应用故事 | DSC测试淀粉糊化

食物中的淀粉或者勾芡、上浆中的淀粉在烹调中均受热而吸水膨胀致使淀粉发生糊化。淀粉要完成整个糊化过程，必须要经过三个阶段：即可逆吸水阶段、不可逆吸水阶段和颗粒解体阶段。

1）可逆吸水阶段

淀粉处在室温条件下，浸泡在冷水中，不会发生任何性质的变化。存在于冷水中的淀粉经搅拌后则成为悬浊液，若停止搅拌淀粉颗粒又会慢慢重新下沉。在冷水浸泡的过程中，淀粉颗粒虽然由于吸收少量的水分使得体积略有膨胀，但却未影响到颗粒中的结晶部分，所以淀粉的基本性质并不改变。处在这一阶段的淀粉颗粒，进入颗粒内的水分子可以随着淀粉的重新干燥而将吸入的水分子排出，干燥后仍完全恢复到原来的状态，故这一阶段称为淀粉的可逆吸水阶段。

2）不可逆吸水阶段

淀粉与水处在受热加温的条件下，水分子开始逐渐进入淀粉颗粒内的结晶区域，这时便出现了不可逆吸水的现象。这是因为外界的温度升高，淀粉分子内的一些化学键变得很不稳定，从而有利于这些键的断裂。随着这些化学键的断裂，淀粉颗粒内结晶区域则由原来排列紧密的状态变为疏松状态，使得淀粉的吸水量迅速增加。淀粉颗粒的体积也由此急剧膨胀，其体积可膨胀到原始体积的50～100倍。处在这一阶段的淀粉如果把它重新进行干燥，其水分也不会完全排出而恢复到原来的结构，故称为不可逆吸水阶段。

3）颗粒解体阶段

淀粉颗粒经过第二阶段的不可逆吸水后，很快进入第三阶段—颗粒解体阶段。因为，这时淀粉所处的环境温度还在继续提高，所以淀粉颗粒仍在继续吸水膨胀。当其体积膨胀到一定限度后，颗粒便出现破裂现象，颗粒内的淀粉分子向各方向伸展扩散，溶出颗粒体外，扩展开来的淀粉分子之间会互相联结、缠绕，形成一个网状的含水胶体。这就是淀粉完成糊化后所表现出来的糊状体。

整个过程的示意图如下：

学者们目前已经做了大量研究淀粉糊化特性的工作，包括使用X—衍射研究淀粉糊化过程中的晶体溶解特性，用粘度仪研究淀粉糊的流变学特性，用差示扫描量热仪研究淀粉的热性质，用核磁共振技术研究糊化过程物系中水分的流动特性等。通过这些研究预测和确定淀粉产品的加工参数。上述方法中，DSC是研究淀粉糊化整个动态过程有效工具，在淀粉科学中广为应用。

下图所示，四种不同的玉米淀粉样品，其中样品N1为未经处理的淀粉，N2-N4为经过浓度从高到低的氢氧化钠溶液处理的淀粉样品。我们想观察经过不同浓度的NaOH溶液处理，是否会导致淀粉糊化行为的变化。

测试选用耐驰DSC。常规DSC测试采用开放或“半开放”体系，即样品放置于开放坩埚或者盖子上扎空的密闭坩埚。然而由于研究糊化过程时样品含水，如果是敞开体系，水在淀粉糊化温度附近会有挥发吸热，与淀粉糊化的热效应相互干扰。所以测试只能选用全密闭的压力型坩埚。

本次测试选用的是下图所示的低压铝坩埚，边缘的包覆型结构使得其能耐受3bar左右的压力，可保证水蒸汽温度高达160 ℃以内都不会泄露：

测试过程中，淀粉量大约3 mg，水量大约9 mg，淀粉与水的比例保证在1：3左右。

四个样品的测试结果如下图：

很明显，N1相比于N2~N4，糊化温度要低2~3℃，说明经过NaOH溶液处理，会提高淀粉的糊化温度。并且，随着处理过程中使用的NaOH溶液浓度的降低，淀粉的糊化温度也会逐步升高，糊化过程中的吸热热焓也逐步升高。

NaOH本身能够与淀粉中的羟基结合，破坏氢键，减弱大分子间相互作用力，降低糊化温度。所以处理过程中用的NaOH浓度越高，糊化峰的峰温越低。但是未经处理的淀粉糊化峰温度Z低，猜测可能与水分含量有关。经过溶液处理过的淀粉样品水分含量会高于未经处理的淀粉样品，而水的存在会提高淀粉的糊化温度。

作者

周延

耐驰仪器公司应用实验室