稻米糊化温度DSC试验条件的优化及相关分析

张大鹏 吴建国 石春海

(浙江大学农业与生物技术学院，杭州 310058)

稻米糊化温度DSC试验条件的优化及相关分析

张大鹏 吴建国 石春海

(浙江大学农业与生物技术学院，杭州 310058)

差示扫描量热仪是目前米粉糊化温度测定中最为准确的一种方法，而目前研究中所使用的样品量、加水量和升温速率有着较大差异，利用正交设计方法确定了TAQ20型差示扫描量热仪的最小相对标准偏差试验条件。结果表明样品量、加水量和升温速率等3个因素的变化对糊化温度结果有一定的影响。比较各个组合的相对标准偏差值，选出3个因素的最佳组合为14 μL水、3.0 mg米粉和10℃/min升温速率。应用这一测定条件，测定了21份籼稻米粉的糊化温度。相关分析表明，糊化温度与碱消值和直链淀粉含量的相关系数分别为r=－0.75＊＊＊和r=0.51*，说明糊化温度与碱消值之间存在极显著负相关、与直链淀粉含量则表现为显著正相关。

水稻 米粉 正交设计 糊化温度 差示扫描量热仪

糊化温度是重要的稻米蒸煮品质性状之一。目前，测定糊化温度的方法有偏十字消失法、动态流变仪法、电导率法、黏度仪法、碱消值法、快速淀粉黏滞性测定仪法(Rapid Visco－analyser，RVA)、差示扫描量热仪法(Differential Scanning Calorimetry，DSC)等［1－5］。在这些方法的使用中，以 DSC方法最为准确，其他方法的准确性评价都以DSC结果作为参考［1－2，5］，这表明 DSC 测定结果的准确度已得到肯定，但是其精密度尚需进一步确定。

DSC方法最早于1960年由Watson和O'Neill在其专利中首先提出［6］。由于DSC设备能精确地测定出样品的玻璃化转变温度、结晶温度、融化温度等热力学特性发生的阶段和参数，被广泛用于材料结晶特性、抗氧化性、药物分析、常规化学分析、食品科学、高分析材料、金属材料热力学性质等方面的研究［7－10］。在农作物中，除了在水稻中用于测定稻米糊化温度、分析稻米淀粉的热力学性质之外，DSC还用于高淀粉含量的马铃薯、绿豆、美人蕉属植物以及棉花籽粒淀粉的热力学特性分析［11］。但是，目前使用DSC测定糊化温度时，其样品量、加水量和升温速率都存在着较大的差异［11－22］。所以，在使用DSC测定稻米糊化温度中尚存在着一些问题:一是样品量、加水量和升温速率间的组合有较大差异，会明显影响稻米糊化温度的测定。在预试验阶段，采用了其中一些组合进行测试，结果并不理想，如样品量太少，装样、称量困难，升温速率有快有慢、出现热流曲线发生变化的现象等。二是目前各单位DSC仪器的型号较多，所用铝盘等耗材也有所不同。

因此，本研究采用正交设计的方法，旨在样品量、加水量和升温速率等3个方面确定合适的因素组合。通过比较试验结果的相对偏差值来确定试验结果精密度较好的最佳的试验条件，探寻适合TAQ20型差示扫描量热仪及配套器材的最佳条件。结果可为使用DSC仪器提供更多的相关信息，为准确测定糊化温度提供更为有效的依据。

1 材料和方法

1.1 材料和仪器

以粳稻品种日本晴(Nipponbare)作为确定DSC正交试验的最佳试验条件的材料，选用21份籼稻精米粉作为糊化温度与直链淀粉含量及碱消值之间相关分析的试验样品。以上试验材料均用农业部方法(NY147—1988)测定直链淀粉含量及碱消值，其中日本晴碱消值级别为(7.00±0.00)级、直链淀粉含量(18.66±0.01)%。籼稻米粉样品的碱消值级别和直链淀粉含量的范围分别为3.20～7.00级和3.90% ～30.50%。

