李芬芬，張本山

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東 廣州，510640)

聚焦光束反射分析儀測定淀粉糊化過程中糊化度的變化*

李芬芬，張本山

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東 廣州，510640)

利用聚焦光束反射分析儀(FBRM)分析了玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和木薯淀粉在糊化過程中顆?？倲?shù)的變化，實現(xiàn)了淀粉顆粒變化的“動態(tài)”監(jiān)測，并提出用顆?？倲?shù)的變化量/顆粒的初始總數(shù)來表示糊化度，簡化了以往測量糊化度的方法。結(jié)果表明:FBRM測得的玉米淀粉顆?？倲?shù)呈先增加后減小的趨勢，在70℃時下降幅度最大;馬鈴薯淀粉顆?？倲?shù)一直減小，在70℃時下降幅度最大;木薯淀粉顆粒總數(shù)也一直減小，但在65℃時下降幅度最大。FBRM測得玉米淀粉在70℃糊化度達到最大值60.05%，馬鈴薯淀粉在70℃糊化度達到最大值38.83%，木薯淀粉在65℃糊化度達到最大值54.66%;當溫度達到75℃時，玉米淀粉，馬鈴薯淀粉和木薯淀粉總的糊化度分別為93.55%、90.19%和85.85%，它們都沒有達到100%。

聚焦光束反射分析儀，淀粉顆粒，糊化，糊化度

淀粉具有廣泛的用途，然而其應(yīng)用幾乎都是在加熱糊化后才能實現(xiàn)的。淀粉糊化即淀粉在過量的水中加熱至一定溫度時，淀粉顆粒吸水高度膨脹 ，晶體結(jié)構(gòu)消失，變成半透明的黏稠糊狀的現(xiàn)象。糊化是淀粉的重要物理特性之一，不同品種淀粉糊化后，糊的性質(zhì)(如黏度、透明度、抗剪切能力及老化性質(zhì)等)都存在差別，這顯著影響其應(yīng)用效果［1］。為此國內(nèi)外許多學(xué)者對淀粉的糊化特性做了大量工作 ，其中包括 X-衍射研究淀粉糊化過程中晶體的熔解特性［2］;用黏度儀研究淀粉糊的流變學(xué)特性［3－4］;用 DSC(差示量熱掃描儀)研究淀粉的熱特性［2，5］;用核磁共振研究糊化過程物系中水分的流動特性［6］;用膨脹能等描述淀粉糊化過程的潤脹特性［2，7］等。通過這些研究來了解淀粉的糊化特性。

糊化度是淀粉糊化的重要技術(shù)指標之一。在糧食食品、飼料的生產(chǎn)中，也常需要了解產(chǎn)品的糊化程度，因為糊化度的高低，直接影響復(fù)水時間，關(guān)系到食品和飼料的品質(zhì)。糊化度的測量方法有雙折射法、膨脹法、染料吸收法、酶水解法、黏度測量法及淀粉透明度測量法等［8］。但本文是研究糊化過程中淀粉糊化度的變化，這是一個“動態(tài)”的過程。使用上述方法都是在設(shè)定的時間內(nèi)間隔持續(xù)取樣來測定樣品糊化度，不僅實驗量大，需要的樣品量大，同時結(jié)果可能會因淀粉糊環(huán)境變化而變化，使得無法正常測定樣品的糊化度。而采用聚焦光束反射分析儀(focus beam reflectance measurement，F(xiàn)BRM)，很容易的解決上述問題。本文采用FBRM動態(tài)測定淀粉糊化過程中顆?？倲?shù)的變化，并提出用顆?？倲?shù)的變化量/顆粒的初始總數(shù)來表示糊化度，簡化了以往測量糊化度的方法，為淀粉糊化特性的研究提供了科學(xué)借鑒，具有較好的實用價值。

1 實驗材料與設(shè)備

玉米淀粉，長春黃龍食品工業(yè)有限公司;馬鈴薯淀粉，長春黃龍食品工業(yè)有限公司;木薯淀粉，廣西南寧銀麥粉業(yè)公司;Lasentec FBRM D600L聚焦光束反射測量儀，美國。

