差式扫描量热法(DSC)在食品研究中的应用

1、 差式扫描量热法（DSC）在食品研究中的应用 一、DSC的基本原理 1、定义 程序控温条件下，直接测试样品在升温、降温或恒温过程中所吸收或释放的能量。2、分类 根据测量方法不同，分为功率补偿型和热流型两种。 热流型(Heat Flux)：在给予样品和参比品相同的功率下，测定样品和参比品两端温差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。 功率补偿型(Power Compensation)：在样品和参比品始终保持相同温度的条件下，测定为满足此条件样品和参比品两端所需的能量差，并直接作为信号Q（热量差）输出。 差式扫描量热法（DSC）在食品研究中的应用 3、DSC的优点 克

2、服 DTA分析中，试样本身的热效率对升温的影响 能定量测定多种热力学和动力学参数 可进行晶体微细结构分析等工作 可进行定量分析 分辨率高、灵敏度高差式扫描量热法（DSC）在食品研究中的应用 DSC典型综合图谱 差式扫描量热法（DSC）在食品研究中的应用吸热吸热放热放热dH/dt (mW)Temperature Glass TransitionCrystallizationMeltingDecomposition玻璃化转变玻璃化转变结晶结晶基线基线放热行为放热行为（固化，氧化，反应，交联）（固化，氧化，反应，交联）熔融熔融分解气化分解气化TdTgTcTm 二、DSC在食品研究中的应用 食品加工过

3、程中，热是最普遍的加工参数，不论是食品的热杀菌、烹调、干燥还是冷冻保藏都会涉及到热加工过程。 当食品与热之间相互作用，食品会发生一系列的变化，如相变(水和冰)、蛋白质构象发生变化(有序到无序)、质量或组成的变化、流变性质的变化等等。大多数物质随温度的变化，热容、结构等将发生变化，这个过程同时伴随着能量的改变，因此可用热分析技术对其进行研究。 差式扫描量热法（DSC）在食品研究中的应用 1、蛋白质 在加热过程中，蛋白质分子的展开需要吸收能量(如氢键的断裂等)，这部分热称为变性热。蛋白质变性一般表现为分子结构从有序到无序、从折叠到展开，这些结构的变化伴随能量的变化，可用DSC进行测量。 差式扫描量

4、热法（DSC）在食品研究中的应用 应用举例：蛋白质热变性和组分分析 肌肉是一个复杂的体系，主要有三类蛋白质组成，分别为肌球蛋白、肌浆蛋白、肌动蛋白。 右图是有关大白兔肌肉受热变性的DSC热分析。 、三个变性峰分别代表肌球蛋白、肌浆蛋白、肌动蛋白在不同温度下的热变性。可清楚地看到，肌球蛋白对热最不稳定，在60左右就发生变性，而肌动蛋白对热相对较稳定。 差式扫描量热法（DSC）在食品研究中的应用 PS：DSC并不能研究所有的蛋白质。就酪蛋白而言，其分子结构是展开的，因此加热时，并不存在分子展开的问题，在DSC给出的热分析图上将没有变性峰的出现。 此外，DSC热分析技术也可用于分析检验，如婴幼儿奶粉

5、中-乳球蛋白的检测。DSC热分析技术还可用于研究蛋白质-蛋白质、蛋白质-水、蛋白质-糖、蛋白质的热变性动力学等等问题。差式扫描量热法（DSC）在食品中的应用 2、水分含量的测定 食品中的水用水分活度来表示时，可分为可冻结水(在0能结冰，也称为自由水)和非冻结水(一般在-80不能结冰，也称为结合水)。 DSC热分析技术可用来测定食品体系中的自由水。总水分含量可根据AOAC标准方法在103105进行恒重来测定，即可得结合水含量，结合水含量=总水分含量-自由水含量。 差式扫描量热法（DSC）在食品研究中的应用 下图是有关蜡质玉米淀粉中水分含量的DSC热分析。一般方法是利用冰的熔化热来进行测量自由水的

