氨基酸對(duì)大米淀粉糊化和流變性質(zhì)的影響

羅舜菁，李 燕，楊 榕，胡秀婷，劉云飛，劉成梅*

（南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330047）

氨基酸對(duì)大米淀粉糊化和流變性質(zhì)的影響

羅舜菁，李 燕，楊 榕，胡秀婷，劉云飛，劉成梅*

（南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330047）

以賴氨酸（lysine，Lys）、天冬氨酸（aspartic acid，Asp）和丙氨酸（alanine，Ala）分別代表帶正電、負(fù)電、不帶電3 類氨基酸，采用快速黏度分析儀和流變儀研究氨基酸對(duì)大米淀粉糊化和流變性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，Lys和Asp均顯著提高了大米淀粉的峰值黏度和崩解值（P＜0.05），但是降低了淀粉的最終黏度和回生值，而Ala對(duì)淀粉的糊化性質(zhì)影響微小，在一定濃度范圍內(nèi)無顯著差異（P＞0.05）。因此，帶電的2 種氨基酸（Lys和Asp）比不帶電氨基酸（Ala）對(duì)淀粉糊化性質(zhì)影響更強(qiáng)。此外，3 種氨基酸對(duì)大米淀粉糊流變性質(zhì)影響不同：動(dòng)態(tài)流變學(xué)實(shí)驗(yàn)中，添加Lys和Ala使淀粉凝膠更具彈性，而Asp使淀粉凝膠變?nèi)?；靜態(tài)流變學(xué)實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用冪定律τ＝kγm，對(duì)剪切應(yīng)力τ和剪切速率γ進(jìn)行了擬合，結(jié)果表明，原淀粉與添加氨基酸的淀粉的m值均小于1，表明淀粉及其氨基酸混合物都屬于假塑性流體，并且Lys使淀粉假塑性增強(qiáng)，而Asp則相反。

大米淀粉；氨基酸；糊化性質(zhì)；流變性質(zhì)

淀粉是許多谷物（如玉米、小麥、大米、燕麥）、西米以及薯類等的主要組成成分[1]，是人類膳食中最重要的能量來源。同時(shí)，淀粉作為增稠劑、穩(wěn)定劑和黏著劑等工藝助劑廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)[2]。由于原淀粉本身存在的一些糊凝膠不穩(wěn)定、黏度不穩(wěn)定、易老化等局限性限制了其廣泛應(yīng)用。因此近年來，有許多研究通過向淀粉中添加一些鹽[3-6]、糖[7-8]、乙醇[9-10]、脂肪酸[11-14]、表面活性劑[8]以及有機(jī)酸[10]等物質(zhì)以期改變淀粉的功能性質(zhì)，結(jié)果表明這些添加物對(duì)淀粉體系糊化溫度、黏度、膨脹能力和透明度均會(huì)有不同程度的影響。其中，根據(jù)鹽類物質(zhì)所含離子的種類不同，對(duì)淀粉體系的糊化性質(zhì)影響不同，硫酸根離子可以提高淀粉的峰值溫度、降低膨脹能力，而碘離子和硫氰酸離子降低峰值溫度，增加膨脹能力[15]，說明帶電物質(zhì)和淀粉鏈之間可能通過氫鍵出現(xiàn)靜電作用，從而導(dǎo)致淀粉顆粒熱穩(wěn)定性的改變。氨基酸作為一類特殊物質(zhì)，在溶液中常以兼性離子形式存在，將其加入淀粉食品中，亦能夠?qū)Φ矸鄣男再|(zhì)產(chǎn)生一定的影響[16]。Chen Wenting等[17]研究了帶電氨基酸對(duì)馬鈴薯淀粉糊化和老化特征的影響，發(fā)現(xiàn)帶負(fù)電氨基酸，即天冬氨酸（aspartic acid，Asp）和谷氨酸（glutamic acid，Glu）提高了馬鈴薯淀粉的糊化溫度，并且促進(jìn)直鏈淀粉的析出、抑制淀粉顆粒膨脹。Ito等[18]報(bào)道，向馬鈴薯淀粉中添加賴氨酸（lysine，Lys），糊化溫度亦明顯提高。Lu Jingjing等[19]研究了Lys和甘氨酸（glycine，Gly）對(duì)玉米淀粉糊化性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)添加Lys后，淀粉的糊化溫度降低、峰值黏度增加，與Ito等[18]的研究結(jié)果不一致，說明來源不同的淀粉的結(jié)構(gòu)差異也是影響氨基酸-淀粉混合體系性質(zhì)的影響因素。

