番茄红素是一种新型功能性食用色素，基于其多双键结构（13 个不饱和双键），番茄红素具有强抗氧化活性，能够淬灭活性氧、消除人体自由基、增强机体免疫等作用。但番茄红素较差的物理化学稳定性和生物利用度制约了其在食品、药品及化妆品等领域的应用。食品组分间通过主客体作用，利用主体结构特征形成主客体包结物，是保护内容物、改善产品稳定性的常用手段。淀粉为线性多糖，在解链再重排过程中可与客体自发地组装或聚集形成超分子复合物，因而作为柔性基材已被应用于敏感性活性成分的复合与保护中。本课题组前期采用土豆来源的直链淀粉为柔性基材，基于淀粉的回生过程，制备了直链淀粉-番茄红素复合物（ALCs）。ALCs能有效改善番茄红素的贮藏稳定性。但该复合物的精细结构及组装方式尚需进一步明确。河南工业大学国家粮食和物资储备局粮油食品工程技术研究中心的赵文红、何颖、关二旗*等在ALCs的制备基础上，采用扫描电子显微镜（SEM）观察复合物表面微观形貌；采用X射线衍射（XRD）分析复合物结晶结构；采用差示扫描量热仪（DSC）分析复合物的类型；采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）研究复合物中主客体复合类型；使用13C CP/MAS核磁共振（NMR）分析复合物的螺旋结构。通过分析表征复合物的表面微观结构、晶体结构、晶体类型、晶体构成（无定型、双螺旋和单螺旋），明确ALCs主客体可能的组装方式，以揭示其增强番茄红素稳定性的机制，以期为淀粉基番茄红素稳定制剂的制备提供理论依据，促进番茄红素作为功能性色素在食品、药品和材料等方面的应用。采用碘量法研究ALCs中淀粉对番茄红素的包合效果，其原理是基于热力作用下碘分子进入直链淀粉的疏水螺旋空腔形成复合物，根据淀粉和碘复合的程度，在680 nm波长处发生吸光度变化，蓝值越大，则复合程度越小。CI表示螺旋空腔中进入番茄红素的直链淀粉（复合）占直链淀粉总量的百分比。本研究中ALCs的CI为（17.10±0.01）%，表明番茄红素存在进入直链淀粉螺旋空腔（约17%）中的行为，即直链淀粉可包合番茄红素形成复合物。与脂肪酸相比，番茄红素具有40 个碳的长异戊二烯结构，其链长可能太长而无法被直链淀粉完全包埋，仅部分碳链进入直链淀粉螺旋腔。因此，需进行进一步结构表征以揭示直链淀粉-番茄红素的组装方式。
采用SEM观察直链淀粉、番茄红素及ALCs的微观结构，结果如图2所示，直链淀粉呈球状、椭球状和不规则块状，表面光滑有少许凹陷，颗粒间无黏连，粒径约为（10.5±0.5）μm（图2a）；番茄红素呈规则的片层状结构（图2b）；ALCs镜下观察可见不规则球状、表面有破损孔洞和凹陷，颗粒间基本无黏连（图2c1）；此外，ALCs的制备为湿热处理，因此可能对淀粉微观结构造成破坏，可见部分颗粒严重凹陷（图2c2）；ALCs的完整球状颗粒粒径约为（17.5±0.8）μm，约为原直链淀粉的1.7 倍。因此，与原淀粉颗粒相比，ALCs形成复合物后为粒径增大的不规则球状颗粒。
![]()
XRD图谱常用来反映样品的结晶类型，其中衍射尖峰通常反映完整的微晶晶体；而衍射宽峰反映不完整的、具有一定缺陷的晶体，这类破损的晶体称为亚微晶。采用XRD仪对直链淀粉及ALCs进行衍射测定，以解析其结晶结构，结果见图3；并采用MDI JADE 6.0软件分析计算结晶度，研究其晶体结构含量，结果见表1。![]()
