淀粉是自然界中一种常见的天然多糖，是人类饮食中碳水化合物的重要来源，也是食品工业生产中的重要原料[1]。玉米淀粉资源丰富、来源广泛且价格低廉，食品工业中需求量较大，约占淀粉总产量的80%[2]，但由于其黏度低、热稳定差和易老化等缺点，极大的限制了淀粉在工业中的应用[3]。通过物理或化学改性方法对淀粉进行改性，可以改善上述缺点，或增加新的功能，使其更适合实际应用的要求。
干热处理是将淀粉在含水量较低（＜20%）条件下进行高温处理（120～200 ℃）的一种物理改性方法，能够改变淀粉的理化性质[3]。与其他改性方法相比，干热处理操作简单、安全。近年来研究发现干热条件下淀粉与离子胶共混处理，能显著提高淀粉的黏度和稳定性，抑制其老化速度，从而改善食品的理化性质[4]。Li等[5]发现在干热条件下将黄原胶添加到蜡质玉米淀粉，能显著提高淀粉的热稳定性和剪切稳定性。Wang等[6]发现干热处理协同海藻酸钠能降低淀粉的糊化黏度和糊化温度，抑制淀粉的短期老化。Gul等[7]研究发现羧甲基纤维素钠和海藻酸钠协同干热处理对荸荠淀粉进行改性，能降低淀粉溶解度和糊化温度，提高了淀粉对水和油的结合力。
氨基酸是一种带有氨基和羧基的有机化合物，是蛋白质的基本结构单元，在人体营养和健康中发挥着重要作用。有些氨基酸不能在体内合成，只能通过饮食摄取。因此，氨基酸常作为营养补充剂广泛用于食品工业[8]。氨基酸作为小分子化合物，其氨基和羧基基团能与淀粉羟基基团发生相互作用，改变淀粉糊化性质及溶胀能力等[9]，抑制玉米淀粉的长期老化[1]。已有研究发现适量的赖氨酸与干热处理能降低淀粉糊化温度[10]，因此我们推测，氨基酸添加量和干热处理能改善玉米淀粉的加工特性。但氨基酸协同干热处理对玉米淀粉性质影响的报道较少。本课题组过去研究了干热处理温度和时间对玉米淀粉-氨基酸混合物的理化性质及消化性能的影响，发现130 ℃干热处理2 h的影响最显著[11]，但未研究氨基酸添加量对干热处理玉米淀粉-氨基酸混合物理化及消化特性的影响。
本文选择两种不同荷电特性的氨基酸，与玉米淀粉混合后进行干热处理，通过快速黏度分析仪、差示扫描量热仪、X射线衍射仪等，系统研究了氨基酸添加量对干热玉米淀粉-氨基酸混合的糊化特性、热特性、结构特性和消化特性的影响，以期为玉米淀粉改性提供一种的新方法，为制备低消化速率的玉米淀粉改性产品提供理论支持。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
赖氨酸（Lysine，Lys）和天冬氨酸（Aspartic acid，Asp）：北京索莱宝生物科技有限公司；玉米淀粉（CS，直链淀粉含量为 26.2%）：山东滨州金辉玉米开发有限公司；α-淀粉酶（1.3×104 U/g）和淀粉葡萄糖苷酶(1×105 U/g)：上海源叶生物科技有限公司；瓜尔胶、3,5-二硝基水杨酸、无水乙醇均为分析纯。
1.2 仪器与设备
4D型快速黏度分析仪（RVA）：澳大利亚Newport科学公司；DSC-1型差示扫描量热仪：瑞士Metter-Toledo国际公司；D8-ADVANCED X射线衍射仪：德国布鲁克AXS有限公司；DHG-070A型烘箱：上海精宏试验设备有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 样品制备
将Asp或Lys分散于50 mL蒸馏水，用磁力搅拌器充分搅拌10 min，制备0.5%、2%、4%和10%（w/w，淀粉干基计）的氨基酸溶液。将CS（干基）分散于Asp或Lys溶液中充分搅拌均匀，于40 ℃干燥至水分含量 10%左右。将淀粉-氨基酸混合物研磨成粉末，置于130 ℃干热处理（DHT）2 h后，研磨、过 100目筛。玉米淀粉-天冬氨酸和玉米淀粉-赖氨酸干热混合物分别用DCSA和DCSL表示，样品处理条件和样品名称如表1所示。
表1 淀粉样品的处理
Table 1 Treatments for dried cornstarch g
样品 淀粉 Asp Lys 样品 淀粉 Asp Lys DCSA0.5 49.75 0.25 - DCSL0.5 49.75 - 0.25 DCSA2 49.00 1.00 - DCSL2 49.00 - 1.00 DCSA4 48.00 2.00 - DCSL4 48.00 - 2.00 DCSA10 45.00 5.00 - DCSL10 45.00 - 5.00
