1、差示掃描量熱法（DSC）在食品領(lǐng)域研究中的應(yīng)用6150112145 朱家民摘要：本綜述主要闡述了差示量熱掃描法（DSC）在食品尤其是淀粉、蛋白質(zhì)和油脂物性研究中的應(yīng)用，另外還對DSC及差示量熱掃描儀進(jìn)行了簡單的介紹。同時也對其發(fā)展前景做了相應(yīng)展望。關(guān)鍵詞：差示量熱掃描法；食品物性1 差示量熱掃描法簡述1.1 差示量熱掃描法簡史差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimetry，以下簡稱DSC）是由E.S.Watson和M.J.ONeal在1962年發(fā)明的1。1964年第一臺差示掃描量熱儀問世，并在其后不斷地發(fā)展改進(jìn)。1.2DSC原理樣品在發(fā)生相變、玻璃化轉(zhuǎn)變和化

2、學(xué)反應(yīng)時，會吸收或釋放熱量。在程序控制溫度下，通過測量對樣品熱量的補(bǔ)償與參比物的差值同溫度之間的關(guān)系，可以對樣品的一些特性進(jìn)行定性或定量分析。1.3 DSC特點相對于傳統(tǒng)的DTA，DSC的靈敏度更高，同時不僅可以進(jìn)行定性分析，還能夠進(jìn)行定量分析。1.4 DSC儀器及其使用1.4.1 DSC儀器DSC所使用的儀器稱為差示掃描量熱儀，其分為兩種，分別是熱流型和功率補(bǔ)償型。熱流型是在相同功率下，測定出樣品與參考物的溫差，然后轉(zhuǎn)換成熱量差。功率補(bǔ)償型是通過測量所補(bǔ)償?shù)臉悠放c參考物的熱量差，從而使它們的溫度保持相同。其中，功率補(bǔ)償型差示量熱掃描儀有兩個控制回路，一為平均溫度控制回路，另一為差示溫度控制回

3、路。DSC儀的主要性能指標(biāo)主要包括量熱精度、量熱準(zhǔn)度、溫度精度、溫度準(zhǔn)度、溫度范圍、靈敏度和掃描頻率2。1.4.2 DSC儀器的使用在使用差示量熱掃描儀對食品物性進(jìn)行研究時，一般使用的參考物為金屬銦，一般使用的坩堝為鋁坩堝。操作流程大致為：了解樣品后，對樣品進(jìn)行處理，選取合適的坩堝。進(jìn)行校正后，設(shè)定參數(shù)（氣流速率、起始溫度、終止溫度、升溫速率），最后進(jìn)行測定。1.5 DSC曲線DSC曲線一般都以溫度為橫坐標(biāo)，以焓變（熱量變化）為縱坐標(biāo)。峰面積代表焓變量。由于DSC曲線的峰面積與H之間的關(guān)系并非是一個恒定換算，且對溫度有強(qiáng)依賴性，因而每一種樣品都需構(gòu)建一條校正曲線，以確定其關(guān)系。影響曲線的主要因

4、素有：樣品量、樣品粒度、樣品純度、氣氛、氣流速率、升溫速率。2 DSC在食品物性研究中的應(yīng)用差示量熱掃描儀在食品物性研究中的應(yīng)用十分廣泛，通過測定出峰位置、出峰數(shù)量、峰值、峰形、峰面積，可以分析食品組分的相轉(zhuǎn)變溫度、熱穩(wěn)定性、熱焓、結(jié)晶溫度、結(jié)晶度、熔點以及組分種類等等3。2.1 DSC在淀粉研究中的應(yīng)用淀粉是食品中的天然高分子，不同來源的淀粉顆粒緊密程度、分子聚合度、直鏈淀粉與支鏈淀粉比例、支鏈淀粉分支度及排列方式的不同使得不同淀粉的熱力學(xué)性質(zhì)也有差異4。這些都在不同程度上影響了淀粉的糊化、老化和玻璃化相變過程中的焓變，而通過DSC可以測定To、Tp、Tc和H來描述它們的焓變的區(qū)別。目前的研

