谷氨酸对木薯淀粉糊流变性质的影响

卢静静，罗志刚*

(华南理工大学轻工与食品学院，广东 广州 510640)

谷氨酸对木薯淀粉糊流变性质的影响

卢静静，罗志刚*

(华南理工大学轻工与食品学院，广东 广州 510640)

采用哈克流变仪，研究谷氨酸对木薯淀粉糊流变性质的影响。结果表明：添加谷氨酸前后的木薯淀粉糊均为假塑性流体且具有触变性，随谷氨酸添加量的增加，假塑性和触变性均先增强后减弱；淀粉糊的表观黏度随剪切速率的升高而降低，具有剪切稀化现象。添加/未添加谷氨酸的木薯淀粉糊都呈现弱凝胶行为，随着谷氨酸添加量的增加，其储能模量(G＇)和耗能模量(G＇＇)先增大后减小，损耗角正切值(tanθ)先减小后增大，最终趋向于牛顿流体的方向发展。

木薯淀粉；谷氨酸；流变性质

淀粉具有增稠、胶凝、黏合及价廉易得等特点，被广泛应用于食品工业中，用以改善食品的质地、风味等特性，为食品加工的多样性提供了条件。氨基酸是蛋白质的基本组成部分，在人类的营养健康方面起重要作用，在食品中被用作营养补充剂以及添加剂[1]。为了解食品中淀粉与氨基酸的相互作用，一些学者研究了水相条件下，氨基酸对淀粉糊性质及热性质的影响。研究发现加入氨基酸后，淀粉(马铃薯淀粉、米淀粉、甘薯淀粉)的起始糊化温度升高，峰值黏度降低，凝沉性的变化随氨基酸种类的不同而有所差异[2-5]。淀粉糊流变学性质对淀粉加工过程有重要的影响，关于氨基酸对淀粉糊流变性质的影响国内外鲜有报道。本实验主要研究谷氨酸对木薯淀粉糊静态及动态流变学性质的影响，以期为研究食品中淀粉与氨基酸的相互作用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

木薯淀粉 泰华木薯淀粉厂；谷氨酸 上海伯奥生物科技有限公司。

DF-6050集热式恒温加热磁力搅拌器 巩义市予华仪器有限公司；RS600型哈克流变仪 德国哈克公司。

1.2 方法

1.2.1 样品的制备

称取适量淀粉，加入蒸馏水配制成6g/100mL的淀粉乳，分别加入质量分数0.5%、1.0%、1.5%、2.0%(以淀粉干基为基准计)的谷氨酸。将样品放入具塞离心管中，在95～98℃条件下，加热磁力搅拌30min后，将样品放在水浴中冷却至室温待用。

1.2.2 静态流变学性质的测定

采用哈克RS600型流变仪，在直径40mm的不锈钢平行板上加入待测样品，板间距为1mm，剪切速率为0.01～300s-1，剪切时间120s，在室温25℃条件下测定表观黏度，剪切应力随剪切速率的变化关系。

1.2.3 频率扫描的测定

动态黏弹性的测定仍采用哈克RS600流变仪的平板式装置进行。1%的应变下(1%的应变保证频率扫描在线性范围之内)，在0.01～10.0rad/s的范围内进行频率扫描，测得在25℃条件下，G＇(动态弹性模量或储能模量)、G＇＇(动态黏性模量或耗能模量)和 tanθ(G＇＇/G＇)随角频率变化的图谱。

2 结果与分析

2.1 静态流变特性的测定结果与分析

2.1.1 谷氨酸对木薯淀粉糊静态流变性的影响

图1 添加/未添加谷氨酸的淀粉体系剪切应力与剪切速率的关系Fig.1 Shear stress vs shear rate plots for tapioca starch pastes with different amounts of added Glu