1.3.2 糊化特性的测定
参照Wang等[6]的方法，采用快速黏度分析仪测定样品的糊化特性，准确称取3 g淀粉样品（干基）和25 mL蒸馏水于铝罐中，搅拌混匀后，置于样品台上进行测定。测试程序如下：首先以960 r/min搅拌10 s，然后降至160 r/min并保持至实验结束；初始温度50 ℃保持1 min，以12 ℃/min加热至95 ℃，并保持 2.5 min，再以 12 ℃/min冷却至50 ℃并保持2 min。记录样品的糊化温度（PT）、峰值黏度（PV）、衰减值（BD）和回生值（SB）。
1.3.3 热特性的测定
用差示扫描量热仪（DSC）分析样品的热特性。首先，DSC用铟进行校准。然后准确称取3 mg淀粉样品（干基）与9 μL去离子水，置于铝坩埚中，压盖密封后在25 ℃下平衡水分12 h，放入DSC进行测定，空白铝坩埚作为对照。氮气流量50 mL/min，升温速率 10 ℃/min，温度范围 30～115 ℃，记录升温过程中样品的热力学参数To（糊化起始温度）、Tp（糊化峰值温度）、Tc（糊化终止温度）和ΔH（糊化焓值）。
1.3.4 X射线衍射的测定
参照 Jiang等[11]方法，样品在 25 ℃、相对湿度100%的环境中平衡24 h。用X射线衍射仪对样品的晶体结构进行分析，扫描速度 0.1°/s，扫描区域4～40°，目标电压和电流分别为40 kV和40 mA，记录X射线衍射图谱，并用Jade 5.0计算样品的相对结晶度（RC）。RC值为结晶峰的积分面积占总积分面积的百分比。
1.3.5 消化特性的测定
参考 Englyst等[12]的方法，准确称取 200 mg淀粉样品和6.25 mg瓜尔胶，分散于5 mL磷酸缓冲溶液（0.2 mol/L，pH 5.2），并涡旋5 min，加入5个直径为5 mm的玻璃球，于37 ℃水浴保温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 ℃振荡水浴（160 r/min）反应，分别于20 min和120 min时，取出 1 mL的水解液，快速加入 9 mL乙醇（66%，v/v）混合进行灭酶，4 500 r/min离心10 min后，采用3,5-二硝基水杨酸法测定上清液中葡萄糖含量。样品中快速消化淀粉（RDS）、慢消化淀粉（RDS）和抗消化淀粉（RS）的质量分数按下述公式计算：
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后释放的葡萄糖含量（mg）；
G120-酶解120 min后释放的葡萄糖含量（mg）；
TS-酶水解处理前淀粉中游离的葡萄糖含量（mg）；
0.9-葡萄糖转化为无水葡萄糖的摩尔质量。
1.4 数据分析
所有样品至少平行测试 3次，取平均值。用SPSS 20.0分析软件中 Duncan’s多重比较法（P＜0.05）进行多组样本间差异显著性分析，用Origin 9.0进行相关图表的绘制。
2 结果与分析
2.1 糊化特性分析
如表2所示，Asp和Lys添加量对干热处理淀粉的PT影响规律不同。随着Asp添加量的增多，干热淀粉的PT呈先升高而后降低的趋势，Asp添加量为4%时，PT达到最大值，为74.0 ℃。而随着Lys添加量的增多，淀粉的PT呈升高趋势，Lys添加量为10%时，PT达到最值，为75 ℃。随着氨基酸添加量的增加，DCSA和DCSL的PV均降低。与添加 0.5%氨基酸的干热淀粉相比，DCSA10和DCSL10的PV分别降低了878 cP和1 141 cP。
表2 干热玉米淀粉-氨基酸混合物的糊化特性
Table 2 Pasting parameters of dried cornstarch-amino acid mixtures
注：同列数据，小写字母不同表示差异显著（P＜0.05），相同表示差异不显著（P＞0.05）。
Note: Different lower case letters in the same column indicated the mean values were significantly different (P＜0.05).Same lower case in the same column indicated the mean values were insignificantly different (P＞0.05).
