不同添加量的氨基酸輔助干熱處理對玉米淀粉理化和消化性質的影響

陳 妍，王雨生，張 星，陳海華,2?

(1.青島農業大學 食品科學與工程學院，山東 青島 266109；2.青島農業大學 巴瑟斯未來農業科技學院，山東 青島 266109)

淀粉是自然界中一種常見的天然多糖，是人類飲食中碳水化合物的重要來源，也是食品工業生產中的重要原料[1]。玉米淀粉資源豐富、來源廣泛且價格低廉，食品工業中需求量較大，約占淀粉總產量的80%[2]，但由于其黏度低、熱穩定差和易老化等缺點，極大的限制了淀粉在工業中的應用[3]。通過物理或化學改性方法對淀粉進行改性，可以改善上述缺點，或增加新的功能，使其更適合實際應用的要求。

干熱處理是將淀粉在含水量較低（＜20%）條件下進行高溫處理（120～200 ℃）的一種物理改性方法，能夠改變淀粉的理化性質[3]。與其他改性方法相比，干熱處理操作簡單、安全。近年來研究發現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定性，抑制其老化速度，從而改善食品的理化性質[4]。Li等[5]發現在干熱條件下將黃原膠添加到蠟質玉米淀粉，能顯著提高淀粉的熱穩定性和剪切穩定性。Wang等[6]發現干熱處理協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]研究發現羧甲基纖維素鈉和海藻酸鈉協同干熱處理對荸薺淀粉進行改性，能降低淀粉溶解度和糊化溫度，提高了淀粉對水和油的結合力。

氨基酸是一種帶有氨基和羧基的有機化合物，是蛋白質的基本結構單元，在人體營養和健康中發揮著重要作用。有些氨基酸不能在體內合成，只能通過飲食攝取。因此，氨基酸常作為營養補充劑廣泛用于食品工業[8]。氨基酸作為小分子化合物，其氨基和羧基基團能與淀粉羥基基團發生相互作用，改變淀粉糊化性質及溶脹能力等[9]，抑制玉米淀粉的長期老化[1]。已有研究發現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，氨基酸添加量和干熱處理能改善玉米淀粉的加工特性。但氨基酸協同干熱處理對玉米淀粉性質影響的報道較少。本課題組過去研究了干熱處理溫度和時間對玉米淀粉-氨基酸混合物的理化性質及消化性能的影響，發現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行干熱處理，通過快速黏度分析儀、差示掃描量熱儀、X射線衍射儀等，系統研究了氨基酸添加量對干熱玉米淀粉-氨基酸混合的糊化特性、熱特性、結構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發有限公司；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、無水乙醇均為分析純。

1.2 儀器與設備

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

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品制備

將Asp或Lys分散于50 mL蒸餾水，用磁力攪拌器充分攪拌10 min，制備0.5%、2%、4%和10%（w/w，淀粉干基計）的氨基酸溶液。將CS（干基）分散于Asp或Lys溶液中充分攪拌均勻，于40 ℃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 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，樣品處理條件和樣品名稱如表1所示。

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

1.3.2 糊化特性的測定

參照Wang等[6]的方法，采用快速黏度分析儀測定樣品的糊化特性，準確稱取3 g淀粉樣品（干基）和25 mL蒸餾水于鋁罐中，攪拌混勻后，置于樣品臺上進行測定。測試程序如下：首先以960 r/min攪拌10 s，然后降至160 r/min并保持至實驗結束；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 熱特性的測定

用差示掃描量熱儀（DSC）分析樣品的熱特性。首先，DSC用銦進行校準。然后準確稱取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進行測定，空白鋁坩堝作為對照。氮氣流量50 mL/min，升溫速率 10 ℃/min，溫度范圍 30～115 ℃，記錄升溫過程中樣品的熱力學參數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射線衍射的測定

參照 Jiang等[11]方法，樣品在 25 ℃、相對濕度100%的環境中平衡24 h。用X射線衍射儀對樣品的晶體結構進行分析，掃描速度 0.1°/s，掃描區域4～40°，目標電壓和電流分別為40 kV和40 mA，記錄X射線衍射圖譜，并用Jade 5.0計算樣品的相對結晶度（RC）。RC值為結晶峰的積分面積占總積分面積的百分比。

1.3.5 消化特性的測定

參考 Englyst等[12]的方法，準確稱取 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 ℃振蕩水浴（160 r/min）反應，分別于20 min和120 min時，取出 1 mL的水解液，快速加入 9 mL乙醇（66%，v/v）混合進行滅酶，4 500 r/min離心10 min后，采用3,5-二硝基水楊酸法測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）的質量分數按下述公式計算：

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-葡萄糖轉化為無水葡萄糖的摩爾質量。

1.4 數據分析

所有樣品至少平行測試 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）進行多組樣本間差異顯著性分析，用Origin 9.0進行相關圖表的繪制。

