王紹清,高 峽,蘭巧峰,林 立,王琳琳,楊艷麗,孫海波,楊佳佳,任海毅,曹 紅,曹寶森

(1.國家食品質量安全監(jiān)督檢驗中心,北京 100094;2.北京市理化分析測試中心,北京 100089)

王紹清1,高 峽2,蘭巧峰2,林 立1,王琳琳1,楊艷麗1,孫海波1,楊佳佳1,任海毅1,曹 紅1,曹寶森1

(1.國家食品質量安全監(jiān)督檢驗中心,北京 100094;2.北京市理化分析測試中心,北京 100089)

為了對摻入藕粉中的其他淀粉種類進行鑒別,本研究通過差示掃描量熱儀對藕粉等常見幾種淀粉的糊化過程進行考察發(fā)現(xiàn),藕粉與其他淀粉在糊化吸熱峰上有著明顯的差別。根據(jù)藕粉與木薯淀粉和甘薯淀粉等在糊化吸熱峰上的差異,以糊化吸熱峰作為特征指標,對摻假藕粉中摻入的木薯淀粉和甘薯淀粉進行定性或定量鑒別實驗。同理,此方法也可用于檢驗與藕粉在糊化吸熱峰上有明顯差異的用于藕粉摻假的其他淀粉種類,如馬鈴薯淀粉,玉米淀粉等。此方法將彌補前期發(fā)表的基于淀粉顆粒超微形貌特征的可食用淀粉種類掃描電鏡鑒別方法的不足。

藕粉,木薯淀粉,甘薯淀粉,差示掃描量熱儀,藕粉摻假鑒別

我國是世界上主要的蓮藕原產地之一[1],以蓮藕為原料的藕粉產品深受國內外消費者喜愛和食品研究者的關注[2-6]。然而由于利益追求,有不法生產者在藕粉產品中摻加玉米、小麥、馬鈴薯或者甘薯和木薯等其他廉價可食用淀粉種類。這些摻假行為,多數(shù)可以通過前期開發(fā)的掃描電鏡法[7-9],根據(jù)不同淀粉顆粒的超微形貌特征進行鑒別。但掃描電鏡法無法對摻假藕粉中的木薯淀粉或甘薯淀粉進行鑒別,因為藕粉中除長棒形的典型藕粉顆粒外,還有一些小的不成熟的類似于球體碎塊、半球體或大半個球體的小型藕粉顆粒,這些顆粒與木薯淀粉和甘薯淀粉顆粒在超微形貌上極其相似(圖1)。國家標準GB/T25733-2010《藕粉》將長棒形大型藕粉顆粒定義為典型藕粉顆粒,并且根據(jù)樣品中長棒形典型藕粉顆粒比例,將藕粉分為不同等級,如純藕粉、速溶藕粉或調制藕粉等。通過國家標準《藕粉》中使用的檢測手段光學顯微鏡和偏光顯微鏡,只能鑒別出類似于典型藕粉顆粒的淀粉顆粒卻無法確定這些長棒形顆粒是真的典型藕粉顆粒,還是馬鈴薯或芭蕉芋等其他大型淀粉顆粒,因為通過這兩種光學顯微手段看到的只是淀粉顆粒的二維平面照片。至于剩余那些小型近似圓形的顆粒,更是無從鑒別其來源于何種淀粉。通過掃描電鏡觀察[7-9],很容易發(fā)現(xiàn)典型藕粉顆粒、馬鈴薯淀粉與芭蕉芋淀粉顆粒等大型顆粒在超微形貌上的差別,從而對其進行鑒別區(qū)分,但對于超微形貌極其相似的非典型藕粉小顆粒、木薯淀粉和甘薯淀粉顆粒三者,掃描電鏡法也無法對其進行鑒別區(qū)分(圖1)。以上兩點是現(xiàn)行國家標準GB/T25733-2010《藕粉》的重要缺陷。這將導致按照國標《藕粉》對市售藕粉樣品進行檢驗,得出錯誤的判定結論。雖然我們前期開發(fā)的掃描電鏡法[7-9]很大程度上彌補了國家標準《藕粉》在真假鑒別檢測方法上的空白,但如前所述,仍無法對除典型藕粉顆粒外,剩下的小顆粒是否為真的非典型藕粉小顆粒做出正確判定,因為其無法從超微形貌上鑒別區(qū)分非典型藕粉小顆粒、甘薯淀粉和木薯淀粉顆粒三者。因此亟需開發(fā)一種檢測方法,完善我們前期開發(fā)的可食用淀粉種類鑒別方法-掃描電鏡法的此項不足。

圖1 3種淀粉顆粒掃描電鏡圖Fig.1 Scanning electronic microscope picture of 3 kinds of starch注：a：藕粉,b：甘薯淀粉,c：木薯淀粉。

