差示掃描量熱法在食品中的應(yīng)用

李琪　呂珍珍　張嫻

前言

在食品加工過程中，涉及許多跟熱能相關(guān)的工藝手段，如高溫滅菌、煮制、干燥及冷凍等，在這些過程中，食品的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一些變化，如淀粉糊化、蛋白質(zhì)變性、熱熔變化、相變及流變性改變等，其中伴隨的能量的變化可用熱分析技術(shù)進(jìn)行研究。差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）是在程序控溫的條件下，測(cè)定樣品對(duì)熱能的吸收和釋放速率，并以熱流率與溫度或時(shí)間的關(guān)系來表示物質(zhì)發(fā)生熱力學(xué)變化的參數(shù)的一種熱分析技術(shù)，在食品中廣泛應(yīng)用于比熱容、結(jié)晶速率、相轉(zhuǎn)變及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等的研究。差示掃描量熱法可監(jiān)測(cè)溫度范圍寬，具有較高的靈敏度和分辨率，且所需試樣少，適用于多種不同形式和種類的食品樣品的分析。

差示掃描量熱法在蛋白質(zhì)研究中的應(yīng)用

不同的蛋白質(zhì)具有不同的功能特性，這些性質(zhì)與蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在食品加工過程中蛋白質(zhì)會(huì)變性，使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，而影響其功能。蛋白質(zhì)從天然狀態(tài)變成變性狀態(tài)一般伴隨著分子排列無序化以及結(jié)構(gòu)從折疊狀態(tài)變成展開狀態(tài)，差示掃描量熱法可以測(cè)量在這些狀態(tài)變化過程中伴隨的能量變化，進(jìn)而評(píng)估加工形式對(duì)食品功能性的影響。加熱是食品工業(yè)中處理大豆蛋白的常見方式，加熱過程中蛋白質(zhì)的天然結(jié)構(gòu)改變而使其凝膠性、乳化性發(fā)生變化，通過差示掃描量熱法來監(jiān)測(cè)這個(gè)過程，可以分析溶劑條件、分子間相互作用及加工條件等對(duì)蛋白質(zhì)功能性質(zhì)的影響。

谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶是一種已廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)加工領(lǐng)域的蛋白質(zhì)交聯(lián)劑，它是催化蛋白質(zhì)分子之間?；D(zhuǎn)移的催化劑，使各種蛋白質(zhì)分子間產(chǎn)生共價(jià)交聯(lián)，從而改善工業(yè)食品的產(chǎn)品性能，已成為酶制劑領(lǐng)域研究和生產(chǎn)的熱點(diǎn)產(chǎn)品。谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶作為一種以蛋白質(zhì)為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的酶制劑，許多因素會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性從而使其失去活性，如加熱、重金屬、紫外線照射等，其中溫度變化是造成酶失去活性的主要原因，這極大地影響了蛋白質(zhì)的生產(chǎn)、保存、運(yùn)輸和在較寬泛環(huán)境下的使用。加入外源性保護(hù)劑可以改善這一問題，如糖類、蛋白質(zhì)和多肽類物質(zhì)等可使活性酶蛋白分子折疊的驅(qū)動(dòng)力和酶蛋白的自由能改變等方面來使蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)具有更高的穩(wěn)定性?？梢允褂貌钍緬呙枇繜岱▉硌芯扛淖冞@些外部條件的情況下谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶的熱穩(wěn)定性變化。

差示掃描量熱法在油脂研究中的應(yīng)用

在油脂加工業(yè)，劣質(zhì)油摻雜造成的食品安全問題頻發(fā)，氣相色譜法是檢測(cè)劣質(zhì)油摻雜的主要方法，但存在樣品前處理復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)。差示掃描量熱法在檢測(cè)油脂摻雜方面具有快速、便捷、準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)。使用差示掃描量熱法測(cè)定椰子油中廉價(jià)棕果油的摻入可知，隨著棕果油加入量的增加，吸熱峰面積、峰尾溫度及峰值隨之減少，并呈線性關(guān)系，可以測(cè)定棕果油的加入量從而對(duì)劣質(zhì)油摻入的判定提供依據(jù)。差示掃描量熱法還可以測(cè)定油脂的氧化過程中的能量變化（主要表現(xiàn)為放熱），為研究植物油的氧化穩(wěn)定性提供基礎(chǔ)。在油脂微波加熱或煎炸過程中，隨著加熱時(shí)間的增加，油脂結(jié)晶峰向低溫處轉(zhuǎn)移，隨之熱焓值也急劇下降。油脂的氧化主要是由于氧分子與不飽和脂肪酸的結(jié)合，油脂的不飽和脂肪酸含量越高，氧化程度越高，結(jié)晶峰更加明顯。值得注意的是，油中的氧化產(chǎn)物和部分甘三酯也會(huì)使熔程向低溫方向轉(zhuǎn)移，從而影響差示掃描量熱法結(jié)

晶峰參數(shù)。

差示掃描量熱法在碳水化合物中的應(yīng)用

淀粉的糊化特性、糊化程度、已經(jīng)糊化的淀粉的老化程度等均可使用差示掃描量熱法來測(cè)定。淀粉糊化是指在水中加熱的情況下，淀粉顆粒溶脹，隨著溫度的升高，淀粉分子中氫鍵斷裂，淀粉鏈分離，淀粉溶液變?yōu)楹隣?，這是一個(gè)吸熱的過程，在差示掃描量熱法分析圖譜上呈現(xiàn)吸熱峰。完全糊化的淀粉在差示掃描量熱法分析過程中表現(xiàn)為無吸熱峰，故差示掃描量熱法分析淀粉糊化過程中吸熱峰面積的大小可估測(cè)其糊化程度。淀粉糊老化時(shí)，分子重排形成晶體結(jié)構(gòu)，要破壞這種晶體結(jié)構(gòu)需要外加能量。因此老化后的淀粉糊在差示掃描量熱法分析中出現(xiàn)吸熱峰，老化程度增加，吸熱峰增大，從而可評(píng)估淀粉老化程度。

差示掃描量熱法研究食品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

食品在玻璃化狀態(tài)下，其品質(zhì)變化速率十分緩慢，所以玻璃化狀態(tài)在食品色、香、味以及營(yíng)養(yǎng)成分的保存方面具有重要意義。玻璃化狀態(tài)即隨著溫度的升高，聚合物由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)，這個(gè)轉(zhuǎn)化溫度即玻璃化溫度Tg。差示掃描量熱法的一項(xiàng)非常重要的用途就是研究食品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。物質(zhì)在轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡЩ癄顟B(tài)時(shí)，通常伴隨吸熱或放熱的能量變化，這為差示掃描量熱法研究食品體系的玻璃化轉(zhuǎn)變提供了基礎(chǔ)。目前，谷物、淀粉等的玻璃化轉(zhuǎn)變過程研究較為廣泛，這些方面的研究測(cè)定可以為生產(chǎn)實(shí)踐提供更好的加工保藏工藝參數(shù)。

結(jié)語

近年來，差示掃描量熱法在蛋白質(zhì)、碳水化合物、油脂的熱性質(zhì)測(cè)定中有了長(zhǎng)足發(fā)展。食品的玻璃態(tài)是現(xiàn)代食品領(lǐng)域的一個(gè)很重要的研究課題，運(yùn)用差示掃描量熱法研究玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象更加方便、快捷而有效。隨著差示掃描量熱法在食品動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)等方面的研究越來越深入，在提高工業(yè)食品產(chǎn)品性能，優(yōu)化食品加工和貯藏條件等方面的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。