2 FBRM儀器工作原理

FBRM的測定顆粒的原理如圖1所示。FBRM的探頭是圓柱形的，這樣有利于探頭在測量時的固定。探頭內(nèi)激光二極管發(fā)射的激光，通過光導(dǎo)纖維進入光束分裂器，形成沿探頭圓形柱軸心方向具有穩(wěn)定波長的激光束，激光束再經(jīng)過穩(wěn)高速旋轉(zhuǎn)棱鏡，其中有一梯形折光片和一凸透鏡，使得激光束路徑偏離探頭中心軸，并聚焦，形成光“焦點”(“焦點”是在FBRM探針口外附近)，隨著棱鏡的高速旋轉(zhuǎn)，激光束以及“焦點”不斷地在中心軸方向周圍回旋(回旋速度恒定)，回旋的激光束再經(jīng)過藍寶石窗口，射入待測液流中。“焦點”處激光在顆粒表面發(fā)生散射，一定比例散射光進入FBRM探頭中，最后到達探測器，進行數(shù)據(jù)信號分析。

圖1 FBRM探頭原理圖

3 實驗方法

用蒸餾水分別配制50 g/L的玉米淀粉乳、木薯淀粉乳和馬鈴薯淀粉乳，把淀粉乳置于有夾套的燒杯中，用循環(huán)熱水加熱淀粉乳，水溫從55℃逐步升到75℃，且在55、60、65、70 和75℃溫度下各保溫0.5 h。在200 r/min攪拌速率作用下，用FBRM測定淀粉乳在55、60、65、70℃和75℃溫度下的顆粒變化。

4 結(jié)果與討論

4.1 顆?？倲?shù)的變化

圖2 玉米淀粉顆粒總數(shù)隨溫度的變化

由圖2可知，玉米淀粉乳在55℃保溫0.5 h的過程中，淀粉顆?？倲?shù)基本穩(wěn)定。當溫度從55℃升到60℃時，顆粒總數(shù)出現(xiàn)小幅度上升。這是由于溫度升高導(dǎo)致淀粉乳中顆粒運動加快，相同時間內(nèi)出現(xiàn)在探頭窗口的顆粒數(shù)增加，從而探頭監(jiān)測到的顆粒數(shù)增加的緣故。并且從表1看出，溫度從55℃升到60℃時，通過探頭監(jiān)測到0～5μm的顆粒數(shù)從8 201(注:由于在一定溫度下顆粒數(shù)一直變化，因此以該溫度開始和結(jié)束時顆粒數(shù)的平均值表示這一溫度內(nèi)的顆粒數(shù))升到8 308，增幅為1.30%，5～10 μm 的顆粒數(shù)從8 216升到8 268，增幅為0.63%，這進一步說明溫度升高加快顆粒運動，特別是加快小顆粒的運動。玉米淀粉乳在60℃保溫0.5 h的過程中，淀粉顆?？倲?shù)開始下降。當溫度繼續(xù)升高至75℃時，顆粒總數(shù)持續(xù)下降。這是由于當溫度達到60℃時，小部分顆粒已經(jīng)開始糊化，這小部分糊化了的淀粉顆粒呈半透明顆粒存在［1］。從上述FBRM的原理可知，“焦點”處激光在顆粒表面發(fā)生散射，一定比例散射光進入FBRM探頭中，最后到達探測器，進行數(shù)據(jù)信號分析，進而得到相關(guān)顆粒的數(shù)據(jù)。然而當顆粒糊化呈半透明狀態(tài)時，“焦點”處激光直接透過顆粒而不是在顆粒表面發(fā)生散射，于是糊化后的顆粒監(jiān)測不到，因此，顆?？倲?shù)開始下降。雖然溫度的升高也會加快顆粒的運動而使顆粒數(shù)增加，但是此時溫度升高顆粒糊化導(dǎo)致顆粒數(shù)下降的影響占主要因素。綜上可知，顆?？倲?shù)下降了。此外，各溫度段下降的幅度不一致，在70℃段下降的幅度最大，70℃后雖然顆粒總數(shù)仍在下降，但是幅度非常小。這是由于當溫度逐漸升高，糊化的顆粒越來越多，下降的幅度也逐漸變大。當升至70℃時，大部分顆粒開始糊化，因此下降的幅度最大。70℃后由于大部分顆粒已經(jīng)糊化，只剩下極少部分顆粒的糊化，因此下降的幅度不再明顯。

