不同添加量的氨基酸輔助干熱處理對(duì)玉米淀粉理化和消化性質(zhì)的影響

陳 妍，王雨生，張 星，陳海華,2?

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266109；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 巴瑟斯未來(lái)農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，山東 青島 266109)

淀粉是自然界中一種常見(jiàn)的天然多糖，是人類(lèi)飲食中碳水化合物的重要來(lái)源，也是食品工業(yè)生產(chǎn)中的重要原料[1]。玉米淀粉資源豐富、來(lái)源廣泛且價(jià)格低廉，食品工業(yè)中需求量較大，約占淀粉總產(chǎn)量的80%[2]，但由于其黏度低、熱穩(wěn)定差和易老化等缺點(diǎn)，極大的限制了淀粉在工業(yè)中的應(yīng)用[3]。通過(guò)物理或化學(xué)改性方法對(duì)淀粉進(jìn)行改性，可以改善上述缺點(diǎn)，或增加新的功能，使其更適合實(shí)際應(yīng)用的要求。

干熱處理是將淀粉在含水量較低（＜20%）條件下進(jìn)行高溫處理（120～200 ℃）的一種物理改性方法，能夠改變淀粉的理化性質(zhì)[3]。與其他改性方法相比，干熱處理操作簡(jiǎn)單、安全。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)干熱條件下淀粉與離子膠共混處理，能顯著提高淀粉的黏度和穩(wěn)定性，抑制其老化速度，從而改善食品的理化性質(zhì)[4]。Li等[5]發(fā)現(xiàn)在干熱條件下將黃原膠添加到蠟質(zhì)玉米淀粉，能顯著提高淀粉的熱穩(wěn)定性和剪切穩(wěn)定性。Wang等[6]發(fā)現(xiàn)干熱處理協(xié)同海藻酸鈉能降低淀粉的糊化黏度和糊化溫度，抑制淀粉的短期老化。Gul等[7]研究發(fā)現(xiàn)羧甲基纖維素鈉和海藻酸鈉協(xié)同干熱處理對(duì)荸薺淀粉進(jìn)行改性，能降低淀粉溶解度和糊化溫度，提高了淀粉對(duì)水和油的結(jié)合力。

氨基酸是一種帶有氨基和羧基的有機(jī)化合物，是蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元，在人體營(yíng)養(yǎng)和健康中發(fā)揮著重要作用。有些氨基酸不能在體內(nèi)合成，只能通過(guò)飲食攝取。因此，氨基酸常作為營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑廣泛用于食品工業(yè)[8]。氨基酸作為小分子化合物，其氨基和羧基基團(tuán)能與淀粉羥基基團(tuán)發(fā)生相互作用，改變淀粉糊化性質(zhì)及溶脹能力等[9]，抑制玉米淀粉的長(zhǎng)期老化[1]。已有研究發(fā)現(xiàn)適量的賴氨酸與干熱處理能降低淀粉糊化溫度[10]，因此我們推測(cè)，氨基酸添加量和干熱處理能改善玉米淀粉的加工特性。但氨基酸協(xié)同干熱處理對(duì)玉米淀粉性質(zhì)影響的報(bào)道較少。本課題組過(guò)去研究了干熱處理溫度和時(shí)間對(duì)玉米淀粉-氨基酸混合物的理化性質(zhì)及消化性能的影響，發(fā)現(xiàn)130 ℃干熱處理2 h的影響最顯著[11]，但未研究氨基酸添加量對(duì)干熱處理玉米淀粉-氨基酸混合物理化及消化特性的影響。

本文選擇兩種不同荷電特性的氨基酸，與玉米淀粉混合后進(jìn)行干熱處理，通過(guò)快速黏度分析儀、差示掃描量熱儀、X射線衍射儀等，系統(tǒng)研究了氨基酸添加量對(duì)干熱玉米淀粉-氨基酸混合的糊化特性、熱特性、結(jié)構(gòu)特性和消化特性的影響，以期為玉米淀粉改性提供一種的新方法，為制備低消化速率的玉米淀粉改性產(chǎn)品提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

賴氨酸（Lysine，Lys）和天冬氨酸（Aspartic acid，Asp）：北京索萊寶生物科技有限公司；玉米淀粉（CS，直鏈淀粉含量為 26.2%）：山東濱州金輝玉米開(kāi)發(fā)有限公司；α-淀粉酶（1.3×104U/g）和淀粉葡萄糖苷酶(1×105U/g)：上海源葉生物科技有限公司；瓜爾膠、3,5-二硝基水楊酸、無(wú)水乙醇均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