淀粉顆粒中含有部分結晶結構和部分非結晶結構,在與水充分混合后吸水膨脹,當被加熱到一定溫度時,維系淀粉顆粒結晶結構的氫鍵被打斷,結晶結構開始被破壞,逐步向非結晶結構轉化,直至完全消失,此過程為糊化過程[10]。通常糊化過程中吸熱峰谷底的溫度被定為糊化溫度。相比X射線衍射儀和偏光顯微鏡等技術手段,差示掃描量熱儀(Differential Scanning Calorimetry 簡稱DSC)是研究淀粉糊化過程最有效的手段。差示掃描量熱法[11]可以跟蹤并記錄1～5mg淀粉樣品在程序升溫過程中,因為發(fā)生結晶結構變化而產生的與參比之間熱流的微小實時差別,并記錄下整個升溫過程的熱流曲線。根據(jù)熱流變化曲線,可以得出與淀粉糊化過程直接相關的熱量變化信息等糊化特性參數(shù),如糊化過程中的三個溫度點:起始溫度T0,峰值溫度TP和結束溫度TC及糊化熱等。糊化特性是淀粉的一個典型特性,不同種類淀粉,在分子結晶結構上有著各種各樣的差別,這些差別都會導致其糊化量熱曲線上的顯著差異[10,12]。

本研究通過差示掃描量熱儀,對常見的幾種可食用淀粉種類的糊化過程進行掃描量熱分析比較,發(fā)現(xiàn)藕粉、甘薯淀粉和木薯淀粉三者之間在糊化量熱曲線上的顯著差異,并依此對使用甘薯淀粉或木薯淀粉進行摻假的藕粉進行模擬鑒別實驗。此方法的開發(fā)將彌補我們前期開發(fā)的食用淀粉種類鑒別方法-掃描電鏡法的不足,完善相關藕粉質量檢測的國家標準方法,為打擊市場上藕粉摻假行為提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

所用藕粉、甘薯淀粉和木薯淀粉 本實驗室自行提取;所用原料均購于北京農貿市場;實驗中所用化學試劑均為分析純 均購自北京化工試劑公司。

1.2 儀器與設備

S3400N型掃描電子顯微鏡 日本日立高新技術有限公司;E-1045型離子濺射儀 日本日立高新技術有限公司;DSC Q2000 差示掃描量熱儀 美國TA;GZX-9140 MBE鼓風干燥箱 上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠。

1.3 實驗方法

1.3.1 淀粉提取 所有研究用淀粉的提取方法同前期研究[7-9]。稱取50g原料,經去離子水洗滌干凈后,于100mL 1g/100mL的亞硫酸氫鈉溶液中浸泡過夜。樣品粉碎后,漿液過100目標準篩,篩下的淀粉懸濁液經4000r/min離心20min,分離得淀粉沉淀。所得淀粉沉淀用超純水反復洗滌、離心3次后,分散于0.2g/100mL的氫氧化鈉溶液中放置3～5h。在同樣離心條件下分離出淀粉,并用去離子水反復清洗、離心3遍,最后所得沉淀再分散于去離子水中,靜置沉降,倒掉上清液后,除去上面有顏色部分,將剩余的淀粉置于烘箱中,40℃下烘干過夜。

1.3.2 掃描電鏡觀察 藕粉及其他淀粉樣品的掃描電鏡觀察方法同前期研究[7-9]。稱取5mg淀粉樣品于1mL 50%乙醇溶液中,超聲勻化成淀粉懸濁液。將潔凈的鋁箔片粘附在樣品臺上,將上述淀粉懸濁液滴于潔凈鋁箔片上,在紅外燈下烘干液體后,置于E-1045型離子濺射儀的樣品艙中,在15mA的電流下噴金90s。樣品取出后,裝入S-3400N掃描電鏡觀察室,進行觀察。

1.3.3 差示掃描量熱儀量熱分析 通過差示掃描量熱儀Q2000(美國TA公司)測定所有淀粉樣品的量熱性質。樣品測試前,采用銦和空鋁皿進行儀器量熱校正。樣品制備時,稱取3.3mg干基淀粉樣品于鋁制坩堝中,加10μL超純水后壓蓋密封后,置于室溫下平衡約2h后進行測定。 掃描溫度范圍為20～100℃,升溫速率為10℃/min。糊化吸熱峰的起始溫度T0,峰值溫度TP和結束溫度TC及糊化熱都是通過隨機軟件計算得出。

