Effect of Amylose Content on the Formation and Physicochemical Properties of Starch-Fatty Acid Complex
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摘要: 本研究以不同直支比的玉米淀粉和硬脂酸为原料制备了三种不同的淀粉-脂质复合物，并采用扫描电镜、X射线衍射、傅里叶红外光谱等分析方法对淀粉-脂质复合物外部形态、晶体结构、抗消化性、缓释性等进行了表征与测定。结果表明：在扫描电镜下观察，与原淀粉相比，复合物的体积增大，同时表面凹凸不平。红外光谱证明淀粉-脂质复合物的形成，同时氢键的增加可能会导致抗性淀粉含量增加。复合物的形成使得晶体构象变为V型结构。普通玉米淀粉（normal）及高直链玉米淀粉（G60）在处理后快消化淀粉（RDS）含量减少，慢消化淀粉（SDS）含量增加，抗性淀粉（RS）含量增加，其中抗性淀粉含量分别达到52.0%和52.4%。硬脂酸在复合物内的释放分为两个阶段呈现先快后慢的趋势，并且直链淀粉含量的增加能够显著提高复合物对于硬脂酸的缓释能力。本文可为进一步提高直链淀粉的应用范围提供参考依据。Abstract: In this study, three different starch-lipid complexes were prepared using corn starch and stearic acid with different straight branch ratios as raw materials. Then the external morphology, crystal structure, digestibility, sustained release and other characteristics of the starch-lipid complex were determined by scanning electron microscopy, X-ray diffraction and fourier transform infrared spectroscopy. The results showed that: Compared with the original starch, the volume of the compound was increased, and the surface was uneven by scanning electron microscope. Infrared spectroscopy proved the formation of starch-lipid complexes, and the increase in hydrogen bonds might lead to an increase in resistant starch content. The complexs generated a diffraction angle of the V-type crystal structure. After treatment, normal corn starch (normal) and high amylose corn starch (G60) reduced the content of rapidly digestible starch (RDS), increased the content of slowly digestible starch (SDS), and increased the content of resistant starch (RS). The content of resistant starch reached to 52.0% and 52.4%. The release of stearic acid in the compound was divided into two stages, showing a trend of fast first and then slow, and the increase of amylose content could significantly improve the sustained release ability of the compound for stearic acid. This article could provide a reference for further improving the application scope of amylose.