2 結果與分析

2.1 糊化特性分析

如表2所示，Asp和Lys添加量對干熱處理淀粉的PT影響規律不同。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，Asp添加量為4%時，PT達到最大值，為74.0 ℃。而隨著Lys添加量的增多，淀粉的PT呈升高趨勢，Lys添加量為10%時，PT達到最值，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離子多糖，而阿拉伯膠是酸性多糖，有研究發現這兩種多糖影響淀粉的理化性質。Zhou等[13]研究發現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。這可能是干熱處理能破壞玉米淀粉分子間的氫鍵，促進氨基酸分子上的氨基和羧基與淀粉分子的羰基和羥基發生相互作用，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分子含有兩個羧基，呈弱酸性，Asp添加量較高時，可能引起干熱過程中淀粉分子酸水解，導致淀粉的PT和PV降低[14-15]。此外，Lys和Asp中含有大量親水基團，與水之間存在強的氫鍵作用，抑制淀粉的吸水溶脹，導致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，DCSA10的BD值最低，為1 512 cP，表明添加Asp能提高淀粉糊的熱穩定性和剪切穩定性。當Lys添加量＜4%時，隨著Lys添加量的提高，淀粉的BD值沒有顯著變化；而當Lys添加量＞4%時，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熱和剪切的穩定性。Ito等[16]發現隨著 Lys添加量的增多，馬鈴薯淀粉的BD值呈降低的趨勢。BD降低可能是干熱處理破壞了玉米淀粉分子間的氫鍵，促進氨基酸分子上的氨基和羧基與淀粉發生酯化反應和美拉德反應，從而提高了淀粉的穩定性[4-5]。

隨著Asp和Lys添加量的增加，淀粉的SB值呈降低趨勢，說明提高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表示淀粉中最不穩定結晶和最穩定結晶的熔融溫度，Tp表示淀粉中大部分結晶熔融的溫度[17]。如表3所示，隨Asp添加量的增多，當Asp的添加量低于4%時，淀粉糊的To、Tp、Tc呈升高趨勢；而Asp添加量高于4%時，淀粉糊的To、Tp、Tc沒有差別。當Asp添加量為4%，DCSA的To、Tp、Tc達到最大值，分別為64.10 ℃、69.48 ℃、74.96 ℃，但當Asp添加量達到10%時，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定性，但Asp添加量過高則導致干熱玉米淀粉的穩定性降低。隨著Lys添加量的增多，淀粉糊的To、Tp、Tc逐漸升高，當Lys添加量為10%時，DCSL的To、Tp、Tc達到最大，分別為 66.50 ℃、72.50 ℃、77.88 ℃，說明提高Lys添加量能提高干熱處理玉米淀粉的結晶穩定性，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Table 3 Thermal properties parameters of dried cornstarch-amino acid mixtures

Li等[18]發現隨著 HCl濃度的增加，濕熱處理百合淀粉的 To、Tp、Tc升高。Ji等[19]發現 Lys和Asp均能提高濕熱玉米淀粉的 To、Tp、Tc。Chen等[9]發現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，能促進干熱過程中氨基酸與淀粉分子的交聯，增強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 Asp添加量較高時（10%），干熱處理過程中能優先攻擊淀粉顆粒的無定型區域，導致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沒有明顯變化。Zhou等[13]發現隨著瓜爾豆膠質量分數的增加，濕熱處理的玉米淀粉的ΔH呈降低的趨勢。ΔH降低可能是弱酸性Asp的存在，能促進干熱處理對淀粉結晶區的破壞，也能攻擊淀粉顆粒的無定形區[15]，降低淀粉顆粒無定形區的有序度，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°處有強峰，在 17°和 18°處有雙峰，20°左右存在微弱的衍射峰，呈A型結晶結構特征。20°的小峰可能是直鏈淀粉-內源性脂質復合物的衍射峰[20]。隨著Lys添加量的增多，淀粉糊的X衍射峰位置未發生變化，說明增加Lys的添加量對DCSL的結晶結構類型沒有影響；而隨著 Asp添加量的增多，DCSA型結晶結構類型沒有改變，但 DCSA2、DCSA4和DCSA10在2θ為11.7°和23.7°出現新峰，新峰的產生可能與外源Asp晶體的存在有關[19]。Ji等[10]發現CS-Lys干熱復合物的晶型與天然玉米淀粉相似，呈現典型的A型結晶結構。Ji等[19]還發現添加 Asp后的玉米淀粉在 2θ為 11.7°和 23.7°出現新峰，而Lys的添加沒有改變玉米淀粉的衍射峰位置，也沒有出現新的衍射峰。

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結晶度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%，比對應的DCSA0.5和DCSL0.5的RC值升高8.7%和6.1%。Liang等[21]發現Asp協同熱濕處理能顯著提高玉米淀粉的RC值。González等[20]發現干熱處理能顯著提高小麥淀粉的RC值。Primo-Martín等[22]也發現小麥淀粉經過焙烤處理后，其RC值提高了一倍。這可能是干熱處理過程中，熱能和低水分促使淀粉顆粒內部的晶體排列更緊密、有序[14]。

2.4 消化性質分析

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%。當氨基酸添加量低于2%時，DCSA和DCSL的SDS均隨氨基酸添加量的增多而升高。當氨基酸添加量為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%；而當氨基酸添加量高于 2%時，提高氨基酸添加量對 DCSA和DCSL中的SDS沒有顯著影響。說明干熱處理過程中，氨基酸添加量增多促進了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]發現 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]發現隨著黃原膠/瓜爾膠比例的增加，濕熱處理淀粉的RDS呈降低的趨勢，SDS和RS呈升高的趨勢。Chen等[23]發現隨著塔拉膠添加量的增加，濕熱淀粉的RDS呈降低的趨勢，SDS和RD呈升高的趨勢。本文中RDS降低、SDS和RS值升高可能是在干熱過程中玉米淀粉分子的羥基與氨基酸的羧基之間發生酯化反應，同時分子鏈發生重排，形成了較強的空間位阻，抑制了酶對淀粉的水解[19]。

3 結論

氨基酸的添加量對干熱玉米淀粉-氨基酸混合物的理化性質和消化性質有顯著影響。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淀粉糊的相對結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晶類型，這可能與氨基酸存在時干熱淀粉內部的晶體排列更緊密、有序有關。

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；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定性和剪切穩定性。實驗結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。