糊化是淀粉的基本特性之一，淀粉基食品的加工、貯存以及食用中的口感等都與糊化特性密切相關(guān)。此外，食品流變學(xué)通過對(duì)食品物料流變學(xué)特性的測(cè)定，可以控制產(chǎn)品的質(zhì)量、鑒別成品的優(yōu)劣、為工藝和設(shè)備提供有關(guān)的數(shù)據(jù)，亦是評(píng)判淀粉及淀粉基食品的一個(gè)重要指標(biāo)[20]。然而關(guān)于氨基酸與大米淀粉的相關(guān)研究報(bào)道非常少。因此，本實(shí)驗(yàn)以Lys、Asp和丙氨酸（alanine，Ala）分別代表帶正電、負(fù)電、不帶電3 類氨基酸，研究不同氨基酸對(duì)大米淀粉糊化和流變性質(zhì)的影響，為大米淀粉-氨基酸混合體系應(yīng)用于食品工業(yè)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大米淀粉 西格瑪奧德里奇（上海）貿(mào)易有限公司；Lys、Asp、Ala（均為分析純） 上海晶純生化科技股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

MCR302流變儀 奧地利Anton-Paar公司；快速黏度分析儀（rapid visco analyser，RVA） 瑞典Perten公司。

1.3 方法

1.3.1 糊化特性測(cè)定

準(zhǔn)確稱取3.0 g樣品，加入25 mL質(zhì)量濃度分別為1.2、2.4、4.8 mg/mL的氨基酸溶液，使氨基酸添加量占淀粉干基的1%、2%、4%，混合于RVA專用鋁盒，調(diào)成一定濃度的淀粉乳。具體測(cè)定條件：50 ℃條件下保持1 min，然后以12 ℃/min速率上升到95 ℃（3.75 min），保持2.5 min，然后樣品以12 ℃/min的速率下降到50 ℃（3.75 min），保持2 min。攪拌器在起始10 s內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)速率為960 r/min，之后保持在160 r/min。測(cè)得淀粉糊黏度曲線，并通過RVA專用測(cè)試軟件TCW分析得到6 個(gè)特征參數(shù)：峰值黏度（peak viscosity，PV）、最終黏度（final viscosity，F(xiàn)V）、崩解值（breakdown，BD）、回生值（setback，ST）、峰值時(shí)間（time to peak，TP）及糊化溫度（peak temperature，PT）。

1.3.2 動(dòng)態(tài)流變分析

將在RVA糊化后的淀粉糊冷卻至室溫，放入MCR302流變儀測(cè)定平臺(tái)，選擇直徑為40 mm的平板模具和穩(wěn)態(tài)測(cè)試程序，啟動(dòng)流變儀，設(shè)置間隙（1 mm），刮去平板外多余大米淀粉糊，加上蓋板，并加入硅油防止水分蒸發(fā)。在25 ℃條件下，測(cè)試氨基酸對(duì)淀粉彈性模量（G’）和黏性模量（G”）的變化。應(yīng)變?yōu)?%，頻率掃描范圍0.01～16.00 Hz。

1.3.3 靜態(tài)流變分析

RVA糊化后的樣品在室溫條件下冷卻，然后放入MCR302流變儀測(cè)定平臺(tái)，選擇直徑為40 mm的平板模具和穩(wěn)態(tài)測(cè)試程序，啟動(dòng)流變儀，設(shè)置間隙（1 mm），刮去平板外多余淀粉糊，加上蓋板，并加入硅油防止水分蒸發(fā)。在25 ℃條件下，剪切速率（Y）從0.100～300.000 s-1遞增，測(cè)定淀粉糊隨剪切速率上升的表觀黏度（η）和剪切應(yīng)力（τ）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Origin 8.0軟件繪圖，并用SPSS 22.0軟件處理數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氨基酸對(duì)大米淀粉糊化性質(zhì)的影響

