月桂酸添加量对淀粉三元复合物形成的影响

牛斌，闫溢哲，王书军*

1.天津科技大学食品科学与工程学院（天津 300457）；2.郑州轻工业大学食品与生物工程学院（郑州 450000）

淀粉是食品中重要的供能物质之一，它能和食品中的脂质、蛋白质相互作用，形成淀粉-脂质复合物或淀粉-脂质-蛋白质三元复合物[1-2]，从而影响淀粉基食品的诸多功能性质，如老化[3-4]、黏度[5-6]、消化性[7-9]等。目前，已有大量研究表明淀粉种类[10]、直链淀粉含量[11-12]、聚合度（DP）[13-15]、温度[16-17]、水分[18-19]、脂肪酸种类[5,20-23]、盐离子浓度[24]等因素均能显著影响淀粉-脂质复合物的结构及性质。淀粉-脂质复合物的形成会随着直链淀粉含量及其DP的升高而逐渐升高，并且高温、高水分含量以及高NaCl浓度也会促进淀粉-脂质复合物的形成。近年来，淀粉-脂质-蛋白质三元复合物因其具有较高的热稳定性、较强的抗消化性以及良好的水溶性等逐渐引起研究者的注意，但是关于淀粉-脂质-蛋白质三元复合物形成的影响因素研究较少，仅有脂肪酸链长及种类对其形成及性质影响的研究。短链或不饱和度低的脂肪酸更易形成三元复合物，但是所形成的复合物稳定性较低。并且与二元复合物相比，三元复合物受脂肪酸链长影响较小[9]。同时，脂肪酸可以形成三元复合物，但是其单甘脂由于没有羧基结构，不能形成三元复合物[25]。

尽管已有文献研究脂肪酸添加量对淀粉-脂质复合物形成的影响[26-28]，但是其对淀粉-脂肪酸-蛋白质三元复合物的影响研究未见报道。试验以小麦淀粉、月桂酸和β-乳球蛋白为模型体系，通过示差量热扫描仪（DSC）、X-射线衍射仪（XRD）以及拉曼光谱（Raman）等分析，探究不同脂肪酸添加量（0，10，50，100和150 mg）对淀粉-脂质-蛋白质复合物形成及性质的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

普通小麦淀粉（WS，美国Sigma化学公司）；月桂酸（LA，≥99%，美国Sigma化学公司）；β-乳球蛋白（βLG，≥99%，美国Sigma化学公司）。

1.2 仪器与设备

SQP分析天平（美国Sartotius公司）；RVA-4快速黏度检测仪（澳大利亚博通公司）；Scientz-10N真空冷冻干燥机（宁波新芝生物科技股份有限公司）；6875冷冻研磨仪（美国SPEX Sample Prep公司）；D8 Advance广角X-射线衍射仪（德国布鲁克公司）；inVia Reflex激光共聚焦拉曼光谱（英国雷尼绍公司）；DSC200 F3示差扫描量热仪（德国耐驰公司）；IS 50傅里叶红外光谱仪（美国赛默飞世尔尼高力公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 利用RVA制备二元及三元复合物

准确称取2.0 g（湿基）普通小麦淀粉置于RVA铝桶中，加入不同量月桂酸（0，10，50，100和150 mg），然后加去离子水使总量达到28.0 g。将混合物在50 ℃下保持在RVA中1 min，之后以12 ℃/min的速率从50 ℃加热至95 ℃，在95 ℃保持2.5 min，同样以12 ℃/min的速率从95 ℃冷却至50 ℃，并在50 ℃保持4 min。加热过程中在前10 s以960 r/min恒定速率旋转搅拌，之后恒定在160 r/min下旋转搅拌直至结束，得到的淀粉糊置于聚丙烯袋密封并迅速在液氮中冷冻，放入-80 ℃冰箱过夜之后冷冻干燥，研磨过筛，得到小麦淀粉-月桂酸样品（WS-LA），命名为WS-LA-月桂酸添加量。与WS-LA制备基本相同，将小麦淀粉（2.0 g）、β-乳球蛋白（200 mg）以及不同量月桂酸混合，经过上述RVA程序，即得小麦淀粉-β-乳球蛋白-月桂酸样品（WS-βLG-LA），命名为WS-βLGLA-月桂酸添加量。

