聚焦光束反射分析仪测定淀粉糊化过程中糊化度的变化*

李芬芬，张本山

(华南理工大学轻工与食品学院，广东 广州，510640)

聚焦光束反射分析仪测定淀粉糊化过程中糊化度的变化*

李芬芬，张本山

(华南理工大学轻工与食品学院，广东 广州，510640)

利用聚焦光束反射分析仪(FBRM)分析了玉米淀粉、马铃薯淀粉和木薯淀粉在糊化过程中颗粒总数的变化，实现了淀粉颗粒变化的“动态”监测，并提出用颗粒总数的变化量/颗粒的初始总数来表示糊化度，简化了以往测量糊化度的方法。结果表明:FBRM测得的玉米淀粉颗粒总数呈先增加后减小的趋势，在70℃时下降幅度最大;马铃薯淀粉颗粒总数一直减小，在70℃时下降幅度最大;木薯淀粉颗粒总数也一直减小，但在65℃时下降幅度最大。FBRM测得玉米淀粉在70℃糊化度达到最大值60.05%，马铃薯淀粉在70℃糊化度达到最大值38.83%，木薯淀粉在65℃糊化度达到最大值54.66%;当温度达到75℃时，玉米淀粉，马铃薯淀粉和木薯淀粉总的糊化度分别为93.55%、90.19%和85.85%，它们都没有达到100%。

聚焦光束反射分析仪，淀粉颗粒，糊化，糊化度

淀粉具有广泛的用途，然而其应用几乎都是在加热糊化后才能实现的。淀粉糊化即淀粉在过量的水中加热至一定温度时，淀粉颗粒吸水高度膨胀 ，晶体结构消失，变成半透明的黏稠糊状的现象。糊化是淀粉的重要物理特性之一，不同品种淀粉糊化后，糊的性质(如黏度、透明度、抗剪切能力及老化性质等)都存在差别，这显著影响其应用效果［1］。为此国内外许多学者对淀粉的糊化特性做了大量工作 ，其中包括 X-衍射研究淀粉糊化过程中晶体的熔解特性［2］;用黏度仪研究淀粉糊的流变学特性［3－4］;用 DSC(差示量热扫描仪)研究淀粉的热特性［2，5］;用核磁共振研究糊化过程物系中水分的流动特性［6］;用膨胀能等描述淀粉糊化过程的润胀特性［2，7］等。通过这些研究来了解淀粉的糊化特性。

糊化度是淀粉糊化的重要技术指标之一。在粮食食品、饲料的生产中，也常需要了解产品的糊化程度，因为糊化度的高低，直接影响复水时间，关系到食品和饲料的品质。糊化度的测量方法有双折射法、膨胀法、染料吸收法、酶水解法、黏度测量法及淀粉透明度测量法等［8］。但本文是研究糊化过程中淀粉糊化度的变化，这是一个“动态”的过程。使用上述方法都是在设定的时间内间隔持续取样来测定样品糊化度，不仅实验量大，需要的样品量大，同时结果可能会因淀粉糊环境变化而变化，使得无法正常测定样品的糊化度。而采用聚焦光束反射分析仪(focus beam reflectance measurement，FBRM)，很容易的解决上述问题。本文采用FBRM动态测定淀粉糊化过程中颗粒总数的变化，并提出用颗粒总数的变化量/颗粒的初始总数来表示糊化度，简化了以往测量糊化度的方法，为淀粉糊化特性的研究提供了科学借鉴，具有较好的实用价值。

1 实验材料与设备

玉米淀粉，长春黄龙食品工业有限公司;马铃薯淀粉，长春黄龙食品工业有限公司;木薯淀粉，广西南宁银麦粉业公司;Lasentec FBRM D600L聚焦光束反射测量仪，美国。

2 FBRM仪器工作原理

FBRM的测定颗粒的原理如图1所示。FBRM的探头是圆柱形的，这样有利于探头在测量时的固定。探头内激光二极管发射的激光，通过光导纤维进入光束分裂器，形成沿探头圆形柱轴心方向具有稳定波长的激光束，激光束再经过稳高速旋转棱镜，其中有一梯形折光片和一凸透镜，使得激光束路径偏离探头中心轴，并聚焦，形成光“焦点”(“焦点”是在FBRM探针口外附近)，随着棱镜的高速旋转，激光束以及“焦点”不断地在中心轴方向周围回旋(回旋速度恒定)，回旋的激光束再经过蓝宝石窗口，射入待测液流中。“焦点”处激光在颗粒表面发生散射，一定比例散射光进入FBRM探头中，最后到达探测器，进行数据信号分析。

