不同链长脂肪酸对小麦淀粉-脂肪酸复合物微波冷冻干燥特性及交联行为的影响

《LWT》：Effects of fatty acids with different chain lengths on the microwave freeze-drying characteristics and cross-linking behavior of wheat starch-fatty acid complexes

本研究针对淀粉-脂肪酸复合物在微波冷冻干燥(MFD)过程中的结构变化机制不清的问题，系统探讨了不同链长脂肪酸（丁酸C4:0、辛酸C8:0、肉豆蔻酸C14:0）对小麦淀粉-脂肪酸(WS-FA)复合物MFD特性及交联行为的影响。研究发现，长链脂肪酸可降低复合物初始水分含量、缩短干燥时间，且其冻干速率对微波功率变化更稳定。随着微波功率从0.5 W/g升至2.5 W/g，复合物熔融焓变(ΔH)、相对结晶度(RC)及480 cm-1处拉曼峰半高宽(FWHM)的变化幅度均随脂肪酸链长增加而增大，表明长链脂肪酸复合物在MFD过程中结构更敏感。该研究为预加工淀粉-脂质复合食品的脱水提质提供了理论依据。

　　

在当今快节奏的生活中，预制食品因其便捷性而广受欢迎。然而，这类食品面临着保质期短、储运成本高以及易受微生物污染等挑战。干燥处理是延长食品保质期的有效手段，但传统的热风、喷雾等干燥方式因长时间高温处理易导致营养成分损失、品质下降。真空冷冻干燥虽能较好地保持物料结构和功能，却存在能耗高、耗时长的缺点。微波冷冻干燥(Microwave Freeze-Drying, MFD)作为一种新型干燥技术，结合了微波加热和真空冷冻干燥的优点，能有效降低能耗，并通过对物料内外同时加热，促进水分快速升华，减少对物料结构的不利影响。

淀粉作为碳水化合物的主要来源，是许多方便食品中的常见成分。淀粉与脂肪酸的相互作用尤为关键，直链淀粉能与脂肪酸形成单螺旋复合物，这种复合物的特性直接影响食品的质地、口感和稳定性。研究表明，脂肪酸的链长是影响淀粉-脂肪酸复合物形成和稳定性的重要因素。然而，关于不同链长脂肪酸如何影响淀粉-脂肪酸复合物在后续MFD加工过程中的结构演变和交联行为，其机制尚不清楚。为此，研究人员在《LWT》期刊上发表了题为“Effects of fatty acids with different chain lengths on the microwave freeze-drying characteristics and cross-linking behavior of wheat starch-fatty acid complexes”的研究论文，旨在探究不同链长脂肪酸对小麦淀粉-脂肪酸复合物MFD特性及分子交联行为的影响规律。

为开展此项研究，研究人员主要运用了几项关键技术方法：首先，通过差示扫描量热法(DSC)确定了小麦淀粉的糊化温度；其次，采用水浴加热搅拌法制备了小麦淀粉与三种不同链长脂肪酸（丁酸BA、辛酸OA、肉豆蔻酸MA）的复合物；接着，利用定制设计的微波辅助冷冻干燥机在不同微波功率密度下对复合物进行MFD处理，并监测其干燥特性；最后，综合运用DSC分析热力学性质、X射线衍射(XRD)表征长程有序晶体结构、激光共聚焦显微拉曼光谱(LCM-Raman)评估短程分子有序性，以全面揭示MFD过程中复合物的结构变化。

3.1. 小麦淀粉糊化温度的表征

通过DSC测定，小麦淀粉的糊化温度为61.69°C，低于复合物制备时所采用的75°C水浴温度，表明小麦淀粉在制备过程中已完全糊化，为后续复合物的形成奠定了基础。

3.2. WS-FA复合体系的干燥特性

MFD速率和曲线分析表明，随着脂肪酸链长的增加，复合物的初始水分含量降低（WS-BA: 4.30 g/g, WS-OA: 4.21 g/g, WS-MA: 3.94 g/g），干燥时间缩短。长链脂肪酸复合物（WS-MA）的冻干速率随微波功率变化的波动较小，表现出更稳定的干燥特性，这与其更紧密的分子结构和更强的疏水性相关。

3.3. WS-FA复合体系MFD均匀性的表征

通过随机取样并计算水分含量的相对标准偏差(RSD)，发现WS-FA复合物在各微波功率下的RSD值均低于对照组（苹果），且差异小于5%，表明在制备过程中通过搅拌和加热确保了复合物的均匀分散，从而实现了均匀的MFD，未出现干燥不均现象。

3.4. WS-FA复合体系的热力学性质

DSC分析显示，WS-BA和WS-OA呈现单一吸热峰，而WS-MA除复合物熔融峰外，在约54°C处出现一个额外的吸热峰，归因于未复合的游离肉豆蔻酸的熔化。随着微波功率从0.5 W/g增加至2.5 W/g，所有复合物的熔融焓变(ΔH)均显著下降，且下降幅度随脂肪酸链长增加而增大（WS-BA: 176.71 J/g, WS-OA: 714.06 J/g, WS-MA: 1102.02 J/g），表明MFD对复合物结构和数量的影响随链长增加而加剧。

3.5. WS-FA复合体系的长程有序性

XRD图谱显示，WS-BA和WS-OA在12.8°和19.8°（2θ）处显示出V型复合物的特征衍射峰，而WS-MA额外在21.3°和24.2°（2θ）处出现游离脂肪酸的衍射峰。随着微波功率升高，所有复合物的相对结晶度(RC)均下降，且下降幅度同样随链长增加而增大（WS-BA: 12.87%, WS-OA: 19.38%, WS-MA: 27.00%），进一步证实MFD对长链脂肪酸复合物晶体结构的破坏更为显著。

3.6. WS-FA复合体系的短程有序性

拉曼光谱分析以480 cm^-1处谱带的全宽半最大值(FWHM)作为短程有序度的指标。结果表明，随着微波功率升高，所有复合物的FWHM值均增加，意味着短程有序度降低。FWHM的增加量随脂肪酸链长增加而增大（WS-BA: 8.22, WS-OA: 8.49, WS-MA: 10.43），说明长链脂肪酸复合物的短程分子结构在MFD过程中对微波能量更为敏感，更易发生无序化。

综上所述，本研究通过系统的实验表征揭示，脂肪酸链长显著影响小麦淀粉-脂肪酸复合物在微波冷冻干燥过程中的行为。长链脂肪酸复合物具有更低的初始水分含量和更短的干燥时间，且其干燥速率对功率变化更稳定。更重要的是，热分析、晶体结构分析和短程有序性分析均一致表明，随着微波功率的增加，MFD对复合物结构和稳定性的负面影响随着脂肪酸链长的增加而增强。这意味着在应用MFD技术处理含有长链脂肪酸的淀粉基食品时，需要更加精细地控制工艺参数，以避免对其功能结构造成过度破坏。该研究不仅深化了对淀粉-脂质复合物在新型干燥过程中结构演变规律的理解，也为开发高品质淀粉基预制食品的脱水加工技术提供了重要的理论支撑和技术指导。未来的研究可进一步探讨不同淀粉种类及其他食品组分对MFD过程中淀粉-脂肪酸复合物交联行为的影响，并将研究成果应用于实际食品体系。