样品 PT/℃ PV/cP BD/cP SB/cP 样品 PT/℃ PV/cP BD/cP SB/cP DCSA0.5 73.1±0.0b 3 036±1a 2 013±3a 548±21a DCSL0.5 73.8±0.1b 4 836±20a 2 437±5c 1 923±12ab DCSA2 73.2±0.1b 2 758±29b 1 927±44a 436±25b DCSL2 74.1±0.2b 4 491±15b 2 532±43a 1 846±21c DCSA4 74.0±0.0a 2 633±25c 1 759±30b 422±5b DCSL4 74.3±0.6ab 4 246±42c 2 480±52bc 1 872±46bc DCSA10 73.1±0.5b 2 158±23d 1 512±62c 329±16c DCSL10 75.0±0.3a 3 695±1d 2 175±8d 1 581±22d
壳聚糖是带有氨基的阳离子多糖，而阿拉伯胶是酸性多糖，有研究发现这两种多糖影响淀粉的理化性质。Zhou等[13]研究发现随着阿拉伯胶比例的增加，湿热处理玉米淀粉的PV呈降低趋势。这可能是干热处理能破坏玉米淀粉分子间的氢键，促进氨基酸分子上的氨基和羧基与淀粉分子的羰基和羟基发生相互作用，抑制了淀粉与水分子的相互作用，阻止了淀粉颗粒的溶胀和糊化，使PT升高[5]。Asp分子含有两个羧基，呈弱酸性，Asp添加量较高时，可能引起干热过程中淀粉分子酸水解，导致淀粉的PT和PV降低[14-15]。此外，Lys和Asp中含有大量亲水基团，与水之间存在强的氢键作用，抑制淀粉的吸水溶胀，导致PV降低[9,15]。
随着Asp添加量的增多，淀粉的BD值降低，Asp添加量为10%时，DCSA10的BD值最低，为1 512 cP，表明添加Asp能提高淀粉糊的热稳定性和剪切稳定性。当Lys添加量＜4%时，随着Lys添加量的提高，淀粉的BD值没有显著变化；而当Lys添加量＞4%时，随着Lys添加量的提高，淀粉的BD值显著降低，表明提高Lys的添加量能提高淀粉糊对热和剪切的稳定性。Ito等[16]发现随着 Lys添加量的增多，马铃薯淀粉的BD值呈降低的趋势。BD降低可能是干热处理破坏了玉米淀粉分子间的氢键，促进氨基酸分子上的氨基和羧基与淀粉发生酯化反应和美拉德反应，从而提高了淀粉的稳定性[4-5]。
随着Asp和Lys添加量的增加，淀粉的SB值呈降低趋势，说明提高Asp和Lys添加量，能抑制干热淀粉的短期老化。这可能是干热过程中，氨基酸的羧基和淀粉的羟基之间形成酯键，阻碍了淀粉分子间氢键的形成，使淀粉的SB值降低[14]。
2.2 热特性分析
To和 Tc表示淀粉中最不稳定结晶和最稳定结晶的熔融温度，Tp表示淀粉中大部分结晶熔融的温度[17]。如表3所示，随Asp添加量的增多，当Asp的添加量低于4%时，淀粉糊的To、Tp、Tc呈升高趋势；而Asp添加量高于4%时，淀粉糊的To、Tp、Tc没有差别。当Asp添加量为4%，DCSA的To、Tp、Tc达到最大值，分别为64.10 ℃、69.48 ℃、74.96 ℃，但当Asp添加量达到10%时，干热淀粉的 To、Tp、Tc有略微降低，表明提高 Asp添加量能提高干热玉米淀粉的稳定性，但Asp添加量过高则导致干热玉米淀粉的稳定性降低。随着Lys添加量的增多，淀粉糊的To、Tp、Tc逐渐升高，当Lys添加量为10%时，DCSL的To、Tp、Tc达到最大，分别为 66.50 ℃、72.50 ℃、77.88 ℃，说明提高Lys添加量能提高干热处理玉米淀粉的结晶稳定性，延缓了干热淀粉的糊化。
表3 干热玉米淀粉-氨基酸混合物的热特性参数
Table 3 Thermal properties parameters of dried cornstarch-amino acid mixtures
注：同列数据，小写字母不同表示差异显著（P＜0.05），相同表示差异不显著（P＞0.05）。
Note: Different lower case letters in the same column indicated the mean values were significantly different (P＜0.05).Same lower case in the same column indicated the mean values were insignificantly different (P＞0.05).
