谷氨酸對木薯淀粉糊流變性質的影響

盧靜靜，羅志剛*

(華南理工大學輕工與食品學院，廣東 廣州 510640)

谷氨酸對木薯淀粉糊流變性質的影響

盧靜靜，羅志剛*

(華南理工大學輕工與食品學院，廣東 廣州 510640)

采用哈克流變儀，研究谷氨酸對木薯淀粉糊流變性質的影響。結果表明：添加谷氨酸前后的木薯淀粉糊均為假塑性流體且具有觸變性，隨谷氨酸添加量的增加，假塑性和觸變性均先增強后減弱；淀粉糊的表觀黏度隨剪切速率的升高而降低，具有剪切稀化現象。添加/未添加谷氨酸的木薯淀粉糊都呈現弱凝膠行為，隨著谷氨酸添加量的增加，其儲能模量(G＇)和耗能模量(G＇＇)先增大后減小，損耗角正切值(tanθ)先減小后增大，最終趨向于牛頓流體的方向發展。

木薯淀粉；谷氨酸；流變性質

淀粉具有增稠、膠凝、黏合及價廉易得等特點，被廣泛應用于食品工業中，用以改善食品的質地、風味等特性，為食品加工的多樣性提供了條件。氨基酸是蛋白質的基本組成部分，在人類的營養健康方面起重要作用，在食品中被用作營養補充劑以及添加劑[1]。為了解食品中淀粉與氨基酸的相互作用，一些學者研究了水相條件下，氨基酸對淀粉糊性質及熱性質的影響。研究發現加入氨基酸后，淀粉(馬鈴薯淀粉、米淀粉、甘薯淀粉)的起始糊化溫度升高，峰值黏度降低，凝沉性的變化隨氨基酸種類的不同而有所差異[2-5]。淀粉糊流變學性質對淀粉加工過程有重要的影響，關于氨基酸對淀粉糊流變性質的影響國內外鮮有報道。本實驗主要研究谷氨酸對木薯淀粉糊靜態及動態流變學性質的影響，以期為研究食品中淀粉與氨基酸的相互作用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

木薯淀粉 泰華木薯淀粉廠；谷氨酸 上海伯奧生物科技有限公司。

DF-6050集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限公司；RS600型哈克流變儀 德國哈克公司。

1.2 方法

1.2.1 樣品的制備

稱取適量淀粉，加入蒸餾水配制成6g/100mL的淀粉乳，分別加入質量分數0.5%、1.0%、1.5%、2.0%(以淀粉干基為基準計)的谷氨酸。將樣品放入具塞離心管中，在95～98℃條件下，加熱磁力攪拌30min后，將樣品放在水浴中冷卻至室溫待用。

1.2.2 靜態流變學性質的測定

采用哈克RS600型流變儀，在直徑40mm的不銹鋼平行板上加入待測樣品，板間距為1mm，剪切速率為0.01～300s-1，剪切時間120s，在室溫25℃條件下測定表觀黏度，剪切應力隨剪切速率的變化關系。

1.2.3 頻率掃描的測定

動態黏彈性的測定仍采用哈克RS600流變儀的平板式裝置進行。1%的應變下(1%的應變保證頻率掃描在線性范圍之內)，在0.01～10.0rad/s的范圍內進行頻率掃描，測得在25℃條件下，G＇(動態彈性模量或儲能模量)、G＇＇(動態黏性模量或耗能模量)和 tanθ(G＇＇/G＇)隨角頻率變化的圖譜。

2 結果與分析

2.1 靜態流變特性的測定結果與分析

2.1.1 谷氨酸對木薯淀粉糊靜態流變性的影響

圖1 添加/未添加谷氨酸的淀粉體系剪切應力與剪切速率的關系Fig.1 Shear stress vs shear rate plots for tapioca starch pastes with different amounts of added Glu

圖1是25℃條件下，添加谷氨酸前后的木薯淀粉糊剪切應力與剪切速率的關系曲線圖?？梢钥闯?，添加/未添加谷氨酸的淀粉樣品曲線，均凸向剪切應力軸，具有假塑性流體的特征，所需的剪切應力隨剪切速率的增加而增大。在同一剪切速率條件下，添加0.5%和1.0%谷氨酸的淀粉糊需要的剪切應力大于原淀粉，而添加1.5%和2.0%谷氨酸的淀粉糊需要的剪切應力小于原淀粉，這可能是由于：1)谷氨酸的兩性離子(氨基陽離子和羧基陰離子)與淀粉分子羥基之間的相互作用；2)谷氨酸的非極性側鏈與淀粉分子上羥基之間弱的相互作用造成的。

