板栗淀粉-脂质复合物对淀粉老化性质的影响

董慧娜，汪 磊，陈 洁*，陈 玲，许 飞

1.河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001

2.华南理工大学 食品科学与工程学院，广东 广州 510640

板栗因具有独特的风味、药用价值和保健功能而被广大消费者喜爱，但新鲜板栗在短期内易老化变硬，影响了板栗及其制品的货架期和食用价值，造成这种现象的主要原因是板栗中淀粉含量较高，为50%～70%[1]。因此，研究如何抑制淀粉老化对延长板栗货架期有重要的现实意义。

在淀粉老化的初期，主要发生的是和直链淀粉有关的短期老化，由直链淀粉的快速重结晶引发一系列重排，聚集在一起的分子形成了能让淀粉凝胶弹性更强的三维网状结构[2-4]。淀粉老化受多方面因素的影响，如淀粉中直链淀粉和支链淀粉的比例、水分含量和外源添加物等。国内外研究显示，如果把亲水胶体、脂质、多糖和多酚等外源物质以一定的方式添加到淀粉中，能够在一定程度上延缓甚至抑制淀粉的老化[5-7]。近年来，脂质在食品加工过程中的应用越来越普遍。脂质易与淀粉发生络合反应，形成淀粉-脂质单螺旋复合物，进一步形成稳定的V-型结晶结构[8-10]。淀粉-脂质复合物本质上是淀粉单螺旋疏水空腔中脂质的包合物，单螺旋V-型结构由氢键形成，其中亲水羟基位于螺旋外侧，疏水部分位于螺旋内侧。脂质的疏水碳链进入螺旋内部进而形成复合物。由于长链脂肪酸的配合物和晶体结构形成较少，所以长链脂肪酸对糊化和回生有较强的抑制作用。现阶段大多数淀粉-脂质复合物研究的处理温度均为100 ℃[11-19]，缺少100 ℃以上或以下不同温度制备淀粉-脂质复合物的对比研究。

淀粉的短期老化受多种因素的影响，但主要还是由直链淀粉的快速重结晶引起的，由于淀粉的短期老化时间较短，一般在4 ℃冷藏6～10 h即可完成，因为在4 ℃条件下淀粉具有最大的结晶成核速率[20-21]。因此，作者通过X射线衍射、傅里叶红外、激光共聚焦、质构分析等方法，探究了不同脂肪酸(月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸)在不同的蒸煮方式下对板栗淀粉短期老化的影响，进一步为板栗淀粉-脂质复合物在食品工业的应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大峰板栗(产自辽宁省，Chinese chestnut，CS)；棕榈酸(palmiticacid，PA，纯度≥97%)、肉豆蔻酸(myristic acid，MA，纯度≥99%)、月桂酸(lauric acid，LA，纯度≥98%)：上海麦克林生化科技有限公司；其他试剂均为分析纯。

TG16-WS离心机：中国湘仪有限公司；WQF-510傅里叶红外光谱仪：北京锐利分析仪器公司；TU-1810紫外可见分光光度计：北京普析通用仪器有限责任公司；TAXT2I质构分析仪：英国SMS公司；X-射线衍射仪：荷兰PANalytical公司；Quanta FEG250扫描电子显微镜：荷兰FEL公司；FV3000激光扫描共聚焦显微镜：奥林巴斯；YX280 A手提式不锈钢压力蒸汽灭菌器：上海市三申医疗器械有限公司。

1.2 方法

1.2.1 板栗淀粉的制备

将新鲜板栗脱皮后与0.45%亚硫酸钠按1∶ 2(g/mL)混合后放入粉碎机中打浆，过滤后离心、过筛，洗涤重复2次，用乙醇继续洗涤后烘干。

1.2.2 常压蒸煮制备板栗淀粉-脂肪酸复合物

参考王明珠[22]的方法并稍加改进，称取10 g的板栗淀粉配成8%的淀粉乳，同时将LA、MA和PA分别按3%(以淀粉质量计)称取，于无水乙醇中溶解后添加到淀粉乳中，将混合液于95 ℃水浴中加热搅拌30 min，再于60 ℃保温30 min后取出，冷却至室温，将样品冷冻干燥后粉碎，然后用无水乙醇充分洗涤、干燥后研碎，过100目筛，装入密封袋待用。分别将常压制备得到的板栗淀粉-棕榈酸复合物、板栗淀粉-肉豆蔻酸复合物、板栗淀粉-月桂酸复合物记为CSPA-N、CSMA-N、CSLA-N；未加脂肪酸的空白对照记为CS-N。