4D型快速黏度分析儀（RVA）：澳大利亞Newport科學(xué)公司；DSC-1型差示掃描量熱儀：瑞士Metter-Toledo國(guó)際公司；D8-ADVANCED X射線衍射儀：德國(guó)布魯克AXS有限公司；DHG-070A型烘箱：上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品制備

將Asp或Lys分散于50 mL蒸餾水，用磁力攪拌器充分?jǐn)嚢?0 min，制備0.5%、2%、4%和10%（w/w，淀粉干基計(jì)）的氨基酸溶液。將CS（干基）分散于Asp或Lys溶液中充分?jǐn)嚢杈鶆颍?0 ℃干燥至水分含量 10%左右。將淀粉-氨基酸混合物研磨成粉末，置于130 ℃干熱處理（DHT）2 h后，研磨、過(guò) 100目篩。玉米淀粉-天冬氨酸和玉米淀粉-賴氨酸干熱混合物分別用DCSA和DCSL表示，樣品處理?xiàng)l件和樣品名稱如表1所示。

表1 淀粉樣品的處理Table 1 Treatments for dried cornstarch g

1.3.2 糊化特性的測(cè)定

參照Wang等[6]的方法，采用快速黏度分析儀測(cè)定樣品的糊化特性，準(zhǔn)確稱取3 g淀粉樣品（干基）和25 mL蒸餾水于鋁罐中，攪拌混勻后，置于樣品臺(tái)上進(jìn)行測(cè)定。測(cè)試程序如下：首先以960 r/min攪拌10 s，然后降至160 r/min并保持至實(shí)驗(yàn)結(jié)束；初始溫度50 ℃保持1 min，以12 ℃/min加熱至95 ℃，并保持 2.5 min，再以 12 ℃/min冷卻至50 ℃并保持2 min。記錄樣品的糊化溫度（PT）、峰值黏度（PV）、衰減值（BD）和回生值（SB）。

1.3.3 熱特性的測(cè)定

用差示掃描量熱儀（DSC）分析樣品的熱特性。首先，DSC用銦進(jìn)行校準(zhǔn)。然后準(zhǔn)確稱取3 mg淀粉樣品（干基）與9 μL去離子水，置于鋁坩堝中，壓蓋密封后在25 ℃下平衡水分12 h，放入DSC進(jìn)行測(cè)定，空白鋁坩堝作為對(duì)照。氮?dú)饬髁?0 mL/min，升溫速率 10 ℃/min，溫度范圍 30～115 ℃，記錄升溫過(guò)程中樣品的熱力學(xué)參數(shù)To（糊化起始溫度）、Tp（糊化峰值溫度）、Tc（糊化終止溫度）和ΔH（糊化焓值）。

1.3.4 X射線衍射的測(cè)定

參照 Jiang等[11]方法，樣品在 25 ℃、相對(duì)濕度100%的環(huán)境中平衡24 h。用X射線衍射儀對(duì)樣品的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，掃描速度 0.1°/s，掃描區(qū)域4～40°，目標(biāo)電壓和電流分別為40 kV和40 mA，記錄X射線衍射圖譜，并用Jade 5.0計(jì)算樣品的相對(duì)結(jié)晶度（RC）。RC值為結(jié)晶峰的積分面積占總積分面積的百分比。

1.3.5 消化特性的測(cè)定

參考 Englyst等[12]的方法，準(zhǔn)確稱取 200 mg淀粉樣品和6.25 mg瓜爾膠，分散于5 mL磷酸緩沖溶液（0.2 mol/L，pH 5.2），并渦旋5 min，加入5個(gè)直徑為5 mm的玻璃球，于37 ℃水浴保溫10 min，加入2.5 mL混合酶溶液（290 U/mL的α-淀粉酶和100 U/mL的淀粉葡萄糖苷酶），于37 ℃振蕩水?。?60 r/min）反應(yīng)，分別于20 min和120 min時(shí)，取出 1 mL的水解液，快速加入 9 mL乙醇（66%，v/v）混合進(jìn)行滅酶，4 500 r/min離心10 min后，采用3,5-二硝基水楊酸法測(cè)定上清液中葡萄糖含量。樣品中快速消化淀粉（RDS）、慢消化淀粉（RDS）和抗消化淀粉（RS）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)按下述公式計(jì)算：