TAQ20型差示扫描量热仪:美国TA公司;B－76电动出糙机:浙江黄岩新桥梁用机械厂;JNMJ3型精米机:浙江省台州市粮仪厂;CYCI.OTEC1093型磨粉机:美国福斯公司;Sartorius电子天平(0.01 mg):德国赛多利斯集团;Finnpipette Digital移液器(量程5～40 μL):芬兰雷勃公司。

采用出糙机，将稻谷碾成糙米，经精米机磨成精米。利用FOSS公司的磨粉机磨成米粉，过0.18 mm孔径筛，获得达到试验要求的米粉。

1.2 方法

糊化步骤主要根据文献［18］的DSC分析过程。仪器为美国TA公司Q20型差示扫描量热仪，用感量为0.01 mg的Sartorius电子天平称取米粉，加入到TAQ20型铝制密封坩埚中(最大容水量40 μL，最大精米粉样品容量29.55 mg)，用量程为5～40 μL的Finnpipette Digital移液器加入纯净水，在TA密封模具中用其配套铝盖密封。

利用金属铟校正DSC仪器温度基线，方法参照仪器规定校正方法。升温起始温度为30℃，终止温度为110℃，升温模式为ramp模式。

采用正交设计确定最佳DSC试验条件，以期得到准确、重复性好的试验结果。根据密封坩埚的体积、可装米粉数量及DSC仪器建议的不同样品种类和数量所对应的升温速率，设计水平差异较大的三因素四水平正交试验。然后根据试验结果进一步设计水平差异更小的正交试验，获得最佳试验条件。分析已知直链淀粉含量和碱消值的精米粉样品，获得对应的糊化温度，进行相关分析。

1.3 数据分析

糊化温度分析软件为仪器自带的TA Universal Analysis软件。正交设计及其方差分析结果在软件正交设计助手Ⅱv3.1中完成，数据相关分析及相对标准偏差(RSD)在Microsoft Excel中进行。

2 结果与分析

2.1 DSC 预试验

首先采用TA公司生产的密封铝盘及铝盖、国产普通铝盘及铝盖、国产TAQ20密封铝盘及铝盖共3种进行预试验。由于前两种铝盘在密封时有漏水现象，因此使用第三种铝盘及铝盖进行正交试验。试验中根据农业部稻米品质测定方法［4］对粳稻品种日本晴进行碱消值测定，结果碱消值为7级，其糊化温度＜70℃。然后选用文献［23］的DSC条件对日本晴精米粉的糊化温度进行初步测试，10次重复的平均值为(66.66±0.64)℃。因此，将试验结果在66℃，重复性好即相对标准偏差(RSD)最小作为试验结果是否良好的评价标准。

2.2 正交试验结果

应用正交设计软件，将各因素水平安排到一个L16(45)正交设计表中，加水量(5、10、15、20 μL)、样品量(1、5、10、15 mg)、升温速率 (5、10、15、20℃/min)各分为4个水平(表1)，其中A、B、C三列为试验因素，D、E两列为空列用于误差分析，所得结果列于表中最后一列。方差分析表明各因素在不同水平上的差异均未达显著水平(表2)。这表明正交试验所设计的各个组合可以获得无差异的数据，但为了建立一个相对标准的测试体系、获得稳定可靠的试验结果，本研究进行了第二次正交试验。利用衡量数据重复性的参数相对标准偏差(RSD)为参考数值，以期发现TAQ20DSC的最优试验条件。

表1 正交设计及试验结果

表2 方差分析表

图1表明，在样品量一定的条件下，随着加水量的减少，糊化温度峰值的信号不断减弱;反之，当加水量一定时，随着样品量的增加，糊化温度峰值的信号也不断减弱，直至无法检出。正交设计各个组合的结果也表明，样品量最小、加水量最大组合的糊化温度值信号最为明显。精米的平均粒重一般约为20～25 mg，胚乳各层随着成分和淀粉含量的不同，糊化温度会产生一定的差异。为了减小由于米粉样品量较小而可能引起的测定偏差，获得更为准确的糊化温度值，应该在坩埚容量范围内，保证试验准确度的条件下，多增加米粉量。3个因素分别为12 L纯净水、3 mg米粉样品、15℃/min，也可作为较佳试验条件。组合6的RSD值为5.474 0，且其GT测试结果为74.2℃，不宜采用这个组合作为进行DSC测定的试验条件。