1.2.3 高压蒸煮制备板栗淀粉-脂肪酸复合物

称取10 g板栗淀粉配成8%的淀粉乳，同时将LA、MA和PA分别按3%(以淀粉质量计)称取，用无水乙醇溶解后添加到淀粉乳中，将混合液于85 ℃预糊化5 min，再于高压灭菌锅121 ℃加热30 min，取出冷冻干燥，余下步骤同1.2.2。分别将高压制备得到的板栗淀粉-棕榈酸复合物、板栗淀粉-肉豆蔻酸复合物、板栗淀粉-月桂酸复合物记为CSPA-H、 CSMA-H、CSLA-H；未加脂肪酸的空白对照记为CS-H。

1.2.4 短期老化淀粉-脂质复合物的制备

取4 g复合物于80 mL烧杯中配制成7%的悬浊液，于95 ℃水浴30 min使样品充分糊化，再于85 ℃水浴保温15 min,然后4 ℃放置10 h，取出冷冻干燥，过100目筛,密封备用。

1.2.5 复合指数的测定

参照李宏升[23]的方法，将样品配成0.1%的悬浊液，加入9 mL NaOH溶液(1.0 mol/L)并于沸水浴加热10 min，移至100 mL容量瓶中定容，移取5 mL于100 mL容量瓶中，再加入50 mL水、1.0 mL的乙酸溶液(1.0 mol/L)和2.0 mL碘试剂，定容后静置10 min，在620 nm处测定吸光度。复合指数(CI)=(空白吸光度-样品吸光度)/空白吸光度×100%。

1.2.6 析水率的测定

参照Guo等[24]的方法并稍加修改。称取0.3 g淀粉脂质复合物和10 mL蒸馏水混合于离心管中，95 ℃水浴30 min使其充分糊化，然后4 ℃放置10 h，取出于25 ℃水浴锅中平衡15 min，3 500g离心15 min，取出离心管，将上清液倒出，记录离心管内沉淀的质量。

式中：Vc为析水率；m1为离心管的质量，g；m2为离心管和淀粉糊的总质量，g；m3为去水后离心管和淀粉糊的总质量，g。

1.2.7 凝胶质构特性的测定

配制7%的淀粉-脂质复合物悬浊液于50 mL烧杯中，95 ℃水浴30 min使样品充分糊化，再于85 ℃水浴保温15 min，然后4 ℃放置10 h，取出在25 ℃水浴锅中平衡15 min。凝胶质构采用平底柱形P/5探头。测试参数：穿刺速度0.8 mm/s，穿刺距离15 mm，触发力5 g。

1.2.8 傅里叶红外分析

取制备得到的老化淀粉-脂质复合物1～2 mg与200 mg烘干的纯溴化钾研磨混合，压片后测定。扫描32次，扫描波数400～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1。采用OMNIC 9.2软件校准基线并去卷积[25-26]。

1.2.9 X-射线衍射分析

将老化10 h后的冻干样品置于X-射线衍射仪上测试(管压40 kV、管流40 mA)。扫描范围5°～40°，扫描速度4°/min。相对结晶度的计算方法参考Miao等[27]的方法。

1.2.10 激光共聚焦显微镜分析

取0.2 g淀粉脂质复合物配制成7%的悬浊液，于95 ℃水浴30 min使样品充分糊化，再于85 ℃水浴保温15 min。取出放至室温后吸取100 μL的样品与20 μL 0.1%异硫氰酸荧光素染液混合制片，制备好的载玻片在4 ℃条件下放置10 h，倒置于激光共聚焦显微镜下观察并拍照[28]。

