DSC简述及其在食品物性研究中的应用.doc

差示扫描量热法（DSC）在食品领域研究中的应用6150112145 朱家民摘要：本综述主要阐述了差示量热扫描法（DSC）在食品尤其是淀粉、蛋白质和油脂物性研究中的应用，另外还对DSC及差示量热扫描仪进行了简单的介绍。同时也对其发展前景做了相应展望。关键词：差示量热扫描法；食品物性1 差示量热扫描法简述1.1 差示量热扫描法简史差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry，以下简称DSC）是由E.S.Watson和M.J.ONeal在1962年发明的1。1964年第一台差示扫描量热仪问世，并在其后不断地发展改进。1.2DSC原理样品在发生相变、玻璃化转变和化学反应时，会吸收或释放热量。在程序控制温度下，通过测量对样品热量的补偿与参比物的差值同温度之间的关系，可以对样品的一些特性进行定性或定量分析。1.3 DSC特点相对于传统的DTA，DSC的灵敏度更高，同时不仅可以进行定性分析，还能够进行定量分析。1.4 DSC仪器及其使用1.4.1 DSC仪器DSC所使用的仪器称为差示扫描量热仪，其分为两种，分别是热流型和功率补偿型。热流型是在相同功率下，测定出样品与参考物的温差，然后转换成热量差。功率补偿型是通过测量所补偿的样品与参考物的热量差，从而使它们的温度保持相同。其中，功率补偿型差示量热扫描仪有两个控制回路，一为平均温度控制回路，另一为差示温度控制回路。DSC仪的主要性能指标主要包括量热精度、量热准度、温度精度、温度准度、温度范围、灵敏度和扫描频率2。1.4.2 DSC仪器的使用在使用差示量热扫描仪对食品物性进行研究时，一般使用的参考物为金属铟，一般使用的坩埚为铝坩埚。操作流程大致为：了解样品后，对样品进行处理，选取合适的坩埚。进行校正后，设定参数（气流速率、起始温度、终止温度、升温速率），最后进行测定。1.5 DSC曲线DSC曲线一般都以温度为横坐标，以焓变（热量变化）为纵坐标。峰面积代表焓变量。由于DSC曲线的峰面积与H之间的关系并非是一个恒定换算，且对温度有强依赖性，因而每一种样品都需构建一条校正曲线，以确定其关系。影响曲线的主要因素有：样品量、样品粒度、样品纯度、气氛、气流速率、升温速率。2 DSC在食品物性研究中的应用差示量热扫描仪在食品物性研究中的应用十分广泛，通过测定出峰位置、出峰数量、峰值、峰形、峰面积，可以分析食品组分的相转变温度、热稳定性、热焓、结晶温度、结晶度、熔点以及组分种类等等3。2.1 DSC在淀粉研究中的应用淀粉是食品中的天然高分子，不同来源的淀粉颗粒紧密程度、分子聚合度、直链淀粉与支链淀粉比例、支链淀粉分支度及排列方式的不同使得不同淀粉的热力学性质也有差异4。这些都在不同程度上影响了淀粉的糊化、老化和玻璃化相变过程中的焓变，而通过DSC可以测定To、Tp、Tc和H来描述它们的焓变的区别。目前的研究多以研究不同处理方式或不同结构、种类的直链对淀粉糊化、老化的影响。Nasreddine5等人将玉米淀粉经过伽马射线处理后，使用差示量热扫描仪对其糊化过程进行研究，发现经伽马射线处理后的淀粉的糊化温度在一定剂量范围内随着辐射剂量的增加而减少，而当剂量足够大（大于50kGy）时，吸收峰（糊化）出现在97的高温区。范大明6将大米淀粉经微波处理后，使用差示量热扫描仪对其糊化过程进行研究。通过DSC曲线发现，经微波处理后的大米淀粉在50就出现明显的吸热峰（与慢速加热处理显著不同），表明微波对糊化前淀粉的热稳定性的影响主要取决于微波的快速升温作用。朱帆7使用差示量热扫描仪对处理后的8种不同品种的小麦淀粉进行研究，测定了其糊化与回生过程中的焓变。通过对DSC所得到的结果与在实验中所测得的各品种小麦淀粉的直链淀粉含量进行分析，得出结论：直链淀粉的含量越高，糊化的热焓值越低，体系中结晶部分越少，不定形区越多；直链淀粉的含量越高，最大回生度越高，这也可以在一定程度上推论出直链淀粉可能为成核中心物质。郑铁松8在对莲子淀粉的研究中也使用了DSC，通过使用差示量热扫描仪对6种不同莲子的莲子淀粉的糊化与老化进行测定，通过分析DSC曲线得出了它们各自的糊化温度。