淀粉化学与工艺学

1、 DSC在淀粉糊化、回生过程和结构分析中的应用本文分析了采用差示扫描量热（DSC）技术研究淀粉的玻璃化转变温度及其影响因素；综述了近几年国外学者采用DSC技术研究低压、高压对淀粉糊化的影响以及恒温、循环储藏温度在淀粉回生过程中的不同作用。资料表明，DSC技术可以很好地应用于淀粉物态性质的分析研究，可以有效的用于比较研究同种条件下、不同程度因素对淀粉多方面性质的影响。Application of DSC in the Analysis of gelatinization、retrogradation and fractions of starchAbstract： The paper analy

2、zes the glass transition temperature and its influencing factors of starch using differential scanning calorimetry (DSC) technology; through leaning the conclusion of foreign authors recent studies focusing on starch gelatinization under pressure studied by high pressure DSC and retrogradation of wa

3、xy and normal corn starch gels by temperature cycling in the process of starch retrogradation. The results indicate that the DSC technology can be well applied to the analysis of the nature state of the starch and it is a good method for the comparative study on many properties of starch under the s

4、ame conditions, the varying degrees of factors.1. 前言淀粉是人类的主食，一般淀粉颗粒由直链淀粉和支链淀粉组成，为半晶体结构。了解淀粉的结构、性能和加工特性对于淀粉类食品、药品和功能性食品的发展十分重要1。淀粉结构中延伸出去的支链淀粉的链段为晶体区域，而直链淀粉呈现线性的链段，并随机的以无定形态分布在支链淀粉链段之间1。由于淀粉的糊化和回生性质影响淀粉产品的货架期和消费者的接受程度，因此人们对淀粉的研究比较深入和广泛，已有许多食品专家对淀粉的回生速率和程度进行了大量的研究2，此外人们还对淀粉颗粒中非晶态物质的含量进行了一些研究。糊化和老化是淀粉的

5、重要特性之一。淀粉的糊化包括淀粉颗粒胀大，晶体熔融，淀粉糊变得黏稠，透明度增加等一系列过程。淀粉的老化是指存放过程中淀粉糊发生凝聚和产生胶体网络结构等现象。淀粉的糊化特性和老化特性都会影响到淀粉质食品的加工和食用品质。淀粉质食品储藏过程中的老化可能导致食品硬度的增大及其特征风味的消失，并可能产生一种特殊的老化臭味，降低食品营养价值和感官品质。有研究者认为，糖酯同时具有亲水和亲油基团，可进入淀粉颗粒的螺旋体结构中，与直链淀粉结合形成稳定的络合物，抑制淀粉分子的结晶，延缓淀粉的老化。目前，研究淀粉糊化和老化特性的主要方法有用偏光显微镜、黏度仪、差示量热扫描仪、X一衍射仪、核磁共振光谱等。因为DSC

6、具有灵敏度与准确度较高，可在宽广的温度范围内对样品进行研究、可使用各种温度程序、所需样品量很少、可与其他技术联用并获取多种信息的优点被广泛应用于蛋白质、脂肪、水分含量测定等方面研究。淀粉的特殊结构和热力学性质决定了使用DSC对其进行物态分析研究可靠性。2. DSC的原理与应用DSC( Differential Scanning Calorimetry)即差示扫描量热法，是在程序控温下，测量输给样品和参考物的热量差与温度关系的一种技术。DSC可用于测量包括高分子材料在内的固体、液体材料的熔点、沸点、玻璃化转变、比热、结晶温度、结晶度、纯度、反应温度、反应热。DSC包括两种类型：功率补偿型和热流式

7、。其中功率补偿型是在样品和参考物始终保持相同温度的条件下，测定为满足此条件样品和参考物两端所需的能量差，并直接作为信号Q（热量差）输出；热流式是在给予样品和参考物相同的功率下，测定样品和参考物两端的温差T，然后根据热流方程，将T（温差）换算成Q（热量差）作为信号的输出。DSC热分析技术是通过对试样因热效应而发生的能量变化进行及时补偿，保持试样与参比物之间温度始终保持相同，无温差、无热传递，使热损失小，检测信号大，灵敏度和精度大有提高，可进行定量分析。DSC热分析技术在食品中的应用，使对食品的某些成分的性质的研究更加方便、快捷，并指导食品加工过程。DSC技术已经广泛的应用于淀粉糊化和回生的热力学

