来自木薯淀粉的具有增强水合性能的喷雾干燥抗性淀粉5：乙醇挤压、羟丙基化和月桂酸络合

《Food Hydrocolloids》：Spray-dried RS5 with enhanced hydration properties from tapioca starch: Ethanolic extrusion, hydroxypropylation, and lauric acid complexation

　　

摘要

本研究采用木薯淀粉经乙醇挤压所得的V型淀粉（VS）作为原料。通过乙醇溶剂法制备了羟丙基V型淀粉（VHS），并通过喷雾干燥与月桂酸（LA）络合构建了具有改善水合性能的5型抗性淀粉（RS5）。系统研究了NaOH添加量、加水比例、反应温度和时间对VHS摩尔取代度（MS）及冻融稳定性的影响，以优化羟丙基化工艺。对VHS、预糊化羟丙基淀粉（PGHS）及其相应LA络合物的晶体结构、糊化特性、吸水性与溶解度、流变行为、热学性质及体外消化性进行了比较与分析。结果表明，VHS的吸水指数（WSI）为0.48，水分吸收指数（WAI）为14.50，说明乙醇挤压与羟丙基化改善了淀粉的亲水性和冷水溶解度。V型羟丙基淀粉-LA络合物（VHS-LA）的V型结晶度为53.57%，抗性淀粉含量为34.11%，WSI为0.38，WAI为8.84，有效改善了传统RS5溶解性差和粘度低的缺陷。综上，乙醇挤压结合羟丙基化制备喷雾干燥RS5是生产具有良好水合性能RS5的可行途径，在功能食品领域具有广阔的应用前景。

引言

抗性淀粉具有低热量、调节血糖和改善肠道健康等功能，作为开发低血糖指数食品的关键原料受到了广泛关注（Li等，2024）。5型抗性淀粉（RS5）是由直链淀粉与疏水性客体分子络合形成的V型单螺旋络合物，具有优异的抗消化性和热稳定性。然而，RS5的实际应用严重受限于其在水体系中溶解性差和流变性能不佳（Hu等，2024）。传统制备方法（Liu、Guan等，2024），包括高温糊化以促进直链淀粉螺旋解旋并与脂质分子结合，随后缓慢冷却使直链淀粉-脂质络合物自组装，无法有效克服这一固有缺陷，限制了RS5在液态或半固态功能食品中的使用（Gutiérrez & Tovar，2021；Hu等，2024）。

为解决该问题，在保持络合稳定性的同时提高RS5的水合能力至关重要。一种可行的方法是从具有优良糊液特性的淀粉原料入手。木薯淀粉（TS）糊化温度相对较低，其糊液均匀、透明度高，具有高粘度和良好的流变性能。这些特性为进一步改性以增强水溶性奠定了坚实基础（Sun、Wang等，2025）。

在我们先前的研究中，我们进一步改进了TS的优良糊液特性（Sun、Wang等，2025）。通过乙醇挤压，实现了淀粉分子链的部分解旋和重新取向，形成了具有空V型单螺旋腔的冷水可溶性V型木薯淀粉（VS）。乙醇挤压增强了木薯淀粉的固有亲水性，其暴露的羟基位点和螺旋腔结构为进一步改性提供了活性界面（Xue等，2026）。