由表1可知，和原淀粉相比，添加1% Lys，大米淀粉的PT降低了1.28 ℃，而添加1% Asp，淀粉的PT顯著升高了12.50 ℃（P＜0.05），說明Lys使淀粉在較低溫度條件下開始膨脹，潛在地縮短了蒸煮時(shí)間，Asp則有效抑制淀粉的快速膨脹。95 ℃恒溫期間，在高溫和機(jī)械剪切力的作用下，淀粉顆粒破碎使黏度下降，用BD值表示峰值黏度與最低黏度的差值，以此反映淀粉的熱糊穩(wěn)定性[21]。添加Lys和Asp后，BD值顯著升高（P＜0.05），說明兩者均使淀粉的熱糊穩(wěn)定性變差，并且BD值隨著Lys和Asp添加量的增加而逐漸升高，淀粉熱糊穩(wěn)定性逐漸降低。

表1 氨基酸對(duì)大米淀粉糊化性質(zhì)的影響Table 1 Effects of amino acids on the pasting properties of rice starch

ST值為最終黏度與最低黏度的差值，可以反映淀粉的冷糊穩(wěn)定性和老化趨勢(shì)，ST值越低，老化越不易進(jìn)行[22]。添加1% Lys和Asp，淀粉的ST值分別下降了72 mPa·s和410 mPa·s，說明兩種氨基酸均提高了淀粉的冷糊穩(wěn)定性，抑制體系短期老化。且Asp對(duì)淀粉ST值的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Lys，隨著添加量的增加，ST值逐漸降低，因此添加一定濃度的Asp可以有效抑制淀粉短期老化。而添加Ala對(duì)淀粉PV、ST、BD、PT等值影響微小，在一定添加量范圍內(nèi)無顯著差別（P＞0.05）。氨基酸對(duì)淀粉糊化性質(zhì)的影響可能與其兩親特性及它們所帶的電荷有關(guān)，且?guī)щ姲被岜炔粠щ姲被釋?duì)淀粉的影響更強(qiáng)[23]。

2.2 氨基酸對(duì)大米淀粉動(dòng)態(tài)黏彈性的影響

動(dòng)態(tài)黏彈性測(cè)試是對(duì)流體進(jìn)行頻率掃描測(cè)試，指在溫度和應(yīng)變不變的情況下，測(cè)得流體隨頻率的變化而發(fā)生G’值和G”值的變化。彈性模量G’表示應(yīng)力能量在實(shí)驗(yàn)中暫時(shí)儲(chǔ)存，以后可以恢復(fù)；黏性模量G”表示初始流動(dòng)所需能量是不可逆損耗，已轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟袩醄24]；tanδ值為G”和G’的比值，表示被檢測(cè)的流體中所含黏性和彈性的比例，tanδ越小，被檢測(cè)物質(zhì)中黏性所含的量就越少[25]。

圖1 氨基酸對(duì)大米淀粉凝膠彈性模量G’和黏性模量G”的影響Fig. 1 Effect of amino acids on the G’ and G” of rice starch gels

圖2氨基酸對(duì)大米淀粉凝膠tanδ值的影響Fig. 2 Effect of amino acids on the tanδ of rice starch gels

圖1 A～C分別為L(zhǎng)ys、Ala、Asp對(duì)大米淀粉動(dòng)態(tài)流變G’值和G”值的影響。由圖1可知，原大米淀粉和添加氨基酸的大米淀粉的G’值均遠(yuǎn)大于G”值，因此，所有樣品損耗角正切tanδ值均小于1（圖2），且G’值和G”值均隨頻率增加而上升，表現(xiàn)為一種典型的弱凝膠動(dòng)態(tài)流變學(xué)譜圖[26]。

當(dāng)掃描頻率ω為0.16 Hz時(shí)，原淀粉的G’值和G”值分別是124 Pa和15.5 Pa，添加量為1%、2%和4% Lys后，大米淀粉G’值分別上升至198、178、170 Pa，而G”值分別為19.6、18.3、18.8 Pa。上述結(jié)果表明添加Lys后淀粉的G’值和G”值均增大，且G’值隨著Lys添加量的增大而減?。▓D1A1），而G”值隨Lys的增加量無明顯變化（圖1A2）。因此，添加Lys后，tanδ值比原淀粉的低，且濃度越大，tanδ值越大（圖2A）。