1.2.11 扫描电镜分析

取短期老化10 h后冻干的样品，在3 kV电压下放大2 000倍并观察微观结构。

1.3 数据处理

所有试验均重复3次，采用SPSS 22.0软件进行显著性分析(Duncan多重检验，P<0.05)；采用Origin 2019软件制图。

2 结果与分析

2.1 复合指数

淀粉与脂质的复合程度是由淀粉和水分子之间形成的螺旋结构、脂质与淀粉分子内疏水基之间的相互作用决定的[29]。如图1所示，在不同脂肪酸和蒸煮方式下形成的板栗淀粉脂质复合物的CI均表现出了显著差异性。常压蒸煮时，CSLA-N的CI最大，CSPA-N的CI较小。高压蒸煮也表现出同样的趋势。这可能是由于LA、MA、PA的碳链长度依次递增；碳链较短的脂肪酸在淀粉加热糊化过程中表现出较好的分散性，均匀且密集地分散于淀粉乳浊液体系内，更利于与淀粉分子形成络合物；相反，碳链较长的脂肪酸在淀粉加热糊化过程中表现出较差的分散性，减少了与淀粉分子之间的碰撞概率，从而使长链脂肪酸CI降低。这与Tang等[11]关于脂肪酸碳链越长复合程度越低的研究结果一致。与常压蒸煮相比，同一种脂肪酸在高压蒸煮条件下与淀粉复合时有较大的CI，这可能是由于高压蒸煮能使淀粉颗粒较充分地吸水溶胀，促使淀粉分子更均匀地分散于体系中，极大增加了淀粉分子与脂肪酸之间接触的机会，导致CI显著增加。

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。图2同。

2.2 析水率

板栗淀粉-脂肪酸复合物短期老化的析水率如图2所示，在高压和常压蒸煮条件下，不同脂肪酸的加入，均有效地降低了板栗淀粉糊化后短期老化的析水率。研究发现，析水率的变化与淀粉中直链淀粉、支链淀粉的含量以及脂肪酸的种类密切关联[30]。因此，与原板栗淀粉糊化相比，脂肪酸的加入不同程度地减弱了淀粉颗粒的吸水膨胀速率，以达到抑制淀粉短期老化的目的。可能是因为在淀粉糊化时，淀粉-脂质复合物包裹在淀粉颗粒表面，阻止了直链淀粉的溶出以及水分子和板栗淀粉的融合，从而在一定程度上减缓了淀粉颗粒吸水膨胀的速率。此外，同一蒸煮方式下，随着加入的脂肪酸碳链长度的减小析水率逐步下降，可能是因为脂肪酸碳链越长其在淀粉乳中的分散性越弱，进一步阻碍脂肪酸-淀粉分子包合物的形成。添加同一种脂肪酸时，复合物的析水率在高压蒸煮条件下明显低于常压蒸煮，可能是由于高压蒸煮增加了脂肪酸与淀粉的复合程度，进一步减缓了淀粉糊化时的溶胀速率，从而达到减缓淀粉短期老化的效果。

图2 板栗淀粉-脂质复合物的析水率Fig.2 Syneresis rate of chestnut starch lipid complex under different cooking methods

2.3 凝胶质构特性

添加不同种类脂肪酸的淀粉经过不同蒸煮方式后的凝胶质构参数见表1。同一蒸煮条件下淀粉凝胶冷藏10 h，不同种类的脂肪酸硬度有显著差异，但黏附性未表现出明显差异，这主要是因为短期老化过程中，直链淀粉分子由于氢键的作用，使凝胶网络结构具有一定程度的韧性[31]。然而不同的脂肪酸碳链长度不同，在凝胶体系中分散程度不同，对阻碍直链淀粉与氢键结合的程度也不尽相同，同一蒸煮方式中加入LA复合物的硬度最低，其次为CSMA，最高为CSPA。与常压蒸煮相比，同种脂肪酸与淀粉形成的复合物在高压蒸煮时有较小的硬度，这可能是因为脂肪酸与淀粉复合程度增大，较大强度地阻碍了糊化后已经溶胀的淀粉分子中直链淀粉分子的重新排列组合。通过黏附性的对比可以得出，在高压蒸煮时，月桂酸的添加对淀粉凝胶在4 ℃条件下的短期老化有显著影响。但在常压蒸煮条件下，4种样品的黏附性未见显著性差异，这可能是由于凝胶硬度较大，淀粉分子间挤压的作用大于添加脂肪酸黏性变化的作用。

