单甘酯-小麦淀粉复合物的制备及其性能

张明月，杨留枝，娄雪，冯琳琳，景悦，刘延奇, *

1. 郑州轻工业大学食品与生物工程学院（郑州 450002）；2. 食品生产与安全河南省协同创新中心（郑州 450002）

淀粉作为离散的半结晶颗粒储存在高等植物中，占亚洲国家每日能量摄入量的50%以上[1]。天然的淀粉颗粒，包含直链淀粉和支链淀粉两种大分子，均是由α-1, 4糖苷键和少量的α-1, 6糖苷键连接α-D-吡喃葡萄糖形成的复杂高分子[2]。在复合物的形成过程中，由于直链淀粉的螺旋结构内部是非极性区域，可与脂质的碳氢链之间发生疏水性交互作用，进而形成单螺旋包合物。淀粉-脂质复合物的形成可以改变原淀粉的理化性质，例如可以延缓淀粉的老化、降低淀粉的水解、增加抗消化性等。因此，淀粉-脂质复合物作为稳定剂、脂肪替代品和乳化剂应用于食品及功能性食品等领域。

目前，淀粉-复合物的制备方法包括DMSO法、KOH溶剂法、酶催化合成法、高压均质法、蒸汽喷射蒸煮法、挤压蒸煮法、干法等[3]。除了制备方法外，淀粉的种类、直链淀粉的含量、配体分子的大小及HLB值等均可以影响淀粉-脂类复合物的形成[4]。研究表明不同制备方法显著影响淀粉结构及性质。申瑞玲等[5]研究了KOH溶剂法制备最佳藜麦淀粉-硬脂酸复合物的工艺条件：硬脂酸与淀粉比例1︰12、温度为60℃、0.1 mol/L HCl添加量14 mL、保温时间30 min。刘静娜等[6]研究了高压均质法制备最佳玉米淀粉-脂质复合物的工艺条件：硬脂酸添加量0.5%、高压均质压力100 MPa、高压均质次数3次、糊化预处理温度95 ℃。Wang等[7]研究了超声波处理、DMSO加热和支链淀粉酶脱支3种处理方法对马铃薯淀粉-月桂酸复合物和淀粉基薄膜性质的影响，结果表明3种方法制备的淀粉复合物均具有高的拉伸性和低的透湿性。Lu等[8]采用两种干法制备了淀粉-脂肪酸复合物，发现采用加入脂肪酸之前加热淀粉这种干法更能促进薄层微晶的形成。总之，不同的方法制备脂肪酸复合物的复合指数及性质都有影响。为了更快速有效地制备单甘酯-小麦淀粉（GMS-WS）复合物，试验采用DMSO法制备GMS-WS复合物，研究单甘脂的添加量、反应温度和反应时间对CI的影响，同时探究了单甘酯对小麦淀粉热性质和结构的影响，以掌握单甘酯对小麦淀粉性质影响的规律，为扩大小麦淀粉的应用范围，提供相关应用参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小麦淀粉，Sigma公司，食品级；甘油单硬脂酸酯（GMS），广东光华化学厂有限公司，化学纯；二甲基亚砜（DMSO），天津市风船化学试剂科技有限公司，分析纯；无水乙醇，天津富宇精细化工有限公司，分析级；溴化钾，天津光复精细化工研究所，光谱纯。

1.2 仪器与设备

电子恒温水浴锅（DZKW-4型，北京中兴伟业仪器有限公司）；高速离心机（TDZ 5-WS型，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司）；紫外可见光光度计（TGL-16 gH型，科晓化工仪器设备有限公司）；傅里叶变换红外光谱仪（Vertex 70型，德国布鲁克公司）；多功能X射线衍射仪（D 8 Advance型，德国Bruker公司）；差示扫描量热仪（Q 20型，美国TA公司）。

2 试验方法

2.1 GMS-WS复合物的制备

参照刘延奇等[9]和史苗苗等[10]的方法，称取不同含量的单甘脂（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。将3 g小麦淀粉加入脂肪酸溶液，用电炉加热至沸腾后加入300 mL 90 ℃的水，分别在不同温度（60，70，80，90和100 ℃）下保温10，20，30，40和50 min。待体系冷却至室温后离心，沉淀用50%的乙醇/水溶液洗涤离心3次，在40 ℃下烘干24 h，研磨过筛，即得GMSWS复合物。

