盧靜靜，羅志剛*

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東 廣州 510640)

谷氨酸對(duì)木薯淀粉糊流變性質(zhì)的影響

盧靜靜，羅志剛*

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東 廣州 510640)

采用哈克流變儀，研究谷氨酸對(duì)木薯淀粉糊流變性質(zhì)的影響。結(jié)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(qiáng)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(xiàn)象。添加/未添加谷氨酸的木薯淀粉糊都呈現(xiàn)弱凝膠行為，隨著谷氨酸添加量的增加，其儲(chǔ)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(fā)展。

木薯淀粉；谷氨酸；流變性質(zhì)

淀粉具有增稠、膠凝、黏合及價(jià)廉易得等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中，用以改善食品的質(zhì)地、風(fēng)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(zhì)的基本組成部分，在人類的營(yíng)養(yǎng)健康方面起重要作用，在食品中被用作營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)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(xué)者研究了水相條件下，氨基酸對(duì)淀粉糊性質(zhì)及熱性質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)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(xué)性質(zhì)對(duì)淀粉加工過程有重要的影響，關(guān)于氨基酸對(duì)淀粉糊流變性質(zhì)的影響國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)主要研究谷氨酸對(duì)木薯淀粉糊靜態(tài)及動(dòng)態(tài)流變學(xué)性質(zhì)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(guó)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(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、1.0%、1.5%、2.0%(以淀粉干基為基準(zhǔn)計(jì))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(tài)流變學(xué)性質(zhì)的測(cè)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(cè)樣品，板間距為1mm，剪切速率為0.01～300s-1，剪切時(shí)間120s，在室溫25℃條件下測(cè)定表觀黏度，剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化關(guān)系。

1.2.3 頻率掃描的測(cè)定

動(dòng)態(tài)黏彈性的測(cè)定仍采用哈克RS600流變儀的平板式裝置進(jìn)行。1%的應(yīng)變下(1%的應(yīng)變保證頻率掃描在線性范圍之內(nèi))，在0.01～10.0rad/s的范圍內(nèi)進(jìn)行頻率掃描，測(cè)得在25℃條件下，G＇(動(dòng)態(tài)彈性模量或儲(chǔ)能模量)、G＇＇(動(dòng)態(tài)黏性模量或耗能模量)和 tanθ(G＇＇/G＇)隨角頻率變化的圖譜。

2 結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)流變特性的測(cè)定結(jié)果與分析

2.1.1 谷氨酸對(duì)木薯淀粉糊靜態(tài)流變性的影響

圖1 添加/未添加谷氨酸的淀粉體系剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)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(yīng)力與剪切速率的關(guān)系曲線圖?？梢钥闯觯砑?未添加谷氨酸的淀粉樣品曲線，均凸向剪切應(yīng)力軸，具有假塑性流體的特征，所需的剪切應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(cè)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(jīng)過原點(diǎn)且不同程度地凸向剪切應(yīng)力軸的曲線，可以判斷樣品均屬于非牛頓流體[6]。根據(jù)曲線的形狀，可用冪定律來描述淀粉糊的靜態(tài)流變性。

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

表1 添加/未添加谷氨酸的淀粉體系的冪律方程擬合參數(shù)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(guān)系數(shù)(R2)。由表1可知，采用冪定律描述樣品的流變曲線時(shí)，相關(guān)系數(shù)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(qiáng)；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(cè)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著谷氨酸添加量的增加，淀粉糊的假塑性先增強(qiáng)后減弱，體系最終向趨于牛頓流體的方向發(fā)展。

2.1.2 谷氨酸對(duì)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(diǎn)，觀察該過程中剪切應(yīng)力的變化，可以測(cè)定淀粉的觸變性[7]。如果剪切應(yīng)力的上行曲線與下行曲線間存在滯后，即有滯后圈產(chǎn)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(qiáng)弱，面積越大觸變性越大，反之越小[6]。溫度25℃時(shí)，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(xiàn)出相似的順時(shí)針滯后環(huán)狀，在剪切速率增大方向上的剪切應(yīng)力大于相應(yīng)剪切速率減小方向上的剪切應(yīng)力。淀粉的這種觸變滯后現(xiàn)象是因?yàn)橥獠康募羟凶饔脤?duì)體系內(nèi)部整齊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有一定的破壞度，隨著剪切速率的增加，破壞程度加大；當(dāng)剪切速率逐漸降低時(shí)，短時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)的恢復(fù)速率不能完全跟隨上其破壞速率，黏性變化曲線不能回復(fù)到原來曲線，因此形成滯后環(huán)出現(xiàn)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(qiáng)，受到外力破壞后回復(fù)速率減慢，滯后環(huán)面積明顯增大；當(dāng)谷氨酸添加量繼續(xù)增加到1.5%，滯后環(huán)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(jié)合狀態(tài)受到破壞，體系向趨于牛頓流體的方向發(fā)展，在受到外力破壞時(shí)，能夠快速恢復(fù)原有的結(jié)構(gòu)。

2.1.3 谷氨酸對(duì)木薯淀粉糊剪切穩(wěn)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(guān)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(nèi)，3個(gè)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(xù)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(dāng)剪切速率增加到一定程度時(shí)，所有樣品淀粉糊的表觀黏度都逐漸穩(wěn)定，且在穩(wěn)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(xiàn)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(dòng)；當(dāng)受到剪切作用時(shí)，纏繞的分子鏈被拉直，流層間的剪切應(yīng)力減小，從而使表觀黏度下降。當(dāng)剪切速率增大到某一數(shù)值后，淀粉分子來不及取向或已經(jīng)充分取向，表觀黏度就不再變化[6]。

2.2 谷氨酸對(duì)木薯淀粉糊動(dòng)態(tài)黏彈性的影響

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

動(dòng)態(tài)黏彈性實(shí)驗(yàn)是研究半固態(tài)食品流變性最常用的測(cè)量方式[9]。在振蕩頻率0.01～10Hz范圍內(nèi)，對(duì)添加/未添加谷氨酸的木薯淀粉凝膠進(jìn)行掃描，結(jié)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(xiàn)出上升趨勢(shì)，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(cè)出體系中高聚物組成的變化[12]。可以看出，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(jié)論一致。根據(jù)流變學(xué)觀點(diǎn)，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?nèi)鮗13]，因?yàn)榈矸勰z的強(qiáng)度與直鏈淀粉的含量有關(guān)，直鏈淀粉含量高，越容易形成凝膠，凝膠是由淀粉內(nèi)部分子之間相互以氫鍵作用形成，在液態(tài)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(fā)展，與2.1節(jié)所得結(jié)果相一致。

3 結(jié) 論

靜態(tài)流變特性測(cè)定結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，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(nèi)，假塑性和觸變性均先增強(qiáng)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(xiàn)象。動(dòng)態(tài)黏彈性測(cè)定結(jié)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(nèi)，淀粉糊凝膠性先增強(qiáng)后減弱，趨向于牛頓流體的方向發(fā)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21004023)；廣東省產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目(2009B090300272)；廣東省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2009B020312006)

盧靜靜(1987—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)樘妓衔锘瘜W(xué)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?yàn)樘妓衔锘瘜W(xué)與工程。E-mail：zhgluo@scut.edu.cn