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差式扫描量热法(DSC)在食品研究中的应用

来源:久滨仪器 浏览次数:次 日期:2018/12/28

一、DSC的基本原理
1、定
      程序控温条件下,直接测试样品在升温、降温或恒温过程中所吸收或释放的能量。
2、分
      根据测量方法不同,分为功率补偿型和热流型两种。
      热流型(Heat Flux):在给予样品和参比品相同的功率下,测定样品和参比品两端温差T,然后根据热流方程,将T(温差)换算成Q(热量差)作为信号的输出。
      功率补偿型(Power Compensation):在样品和参比品始终保持相同温度的条件下,测定为满足此条件样品和参比品两端所需的能量差,并直接作为信号Q(热量差)输出。
3、DSC的优点
★克服 DTA分析中,试样本身的热效率对升温的影响
★能定量测定多种热力学和动力学参数
★可进行晶体微细结构分析等工作
★可进行定量分析

★分辨率高、灵敏度高

二、DSC在食品研究中的应
       食品加工过程中,热是最普遍的加工参数,不论是食品的热杀菌、烹调、干燥还是冷冻保藏都会涉及到热加工过程。
       当食品与热之间相互作用,食品会发生一系列的变化,如相变(水和冰)、蛋白质构象发生变化(有序到无序)、质量或组成的变化、流变性质的变化等等。大多数物质随温度的变化,热容、结构等将发生变化,这个过程同时伴随着能量的改变,因此可用热分析技术对其进行研究。
1、蛋白
      在加热过程中,蛋白质分子的展开需要吸收能量(如氢键的断裂等),这部分热称为变性热。蛋白质变性一般表现为分子结构从有序到无序、从折叠到展开,这些结构的变化伴随能量的变化,可用DSC进行测量。

应用举例:蛋白质热变性和组分分析
      肌肉是一个复杂的体系,主要有三类蛋白质组成,分别为肌球蛋白、肌浆蛋白、肌动蛋白。


      右图是有关大白兔肌肉受热变性的DSC热分析。Ⅰ 、Ⅱ、Ⅲ三个变性峰分别代表肌球蛋白、肌浆蛋白、肌动蛋白在不同温度下的热变性。可清楚地看到,肌球蛋白对热最不稳定,在60℃左右就发生变性,而肌动蛋白对热相对较稳定。


PS:DSC并不能研究所有的蛋白质。就酪蛋白而言,其分子结构是展开的,因此加热时,并不存在分子展开的问题,在DSC给出的热分析图上将没有变性峰的出现。
      此外,DSC热分析技术也可用于分析检验,如婴幼儿奶粉中β-乳球蛋白的检测。DSC热分析技术还可用于研究蛋白质-蛋白质、蛋白质-水、蛋白质-糖、蛋白质的热变性动力学等等问题。
2、水分含量的测 
      食品中的水用水分活度来表示时,可分为可冻结水(在0℃能结冰,也称为自由水)和非冻结水(一般在-80℃不能结冰,也称为结合水)。
      DSC热分析技术可用来测定食品体系中的自由水。总水分含量可根据AOAC标准方法在103~105℃进行恒重来测定,即可得结合水含量,结合水含量=总水分含量-自由水含量。
      下图是有关蜡质玉米淀粉中水分含量的DSC热分析。一般方法是利用冰的熔化热来进行测量自由水的含量。
      此实验是以2℃/min的速度从15℃冷却到-40℃来进行测量的
      图上吸收峰的峰面积就代表了样品的熔化焓ΔH,而ΔH0为在0℃时冰的熔化热(355.6 J/g).计算公式为:
      自由水含量=ΔH/ΔH0×100%这样可根据冰的熔化热来测定和计算食品中自由水的含量。




3、淀粉
      淀粉糊化过程代表了淀粉分子从有序状态到无序状态的转变,同时也伴随着能量的变化,因此可以利用DSC对淀粉的糊化特性、糊化程度及淀粉颗粒晶体结构相转移温度等进行测定。
      举例:完全糊化的淀粉样品在DSC分析过程中应为没有吸收峰的平坦直线。Mechteldis等人提出:根据淀粉DSC分析过程中吸热峰面积(即热焓ΔH)的大小可估测淀粉糊化度的大小。
      他们将制备好的马铃薯糊化淀粉(α-淀粉酶测得糊化度为糊化度为61.1%)与天然马铃薯淀粉(未经糊化)分别按0:100、25:75、50:50、75:25、100:0混合成5个样,分别用DSC和α-淀粉酶测定其焓变和糊化程度,结果如图示。
      由焓变ΔH和糊化度的关系曲线知,两者成正相关,因此只要找出它们的相关系数,便可用DSC测定淀粉的糊化度。
4、油脂
      油脂在加热及冷却过程中表现出大量的由加热而引起的相转变,因此可用DSC对油脂进行研究。DSC关于脂类的研究分为两类,一类是生物膜;另一类是动物脂肪和植物油。一般可以使用DSC热分析技术来研究脂类物质的熔点和结晶动力学。
      如图,用DSC监测牛油在卡诺拉油中的掺假状况。牛油熔点高,其DSC冷却曲线表现有一个尖锐的高熔点放热峰,卡诺拉油高熔点酯含量远低于牛油。
       由图可知,一旦卡诺拉油中含有一定量牛油,则在DSC冷却记录图中高温区域会出现放热峰。掺假量上升时,这高温区峰的尺寸增大,峰的位置(最大峰出现的温度)会朝着较高的温度区域做少许移动。
除了在植物油中检测动物油脂的存在,DSC还可应用于植物油氧化稳定性的研究及油脂中蜡质的检测等等。


5、玻璃态转变温度的测定
      食品的玻璃态保藏是食品保藏最理想的条件,在此条件下,食品不会产生褐变、蛤败等,所形成的冰晶由于非常细小,不会挤破细胞,细胞中的汁液不会流失。
      DSC热分析技术可用于测定物质的玻璃态转变温度,在食品系统中被广泛应用。如在冰淇淋的玻璃化保存、肌肉组织的玻璃化、根据水分含量与完全玻璃化的关系测定蜂蜜的水分含量等研究中,DSC都发挥了很大作用。
      举例:Kim等研究水分含量和韩国蜂蜜物理性质的关系,发现10种韩国蜂蜜水分含量和Tg之间有线性关系。李等人研究了椴树蜜水分含量与Tg的关系,如右图示。拟合出线性方程:Tg= -11.59x - 57.42 ( P < 0.01,x 为样品中掺入水的质量分数,0%~30% ) ,由此,可快速检验蜂蜜中的含水量 。

三、限制与发展
       由于DSC分析方法只能显示反应发生时的温度以及伴随的焓变,并不能表明反应的确切性质,因此在通常研究中需要和其他方法进行比较。此外,DSC法应用范围的增宽以及原材料数目增大,使样品和DSC过程标准化、实验所测数据的分析和讨论工作都更具有挑战性。
       在近年的研究中,DSC并没有因为核磁共振NMR等新方法的发现而停止发展。相反,DSC方法有了长足的发展,各种具有特殊用途的差示扫描量热法方法层出不穷。随着DSC热分析技术的成熟与发展, 会使其对食品中某些成分的性质研究更加方便、快捷, 并指导食品加工和贮藏。人们采用DSC对食品的研究在不断深入, 它作为一种热分析手段可以对食品的质量进行控制,在食品领域中将得到更广泛的应用
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