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淀粉是存在于自然界中的一类高分子化合物，是人类碳水化合物的主要来源，具有安全无毒、可再生、易生产加工等优点。根据分子结构的不同，淀粉又可分为直链淀粉和支链淀粉，二者都是葡萄糖的聚合体，但理化性质有所不同[1]。高直链淀粉主要指淀粉中直链淀粉的含量超过50%的淀粉[2]。由于直链淀粉含量显著增加，高直链淀粉具备很多普通淀粉较难达到的特性和用途，如糊化温度升高、取代度高、易老化、成膜性好等[3-4]。在医疗方面，高直链淀粉的抗消化性强，不会引起餐后血糖水平的快速升高[5-6]，可以用来制备糖尿病患者的专用食品。
高直链淀粉的糊化不能够通过普通水浴来实现。微波辐射加工技术是一门新兴技术，其加热淀粉的作用机制可归结为微波的介电加热效应和电磁极化效应[7-8]，具有穿透性好、加热均匀等特点，在食品工业和基础研究中广泛应用[9]。微波能够从分子内部进行加热，使得高直链淀粉能够更简易的达到其糊化温度，形成淀粉糊。
脂肪酸是食品或药品的重要组成成分，能够对食品品质产生影响。当淀粉与脂肪酸通过氢键作用形成淀粉脂质复合物时，原淀粉的一些性质会得到改变，例如：提高淀粉的抗消化性、阻止脂肪酸不饱和键氧化、提高脂质在消化过程中的保留率、改变淀粉晶型结构、提高淀粉的透明度[10-11]等。通过一定工艺方法制备出的复合物，可以作为食品加工中的增味剂、增稠剂、稳定剂等添加剂，也可以作为药品加工中的糖衣制剂、缓释剂[12]等。
目前对于淀粉-脂质复合物的研究多在于晶体结构、理化性质等，但是该复合物的性质是否与淀粉中直链淀粉含量相关仍然有待验证。本研究在前人研究的基础上，通过电镜观察、X射线衍射分析、傅里叶红外光谱分析等方法，研究不同直支比淀粉形成的淀粉-脂质复合物的形态、晶体构型、抗消化性、缓释性，以期更全面地了解直链淀粉含量对淀粉-脂质复合物性质的影响，为高直链淀粉在食品、药品等方面的开发应用提供新的方向和参考。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
高直链玉米淀粉（G60）、糯玉米淀粉（waxy） 均由西北农林科技大学农业部西北旱区玉米生物学与遗传育种重点实验室提供；普通玉米淀粉（normal） 由上海易汇生物科技有限公司提供；通过双波长比色法[13]测得三种淀粉的直链淀粉含量分别为：糯玉米淀粉0.67%±0.4%、普通玉米淀粉23.7%±0.7%、高直链玉米淀粉58.4%±0.5%；猪胰α-淀粉酶（3 U/mg，sigma P7545）、糖化酶 （260 U/mL，sigma 7095） 美国sigma公司；D-葡萄糖测试试剂盒 Megazyme公司；硬脂酸（SA） 阿拉丁公司；无水乙醇 成都市科隆化学品有限公司；试验中用到的其他试剂和药品均为分析纯。
M1-L236A美的微波炉 广东美的集团；Alpha1-4LDplus冷冻干燥机 德国Christ公司；Philips XL-3型扫描电子显微镜 日本日立公司；TG16KR高速离心机 长沙东旺实验仪器有限公司；vertex70傅里叶红外光谱仪、D8 ADVANCE A25 X-射线衍射仪 德国 Bruker 公司；DK-320恒温水浴锅 上海精宏实验设备有限公司；UV-1750紫外分光光度计 日本岛津公司。
1.2 实验方法
1.2.1 复合物制备
分别称取2 g 糯玉米淀粉（waxy）、普通玉米淀粉（normal）、高直链玉米淀粉（G60）于50 mL烧杯内，分别标号A1、A2、A3，另外称取2 g普通玉米淀粉于50 mL烧杯内作为阴性对照（ck）。向四个烧杯内分别加入20 mL蒸馏水，放入微波炉内800～1000 W内加热5～10 min，为防止淀粉颗粒沉降，采取间歇加热。稍冷却后再以90 ℃恒温水浴15 min。