2 結果與分析

2.1 藕粉等8種常見可食用淀粉的糊化過程量熱分析

首先通過DSC對藕粉等8種常見可食用淀粉的糊化過程進行測定,結果如圖2所示,詳細參數(shù)總結見表1。為證明糊化前各種淀粉已經與充足的水分進行混合。根據(jù)文獻,本研究還對淀粉乳化后剩余的自由水分進行DSC考察。結果證明所有考察的乳化淀粉都含有大量剩余的自由水分,這說明實驗中所添加的水分已經滿足所用淀粉的乳化需求。雖然從表1中發(fā)現(xiàn),各種淀粉的糊化熱差別很小,但各種淀粉的糊化峰值溫度或高或低,糊化吸熱峰或對稱或偏后,各不相同(圖2)。其中藕粉的糊化吸熱峰窄而深,峰值溫度在59.43℃,糊化溫度范圍為56.12 ～63.12℃。木薯淀粉的糊化吸熱峰形狀與藕粉的相似,但峰值溫度在63.62℃,糊化溫度范圍為60.32～68.67℃,與藕粉吸熱峰差異明顯。甘薯淀粉的吸熱峰與藕粉和木薯淀粉的都不相同,隨著溫度升高,先緩慢吸熱,逐漸趨向峰底,在峰的后半部,吸熱量迅速減少,趨于平衡,其峰值溫度在76.54℃,糊化溫度范圍為57.65～80.68℃。本研究測得的以上三種淀粉糊化溫度與部分文獻報道值有些差異,這可能與分析手段、實驗條件和原料品種有關[13-19],但這也證明了糊化溫度的特異性和其與淀粉種類的相關性。因此當兩種不同的淀粉通過物理混合,如向藕粉中摻入木薯淀粉或甘薯淀粉時,由于結晶結構的不同,DSC測得的掃描量熱曲線上,會出現(xiàn)與不同種類淀粉含量相對應的峰值溫度各不相同的兩個糊化吸熱峰。它們或為依次排列的雙駝峰,或為一側帶有鼓包的變寬的糊化吸熱峰。

在圖2和表1中分別給出了綠豆、玉米、大米、馬鈴薯和小麥淀粉的糊化過程的掃描量熱曲線和相應的量熱參數(shù)。與上同理,根據(jù)它們糊化曲線之間的差異,通過DSC也可以對其純度或摻和情況進行鑒別,但在我們的前期研究[7-9]中,發(fā)現(xiàn)這些淀粉顆粒的超微形貌特征與藕粉顆粒差異明顯,通過掃描電鏡對其進行鑒別,結果更加準確和直觀。因此本研究主要對與非典型藕粉小顆粒具有相似超微形貌特征的木薯淀粉和甘薯淀粉通過DSC法鑒別的可行性進行研究。

圖2 8種常見可食用淀粉糊化過程的量熱變化 Fig.2 Calorimetry result for 8 kinds of edible starch 注:1：甘薯,2：綠豆,3：玉米,4：大米,5：馬鈴薯,6：木薯,7：小麥,8：藕粉。

表1 8種常見可食用淀粉的糊化吸熱峰的參數(shù)總結
Table 1 Parameters of endotherm peak of gelatinization process for 8 kinds of edible starch

淀粉種類T0(℃)TP(℃)TC(℃)J(g)大米淀粉63.1168.3973.6413.59甘薯淀粉57.6576.5480.6813.66綠豆淀粉59.9866.8875.1713.28馬鈴薯淀粉64.4767.8376.3918.02木薯淀粉60.3263.6268.6713.86小麥淀粉59.3762.9767.3511.41玉米淀粉60.5568.4474.2712.49藕粉56.1259.4363.1212.59

2.2 摻假藕粉樣品中的木薯淀粉的鑒別-差示掃描量熱法(DSC法)

圖3 摻入不同比例木薯淀粉的摻假藕粉樣品的糊化量熱曲線和線性回歸方程Fig.3 Calorimetry scanning curves of gelatinization process and equation of linear regression for artificial samples of lotus root starch adulterated with various amount of cassava starch注：a：圖中的比例為摻假樣品中的木薯淀粉含量(m%)。

為了對DSC法鑒別藕粉中摻入的木薯淀粉的可行性進行驗證,實驗室自行配制摻入不同比例木薯淀粉的摻假藕粉樣品,通過DSC逐一測定這些樣品在程序升溫過程中的掃描量熱曲線。圖3(a)和(b)中分別通過并列和重疊的方式給出所有樣品掃描量熱曲線。隨著藕粉中木薯淀粉含量的增加,藕粉糊化吸熱峰(59.63℃)的右側翼(63.62℃)處逐漸隆起、長大,使得樣品的掃描量熱曲線從開始時純藕粉的單峰逐漸過度為雙駝峰,并最終隨著樣品中藕粉含量的逐漸減少,藕粉糊化吸熱峰逐漸降低并消失,只剩下木薯淀粉的糊化吸熱峰。為了更清楚地展示上述變化過程,在圖3(b)中通過數(shù)據(jù)處理將圖3(a)中的各條量熱曲線重疊表示。隨藕粉樣品中木薯淀粉含量的增加,藕粉糊化吸熱峰逐漸消失的同時木薯淀粉糊化吸熱峰逐步長大,二者此消彼長,呈現(xiàn)一種近似線性的函數(shù)關系。將各樣品在63.62℃處的掃描量熱曲線深度對相應各樣品中的木薯淀粉含量作函數(shù),得一回歸直線方程,R2達到0.9625。根據(jù)此方程可以近似計算摻假藕粉樣品中的木薯淀粉含量。

