氨基酸对大米淀粉糊化和流变性质的影响

（南昌大学食品科学与技术国家重点实验室，江西南昌 330047）

摘要：以赖氨酸（lysine，Lys）、天冬氨酸（aspartic acid，Asp）和丙氨酸（alanine，Ala）分别代表带正电、负电、不带电3 类氨基酸，采用快速黏度分析仪和流变仪研究氨基酸对大米淀粉糊化和流变性质的影响。结果表明，Lys和Asp均显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终黏度和回生值，而Ala对淀粉的糊化性质影响微小，在一定浓度范围内无显著差异（P＞0.05）。因此，带电的2 种氨基酸（Lys和Asp）比不带电氨基酸（Ala）对淀粉糊化性质影响更强。此外，3 种氨基酸对大米淀粉糊流变性质影响不同：动态流变学实验中，添加Lys和Ala使淀粉凝胶更具弹性，而Asp使淀粉凝胶变弱；静态流变学实验中，运用幂定律τ＝kγm，对剪切应力τ和剪切速率γ进行了拟合，结果表明，原淀粉与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属于假塑性流体，并且Lys使淀粉假塑性增强，而Asp则相反。

淀粉是许多谷物（如玉米、小麦、大米、燕麦）、西米以及薯类等的主要组成成分[1]，是人类膳食中最重要的能量来源。同时，淀粉作为增稠剂、稳定剂和黏着剂等工艺助剂广泛应用于食品工业[2]。由于原淀粉本身存在的一些糊凝胶不稳定、黏度不稳定、易老化等局限性限制了其广泛应用。因此近年来，有许多研究通过向淀粉中添加一些盐[3-6]、糖[7-8]、乙醇[9-10]、脂肪酸[11-14]、表面活性剂[8]以及有机酸[10]等物质以期改变淀粉的功能性质，结果表明这些添加物对淀粉体系糊化温度、黏度、膨胀能力和透明度均会有不同程度的影响。其中，根据盐类物质所含离子的种类不同，对淀粉体系的糊化性质影响不同，硫酸根离子可以提高淀粉的峰值温度、降低膨胀能力，而碘离子和硫氰酸离子降低峰值温度，增加膨胀能力[15]，说明带电物质和淀粉链之间可能通过氢键出现静电作用，从而导致淀粉颗粒热稳定性的改变。氨基酸作为一类特殊物质，在溶液中常以兼性离子形式存在，将其加入淀粉食品中，亦能够对淀粉的性质产生一定的影响[16]。Chen Wenting等[17]研究了带电氨基酸对马铃薯淀粉糊化和老化特征的影响，发现带负电氨基酸，即天冬氨酸（aspartic acid，Asp）和谷氨酸（glutamic acid，Glu）提高了马铃薯淀粉的糊化温度，并且促进直链淀粉的析出、抑制淀粉颗粒膨胀。Ito等[18]报道，向马铃薯淀粉中添加赖氨酸（lysine，Lys），糊化温度亦明显提高。Lu Jingjing等[19]研究了Lys和甘氨酸（glycine，Gly）对玉米淀粉糊化性质的影响，发现添加Lys后，淀粉的糊化温度降低、峰值黏度增加，与Ito等[18]的研究结果不一致，说明来源不同的淀粉的结构差异也是影响氨基酸-淀粉混合体系性质的影响因素。

糊化是淀粉的基本特性之一，淀粉基食品的加工、贮存以及食用中的口感等都与糊化特性密切相关。此外，食品流变学通过对食品物料流变学特性的测定，可以控制产品的质量、鉴别成品的优劣、为工艺和设备提供有关的数据，亦是评判淀粉及淀粉基食品的一个重要指标[20]。然而关于氨基酸与大米淀粉的相关研究报道非常少。因此，本实验以Lys、Asp和丙氨酸（alanine，Ala）分别代表带正电、负电、不带电3 类氨基酸，研究不同氨基酸对大米淀粉糊化和流变性质的影响，为大米淀粉-氨基酸混合体系应用于食品工业提供理论基础。

1 材料与方法

大米淀粉西格玛奥德里奇（上海）贸易有限公司；Lys、Asp、Ala（均为分析纯）上海晶纯生化科技股份有限公司。

MCR302流变仪奥地利Anton-Paar公司；快速黏度分析仪（rapid visco analyser，RVA）瑞典Perten公司。

准确称取3.0 g样品，加入25 mL质量浓度分别为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专用铝盒，调成一定浓度的淀粉乳。具体测定条件：50 ℃条件下保持1 min，然后以12 ℃/min速率上升到95 ℃（3.75 min），保持2.5 min，然后样品以12 ℃/min的速率下降到50 ℃（3.75 min），保持2 min。搅拌器在起始10 s内转动速率为960 r/min，之后保持在160 r/min。测得淀粉糊黏度曲线，并通过RVA专用测试软件TCW分析得到6 个特征参数：峰值黏度（peak viscosity，PV）、最终黏度（final viscosity，FV）、崩解值（breakdown，BD）、回生值（setback，ST）、峰值时间（time to peak，TP）及糊化温度（peak temperature，PT）。