图1 FBRM探头原理图

3 实验方法

用蒸馏水分别配制50 g/L的玉米淀粉乳、木薯淀粉乳和马铃薯淀粉乳，把淀粉乳置于有夹套的烧杯中，用循环热水加热淀粉乳，水温从55℃逐步升到75℃，且在55、60、65、70 和75℃温度下各保温0.5 h。在200 r/min搅拌速率作用下，用FBRM测定淀粉乳在55、60、65、70℃和75℃温度下的颗粒变化。

4 结果与讨论

4.1 颗粒总数的变化

图2 玉米淀粉颗粒总数随温度的变化

由图2可知，玉米淀粉乳在55℃保温0.5 h的过程中，淀粉颗粒总数基本稳定。当温度从55℃升到60℃时，颗粒总数出现小幅度上升。这是由于温度升高导致淀粉乳中颗粒运动加快，相同时间内出现在探头窗口的颗粒数增加，从而探头监测到的颗粒数增加的缘故。并且从表1看出，温度从55℃升到60℃时，通过探头监测到0～5μm的颗粒数从8 201(注:由于在一定温度下颗粒数一直变化，因此以该温度开始和结束时颗粒数的平均值表示这一温度内的颗粒数)升到8 308，增幅为1.30%，5～10 μm 的颗粒数从8 216升到8 268，增幅为0.63%，这进一步说明温度升高加快颗粒运动，特别是加快小颗粒的运动。玉米淀粉乳在60℃保温0.5 h的过程中，淀粉颗粒总数开始下降。当温度继续升高至75℃时，颗粒总数持续下降。这是由于当温度达到60℃时，小部分颗粒已经开始糊化，这小部分糊化了的淀粉颗粒呈半透明颗粒存在［1］。从上述FBRM的原理可知，“焦点”处激光在颗粒表面发生散射，一定比例散射光进入FBRM探头中，最后到达探测器，进行数据信号分析，进而得到相关颗粒的数据。然而当颗粒糊化呈半透明状态时，“焦点”处激光直接透过颗粒而不是在颗粒表面发生散射，于是糊化后的颗粒监测不到，因此，颗粒总数开始下降。虽然温度的升高也会加快颗粒的运动而使颗粒数增加，但是此时温度升高颗粒糊化导致颗粒数下降的影响占主要因素。综上可知，颗粒总数下降了。此外，各温度段下降的幅度不一致，在70℃段下降的幅度最大，70℃后虽然颗粒总数仍在下降，但是幅度非常小。这是由于当温度逐渐升高，糊化的颗粒越来越多，下降的幅度也逐渐变大。当升至70℃时，大部分颗粒开始糊化，因此下降的幅度最大。70℃后由于大部分颗粒已经糊化，只剩下极少部分颗粒的糊化，因此下降的幅度不再明显。

表1 0～10μm的淀粉颗粒在55℃和60℃时颗粒数量的变化

由图3可知，马铃薯淀粉从55℃开始，颗粒总数就下降，但下降幅度很小。前面所述糊化后的颗粒监测不到，因此，颗粒总数开始下降。这说明55℃时就有很少部分颗粒开始糊化，同时也表明马铃薯淀粉起始糊化温度较玉米淀粉低。当温度继续升高至75℃时，颗粒总数一直下降，在各温度段下降的幅度不一致，并且在70℃保温阶段下降的幅度最大，70℃后虽然颗粒总数仍在下降，但是幅度非常小。这是由于当温度逐渐升高，糊化的颗粒越来越多，下降的幅度也逐渐变大。当升至70℃时，大部分颗粒开始糊化，因此下降的幅度最大。70℃后由于大部分颗粒已经糊化，只剩下部分颗粒的糊化，因此下降的幅度不再明显。