图1是25℃条件下，添加谷氨酸前后的木薯淀粉糊剪切应力与剪切速率的关系曲线图。可以看出，添加/未添加谷氨酸的淀粉样品曲线，均凸向剪切应力轴，具有假塑性流体的特征，所需的剪切应力随剪切速率的增加而增大。在同一剪切速率条件下，添加0.5%和1.0%谷氨酸的淀粉糊需要的剪切应力大于原淀粉，而添加1.5%和2.0%谷氨酸的淀粉糊需要的剪切应力小于原淀粉，这可能是由于：1)谷氨酸的两性离子(氨基阳离子和羧基阴离子)与淀粉分子羟基之间的相互作用；2)谷氨酸的非极性侧链与淀粉分子上羟基之间弱的相互作用造成的。

流变曲线都是经过原点且不同程度地凸向剪切应力轴的曲线，可以判断样品均属于非牛顿流体[6]。根据曲线的形状，可用幂定律来描述淀粉糊的静态流变性。

式中：τ为剪切应力/Pa；k为稠度系数/(Pa·sm)；γ为剪切速率/s-1；m为流态特征指数。

表1 添加/未添加谷氨酸的淀粉体系的幂律方程拟合参数Table 1 Power-law equation parameters for tapioca starch pastes with different amounts of added Glu

通过一元非线性回归，得出所有样品的k、m值及相关系数(R2)。由表1可知，采用幂定律描述样品的流变曲线时，相关系数在0.9902～0.9949之间；所有样品的m值都小于1，说明添加/未添加谷氨酸的木薯淀粉糊均为假塑性流体。与原淀粉相比，添加0.5%和1.0%谷氨酸的样品m值减小，体系假塑性增强；添加1.5%和2.0%谷氨酸的样品m值增大，体系假塑性减弱；由此可以推测在实验范围内，随着谷氨酸添加量的增加，淀粉糊的假塑性先增强后减弱，体系最终向趋于牛顿流体的方向发展。

2.1.2 谷氨酸对木薯淀粉糊触变性的影响

剪切速率逐渐增大至最大值后，再逐渐降至起点，观察该过程中剪切应力的变化，可以测定淀粉的触变性[7]。如果剪切应力的上行曲线与下行曲线间存在滞后，即有滞后圈产生，表明样品具有触变性。滞后圈的大小可以表示触变性的强弱，面积越大触变性越大，反之越小[6]。温度25℃时，添加/未添加谷氨酸的木薯淀粉糊的触变性如图2所示。

图2 添加/未添加谷氨酸的淀粉体系的触变性Fig.2 Thixotropic loops of tapioca starch pastes with different amounts of added Glu

由图2可知，所有样品的淀粉糊均具有触变性，表现出相似的顺时针滞后环状，在剪切速率增大方向上的剪切应力大于相应剪切速率减小方向上的剪切应力。淀粉的这种触变滞后现象是因为外部的剪切作用对体系内部整齐的网络结构有一定的破坏度，随着剪切速率的增加，破坏程度加大；当剪切速率逐渐降低时，短时间内结构的恢复速率不能完全跟随上其破坏速率，黏性变化曲线不能回复到原来曲线，因此形成滞后环出现触变性[8]。与原淀粉相比，添加0.5%和1.0%谷氨酸的淀粉糊触变性增大；添加1.5%和2.0%谷氨酸的淀粉糊触变性减小。加入0.5%和1.0%的谷氨酸后，体系假塑性增强，受到外力破坏后回复速率减慢，滞后环面积明显增大；当谷氨酸添加量继续增加到1.5%，滞后环面积又逐渐减小，可能是过多的离子存在，使得淀粉粒子间形成的结合状态受到破坏，体系向趋于牛顿流体的方向发展，在受到外力破坏时，能够快速恢复原有的结构。

2.1.3 谷氨酸对木薯淀粉糊剪切稳定性的影响

图3 添加/未添加谷氨酸的淀粉体系表观黏度与剪切速率的关系Fig.3 Apparent viscosity vs shear rate plots for tapioca starch pastes with different amounts of added Glu