同时莲子淀粉的冰融溶焓的数据也表明直链淀粉含量越高，老化时淀粉链中形成氢键的强结合析出的水分含量也就越高。Deniz Turan9在研究榛子粉脱脂乳（1：3）时使用了DSC，在对比生榛子粉脱脂乳与熟榛子粉脱脂乳的DSC曲线后发现，后者的峰（To=37.06Tc=70.69Tp=56.11）相对于前者（To=43.09Tc=73.33Tp=58.81）向低温移动，同时后者的峰也更加平滑，表明在榛子脱脂乳中，对榛子粉进行预处理（加热）有利于其稳定性。李光磊10等人使用差示量热扫描仪测定了玉米、小麦、马铃薯淀粉及其对应的抗性淀粉的焓变，发现原淀粉与抗性淀粉的DSC曲线有明显的差别。原淀粉的吸收峰在70左右，而相应的抗性淀粉却在150左右才出现吸收峰，说明了这三种抗性淀粉具有很高的热稳定性。余世峰11等人将玉米淀粉、绿豆淀粉和豌豆淀粉进行比较，使用差示量热扫描仪对糊化过程进行测定，发现绿豆淀粉的焓变值最大，其次是玉米淀粉，而豌豆淀粉最小。同时，他也对三种淀粉的分子结构进行了研究，发现绿豆淀粉的颗粒结晶度最高，玉米其次，豌豆淀粉的颗粒结晶度最小，从而推测出淀粉糊化熔点不仅与直链淀粉含量有关，而且与分子结构密切相关。2.2 DSC在蛋白质研究中的应用超过一定范围的温度变化会引起蛋白质构象的变化，而蛋白质的结构往往对食品的营养、风味、口感有很大影响。通过DSC能够检测出在蛋白质变性过程中其热焓的变化，从而研究以蛋白质为主要成分的食品受温度的影响情况。在利用DSC对蛋白质的研究中，其多用于测定在经过不同处理方式后或是在不同的蛋白质混合物中，其变性温度的改变。同时，也用于研究其他成分（水含量、脂质含量等）对蛋白质变性温度的影响。易继兵12等人使用差示量热扫描仪对狮子鱼鱼皮的胶原蛋白的热稳定性进行研究，发现其变性温度为34.1。而在蛋白质的热收缩曲线中，峰值出现在66.7，高于刀鱼、马哈鱼等，这也验证了狮子鱼鱼皮胶原蛋白中独特的三螺旋结构具有较高的热稳定性。类似地，赵红玉13等人以鹿骨胶原蛋白为样品，也用DSC法对其研究，测得鹿骨酸溶性胶原蛋白的收缩为55、鹿骨胃蛋白酶促溶性胶原蛋白的热收缩温度为58。张少兰14等人对大豆分离蛋白进行高静压处理，而后使用差示量热扫描法研究其热特性。经过实验发现，随着高静压时间的增加，其变性起始温度也提高，但温度仍未超过100。由此可以得出，高静压有利于大豆蛋白的热稳定性。ANDRE S COLOMBO15等人以不同浓度（5%、10%、15%、20%、30%、40%、50%、60%）的花生蛋白为样本，使用DSC仪研究其主要两种蛋白（花生球蛋白、伴花生球蛋白）的变性温度，同时还研究了脲、SDS、DTT对其影响。在所测得的DSC曲线中，随着浓度的上升，两个峰都逐渐向高温移动，说明随着水分的增加，花生蛋白的热稳定性下降。同理，根据出峰的位置，发现在低浓度时，随着脲浓度的增加，两种蛋白的热稳定性都得到提升；在低浓度时，随着SDS浓度的增加，伴花生球蛋白的稳定性下降，而花生球蛋白的变化不明显；随着DTT浓度的增加伴花生球蛋白的稳定性先上升后下降，而其会降低花生球蛋白的稳定性。陈韬16等人以处理好的杂交猪（淮南猪长白约克夏）新鲜冷却胴体胸腰结合处背最长肌（低汁液流失组与高汁液流失组）为样本，使用DSC仪对其进行研究。结果显示，两组的DSC曲线有显著差异，高汁液流失组的三个指标（To、Tp、H）均小于低汁液组，说明宰后24h高汁液流失率的猪肉的肌球蛋白和肌浆蛋白变性较大。田童童17等人以胡萝卜抗冻蛋白为研究对象，使用差示量热扫描仪按照降温-升温-降温的程序进行测定，结果表明胡萝卜抗冻蛋白的热滞活性为0.1左右。同时也发现，在一定范围（0.01-100mg/mL）内，随着样品质量浓度的增加，热滞活性也会增加；冰晶含量（10-90%）几乎不会对热滞活性造成影响。Damodaran18等人在测定7S球蛋白和11S球蛋白分别在NaCl、NaBr、NaSCN、NaClO4以及水溶液中的变性温度时，利用了DSC。结果表明，两种蛋白在NaCl溶液中的变性温度变化最大，分别增加了30（7S球蛋白）和33（11S球蛋白）。