5、究多以研究不同處理方式或不同結(jié)構(gòu)、種類的直鏈對淀粉糊化、老化的影響。Nasreddine5等人將玉米淀粉經(jīng)過伽馬射線處理后，使用差示量熱掃描儀對其糊化過程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)伽馬射線處理后的淀粉的糊化溫度在一定劑量范圍內(nèi)隨著輻射劑量的增加而減少，而當(dāng)劑量足夠大（大于50kGy）時，吸收峰（糊化）出現(xiàn)在97的高溫區(qū)。范大明6將大米淀粉經(jīng)微波處理后，使用差示量熱掃描儀對其糊化過程進(jìn)行研究。通過DSC曲線發(fā)現(xiàn)，經(jīng)微波處理后的大米淀粉在50就出現(xiàn)明顯的吸熱峰（與慢速加熱處理顯著不同），表明微波對糊化前淀粉的熱穩(wěn)定性的影響主要取決于微波的快速升溫作用。朱帆7使用差示量熱掃描儀對處理后的8種不同品種的小麥淀粉

6、進(jìn)行研究，測定了其糊化與回生過程中的焓變。通過對DSC所得到的結(jié)果與在實驗中所測得的各品種小麥淀粉的直鏈淀粉含量進(jìn)行分析，得出結(jié)論：直鏈淀粉的含量越高，糊化的熱焓值越低，體系中結(jié)晶部分越少，不定形區(qū)越多；直鏈淀粉的含量越高，最大回生度越高，這也可以在一定程度上推論出直鏈淀粉可能為成核中心物質(zhì)。鄭鐵松8在對蓮子淀粉的研究中也使用了DSC，通過使用差示量熱掃描儀對6種不同蓮子的蓮子淀粉的糊化與老化進(jìn)行測定，通過分析DSC曲線得出了它們各自的糊化溫度。同時蓮子淀粉的冰融溶焓的數(shù)據(jù)也表明直鏈淀粉含量越高，老化時淀粉鏈中形成氫鍵的強(qiáng)結(jié)合析出的水分含量也就越高。Deniz Turan9在研究榛子粉脫脂乳（

7、1：3）時使用了DSC，在對比生榛子粉脫脂乳與熟榛子粉脫脂乳的DSC曲線后發(fā)現(xiàn)，后者的峰（To=37.06Tc=70.69Tp=56.11）相對于前者（To=43.09Tc=73.33Tp=58.81）向低溫移動，同時后者的峰也更加平滑，表明在榛子脫脂乳中，對榛子粉進(jìn)行預(yù)處理（加熱）有利于其穩(wěn)定性。李光磊10等人使用差示量熱掃描儀測定了玉米、小麥、馬鈴薯淀粉及其對應(yīng)的抗性淀粉的焓變，發(fā)現(xiàn)原淀粉與抗性淀粉的DSC曲線有明顯的差別。原淀粉的吸收峰在70左右，而相應(yīng)的抗性淀粉卻在150左右才出現(xiàn)吸收峰，說明了這三種抗性淀粉具有很高的熱穩(wěn)定性。余世峰11等人將玉米淀粉、綠豆淀粉和豌豆淀粉進(jìn)行比較，使用

