热分析在淀粉行业应用

热分析技术在淀粉类食品行业的应用

焦联联

耐驰科学仪器商贸（上海）有限公司

摘要

淀粉类食品包括小米、黑米、荞麦、燕麦、薏仁米、高粱、土豆、山药、薯类等。淀粉是葡萄糖的高聚体，水解到二糖阶段为麦芽糖，完全水解后得到葡萄糖。天然淀粉有直链淀粉和支链淀粉两类构成，直链淀粉含几百个葡萄糖单元，支链淀粉含几千个葡萄糖单元。为了深入了解淀粉类食品的化学性能，热分析技术在其研究、探讨过程中被广泛使用。

关键词：食品、淀粉、热分析

一、淀粉类食品的热分析性能介绍：

· 淀粉类食品的糊化、凝胶、回生、老化性能测试

1、糊化：淀粉在高温下溶胀、分裂形成均匀糊状溶液的特性，称为淀粉的糊化。糊化的热分析实质是淀粉中晶体的融化。

2、凝胶：淀粉的凝胶主要是直链淀粉分子的缠绕和有序化，即糊化后从淀粉粒中渗析出来的直链淀粉，在降温冷却的过程中以双螺旋形式互相缠绕形成凝胶网络，并在部分区域有序化形成微晶。

3、回生：糊化后的淀粉，分子处于无序的高能态，由于分子间势能的作用，淀粉分子趋于有序重排结晶，即回生。

淀粉的回生即为淀粉的重结晶。

A、短期回生（一般以小时计）：主要由直链淀粉的缠绕有序所引起。

B、长期回生（一般以天计）：主要归于支链淀粉的重结晶。

4、老化：淀粉老化的过程是不可逆的，是将糊化了的淀粉在室温或低于室温的条件下慢慢地冷却，经过一段时间，变得不透明，甚至凝结沉淀、重结晶等现象称为淀粉的老化，俗称“淀粉的返生”。比如生米煮成熟饭后，不可能再恢复成原来的生米。老化后的淀粉，不仅口感变差，消化吸收率也随之降低。

· 淀粉类食品的玻璃化转变性能测试

淀粉的玻璃化转变关系到以淀粉为原料的食品的质构和货架寿命，玻璃化转变温度(Tg)更是食品贮藏的一项关键指标，已成为当今研究热点之一。

1、影响淀粉类食品玻璃化转变的因素

A. 水分含量：淀粉的玻璃化转变温度会随水分含量的增加而降低，主要是因为水在淀粉制品中起增塑作用，降低玻璃化转变温度。

B、结晶度

C、支链淀粉分子侧链：不同种类的淀粉，其支链淀粉分子侧链越短并且数量越多，增塑效果越强，则Tg也相应越低。

D、重结晶

E、平均分子量：不同的淀粉分子平均分子量不同，平均分子量越高，Tg也越高。

2、玻璃化转变对食品品质的影响

淀粉的结晶化是淀粉食品（如面包等）老化的主要因素，随着结晶的形成，可溶性淀粉减少，食品质构变硬，其中直链淀粉分子相对支链淀粉分子而言，由于其分子间空间障碍小，易相互靠拢并缔合，结晶较快。所以有研究认为，食品的老化是由支链淀粉分子结晶引起的，而直链淀粉分子在面包冷却时就已经结晶。因此，将面包在玻璃态温度以下储藏，对防止老化是有效的。所以控制好Tg对延长食品的货架寿命是至关重要。

· 淀粉类食品的水分含量的测试

食品中的水可用3种方法表示：水分含量、水分活度和水的动态流动性。

水分活度是用来表示食品中水与食品的结合程度，可分为自由水与结合水。

热分析技术可用来测定食品体系中的自由水即可冻结水。

结合水含量 = 总水分含量－自由水含量

诸多研究表明，在物质体系中，水分起到很强的

增塑作用。淀粉的玻璃化转变温度会随水分含量的增加而降低，因此在室温贮存时水分子的迁移会对含淀粉食品的质构变化产生很大影响，这就有必要确定室温时淀粉制品发生转变时对应的水分含量。

· 淀粉类食品的降解测试

淀粉类食品的降解测试主要会考察食品的稳定性等方面性能。

二、热分析在淀粉类食品行业的应用

1、小麦淀粉的糊化（DSC

）

淀粉在常温下不溶于水，但当水温升高至一定温度以上时，淀粉的物理性能发生明显变化。淀粉在高温下溶胀、分裂形成均匀糊状溶液的特性，称为淀粉的糊化。

上图为小麦淀粉的糊化性能测试，可看出糊化峰值在62.9℃附近，吸收约为11.72J/g热焓。

2、淀粉的糊化、凝胶、回生（DSC

）

该图为淀粉加水在室温下放置3小时后的升降温过程测试。

第一次升温曲线：对淀粉加水后升温糊化，糊化的起始点、峰值分别为：62.7℃、70.0℃，糊化吸热焓为6.096J/g。

降温曲线：在峰值88.2℃附近，有一热焓面积约为2.581J/g的放热峰，归因为在凝胶过程中，淀粉内部发生结晶，直链淀粉分子的缠绕和有序化，形成凝胶网络造成。此时，直链淀粉与脂质会形成一定量的复合物。

第二次升温曲线：在峰值39.8℃附近，有一热焓面积约为0.4675J/g的吸热峰，因为在凝胶、回生过程中，淀粉内部会再次的重结晶，重结晶过后，我们对其作升温测试，则由晶体熔融导致该吸热峰的出现；在起始点93.6℃、峰值103.1℃附近的吸热峰，热焓约为5.232J/g，推测为复合物中淀粉的直链与脂质的解体。

3

、天然大米淀粉与处理后淀粉的比较

将淀粉与水按30:70比例混和，在DSC密闭坩埚中测量。

从图中可得：天然大米在峰值70.6℃和78.0℃附近出现熔融峰，熔融热焓为9.6J/g，在峰值99.2℃附近出现0.52J/g的吸热焓，归因为大米淀粉中的直链淀粉与油脂复合物的降解。

处理后的淀粉只出现了熔融峰，没有分解峰，说明在处理过程中，已经天然大米中的油脂剥离，所以没有直链淀粉与油脂复合物降解峰的出现。

4

、淀粉的热降解

淀粉的热降解过程由图可得：

1、室温至175℃附近：失重11.4％，在75.7℃处失重速率达最大，推测可能为水分的烧失及淀粉与油脂复合物的降解；

2、175℃至400℃附近：有两步失重，分别为3.3 %、64.8%，在300℃处失重速率达最大，推测为淀粉的深入降解；

3、400℃至1000℃附近，失重19.1％左右，推测为残余淀粉的进一步降解。

5、意大利面条的热分解

意大利面条的热降解过程由图可得：

1、室温至175℃附近：失重4.4％，在87.0℃处失重速率达最大，推测可能为水分的挥发；

2、175℃至675℃附近：出现多步失重，分别为7.2％、47.9％、8.1％、6.8％、22.0％，推测为面条的多步降解导致；

3、675℃至990℃附近，失重1.6％左右，推测为面条中残余物质的进一步降解。