氨基酸對淀粉結構形貌及熱致相變行為的影響

許慧嫻，朱芷儀，韋惠瑩，賴曉寧，鐘航宇，劉宏生，賈曉江

（1.華南理工大學食品科學與工程學院，廣東 廣州 510640）（2.石家莊君樂寶乳業有限公司，河北 石家莊 050221）

淀粉是食品的主要組成成分，可提供人類生命活動所需的能量。天然淀粉存在一些缺點，如易成糊、糊粘度高、凍融穩定性差等。這些缺點增大了淀粉的加工難度，同時導致淀粉類食品產生不良風味和口感[1]，在實際生產中通常需要對其進行改性處理。常見的改性方式主要包括化學、物理及酶法改性，其中綠色、安全的物理改性方式一直備受關注[2]。近年來越來越多研究聚焦于天然食品成分（如糖類、蛋白質、多酚、氨基酸等）對淀粉的物理改性修飾作用研究。氨基酸作為蛋白質的基本組成單元，是一種極性小分子物質，易與淀粉發生物理相互作用從而改變其理化性質。已有研究表明氨基酸與淀粉之間存在靜電相互作用，可顯著影響淀粉的加工和儲藏性能。采用合適的氨基酸作為添加劑，可達到改善淀粉類食品品質的目的[3，4]。

氨基酸在水溶液中以偶極離子的形式存在，即一個氨基酸中同時包含能給出質子的 NH3+和接受質子的 COO-。根據氨基和羧基的相對數量，氨基酸通常分為酸性、堿性和中性氨基酸三大類，其中酸堿性氨基酸也被稱為帶電氨基酸。已有研究表明帶電氨基酸顯著提高淀粉糊化相變溫度、并抑制淀粉回生，這些現象歸因于淀粉分子和氨基酸分子間的靜電相互作用[5-8]。在氨基酸/淀粉共混體系中，不同比例的氨基酸使體系呈不同的酸堿性，pH值對淀粉結構及性質具有顯著影響。同時氨基酸的比例也會影響其與淀粉分子、水分子之間的非共價相互作用（靜電相互作用、氫鍵相互作用）強度，進而影響淀粉的相變行為。然而，現有研究大多集中于單一添加量的氨基酸對淀粉加工性質的影響，相關討論主要基于氨基酸的電荷性質，針對不同氨基酸和添加量對淀粉結構形貌和相變行為機制影響的報道較少。

本文以玉米淀粉為研究對象，選用三種具有代表性的氨基酸-中性甘氨酸（Gly）、堿性賴氨酸（Lys）和酸性谷氨酸（Glu）作為添加劑，系統研究了氨基酸種類及氨基酸添加量（0、3%、6%、10%、15%、20%）對淀粉的聚集態結構形貌及其熱致相變行為的影響規律，為功能性淀粉類食品的開發及生產提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

普通玉米淀粉，澳大利亞Penford公司；甘氨酸、賴氨酸和谷氨酸，北京太陽生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

FE20數顯pH計，梅特勒托利多有限公司；EV010掃描電子顯微鏡，德國ZEISS；BHS-2型偏光顯微鏡，日本Olymplus公司；D8 ADVANCE型X射線衍射儀，德國Bruker公司；IS50 FT-IR Nicolet傅立葉轉換紅外光譜儀，美國Thermo Fisher公司；DSC-8000差示掃描量熱儀，美國Perkin-Elmer公司；Micro Visco-Amylo-Graph布拉班德黏度儀，德國Brabender公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品制備

分別將0.6 g、1.2 g、2.0 g、3.0 g和4.0 g氨基酸加入50 mL的蒸餾水中，充分攪拌使氨基酸溶解后加入20.0 g玉米淀粉，在30 ℃條件下磁力攪拌90 min，轉速為800 r/min，使氨基酸與淀粉充分作用后轉移至玻璃培養皿中。隨后在40 ℃的對流烘箱中干燥48 h后研磨得到粉末樣品。在相同條件下制備不含氨基酸的淀粉樣品作為對照。