1.3.2 示差量热扫描仪（DSC）测定热力学性质

精确称取3 mg上述样品置于40 μL DSC铝盘中，用10 μL的移液枪向铝盘中加入去离子水使样品/水比例为1∶3（W/W）。密封坩埚，在室温下平衡过夜，以10 ℃/min的速率从20 ℃加热至120 ℃，其中空的坩埚为空白对照。由数据记录软件确定样品的热力学参数[起始凝胶化温度（To）、峰值温度（Tp）、终止温度（Tc）和熔融焓变（ΔH）]。

1.3.3 X-射线衍射（XRD）测定样品的长程有序性

使用广角X-射线衍射仪测定所得粉末样品的长程有序性，工作电压和电离分别是40 kV和40 mA，射线源为Cu-Kα源（λ=0.154 nm），检测时以2°/min的扫描速率和0.02°的步长在5°～30°（2θ）的范围内进行扫描。

1.3.4 衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）

使用配有DLATGS检测器的尼高力IS-50红外光谱仪对样品的ATR-FTIR光谱进行测试。将冻干粉末（150 mg）压制成圆形片剂，扫描范围为4 000～400 cm-1，累积32次扫描，分辨率为4 cm-1。以空气为扫描背景，每个样品至少扫描6次以获得完整的信息，所得红外光谱使用OMNIC 8.0进行处理。

1.3.5 LCM-Raman光谱测定样品短程有序性

利用激光共聚焦显微拉曼光谱测定样品的短程有序性。首先用硅片在520 cm-1处进行仪器校正，然后取少量样品于载玻片上，压成平滑不透明的薄片，在显微镜下找到清晰的图像。使用785 nm绿色二极管激光源。每个样品至少取5个不同的点，扫描范围为3 200～100 cm-1，分辨率约为7 cm-1。使用软件WiRE 2.0获得在480 cm-1处的谱带的半峰宽（FWHM）以表征淀粉样品的短程有序性。

1.3.6 数据处理与分析

采用Origin 8、SPSS 19.0等软件处理试验数据，试验数据以“平均值±标准偏差”表示。显著性（p＜ 0.05）检验方法为Duncan多重比较。

2 结果与讨论

2.1 不同脂肪酸添加量对二元及三元体系糊黏度变化的影响

图1 小麦淀粉和不同量月桂酸二元混合物的RVA图

图2 小麦淀粉、β-乳球蛋白以及不同量月桂酸三元混合物的RVA图

不同月桂酸添加量对淀粉-月桂酸、淀粉-β-乳球蛋白-月桂酸混合物RVA黏度变化的影响如图1和图2所示。图1是淀粉-脂质二元体系在不同脂肪酸添加量（0，10，50，100和150 mg）条件下，经过RVA程序加热后表现出的糊黏度变化。随着脂肪酸添加量增加，样品在回生阶段的黏度逐渐增加，最终黏度（FV）也逐渐增加，并在脂肪酸添加量为100和150 mg时出现冷却峰，且两种样品冷却峰的强度几乎一样。之前的文献表明RVA淀粉糊的黏度，尤其是回生阶段的黏度峰和最终黏度都与复合物的形成有关，且复合物形成得越多，冷却黏度峰或者FV越高[5,9]。上述结果说明随着月桂酸添加量增加，所形成WS-LA复合物的数量逐渐增加，并在其添加量为100 mg时达到饱和。对于WS-βLG-LA体系（图2），当月桂酸添加量为0和10 mg时，两种样品在回生阶段没有出现黏度峰，而当月桂酸添加量为50，100和150 mg时，在冷却阶段出现了黏度峰，并且月桂酸从10 mg增加至50 mg时冷却峰强度和最终黏度增加明显，之后继续增加月桂酸使用量，样品糊黏度的增加逐渐不明显，说明WS-βLG-LA复合物的形成也随着LA的增加出现先增加后逐渐趋于饱和的趋势。WS-βLG-LA体系在冷却阶段的黏度以及FV高于相应的WS-LA体系，说明WS-βLG-LA三元复合物比WS-LA二元复合物黏度高，并且加入β-乳球蛋白能够促进更多复合物形成。另外，在小麦淀粉-月桂酸二元体系下，月桂酸添加量为100 mg时复合物基本饱和，而在小麦淀粉-β-乳球蛋白-月桂酸三元体系中，其添加量为50 mg时即能达到饱和，可能是β-乳球蛋白促进了月桂酸的溶解度，使其在较小添加量时（50 mg）即能形成较多的复合物。