當(dāng)掃描頻率ω為0.16 Hz，向大米淀粉中添加1%、2%和4% Ala后，其G’值分別為143、168、186 Pa，G”值分別為16.6、18.4、20.8 Pa，均高于原淀粉，且添加量越大，G’值和G”值越大（圖1B）。與Lys相同，添加Ala后，淀粉的tanδ值下降（圖2B），淀粉凝膠更具彈性。

由圖1C1可知，添加Asp，淀粉的G’值下降，并且隨添加量的增大而下降，說明Asp降低了淀粉凝膠的彈性。這可能是因?yàn)樵诘矸?氨基酸凝膠體系中，氨基酸與直鏈淀粉的羥基作用形成新的氫鍵，降低或阻止了直鏈淀粉-直鏈淀粉之間的作用。所以當(dāng)Asp添加到淀粉中時(shí)，使得體系中有更多的氫離子，降低了直鏈淀粉-直鏈淀粉的聚合，導(dǎo)致淀粉形成的凝膠更弱[18]。

2.3 氨基酸對(duì)大米淀粉靜態(tài)流變特性的影響

在剪切速率0.100～300.000 s-1內(nèi)，所有樣品的表觀黏度隨剪切速率的增大而降低，呈現(xiàn)出剪切變稀的現(xiàn)象。前期的研究亦發(fā)現(xiàn)大米淀粉屬于假塑性、剪切稀化流體，其流動(dòng)行為指數(shù)都小于1，為非牛頓流體[27]。出現(xiàn)剪切稀化現(xiàn)象的原因是淀粉糊中分子鏈互相纏繞，阻礙淀粉分子的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生很大的黏性阻力。當(dāng)受到剪切應(yīng)力時(shí)，纏繞的分子鏈被拉直取向，纏結(jié)點(diǎn)減少，流層間的剪切應(yīng)力減少，從而使表觀黏度下降[28]。

圖3淀粉及其氨基酸混合物表觀黏度與剪切速率圖Fig. 3 Viscosity vs. shear rate curves of rice starch and amino acid-starch mixtures

圖3 為剪切速率在0.1～1.0 s-1內(nèi)，大米淀粉及其氨基酸混合物的表觀黏度與剪切速率關(guān)系。當(dāng)剪切速率為0.199 s-1時(shí)，原淀粉的表觀黏度為331 Pa·s，添加量為1%、2%和4% Lys時(shí)，表觀黏度分別為341、346、309 Pa·s，說明Lys有助于提高淀粉的表觀黏度，但是當(dāng)添加量為4%時(shí)，表觀黏度比原淀粉低（圖3A）；添加1%、2%和4% Ala，剪切速率為0.199 s-1時(shí)，表觀黏度分別為339、372、353 Pa·s，說明添加Ala亦可以提高淀粉表觀黏度（圖3B）。此外，由圖3C可以看出，Asp可以明顯降低淀粉表觀黏度，且Asp添加量越高，表觀黏度越低。

根據(jù)剪切應(yīng)力τ和剪切速率γ的關(guān)系，將流體分為牛頓型流體和非牛頓型流體。對(duì)非時(shí)間依賴性的假塑性流體和脹塑性流體，τ與γ的關(guān)系可用冪定律τ＝kγm表示，其中k是稠度系數(shù)，其數(shù)值與流體的稠度或濃度等因素有關(guān)，k愈大，增黏能力愈強(qiáng)[29]。m為流型指數(shù)，對(duì)于牛頓流體，m＝1；對(duì)非牛頓流體，當(dāng)m＜1時(shí)，流體呈現(xiàn)假塑性，當(dāng)m＞1時(shí)，流體呈現(xiàn)脹塑性。m偏離1的程度越大，物料的非牛頓性（非線性）越強(qiáng)[30]。