8、差示量熱掃描儀對糊化過程進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)綠豆淀粉的焓變值最大，其次是玉米淀粉，而豌豆淀粉最小。同時，他也對三種淀粉的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)綠豆淀粉的顆粒結(jié)晶度最高，玉米其次，豌豆淀粉的顆粒結(jié)晶度最小，從而推測出淀粉糊化熔點不僅與直鏈淀粉含量有關(guān)，而且與分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。2.2 DSC在蛋白質(zhì)研究中的應(yīng)用超過一定范圍的溫度變化會引起蛋白質(zhì)構(gòu)象的變化，而蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)往往對食品的營養(yǎng)、風(fēng)味、口感有很大影響。通過DSC能夠檢測出在蛋白質(zhì)變性過程中其熱焓的變化，從而研究以蛋白質(zhì)為主要成分的食品受溫度的影響情況。在利用DSC對蛋白質(zhì)的研究中，其多用于測定在經(jīng)過不同處理方式后或是在不同的蛋白質(zhì)混合物中，其變

9、性溫度的改變。同時，也用于研究其他成分（水含量、脂質(zhì)含量等）對蛋白質(zhì)變性溫度的影響。易繼兵12等人使用差示量熱掃描儀對獅子魚魚皮的膠原蛋白的熱穩(wěn)定性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其變性溫度為34.1。而在蛋白質(zhì)的熱收縮曲線中，峰值出現(xiàn)在66.7，高于刀魚、馬哈魚等，這也驗證了獅子魚魚皮膠原蛋白中獨特的三螺旋結(jié)構(gòu)具有較高的熱穩(wěn)定性。類似地，趙紅玉13等人以鹿骨膠原蛋白為樣品，也用DSC法對其研究，測得鹿骨酸溶性膠原蛋白的收縮為55、鹿骨胃蛋白酶促溶性膠原蛋白的熱收縮溫度為58。張少蘭14等人對大豆分離蛋白進(jìn)行高靜壓處理，而后使用差示量熱掃描法研究其熱特性。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，隨著高靜壓時間的增加，其變性起始溫度也提高

10、，但溫度仍未超過100。由此可以得出，高靜壓有利于大豆蛋白的熱穩(wěn)定性。ANDRE´ S COLOMBO15等人以不同濃度（5%、10%、15%、20%、30%、40%、50%、60%）的花生蛋白為樣本，使用DSC儀研究其主要兩種蛋白（花生球蛋白、伴花生球蛋白）的變性溫度，同時還研究了脲、SDS、DTT對其影響。在所測得的DSC曲線中，隨著濃度的上升，兩個峰都逐漸向高溫移動，說明隨著水分的增加，花生蛋白的熱穩(wěn)定性下降。同理，根據(jù)出峰的位置，發(fā)現(xiàn)在低濃度時，隨著脲濃度的增加，兩種蛋白的熱穩(wěn)定性都得到提升；在低濃度時，隨著SDS濃度的增加，伴花生球蛋白的穩(wěn)定性下降，而花生球蛋白的變化不明顯

11、；隨著DTT濃度的增加伴花生球蛋白的穩(wěn)定性先上升后下降，而其會降低花生球蛋白的穩(wěn)定性。陳韜16等人以處理好的雜交豬（淮南豬×長白×約克夏）新鮮冷卻胴體胸腰結(jié)合處背最長?。ǖ椭毫魇ЫM與高汁液流失組）為樣本，使用DSC儀對其進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，兩組的DSC曲線有顯著差異，高汁液流失組的三個指標(biāo)（To、Tp、H）均小于低汁液組，說明宰后24h高汁液流失率的豬肉的肌球蛋白和肌漿蛋白變性較大。田童童17等人以胡蘿卜抗凍蛋白為研究對象，使用差示量熱掃描儀按照降溫-升溫-降溫的程序進(jìn)行測定，結(jié)果表明胡蘿卜抗凍蛋白的熱滯活性為0.1左右。同時也發(fā)現(xiàn)，在一定范圍（0.01-100mg/mL