如图3所示，直链淀粉分别在15.18°、17.31°、18.02°、19.80°、23.04°和26.39°处存在衍射尖峰（图3a）。其中15.18°、17.31°、18.02°和23.04°这4 处衍射尖峰为A-型微晶的特征衍射峰，19.80°和26.39°处的衍射尖峰为B-型微晶的特征衍射峰，因此，直链淀粉表现为A＋B-型晶体结构，其结晶度达（48.53±0.87）%；从ALCs衍射图谱中可见：与原淀粉相比，其衍射尖峰消失，在13°和20°处存在典型的衍射宽峰（图3b），具有典型的V-型晶体结构，结晶度为（65.32±0.22）%。已有研究表明，配体的存在利于V-型结构的形成，会引起淀粉B-型结构向V-型结构的转变；另外，其中的支链淀粉具有‘记忆’功能，经重结晶后仍形成数目基本固定的双螺旋结构。XRD分析结果表明，基于直链淀粉的热特性，其回生再结晶过程中，由于番茄红素存在诱导形成V-型亚微晶结构复合物。![]()
从焓变的角度可分析复合物的结晶结构稳定性。本研究采用DSC分析研究直链淀粉和ALCs的热特性变化，其参数结果见表2。其中T0、TP、Tc反映样品晶体结构向无定型转变的温度变化，ΔH则表示破坏结晶结构产生的吸热焓变。![]()
物质的热稳定性可以通过DSC曲线中的相变温度进行比较，其峰值温度TP越高表明复合物的热稳定性越好。由表2 可知，ALCs的峰值温度TP为（122.43±0.41）℃，显著高于原淀粉（（70.55±0.51）℃）（P＜0.05）。本研究中ALCs的制备即基于淀粉的糊化与重结晶过程，因此，与原淀粉相比，ALCs相变温度更高。淀粉基复合物通常具有I型和II型两种类型的结构。其中，I型复合物具有较低的T0（＜100 ℃）和较低的糊化焓（ΔH），而II型复合物具有更高的T0（＞100 ℃）和更高的ΔH。由表2可见，ALCs的起始温度T0为（106.72±0.63）℃（＞100 ℃），高于原直链淀粉的（67.14±0.67）℃。结果表明，ALCs为II型复合物，其结晶结构与原淀粉相比具有更好的稳定性。此外，ALCs的焓变ΔH为（138.92±0.85）J/g，显著大于淀粉的（11.61±0.39）J/g（P＜0.05），说明与直链淀粉相比，更大的能量才能改变其晶体结构，因此，ALCs结构稳定性更高。
测定直链淀粉、番茄红素、两者混合物及ALCs的红外光谱，分析其分子基团结构，以研究ALCs中主客体的复合类型，结果见图4。在红外光谱图中，1164 cm-1处和930cm-1处分别为淀粉的糖苷键C—O—C和α-1,4糖苷键的特征吸收峰；在1022 cm-1处的吸收峰用于表征淀粉的无定形结构。与原淀粉相比，ALCs谱图中存在α-1,4糖苷键特征吸收（930 cm-1），同时1022 cm-1处无定型区的吸收峰收窄变尖。由2.1节碘蓝法检测淀粉对番茄红素的复合结果可知，回生过程中分子重排，客体番茄红素可进入淀粉螺旋空腔，占据约17%的结合点，形成螺旋有序结构，因此，ALCs可能具有更好的结晶结构。该变化与2.3节的相对结晶度分析结果相印证，ALCs结晶度（（65.32±0.22）%）高于原淀粉（（48.53±0.87）%）。1640 cm-1处为—CH＝CH—特征伸缩振动峰，1674 cm-1处为C＝C伸长振动吸收峰，960 cm-1处为反式单烯双取代的R1HC＝CR2H（反式）摇摆振动吸收峰，该处吸收为番茄红素的特征吸收。与物理混合物相比，ALCs的红外吸收光谱中未观察到960 cm-1处的番茄红素特征吸收峰。这是由于特征吸收峰会保留在两种材料的物理混合物中；而在主客体形成的包合物中，其FTIR表现为客体分子原有的特征峰发生位移、减弱或消失。本研究中番茄红素（R1HC＝CR2H）在960 cm-1处的光谱特征消失，同时，ALCs的红外光谱中未出现新的吸收峰。由此推断，直链淀粉与番茄红素可能发生了主客体复合作用，通过氢键、疏水相互作用和其他分子间作用力形成了ALCs，从而掩盖了番茄红素的特征吸收。FTIR结果表明，直链淀粉经热处理后晶体结构发生变化，包合配体番茄红素形成ALCs。