图1 相同样品量条件下不同加水量的热流曲线

2.3 糊化温度与碱消值、直链淀粉含量的相关分析

采用正交试验确定的DSC试验条件对21份已测定碱消值(碱消值范围3.2～7.0级、直链淀粉质量分数范围3.9% ～30.5%)的籼稻精米粉样品进行糊化温度测试。结果发现，糊化温度与碱消值的相关系数虽然为│r= － 0.754│ ＞ r0.001，19=0.665 2，两者之间存在着极显著的负相关性，但碱消值的测定结果并不能完全代替糊化温度。糊化温度与直链淀粉含量的相关系数为 r=0.51 ＞ r0.02，19=0.503 4，其糊化温度与直链淀粉含量存在显著正相关性。

重新设计水平差异更小的因素水平及试验结果列于表3。将加水量的范围在10～16 μL之间分为10、12、14、16 μL 等4 个水平，样品量在1.8 ～3.0 mg之间分为1.8、2、2.5、3 mg 等 4 个水平，各个水平的升温速率保持不变。正交试验时每种组合3次重复。在具有糊化温度真实值(66℃)的组合中比较其结果的相对标准偏差(RSD)值，确定各因素的最佳值(表3)。结果表明，组合12具有最小的RSD值(0.006 9)，其3次结果的平均值为66.18℃，符合预试验的测试范围，3个因素的组合为14 μL纯净水、3.0 mg米粉样品、10℃/min升温速率，可以作为最佳的试验条件。另外，组合 3(0.092 1)、组合 7(0.026 9)、组合8(0.062 4)、组合 16(0.053 3)也有较小的RSD值，其中组合8的GT平均值为66.45℃，

表3 正交设计及试验结果

3 结论

通过2次正交试验设计的试验，确定了DSC测试稻米粉糊化温度的精密度良好的最佳试验条件为加水量 14 μL、米粉样品量为 3.0 mg、升温速率为10℃/min。应用此条件对21份碱消值和直链淀粉含量已知的籼稻精米粉进行糊化温度测试，将得到糊化温度结果与碱消值和直链淀粉含量作相关分析，相关分析结果分别为r=－0.754和r=0.51，表明籼稻稻米的糊化温度与碱消值或直链淀粉含量之间存在显著的负相关性或正相关性。本研究仅为利用TA公司Q20型差示扫描量热仪的测试结果，虽然不能代表其他公司不同型号的差示扫描量热仪，但在这些DSC仪器确定最佳试验条件时具有一定的参考价值。

［1］李杰，田翠华，项丽霞，等.莲藕淀粉糊化温度测定方法的比较［J］.中国粮油学报，2007，22(3):70 －72

［2］许永伟，鲁战会，程永强，等.电导率法测定淀粉糊化温度测定及其影响因素的研究［J］.食品科技，2008，10:199－203

［3］GB/T 14490—1993谷物及淀粉糊化特性测定法黏度仪法［S］

［4］NY 147—1988标准米质测定方法［S］

［5］包劲松.应用RVA测定米粉淀粉成糊温度［J］.中国水稻科学，2007，21(5):543 －546

［6］Watson E S，O'Neil M J.Differential Microcalorimeter:USA，3263484［P］.1966 －08 －02

［7］Wunderlich B.Thermal Analysis［M］.New York:Academic Press，1990:137 －140

［8］Dean John A.The Analytical Chemistry Handbook［M］.New York:McGraw Hill Inc.，1995

［9］Pungor Erno.A Practical Guide to Instrumental Analysis［M］.Florida:Boca Raton，1995:181 －191

［10］Skoog Douglas A，Holler F J，Nieman TA，et al.Principles of Instrumental Analysis［M］.5th ed.New York:Princeton，1998:805－808

［11］Santhanee P A，Worayudh P，Chureerat P，et al.Effects of relative granule size and gelatinization temperature on paste and gel properties of starch blends［J］.Food Research International，2008，41:552 － 561

［12］Liu H，Yu L，Xie F，et al.Gelatinization of cornstarch with different amylose/amylopectin content［J］.Carbohydrate Polymers，2006，65:357 －363