样品 To/℃ Tp/℃ Tc/℃ ΔH/(J/g) 样品 To/℃ Tp/℃ Tc/℃ ΔH/(J/g)DCSA0.5 62.79±0.46b 68.28±0.45c 73.79±0.69b 11.02±0.97a DCSL0.5 64.38±0.07c 69.69±0.09c 74.89±0.34c 11.35±0.14a DCSA2 63.13±0.18b 68.68±0.14b 73.90±0.39b 9.19±0.08b DCSL2 64.74±0.11bc 70.23±0.01bc 75.58±0.06b 11.56±0.24a DCSA4 64.10±0.50a 69.48±0.51a 74.96±0.74a 9.20±0.02b DCSL4 65.16±0.18b 70.76±0.03b 75.91±0.17b 11.42±0.22a DCSA10 63.84±0.01a 69.11±0.13ab 74.61±0.01a 8.66±0.15c DCSL10 66.50±0.47a 72.50±0.60a 77.88±0.83a 11.42±0.14a
Li等[18]发现随着 HCl浓度的增加，湿热处理百合淀粉的 To、Tp、Tc升高。Ji等[19]发现 Lys和Asp均能提高湿热玉米淀粉的 To、Tp、Tc。Chen等[9]发现Lys和Asp均能提高马铃薯淀粉的To、Tp、Tc。这可能是氨基酸添加量的增多，能促进干热过程中氨基酸与淀粉分子的交联，增强淀粉分子之间的静电相互作用，提高To、Tp、Tc[9]。而Asp为酸性氨基酸，当 Asp添加量较高时（10%），干热处理过程中能优先攻击淀粉颗粒的无定型区域，导致To、Tp、Tc 降低[9]。
随着Asp添加量的增多，淀粉糊的ΔH降低；而随着Lys添加量的增多，干热淀粉的ΔH没有明显变化。Zhou等[13]发现随着瓜尔豆胶质量分数的增加，湿热处理的玉米淀粉的ΔH呈降低的趋势。ΔH降低可能是弱酸性Asp的存在，能促进干热处理对淀粉结晶区的破坏，也能攻击淀粉颗粒的无定形区[15]，降低淀粉颗粒无定形区的有序度，降低淀粉熔融所需要的能量[9-10,15]。
2.3 X射线衍射图谱分析
由图1可知，DCSA和 DCSL在 2θ为 15°和23°处有强峰，在 17°和 18°处有双峰，20°左右存在微弱的衍射峰，呈A型结晶结构特征。20°的小峰可能是直链淀粉-内源性脂质复合物的衍射峰[20]。随着Lys添加量的增多，淀粉糊的X衍射峰位置未发生变化，说明增加Lys的添加量对DCSL的结晶结构类型没有影响；而随着 Asp添加量的增多，DCSA型结晶结构类型没有改变，但 DCSA2、DCSA4和DCSA10在2θ为11.7°和23.7°出现新峰，新峰的产生可能与外源Asp晶体的存在有关[19]。Ji等[10]发现CS-Lys干热复合物的晶型与天然玉米淀粉相似，呈现典型的A型结晶结构。Ji等[19]还发现添加 Asp后的玉米淀粉在 2θ为 11.7°和 23.7°出现新峰，而Lys的添加没有改变玉米淀粉的衍射峰位置，也没有出现新的衍射峰。
图1 干热玉米淀粉-氨基酸混合物的X射线衍射图谱及相对结晶度
Fig.1 X-ray diffraction patterns and relatively crystallinity of dried cornstarch-amino acid mixtures
A：干热玉米淀粉-天冬氨酸混合物；B：干热玉米淀粉-赖氨酸混合物
A): dried cornstarch-aspartic acid mixtures; B): dried cornstarch-lysine mixtures
如图1所示，DCSA和DCSL的RC值随氨基酸添加量的增加而升高。DCSA10和 DCSL10的RC值分别为29.0%和25.7%，比对应的DCSA0.5和DCSL0.5的RC值升高8.7%和6.1%。Liang等[21]发现Asp协同热湿处理能显著提高玉米淀粉的RC值。González等[20]发现干热处理能显著提高小麦淀粉的RC值。Primo-Martín等[22]也发现小麦淀粉经过焙烤处理后，其RC值提高了一倍。这可能是干热处理过程中，热能和低水分促使淀粉颗粒内部的晶体排列更紧密、有序[14]。
2.4 消化性质分析