将在RVA糊化后的淀粉糊冷却至室温，放入MCR302流变仪测定平台，选择直径为40 mm的平板模具和稳态测试程序，启动流变仪，设置间隙（1 mm），刮去平板外多余大米淀粉糊，加上盖板，并加入硅油防止水分蒸发。在25 ℃条件下，测试氨基酸对淀粉弹性模量（G’）和黏性模量（G”）的变化。应变为2%，频率扫描范围0.01～16.00 Hz。

RVA糊化后的样品在室温条件下冷却，然后放入MCR302流变仪测定平台，选择直径为40 mm的平板模具和稳态测试程序，启动流变仪，设置间隙（1 mm），刮去平板外多余淀粉糊，加上盖板，并加入硅油防止水分蒸发。在25 ℃条件下，剪切速率（Y）从0.100～300.000 s-1递增，测定淀粉糊随剪切速率上升的表观黏度（η）和剪切应力（τ）。

采用Origin 8.0软件绘图，并用SPSS 22.0软件处理数据并进行显著性分析。

2 结果与分析

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显著升高了12.50 ℃（P＜0.05），说明Lys使淀粉在较低温度条件下开始膨胀，潜在地缩短了蒸煮时间，Asp则有效抑制淀粉的快速膨胀。95 ℃恒温期间，在高温和机械剪切力的作用下，淀粉颗粒破碎使黏度下降，用BD值表示峰值黏度与最低黏度的差值，以此反映淀粉的热糊稳定性[21]。添加Lys和Asp后，BD值显著升高（P＜0.05），说明两者均使淀粉的热糊稳定性变差，并且BD值随着Lys和Asp添加量的增加而逐渐升高，淀粉热糊稳定性逐渐降低。

表1 氨基酸对大米淀粉糊化性质的影响
Table 1 Effects of amino acids on the pasting properties of rice starch

注：RS.未添加氨基酸的大米淀粉；RS+Lys.添加Lys的大米淀粉；RS+Ala.添加Ala的大米淀粉；RS+Asp.添加Asp的大米淀粉；同列肩标字母不同表示有显著性差异（P＜0.05）。下同。

ST值为最终黏度与最低黏度的差值，可以反映淀粉的冷糊稳定性和老化趋势，ST值越低，老化越不易进行[22]。添加1% Lys和Asp，淀粉的ST值分别下降了72 mPa·s和410 mPa·s，说明两种氨基酸均提高了淀粉的冷糊稳定性，抑制体系短期老化。且Asp对淀粉ST值的影响远远大于Lys，随着添加量的增加，ST值逐渐降低，因此添加一定浓度的Asp可以有效抑制淀粉短期老化。而添加Ala对淀粉PV、ST、BD、PT等值影响微小，在一定添加量范围内无显著差别（P＞0.05）。氨基酸对淀粉糊化性质的影响可能与其两亲特性及它们所带的电荷有关，且带电氨基酸比不带电氨基酸对淀粉的影响更强[23]。

动态黏弹性测试是对流体进行频率扫描测试，指在温度和应变不变的情况下，测得流体随频率的变化而发生G’值和G”值的变化。弹性模量G’表示应力能量在实验中暂时储存，以后可以恢复；黏性模量G”表示初始流动所需能量是不可逆损耗，已转变为剪切热[24]；tanδ值为G”和G’的比值，表示被检测的流体中所含黏性和弹性的比例，tanδ越小，被检测物质中黏性所含的量就越少[25]。

图1 A～C分别为Lys、Ala、Asp对大米淀粉动态流变G’值和G”值的影响。由图1可知，原大米淀粉和添加氨基酸的大米淀粉的G’值均远大于G”值，因此，所有样品损耗角正切tanδ值均小于1（图2），且G’值和G”值均随频率增加而上升，表现为一种典型的弱凝胶动态流变学谱图[26]。

当扫描频率ω为0.16 Hz时，原淀粉的G’值和G”值分别是124 Pa和15.5 Pa，添加量为1%、2%和4% Lys后，大米淀粉G’值分别上升至198、178、170 Pa，而G”值分别为19.6、18.3、18.8 Pa。上述结果表明添加Lys后淀粉的G’值和G”值均增大，且G’值随着Lys添加量的增大而减小（图1A1），而G”值随Lys的增加量无明显变化（图1A2）。因此，添加Lys后，tanδ值比原淀粉的低，且浓度越大，tanδ值越大（图2A）。

当扫描频率ω为0.16 Hz，向大米淀粉中添加1%、2%和4% Ala后，其G’值分别为143、168、186 Pa，G”值分别为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（图1B）。与Lys相同，添加Ala后，淀粉的tanδ值下降（图2B），淀粉凝胶更具弹性。