汪立君19等人使用差示量热扫描仪研究了豆浆中固形物含量对7S球蛋白和11S球蛋白变性温度的影响。通过分析DSC曲线得出结果，随固形物含量的增加，变性温度升高，但变化幅度较小。进一步对数据进行回归分析，得出7S球蛋白和11S球蛋白的变性温度与固形物含量呈正相关。2.3 DSC在脂质研究中的应用脂质的物理性质与温度密切相关，在相变过程中，伴随着十分显著的焓变。在脂质中，DSC的应用主要在三个方面：甘油三酯三种晶型的含量、不用处理方法或不同配比对油脂相变温度的影响、油脂的质量评价。同时，在对脂肪的研究中，DSC往往与其他方法（IR、XRD等）相互佐证。刘书成20使用差示量热扫描仪对金枪鱼鱼油进行研究，发现其To和Ts都相对较高，说明金枪鱼鱼油具有较高的氧化稳定性。而在分析DSC曲线的其他特性时，发现在最大峰前的曲线比较弯曲，且有一些小峰出现，表明鱼油中酰基甘油酯的脂肪酸组成比较复杂。在之后的气相色谱分析中，也印证了这点。在改进硬质糖果糖果专用油的过程中，肖尧21测定了四种原料油的DSC融化曲线，结合各甘三酯熔点可以推测，各原料油脂完全不同的DSC曲线反应了它们主要成分的差异。例如，24度棕榈油的主峰峰值在23.5，因而甘三酯种类主要为SOO，同理可知33度棕榈油主要为PLP和POP。而42度大豆氢化油和天然无水奶油的是一个比较平缓的吸收峰，说明其甘三酯的种类比较多。汤锋22等人为测定菊粉对油脂抗氧化性的影响，选用实验室提炼出的猪油作为样品，使用DSC仪分别测定空白组与加入了不同质量分数菊粉的猪油的焓变。出峰的位置由168.19提高到194.30，Tp从205.88提高到217.65，说明了菊粉对油脂的抗氧化性有一定的提升。陆健23等人使用DSC研究了酶法酯交换对一种混合油（猪油和棕榈硬脂）组成和性质的影响。他们将混合油先升温后降温到-20以使充分结晶，然后使用差示量热扫描仪升温至80并记录。对比酯交换前后的DSC曲线，发现酯交换后油脂的曲线更加复杂，吸收峰整体向低温方向移动，结合XRD得出结论：混合油经酯交换后结晶形态由型为主转变为型为主。谢贺24在研究棕榈硬脂和棕榈软脂的融化曲线和它们在不同冷却速率下的结晶曲线时，使用了DSC。通过分析DSC曲线，发现随着降温速度的增加，结晶峰向低温方向移动。林雯雯25等人使用差示量热扫描仪，以氢化棕榈仁油/可可脂（质量比9:1）混合体系为基油，研究卵磷脂及不同形态蔗糖（糖粉、结晶糖）对其融化结晶性质的影响。实验发现，是否添加卵磷脂对添加两种形态蔗糖的混合体系的DSC曲线形状影响不显著，但在卵磷脂存在的情况下，添加糖粉的混合体系熔点显著高于结晶糖混合体系。而对于同一种添加形态蔗糖的混合体系，添加卵磷脂能够使其结晶峰向低温平移（糖粉-2.81结晶糖-2.96）。Emma Chiavaro26等人以特级初压橄榄油和榛子油混合体系作为研究对象，发现随着榛子油比例的提高，Tp值逐渐降低（5%以上时），而结晶热焓显著增加（20%以上时）。同时，随着榛子油比例的提高（40%以上时），DSC曲线的峰形也有显著的变化，在-27的特征峰消失，而在-3.5处出现了一个新峰。由此可以通过差示量热扫描仪来测定特级初压橄榄油是否掺假榛子油，甚至可以测定出掺假比例。与之类似的，Mansor27等人以天然椰子油和猪油混合体系作为研究对象，同样使用DSC，对其加热过程进行分析。随着猪油比例的增加，混合油DSC曲线中的次峰逐渐平缓。而在冷却时，主峰的峰值逐渐增加，次峰的峰值逐渐减小。由此便可以通过对比天然椰子油的DSC曲线来鉴定是否掺有猪油。2.4 DSC在食品研究中的其他应用DSC在食品中其他领域例如水、糖也有较广泛的应用，其基本原理都是食品中的组分在发生理化变化时会发生焓变，即通过分析DSC曲线中峰的位置、峰的数量、峰的峰值、峰的宽度、峰的面积以及峰的形状来进行研究。刘欢28等人研究生物酶处理对胡萝卜渣纤维结构影响时使用了差示量热扫描仪。经过测定，发现经过生物酶（纤维素酶与木糖醇酶混合酶）处理后，胡萝卜渣纤维的结晶温度从86提升到95，熔融温度从122提升到189，但氧化温度从279降低到224。说明了其热稳定性下降，氧化分解所需的能量减少。