差示掃描量熱法在食品中的應用

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，食品的性質和結構會發生一些變化，如淀粉糊化、蛋白質變性、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進行研究。差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）是在程序控溫的條件下，測定樣品對熱能的吸收和釋放速率，并以熱流率與溫度或時間的關系來表示物質發生熱力學變化的參數的一種熱分析技術，在食品中廣泛應用于比熱容、結晶速率、相轉變及玻璃化轉變溫度等的研究。差示掃描量熱法可監測溫度范圍寬，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研究中的應用

不同的蛋白質具有不同的功能特性，這些性質與蛋白質的結構密切相關。在食品加工過程中蛋白質會變性，使蛋白質結構改變，而影響其功能。蛋白質從天然狀態變成變性狀態一般伴隨著分子排列無序化以及結構從折疊狀態變成展開狀態，差示掃描量熱法可以測量在這些狀態變化過程中伴隨的能量變化，進而評估加工形式對食品功能性的影響。加熱是食品工業中處理大豆蛋白的常見方式，加熱過程中蛋白質的天然結構改變而使其凝膠性、乳化性發生變化，通過差示掃描量熱法來監測這個過程，可以分析溶劑條件、分子間相互作用及加工條件等對蛋白質功能性質的影響。

谷氨酰胺轉胺酶是一種已廣泛應用于食品工業加工領域的蛋白質交聯劑，它是催化蛋白質分子之間酰基轉移的催化劑，使各種蛋白質分子間產生共價交聯，從而改善工業食品的產品性能，已成為酶制劑領域研究和生產的熱點產品。谷氨酰胺轉氨酶作為一種以蛋白質為結構基礎的酶制劑，許多因素會導致蛋白質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的生產、保存、運輸和在較寬泛環境下的使用。加入外源性保護劑可以改善這一問題，如糖類、蛋白質和多肽類物質等可使活性酶蛋白分子折疊的驅動力和酶蛋白的自由能改變等方面來使蛋白質分子結構具有更高的穩定性。可以使用差示掃描量熱法來研究改變這些外部條件的情況下谷氨酰胺轉胺酶的熱穩定性變化。

差示掃描量熱法在油脂研究中的應用

在油脂加工業，劣質油摻雜造成的食品安全問題頻發，氣相色譜法是檢測劣質油摻雜的主要方法，但存在樣品前處理復雜、成本高等缺點。差示掃描量熱法在檢測油脂摻雜方面具有快速、便捷、準確性高等優點。使用差示掃描量熱法測定椰子油中廉價棕果油的摻入可知，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，并呈線性關系，可以測定棕果油的加入量從而對劣質油摻入的判定提供依據。差示掃描量熱法還可以測定油脂的氧化過程中的能量變化（主要表現為放熱），為研究植物油的氧化穩定性提供基礎。在油脂微波加熱或煎炸過程中，隨著加熱時間的增加，油脂結晶峰向低溫處轉移，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合，油脂的不飽和脂肪酸含量越高，氧化程度越高，結晶峰更加明顯。值得注意的是，油中的氧化產物和部分甘三酯也會使熔程向低溫方向轉移，從而影響差示掃描量熱法結

晶峰參數。

差示掃描量熱法在碳水化合物中的應用

淀粉的糊化特性、糊化程度、已經糊化的淀粉的老化程度等均可使用差示掃描量熱法來測定。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，淀粉溶液變為糊狀，這是一個吸熱的過程，在差示掃描量熱法分析圖譜上呈現吸熱峰。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其糊化程度。淀粉糊老化時，分子重排形成晶體結構，要破壞這種晶體結構需要外加能量。因此老化后的淀粉糊在差示掃描量熱法分析中出現吸熱峰，老化程度增加，吸熱峰增大，從而可評估淀粉老化程度。

差示掃描量熱法研究食品的玻璃化轉變溫度

食品在玻璃化狀態下，其品質變化速率十分緩慢，所以玻璃化狀態在食品色、香、味以及營養成分的保存方面具有重要意義。玻璃化狀態即隨著溫度的升高，聚合物由玻璃態轉變為橡膠態，這個轉化溫度即玻璃化溫度Tg。差示掃描量熱法的一項非常重要的用途就是研究食品的玻璃化轉變溫度。物質在轉變為玻璃化狀態時，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變提供了基礎。目前，谷物、淀粉等的玻璃化轉變過程研究較為廣泛，這些方面的研究測定可以為生產實踐提供更好的加工保藏工藝參數。

結語

近年來，差示掃描量熱法在蛋白質、碳水化合物、油脂的熱性質測定中有了長足發展。食品的玻璃態是現代食品領域的一個很重要的研究課題，運用差示掃描量熱法研究玻璃態轉變現象更加方便、快捷而有效。隨著差示掃描量熱法在食品動力學和熱力學性質等方面的研究越來越深入，在提高工業食品產品性能，優化食品加工和貯藏條件等方面的應用將會越來越廣泛。