RDS(%)=(G20-FG)×0.9×100/TS

SDS(%)=(G120-G20)×0.9×100/TS

RS(%)=[TS-(RDS+SDS)]/TS

式中：G20-酶解 20 min后釋放的葡萄糖含量（mg）；

G120-酶解120 min后釋放的葡萄糖含量（mg）；

TS-酶水解處理前淀粉中游離的葡萄糖含量（mg）；

0.9-葡萄糖轉(zhuǎn)化為無(wú)水葡萄糖的摩爾質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有樣品至少平行測(cè)試 3次，取平均值。用SPSS 20.0分析軟件中 Duncan’s多重比較法（P＜0.05）進(jìn)行多組樣本間差異顯著性分析，用Origin 9.0進(jìn)行相關(guān)圖表的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 糊化特性分析

如表2所示，Asp和Lys添加量對(duì)干熱處理淀粉的PT影響規(guī)律不同。隨著Asp添加量的增多，干熱淀粉的PT呈先升高而后降低的趨勢(shì)，Asp添加量為4%時(shí)，PT達(dá)到最大值，為74.0 ℃。而隨著Lys添加量的增多，淀粉的PT呈升高趨勢(shì)，Lys添加量為10%時(shí)，PT達(dá)到最值，為75 ℃。隨著氨基酸添加量的增加，DCSA和DCSL的PV均降低。與添加 0.5%氨基酸的干熱淀粉相比，DCSA10和DCSL10的PV分別降低了878 cP和1 141 cP。

表2 干熱玉米淀粉-氨基酸混合物的糊化特性Table 2 Pasting parameters of dried cornstarch-amino acid mixtures

殼聚糖是帶有氨基的陽(yáng)離子多糖，而阿拉伯膠是酸性多糖，有研究發(fā)現(xiàn)這兩種多糖影響淀粉的理化性質(zhì)。Zhou等[13]研究發(fā)現(xiàn)隨著阿拉伯膠比例的增加，濕熱處理玉米淀粉的PV呈降低趨勢(shì)。這可能是干熱處理能破壞玉米淀粉分子間的氫鍵，促進(jìn)氨基酸分子上的氨基和羧基與淀粉分子的羰基和羥基發(fā)生相互作用，抑制了淀粉與水分子的相互作用，阻止了淀粉顆粒的溶脹和糊化，使PT升高[5]。Asp分子含有兩個(gè)羧基，呈弱酸性，Asp添加量較高時(shí)，可能引起干熱過(guò)程中淀粉分子酸水解，導(dǎo)致淀粉的PT和PV降低[14-15]。此外，Lys和Asp中含有大量親水基團(tuán)，與水之間存在強(qiáng)的氫鍵作用，抑制淀粉的吸水溶脹，導(dǎo)致PV降低[9,15]。

隨著Asp添加量的增多，淀粉的BD值降低，Asp添加量為10%時(shí)，DCSA10的BD值最低，為1 512 cP，表明添加Asp能提高淀粉糊的熱穩(wěn)定性和剪切穩(wěn)定性。當(dāng)Lys添加量＜4%時(shí)，隨著Lys添加量的提高，淀粉的BD值沒(méi)有顯著變化；而當(dāng)Lys添加量＞4%時(shí)，隨著Lys添加量的提高，淀粉的BD值顯著降低，表明提高Lys的添加量能提高淀粉糊對(duì)熱和剪切的穩(wěn)定性。Ito等[16]發(fā)現(xiàn)隨著 Lys添加量的增多，馬鈴薯淀粉的BD值呈降低的趨勢(shì)。BD降低可能是干熱處理破壞了玉米淀粉分子間的氫鍵，促進(jìn)氨基酸分子上的氨基和羧基與淀粉發(fā)生酯化反應(yīng)和美拉德反應(yīng)，從而提高了淀粉的穩(wěn)定性[4-5]。

隨著Asp和Lys添加量的增加，淀粉的SB值呈降低趨勢(shì)，說(shuō)明提高Asp和Lys添加量，能抑制干熱淀粉的短期老化。這可能是干熱過(guò)程中，氨基酸的羧基和淀粉的羥基之間形成酯鍵，阻礙了淀粉分子間氫鍵的形成，使淀粉的SB值降低[14]。