结合SEM、XRD和IR的结果，证明了经生物酶处理后的胡萝卜渣纤维粒径急剧减小，末端碳和外露的反应活性基团显著增加。Hu29等人使用微型差示量热扫描法测定了5种不同脂肪含量的牛奶的比热容。这5种不同脂肪含量（0.1%、3.5%、15%、25%、35%）的牛奶的DSC曲线，除了25%与35%两条，其余各条都有显著的不同，同时也可以得出一定脂肪含量牛奶的比热容会随着温度的变化而变化。但是比热容与脂肪含量并非呈线性相关，与温度也并非成线性相关。 Elena Venir30等人在研究意大利Tarassaco蜂蜜在不同温度贮藏后其结晶含量时，使用了DSC，同时也测定了其融化温度。对DSC曲线的H进行积分后，得出了不同贮藏温度下的结晶度（50.695，100.755，150.861，200.815，250.593）。雷祖猛31等人在研究经盐酸胍变性后的溶菌酶吸附到PEG-600后的稳定性时，使用了DSC。从DSC 曲线看出，变性后Tp从31.2增加到35.1，说明变性后的溶菌酶热稳定性得到提升。实验也研究了盐浓度对变性后溶菌酶的热稳定性的影响，在保持蛋白浓度不变的情况下，随着硫酸铵浓度的增加（1.5mol/L、1.8mol/L、2.1mol/L、2.4mol/L），吸收峰逐渐向低温移动（42.73、41.87、36.30、35.33），这说明加入一定浓度的盐有利于提高变性溶菌酶的热稳定性，但随着盐浓度的增加，变性溶菌酶的热稳定性也随之下降。Jolanta Tomaszewska-Gras32在测定黄油中的水含量时使用了差示量热扫描仪，在对7种不同的黄油的不同水分含量的样本进行测定后，通过分析其升温与降温过程的DSC曲线，发现水分含量在一定范围（5%-35%）内时，水分含量与热焓有良好的线性关系（结晶R2=0.9677融化R2=0.9757）。周国燕33等人在研究不同退火温度对浓缩草莓汁玻璃化转变温度的影响时采用了DSC。通过对多条DSC曲线进行分析统计，发现在一定温度范围内（-75至-25）内，玻璃化转变温度先上升后下降（极值点为退火温度-49玻璃化转变温度54），并且在上升或下降过程中，退火温度和玻璃化温度都存在着很强的线性关系。M. Margarida Falcao-Rodrigues34等人在研究使用苹果在贮藏过程中使用一种可食用的保护膜（以海藻盐和白明胶为主要成分）后，其质构性质是否发生改变。在使用DSC仪测定其果皮、果肉、果核的升温焓变曲线后，发现其相对于未加该保护膜的DSC曲线确实有改变，但其中的机理有待于进一步探究。3 DSC在食品物性研究中应用的展望DSC虽然应用的范围较广，但其实质只是测定热焓的变化，并非直接测定一些物理量，而是通过分析热焓的变化去推测，致使其应用的深度受到了限制。从DSC使用以来，其技术不断进步，在温度范围上有了极大的拓展。尤其是近十年来，差示量热扫描仪也加入了压力等参数，或者增加变速升温等功能，使其能够研究的范围更加广泛。我认为，在食品物性的研究中，由于实际生产过程中设备的限制，继续提高差示量热扫描仪的温度精度的意义并不大；同时由于食品加工中物料的特点，扩大温度的扫描范围意义也并不大。应该着眼于开发出于差示量热扫描仪联用的设备，配合其他方法验证推论。并应该建立各种食品的“指纹图谱”，以为在检验产品中是否掺假提供参比依据。参考文献1李云飞，殷涌光，金万镐.食品物性学M. 北京：中国轻工出版社,2005:146.2胡荣祖，赵凤起，高红旭等.量热学基础与应用M.北京：科学出版社,2011:19.3胡芃，陈则韶.量热技术和热物性测定M.北京：中国科学技术大学出版社,2009:7.4许鑫,马永强,姚姗姗等.SEM DSC和RVA在豆类淀粉研究中应用J.农产品加工学刊,2010,(9):44-47.5Ben Bettaeb N, Jerbi MT, Ghorbel D. Gamma radiation influences pasting, thermal and structural properties of corn starchJ. 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