固体NMR谱图中峰的化学位移能够反映物质短程有序的结构信息，进而可分析其精细结构组成。本研究采用13C CP/MAS NMR检测分析直链淀粉及ALCs的短程有序结构，结果见图5。ALCs和直链淀粉的NMR谱出峰位点结果见表3。ALCs与经典的淀粉NMR谱图具有相似的出峰位点。其中，C1在δ 90～110处，δ 70～79为C2，3，5的化学位移，δ 80～84为C4的化学位移，δ 58～65为C6的化学位移。13CNMR谱可解析关于淀粉的结晶区和无定形区的信息，由ALCs的13C CP/MAS NMR谱图可见，ALCs在δ 100.41处显示明显出峰，该吸收峰在δ 100.3附近说明ALCs含有V-型结构；同时，由于A-型和B-型结构在C1区分别表现为三重峰和双峰，ALCs NMR谱图中在C1区信号强峰右侧δ 98～103处谱峰顶部较宽，并分别在δ 97.01和δ 102.85处有小突起峰，另在δ 92～98区间的δ 94.49处有一小峰，表现为混合图谱特征，说明ALCs结构中同时还含有A-/B-型晶体结构。固体NMR谱图谱结果表明，ALCs主要表现为V-型晶体结构，同时含有部分A-/B-型结构。
为进一步明晰其分子结构，ALCs的NMR谱图经Solver工具处理后得到无序亚谱和有序亚谱，并采用Peak Fit软件对分解得到的无序亚谱、有序亚谱进行分峰拟合后（拟合谱图系数R2≥0.999），分析计算其双螺旋结构、单螺旋结构及无定形态结构含量组成。如表4所示，ALCs各结构组成及排序为：双螺旋（（55.95±3.25）%）＞无定形态（（26 .21 ± 2 .44 ）% ）＞V-型单螺旋（（17.84±0.96）%）。首先，ALCs含有（17.84±0.96）% V-型单螺旋结构，验证了2.2节XRD分析所得ALCs具有V-型亚微晶复合结构的结果；其次，其有序（螺旋）结构占比高达73.79%，因此与原直链淀粉相比，ALCs具有更好的结构稳定性，该结果与DSC热变分析结果一致。13C CP/MAS NMR分析结果表明，直链淀粉包合番茄红素形成了V-型螺旋结构，且番茄红素与直链淀粉可能发生分子链缠绕从而使ALCs的双螺旋结构含量增加。
番茄红素以食品添加剂、医药原料等形式应用，是一种极具潜力的新型功能性食用色素。但番茄红素易受光照、氧气、温度和金属等的影响，造成分解及损失，制约了其在食品、药品及化妆品等领域的应用。淀粉是广泛存在于谷类、豆类植物果实及植物块茎中的一种碳水化合物。其中，直链淀粉具有线性结构，在施加的外力（热处理、溶剂处理、超高压等）作用下，其分子内氢键相互作用、链状结构旋转，形成了疏水性的左手螺旋空腔结构；配体分子便可借助疏水作用力进入空腔与其复合，形成左手单螺旋结构；同时分子间重排可形成双螺旋晶体结构。基于直链淀粉的内络合作用可制备淀粉-配体超分子体复合物，不同的复合客体包括β-胡萝卜素、咖啡酸、儿茶素、姜黄素、酶类及脂肪酸等。因此，直链淀粉可作为柔性基材用于敏感活性物质的保护、改善其稳定性。
淀粉基复合物具有不同的晶体结构。众多研究表面大部分客体分子进入螺旋腔而小部分被截留于螺旋结构间的缝隙中。基于淀粉性质和前期研究对淀粉基番茄红素复合物可能的组装方式理论推测为：番茄红素进入到直链淀粉分子的左手螺旋体结构空腔内形成VI型包合物（图6a）；截留于淀粉结构间隙形成V6III型络合物（图6b）；还可能与散乱的淀粉链相互缠绕形成凝聚物（图6c）。不同淀粉基复合物的组装尚需进一步通过结构表征等研究揭示。