1.3.2 pH值測定

參照GB/T 10468-1989，用pH計在室溫下直接測定氨基酸和淀粉共混乳液的pH值。

1.3.3 掃描電子顯微鏡觀察

將樣品置于高真空條件下，用離子濺射鍍膜儀進行噴金鍍膜，用掃描電鏡進行觀察并拍照，加速電壓為10 kV。

1.3.4 熱臺偏光顯微鏡觀察

稱取一定量的氨基酸淀粉混合樣品，加入少量蒸餾水攪拌均勻制成乳液。將適量乳液置于載玻片上并用專用膠密封，放入熱臺中加熱；起始溫度為30 ℃，升溫速率為2 ℃/min，加熱至偏光十字完全消失。加熱過程中，每隔1 ℃交替拍攝淀粉顆粒在正常光和偏振光下的圖像，在線觀察淀粉顆粒的形態和偏光十字變化。拍攝像素設置為1024×768，放大倍數為10×50，曝光時間控制在0.01 s內。

1.3.5 X射線衍射測定

采用 X射線衍射儀探究氨基酸對淀粉晶體的影響，特征射線銅靶，管壓和電流分別為40 kV和40 mA，掃描范圍為4°～40°，掃描速度為2°/min，步長為0.02°。參照 Amparo Lopez Rubio等[9]的方法，采用MDI Jade 6.0軟件計算淀粉樣品的相對結晶度。

1.3.6 紅外光譜分析

取1.3.1中的混合樣品配置成水分含量為70%的乳液，置于95 ℃水浴鍋中加熱40 min后冷凍干燥。取適量干燥樣品與KBr按照1:100的比例研磨，壓片后置于紅外光譜儀上測試。測試條件為：掃描波數范圍為4000～400 cm-1，分辨率為2 cm-1，掃描次數為64次。用OMNIC 8.2軟件對紅外圖譜進行基線校正、平滑以及自動去卷積處理，去卷積參數選擇半峰寬為36.2 cm-1，增強因子為3.0。

1.3.7 膨脹度測定

本研究中淀粉膨脹度的測量參考 Pan等[10]的方法。測量過程主要包括以下程序：（1）通過偏光顯微鏡獲得淀粉顆粒在加熱過程中不同溫度下的顆粒圖像（方法同 1.3.4）；（2）將淀粉顆粒圖像導入計算機數據庫并通過Canny邊緣檢測算法精準識別，得到淀粉顆粒邊緣信息；（3）通過淀粉形態智能分割算法分割已識別的顆粒圖像，并測量所有顆粒的像素（面積）變化，得到顆粒面積隨溫度變化的規律。通過公式計算得到淀粉的膨脹度（SC），計算公式如下：

式中：

A0、Ai——起始時刻、特定時間的淀粉顆粒在對應顯微圖中的像素（面積）。

以普通玉米淀粉為例，淀粉膨脹度測量原理如圖1所示。在濾除背景的冗余信息后，從顯微圖像中很好地提取出所有淀粉顆粒的全面輪廓并以白色像素的形式呈現（圖1a）；識別并提取顆粒程序完成后，圖像中保留了兩種像素：淀粉顆粒的白色像素和背景的黑色像素，分別以1和0標記這兩種像素。根據加熱過程中像素（面積）的變化，得出了淀粉膨脹度隨溫度的變化（圖1b）。

1.3.8 差示掃描量熱儀（DSC）測試

準確稱取1.3.1中制備的樣品6.5 mg（干基），置于30 μL的鋁盤（PE No.B0169320）中，用10 μL的移液槍向鋁盤中注入約 16 μL去離子水并密封。在DSC測試之前，將制好的樣品在室溫下平衡24 h使其達到均勻狀態。將待測樣品和參比盤分別放入DSC樣品室左側和右側的熱皿板上，設置掃描溫度范圍為30～120 ℃，升溫速率為5 ℃/min進行測試。

1.3.9 布拉班德粘度測試

準確稱取一定量1.3.1中制得的樣品（干基），加入蒸餾水配置濃度為 6%的淀粉乳，攪拌均勻后倒入測量容器中。測試盒選擇350 cmg，轉子速度為250 r/min，以7.5 ℃/min的升溫速率從30 ℃升溫至95 ℃，保溫5 min，隨后以同樣的速率將溫度降至50 ℃，保溫5 min。