8、的变化的研究。DSC中淀粉融化吸热的热焓，和晶体结构融化的温度一样，反应了淀粉结晶的程度，因此，融化热焓通常与淀粉中晶体的含量相关。DSC得到的热分析图中起始温度To代表了最不稳定的淀粉晶体的融化温度，峰值温度Tp代表绝大多数淀粉晶体的融化温度，终了温度Tc代表最完整的晶体融化温度1。本研究主要针对近五年前人将DSC应用于淀粉物态性质（淀粉湖糊化、淀粉的回生以及淀粉中非晶物质的含量）研究的情况进行了研究总结。3 利用DSC对淀粉物态性质的研究3.1 利用DSC研究淀粉的玻璃化转变温度淀粉的玻璃化转变温度（Tg）是淀粉类产品的临界热性质之一。为了更好的理解淀粉的糊化过程，利用热分析技术DSC测定

9、蜡质玉米淀粉的玻璃态转变温度，目的是要测定位于晶体和无定型之间的硬无定型2部分，该部分非晶体但包含无定型部分，它的流动性受到附近的晶体结构阻碍。因此将这不流动的部分记为RAF(rigid amorphous fraction），流动的部分记为MAF(mobile amorphous fraction）。一般测定过程是以一定的速率降温至某一温度，然后再以一定的速率升温到某一温度并恒温一段时间，然后再以一定的速率升温至实验温度的上限。这样一来就能比较清楚地测到蜡质玉米淀粉的玻璃态转变温度，在这里恒温一段时间是退火处理，有时候不经退火处理时，热分析曲线上很难判定出物质的玻璃态转变温度，经过退火处理之

10、后，使物质分子的自由体积收缩得较完全，因此分子组织排列就非常紧密，自由体积几乎为零。当温度再次升高时，自由体积的变化就比较大，热容的变化就较大，因此玻璃态的转变温度就较容易地从DSC热分析图上得到。通常使用量热的方法测定RAF和MAF的含量。但关于淀粉塑化体系的量热数据并不多，Sami Bulut和Christoph Schick2使用一个高灵敏度温度调制式差扫描量热仪来测得淀粉、丙三醇、水体系的热容量和热焓改变。通过测定玻璃化转变温度了解淀粉分子在糊化过程的流动性并探讨蜡质玉米淀粉硬无定形部分的存在。为此，让带有过量甘油的蜡质玉米淀粉以准等温模式处于不同温度下（糊化温度的范围内），然后测定其

11、热含量变化，时间为15小时至10天。图1 TMDSC测定带有甘油的蜡质玉米淀粉在20-140总热含量Cp total和基线热含量Cp变化图1显示带有甘油的蜡质玉米淀粉在20-140温度调制式扫描测定的总热含量Cp total和基线热含量Cp reversing的变化。在45出现一个放热峰，在50总热含量因放热反应迅速增大，表明MAF部分此时发生了玻璃化转变。然而在在105同样显示总热含量的迅速增加表明了存在两个玻璃化转变阶段，第二阶段玻璃化转变在105，此时说明晶体和RAF部分随着晶体的融化开始慢慢移动。通过测定MAF部分的热含量和晶体部分的热含量不等于Cp total，由此可以说明在晶体结构

12、与无定型结构之间还存在一种中间态存在。 然而，通过DSC的方法测量玻璃化转变温度是困难的，因为热流容量上的信号通常是弱于传统的聚合物。例如，聚丙烯的熔融热为约80 kcal/g，而测得的淀粉糊化的能量只有约0.95cal/g。此外，淀粉在加热过程中多个相的转变和其中水分的不稳定性（比如蒸发）使得用DSC的方法研究淀粉材料的热性能变得困难。淀粉中所含的水分在加热过程中的蒸发导致的不稳定性也是动态力学分析（DMA）不适合用于研究的淀粉玻璃化转变温度的原因。许多以前已经尝试使用DSC研究淀粉及其制品的玻璃化转变温度，结果有着显著的差异，Zeleznak和Hoseney3研究在30-90、含水量为13

13、-18.9的条件下小麦淀粉的Tg值，并推测在含水量超过20的Tg值将低于室温。 Stepto和Tomka研究表明：含15- 20的水分挤压马铃薯淀粉条件下有一个Tg值约为25。Peng Liu,Long Yu等使用Hyper-DSC，在水分含量为13.5、11.6%、8.7%条件下测定天然玉米淀粉（黄龙食品工业有限公司）的玻璃化转变温度来测定水分含量对转变温度的影响。图2 玉米淀粉含水量13.3%，加热速率为50,80,100,120,140,160, 180,200,and 250/min 图3 玉米淀粉含水量11.6%，加热速率为50,80,100,120,140,160, 180,200