由表 4可知，随着氨基酸添加量的增多，DCSA和 DCSL的 RDS含量逐渐降低，如DCSA10和DCSL10的RDS比DCSA0.5和DCSL0.5分别低12.3%和4.3%。随着氨基酸添加量的增多，DCSA和DCSL的RS含量逐渐升高，如DCSA10和DCSL10的RS比DCSA0.5和DCSL0.5的RS分别高9.2%和3.5%。当氨基酸添加量低于2%时，DCSA和DCSL的SDS均随氨基酸添加量的增多而升高。当氨基酸添加量为2%，DCSA的SDS含量为27.14%，比DCSA0.5的SDS值高2.65%，DCSL的SDS含量为32.83%，比DCSL0.5的SDS值高1.21%；而当氨基酸添加量高于 2%时，提高氨基酸添加量对 DCSA和DCSL中的SDS没有显著影响。说明干热处理过程中，氨基酸添加量增多促进了SDS和RS的形成。氨基酸添加量的增加能抑制干热淀粉的快速消化，抑制血糖的快速升高。
表4 干热玉米淀粉-氨基酸RDS、SDS和RS的含量
Table 4 Contents of RDS, SDS and RS in dried cornstarch-amino acid mixtures %
注：同列数据，小写字母不同表示差异显著（P＜0.05），相同表示差异不显著（P＞0.05）。
Note: Different lower case letters in the same column indicated the mean values were significantly different (P＜0.05).Same lower case in the same column indicated the mean values were insignificantly different (P＞0.05).
样品 RDS SDS RS 样品 RDS SDS RS DCSA0.5 41.61±0.41a 24.49±0.33b 33.90±0.08c DCSL0.5 41.56±0.49a 31.62±0.33b 26.82±0.16b DCSA2 32.59±0.16b 27.14±0.00a 40.28±0.16b DCSL2 40.35±0.08b 32.83±0.08a 26.82±0.16b DCSA4 32.01±0.16b 27.31±0.41a 40.68±0.57b DCSL4 40.00±0.08b 32.89±0.16a 27.11±0.24b DCSA10 29.31±0.08c 27.60±0.16a 43.09±0.24a DCSL10 37.24±0.08c 32.43±0.16ab 30.33±0.08a
Ji等[19]发现 Asp和 Lys能降低湿热玉米淀粉RDS值，提高湿热玉米淀粉的SDS值和RS值。Zhou等[13]发现随着黄原胶/瓜尔胶比例的增加，湿热处理淀粉的RDS呈降低的趋势，SDS和RS呈升高的趋势。Chen等[23]发现随着塔拉胶添加量的增加，湿热淀粉的RDS呈降低的趋势，SDS和RD呈升高的趋势。本文中RDS降低、SDS和RS值升高可能是在干热过程中玉米淀粉分子的羟基与氨基酸的羧基之间发生酯化反应，同时分子链发生重排，形成了较强的空间位阻，抑制了酶对淀粉的水解[19]。
3 结论
氨基酸的添加量对干热玉米淀粉-氨基酸混合物的理化性质和消化性质有显著影响。提高天冬氨酸或赖氨酸添加量能降低淀粉糊的峰值黏度、回生值和糊化焓值。这可能是干热处理过程中氨基酸的羧基和淀粉的羟基之间形成酯键，阻碍淀粉分子间氢键的形成，从而抑制淀粉的短期老化。提高氨基酸添加量能促进淀粉糊的相对结晶度和抗性淀粉含量增加，降低淀粉的消化能力，但不改变干热淀粉的结晶类型，这可能与氨基酸存在时干热淀粉内部的晶体排列更紧密、有序有关。
提高天冬氨酸（Asp）添加量，玉米淀粉的糊化温度（PT）呈先升高而后降低的趋势；提高赖氨酸（Lys）添加量，玉米淀粉的PT显著升高。高添加量Asp和Lys（～10%）均能显著提高淀粉糊的热稳定性和剪切稳定性。实验结果表明氨基酸辅助干热处理可为制备慢消化淀粉提供理论依据。
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备注：本文的彩色图表可从本刊官网（http//lyspkj.ijournal.cn）、中国知网、万方、维普、超星等数据库下载获取。