2.3 摻假藕粉樣品中甘薯淀粉的鑒別-差示掃描量熱法(DSC法)

與上述藕粉中木薯淀粉的鑒別實驗相同,實驗室自行配制含有不同比例甘薯淀粉的摻假藕粉樣品,并逐一測定它們的糊化吸熱曲線,結果在圖4(a)中并列給出。在圖4(a)中,隨著甘薯淀粉含量的增加,純藕粉糊化吸熱峰逐漸減小,直至消失。雖然甘薯淀粉的糊化溫度在76.54℃,與藕粉的糊化溫度(59.63℃)相距較遠,但甘薯淀粉的糊化吸熱峰寬而淺,所以在摻假比例很低時,在圖4(a)中難以看出樣品掃描量熱曲線的變化趨勢。經數(shù)據(jù)處理,在圖4(b)重疊給出上述系列樣品的掃描量熱曲線,由此可清晰看出隨摻假藕粉樣品中甘薯淀粉含量的增加,與藕粉糊化吸熱峰(59.63℃)減小的同時甘薯淀粉糊化吸熱峰(76.54℃)逐漸長大,二者此消彼長,呈現(xiàn)與前述藕粉中木薯淀粉鑒別實驗類似的變化過程。與上同理,將各樣品在76.54℃處的掃描量熱曲線深度對相應各樣品中的甘薯淀粉含量作函數(shù),得一回歸直線方程,R2值達到0.9807。根據(jù)此方程,可以近似計算藕粉樣品中的甘薯淀粉含量。

圖4 摻入不同比例甘薯淀粉的摻假藕粉樣品的糊化量熱曲線和線性回歸方程Fig.4 Calorimetry scanning curves of gelatinization process for artificial samples of lotus root starch adulterated with various amount of sweet potato starch注：a：圖中的比例為摻假樣品中的甘薯淀粉含量(m%)。

3 結論

綜上所述,本研究運用差示掃描量熱儀對多種可食用淀粉的糊化過程的吸熱曲線進行測定后,發(fā)現(xiàn)藕粉與木薯淀粉和甘薯淀粉在糊化量熱曲線上的差異,并將此差異作為特征指標,對摻有不同含量木薯淀粉或甘薯淀粉的藕粉樣品,通過DSC法進行鑒別實驗。結果證明DSC法能夠對摻假藕粉樣品中摻入的木薯淀粉和甘薯淀粉進行定性和定量鑒別。這一方法的開發(fā),將彌補本實驗室前期研究的可食用淀粉的掃描電鏡鑒別方法的不足,為國內藕粉市場的質量監(jiān)管提供技術支持。

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Detection of cassava and sweet potato starchin adulterated lotus root starch by differential scanning calorimetry

WANG Shao-qing1,GAO Xia2,LAN Qiao-feng2,LIN Li1,WANG Lin-lin1,YANG Yan-li1,SUN Hai-bo1,YANG Jia-jia1,REN Hai-yi1,CAO Hong1,CAO Bao-sen1

(1.China National Food Quality and Safety Supervision and Inspection Center,Beijing 100094,China;2.Beijing Center for Physical and Chemical Analysis,Beijing 100089,China)

To detect other starch adulterated in lotus root starch product,gelatinization process of lotus root starch and other 7 kinds of common edible starch were analyzed through differential scanning calorimetry(DSC). According to the difference of gelatinization endothermal peak among lotus roots,cassava and sweet potato starch,a DSC method was developed to detect the added cassava and sweet potato starch in false lotus root starch product qualitatively and quantitatively based on the presence and the height of gelatinization endothermal peak of cassava or sweet potato starch. Additionally,this method was also valid in the detection of other starch adulterated in lotus root starch product,such as potato and corn starch etc.,of which the endothermal peaks of gelatinization were different from that of lotus root starch. This method is a supplement for the SEM method,which had been developed to differentiate various edible starches in our previous research.

lotus root starch;cassava starch;sweet potato starch;Differential Scanning Calorimetry(DSC);starch adulteration detection

2014-08-25

王紹清(1972-)，男，博士，副高，研究方向：食品摻假鑒別與食品分析。

國家質檢總局公益性行業(yè)科研住“雙打”研究專項項目(2012104002-2) 。

TS207

A

1002-0306(2015)13-0325-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.13.059