2.2 复合指数的测定

GMS-WS复合物的复合指数依据Wang等[11]的方法进行测量，并稍作修改：称取2.1小节制备的GMS-WS复合物（0.4 g）到50 mL离心管中，加入蒸馏水至总质量为5 g。将悬浮液在沸水浴中加热10 min或直到淀粉完全胶凝化。冷却至室温后，将25 mL蒸馏水加入到胶凝样品中，并涡旋振荡2 min，然后以3 000 r/mL离心15 min。再吸取上清液（500 μL）转移到试管中并与15 mL蒸馏水和2 mL碘溶液（2.0% KI和1.3% I2的蒸馏水）混合。在620 nm处测量紫外吸光度。使用小麦淀粉作为参考。CI按式（1）计算：

2.3 单因素试验对复合指数的影响

试验选择3个单因素来考察对GMS-WS复合物的复合指数的影响，分别是单甘酯的添加量（1%，3%，5%，7%和9%）、反应温度（60，70，80，90和100 ℃）和保温时间（10，20，30，40和50 min），试验结果均以小麦淀粉复合物的复合指数来衡量和选择。

2.4 正交试验优化

为了优化GMS-WS复合物的制备工艺，基于单因素试验基础上，采用L9(34)正交试验方案进行设计。试验因素与水平见表1。

表1 L9(34)因素与水平

2.5 傅里叶红外光谱分析（FT-IR）

取定量干燥的KBr，研细，再加入少量地样品，混合均匀并压片（0.5 mm），随后将该薄片放入样品卡槽于主机中扫描。测定条件：分辨率4 cm-1，波数范围4 000～400 cm-1，扫描次数64次。

2.6 X-射线衍射测试（XRD）

将淀粉样品（0.5 g）置于铝板上的矩形槽中（开口尺寸15～20 mm，厚度1.5 mm）并压制。在3 kV和20 mA下用XRD的Cu-Kα射线测量淀粉样品。测量在5°和40°（2θ）之间进行，样品步长为0.02°，扫描速率为4°/min，扫描方式为连续，重复1次。

2.7 热特性分析（DSC）

将约10 mg样品（水与淀粉质量比7︰3）置于铝盘中，用卷曲机密封，在室温下平衡12 h。使用空铝盘作为参考，加热范围20～140 ℃，加热速率10 ℃/min。相变参数分别用起始温度（T0）、峰值温度（Tp）、最终温度（Tc）和焓变（ΔH）表示。

3 结果与分析

3.1 GMS-WS复合物制备的工艺条件优化

3.1.1 GMS-WS复合物制备的单因素试验结果

考察单甘酯与小麦淀粉添加比例、结晶温度和保温时间对GMS-WS复合物复合指数的影响，结果如图1所示。

由图1（a）可知，随着单甘酯含量的增加，GMSWS复合物的CI值逐渐增加，当单甘酯的含量为5%时，它的CI值趋于稳定。这可能是因为小麦淀粉与单甘酯已经充分结合，所以再增加单甘酯的含量，CI值也不会有显著变化[10]。从图1（b）中发现，GMS-WS复合物的CI值呈先增加后减小的趋势。这是因为在低温下淀粉分子不能与单甘酯充分接触，导致GMS-WS复合程度不完全；随着反应温度的升高，小麦淀粉的结晶区和无定形区易形成多孔结构，增加了单甘酯与淀粉的络合；当温度达到90 ℃以上，由于V型无定形复合物在94～110 ℃发生熔融现象致使复合物的CI值降低[5]。由图1（c）可知，GMS-WS复合物的CI值在20 min时达到了最大值，继续增加保温时间，CI值逐渐减小。当保温时间为10 min 时，单甘酯难溶于水，与小麦淀粉不能充分有效接触，导致CI较低[12]。通过单因素试验可知，单甘酯的添加量为7%、结晶温度为80 ℃和保温时间为30 min，更有利于GMS-WS复合物的形成。

图1 单甘酯添加量、结晶温度和保温时间对CI的影响

3.1.2 GMS-WS复合物制备的正交试验优化

在单因素试验基础上，以单甘酯添加量、保温时间和反应温度为因素，CI为指标，进行三因素三水平的正交试验，对GMS-WS复合物的制备工艺进行优化。正交试验设计及结果见表2。

由表2可知，单甘酯添加量、反应温度和保温时间对GMS-WS复合物的形成均有一定的影响，其中单甘酯添加量的CI值影响最大，其次是保温时间和反应温度。同时，可以得出DMSO法制得GMS-WS复合物的最佳反应条件：单甘酯添加量7%（物质总量）、反应温度80 ℃、保温时间30 min，在该反应条件下的CI值为86.8%。