2.2 不同脂肪酸添加量时形成的二元及三元复合物的热力学特性

图3 不同LA添加量下得到的WS-LA样品的DSC曲线图

图4 不同LA添加量下得到的WS-βLG-LA样品的DSC曲线图

图3和图4是不同月桂酸添加量时WS-LA和WSβLG-LA样品的DSC图谱。当脂肪酸添加量为100和150 mg时，样品的DSC曲线出现两个吸热峰。其中温度较低（40～50 ℃）的吸热峰是样品中游离脂肪酸的熔融峰，温度较高（100 ℃左右）的吸热峰是淀粉-脂质或淀粉-脂质-蛋白质复合物的熔融峰，而熔融峰焓值（ΔH）可以表征样品中形成复合物数量的多少。对于WS-LA样品（图3和表1），随着脂肪酸添加量增加，ΔH从1.6 J/g增加至6.1 J/g，表明形成的淀粉-月桂酸复合物逐渐增多。而当月桂酸添加量为100和150 mg时，ΔH分别为5.8和6.1 J/g，且两者没有显著性差异，表明形成的复合物差不多，此时复合物已趋于饱和，增加脂肪酸使用量也不会使复合物显著增加，这和文献[5]报道一致。对于WS-βLG-LA样品（图4和表1），当脂肪酸添加量从10 mg增加至50 mg时，ΔH明显增加，之后增加的量相对较少，说明此时体系中形成的复合物已经逐渐趋于饱和，增加月桂酸的添加量对复合物的形成影响不大，即三元体系中形成的复合物也随着脂肪酸添加量增加呈现先增加后趋向平稳的趋势。另外，相同脂肪酸添加量时焓值均高于相应的WS-LA样品焓值，说明加入β-乳球蛋白促进了二元及三元复合物的形成。

此外，ΔT（Tc-To）和复合物的均一性以及晶体结构是否完美有关[20]。对于上述不同体系样品，当脂肪酸添加量从10 mg增加至150 mg时，复合物熔融峰的ΔT也逐渐增加，说明形成的二元或三元复合物晶体的结构均一性逐渐变差。这可能因为当脂肪酸添加量少时，具有合适DP的、易形成复合物的直链淀粉优先形成复合物，由于此时直链淀粉链长较为一致，所形成晶体均一性较好；随着脂肪酸含量增加，较长链或较短链的直链淀粉也逐渐形成复合物，由于所形成复合物的链长不同，晶体结构较差，且较长链直链淀粉可能会导致构象紊乱，从而导致晶体结构缺陷[14]。