14、,and 250/min图4 玉米淀粉含水量8.7%，加热速率为50,80,100,120,140,160, 180,200,and 250/min 图2-4表示不同加热速率条件下不同水分含量糊化玉米淀粉的DSC热分析图。可以看出当加热速率低于50/min时阶跃变化没有被检测到，说明很难测到玻璃化转变温度值；提高所有的样品升温速率，阶跃变化也更显著提高，玻璃化转变的跳跃点也随之升高；由三个图对照分析可以得到，随着水分含量的减小，玻璃化转变温度将升高。综上所述，Sami Bulut和Christoph Schick使用了高灵敏度温度调制式差扫描量热来测定蜡质玉米淀粉的玻璃化转变温度，从而判定其硬

15、无定型结构的存在。Peng Liu,Long Yu等使用Hyper-DSC测定玉米淀粉的玻璃化转变温度来研究水分含量对其玻璃化转变温度的影响，表明水分含量减小将增大它的玻璃化转变温度。双方都是通过对DSC进行特定功能强化，在灵敏度和加热速率方面改进使得结果更加精准和科学。3.2 利用DSC研究高压促进淀粉糊化的过程传统的淀粉糊化的定义是一个大气压下，淀粉与水混合后，淀粉颗粒就会吸水膨胀，同时对其加热时，淀粉分子开始剧烈震动，淀粉分子内和分子问氢键就被打断，因此在原来氢键位置上就吸入大量水(水化作用)，淀粉结晶区开始慢慢消失，直到结晶区域完全消失，此时温度为糊化温度。Sullivan ,John

16、son等4已经研究得出淀粉糊化是一个不可逆的过程，导致淀粉膨胀，天然晶体结构熔融，双折射性质和溶解性消失。已有大量的文献报道高压淀粉糊化的效果，并采用SEM（扫描电子显微镜）、X射线衍射等技术观察到了高压下淀粉糊化后的颗粒形态的变化1，但是很少有人对高压淀粉糊化过程进行同步观察，由于淀粉糊化过程代表淀粉分子从有序状态到无序状态转变，同时也伴随着能量变化，因此可利用DSC进行测量。Wenhao Li5等使用DSC(DSC-Q20；TA, New Castle，USA)测定了充足水分含量下高压对大米淀粉糊化性质的影响。使用铟和蓝宝石分别对DSC和温度、热容量进行校准，将淀粉（3毫克，以干基计）和1

17、2微升的蒸馏水加入铝盘中，密封并静置1小时，在室温下使水充分分布。扫描温度和升温速率为30-120、10/分钟。使用空盘作为测量参考，测量同时进行3次，测定时压力依次120，240，360,480,600MPa结果见表1。 从表1可以分析出，随着压力的增大，大米淀粉的糊化焓逐渐降低，所需糊化温度越低。这是由于压力作用破坏了淀粉结晶区结构，同时高压对氢键的断裂有影响，压力在处理大米淀粉时, 液体介质在高压下体积被压缩后便遵循Le chatelier法则，物系平衡向解除压力的方向移动, 于是淀粉团粒在静水压下呈体积减小的趋势。所以，高压处理淀粉，可以认为是增大了水分子和淀粉分子间的势能，从而促使淀

18、粉分子间氢键断裂及水分子与淀粉分子间形成氢健而破坏淀粉的微晶结构，导致吸收高压势能使淀粉糊化。高压使大米淀粉糊化和热加工使玉米淀粉糊化的区别在于使淀粉分子氢键断裂的能量形式不同，前者是压力能即势能，后者是热能即动能，但糊化的结果是相同的。Katherine Dean，George Simon等4采用高压DSC技术，研究高压和加热相结合使蜡质玉米淀粉糊化的过程，通过DSC热分析图得到淀粉的糊化压力，热焓的变化以及对应的温度。试验中采用Mettler Toledo生产的HP-CSD827e。此高压示差扫描量热技术器允许的压力变化范围0.1-10MPa，在加压过程中利用内置的特殊冷却剂，确保温度稳定