運(yùn)用冪律方程對(duì)淀粉以及淀粉氨基酸混合物的剪切應(yīng)力與剪切速率進(jìn)行了擬合，結(jié)果如表2所示，所有樣品的m值均小于1，說明淀粉及淀粉-氨基酸混合物所形成的流體都是假塑性流體。m值越高，假塑性越低；相反，m越小，則假塑性越高。添加Lys后，淀粉糊m值降低，所以其假塑性變高。而Ala對(duì)淀粉糊假塑性改變并沒有顯著影響，Asp則使其假塑性降低。

表2 大米淀粉及其氨基酸混合物的冪律擬合Table 2 Power law equation parameters of rice starch and amino acid-starch mixtures

3 結(jié) 論

本研究探討了3 種不同氨基酸對(duì)大米淀粉糊化和流變性質(zhì)的影響。Lys和Asp均顯著提高了大米淀粉的峰值黏度（PV）、崩解值（BD）（P＜0.05），但是顯著降低了最終黏度（FV）和回生值（ST）（P＜0.05）。并且一定添加量的Asp，可以有效增強(qiáng)淀粉的冷糊穩(wěn)定性，抑制淀粉短期老化。而Ala對(duì)淀粉的糊化性質(zhì)影響微小，在一定添加量范圍內(nèi)無顯著差異。動(dòng)態(tài)流變學(xué)分析表明，3 種氨基酸均可以改變大米淀粉的流變學(xué)特性。Ala和Lys不同程度地提高了淀粉的儲(chǔ)能模量（G’）和損耗模量（G”），降低了tanδ值，使淀粉更具彈性，Asp則使淀粉凝膠變?nèi)?。此外，穩(wěn)態(tài)流體實(shí)驗(yàn)表明淀粉及其氨基酸混合物都是假塑性流體，Lys使大米淀粉假塑性增強(qiáng)，而Asp降低了大米淀粉的假塑性。

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Effects of Amino Acids on Pasting and Rheological Properties of Rice Starch

LUO Shunjing, LI Yan, YANG Rong, HU Xiuting, LIU Yunfei, LIU Chengmei*
(State Key Laboratory of Food Science and Technology, Nanchang University, Nanchang 330047, China)

The objective of this study was to evaluate the effects of positively charged, neutral charged and negatively charged amino acids, represented by Lys, Ala, and Asp, respectively, on pasting and rheological properties of rice starch. The results showed that both Lys and Asp signi fi cantly increased peak viscosity (PV) and breakdown (BD) of rice starch and reduced fi nal viscosity (FV) and setback (ST) (P ＜ 0.05). However, Ala had little in fl uence on pasting properties (P ＞ 0.05). Thus, the two charged amino acids (Lys and Asp) had stronger effects on rice starch than the neutral one (Ala). In addition, all three amino acids had different effects on rheological properties of rice starch. Lys and Ala resulted in increased elasticity of starch gel, while Asp had the opposite effect. Besides, the relationship between shear stress τ and shear rate γ during the steady fl ow test was analyzed by using the power law model τ = kγm, and the results showed that the m values of all samples were ＜ 1, suggesting that both starch and starch-amino acid mixture were pseudoplastic fl uid. Additionally, Lys enhanced the pseudoplastic behavior, while Asp had the opposite effect.

rice starch; amino acids; pasting properties; rheological properties

10.7506/spkx1002-6630-201715029

TS235.1

A

1002-6630（2017）15-0178-05

羅舜菁, 李燕, 楊榕, 等. 氨基酸對(duì)大米淀粉糊化和流變性質(zhì)的影響[J]. 食品科學(xué), 2017, 38(15): 178-182. DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201715029. http://www.spkx.net.cn

LUO Shunjing, LI Yan, YANG Rong, et al. Effects of amino acids on pasting and rheological properties of rice starch[J]. Food Science, 2017, 38(15): 178-182. (in Chinese with English abstract)

10.7506/spkx1002-6630-201715029. http://www.spkx.net.cn

2016-07-07

食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室目標(biāo)導(dǎo)向項(xiàng)目（SKLF-ZZA-201608）

羅舜菁（1969—），女，教授，碩士，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代高新技術(shù)與食品加工工程。E-mail：luoshunjing@aliyun.com

*通信作者：劉成梅（1963—），男，教授，博士，研究方向?yàn)槭称焚Y源利用與開發(fā)。E-mail：liuchengmei@aliyun.com