1.3.10 分子動力學模擬

采用GROMACS 5.1.4進行了分子動力學模擬。以 26個呈規則螺旋結構的葡萄糖殘基片段代表直鏈淀粉分子，三種氨基酸（谷氨酸、賴氨酸、甘氨酸）分子模型的拓撲文件由LigParGen服務器在OPLSAA力場下生成，同時選用在OPLSAA力場下兼容性更好的TIP4P四點水模型[11，12]。淀粉分子、水分子及三種氨基酸分子結構如圖2所示。

采用周期邊界條件并且以淀粉片段為中心建立一個邊長為5.73 nm的正方體盒子，隨后隨機插入0、40和80個氨基酸分子，分別表示不同添加量的氨基酸體系，使用TIP4P水模型對每個系統進行溶劑化處理。體系進行充分的能量極小化后，在323.15 K，以及1 bar的大氣壓下，采用蛙跳算法以2 fs的步長進行50 ns的模擬。采用Verlet算法對所有的鍵長進行限制，PME方法則用于靜電相互作用的計算，靜電力和范德華力均在1 nm處截斷[11]。

1.3.11 數據處理

采用 IBM SPSS 21.0統計分析軟件對數據進行Turkey檢驗，顯著性水平設為p＜0.05；采用Origin 8.0繪圖。

2 結果與分析

2.1 氨基酸種類和添加量對共混體系pH值的影響

表1為氨基酸種類和添加量對淀粉/氨基酸體系pH值的影響。由表可知，對照組（無添加氨基酸樣品）的pH值為7.13。氨基酸在溶液中的電離會改變體系pH值，隨著中性甘氨酸添加量的增大，共混體系pH值有所降低，呈現弱酸性；而隨著賴氨酸和谷氨酸添加量的增大，體系的堿性和酸性明顯逐漸增強。當氨基酸添加量為20%時，賴氨酸和谷氨酸共混體系的pH值分別變為9.72和3.27，此時體系分別呈現較強堿性和酸性。

表1 氨基酸種類和添加量對淀粉/氨基酸體系pH值的影響Table 1 Effects of amino acid type and content on pH value of starch/amino acid system

氨基酸溶液酸堿性與氨基和羧基基團對質子傳遞作用密切相關[13]。酸性的谷氨酸分子和堿性的賴氨酸分子分別比中性甘氨酸分子多一個羧基和氨基，使三種氨基酸體系的pH值呈現明顯差異。氨基酸在溶液中的質子傳遞形式及甘氨酸、賴氨酸、谷氨酸的分子結構式如圖3所示。甘氨酸溶液呈弱酸性，這主要是由于氨基正離子的質子解離能力大于羧基負離子接受質子的能力，即 Ka(NH3+)＞Kb(COO-)。在谷氨酸溶液中，其中一個未電離的羧基給出質子的能力大于另一個已解離的羧基負離子接受質子的能力，因此溶液顯酸性。同理，對于賴氨酸分子，其兩性離子中未質子化的氨基從水溶液中得到質子的能力大于另一個已質子化的氨基正離給出質子的能力，因此溶液顯堿性。

2.2 氨基酸種類和添加量對淀粉顆粒形貌的影響

氨基酸的種類及其添加量對淀粉顆粒形貌具有不同的影響。如圖4所示，玉米原淀粉顆粒呈大小不一的圓形或多角形，粒徑位于5～20 μm之間。少量淀粉顆粒表面分布密集的小孔，這些孔通常在淀粉合成過程中產生[14]。淀粉的顆粒形貌會隨著氨基酸分子的種類及濃度的不同呈現不同的變化，而導致其變化的因素可能主要是氨基酸溶液的pH值變化引起的。

從結果中可以看出，不同濃度添加量（0～20%）的中性甘氨酸對淀粉顆粒表面形貌均無顯著影響，這主要是由于甘氨酸添加量對體系pH值影響不大，即使其添加量提高至20%，體系仍呈弱酸性，有研究表明，輕微的酸性處理并不會對顆粒結構的整體穩定性造成明顯影響[15]。而酸性的谷氨酸和堿性的賴氨酸分子則隨著添加量的變化，對淀粉顆粒及形貌呈現破壞作用，當其添加量大于10%后，淀粉顆粒表面逐漸變粗糙，孔徑增大，且谷氨酸體系中顆粒表面出現明顯凹陷。已有研究表明，淀粉顆粒經較強的酸堿性溶液處理后，其無定型結構會發生降解，從而導致顆粒表面孔隙增多、孔徑增大[16-18]。在本研究中，高添加量（＞10%）的非中性氨基酸使淀粉體系的酸堿性發生明顯改變，顆粒無定型結構遭到不同程度破壞，顆粒形貌發生較明顯變化。Ji等[19]在研究賴氨酸和天冬氨酸對玉米淀粉消化性質的影響時，同樣發現玉米淀粉顆粒表面變粗糙。