向A1、A2、A3号烧杯内加入0.3 g的硬脂酸，阴性对照ck组不加入硬脂酸，其他处理相同，95 ℃水浴搅拌40 min，取出，用（50:50，w/w）的乙醇/水洗涤三次并离心（3500 r/min），除去未与玉米淀粉复合的脂肪酸。冷冻干燥24 h，制成淀粉-脂质复合物，研磨过筛。对照所用原淀粉（未经处理）分别标注为waxy（糯玉米原淀粉）、normal（普通玉米淀粉）、G60（高直链玉米淀粉）；得到的淀粉脂质复合物分别标注为waxy-SA（糯玉米淀粉脂质复合物）、normal-SA（普通玉米淀粉脂质复合物）、G60-SA（高直链玉米淀粉脂质复合物）。
1.2.2 电镜观察
将制成的不同复合物分布在载物台的导电双面胶上，抽真空后放在扫描电子显微镜上观察，选取最佳观察角度与倍数进行形态观察，并拍照。
1.2.3 红外光谱分析
分别称取四个实验组复合物 1 mg（干重），与150 mg溴化钾在红外灯下研磨，置于模具中15 MPa下抽真空压片60 s，扣除溴化钾背景，在4000~400 cm−1下，扫描64次，分辨率为4 cm−1，得到红外光谱图。
1.2.4 X射线衍射
四个样品分别放置于玻璃放样架的凹槽内，使用光滑平整的压片压实，使样品平整铺在凹槽处，在管压40 kV、管流40 mA、2θ扫描范围 4~60°、扫描速度5°/min。测定样品的数据处理采用XRD分析配套的Jade5.0 软件。
1.2.5 体外消化性测定
体外消化性使用经微波处理后的原淀粉作为对照组，微波处理操作与1.2.1相同，分别标注为：waxy-ck（微波处理后糯玉米淀粉）、normal-ck（微波处理后普通玉米淀粉）、G60-ck（微波处理后高直链玉米淀粉）。
参考 Englyst 等[14]方法并稍加改动，称取100 mg样品置于50 mL离心管中，加入 15 mL醋酸钠缓冲液（0.1 mol/L，pH5.2），涡旋振荡混匀后加入2.5 mL 混合酶液（6 mL醋酸钠缓冲液中加入1160 mg猪胰酶（3 U/mg）和692 μL 糖化酶 （260 U/mL），37 ℃放置），放入摇床孵育（摇床参数为37 ℃，300 r/min）。先向1.5 mL离心管中加入l mL无水乙醇，分别在0、20、120、180 min取出0.1 mL溶液，加到1.5 mL离心管中。在取点结束后，将此溶液于离心机10000 r/min离心5 min。取0.1 mL上清液，使用D-葡萄糖试剂盒测定葡萄糖含量。根据以下公式计算淀粉-脂质复合物的快速消化淀粉（RDS）、慢速消化淀粉（SDS）、抗性淀粉（RS）的含量：
RDS(%)=(G20-G0)×0.9×100 SDS(%)=(G120-G20)×0.9×100 RS(%)=(G180-G0)×0.9×100 式中：G0为淀粉酶解前的葡萄糖质量（mg）；G20为酶解20 min 时的葡萄糖质量（mg）；G120为 酶解120 min 时的葡萄糖质量（mg）；G180为酶解180 min 时的葡萄糖质量（mg）。
1.2.6 缓释性测定
将样品称取0.05 g于15 mL离心管中，每个样品称取12管，放置于40 ℃烘箱内，每隔24 h取出两支进行硬脂酸含量测定，测定剩余硬脂酸量。硬脂酸含量测定：取出两支离心管，加入5 mL无水乙醇，涡旋超声样品，4000 r/min离心5 min后取上清液于比色管中定容，在232 nm 条件下测定吸光度，根据标准曲线计算硬脂酸含量。
y=0.0286x−0.003 式中：x为232 nm处吸光度；y为硬脂酸质量（mg）；R2=0.9923。
1.3 数据处理
除缓释性检测只重复两次外，其余指标均进行三次实验重复，测定数据均利用SPSS 18.0统计分析软件进行方差分析（P<0.05），数据使用平均值±标准差表示。
2. 结果与分析
2.1 颗粒形态分析
如图1所示，图a、b、c分别为waxy、normal、G60淀粉电镜照片，三类淀粉的原淀粉颗粒间均未出现粘连现象，多为光滑的球状或块状，淀粉颗粒较小。经微波法处理后的ck组结构遭到破坏，形态发生变化，淀粉颗粒体积变大，呈现块状结构，表面较粗糙。加入硬脂酸处理后的waxy-SA组受制于支链淀粉高度分支的结构，支链淀粉本身就具有较大的空间位阻[15]，当淀粉与脂肪酸复合时，空间位阻将会阻止脂肪酸的插入，导致微波水浴处理后的淀粉颗粒更为有序，表面更为光滑。而normal-SA、G60-SA淀粉组在加入硬脂酸后，形成的复合物结构发生明显改变，淀粉颗粒被破坏，体积大于ck组，表面粗糙，凹凸不平，同时颗粒间有粘连现象[16]，颗粒外部出现凹陷，颗粒间存在大量孔隙，该结构可能利于脂肪酸的插入与复合。