表1 0～10μm的淀粉顆粒在55℃和60℃時顆粒數(shù)量的變化

由圖3可知，馬鈴薯淀粉從55℃開始，顆粒總數(shù)就下降，但下降幅度很小。前面所述糊化后的顆粒監(jiān)測不到，因此，顆?？倲?shù)開始下降。這說明55℃時就有很少部分顆粒開始糊化，同時也表明馬鈴薯淀粉起始糊化溫度較玉米淀粉低。當溫度繼續(xù)升高至75℃時，顆?？倲?shù)一直下降，在各溫度段下降的幅度不一致，并且在70℃保溫階段下降的幅度最大，70℃后雖然顆粒總數(shù)仍在下降，但是幅度非常小。這是由于當溫度逐漸升高，糊化的顆粒越來越多，下降的幅度也逐漸變大。當升至70℃時，大部分顆粒開始糊化，因此下降的幅度最大。70℃后由于大部分顆粒已經(jīng)糊化，只剩下部分顆粒的糊化，因此下降的幅度不再明顯。

圖3 馬鈴薯淀粉顆?？倲?shù)隨溫度的變化

由圖4可知，木薯淀粉顆粒在55℃溫度保溫時，顆?？倲?shù)基本穩(wěn)定。當溫度逐步升高至75℃時，顆粒總數(shù)一直下降，在各溫度段下降的幅度不一致，并且在65℃保溫階段下降的幅度最大，70℃也有下降，但下降幅度比65℃小，70℃后雖然顆?？倲?shù)仍在下降，但是幅度非常小。這是由于當溫度逐漸升高，糊化的顆粒越來越多，下降的幅度也逐漸變大。當升至65℃時，大部分顆粒開始糊化，因此下降的幅度最大。70℃下降幅度比65℃小，這說明木薯糊化基本發(fā)生在65℃。70℃后由于大部分顆粒已經(jīng)糊化，只剩下部分顆粒的糊化，因此下降的幅度不再明顯。

圖4 木薯淀粉顆?？倲?shù)隨溫度的變化

4.2 糊化度的變化

前述可知，糊化后的顆粒呈透明的狀態(tài)而監(jiān)測不到，因此顆?？倲?shù)的變化量就可認為是糊化了的顆粒，于是淀粉顆?？倲?shù)的變化量/淀粉顆粒的初始總數(shù)就可用來表示糊化度，這簡化了以往測量糊化度的方法。從表2中可知，玉米淀粉在55℃時還沒開始糊化，直到60℃才開始糊化，糊化度為7.66%。隨著溫度的升高糊化度逐漸增大，且在70℃糊化度達到最大值60.05%，這與圖2中玉米淀粉顆?？倲?shù)在70℃溫度段下降幅度最大一致。表明玉米淀粉的糊化主要發(fā)生在70℃。當溫度繼續(xù)升高到75℃時，糊化度減小到1.07%。這是由于在75℃前大部分顆粒已經(jīng)糊化，糊化已經(jīng)基本完成，因此溫度繼續(xù)升高時只有小部分頑固顆粒糊化，糊化度比較小。與玉米淀粉相比，馬鈴薯淀粉在55℃時就已經(jīng)開始糊化，糊化度為4.88%。表明馬鈴薯的起始糊化溫度較玉米淀粉低。同樣隨著溫度的升高糊化度逐漸增大，且在70℃糊化度達到最大值38.83%，這與圖3中馬鈴薯淀粉顆?？倲?shù)在70℃溫度段下降幅度最大一致。表明馬鈴薯淀粉的糊化主要發(fā)生在70℃。當溫度繼續(xù)升高到75℃時，糊化度減小到5.03%。與玉米淀粉一樣，在55℃時木薯淀粉還沒開始糊化，直到60℃才開始糊化，糊化度為9.96%。當溫度升高至65℃時，糊化度達到最大值54.66%，表明木薯淀粉的糊化主要發(fā)生在65℃。當溫度繼續(xù)升高糊化度減小，但是減小的幅度不大，這是由于木薯淀粉在65℃達到最大糊化度時，其糊化并沒有基本完成，還有相當部分顆粒未糊化，因此隨著溫度升高，這部分顆粒開始糊化，于是糊化度減小幅度小。直到70℃后，木薯淀粉的糊化才基本完成，溫度繼續(xù)升高75℃時只有小部分頑固顆粒糊化，糊化度比較小。此外，玉米淀粉，馬鈴薯淀粉和木薯淀粉總的糊化度分別為93.55%、90.19%和85.85%，它們都沒有達到100%。說明當溫度達到75℃時，淀粉糊中還有小部分頑固顆粒不能再此溫度下糊化，其糊化需要更高的溫度。