2.3 氨基酸種類和添加量對淀粉結晶結構的影響

偏光顯微鏡和X射線衍射儀是用于分析淀粉結晶結構的常用設備。淀粉顆粒獨特的球晶結構在偏振光的照射下會呈現出清晰明亮的偏光十字[20]。X射線衍射儀則可用于表征淀粉結晶結構的類型和相對結晶度。圖5顯示的是在室溫條件下（30 ℃）經不同濃度甘氨酸、賴氨酸和谷氨酸處理后淀粉偏光十字的對比圖片。玉米原淀粉顆粒呈現清晰明亮的偏光十字。經不同濃度的三種氨基酸處理后，淀粉顆粒的偏光十字沒有明顯變化，表明常溫下氨基酸處理的淀粉仍然保留完整的球晶結構，這與Ji等[19]的研究結果一致。同時，X射線衍射儀分析結果也表明氨基酸添加量及種類對淀粉結晶結構無明顯影響。如圖6所示，原淀粉在 15°、17°、18°和 23°處分別有一個強的衍射特征峰，是典型的A型結晶衍射圖譜。經不同濃度的三種氨基酸處理后，玉米淀粉的A型特征衍射峰沒有明顯變化，說明氨基酸不改變淀粉的晶體結構類型。

然而隨著氨基酸濃度的變化，不同種類處理淀粉的相對結晶度會隨之發生變化。如表2所示，隨著堿性賴氨酸和酸性谷氨酸濃度的增大，處理后的淀粉相對結晶度升高，當賴氨酸和谷氨酸添加濃度達到20%時，相對結晶度分別升高了1.00%和1.96%，而不同濃度的中性甘氨酸對淀粉結晶度影響不大。顯然，非中性氨基酸體系中淀粉相對結晶度的升高可能是由共混體系酸堿性的增強引起的。在酸堿處理中，淀粉無定型區會優先水解從而導致其結晶度升高[21，22]。Chen等[6]研究了氨基酸對土豆淀粉理化性的影響，發現添加10%的賴氨酸使淀粉的相對結晶度提高了1.69%，表明氨基酸對淀粉結晶結構的影響還與淀粉的結晶類型有關，土豆淀粉的B型結晶結構比玉米淀粉的A型結晶結構更為松散，使氨基酸小分子更容易進入晶體結構中，因此對淀粉相對結晶度的影響更明顯。

表2 經不同濃度甘氨酸、賴氨酸和谷氨酸處理后淀粉樣品的相對結晶度Table 2 Relative crystallinity of starch samples treated by glycine， lysine and glutamic acid with different contents

2.4 氨基酸種類和添加量對淀粉短程有序結構的影響

為了進一步探究氨基酸與淀粉分子間的相互作用和氨基酸種類及其添加量對淀粉短程有序結構的影響，采用傅立葉紅外光譜儀對氨基酸與淀粉共混樣品進行測定。如圖7所示，淀粉在3340 cm-1附近有一個強且寬的吸收峰，該峰由締合羥基O-H鍵的伸縮振動產生，2930 cm-1、1646 cm-1、1340 cm-1、1013 cm-1附近的峰分別為 C-H的伸縮振動、O-H的彎曲振動、C-OH的彎曲振動和C-O的伸縮振動[23，24]。三種氨基酸均使3340 cm-1處的吸收峰向低波數方向發生紅移，表明氨基酸與淀粉分子間存在氫鍵相互作用，且谷氨酸和賴氨酸與淀粉分子間的氫鍵相互作用比甘氨酸更強，這是因為甘氨酸分子結構中可發生氫鍵作用的極性基團數量較少。隨著三種氨基酸濃度的增大，3340 cm-1處的吸收峰偏移量逐漸增大，表明體系中氫鍵的密度和強度逐漸增大，氨基酸分子與淀粉分子之間的氫鍵相互作用強度與氨基酸濃度呈正相關。而經過三種氨基酸處理后的淀粉均未出現新的吸收峰，說明淀粉和氨基酸混合未衍生化，二者主要發生非共價鍵相互作用。