［13］Waters L E，Henry R J，Reinke R F，et al.Gelatinization temperature of rice explained by polymorphisms in starch synthase［J］.Plant Biotechnology Journal，2006，4:115 －122

［14］Bao J，Xiao P，Hiratsuka M，et al.Granule － bound SSIIa Protein Content and its Relationship with Amylopectin Structure and Gelatinization Temperature of Rice Starch［J］.Starch/Strke，2009，61:431 －437

［15］Shu X，Shen S，Bao J，et al.Molecular and biochemical analysis of the gelatinization temperature characteristics of rice(Oryza sativa L.)Starch granules［J］.Journal of Cereal Science，2006，44:40 －48

［16］Bao J，Corke H，Sun M，et al.Nucleotide diversity in starch synthase IIa and validation of single nucleotide polymorphisms in relation to starch gelatinization temperature and other physicochemical properties in rice(Oryza sativa L.)［J］.Theoretical and Applied Genetics，2006，113:1171 －1183

［17］Sasaki T，Kohyama K，Suzuki Y，et al.Physicochemical characteristics of waxy rice starch influencing the in vitro digestibility of a starch gel［J］.Food Chemistry，2009，116:137 －142

［18］Kweon M，Slade L，Levine H.Role of glassy and crystalline transitions in the responses of corn starches to heat and high pressure treatments:Prediction of solute－induced barostabilty from solute － induced thermostability［J］.Carbohydrate Polymers，2008，72:293 －299

［19］Nakamura Y，Sato A，Juliano B.Short－ Chain － Length Distribution in Debranched Rice Starches Differing in Gelatinization Temperature or Cooked Rice Hardness［J］.Starch/Strke，2006，58:155 －160

［20］Sandhu K，Singh N.Some properties of corn starches II:Physicochemical，gelatinization，retrogradation，pasting and gel textural properties［J］.Food Chemistry，2007，101:1499－1507

［21］Bello M，Tolaba M，Suarez C.Water absorption and starch gelatinization in whole rice grain during soaking［J］.LWT －Food Science and Technology，2007，40:313 －318

［22］Sanchez E，Figueroa J，Gaytan M.WetMethod for Measuring Starch Gelatinization Temperature Using Electrical Conductivity［J］.Journal of Food Science，2009，74:382 －385

［23］Xu L，Xie J，Kong X，et al.Analysis of Genotypic and Environmental Effects on Rice Starch.2.Thermal and Retrogradation Properties［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2004，52:6017 －6022.

Optimization of DSC Experimental Conditions and Correlation Analysis for Gelatinization Temperature Traits of Rice

Zhang Dapeng Wu Jianguo Shi Chunhai
(College of Agriculture ＆ Biotechnology，Zhejiang University，Hangzhou 310058)

Differential Scanning Calorimetry(DSC)is currently the most accurate method for testing the gelatinization temperature(GT)of rice flour.However，three important factors，including rice flour weight with water volume and the speed of temperature rise in DSC，were differently used in many experiments.Orthogonal design was introduced in present experiment to determine the best conditions for the smallest relative standard deviation(RSD)of TAQ20 DSC.The results indicated that the GT measurements could be influenced by these three important DSC conditions.The combination of 14 μL distilled water with 3.0 mg rice flour and 10 ℃ /min speed of temperature rise was the best DSC experimental condition because of the smallest RSD of the GT in each experiment combination.21 indica rice flour samples were used for analyzing GT by this best DSC condition，and their alkali spreading value(ASV)and amylose content(AC)were also determined.The results also showed that the correlation coefficients between GT and ASV or AC were －0.75＊＊＊or 0.51*respectively，which meant that GT was significantly negative correlated with ASV，but positive with AC.

rice，rice flour，orthogonal design，gelatinization temperature，differential scanning calorimeter

S511.2

A

1003－0174(2011)11－0001－04

浙江省自然科学基金(Y3080217)，浙江省重大科技攻关专项(2007C12902)

2010－12－03

张大鹏，男，1982年出生，博士，作物遗传育种

石春海，男，1956年出生，教授，博士生导师，作物遗传育种