通常，直链淀粉复合物的制备主要采用KOH/HCl溶液法、水/二甲基亚砜法和酶促聚合法。这些方法存在生产周期长、成本高、产品得率低或有化学试剂残留等问题，不适用于功能食品或营养强化食品的加工。近年来，采用物理法(超声辅助制备法、热溶法、蒸汽喷射蒸煮法、高压均质法、挤压蒸煮法、球磨法等)制备淀粉复合物受到了广泛的关注。其中，球磨法是利用诸如摩擦、碰撞、剪切等外力作用来改变淀粉颗粒结构和性质的物理改性方法，具有操作简单、可控性强、可间歇也可连续工作、研磨物料便于更换、成本低、环境友好等优点。

芹菜素是一种黄酮类化合物，它可以抑制α-淀粉酶的活性，导致淀粉的水解速率减缓，抗性淀粉含量增加，进而可以控制机体的血糖水平。芹菜素的水溶性和脂溶性均较差，直接口服后胃肠道吸收差，生物利用率低。因此，天津科技大学工业发酵微生物教育部重点实验室的张黎明、时文佳和郝利民*等人选用球磨法制备玉米淀粉-芹菜素复合物，旨在将芹菜素与玉米淀粉相结合，通过芹菜素的释放和抑制消化酶(α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶)的活性从而降低和延缓淀粉的消化。同时在球磨的作用下降低芹菜素的结晶度，增加其表面活性及分散度，提高其溶出度，最终提高芹菜素的生物利用率。


1 制备条件对淀粉-芹菜素复合物中芹菜素含量和复合率的影响


1.1 球磨处理时间对复合物中芹菜素含量和复合率的影响 

结果显示，球磨时间5～10 h时，芹菜素的含量和复合率上升趋势明显，这可能是由于玉米淀粉的结构在球磨外力的作用下开始发生改变，直链淀粉单螺旋空腔已经大量暴露，使得芹菜素和淀粉包合速率加快。当球磨时间从10 h延长到30 h时，芹菜素的含量和复合率上升趋势减缓。当球磨时间超过30 h后，直链淀粉与芹菜素的结合量开始下降。因此，玉米淀粉-芹菜素复合物制备的较优球磨时间为30 h。 

1.2  m(玉米淀粉)：m(芹菜素)对复合物中芹菜素含量和复合率的影响 
结果显示，当m(玉米淀粉)：m(芹菜素)从20∶1增加到20：4时，随着芹菜素比例的增加，玉米淀粉-芹菜素复合物中芹菜素的含量逐渐增加到71.5 mg/g，芹菜素的复合率在m(玉米淀粉)：m(芹菜素)为20：4时达到最高(35.7%)。当m(玉米淀粉)：m(芹菜素)由20：4增加到20：5时，复合物中的芹菜素含量基本不变，说明直链淀粉单螺旋空腔上的结合位点已被芹菜素占据完全。m(玉米淀粉)：m(芹菜素)大于20：4后芹菜素的复合率开始下降，这可能是由于，当投入的芹菜素过量时，会影响淀粉的球磨改性效果，所形成直链淀粉的结合位点增加有限，过量的芹菜素并不会与淀粉结合，导致芹菜素的复合率下降，造成了芹菜素的浪费。因此，球磨法制备复合物的玉米淀粉-芹菜素的较优质量比为20：4。 


2 淀粉-芹菜素复合物的结构表征

2.1 扫描电子显微镜分析结果 

由图3可知，芹菜素形貌为无规则晶体状颗粒(图3a)。玉米原淀粉呈不规则的颗粒状，颗粒棱角明显、不圆润，颗粒大小不均匀(图3b)。将二者物理混合后结果显示，芹菜素附着在玉米淀粉颗粒表面，淀粉和芹菜素的形状均未改变(图3c)。球磨后的芹菜素呈团聚态(图3d)。球磨后的玉米淀粉(图3e)与玉米原淀粉在形貌上存在明显差异，主要表现在球磨后淀粉颗粒表面破碎，出现裂纹，多个淀粉颗粒团聚形成更大的淀粉粒子。与球磨后的淀粉相比，采用球磨法制备的复合物因芹菜素的迁入淀粉表面无裂纹，淀粉颗粒表面变得更加粗糙，淀粉颗粒的破损度和团聚现象明显提高，芹菜素与淀粉黏连形成扁平颗粒状聚集体(图3f)。 


2.2 X射线衍射分析结果 

由图4曲线a可知，芹菜素出现许多很强的X射线衍射峰，表明其具有良好的结晶结构。球磨后的芹菜素(图4曲线d)在2θ为25.0°～33.0°之间的衍射峰明显减弱，部分衍射峰消失，说明单独球磨处理芹菜素可以降低芹菜素的结晶度，但其结晶性仍较明显。玉米原淀粉(图4曲线b)在2θ为15.0°、17.0°、18.0°和23.0°处出现衍射峰，表明玉米淀粉具有A型结晶结构。二者经物理混合物后，X射线衍射谱图显示其保留了玉米淀粉和芹菜素二者的部分结晶特征(图4曲线c)。由图4曲线e可知，球磨处理后玉米淀粉的特征衍射峰消失，淀粉的结晶度明显下降。