2.2 熱特性分析

To和 Tc表示淀粉中最不穩(wěn)定結(jié)晶和最穩(wěn)定結(jié)晶的熔融溫度，Tp表示淀粉中大部分結(jié)晶熔融的溫度[17]。如表3所示，隨Asp添加量的增多，當(dāng)Asp的添加量低于4%時(shí)，淀粉糊的To、Tp、Tc呈升高趨勢(shì)；而Asp添加量高于4%時(shí)，淀粉糊的To、Tp、Tc沒(méi)有差別。當(dāng)Asp添加量為4%，DCSA的To、Tp、Tc達(dá)到最大值，分別為64.10 ℃、69.48 ℃、74.96 ℃，但當(dāng)Asp添加量達(dá)到10%時(shí)，干熱淀粉的 To、Tp、Tc有略微降低，表明提高 Asp添加量能提高干熱玉米淀粉的穩(wěn)定性，但Asp添加量過(guò)高則導(dǎo)致干熱玉米淀粉的穩(wěn)定性降低。隨著Lys添加量的增多，淀粉糊的To、Tp、Tc逐漸升高，當(dāng)Lys添加量為10%時(shí)，DCSL的To、Tp、Tc達(dá)到最大，分別為 66.50 ℃、72.50 ℃、77.88 ℃，說(shuō)明提高Lys添加量能提高干熱處理玉米淀粉的結(jié)晶穩(wěn)定性，延緩了干熱淀粉的糊化。

表3 干熱玉米淀粉-氨基酸混合物的熱特性參數(shù)Table 3 Thermal properties parameters of dried cornstarch-amino acid mixtures

Li等[18]發(fā)現(xiàn)隨著 HCl濃度的增加，濕熱處理百合淀粉的 To、Tp、Tc升高。Ji等[19]發(fā)現(xiàn) Lys和Asp均能提高濕熱玉米淀粉的 To、Tp、Tc。Chen等[9]發(fā)現(xiàn)Lys和Asp均能提高馬鈴薯淀粉的To、Tp、Tc。這可能是氨基酸添加量的增多，能促進(jìn)干熱過(guò)程中氨基酸與淀粉分子的交聯(lián)，增強(qiáng)淀粉分子之間的靜電相互作用，提高To、Tp、Tc[9]。而Asp為酸性氨基酸，當(dāng) Asp添加量較高時(shí)（10%），干熱處理過(guò)程中能優(yōu)先攻擊淀粉顆粒的無(wú)定型區(qū)域，導(dǎo)致To、Tp、Tc降低[9]。

隨著Asp添加量的增多，淀粉糊的ΔH降低；而隨著Lys添加量的增多，干熱淀粉的ΔH沒(méi)有明顯變化。Zhou等[13]發(fā)現(xiàn)隨著瓜爾豆膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，濕熱處理的玉米淀粉的ΔH呈降低的趨勢(shì)。ΔH降低可能是弱酸性Asp的存在，能促進(jìn)干熱處理對(duì)淀粉結(jié)晶區(qū)的破壞，也能攻擊淀粉顆粒的無(wú)定形區(qū)[15]，降低淀粉顆粒無(wú)定形區(qū)的有序度，降低淀粉熔融所需要的能量[9-10,15]。

2.3 X射線衍射圖譜分析

由圖1可知，DCSA和 DCSL在 2θ為 15°和23°處有強(qiáng)峰，在 17°和 18°處有雙峰，20°左右存在微弱的衍射峰，呈A型結(jié)晶結(jié)構(gòu)特征。20°的小峰可能是直鏈淀粉-內(nèi)源性脂質(zhì)復(fù)合物的衍射峰[20]。隨著Lys添加量的增多，淀粉糊的X衍射峰位置未發(fā)生變化，說(shuō)明增加Lys的添加量對(duì)DCSL的結(jié)晶結(jié)構(gòu)類(lèi)型沒(méi)有影響；而隨著 Asp添加量的增多，DCSA型結(jié)晶結(jié)構(gòu)類(lèi)型沒(méi)有改變，但 DCSA2、DCSA4和DCSA10在2θ為11.7°和23.7°出現(xiàn)新峰，新峰的產(chǎn)生可能與外源Asp晶體的存在有關(guān)[19]。Ji等[10]發(fā)現(xiàn)CS-Lys干熱復(fù)合物的晶型與天然玉米淀粉相似，呈現(xiàn)典型的A型結(jié)晶結(jié)構(gòu)。Ji等[19]還發(fā)現(xiàn)添加 Asp后的玉米淀粉在 2θ為 11.7°和 23.7°出現(xiàn)新峰，而Lys的添加沒(méi)有改變玉米淀粉的衍射峰位置，也沒(méi)有出現(xiàn)新的衍射峰。

圖1 干熱玉米淀粉-氨基酸混合物的X射線衍射圖譜及相對(duì)結(jié)晶度Fig.1 X-ray diffraction patterns and relatively crystallinity of dried cornstarch-amino acid mixtures