1045 cm-1與1022 cm-1處的紅外特征吸收峰分別與淀粉的有序結構和無定型結構有關，1045 cm-1與1022 cm-1處峰強的比值（R1045/1022）已被廣泛用于評估淀粉短程結構有序性，比值越大，表明結構有序性越高[25，26]。對 1200～800 cm-1范圍的波譜進行去卷積處理，相應圖譜如圖8所示，淀粉的R1045/1022值列于表3中。研究結果表明，氨基酸種類和添加量對淀粉短程結構有序性的影響大小與氨基酸、淀粉分子間的氫鍵相互作用程度相關：氫鍵相互作用越強，淀粉短程結構有序性越低。三種氨基酸均使淀粉的R1045/1022值降低，且賴氨酸和谷氨酸影響大于甘氨酸，隨著甘氨酸、賴氨酸和谷氨酸添加量由0增大至20%，淀粉的R1045/1022由0.87分別降低至0.69、0.62和0.59。Wan等[5]的研究發現谷氨酸、賴氨酸和甘氨酸同樣能降低大米淀粉的短程結構有序性，且三種氨基酸對淀粉短程結構有序性的影響大小與本文一致。氨基酸與淀粉分子間的氫鍵相互作用可能是導致淀粉短程結構有序性降低的主要原因，氨基酸分子通過占據淀粉鏈上的氫鍵作用位點來抑制淀粉分子內氫鍵形成，進而導致淀粉短程結構有序性降低。

表3 不同濃度甘氨酸、賴氨酸和谷氨酸對淀粉R1045/1022值的影響Table 3 Effects of glycine， lysine and glutamic acid with different contents on the R1045/1022 values of starch

2.5 氨基酸種類和添加量對淀粉膨脹度的影響

氨基酸種類和添加量也會對淀粉糊化過程中的膨脹度產生影響。如圖9所示，淀粉的膨脹分為兩個階段：緩慢膨脹階段（30～60 ℃）和快速膨脹階段（60～70 ℃）。第一階段主要是淀粉無定型區的可逆吸水膨脹，第二階段主要是晶體結構的熱無序化過程。三種氨基酸均能抑制淀粉膨脹，谷氨酸的抑制作用最大。隨著三種氨基酸添加量提高，淀粉膨脹度表現出先減小后增大的規律，在10%處達到最低。70 ℃時，含量為10%的甘氨酸、賴氨酸和谷氨酸體系中，淀粉膨脹度分別降低了 21.13%、21.48%、25.95%。氨基酸對淀粉膨脹度的影響與氨基酸改變體系中水分子的分布及氨基酸與淀粉間相互作用相關。

淀粉顆粒水合和膨脹的能力取決于淀粉分子與水分子間的氫鍵相互作用強度[27，28]。在水溶液中，水分子快速進入淀粉顆粒內部與其形成氫鍵，導致淀粉顆粒結構被破壞。添加氨基酸后，氨基酸分子由于體積較大，優先與水分子作用，導致淀粉溶劑化所需水分子數量減少[29]，從而抑制淀粉顆粒的水合膨脹。這與蔗糖分子抑制淀粉膨脹度的作用機制類似[30]。隨著氨基酸濃度提高，與氨基酸水合的水分子數量不斷增加，抑制膨脹作用越來越顯著。當氨基酸含量為10%時，淀粉分子與水分子相互作用最弱，膨脹度最低。增加氨基酸濃度增大了其與淀粉分子作用的可能性，也會對淀粉分子內氫鍵產生破壞作用，從而會導致淀粉的膨脹度的升高。除氫鍵相互作用外，當谷氨酸和賴氨酸的添加量大于10%時，溶液中較強的酸性或堿性使淀粉無定型區結構不穩定，也會加速淀粉分子與水分子的相互作用。值得注意的是，中性甘氨酸的添加量大于10%后，淀粉的膨脹度同樣表現為升高，表明氨基酸的極性基團與淀粉分子、水分子間的非共價相互作用是影響淀粉溶脹的主要原因，而氨基酸的酸堿性是影響淀粉溶脹的次要因素。