12、）內(nèi)，隨著樣品質(zhì)量濃度的增加，熱滯活性也會增加；冰晶含量（10-90%）幾乎不會對熱滯活性造成影響。Damodaran18等人在測定7S球蛋白和11S球蛋白分別在NaCl、NaBr、NaSCN、NaClO4以及水溶液中的變性溫度時，利用了DSC。結(jié)果表明，兩種蛋白在NaCl溶液中的變性溫度變化最大，分別增加了30（7S球蛋白）和33（11S球蛋白）。汪立君19等人使用差示量熱掃描儀研究了豆?jié){中固形物含量對7S球蛋白和11S球蛋白變性溫度的影響。通過分析DSC曲線得出結(jié)果，隨固形物含量的增加，變性溫度升高，但變化幅度較小。進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出7S球蛋白和11S球蛋白的變性溫度與固形物含

13、量呈正相關(guān)。2.3 DSC在脂質(zhì)研究中的應(yīng)用脂質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度密切相關(guān)，在相變過程中，伴隨著十分顯著的焓變。在脂質(zhì)中，DSC的應(yīng)用主要在三個方面：甘油三酯三種晶型的含量、不用處理方法或不同配比對油脂相變溫度的影響、油脂的質(zhì)量評價。同時，在對脂肪的研究中，DSC往往與其他方法（IR、XRD等）相互佐證。劉書成20使用差示量熱掃描儀對金槍魚魚油進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其To和Ts都相對較高，說明金槍魚魚油具有較高的氧化穩(wěn)定性。而在分析DSC曲線的其他特性時，發(fā)現(xiàn)在最大峰前的曲線比較彎曲，且有一些小峰出現(xiàn)，表明魚油中?；视王サ闹舅峤M成比較復(fù)雜。在之后的氣相色譜分析中，也印證了這點。在改進(jìn)硬質(zhì)糖果糖果專用

14、油的過程中，肖堯21測定了四種原料油的DSC融化曲線，結(jié)合各甘三酯熔點可以推測，各原料油脂完全不同的DSC曲線反應(yīng)了它們主要成分的差異。例如，24度棕櫚油的主峰峰值在23.5，因而甘三酯種類主要為SOO，同理可知33度棕櫚油主要為PLP和POP。而42度大豆氫化油和天然無水奶油的是一個比較平緩的吸收峰，說明其甘三酯的種類比較多。湯鋒22等人為測定菊粉對油脂抗氧化性的影響，選用實驗室提煉出的豬油作為樣品，使用DSC儀分別測定空白組與加入了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)菊粉的豬油的焓變。出峰的位置由168.19提高到194.30，Tp從205.88提高到217.65，說明了菊粉對油脂的抗氧化性有一定的提升。陸健23

15、等人使用DSC研究了酶法酯交換對一種混合油（豬油和棕櫚硬脂）組成和性質(zhì)的影響。他們將混合油先升溫后降溫到-20以使充分結(jié)晶，然后使用差示量熱掃描儀升溫至80并記錄。對比酯交換前后的DSC曲線，發(fā)現(xiàn)酯交換后油脂的曲線更加復(fù)雜，吸收峰整體向低溫方向移動，結(jié)合XRD得出結(jié)論：混合油經(jīng)酯交換后結(jié)晶形態(tài)由型為主轉(zhuǎn)變?yōu)樾蜑橹?。謝賀24在研究棕櫚硬脂和棕櫚軟脂的融化曲線和它們在不同冷卻速率下的結(jié)晶曲線時，使用了DSC。通過分析DSC曲線，發(fā)現(xiàn)隨著降溫速度的增加，結(jié)晶峰向低溫方向移動。林雯雯25等人使用差示量熱掃描儀，以氫化棕櫚仁油/可可脂（質(zhì)量比9:1）混合體系為基油，研究卵磷脂及不同形態(tài)蔗糖（糖粉、結(jié)晶糖