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图 1 玉米淀粉及淀粉-脂质复合物的电镜照片（1000×）注：a：糯玉米淀粉；b：普通玉米淀粉；c：高直链玉米淀粉；d：ck；e：waxy-SA；f：normal-SA；g：G60-SA。Figure 1. SEM images of corn starch and starch-lipid complexs (1000×)2.2 红外光谱分析
玉米淀粉对照以及复合物红外光谱图如图2所示。在微波处理时并不引入新的官能团。三种原淀粉在2862 cm−1附近均未出现额外吸收峰，而与ck和waxy相比，normal和G60组在2862 cm−1处有额外吸收，此处为脂肪酸亚甲基的C-H不对称拉伸振动峰[17]，该处特征吸收峰的出现也验证了复合物的形成。如表1所示，与ck相比，三组淀粉经过处理后，在3304.61 cm−1处O-H处出峰波数均降低，该特征峰反映了O-H集团的数量以及反应的强度，波数越低，O-H集团越多[18]，该变化是由于淀粉与脂肪酸复合时通过氢键发生作用，氢键的结合增多，说明了淀粉-脂质复合物的形成[19]；G60-SA组的O-H出峰波数比normal-SA组更低，说明了G60与硬脂酸结合得更为紧密，可能导致淀粉与硬脂酸的复合率升高。同时说明淀粉与硬脂酸发生反应，主要依靠的是淀粉内的直链淀粉与脂肪酸之间的相互作用，直链淀粉含量越高，可供结合的氢键越多，形成的复合物的绝对数量也越多，结构也更牢固，这有可能导致最终抗性淀粉含量的增加。
表 1 玉米淀粉及淀粉-脂质复合物的红外光谱解析Table 1. FT-IR analysis of corn starch and starch-lipid complexs样品 -OH waxy 3310.82±0.08c normal 3312.21±0.0 b G60 3313.55±0.03a ck 3304.61±0.08d waxy-SA 3290.64±0.04e normal-SA 3286.47±0.07f G60-SA 3284.43±0.05g 注：不同的小写字母表示不同组别之间存在显著性差异，P<0.05。 2.3 X射线衍射分析
XRD图谱能够直观地反映晶体构型，其中的衍射峰代表着晶体的结晶区，弥散峰代表非结晶区。淀粉常见的晶型结构主要有：A型结构（糯玉米淀粉与普通玉米淀粉属于此晶型，该类型晶体特征衍射峰位于15°、17°、18°、23°）、B型结构（高直链淀粉属于此晶型，该类型晶体特征衍射峰位于5.6°、17°、22°、24°）、V型结构（该晶型极少出现于天然存在的淀粉之中，往往是淀粉经过一定的物理化学方法改性后生成，该类型特征晶体衍射峰位于7.6°、12.8°、19.8°）。
如图3，waxy原淀粉在15.2°、17.1°、23.1°有较强衍射峰，属于A型结构。加入硬脂酸复合后，属于淀粉的特征峰几乎消失，说明糯玉米淀粉分支或末端直链部分的链长较短及淀粉分子本身存在较大空间位阻阻碍了脂肪酸的疏水作用，使得脂肪酸难以进入空腔内部，内部的水分子较难排出，氢键与范德华力作用不强烈，生成的复合物数量较少[20]。因此XRD图谱中的特征峰几乎消失，复合物呈现无定型的状态。
normal原淀粉在15.2°、17.1°、23.1°处有较强衍射峰，属于A型结构。加入硬脂酸复合后，复合物在12.8°、19.8°处出现了较强特征衍射峰，属于V型晶体，淀粉的晶型发生变化，同时在22.5°处存在脂肪酸衍射峰，说明形成淀粉-脂肪酸复合物。
G60原淀粉在5.6°、17.2°、22.5°、23.9°处有较强特征衍射峰，属于B型结构。加入硬脂酸复合后，复合物在12.6°、19.8°处出现了较强特征衍射峰，属于V型晶体。同时在5.7°、17.2°、22.5°处有较强衍射峰，此处峰属于B型晶体特征衍射峰，两种不同类型晶体峰的出现，说明仍有部分淀粉未与硬脂酸形成复合物，从而通过淀粉回生产生B型淀粉结构。说明G60复合物由V型与B型两种晶体类型构成。此外，复合物于22.5°存在脂肪酸衍射峰也表明脂肪酸进入直链淀粉的疏水空腔[21]。
