ℃，分別對應月桂酸結晶的熔融峰、VI-型淀粉-脂肪酸復合物的熔融峰和 VII-型淀粉-脂肪酸復合物的熔融峰。CSLAR40則有四個吸熱峰，溫度范圍分別為 38～44 ℃、47～58 ℃、89～101 ℃和106～117 ℃。上述結果表明擠壓后部分月桂酸以游離狀態存在，未與淀粉形成復合物。Reddy等[23]發現淀粉與硬脂酸混合物經熱處理后分別在 63～67 ℃、97～115 ℃和 112～135 ℃出現三個吸熱峰，分別對應硬脂酸、VI-型淀粉-脂肪酸復合物和VII-型直鏈淀粉-脂肪酸復合物的熔融峰。Wang等[20]研究表明普通玉米淀粉-月桂酸復合物中存在游離月桂酸、VI-和VII-型淀粉-脂肪酸復合物的熔融峰。與CSLA40相比，CSLAR40在47～58 ℃出現吸熱峰，這可能與低溫貯藏過程中淀粉重結晶有關[22]。

表1 擠壓處理結合低溫貯藏的普通玉米淀粉-月桂酸復合物熱特性參數Table 1 Effect of cool storage on thermal properties of extruded common corn starch-lauric acid complex

圖3 擠壓處理結合低溫貯藏的普通玉米淀粉-月桂酸復合物的DSC曲線Fig.3 DSC thermal curves of extruded common corn starch-lauric acid complex

與 CS相比，擠壓處理或擠壓處理結合低溫貯藏后所有淀粉樣品的糊化焓值均顯著降低，這與Cervantes-Ramírez等[1]研究結果一致。這可能是擠壓處理導致部分淀粉糊化[1]。與CS40相比，CSR40對應峰II的糊化焓升高2.47 J/g，說明低溫貯藏促進了淀粉的老化。房子蔚等[24]研究表明低溫貯藏能夠提高普通玉米淀粉的老化焓值。這可能是貯藏過程中淀粉分子重新排列發生重結晶[24]。與CSLA40相比，CSLAR40對應峰III的熔融焓值升高，與復合指數增加的結果一致。房子蔚等[24]和 Yu等[2]研究表明低溫貯藏使普通玉米淀粉-油酸復合物和小麥淀粉-硬脂酸復合物的熔融焓值增加。這可能是低溫貯藏更有利于直鏈淀粉與月桂酸相互作用形成穩定的直鏈淀粉-脂肪酸復合物[25]，導致糊化焓值升高。與CS40相比，CSR40、CSLA40和CSLAR40對應峰IV的糊化焓值無顯著差異，說明低溫貯藏和添加月桂酸均對峰IV的糊化焓值無顯著影響。此外，CS40和 CSR40均未出現峰 III。上述結果表明淀粉與內源性脂肪酸形成的復合物以 VII-型復合物為主，而淀粉與外源性脂肪酸形成的復合物以 VI-型復合物為主。

2.4 X射線衍射結果分析

由圖 4可知，CS 在 2θ為 15°、17°、18°和23°處存在衍射峰，表現為典型的A-型結晶結構。這與 Wang等[20]和陳海華等[4]研究結果一致。CS40 在 2θ為 13°、17°、20°、23°存在衍射峰，表現為A+V型結晶結構。與CS相比，CS40的衍射峰發生明顯變化，2θ為 13°和 20°處出現新的衍射峰，2θ為 17°和18°處的雙峰變為 17°的單峰。Li等[26]研究表明擠壓處理的普通玉米淀粉和高直鏈玉米淀粉均呈現“A+V型”結晶結構。Chen等[14]研究表明熱處理的玉米淀粉結晶結構由 A-型轉變為“A+V型”。這可能是擠壓處理導致淀粉結晶區熔融、糊化或者降解，引起淀粉晶型的改變。另一個原因可能是原淀粉中存在少量的內源性游離脂肪酸，擠壓過程中與淀粉形成V-型結構的淀粉-脂肪酸復合物[20]。CSLA40和CSLAR40在 2θ為 13°和 20°處存在兩個較強的衍射峰，2θ為7°處存在一個較弱的衍射峰，呈現V-型結晶結構，說明擠壓過程中形成了淀粉-月桂酸復合物。此外，CSLA40和CSLAR40在2θ為21.6°處存在一個衍射峰，可能是復合物中游離月桂酸的結晶峰。Wang等[20]研究表明普通玉米淀粉-月桂酸復合物具有V-型結晶結構。Cervantes-Ramírez等[1]研究表明玉米淀粉與硬脂酸、油酸形成V-型復合物。Chang等[27]研究認為2θ為21°的衍射峰對應月桂酸的結晶峰。Wang等[20]研究表明淀粉-月桂酸復合物存在游離脂肪酸衍射峰。本文與其結果一致。與CSLA40相比，CSLAR40在2θ為17°處的衍射峰增強，可能與老化的淀粉分子鏈有關[28]。Reddy等[23]研究表明低溫貯藏使高直鏈玉米淀粉-硬脂酸復合物在2θ為17°處的衍射峰強度增強。這可能是低溫貯藏能促進直鏈淀粉重結晶，使衍射峰強度增強[28]。

圖4 擠壓處理結合低溫貯藏的普通玉米淀粉-月桂酸復合物的X射線衍射圖譜和RC值Fig.4 X-ray diffraction pattern and RC values of CSLA prepared by extrusion combined with cool storage