由图3可知，在初始剪切速率增加的很小范围内，3个样品淀粉糊的表观黏度均急剧下降，而后随着剪切速率的继续增大，表观黏度缓慢降低逐渐趋于平缓，说明添加/未添加谷氨酸的木薯淀粉糊均属于剪切稀化体系[6]。在同样的剪切速率下，添加1.0%谷氨酸的淀粉糊表观黏度最大，添加2.0%谷氨酸的淀粉糊表观黏度最小；当剪切速率增加到一定程度时，所有样品淀粉糊的表观黏度都逐渐稳定，且在稳定段谷氨酸添加量不同的淀粉糊，表观黏度相差很小。这种剪切稀化现象是由于淀粉中分子链之间相互缠绕，阻碍了淀粉分子的自由流动；当受到剪切作用时，缠绕的分子链被拉直，流层间的剪切应力减小，从而使表观黏度下降。当剪切速率增大到某一数值后，淀粉分子来不及取向或已经充分取向，表观黏度就不再变化[6]。

2.2 谷氨酸对木薯淀粉糊动态黏弹性的影响

图4 添加/未添加谷氨酸的淀粉体系的动态模量图谱Fig.4 Dynamic viscoelastic moduli vs angular rate plots for tapioca starch pastes with different amounts of added Glu

动态黏弹性实验是研究半固态食品流变性最常用的测量方式[9]。在振荡频率0.01～10Hz范围内，对添加/未添加谷氨酸的木薯淀粉凝胶进行扫描，结果如图4所示。随着频率的增大，添加/未添加谷氨酸的淀粉糊的G＇和G＇＇都呈现出上升趋势，并且G＇始终大于G＇＇，Ikeda等[10]指出这是典型的弱凝胶特征，所以添加/未添加谷氨酸的木薯淀粉凝胶都是弱凝胶。与原淀粉凝胶相比，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，体系的G＇和G＇＇有所减小，并且二者之间的距离变小即凝胶性减弱[11]。

图5 添加/未添加谷氨酸的淀粉体系的损耗角正切tanθFig.5 Loss tanθ vs angular rate plots for tapioca starch pastes with different amounts of added Glu

图5显示出了不同谷氨酸含量淀粉凝胶的损耗角正切(tanθ＝G＇＇/G＇)，从tanθ值的变化可大致推测出体系中高聚物组成的变化[12]。可以看出，加入0.5%和1.0%谷氨酸后，混合体系的tanθ值略微低于原淀粉；而加入1.5%和2.0%谷氨酸，混合体系的tanθ值增大，即凝胶性减弱，这与图4的结论一致。根据流变学观点，tanθ增大说明淀粉凝胶的聚合度减小，凝胶性减弱，直链淀粉的聚集能力变弱[13]，因为淀粉凝胶的强度与直链淀粉的含量有关，直链淀粉含量高，越容易形成凝胶，凝胶是由淀粉内部分子之间相互以氢键作用形成，在液态条件下直链淀粉很容易彼此相互作用紧密，形成氢键而凝胶化[14]。由于直链淀粉可以看成是一种弱酸，谷氨酸吸附在直链淀粉表面，其两性离子头基与直链淀粉分子羟基相互作用形成部分氢键，大量谷氨酸的存在，破坏了直链淀粉分子之间原有的氢键，所以最终体系的凝胶性减弱，向趋于牛顿流体的行为发展，与2.1节所得结果相一致。

3 结 论

静态流变特性测定结果表明，在实验范围内，添加/未添加谷氨酸的淀粉糊均为假塑性流体且具有触变性；在0%～2.0%谷氨酸添加量范围内，假塑性和触变性均先增强后减弱；淀粉糊的表观黏度随剪切速率的升高而降低，具有剪切稀化现象。动态黏弹性测定结果表明，不同谷氨酸含量的木薯淀粉凝胶都是弱凝胶，在0%～2.0%谷氨酸添加量范围内，淀粉糊凝胶性先增强后减弱，趋向于牛顿流体的方向发展。

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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

国家自然科学基金项目(21004023)；广东省产学研结合项目(2009B090300272)；广东省科技攻关项目(2009B020312006)

卢静静(1987—)，女，硕士研究生，研究方向为碳水化合物化学与工程。E-mail：402740139@qq.com

*通信作者：罗志刚(1975—)，男，副教授，博士，研究方向为碳水化合物化学与工程。E-mail：zhgluo@scut.edu.cn