如圖1所示，DCSA和DCSL的RC值隨氨基酸添加量的增加而升高。DCSA10和 DCSL10的RC值分別為29.0%和25.7%，比對(duì)應(yīng)的DCSA0.5和DCSL0.5的RC值升高8.7%和6.1%。Liang等[21]發(fā)現(xiàn)Asp協(xié)同熱濕處理能顯著提高玉米淀粉的RC值。González等[20]發(fā)現(xiàn)干熱處理能顯著提高小麥淀粉的RC值。Primo-Martín等[22]也發(fā)現(xiàn)小麥淀粉經(jīng)過(guò)焙烤處理后，其RC值提高了一倍。這可能是干熱處理過(guò)程中，熱能和低水分促使淀粉顆粒內(nèi)部的晶體排列更緊密、有序[14]。

2.4 消化性質(zhì)分析

由表 4可知，隨著氨基酸添加量的增多，DCSA和 DCSL的 RDS含量逐漸降低，如DCSA10和DCSL10的RDS比DCSA0.5和DCSL0.5分別低12.3%和4.3%。隨著氨基酸添加量的增多，DCSA和DCSL的RS含量逐漸升高，如DCSA10和DCSL10的RS比DCSA0.5和DCSL0.5的RS分別高9.2%和3.5%。當(dāng)氨基酸添加量低于2%時(shí)，DCSA和DCSL的SDS均隨氨基酸添加量的增多而升高。當(dāng)氨基酸添加量為2%，DCSA的SDS含量為27.14%，比DCSA0.5的SDS值高2.65%，DCSL的SDS含量為32.83%，比DCSL0.5的SDS值高1.21%；而當(dāng)氨基酸添加量高于 2%時(shí)，提高氨基酸添加量對(duì) DCSA和DCSL中的SDS沒(méi)有顯著影響。說(shuō)明干熱處理過(guò)程中，氨基酸添加量增多促進(jìn)了SDS和RS的形成。氨基酸添加量的增加能抑制干熱淀粉的快速消化，抑制血糖的快速升高。

表4 干熱玉米淀粉-氨基酸RDS、SDS和RS的含量Table 4 Contents of RDS, SDS and RS in dried cornstarch-amino acid mixtures %

Ji等[19]發(fā)現(xiàn) Asp和 Lys能降低濕熱玉米淀粉RDS值，提高濕熱玉米淀粉的SDS值和RS值。Zhou等[13]發(fā)現(xiàn)隨著黃原膠/瓜爾膠比例的增加，濕熱處理淀粉的RDS呈降低的趨勢(shì)，SDS和RS呈升高的趨勢(shì)。Chen等[23]發(fā)現(xiàn)隨著塔拉膠添加量的增加，濕熱淀粉的RDS呈降低的趨勢(shì)，SDS和RD呈升高的趨勢(shì)。本文中RDS降低、SDS和RS值升高可能是在干熱過(guò)程中玉米淀粉分子的羥基與氨基酸的羧基之間發(fā)生酯化反應(yīng)，同時(shí)分子鏈發(fā)生重排，形成了較強(qiáng)的空間位阻，抑制了酶對(duì)淀粉的水解[19]。

3 結(jié)論

氨基酸的添加量對(duì)干熱玉米淀粉-氨基酸混合物的理化性質(zhì)和消化性質(zhì)有顯著影響。提高天冬氨酸或賴氨酸添加量能降低淀粉糊的峰值黏度、回生值和糊化焓值。這可能是干熱處理過(guò)程中氨基酸的羧基和淀粉的羥基之間形成酯鍵，阻礙淀粉分子間氫鍵的形成，從而抑制淀粉的短期老化。提高氨基酸添加量能促進(jìn)淀粉糊的相對(duì)結(jié)晶度和抗性淀粉含量增加，降低淀粉的消化能力，但不改變干熱淀粉的結(jié)晶類(lèi)型，這可能與氨基酸存在時(shí)干熱淀粉內(nèi)部的晶體排列更緊密、有序有關(guān)。

提高天冬氨酸（Asp）添加量，玉米淀粉的糊化溫度（PT）呈先升高而后降低的趨勢(shì)；提高賴氨酸（Lys）添加量，玉米淀粉的PT顯著升高。高添加量Asp和Lys（～10%）均能顯著提高淀粉糊的熱穩(wěn)定性和剪切穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氨基酸輔助干熱處理可為制備慢消化淀粉提供理論依據(jù)。