与玉米原淀粉和芹菜素物理混合物相比，采用球磨法制备的复合物(图4曲线f)并没有显示原淀粉和芹菜素各自的特征衍射峰，淀粉-芹菜素复合物基本处于无定形状态，表明玉米淀粉与芹菜素之间存在相互作用，一方面芹菜素的迁入加速了淀粉结晶结构的消失；另一方面，淀粉的存在增加了芹菜素的分散度，有利于芹菜素结晶结构的破坏。


2.3 FT-IR分析结果 


由图5可知，芹菜素(图5曲线a)在1 608～1 588、828 cm-1处为苯环特征吸收峰，球磨后的芹菜素(图5曲线d)与原芹菜素(图5曲线a)相比没有原基团的消失也没有新基团的产生，说明球磨作用没有破坏芹菜素的分子基团结构。原玉米淀粉(图5曲线b)在3 100～3 700 cm-1处是羟基O—H伸缩振动吸收峰，2 800～3 050 cm-1处为饱和的C—H伸缩振动吸收峰，1 081 cm-1处为环氧基C—O—C特征吸收峰。球磨处理后的淀粉(图5曲线e)在3 080～3 730 cm-1处的羟基O—H特征吸收峰明显比玉米原淀粉(图5曲线b)强，这主要归因于球磨处理使氢键的结合模式发生改变，说明球磨作用改变了淀粉分子间氢键的相互作用。将玉米淀粉和芹菜素物理混合后(图5曲线c)，玉米原淀粉和芹菜素的特征峰叠合，但仍然具有芹菜素的苯环特征吸收峰。与物理混合物(图5曲线c)相比，玉米淀粉-芹菜素复合物(图5曲线f)在1 608～1 588、828 cm-1处的芹菜素的苯环特征吸收峰基本消失。FT-IR显示玉米淀粉和芹菜素发生了相互作用，但没有生成新的基团，说明两者之间发生的是非共价相互作用。 


2.4 热重分析结果 

由图6可以看出，芹菜素(图6曲线a)及球磨芹菜素(图6曲线d)只有一个热失重峰，其起始分解温度约在365 ℃，稳定性相对最高，且球磨后芹菜素的热稳定性增强。玉米淀粉(图6曲线b)、球磨后的玉米淀粉(图6曲线e)、物理混合物(图6曲线c)的失重曲线在300 ℃之前基本相似，均在100 ℃前先失水，到300 ℃时达到第 一个平台期；当温度从300 ℃升高至350 ℃之间进入第二失重阶段，350 ℃时之后进入第二个平台期。最终玉米淀粉(图6曲线b)、球磨玉米淀粉(图6曲线e)、物理混合(图6曲线c)剩余质量分别为初始质量的11.11%、11.52%、13.46%。从图6还可以看出，复合物(图6曲线f)在100 ℃和300~350 ℃两个失重阶段的质量损失均低于球磨淀粉(图6曲线e)和其物理混合物(图6曲线c)，复合物的最终剩余质量为初始质量的22.14%，说明与芹菜素复合后提高了淀粉的热稳定性。


2.5 体外消化性分析结果 
结果显示，当体外模拟消化时间从0 h延长到4 h时，所有样品的消化率都呈现增加的趋势，4 h后消化率基本维持不变。在体外模拟消化性实验中，球磨后玉米淀粉的消化率最高(约50%)，而玉米原淀粉的体外消化率最高只有43%。与玉米淀粉和球磨玉米淀粉相比，玉米淀粉-芹菜素复合物的消化率显著降低。玉米淀粉-芹菜素复合物的最终消化率分别为28.9%、25.7%、18.8%，随着复合物中芹菜素含量的增加，淀粉的消化率逐渐下降，说明芹菜素的含量与淀粉的消化率呈负相关性。


结    论


通过球磨法制备玉米淀粉-芹菜素复合物的较优条件为球磨时间30 h、m(玉米淀粉)：m(芹菜素)为5：1，在此条件下芹菜素的复合率最高，为35.7%，每克淀粉中的芹菜素质量为71.5 mg。扫描电子显微镜结果显示球磨使得玉米淀粉颗粒形貌发生改变，表面变得粗糙有裂纹，并发生团聚现象。芹菜素在长时间的球磨外力下与淀粉相互结合形成复合物。复合物表面粗糙无裂纹，呈扁平颗粒状聚集体。X射线衍射分析表明，形成复合物后淀粉的特征衍射峰强度减弱，淀粉的结晶结构被破坏，结晶度降低，且芹菜素的存在加速了淀粉结晶区的破坏。FT-IR显示玉米淀粉和芹菜素发生了相互作用，但没有生成新的基团，说明两者之间发生的是非共价相互作用。热重分析结果表明形成复合物的热稳定性增强。体外消化性评价结果显示淀粉-芹菜素复合物的形成，能抑制淀粉的消化，减缓淀粉的酶解速率，增加淀粉的抗消化性。球磨法虽然具有操作简单、成本低、环境友好等优点，但由于影响因素较多而重现性较差，今后在放大实验过程中应该充分考虑相关影响因素，如设备型号、球磨方式、球磨罐体积、球料比等。
 

本文《球磨法制备淀粉-芹菜素复合物及其消化性分析》来源于《食品科学》2020年41卷11期64-70页，作者：张黎明，时文佳，张丽，刘宇帆，何希宏，郝利民，鲁吉珂。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20190516-183。点击下阅读原文即可查看文章相关信息。