流變曲線都是經過原點且不同程度地凸向剪切應力軸的曲線，可以判斷樣品均屬于非牛頓流體[6]。根據曲線的形狀，可用冪定律來描述淀粉糊的靜態流變性。

式中：τ為剪切應力/Pa；k為稠度系數/(Pa·sm)；γ為剪切速率/s-1；m為流態特征指數。

表1 添加/未添加谷氨酸的淀粉體系的冪律方程擬合參數Table 1 Power-law equation parameters for tapioca starch pastes with different amounts of added Glu

通過一元非線性回歸，得出所有樣品的k、m值及相關系數(R2)。由表1可知，采用冪定律描述樣品的流變曲線時，相關系數在0.9902～0.9949之間；所有樣品的m值都小于1，說明添加/未添加谷氨酸的木薯淀粉糊均為假塑性流體。與原淀粉相比，添加0.5%和1.0%谷氨酸的樣品m值減小，體系假塑性增強；添加1.5%和2.0%谷氨酸的樣品m值增大，體系假塑性減弱；由此可以推測在實驗范圍內，隨著谷氨酸添加量的增加，淀粉糊的假塑性先增強后減弱，體系最終向趨于牛頓流體的方向發展。

2.1.2 谷氨酸對木薯淀粉糊觸變性的影響

剪切速率逐漸增大至最大值后，再逐漸降至起點，觀察該過程中剪切應力的變化，可以測定淀粉的觸變性[7]。如果剪切應力的上行曲線與下行曲線間存在滯后，即有滯后圈產生，表明樣品具有觸變性。滯后圈的大小可以表示觸變性的強弱，面積越大觸變性越大，反之越小[6]。溫度25℃時，添加/未添加谷氨酸的木薯淀粉糊的觸變性如圖2所示。

圖2 添加/未添加谷氨酸的淀粉體系的觸變性Fig.2 Thixotropic loops of tapioca starch pastes with different amounts of added Glu

由圖2可知，所有樣品的淀粉糊均具有觸變性，表現出相似的順時針滯后環狀，在剪切速率增大方向上的剪切應力大于相應剪切速率減小方向上的剪切應力。淀粉的這種觸變滯后現象是因為外部的剪切作用對體系內部整齊的網絡結構有一定的破壞度，隨著剪切速率的增加，破壞程度加大；當剪切速率逐漸降低時，短時間內結構的恢復速率不能完全跟隨上其破壞速率，黏性變化曲線不能回復到原來曲線，因此形成滯后環出現觸變性[8]。與原淀粉相比，添加0.5%和1.0%谷氨酸的淀粉糊觸變性增大；添加1.5%和2.0%谷氨酸的淀粉糊觸變性減小。加入0.5%和1.0%的谷氨酸后，體系假塑性增強，受到外力破壞后回復速率減慢，滯后環面積明顯增大；當谷氨酸添加量繼續增加到1.5%，滯后環面積又逐漸減小，可能是過多的離子存在，使得淀粉粒子間形成的結合狀態受到破壞，體系向趨于牛頓流體的方向發展，在受到外力破壞時，能夠快速恢復原有的結構。

2.1.3 谷氨酸對木薯淀粉糊剪切穩定性的影響

圖3 添加/未添加谷氨酸的淀粉體系表觀黏度與剪切速率的關系Fig.3 Apparent viscosity vs shear rate plots for tapioca starch pastes with different amounts of added Glu

由圖3可知，在初始剪切速率增加的很小范圍內，3個樣品淀粉糊的表觀黏度均急劇下降，而后隨著剪切速率的繼續增大，表觀黏度緩慢降低逐漸趨于平緩，說明添加/未添加谷氨酸的木薯淀粉糊均屬于剪切稀化體系[6]。在同樣的剪切速率下，添加1.0%谷氨酸的淀粉糊表觀黏度最大，添加2.0%谷氨酸的淀粉糊表觀黏度最??；當剪切速率增加到一定程度時，所有樣品淀粉糊的表觀黏度都逐漸穩定，且在穩定段谷氨酸添加量不同的淀粉糊，表觀黏度相差很小。這種剪切稀化現象是由于淀粉中分子鏈之間相互纏繞，阻礙了淀粉分子的自由流動；當受到剪切作用時，纏繞的分子鏈被拉直，流層間的剪切應力減小，從而使表觀黏度下降。當剪切速率增大到某一數值后，淀粉分子來不及取向或已經充分取向，表觀黏度就不再變化[6]。