![]()
本研究基于直链淀粉可在热力作用下包合客体分子制备ALCs，并对其微观结构、分子结构及精细结构组成进行表征与分析。由碘量法检测可知，复合物中淀粉对番茄红素的CI为（17.10±0.01）%，表明番茄红素可能占据约17%的淀粉螺旋空腔形成包合；复合物颗粒间无明显黏连，呈直径约为17 μm的球状微晶（图2）；其在13°和20°处显示为衍射宽峰，这是由于直链淀粉在番茄红素存在情况下，经热处理后其A＋B-型晶型转变为V-型亚微晶包合结构（图3），其复合物晶体结晶度可达（65.32±0.22）%（表1）；复合物的热变参数峰值温度Tp均高于100 ℃（表2），为稳定结构的II型晶体，因而ALCs具良好的热稳定性；红外光谱显示ALCs可能为包合型复合物，表现为其中的番茄红素特征吸收峰的减弱和消失（图4）；13C CP/MAS NMR分析可见ALCs各结构组成（图5），其排序为：双螺旋（55.95%）＞无定形态（26.21%）＞V-型单螺旋（17.84%）（表4）。因此，基于表征结果推测其组装方式为：直链淀粉在受热后再重排结晶过程中部分包合番茄红素形成V-型螺旋结构；同时，番茄红素与直链淀粉发生分子链缠绕形成双螺旋结构。ALCs主客体组装方式见图7。本研究基于多尺度结构表征研究ALCs的组装方式。研究结果表明：番茄红素进入淀粉螺旋空腔，占据约（17.10±0.01）%的结合位点形成ALCs；ALCs为球形亚微晶的II型复合结构；ALCs中淀粉与番茄红素存在主客体间复合作用，形成V-型单螺旋结构。因此，土豆来源的直链淀粉可通过包合和缠绕番茄红素，组装形成热稳定的复合结构。本研究阐明了ALCs的组装方式，揭示了淀粉基复合物改善番茄红素稳定性的机制，可为拓展番茄红素作为功能性色素在食品和药品领域的应用提供理论依据。本文《基于多尺度结构表征研究直链淀粉-番茄红素复合物的组装方式》来源于《食品科学》2023年45卷第4期18-25页，作者：赵文红，何 颖，宫兆海，关二旗*。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230509-070。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。
实习编辑；中国农业大学食品科学与营养工程学院 崔芯文；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网。
为进一步促进动物源食品科学的发展，带动产业的技术创新，更好的保障人类身体健康和提高生活品质，北京食品科学研究院和中国食品杂志社将与陕西师范大学、新疆农业大学、浙江海洋大学、甘肃农业大学、大连民族大学、西北大学于2024年10月14-15日在陕西西安共同举办“2024年动物源食品科学与人类健康国际研讨会”。
![]()
为加强企业主导的产学研深度融合，促进食品科研成果转化和服务地方经济产业，由全国糖酒会主办，北京食品科学研究院、中国食品杂志社和中粮会展（北京）有限公司承办的“食品科技成果交流会”将于2024年10月29-31日糖酒会期间在深圳国际会展中心举办，以当前食品科技发展趋势和食品产业发展的重点科技需求为导向，针对食品产业发展面临的重大科技问题，交流和借鉴国外经验，为广大食品科研工作者和生产者提供新的思路，指明发展方向。 联系人：杨红；电话：010-83152138；手机：13522179918（微信同号）