为进一步增强水合能力，我们尝试在VS骨架上引入羟丙基。羟丙基淀粉（HPS）是一种非离子淀粉醚，已知其能削弱分子内和分子间氢键，从而促进水合（Fu等，2019；Gao等，2025）。然而，传统的乙醇溶剂法进行羟丙基化需要大量环氧丙烷，且反应效率低。VS中的空螺旋腔允许环氧丙烷渗透到螺旋结构的间隙中，可能增强碱性条件下的亲核取代反应（Zhao等，2012）（Hjermstad & Martin，1964）。因此，在本研究中，我们首先采用乙醇溶剂法从VS制备了一种V型羟丙基木薯淀粉（VHS）。VHS结合了羟丙基赋予的良好水溶性和VS在冷水中快速水合的能力，形成了一种兼具高吸水能力和保留客体分子络合螺旋腔的材料（Li等，2022a）。据报道，羟丙基取代增加了空间位阻，从而降低了消化酶的可及性（Jiang等，2024）。然而，目前大多数关于羟丙基抗性淀粉的研究集中于天然淀粉的改性，针对糊化淀粉的研究较少。此外，羟丙基化对淀粉-脂质络合物消化性的影响尚不明确，因为RS5的抗性不仅取决于酶的可及性，还取决于直链淀粉-脂质包合物的结构稳定性。同时，关于乙醇介导的RS5的研究聚焦于支链抗性糊精在乙醇体系中的分级沉淀，该方法存在产率和效率低的问题（Hu等，2025）。

最后，为实现可溶性RS5的形成，我们采用了喷雾干燥技术，该技术在食品和制药行业的大规模生产中已得到广泛应用。喷雾干燥将液态材料转化为雾化液滴，并在热空气中快速蒸发水分，得到固体产品。在本工作中，喷雾干燥具有双重功能：它不仅完成了干燥过程，还积极促进月桂酸包入V型螺旋腔中，因为快速溶剂蒸发增强了疏水相互作用并驱动络合物形成。所得颗粒具有疏松结构、减少聚集和强表面亲水性，从而为液态和半固态食品应用保持理想的水合性能。

总体制备策略包括三个连续步骤：(1) 木薯淀粉经乙醇挤压产生具有单螺旋腔的V型晶体结构；(2) 羟丙基化以增强亲水性（VHS）；(3) 与月桂酸喷雾干燥形成V型包合物（VHS-LA）。我们假设这种顺序整合将产生一种克服传统RS5水合性能差的RS5产品，同时保持高抗消化性。该策略可能为开发具有良好复水性能和健康益处的淀粉基材料提供理论依据。

章节摘要

材料

木薯淀粉（TS）购自上海曼泰国际贸易有限公司。根据生产厂家的数据，其成分如下：淀粉含量87.50%，水分11.98%，蛋白质0.20%，脂质0.30%，灰分0.02%，直链淀粉20.0%（w/w，以干淀粉计）。预糊化木薯淀粉（PGS）由杭州普洛星淀粉有限公司提供。乙醇（95%和绝对乙醇）、1,2-环氧丙烷、月桂酸（LA）以及所有其他分析级试剂均……

VHS的制备条件

在本研究中，VHS通过乙醇溶剂法以VS为原料制备。将VS分散在乙醇中，在碱性条件下进行羟丙基取代。根据国家标准GB 29930-2013，环氧丙烷的添加量固定为7%，以确保产品的羟丙基含量符合法规要求。大量研究表明，冻融稳定性与淀粉的水合等分子行为密切相关……

结论

在本研究中，木薯淀粉经过顺序的乙醇挤压、羟丙基化和月桂酸络合制备了RS5。乙醇挤压将淀粉转化为具有单螺旋腔的V型晶体结构，这促进了后续月桂酸的包入。羟丙基化进一步增强了V型淀粉的亲水性，改善了其吸水性和溶解度。通过喷雾干燥与月桂酸络合，稳定了……

CRediT作者贡献声明

孙振业（Zhenye Sun）：撰写——原稿，方法论，调查，形式分析，数据整理。王任（Ren Wang）：撰写——审阅与编辑。胡晶晶（JingJing Hu）：撰写——审阅与编辑。金政宇（Zhengyu Jin）：监督，资源。周星（Xing Zhou）：撰写——审阅与编辑，监督，方法论，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到中国国家自然科学基金（编号：32172148）的支持。

孙振业 | 王任 | 胡晶晶 | 金政宇 | 周星

江南大学食品科学与资源国家重点实验室，江苏无锡，214122，中国