19、。用铟的熔点和热焓作为温度和热的标准。图5-经DSC测得含有充足水分的蜡质玉米淀粉在高压下压力大小与糊化热焓和温度的变化关系图5为DSC热分析曲线，可以观察到随着压力的增加淀粉糊化峰转移到较高的温度处，并且变得比较缓和。并且还可以看出压力对含有充足水分的蜡质玉米淀粉糊化的起始温度，峰值温度和终了温度的影响，给出了热焓的的变化H。从图中可以看出糊化的热焓变化随着压力升高而减小，热焓值起初下降较慢，随着压力进一步升高，热焓值下降较快。另外，起始温度To和峰值温度Tp随着压力的增加有所增加，而终了温度Tc温度变化不明显。因此，可以得出某些具有较弱结构的淀粉在进行压力处理时，可能会受到破坏，但是有较牢

20、固结构的淀粉，其结构不会受到破坏，而比较稳定。究其原因可能是，在相对较低得压力下，只能一段一段的分解螺旋，而不能使双螺旋结构变成螺旋圈。在高压下，螺旋内部的相互作用使结构破坏，从而导致了热焓的下降。而保留的双螺旋甚至在高压下仍然保持稳定，由于其天然结构的连续性没改变。此外，Fa-Jui Tan,Kuo-Chiang Hsu等6采用DSC技术研究了关于压力和热相结合处理粳米淀粉效果与在标准大气压下加热处理粳米淀粉的效果进行了对比。结果表明：大部分经高压加热糊化了的淀粉颗粒比一个标准大气压下的样品的吸热峰区域小。综上所述，Wenhao Li等采用DSC测定高静水压120-600MPa下对淀粉糊化的

21、影响，表明随着压力的增大，大米淀粉的糊化温度逐渐降低。Katherine Dean，GeSimon等采用在较小的压力变化范围0.1-10MPa内用HP-DSC对蜡质玉米淀粉的糊化全过程进行研究，对比DSC热分析图和测定数据表格分析，得出淀粉糊化程度的参数。综合以上作者的研究，可以看出在0.1-10MPa范围内对淀粉加压处理，对淀粉糊化过程有一定的影响，而当压力在几百兆帕范围内变化时，对淀粉完全糊化有较大影响。值得注意的是，上述研究所采用的淀粉样品的品种不同，进行横向比较可能不科学，但不否认较大的压力会使淀粉完全糊化程度受影响。3.3 利用DSC研究周期温度储藏对淀粉回生的影响淀粉回生定义为通过

22、冷却糊化后的浓缩淀粉水悬浮液可以得到淀粉凝胶，在凝胶陈化过程中，其流变学性质、结晶度和持水能力发生显著变化的变化过程。回生是一种与糊化相反现象，是一个淀粉分子从无序到有序的过程。完全糊化的淀粉，当温度降到一定程度之后，由于分子热运动能量的不足，体系处于热力学非平衡状态，分子链间借氢键相互吸引与排列，使体系自由焓降低，最终形成结晶。结晶实质是分子链间有序排列的结果，其过程包括直链分子螺旋结构的形成及其堆积、支链淀粉外支链间双螺旋结构的形成与双螺旋之间的有序堆积。Miles等人认为淀粉的回生可以分为两个阶段：短期回生和长期回生。支链淀粉的流变学和结构的变化发生在长期回生而直链淀粉通常在短期。淀粉的

23、回生速度和程度主要受包括分子和晶体的固有的的淀粉属性、结构和存储条件如温度、时间和水含量等的影响7。淀粉的回生主要发生三种相变：成核，如晶核的形成；成长（增殖），如晶体的长大；成熟，如晶体的完善或者晶体持续缓慢的成长。整个的晶体成长速率取决于成核和成长的速率。Bemiller，Slade等1人认为当温度接近玻璃化转变温度时，更容易成核，而温度达到融化温度时更容易成长，当糊化淀粉的储藏温度在成核温度和成长温度之间循环时，回生的速率会明显加快。Silverio1认为这种引起阶梯式的成核和成长的温度循环加快了冰晶区域的成长和成熟8。Eun Young Park7等研究了循环储藏温度和恒温下储藏对淀粉

24、凝胶回生性质的影响，将40的蜡质玉米淀粉凝胶在4等温下和在4、30oC循环周期下（2天）放置16天回生。使用DSC(DSC6100, Seiko Instruments,Inc., Chiba, Japan)来测定回生淀粉凝胶的性质。他将淀粉（4.66毫克）分散在0.02叠氮化钠（重量/体积）的溶液（7.0毫升）中，经高压蒸汽灭菌，然后在4恒温下和在4、30oC循环周期下（2天）下放置。将准备好的样品在DSC中冷却至-50oC后加热到130oC，速率为5oC/分钟进行热分析。选用一个空盘作参考。测定结果见表2和图6、7。表2 恒温4C和在4、30C循环周期下测定结果图6 蜡质玉米淀粉凝胶的玻璃