6、含量。 此实验是以2/min的速度从15冷却到-40来进行测量的。 图上吸收峰的峰面积就代表了样品的熔 化焓H,而H0为在0时冰的熔化热 (355.6 J/g)。 计算公式为: 自由水含量=H/H0100% 这样可根据冰的熔化热来测定和计 算食品中自由水的含量。差式扫描量热法（DSC）在食品研究中的应用10 3、淀粉 淀粉糊化过程代表了淀粉分子从有序状态到无序状态的转变，同时也伴随着能量的变化，因此可以利用DSC对淀粉的糊化特性、糊化程度及淀粉颗粒晶体结构相转移温度等进行测定。 举例：完全糊化的淀粉样品在DSC分析过程中应为没有吸收峰的平坦直线。Mechteldis等人提出：根据淀粉DSC分析

7、过程中吸热峰面积(即热焓H)的大小可估测淀粉糊化度的大小。 差式扫描量热法（DSC）在食品研究中的应用 他们将制备好的马铃薯糊化淀粉(-淀粉酶测得糊化度为糊化度为61.1%)与天然马铃薯淀粉(未经糊化)分别按0:100、25:75、50:50、75:25、100:0混合成5个样，分别用DSC和-淀粉酶测定其焓变和糊化程度，结果如图示。 由焓变H和糊化度的关系曲线知，两者成正相关，因此只要找出它们的相关系数，便可用DSC测定淀粉的糊化度。 差式扫描量热法（DSC）在食品研究中的应用 4、油脂 油脂在加热及冷却过程中表现出大量的由加热而引起的相转变，因此可用DSC对油脂进行研究。DSC关于脂类的研

8、究分为两类，一类是生物膜；另一类是动物脂肪和植物油。一般可以使用DSC热分析技术来研究脂类物质的熔点和结晶动力学。 差式扫描量热法（DSC）在食品研究中的应用 如图，用DSC监测牛油在卡诺拉油中的掺假状况。牛油熔点高,其DSC冷却曲线表现有一个尖锐的高熔点放热峰，卡诺拉油高熔点 差式扫描量热法（DSC）在食品研究中的应用酯含量远低于牛油。 由图可知,一旦卡诺拉油中含有一定量牛油,则在DSC冷却记录图中高温区域会出现放热峰。掺假量上升时,这高温区峰的尺寸增大,峰的位置(最大峰出现的温度)会朝着较高的温度区域做少许移动。、 除了在植物油中检测动物油脂的存在，DSC还可应用于植物油氧化稳定性的研究及

9、油脂中蜡质的检测等等。 5、玻璃态转变温度的测定 食品的玻璃态保藏是食品保藏最理想的条件，在此条件下，食品不会产生褐变、蛤败等，所形成的冰晶由于非常细小，不会挤破细胞，细胞中的汁液不会流失。 DSC热分析技术可用于测定物质的玻璃态转变温度，在食品系统中被广泛应用。如在冰淇淋的玻璃化保存、肌肉组织的玻璃化、根据水分含量与完全玻璃化的关系测定蜂蜜的水分含量等研究中，DSC都发挥了很大作用。 差式扫描量热法（DSC）在食品研究中的应用 举例：Kim等研究水分含量和韩国蜂蜜物理性质的关系，发现10种韩国蜂蜜水分含量和Tg之间有线性关系。李等人研究了椴树蜜水分含量与Tg的关系，如右图示。拟合出线性方程：Tg= 11.59x 57.42 ( P 0.01，x 为样品中掺入水的质量分数，0%30% ) ，由此，可快速检验蜂蜜中的含水量 。 差式扫描量热法（DSC）在食品研究中的应用 三、限制与发展 由于DSC分析方法只能显示反应发生时的温度以及伴随的焓变,并不能表明反应的确切性质，因此在通常研究中需要和其他方法进行比较。此外,DSC法应用范围的增宽以及原材料数目增大,使样品和DSC过程标准化、实验所测数据的分析和讨论工作都更具有挑战性。 在近年的研究中,DSC并没有因为核磁共振NMR等新方法的发现而停止发展。相反,DSC方法有了长足的发展,各种具有特殊用