由图1C1可知，添加Asp，淀粉的G’值下降，并且随添加量的增大而下降，说明Asp降低了淀粉凝胶的弹性。这可能是因为在淀粉-氨基酸凝胶体系中，氨基酸与直链淀粉的羟基作用形成新的氢键，降低或阻止了直链淀粉-直链淀粉之间的作用。所以当Asp添加到淀粉中时，使得体系中有更多的氢离子，降低了直链淀粉-直链淀粉的聚合，导致淀粉形成的凝胶更弱[18]。

在剪切速率0.100～300.000 s-1内，所有样品的表观黏度随剪切速率的增大而降低，呈现出剪切变稀的现象。前期的研究亦发现大米淀粉属于假塑性、剪切稀化流体，其流动行为指数都小于1，为非牛顿流体[27]。出现剪切稀化现象的原因是淀粉糊中分子链互相缠绕，阻碍淀粉分子的运动，产生很大的黏性阻力。当受到剪切应力时，缠绕的分子链被拉直取向，缠结点减少，流层间的剪切应力减少，从而使表观黏度下降[28]。

图3 为剪切速率在0.1～1.0 s-1内，大米淀粉及其氨基酸混合物的表观黏度与剪切速率关系。当剪切速率为0.199 s-1时，原淀粉的表观黏度为331 Pa·s，添加量为1%、2%和4% Lys时，表观黏度分别为341、346、309 Pa·s，说明Lys有助于提高淀粉的表观黏度，但是当添加量为4%时，表观黏度比原淀粉低（图3A）；添加1%、2%和4% Ala，剪切速率为0.199 s-1时，表观黏度分别为339、372、353 Pa·s，说明添加Ala亦可以提高淀粉表观黏度（图3B）。此外，由图3C可以看出，Asp可以明显降低淀粉表观黏度，且Asp添加量越高，表观黏度越低。

根据剪切应力τ和剪切速率γ的关系，将流体分为牛顿型流体和非牛顿型流体。对非时间依赖性的假塑性流体和胀塑性流体，τ与γ的关系可用幂定律τ＝kγm表示，其中k是稠度系数，其数值与流体的稠度或浓度等因素有关，k愈大，增黏能力愈强[29]。m为流型指数，对于牛顿流体，m＝1；对非牛顿流体，当m＜1时，流体呈现假塑性，当m＞1时，流体呈现胀塑性。m偏离1的程度越大，物料的非牛顿性（非线性）越强[30]。

运用幂律方程对淀粉以及淀粉氨基酸混合物的剪切应力与剪切速率进行了拟合，结果如表2所示，所有样品的m值均小于1，说明淀粉及淀粉-氨基酸混合物所形成的流体都是假塑性流体。m值越高，假塑性越低；相反，m越小，则假塑性越高。添加Lys后，淀粉糊m值降低，所以其假塑性变高。而Ala对淀粉糊假塑性改变并没有显著影响，Asp则使其假塑性降低。

表2 大米淀粉及其氨基酸混合物的幂律拟合
Table 2 Power law equation parameters of rice starch and amino acid-starch mixtures

3 结论

本研究探讨了3 种不同氨基酸对大米淀粉糊化和流变性质的影响。Lys和Asp均显著提高了大米淀粉的峰值黏度（PV）、崩解值（BD）（P＜0.05），但是显著降低了最终黏度（FV）和回生值（ST）（P＜0.05）。并且一定添加量的Asp，可以有效增强淀粉的冷糊稳定性，抑制淀粉短期老化。而Ala对淀粉的糊化性质影响微小，在一定添加量范围内无显著差异。动态流变学分析表明，3 种氨基酸均可以改变大米淀粉的流变学特性。Ala和Lys不同程度地提高了淀粉的储能模量（G’）和损耗模量（G”），降低了tanδ值，使淀粉更具弹性，Asp则使淀粉凝胶变弱。此外，稳态流体实验表明淀粉及其氨基酸混合物都是假塑性流体，Lys使大米淀粉假塑性增强，而Asp降低了大米淀粉的假塑性。

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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)

Abstract：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.

Key words：rice starch; amino acids; pasting properties; rheological properties

罗舜菁, 李燕, 杨榕, 等. 氨基酸对大米淀粉糊化和流变性质的影响[J]. 食品科学, 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)

基金项目：食品科学与技术国家重点实验室目标导向项目（SKLF-ZZA-201608）

作者简介：罗舜菁（1969—），女，教授，硕士，研究方向为现代高新技术与食品加工工程。E-mail：luoshunjing@aliyun.com

*通信作者：刘成梅（1963—），男，教授，博士，研究方向为食品资源利用与开发。E-mail：liuchengmei@aliyun.com

氨基酸对大米淀粉糊化和流变性质的影响

1 材料与方法

2 结果与分析

3 结 论

3 结论