16、）對其融化結(jié)晶性質(zhì)的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，是否添加卵磷脂對添加兩種形態(tài)蔗糖的混合體系的DSC曲線形狀影響不顯著，但在卵磷脂存在的情況下，添加糖粉的混合體系熔點顯著高于結(jié)晶糖混合體系。而對于同一種添加形態(tài)蔗糖的混合體系，添加卵磷脂能夠使其結(jié)晶峰向低溫平移（糖粉-2.81結(jié)晶糖-2.96）。Emma Chiavaro26等人以特級初壓橄欖油和榛子油混合體系作為研究對象，發(fā)現(xiàn)隨著榛子油比例的提高，Tp值逐漸降低（5%以上時），而結(jié)晶熱焓顯著增加（20%以上時）。同時，隨著榛子油比例的提高（40%以上時），DSC曲線的峰形也有顯著的變化，在-27的特征峰消失，而在-3.5處出現(xiàn)了一個新峰。由此可以通過差示量

17、熱掃描儀來測定特級初壓橄欖油是否摻假榛子油，甚至可以測定出摻假比例。與之類似的，Mansor27等人以天然椰子油和豬油混合體系作為研究對象，同樣使用DSC，對其加熱過程進(jìn)行分析。隨著豬油比例的增加，混合油DSC曲線中的次峰逐漸平緩。而在冷卻時，主峰的峰值逐漸增加，次峰的峰值逐漸減小。由此便可以通過對比天然椰子油的DSC曲線來鑒定是否摻有豬油。2.4 DSC在食品研究中的其他應(yīng)用DSC在食品中其他領(lǐng)域例如水、糖也有較廣泛的應(yīng)用，其基本原理都是食品中的組分在發(fā)生理化變化時會發(fā)生焓變，即通過分析DSC曲線中峰的位置、峰的數(shù)量、峰的峰值、峰的寬度、峰的面積以及峰的形狀來進(jìn)行研究。劉歡28等人研究生物酶

18、處理對胡蘿卜渣纖維結(jié)構(gòu)影響時使用了差示量熱掃描儀。經(jīng)過測定，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過生物酶（纖維素酶與木糖醇酶混合酶）處理后，胡蘿卜渣纖維的結(jié)晶溫度從86提升到95，熔融溫度從122提升到189，但氧化溫度從279降低到224。說明了其熱穩(wěn)定性下降，氧化分解所需的能量減少。結(jié)合SEM、XRD和IR的結(jié)果，證明了經(jīng)生物酶處理后的胡蘿卜渣纖維粒徑急劇減小，末端碳和外露的反應(yīng)活性基團(tuán)顯著增加。Hu29等人使用微型差示量熱掃描法測定了5種不同脂肪含量的牛奶的比熱容。這5種不同脂肪含量（0.1%、3.5%、15%、25%、35%）的牛奶的DSC曲線，除了25%與35%兩條，其余各條都有顯著的不同，同時也可以得出一定脂肪

19、含量牛奶的比熱容會隨著溫度的變化而變化。但是比熱容與脂肪含量并非呈線性相關(guān)，與溫度也并非成線性相關(guān)。 Elena Venir30等人在研究意大利Tarassaco蜂蜜在不同溫度貯藏后其結(jié)晶含量時，使用了DSC，同時也測定了其融化溫度。對DSC曲線的H進(jìn)行積分后，得出了不同貯藏溫度下的結(jié)晶度（50.695，100.755，150.861，200.815，250.593）。雷祖猛31等人在研究經(jīng)鹽酸胍變性后的溶菌酶吸附到PEG-600后的穩(wěn)定性時，使用了DSC。從DSC 曲線看出，變性后Tp從31.2增加到35.1，說明變性后的溶菌酶熱穩(wěn)定性得到提升。實驗也研究了鹽濃度對變性后溶菌酶的熱穩(wěn)定性的影