表2 玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和木薯淀粉在各溫度段的糊化度

5 結(jié)論

本研究主要是通過FBRM“動態(tài)”分析測定了玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和木薯淀粉在糊化過程中顆粒總數(shù)的變化，實現(xiàn)淀粉顆粒變化的在線監(jiān)測。FBRM測得玉米淀粉在糊化過程中，其顆粒總數(shù)先增加后減少，在70℃時下降幅度最大。馬鈴薯淀粉和木薯淀粉在糊化過程中，其顆?？倲?shù)一直減少，馬鈴薯在70℃時下降幅度最大，木薯淀粉在65℃時下降幅度最大。

由于糊化后的顆粒呈透明的狀態(tài)而監(jiān)測不到，因此顆粒總數(shù)的變化量就可認為是糊化了的顆粒，于是就可用顆粒總數(shù)的變化量/顆粒的初始總數(shù)來表示糊化度，這簡化以往測量糊化度的方法，同時拓展了FBRM的用途。利用FBRM測得玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和木薯淀粉的糊化都是主要發(fā)生在60～70℃，不同的是玉米淀粉和馬鈴薯淀粉在70℃時糊化度最大，而木薯淀粉在65℃時糊化度最大。當溫度達到75℃時，玉米淀粉，馬鈴薯淀粉和木薯淀粉總的糊化度分別為93.55%、90.19%和85.85%，它們都沒有達到100%。

［1］ 張力田.變性淀粉［M］.廣州:華南理工大學(xué)出版社，1992:13－14.

［2］ Cooke D，Gdley M J.Loss of crystalline and molecular order during starch gelatinization:origin of the enthalpic transition ［J］.Carbohydr Res，1992，277:103 －112.

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Investigate on the Change of Starch Gelatinization Degree During Gelatinization Determined by FBRM

Li Fen-fen，Zhang Ben-shan
(College of Light Industry and Food Science，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

The change of starch granule during gelatinization was determined by Focus Beam Reflectance Measurement(FBRM)，which was an online monitor of the change of starch granule.Besides，a method to determine gelatinization degree by the total number of starch granules was proposed.The method simplifies previous method and provides useful reference model for the research of pasting property of starch.The results showed that:the number of corn starch measured by FBRM was first increased and then decreased，and the number decreased sharply at 70℃;the number of potato starch measured by FBRM showed a steadily decreased，and also had sharpest decline at 70℃;the number of tapioca starch measured by FBRM showed steadily decreasing with the sharpest decline at 65℃.The highest gelatinization degree for corn starch was 60.05%at70℃ and，potato starch was 38.83%at 70℃ and tapioca starch was 54.66%at 65℃;When the temperature reached 75℃，the total gelatinization degree of corn starch，potato starch and tapioca starch came to 93.55%，90.19%and 85.85%，respectively.None of them reached to 100%.Key words FBRM，starch granule，gelatinization，gelatinization degree

碩士研究生(張本山副教授為通訊作者)。

*國家科技支撐計劃2006BAD27B04;廣東省科技計劃項目2008A08040300，2008A08040301

2010－09－30，改回日期:2010－11－29