2.6 氨基酸種類和添加量對淀粉糊化相變的影響

氨基酸的種類和添加量對淀粉糊化相變溫度及焓值的影響作用不同。如圖10所示，玉米原淀粉在67 ℃附近有一個較寬的吸熱峰，添加氨基酸后，淀粉的吸熱峰均向高溫區偏移，表明三種氨基酸均能抑制糊化相變進程，且谷氨酸和賴氨酸影響更顯著。隨著氨基酸濃度的增大，糊化相變溫度表現為先增大后減小的趨勢，在10%處達到最大值（表4）。經10%的甘氨酸、賴氨酸和谷氨酸處理后，淀粉峰值溫度分別提高了3.71 ℃、6.00 ℃和5.58 ℃。與本結果稍有不同的是，Chen等[8]研究發現谷氨酸和賴氨酸能顯著提高土豆淀粉的起始糊化溫度，而對峰值糊化溫度和終止糊化溫度無顯著影響，這可能是由氨基酸濃度和淀粉結構差異導致的。本研究中氨基酸濃度更大，而且玉米淀粉的晶體結構更穩定。起始糊化溫度表示最弱微晶的熔融溫度，土豆淀粉的晶胞能容納更多水分子，最弱微晶破壞后，低比例的氨基酸分子抑制水分子對晶體結構的破壞作用不明顯，因此淀粉的峰值糊化溫度和終止糊化溫度無明顯變化。玉米淀粉的晶胞較致密，其雙螺旋結構在糊化過程中逐漸展開，起始糊化溫度的滯后會導致峰值糊化溫度和終止糊化溫度同步滯后。

表4 不同濃度甘氨酸、賴氨酸和谷氨酸對淀粉糊化相變參數的影響Table 4 Effects of glycine， lysine and glutamic acid with different contents on the gelatinization characteristics of starch

淀粉葡萄糖殘基之間的氫鍵相互作用是維持其螺旋結構的關鍵，相變是淀粉分子內氫鍵被破壞的動態演變過程[31，32]。氨基酸偶極離子和中性鹽離子性質相似，與水分子之間的靜電相互作用會改變體系中水分子的存在狀態，進而間接影響淀粉的相變行為[33]。氨基酸的水合作用抑制了淀粉顆粒膨脹，使淀粉糊化滯后，因此表現為更高的糊化溫度。然而高添加量（＞10%）溶液中氨基酸分子與淀粉分子之間的氫鍵相互作用導致淀粉結構變弱，使糊化溫度有所降低，與膨脹度結果一致。糊化焓值與淀粉晶體的熔化和雙螺旋的破壞有關[34，35]。高添加量（＞10%）的氨基酸使淀粉糊化焓值顯著提高，這可能是由于高比例的氨基酸分子與淀粉分子之間形成較強的氫鍵網絡，需要更高的能量使淀粉糊化。

2.7 氨基酸種類和添加量對淀粉糊粘度的影響

經不同濃度甘氨酸、賴氨酸和谷氨酸處理的淀粉樣品的布拉班德粘度曲線如圖11所示，特征粘度參數分別列于表5、表6和表7中。除3%的甘氨酸無顯著影響外，其他氨基酸均顯著提高淀粉的起糊溫度，降低淀粉的特征粘度。隨著三種氨基酸添加量的增大，淀粉起糊溫度（PT）表現為先增大后減小的趨勢，而峰值粘度（PV）、谷值粘度（TV）和終值粘度（FV）呈現出單調遞減的趨勢。玉米原淀粉的起糊溫度為71.81 ℃，添加10%的甘氨酸、賴氨酸和谷氨酸能最大限度抑制淀粉糊化，使起糊溫度分別提高了6.02 ℃、6.92 ℃和10.06 ℃，而峰值粘度分別降低了37.95 BU、56.78 BU、81.67 BU。三種氨基酸對淀粉糊粘度性質的影響大小為：谷氨酸＞賴氨酸＞甘氨酸。Galkowska等[3]的研究發現相同結果，氨基酸與水分子、淀粉分子間的物理相互作用可能是影響淀粉糊粘度性質的主要原因。

表5 不同濃度甘氨酸對淀粉布拉班德粘度參數的影響Table 5 Effects of glycine acid with different contents on the Brabender viscosity characters of starch

表6 不同濃度賴氨酸對淀粉布拉班德粘度參數的影響Table 6 Effects of lysine acid with different contents on the Brabender viscosity characters of starch