2.4 傅里叶红外分析

图3为不同链长的脂肪酸在不同蒸煮条件下短期老化的傅里叶红外光谱。由图3可知，单一的板栗淀粉与板栗淀粉-脂质复合物的红外光谱相似。在重叠峰经分解后的红外图谱中，与结晶区域有关、非结晶区域有关的分别是1 047 cm-1处的吸收峰和1 022 cm-1处的吸收峰[32]。

表2为不同蒸煮方式下板栗淀粉-脂质复合物1 047 cm-1/1 022 cm-1分析，通常1 047 cm-1/1 022 cm-1区域中FTIR的相对吸收强度可以用来评估淀粉结晶度，其比值与老化程度有协同作用[33]。4 ℃条件下处理10 h后，同种蒸煮方式下添加脂肪酸的复合体系其1 047 cm-1/1 022 cm-1均比未添加脂肪酸的小，其中以CSLA的1 047 cm-1/1 022 cm-1最小；CSMA的次之；CSPA的相对较大。同种脂肪酸与淀粉形成的复合物在高压蒸煮条件下的1 047 cm-1/1 022 cm-1较小。说明添加LA、MA、PA均可阻碍板栗淀粉凝胶在短期老化过程中的淀粉分子重排，降低短期老化时有序和无序结构之间数量的比例，按效果排序为CSLA>CSMA>CSPA。这可能是由于月桂酸链长较短使其在乳浊液中分散性较好，更容易形成直链淀粉单螺旋结构，抑制直链淀粉的溶出，从而达到延缓淀粉短期老化的效果。和常压蒸煮相比，高压蒸煮表现出较好的抗老化效果，这可能是因为压力升高淀粉中更多的直链淀粉被释放出来，与脂肪酸形成单螺旋结构，阻碍了直链淀粉重排，从而延缓淀粉短期老化。

表2 不同蒸煮方式下板栗淀粉-脂质复合物1 047 cm-1/1 022 cm-1分析Table 2 Analysis of 1 047 cm-1/1 022 cm-1 of chestnut starch-lipid complex under different cooking methods

2.5 X-射线衍射分析

不同脂肪酸与淀粉形成的复合物在不同蒸煮条件下短期老化X-射线衍射图谱如图4所示，在2θ为13.6°、17°、20.5°时出现衍射峰，说明CSPA、CSMA、CSLA均呈现出十分典型的V型结晶结构，这是因为形成了淀粉-脂肪酸复合物；空白对照样品在2θ为17°、20.5°出现弱峰，而在13.6°未观察到可见峰。由此，可以初步确定淀粉-脂肪酸复合物的形成，这可能有助于延缓淀粉回生[34]。

图4 不同蒸煮方式下短期老化板栗淀粉-脂质复合物的X-射线衍射图谱Fig.4 X-ray diffraction patterns of chestnut starch-lipid complex of short-term aging after normal pressure cooking and high-pressure cooking

由X-射线衍射图谱可计算出相对结晶度，结果如表3所示，在同一蒸煮方式下的短期老化过程中，CSLA、CSMA、CSPA与CS相比相对结晶度明显降低，且添加不同脂肪酸的复合物之间相对结晶度也有显著性差异，其中相对结晶度从低到高依次为CSLA、CSMA、CSPA，即随着脂肪酸碳链长度的增加，板栗淀粉-脂质复合物的相对结晶度呈现出明显上升的趋势，淀粉-脂质复合物相应结晶区域的形成明显增多，结晶更完整[35]。当加入同一脂肪酸时，与常压蒸煮相比，高压蒸煮条件下复合物的相对结晶度更低，说明高压蒸煮更有利于破坏淀粉颗粒的结晶结构，使更多的直链淀粉溶出与脂肪酸结合，从而形成更多的淀粉-脂质复合物。复合物的形成阻碍短期老化过程中直链淀粉分子的重排，这在一定程度上抑制淀粉的老化，表明相对结晶度与蒸煮方式关系密切，当压力增大时，相对结晶度减小。