表1 不同月桂酸添加量时形成WS-LA和WS-βLG-LA复合物样品的热力学性质

2.3 不同脂肪酸添加量时形成的二元及三元复合物的长程有序性

图5和图6是不同月桂酸添加量时WS-LA、WSβLG-LA样品的X-射线衍射图。图中位于13°和20°（2θ）左右的衍射峰是典型的V-型复合物的特征衍射峰，21.3°和24.2°（2θ）处的衍射峰是游离脂肪酸的聚集造成的[6,9]。从图5可以看出，随着月桂酸添加量增加，13°和20°（2θ）处的V-型衍射峰强度逐渐增加。从50 mg增加至100 mg时，衍射峰强度增加明显，而继续增加至150 mg，衍射峰强度基本不变，说明月桂酸添加量为100 mg时WS-LA复合物已经基本饱和。对于WS-βLG-LA样品（图6），当脂肪酸添加量从10 mg增加到50 mg时，V-型衍射峰强度有明显的增强，之后继续增加脂肪酸量，峰强度变化较小。说明在三元体系下，脂肪酸添加量为50 mg时，形成的复合物数量已经趋于饱和，这与DSC、RVA结论一致。

图5 不同LA添加量下得到的WS-LA样品的XRD图

图6 不同LA添加量下得到的WS-βLG-LA样品的XRD图

2.4 不同脂肪酸添加量时形成的二元及三元复合物的红外光谱

图7和图8是不同月桂酸添加量时WS-LA、WSβLG-L样品的红外光谱图。从图7可以看出，当脂肪酸添加量10和50 mg时，在1 701 cm-1左右的脂肪酸的羧基振动吸收峰没有出现，可能是因为在这两个样品中脂肪酸太少，不足以在红外光谱中出现其吸收振动峰。而随着脂肪酸添加量增加，在1 703 cm-1处出现了吸收峰，说明月桂酸的羧基振动吸收从1 701 cm-1向高波数移动，表明形成了WS-LA复合物[29]。对于WSβLG-LA体系，所有样品均没有出现脂肪酸的羧基振动吸收峰，尤其是WS-LA-βLG-100/150 mg样品，它们对应的WS-LA二元体系均出现了脂肪酸羧基的吸收峰，但是在三元体系下该峰消失（图8），说明形成的三元复合物的形成衰减了月桂酸羧基的吸收振动[6]。

图7 不同LA添加量下得到的WS-LA样品的红外光谱图

图8 不同LA添加量下得到的WS-LA-βLG样品的红外光谱图

2.5 不同脂肪酸添加量时形成的二元及三元复合物的短程有序性

拉曼光谱在480 cm-1处的吸收峰是淀粉分子的骨架振动形成的[30]，其半峰宽（FWHM）可以用来表征淀粉结构的有序程度，半峰宽越小，淀粉结构的有序程度越高。表3是WS-LA、WS-βLG-LA样品在480 cm-1处振动吸收峰半峰宽值。可以看出，随着月桂酸添加量增加，WS-LA和WS-βLG-LA样品FWHM逐渐降低，分别从19.11和18.81降低至15.51和14.93，这意味着所形成复合物的数量增加。但两个体系从月桂酸添加量分别为100和50 mg之后FWHM减少量逐渐降低，趋于平稳。说明二元及三元复合物的形成随着月桂酸添加量增加先增加后趋于饱和，与RVA、DSC以及XRD结论一致。

表2 不同月桂酸添加量时形成WS-LA和WS-βLGLA复合物样品在480 cm-1处吸收峰的半峰宽值

3 结论

试验研究了不同月桂酸添加量对小麦淀粉-月桂酸二元或小麦淀粉-β-乳球蛋白-月桂酸三元复合物形成的影响。RVA、DSC、XRD以及拉曼结果表明：二元及三元复合物的形成随着月桂酸添加量的增加先增加后逐渐达到饱和；但两种体系达到饱和所需要的月桂酸的量不同，二元体系达到饱和时所需要的脂肪酸量大于三元体系达到饱和所需要的脂肪酸量，并且三元体系样品中的复合物数量总是多于相同月桂酸添加量时的二元体系样品。形成复合物熔融峰的ΔT随着脂肪酸添加量的增加而增加，这可能是不同脂肪酸添加量时形成复合物的直链淀粉DP不同导致的。