表7 不同濃度谷氨酸對淀粉布拉班德粘度參數的影響Table 7 Effects of glutamic acid with different contents on the Brabender viscosity characters of starch

在本文中，由于氨基酸濃度的變化導致淀粉體系的酸堿性發生改變。因此，除物理相互作用之外，氨基酸的酸堿性也會影響淀粉的粘度。氨基酸對粘度的影響可能主要是由以下兩方面引起的：一方面，氨基酸分子與水分子的作用減少了游離水分子數目，使部分淀粉顆粒保持相對穩定，淀粉顆粒之間的表面相互作用較弱，表現為較低的粘度[36，37]；另一方面，酸性谷氨酸在水中電離的 H+會使分散在體系中的直鏈淀粉分子水解成更短的分子鏈[38]，而堿性賴氨酸則使直鏈淀粉羥基去質子化，導致淀粉鏈間排斥力增大。淀粉鏈長的降低及鏈間斥力的增大均不利于其纏繞聚集，因而淀粉糊粘度更低。經氨基酸處理后，淀粉的崩解值（BD）和回生值（SB）均一定程度降低，表明氨基酸提高了淀粉的熱糊穩定性并抑制短期回生。短期回生主要是直鏈淀粉鏈通過氫鍵重新締合形成有序結構的過程[39]。在較強酸堿性的環境中，淀粉鏈的降解或淀粉鏈之間的排斥作用均抑制淀粉鏈的聚集重排。另一方面，糊化后的淀粉羥基的暴露促進氨基酸分子與之發生氫鍵作用，阻礙了淀粉鏈締合重排，導致回生粘度降低。

2.8 分子動力學模擬

為了從分子水平分析氨基酸種類和添加量影響淀粉分子結構及相變行為的分子作用機理，采用分子動力學模擬分析了淀粉分子鏈在不同濃度甘氨酸、賴氨酸及谷氨酸水溶液體系中的構象穩定性及氨基酸分子、水分子、淀粉分子之間的相互作用關系，采用均方根偏差、螺旋二面角分布、淀粉分子與水分子的徑向分布函數及溶液體系氫鍵行為和相互作用能等方法進行統計分析，為氨基酸影響淀粉結構與性質的分子間作用機制提供理論解釋。

2.8.1 螺旋二面角分析

淀粉是由葡萄糖分子通過α-1，4糖苷鍵聚合而成的高分子聚合物。糊化過程中淀粉分子鏈的螺旋結構逐漸伸展為柔性的隨機鏈段，處于α-1，4糖苷鍵位置的兩個二面角 φ (O5-C1-O4′-C4′)和 ψ (C1-O4′-C4′-C3′)角度會隨著淀粉結構變化而變化，研究二面角的分布可以更加清楚地反映糖苷鍵的變化情況，進而分析淀粉分子螺旋結構在溶液中的退化程度。

圖12是50 ns內不同濃度的甘氨酸、賴氨酸和谷氨酸溶液體系中二面角隨時間的分布情況（以 10 ns為一個時間單位，不同時間單位的二面角分布用不同顏色表示）。如圖所示，在模擬的前10 ns內水溶液中淀粉的二面角（φ，ψ）由（105°，115°）迅速減小至（95°，105°），在 20～50 ns期間，每一個時間單位的二面角分布范圍幾乎相同，表明淀粉構象在前 10 ns發生劇烈轉變，螺旋結構降解速度快。相比于水溶液，加入三種氨基酸后淀粉鏈二面角的變化速度均放緩（角度逐漸向低角度范圍偏移），而谷氨酸和賴氨酸抑制二面角變化的作用大于甘氨酸。隨著三種氨基酸添加量的提高，二面角的變化速度均逐漸變慢，說明在一定濃度范圍內，高濃度的氨基酸可更好地維持溶液體系中淀粉分子的螺旋結構。氨基酸抑制淀粉螺旋結構的降解行為在宏觀上表現為抑制淀粉糊化，與DSC實驗結果一致。

2.8.2 徑向分布函數

徑向分布函數（Radial Distribution Function，RDF）用于描述其他目標粒子對應于參考點距離變化的函數。其定義為以參考粒子為圓心，半徑為r的范圍內出現另外一個粒子的概率密度與該粒子隨機分布的概率密度的比值。通過考察體系中目標粒子與參考粒子之間的相對分布情況，可以反映粒子之間的相互作用。