葡萄糖基与羟基亲水性基团在螺旋腔的外表面，螺旋腔的内表面由亚甲基和糖苷氧原子排列组成，形成疏水性空腔，因此醇、碘、脂类等小分子物质可以进入螺旋强内部从而形成复合物[22]。脂质分子具有非极性部分，因此凭借着非极性部分的疏水作用力，脂质得以插入或镶嵌到位于直链淀粉内部的疏水空腔，同时直链淀粉螺旋内与螺旋间产生了大量的氢键以及范德华力将原本空腔内存在的水分子排出[23]。
2.4 体外消化性分析
抗性淀粉可以被肠道菌群发酵产生多种有益代谢产物如：短链脂肪酸 （short-chainfatty acids，SCFAs）和乳酸等，降低肠道pH，促进有益菌生长，减少有害菌的滋生，在调节肠道平衡和改善机体健康方面发挥重要作用[24]。并且抗性淀粉在食品添加中对食品的结构和口味无毒副作用[25]。
从图4可以看出，三种淀粉经处理后形成的复合物对原淀粉的消化性都产生了不同程度的影响。waxy-SA组，RDS含量升高，该现象可能是由于蜡质玉米淀粉核心结构松散，直链淀粉含量较少，只有少量直链淀粉与硬脂酸形成复合物，同时淀粉内部存在大量通道，在糊化过程中完全膨胀，颗粒结构遭到破坏，酶与淀粉颗粒接触面积变大，经过长时间作用后完全被消化[26]。与normal-ck和G60-ck相比，normal、G60形成复合物后，表现为RDS含量降低，SDS含量升高，RS含量升高，与Liu等[27]的研究结果一致；normal-SA、G60-SA淀粉的RDS含量分别降低了45.8%、24.8%，这可能是由于淀粉与脂肪酸堆积密度变大导致；SDS含量分别提升2.1%、6.6%；RS含量分别提升43.7%、18.2%，均高于相应对照组。说明淀粉与硬脂酸通过氢键结合之后能够提高抗性淀粉含量，抑制淀粉的消化，与2.2分析结果一致，这是由于脂肪酸在氢键的作用下进入玉米淀粉疏水空腔并与淀粉牢固结合，形成了更为致密、稳定的V-型螺旋状淀粉晶型结构，使得淀粉酶对淀粉发生作用时受到阻碍[28]。RS含量：G60-SA（52.4%±1.1%）>normal-SA（52.0%±1.6%）>waxy-SA（4.5%±1.4%），表明复合物的抗消化性随着直链淀粉含量提高而提高。同时，normal与G60在形成复合物后的抗性淀粉含量差异不显著（P>0.05）。结合2.4分析结果，表明尽管复合体的形成随直链含量的增加而增加，但在现有的硬脂酸浓度处理下，G60处理组有一部分直链淀粉仍未与硬脂酸相结合，这有可能是由于反应体系中的硬脂酸集团浓度过低造成的，也可能是形成的复合体在空间结构上进一步阻碍了更多脂肪酸的介入，复合体的形成达到了饱和，含量不能随直链淀粉含量的提高而无限增加。
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图 4 玉米淀粉及淀粉-脂质复合物的体外消化特性注：不同的小写字母表示同一指标不同组别之间存在显著性差异，P<0.05。Figure 4. In vitro digestion of corn starch and starch-lipid complexs2.5 脂肪酸释放分析
前人研究表明，淀粉脂质复合物在30 ℃下性质较为稳定，在温度大于30 ℃后，脂肪酸开始释放[29]。实验采用ck组作为零点对照，对其余数据进行纠正。由图5可知，脂肪酸的释放分为两个阶段。对normal-SA，第一阶段为1~2 d；对G60-SA和waxy-SA，第一阶段为1~3 d。
由表2可知，在第一阶段内，各组脂肪酸的释放速率均大于第二阶段，释放速率较快。由斜率可知释放速率：normal-SA>G60-SA>waxy-SA。在3 d之后，脂肪酸释放速率进入第二阶段。第二阶段方程斜率表明，G60-SA释放脂肪酸的速率明显低于normal-SA组；waxy-SA在第一阶段已经将脂肪酸释放完毕。结合waxy-SA组一、二阶段方程推断，第一阶段内释放的脂肪酸可能为吸附于淀粉表面或包埋与螺旋之间，但未进入淀粉螺旋内，较容易逸出的部分脂肪酸，该部分脂肪酸较容易被洗脱。进入第二阶段后，脂肪酸释放速率明显变慢，可能是包埋于螺旋内部的脂肪酸开始缓慢逸出。说明复合物的形成对脂肪酸的缓慢释放起了一定效果，该缓释效果可能随着直链淀粉含量的增加而得到提升。该体系可应用于化妆品加工中，例如：硬脂酸在化妆品加工中常用作稳定剂，加入硬脂酸复合体后可利用大于30 ℃缓慢释放的特性，在高温下缓慢释放以保护化妆品的某些有效成分等。
