應(yīng)用故事 | DSC測試淀粉糊化

食物中的淀粉或者勾芡、上漿中的淀粉在烹調(diào)中均受熱而吸水膨脹致使淀粉發(fā)生糊化。淀粉要完成整個糊化過程，必須要經(jīng)過三個階段：即可逆吸水階段、不可逆吸水階段和顆粒解體階段。

1）可逆吸水階段

淀粉處在室溫條件下，浸泡在冷水中，不會發(fā)生任何性質(zhì)的變化。存在于冷水中的淀粉經(jīng)攪拌后則成為懸濁液，若停止攪拌淀粉顆粒又會慢慢重新下沉。在冷水浸泡的過程中，淀粉顆粒雖然由于吸收少量的水分使得體積略有膨脹，但卻未影響到顆粒中的結(jié)晶部分，所以淀粉的基本性質(zhì)并不改變。處在這一階段的淀粉顆粒，進入顆粒內(nèi)的水分子可以隨著淀粉的重新干燥而將吸入的水分子排出，干燥后仍恢復(fù)到原來的狀態(tài)，故這一階段稱為淀粉的可逆吸水階段。

2）不可逆吸水階段

淀粉與水處在受熱加溫的條件下，水分子開始逐漸進入淀粉顆粒內(nèi)的結(jié)晶區(qū)域，這時便出現(xiàn)了不可逆吸水的現(xiàn)象。這是因為外界的溫度升高，淀粉分子內(nèi)的一些化學(xué)鍵變得很不穩(wěn)定，從而有利于這些鍵的斷裂。隨著這些化學(xué)鍵的斷裂，淀粉顆粒內(nèi)結(jié)晶區(qū)域則由原來排列緊密的狀態(tài)變?yōu)槭杷蔂顟B(tài)，使得淀粉的吸水量迅速增加。淀粉顆粒的體積也由此急劇膨脹，其體積可膨脹到原始體積的50～100倍。處在這一階段的淀粉如果把它重新進行干燥，其水分也不會排出而恢復(fù)到原來的結(jié)構(gòu)，故稱為不可逆吸水階段。

3）顆粒解體階段

淀粉顆粒經(jīng)過第二階段的不可逆吸水后，很快進入第三階段—顆粒解體階段。因為，這時淀粉所處的環(huán)境溫度還在繼續(xù)提高，所以淀粉顆粒仍在繼續(xù)吸水膨脹。當(dāng)其體積膨脹到一定限度后，顆粒便出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，顆粒內(nèi)的淀粉分子向各方向伸展擴散，溶出顆粒體外，擴展開來的淀粉分子之間會互相聯(lián)結(jié)、纏繞，形成一個網(wǎng)狀的含水膠體。這就是淀粉完成糊化后所表現(xiàn)出來的糊狀體。

整個過程的示意圖如下：

學(xué)者們目前已經(jīng)做了大量研究淀粉糊化特性的工作，包括使用X—衍射研究淀粉糊化過程中的晶體溶解特性，用粘度儀研究淀粉糊的流變學(xué)特性，用差示掃描量熱儀研究淀粉的熱性質(zhì)，用核磁共振技術(shù)研究糊化過程物系中水分的流動特性等。通過這些研究預(yù)測和確定淀粉產(chǎn)品的加工參數(shù)。上述方法中，DSC是研究淀粉糊化整個動態(tài)過程有效工具，在淀粉科學(xué)中廣為應(yīng)用。

下圖所示，四種不同的玉米淀粉樣品，其中樣品N1為未經(jīng)處理的淀粉，N2-N4為經(jīng)過濃度從高到低的氫氧化鈉溶液處理的淀粉樣品。我們想觀察經(jīng)過不同濃度的NaOH溶液處理，是否會導(dǎo)致淀粉糊化行為的變化。

測試選用耐馳DSC。常規(guī)DSC測試采用開放或“半開放"體系，即樣品放置于開放坩堝或者蓋子上扎空的密閉坩堝。然而由于研究糊化過程時樣品含水，如果是敞開體系，水在淀粉糊化溫度附近會有揮發(fā)吸熱，與淀粉糊化的熱效應(yīng)相互干擾。所以測試只能選用全密閉的壓力型坩堝。

本次測試選用的是下圖所示的低壓鋁坩堝，邊緣的包覆型結(jié)構(gòu)使得其能耐受3bar左右的壓力，可保證水蒸汽溫度高達160 ℃以內(nèi)都不會泄露：

測試過程中，淀粉量大約3 mg，水量大約9 mg，淀粉與水的比例保證在1：3左右。

四個樣品的測試結(jié)果如下圖：

很明顯，N1相比于N2~N4，糊化溫度要低2~3℃，說明經(jīng)過NaOH溶液處理，會提高淀粉的糊化溫度。并且，隨著處理過程中使用的NaOH溶液濃度的降低，淀粉的糊化溫度也會逐步升高，糊化過程中的吸熱熱焓也逐步升高。

NaOH本身能夠與淀粉中的羥基結(jié)合，破壞氫鍵，減弱大分子間相互作用力，降低糊化溫度。所以處理過程中用的NaOH濃度越高，糊化峰的峰溫越低。但是未經(jīng)處理的淀粉糊化峰溫度低，猜測可能與水分含量有關(guān)。經(jīng)過溶液處理過的淀粉樣品水分含量會高于未經(jīng)處理的淀粉樣品，而水的存在會提高淀粉的糊化溫度。

作者

周延

耐馳儀器公司應(yīng)用實驗室