3.2 FT-IR分析

FT-IR光谱（图2）被用来研究小麦淀粉及GMSWS复合物的化学基团。与原淀粉相比，在GMS-WS样品的FT-IR光谱中发现两个额外的吸收带，分别在1 710和2 855 cm-1。1 710 cm-1处的吸收峰是羰基的伸缩振动峰[13]，2 55 cm-1处较弱的吸收峰是单甘酯分子中亚甲基结构的吸收峰，这是表明淀粉的疏水基团在淀粉链螺旋结构的非极性区域形成疏水螺旋腔，与单甘酯的碳氢键之间发生疏水性交互作用，进而形成单螺旋包合物[14]。Wang等[15]也发现了这两个额外的吸收带，而且还观察到脂肪酸的羰基带转变为具有更高值的脂肪酸酯淀粉复合物的羰基带，这归因于结晶阶段脂肪酸的氢键断裂和脂肪酸的羰基与直链淀粉的羟基之间形成新的氢键。3 000～3 600 cm-1区域内的较大宽峰带为淀粉中—OH的伸缩振动峰。GMS-WS复合物的峰值减弱，说明GMS-WS复合物中部分游离的—OH与分子蒸馏单甘酯中的酯键发生酯交换反应，从而使小麦淀粉复合物中—OH减少[16]。

表2 正交试验设计及结果分析

图2 小麦淀粉和GMS-WS复合物的红外光谱图

3.3 XRD分析

使用X-射线衍射图谱（图3）来验证GMS-WS晶体复合物的形成。小麦淀粉衍射峰主要在15°，17°，18°和23°附近（2θ），为典型的A型结构[17]。同时，再加入单甘酯后额外增加峰值在2θ值为7.59°，13.09°和19.85°，表明小麦淀粉的疏水排斥力诱导直链淀粉形成疏水腔，游离单甘酯进入直链淀粉的疏水腔，形成了稳定的GMS-WS复合物（A+V型晶体）[18]。从图3中计算出小麦淀粉的结晶度为53.14%，而GMS-WS复合物的结晶度为46.13%。结果明显GMS-WS复合物的结晶度小于小麦淀粉的结晶度，这可能是单甘酯阻碍了小麦淀粉的重结晶，导致结晶的致密性和有序度降低，从而使相对结晶度降低[19]。Chang等[20]研究了不同直链淀粉含量的玉米淀粉-月桂酸复合物的相对结晶度，发现淀粉复合物的相对结晶度与直链淀粉的含量呈负相关，并表明是淀粉糊化过程中支链淀粉晶体被破坏导致淀粉复合物的相对结晶度降低。这些结果与FT-IR光谱一致。

图3 小麦淀粉和GMS-WS复合物的X-射线衍射图

3.4 热特性分析

使用DSC热谱图来分析GMS-WS复合物的糊化性质。由图4明显可以看到原淀粉和GMS-WS复合物都有一个吸热峰，但添加单甘酯的小麦淀粉T0、Tp、Tc以及ΔH均低于原小麦淀粉，这可能是因为单甘酯分子与直链淀粉络合形成了螺旋结构，使淀粉分子的稳定性降低，且单甘酯的糊化温度较低，因此导致GMS-WS复合物糊化温度减小。淀粉的ΔH反映了双螺旋或淀粉微晶的损失，这些结构的损失很大程度上取决于淀粉颗粒的膨胀程度[21]。在加入单甘酯后，GMS-WS复合物的ΔH显著降低，可能是淀粉微晶的熔化受到抑制。Wang等[22]和杨伟军等[23]认为加入脂肪酸导致大米淀粉复合物的ΔH降低可能是淀粉糊化时吸收的热量与复合物形成时放出的热量相抵消所导致的。这与添加单甘酯后对小麦淀粉的热特性研究结果一致，说明单甘酯的添加导致淀粉的糊化温度降低。

图4 小麦淀粉和GMS-WS复合物的DSC图

4 结论

GMS-WS复合物的CI随单甘酯添加量的增加、反应温度的升高、反应时间的延长呈先增大后减小的趋势，影响因素主次顺序为单甘酯添加量＞反应温度=反应时间，制备GMS-WS复合物最佳工艺条件为单甘酯添加量7%、反应温度80 ℃、保温时间30 min，此条件下复合指数最高，为86.8%。红外光谱分析显示，小麦淀粉与单甘酯发生了反应，形成GMS-WS复合物。X-射线衍射图表明在2θ值为7.59°，13.09°和19.85°存在特征峰，证实了GMS-WS复合物为V型晶体。DSC热谱图分析发现，与原淀粉相比，GMS-WS复合物的糊化温度和糊化焓降低。