如圖13所示，水溶液及不同氨基酸溶液體系中淀粉徑向分布函數的特征峰均出現在 0.27 nm，表明淀粉分子與水分子間存在較強的氫鍵相互作用，淀粉分子被水分子溶劑化程度高[40]。隨著氨基酸種類和濃度的變化，該特征峰的強度有所不同。三種氨基酸溶液體系中特征峰的峰值均比水溶液體系的小，表明氨基酸分子抑制了淀粉分子和水分子的相互作用，減小了水分子的溶劑化作用。當添加相同量的氨基酸分子時，0.27 nm處特征峰的峰值按照甘氨酸、賴氨酸、谷氨酸的順序依次減小，谷氨酸對淀粉周圍水分子的分布影響最大，而甘氨酸影響最小。隨著氨基酸濃度增大，峰強逐漸變弱，表明在一定濃度范圍內，氨基酸分子數量越多，與之發生作用水分子數量就越多。相應與淀粉分子發生作用的水分子就越少。水分子是淀粉加工體系中有效增塑劑[41]，抑制水分子與淀粉分子相互作用將有效抑制淀粉相變的發生。

2.8.3 氫鍵相互作用

淀粉分子螺旋結構的穩定性主要依賴于分子內氫鍵[42]。分子內氫鍵數目可用于衡量淀粉螺旋結構穩定性，氫鍵數目越多，螺旋結構越穩定。為了考察不同濃度甘氨酸、賴氨酸和谷氨酸溶液體系中淀粉分子內氫鍵數目變化及氨基酸與淀粉、水分子之間的氫鍵相互作用情況，表8統計和分析了50 ns內不同體系中淀粉分子內及各組分分子之間的氫鍵數目及淀粉-氨基酸、淀粉-水分子的相互作用能（均以50 ns內的平均值計）。隨著氨基酸分子數量增多，淀粉分子內氫鍵數目和淀粉-氨基酸分子間的氫鍵數目略微增大，但是淀粉-水分子間的氫鍵數目明顯減小，同時氨基酸-水分子間的氫鍵數目明顯增大。淀粉-水分子和淀粉-氨基酸分子的相互作用能結果與氫鍵數目的統計結果一致，即分子間氫鍵數目越多，相互作用能越大。以上結果表明，氨基酸分子和水分子在與淀粉分子發生氫鍵相互作用時存在競爭關系，但是由淀粉-水分子間氫鍵數目遠大于淀粉-氨基酸分子間氫鍵數目可知，淀粉溶劑化效應主要由水分子主導，而大部分氨基酸分子與水分子作用減少了淀粉分子周圍水分子的分布密度，導致與淀粉作用的水分子數量減少，進而影響淀粉的宏觀性質。

表8 不同濃度甘氨酸、賴氨酸和谷氨酸溶液體系中各組分分子之間的氫鍵數目及相互作用能Table 8 Hydrogen bond number and Interactional energy between different molecules in glycine， lysine and glutamic acid solutions with different contents

3 結論

本文系統研究了甘氨酸、賴氨酸及谷氨酸在不同含量條件下（0、3%、6%、10%、15%、20%）對玉米淀粉結構形態及相變行為的影響。研究結果表明，氨基酸種類和添加量均會影響淀粉的結構與性質，三種氨基酸影響作用大小呈現以下趨勢：谷氨酸＞賴氨酸＞甘氨酸，且當氨基酸濃度為 10%左右，影響最為顯著。甘氨酸對淀粉的結構無顯著影響，但是酸性的谷氨酸和堿性的賴氨酸使淀粉顆粒表面變粗糙，并促使淀粉相對結晶度提高，這主要是由于非中性氨基酸體系中較強的酸堿性對淀粉無定型結構產生了破壞作用。三種氨基酸均會抑制淀粉糊化及回生，這主要是氨基酸與水分子、淀粉分子之間的氫鍵相互作用導致。氨基酸分子通過與水分子作用減少水分子對淀粉分子的塑化作用，使糊化行為滯后，糊化后淀粉分子鏈的展開有利于氨基酸分子與之形成氫鍵，阻礙了淀粉分子鏈重排，導致回生程度降低。