表 2 玉米淀粉和淀粉-脂质复合物的硬脂酸释放速率解析Table 2. Analysis of SA release rate of corn starch and starch-lipid complexs样品 第一阶段方程 第二阶段方程 ck − − waxy-SA y=−0.0191x+0.0576 R2=0.9983 − normal-SA y=−0.0809x+0.1945 R2=1 y=−0.0073x+0.0464 R2=0.9693 G60-SA y=−0.0408x+0.1408 R2=0.9788 y=−0.0033x+0.0235 R2=0.9143 3. 结论
使用微波-水浴法制备淀粉-脂质复合物，复合物的形成影响了原淀粉的结构与性质，且直链淀粉含量的不同会对制备而成的复合物性质产生不同影响。与ck相比，复合物的形态发生变化，体积变大，出现互相黏连的情况，这种结构可能有利于硬脂酸的插入，而糯玉米淀粉分枝结构使得空间位阻增大，生成的复合物数量较少。复合过程中，随着玉米淀粉内直链淀粉含量的增加，形成的复合物在红外光谱3304 cm−1处向右的偏移程度也增加，可能导致淀粉与硬脂酸的复合指数提高，有利于抗性淀粉的形成。复合物的形成也会导致淀粉晶型的改变，出现V型晶型的特征峰。与normal-ck和G60-ck相比，normal和G60复合物的RDS含量降低，SDS含量增加，RS含量增加，拥有更强的抗消化性，且G60抗消化性强于normal，但G60复合物的形成可能存在饱和作用。复合物的形成对硬脂酸存在一定的缓释作用，其中直链淀粉含量高的组缓释性更强，硬脂酸总体释放分为两个阶段，呈现先快后慢的趋势。本研究结果可进一步提高直链淀粉的应用范围，同时为淀粉-脂质复合物在药物缓释剂、食品添加剂、健康食品生产等方面提供依据[30-31]。
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图 1 玉米淀粉及淀粉-脂质复合物的电镜照片（1000×）
注：a：糯玉米淀粉；b：普通玉米淀粉；c：高直链玉米淀粉；d：ck；e：waxy-SA；f：normal-SA；g：G60-SA。
Figure 1. SEM images of corn starch and starch-lipid complexs (1000×)
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图 4 玉米淀粉及淀粉-脂质复合物的体外消化特性
注：不同的小写字母表示同一指标不同组别之间存在显著性差异，P<0.05。
Figure 4. In vitro digestion of corn starch and starch-lipid complexs
表 1 玉米淀粉及淀粉-脂质复合物的红外光谱解析
Table 1 FT-IR analysis of corn starch and starch-lipid complexs
样品 -OH waxy 3310.82±0.08c normal 3312.21±0.0 b G60 3313.55±0.03a ck 3304.61±0.08d waxy-SA 3290.64±0.04e normal-SA 3286.47±0.07f G60-SA 3284.43±0.05g 注：不同的小写字母表示不同组别之间存在显著性差异，P<0.05。 
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表 2 玉米淀粉和淀粉-脂质复合物的硬脂酸释放速率解析
Table 2 Analysis of SA release rate of corn starch and starch-lipid complexs
样品 第一阶段方程 第二阶段方程 ck − − waxy-SA y=−0.0191x+0.0576 R2=0.9983 − normal-SA y=−0.0809x+0.1945 R2=1 y=−0.0073x+0.0464 R2=0.9693 G60-SA y=−0.0408x+0.1408 R2=0.9788 y=−0.0033x+0.0235 R2=0.9143
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