與 CS相比，CS40的相對結晶度 RC從30.67%下降至 18.23%。Zhang等[8]和 Li等[26]研究表明擠壓處理使大米淀粉、普通玉米淀粉和高直鏈玉米淀粉RC值降低。本研究結果與其一致。這可能是擠壓過程中的高溫、高壓及剪切作用導致淀粉糊化，結晶結構被破壞，淀粉有序度降低[19]。與CS40相比，CSR40的RC值從18.23%明顯增加至22.46%。這與DSC結果中CSR40老化焓值增加的結果相一致。Yu等[2]研究表明4 ℃貯藏時小麥淀粉的RC值明顯增加。Zhang等[8]研究表明低溫冷藏處理能提高小麥淀粉的RC值。本文研究結果與其類似。這可能是低溫貯藏能促進淀粉分子鏈重新排列，形成有序的雙螺旋結構[8]。與CS40相比，CSLA40的 RC值從 18.23%增加至25.20%。Liu等[29]研究表明添加沒食子酸能提高大米淀粉的相對結晶度。這可能是淀粉與脂肪酸復合后，促進淀粉形成有序的 V-型結晶結構[29]。與CSLA40相比，CSLAR40的RC值從25.20%增加至 31.82%，說明低溫貯藏能夠促進淀粉-脂肪酸復合物的形成。Yu等[2]研究表明低溫貯藏有助于提高小麥淀粉-脂肪酸復合物的RC值。本研究結果與其一致。這可能是由于淀粉的相對結晶度主要取決于支鏈淀粉雙螺旋結構和淀粉-脂肪酸復合物的含量[27]，淀粉-脂肪酸復合物含量增加，相對結晶度增加。

2.5 營養片段分析

依據水解速率快慢，淀粉可分為快速消化淀粉RDS，緩慢消化淀粉SDS和抗性淀粉RS[10]。由表2可知，擠壓處理和低溫貯藏顯著影響了玉米淀粉的RDS和RS含量。與CS相比，CS40的RDS、SDS含量明顯升高，但 RS含量卻明顯降低。這可能是擠壓處理能破壞淀粉的結晶結構，引起淀粉糊化，導致淀粉分子鏈伸展，因而淀粉酶容易作用于淀粉鏈，使淀粉被水解[30]。陳海華等[4]研究表明與原淀粉相比，糊化后普通玉米淀粉的RDS和SDS含量升高，RS含量下降。Robin等[30]和 Zhang等[31]研究表明擠壓處理普通玉米淀粉、菠蘿蜜種子淀粉，RDS含量增加，RS含量下降。本研究與其一致。與 CSG相比，CS40的RDS含量降低，RS含量增加。這可能是擠壓處理時淀粉的水分含量較低，只有部分淀粉發生糊化[31]。與CS40相比，CSR40的RDS含量降低2.6%，SDS含量增加3.1%，表明低溫貯藏能促進淀粉老化，抑制淀粉的消化。Neder-Suárez等[6]研究表明冷藏處理能夠增強玉米淀粉的抗消化能力，本文與其研究結果一致。這可能是擠壓處理引起淀粉糊化，而后在低溫貯藏時，糊化的直鏈淀粉分子與支鏈淀粉分子側鏈、直鏈淀粉分子之間通過氫鍵發生重結晶，使淀粉消化速率下降[8]。這與DSC測定的CSR40老化焓值增加的結果一致。與CS40相比，CSLA40的RDS和SDS含量分別下降了3.4%和7.2%，RS含量增加10.7%，說明添加月桂酸能夠提高淀粉的抗消化能力。Kawai等[32]研究表明淀粉-脂肪酸復合物的形成能夠降低淀粉的消化性。Okumus等[33]發現扁豆淀粉與脂肪酸復合后RS含量明顯增加，RDS含量顯著下降。作者[5]之前研究表明與小麥淀粉相比，小麥淀粉-油酸復合物的RDS含量下降，RS含量增加。本研究與其一致。這可能是月桂酸進入淀粉螺旋空腔內部與淀粉結合，阻礙了淀粉酶對淀粉的作用，提高其抗消化性[3]。與 CSLA40相比，CSLAR40的 RDS與 SDS含量分別降低2.8%、9.0%，RS含量增加11.8%，說明低溫貯藏能夠提高普通玉米淀粉-月桂酸復合物的抗消化能力。Qin等[25]研究表明低溫貯藏能夠提高高直鏈玉米淀粉-肉豆蔻酸復合物的RS含量，本研究與其相似。這可能是低溫貯藏有利于形成具有抗消化性的直鏈淀粉雙螺旋結構和淀粉-脂肪酸復合物，使抗性淀粉含量增加，抗消化能力增強[25]。復合指數的結果也表明低溫貯藏后普通玉米淀粉-脂肪酸復合物含量增加，與RS含量變化趨勢相符合。

表2 擠壓處理結合低溫貯藏的普通玉米淀粉-月桂酸復合物的營養片段含量Table 2 RDS, SDS and RS contents of CSLA prepared by extrusion combined with cool storage %

3 結論

本文研究了擠壓處理結合低溫貯藏對普通玉米淀粉-月桂酸復合物理化性質和消化性質的影響。與擠壓處理相比，擠壓處理結合低溫貯藏有利于普通玉米淀粉-月桂酸復合物的形成，表現為復合指數增加，相對結晶度升高。擠壓處理結合低溫貯藏能提高淀粉的抗消化能力，這可能是低溫貯藏有利于支鏈淀粉的重結晶和淀粉-脂肪酸復合物的形成，使抗性淀粉含量增加。與擠壓處理相比，擠壓處理結合低溫貯藏使普通玉米淀粉的糊化焓值增加，相對結晶度升高，這可能是貯藏過程中淀粉分子重新排列發生重結晶導致。上述結果表明擠壓處理結合低溫貯藏可為制備具有抗消化性的淀粉-脂肪酸復合物提供理論基礎。