2.2 谷氨酸對木薯淀粉糊動態黏彈性的影響

圖4 添加/未添加谷氨酸的淀粉體系的動態模量圖譜Fig.4 Dynamic viscoelastic moduli vs angular rate plots for tapioca starch pastes with different amounts of added Glu

動態黏彈性實驗是研究半固態食品流變性最常用的測量方式[9]。在振蕩頻率0.01～10Hz范圍內，對添加/未添加谷氨酸的木薯淀粉凝膠進行掃描，結果如圖4所示。隨著頻率的增大，添加/未添加谷氨酸的淀粉糊的G＇和G＇＇都呈現出上升趨勢，并且G＇始終大于G＇＇，Ikeda等[10]指出這是典型的弱凝膠特征，所以添加/未添加谷氨酸的木薯淀粉凝膠都是弱凝膠。與原淀粉凝膠相比，加入0.5%和1.0%的谷氨酸后，G＇和G＇＇都有一定程度的升高；而加入1.5%和2.0%的谷氨酸，體系的G＇和G＇＇有所減小，并且二者之間的距離變小即凝膠性減弱[11]。

圖5 添加/未添加谷氨酸的淀粉體系的損耗角正切tanθFig.5 Loss tanθ vs angular rate plots for tapioca starch pastes with different amounts of added Glu

圖5顯示出了不同谷氨酸含量淀粉凝膠的損耗角正切(tanθ＝G＇＇/G＇)，從tanθ值的變化可大致推測出體系中高聚物組成的變化[12]?？梢钥闯?，加入0.5%和1.0%谷氨酸后，混合體系的tanθ值略微低于原淀粉；而加入1.5%和2.0%谷氨酸，混合體系的tanθ值增大，即凝膠性減弱，這與圖4的結論一致。根據流變學觀點，tanθ增大說明淀粉凝膠的聚合度減小，凝膠性減弱，直鏈淀粉的聚集能力變弱[13]，因為淀粉凝膠的強度與直鏈淀粉的含量有關，直鏈淀粉含量高，越容易形成凝膠，凝膠是由淀粉內部分子之間相互以氫鍵作用形成，在液態條件下直鏈淀粉很容易彼此相互作用緊密，形成氫鍵而凝膠化[14]。由于直鏈淀粉可以看成是一種弱酸，谷氨酸吸附在直鏈淀粉表面，其兩性離子頭基與直鏈淀粉分子羥基相互作用形成部分氫鍵，大量谷氨酸的存在，破壞了直鏈淀粉分子之間原有的氫鍵，所以最終體系的凝膠性減弱，向趨于牛頓流體的行為發展，與2.1節所得結果相一致。

3 結 論

靜態流變特性測定結果表明，在實驗范圍內，添加/未添加谷氨酸的淀粉糊均為假塑性流體且具有觸變性；在0%～2.0%谷氨酸添加量范圍內，假塑性和觸變性均先增強后減弱；淀粉糊的表觀黏度隨剪切速率的升高而降低，具有剪切稀化現象。動態黏彈性測定結果表明，不同谷氨酸含量的木薯淀粉凝膠都是弱凝膠，在0%～2.0%谷氨酸添加量范圍內，淀粉糊凝膠性先增強后減弱，趨向于牛頓流體的方向發展。

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Effect of Glutamic Acid on Rheological Properties of Tapioca Starch Paste

LU Jing-jing，LUO Zhi-gang*
(College of Light Industry and Food Sciences, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

A Haake rheometer was used to study the effect of glutamic acid (Glu) on the rheological properties of tapioca starch paste in the present work. The results obtained showed that both tapioca starch pastes with and without added Glu were pseudoplastic and thixotropic. Both the pseudoplasticity and thixotropy initially increased and then decreased with increasing amount of Glu addition. The apparent viscosity of tapioca starch paste decreased with increasing shearing speed as a shear thickening phenomenon. Both neat and Glu-added tapioca starch pastes showed a weak gel behavior, and both the storage modulus (G＇) and loss modulus (G＇＇) first increased, then decreased, and finally tended to be Newtonian fluids with increasing amount of Glu addition.

tapioca starch；glutamic acid；rheological properties

TS215

A

1002-6630(2012)15-0011-04

2011-06-29

國家自然科學基金項目(21004023)；廣東省產學研結合項目(2009B090300272)；廣東省科技攻關項目(2009B020312006)

盧靜靜(1987—)，女，碩士研究生，研究方向為碳水化合物化學與工程。E-mail：402740139@qq.com

*通信作者：羅志剛(1975—)，男，副教授，博士，研究方向為碳水化合物化學與工程。E-mail：zhgluo@scut.edu.cn