25、化转变温度变化 图7 蜡质玉米淀粉凝胶的融化焓变化 从表2可以看出循环储藏温度下的回生淀粉凝胶与恒温下的相比，起始温度TO相差很大，但是终温TC却基本相同，说明循环储藏降低了回生淀粉的融化吸收热。恒温4下，淀粉在前4天的融化焓有较大的增加，随着储存时间后趋于稳定；循环储藏则表现出逐渐增加的趋势。循环储藏所需融化焓相对较低，这可能是由于循环储藏可以是淀粉凝胶形成更加均匀稳定的结晶结构。从表6、7可以看出，随着储藏天数增加，回生的淀粉凝胶玻璃化转变温度都有升高，融冰焓都有所下降；循环温度储藏下的淀粉凝胶玻璃化转变温度相对恒温下的较低，而融冰焓比恒温下的高。这是由于回生使淀粉分子间作用增强，降低了水

26、分子的流动性和减少了有效塑化水的含量。融冰焓有所下降是因为部分水分子被锁在新形成的晶格内。恒温和循环温度储藏的不同是因为短期回生主要发生在淀粉的无定型结构区，即支链淀粉区域，30oC下可以破坏无定型区的非晶矩阵结构。Byung-KeeBaik, Ren Wang, Seung-Taik Lim等1研究了在循环温度周期储藏（4储藏1天，30储藏1天，为一个温度循环周期，共7个周期14天），针对不同浓度（20%-50%）的淀粉研究循环温度周期和淀粉浓度对蜡质淀粉和普通淀粉回生的影响，并同恒温（4）储藏进行了对比。根据DSC技术测得的融化温度和热焓变来评价淀粉回生的结晶度。研究中采用的DSC型号为D

27、SC6100，产于日本千叶市。图8-不同浓度的蜡质玉米淀粉和普通淀粉在4储存2天和14天的DSC热分析曲线 由图8可看出,所有浓度的蜡质淀粉和普通淀粉在4下回生时，会出现较宽的吸热峰。回生的吸热峰的形状会随着淀粉浓度的变化改变。储存两天后的淀粉，浓度为20%的蜡质玉米淀粉在55出现主要的吸热峰，当淀粉浓度升高时，吸热峰对应的温度会随着升高。浓度为40%和50%的蜡质玉米淀粉的低温区域较明显。当储存时间达到14天时，储存2天后出现的峰仍比较明显，但是先前的低温区域得到加强，形成40%和50%蜡质玉米淀粉的主要峰。对于20%和30%的蜡质玉米淀粉来说，只出现一个较明显的峰，并且随着储藏时间的增加峰

28、向较低的温度移动。这个结果与Liu and Thompson得到的结果一致。在4下储藏，两种淀粉出现的回生焓变相似。但是，只有在50%的普通淀粉中出现一个主要的峰和较低的温度域。并且峰值温度比蜡质玉米淀粉的低。较宽的吸热反应范围表明回生淀粉的不均匀性，而低温范围或者峰值温度向较低的温度转移表明在4储藏淀粉的回生吸热的增加是由于较少的完全晶体的生长。图9-不同浓度的蜡质玉米淀粉和普通淀粉在温度循环周期储藏1,7个周期的DSC热分析曲线 另外,由图9可以看出,当淀粉不同浓度时，在4/30的温度周期储藏时，和在4储存相比，回生的淀粉显示出较窄的峰。表明在4/30的温度周期储藏时比在4储存形成的晶体更加均匀。随着淀粉浓度的升高，回生淀粉的融化峰也随着增加。和在4储藏相反，在周期温度储藏期间融化峰的温度也随之增加。因此，在4/30温度周期，淀粉形成的晶体更加温度。浓度为20-50%的糊化蜡质淀粉和普通淀粉在温度周期为4和30度下分别储藏1天，进行7个周期的储藏，或者在4摄氏度连续储藏14天，最后观察储藏的温度周期对糊化淀粉的回生的影响。任何浓度的淀粉，与储藏温度为4相比，在4/30温度周期储藏时，淀粉呈现出较小的回生熔化热焓，较高的起始温度To以及较低的熔化温度范围Tr，与恒温储藏相比，在4/30的温度周期储藏只较少的