20、響，在保持蛋白濃度不變的情況下，隨著硫酸銨濃度的增加（1.5mol/L、1.8mol/L、2.1mol/L、2.4mol/L），吸收峰逐漸向低溫移動（42.73、41.87、36.30、35.33），這說明加入一定濃度的鹽有利于提高變性溶菌酶的熱穩(wěn)定性，但隨著鹽濃度的增加，變性溶菌酶的熱穩(wěn)定性也隨之下降。Jolanta Tomaszewska-Gras32在測定黃油中的水含量時使用了差示量熱掃描儀，在對7種不同的黃油的不同水分含量的樣本進(jìn)行測定后，通過分析其升溫與降溫過程的DSC曲線，發(fā)現(xiàn)水分含量在一定范圍（5%-35%）內(nèi)時，水分含量與熱焓有良好的線性關(guān)系（結(jié)晶R2=0.9677融化R2=0

21、.9757）。周國燕33等人在研究不同退火溫度對濃縮草莓汁玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響時采用了DSC。通過對多條DSC曲線進(jìn)行分析統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在一定溫度范圍內(nèi)（-75至-25）內(nèi)，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度先上升后下降（極值點為退火溫度-49玻璃化轉(zhuǎn)變溫度54），并且在上升或下降過程中，退火溫度和玻璃化溫度都存在著很強(qiáng)的線性關(guān)系。M. Margarida Falcao-Rodrigues34等人在研究使用蘋果在貯藏過程中使用一種可食用的保護(hù)膜（以海藻鹽和白明膠為主要成分）后，其質(zhì)構(gòu)性質(zhì)是否發(fā)生改變。在使用DSC儀測定其果皮、果肉、果核的升溫焓變曲線后，發(fā)現(xiàn)其相對于未加該保護(hù)膜的DSC曲線確實有改變，但其中的機(jī)理有待

22、于進(jìn)一步探究。3 DSC在食品物性研究中應(yīng)用的展望DSC雖然應(yīng)用的范圍較廣，但其實質(zhì)只是測定熱焓的變化，并非直接測定一些物理量，而是通過分析熱焓的變化去推測，致使其應(yīng)用的深度受到了限制。從DSC使用以來，其技術(shù)不斷進(jìn)步，在溫度范圍上有了極大的拓展。尤其是近十年來，差示量熱掃描儀也加入了壓力等參數(shù)，或者增加變速升溫等功能，使其能夠研究的范圍更加廣泛。我認(rèn)為，在食品物性的研究中，由于實際生產(chǎn)過程中設(shè)備的限制，繼續(xù)提高差示量熱掃描儀的溫度精度的意義并不大；同時由于食品加工中物料的特點，擴(kuò)大溫度的掃描范圍意義也并不大。應(yīng)該著眼于開發(fā)出于差示量熱掃描儀聯(lián)用的設(shè)備，配合其他方法驗證推論。并應(yīng)該建立各種食品

23、的“指紋圖譜”，以為在檢驗產(chǎn)品中是否摻假提供參比依據(jù)。參考文獻(xiàn)1李云飛，殷涌光，金萬鎬.食品物性學(xué)M. 北京：中國輕工出版社,2005:146.2胡榮祖，趙鳳起，高紅旭等.量熱學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用M.北京：科學(xué)出版社,2011:19.3胡芃，陳則韶.量熱技術(shù)和熱物性測定M.北京：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2009:7.4許鑫,馬永強(qiáng),姚姍姍等.SEM DSC和RVA在豆類淀粉研究中應(yīng)用J.農(nóng)產(chǎn)品加工學(xué)刊,2010,(9):44-47.5Ben Bettaïeb N, Jerbi MT, Ghorbel D. Gamma radiation influences pasting, thermal

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29、蔗糖形態(tài)對氫化棕櫚仁油/可可脂混合體系結(jié)晶性質(zhì)的影響J. 中國油脂,2012,37(06):40-43.26Chiavaro E, Vittadini E, Rodriguez-Estrada MT, et al. Differential scanning calorimeter application to the detectionof refined hazelnut oil in extra virgin olive oilJ. Food Chemistry, 2008, 110(1):248-56. 27Mansor TST, Che Man YB, Shuhaimi M. Employment of Differential Scanning Calorimetry