表3 不同蒸煮方式下板栗淀粉-脂质复合物的相对结晶度Table 3 Relative crystallinity of chestnut starch-lipid complex under different cooking methods

2.6 激光共聚焦显微镜分析

通过激光共聚焦显微镜观察板栗淀粉与添加不同脂肪酸的板栗淀粉在不同蒸煮方式下短期老化的微观结构，如图5所示，同种蒸煮方式下，未加脂肪酸的板栗淀粉发生明显的溶胀，淀粉溶胀破裂明显，与此对比，添加脂肪酸后的淀粉凝胶溶胀行为明显弱于空白对照，表现出较低的溶胀度，而且与CSPA相比，CSMA和CSLA的凝胶结构均有较多的空腔，其中，CSLA凝胶结构空腔更均匀，也更明显。这可能是因为在老化初期，由于氢键的作用，直链淀粉形成了具有丰富孔洞的凝胶网状结构[31]，使脂肪酸进入空腔内，进而与淀粉分子均匀地接触，阻碍淀粉分子重排现象的发生，从而延缓短期老化。与常压蒸煮相比，高压蒸煮表现出更高的糊化度，可能是压力增大使淀粉更容易破裂，这与X-射线衍射结果一致。

注：A、B、C、D分别为短期老化CS-N、CSPA-N、CSMA-N和CSLA-N微观结构；E、F、G、H分别为短期老化CS-H、CSPA-H、CSMA-H和CSLA-H微观结构。图6同。

2.7 扫描电镜分析

如图6所示，在同一蒸煮方式中，不加脂肪酸的淀粉凝胶短期老化形成孔洞较少的片状结构，这可能是因为淀粉在短期老化过程中发生了脱水缩合作用，脱水缩合程度与淀粉老化程度有密切联系。加入脂肪酸后的复合体系出现了相对密集且均匀的孔洞，特别是CSLA孔洞均匀且有序的现象更为明显。孔洞形成是因为冻干过程水分不同程度地流失，冻干前样品持水能力越强，则冻干后的样品孔洞就会越多[36]。与常压蒸煮相比，同种脂肪酸在高压蒸煮下有相对多的孔洞，表明高压蒸煮能较大程度提升淀粉凝胶保持内部水的能力，在一定程度上延缓板栗淀粉的短期老化，这与析水率结果一致。

图6 不同蒸煮方式下短期老化板栗淀粉-脂质复合物扫描电镜图Fig.6 SEM characterization of chestnut starch-lipid complex of short-term aging under different cooking methods

3 结论

就同一种蒸煮方式而言，PA、MA、LA的加入均可延缓CS的短期老化，其中以LA对CS的影响最为显著，可能是因为LA持水能力较MA、PA高，竞争水分能力较强，从而有效抑制板栗淀粉短期老化过程中直链分子链运动。与常压蒸煮相比，高压蒸煮抑制短期老化效果更明显，可能是因为高压使直链淀粉更容易溶出且更均匀地分布于凝胶体系中，有利于复合体系中脂质与直链淀粉的结合，从而抑制分子链的重排，也使复合体系的复合指数更高，进而更有效地抑制短期老化。

本研究从不同角度阐述了脂肪酸对板栗淀粉短期老化的影响，没有对板栗淀粉长期老化作用进行研究，长期老化对实际生产来讲具有重要意义。后期可根据板栗的货架期选取不同时间点进行板栗淀粉-脂质复合物的抗老化研究，探究不同脂肪酸与板栗淀粉复合能否抑制板栗淀粉的长期老化。