應用故事 | 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)生任何性質的變化。存在于冷水中的淀粉經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晶部分，所以淀粉的基本性質并不改變。處在這一階段的淀粉顆粒，進入顆粒內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的結晶區(qū)域，這時便出現了不可逆吸水的現象。這是因為外界的溫度升高，淀粉分子內的一些化學鍵變得很不穩(wěn)定，從而有利于這些鍵的斷裂。隨著這些化學鍵的斷裂，淀粉顆粒內結晶區(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到原來的結構，故稱為不可逆吸水階段。

3）顆粒解體階段

淀粉顆粒經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。當其體積膨脹到一定限度后，顆粒便出現破裂現象，顆粒內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、纏繞，形成一個網狀的含水膠體。這就是淀粉完成糊化后所表現出來的糊狀體。

整個過程的示意圖如下：

學者們目前已經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特性，用差示掃描量熱儀研究淀粉的熱性質，用核磁共振技術研究糊化過程物系中水分的流動特性等。通過這些研究預測和確定淀粉產品的加工參數。上述方法中，DSC是研究淀粉糊化整個動態(tài)過程有效工具，在淀粉科學中廣為應用。

下圖所示，四種不同的玉米淀粉樣品，其中樣品N1為未經處理的淀粉，N2-N4為經過濃度從高到低的氫氧化鈉溶液處理的淀粉樣品。我們想觀察經過不同濃度的NaOH溶液處理，是否會導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，邊緣的包覆型結構使得其能耐受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。

四個樣品的測試結果如下圖：

很明顯，N1相比于N2~N4，糊化溫度要低2~3℃，說明經過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。但是未經處理的淀粉糊化峰溫度低，猜測可能與水分含量有關。經過溶液處理過的淀粉樣品水分含量會高于未經處理的淀粉樣品，而水的存在會提高淀粉的糊化溫度。

作者

周延

耐馳儀器公司應用實驗室