图3 马铃薯淀粉颗粒总数随温度的变化

由图4可知，木薯淀粉颗粒在55℃温度保温时，颗粒总数基本稳定。当温度逐步升高至75℃时，颗粒总数一直下降，在各温度段下降的幅度不一致，并且在65℃保温阶段下降的幅度最大，70℃也有下降，但下降幅度比65℃小，70℃后虽然颗粒总数仍在下降，但是幅度非常小。这是由于当温度逐渐升高，糊化的颗粒越来越多，下降的幅度也逐渐变大。当升至65℃时，大部分颗粒开始糊化，因此下降的幅度最大。70℃下降幅度比65℃小，这说明木薯糊化基本发生在65℃。70℃后由于大部分颗粒已经糊化，只剩下部分颗粒的糊化，因此下降的幅度不再明显。

图4 木薯淀粉颗粒总数随温度的变化

4.2 糊化度的变化

前述可知，糊化后的颗粒呈透明的状态而监测不到，因此颗粒总数的变化量就可认为是糊化了的颗粒，于是淀粉颗粒总数的变化量/淀粉颗粒的初始总数就可用来表示糊化度，这简化了以往测量糊化度的方法。从表2中可知，玉米淀粉在55℃时还没开始糊化，直到60℃才开始糊化，糊化度为7.66%。随着温度的升高糊化度逐渐增大，且在70℃糊化度达到最大值60.05%，这与图2中玉米淀粉颗粒总数在70℃温度段下降幅度最大一致。表明玉米淀粉的糊化主要发生在70℃。当温度继续升高到75℃时，糊化度减小到1.07%。这是由于在75℃前大部分颗粒已经糊化，糊化已经基本完成，因此温度继续升高时只有小部分顽固颗粒糊化，糊化度比较小。与玉米淀粉相比，马铃薯淀粉在55℃时就已经开始糊化，糊化度为4.88%。表明马铃薯的起始糊化温度较玉米淀粉低。同样随着温度的升高糊化度逐渐增大，且在70℃糊化度达到最大值38.83%，这与图3中马铃薯淀粉颗粒总数在70℃温度段下降幅度最大一致。表明马铃薯淀粉的糊化主要发生在70℃。当温度继续升高到75℃时，糊化度减小到5.03%。与玉米淀粉一样，在55℃时木薯淀粉还没开始糊化，直到60℃才开始糊化，糊化度为9.96%。当温度升高至65℃时，糊化度达到最大值54.66%，表明木薯淀粉的糊化主要发生在65℃。当温度继续升高糊化度减小，但是减小的幅度不大，这是由于木薯淀粉在65℃达到最大糊化度时，其糊化并没有基本完成，还有相当部分颗粒未糊化，因此随着温度升高，这部分颗粒开始糊化，于是糊化度减小幅度小。直到70℃后，木薯淀粉的糊化才基本完成，温度继续升高75℃时只有小部分顽固颗粒糊化，糊化度比较小。此外，玉米淀粉，马铃薯淀粉和木薯淀粉总的糊化度分别为93.55%、90.19%和85.85%，它们都没有达到100%。说明当温度达到75℃时，淀粉糊中还有小部分顽固颗粒不能再此温度下糊化，其糊化需要更高的温度。

表2 玉米淀粉、马铃薯淀粉和木薯淀粉在各温度段的糊化度

5 结论

本研究主要是通过FBRM“动态”分析测定了玉米淀粉、马铃薯淀粉和木薯淀粉在糊化过程中颗粒总数的变化，实现淀粉颗粒变化的在线监测。FBRM测得玉米淀粉在糊化过程中，其颗粒总数先增加后减少，在70℃时下降幅度最大。马铃薯淀粉和木薯淀粉在糊化过程中，其颗粒总数一直减少，马铃薯在70℃时下降幅度最大，木薯淀粉在65℃时下降幅度最大。

由于糊化后的颗粒呈透明的状态而监测不到，因此颗粒总数的变化量就可认为是糊化了的颗粒，于是就可用颗粒总数的变化量/颗粒的初始总数来表示糊化度，这简化以往测量糊化度的方法，同时拓展了FBRM的用途。利用FBRM测得玉米淀粉、马铃薯淀粉和木薯淀粉的糊化都是主要发生在60～70℃，不同的是玉米淀粉和马铃薯淀粉在70℃时糊化度最大，而木薯淀粉在65℃时糊化度最大。当温度达到75℃时，玉米淀粉，马铃薯淀粉和木薯淀粉总的糊化度分别为93.55%、90.19%和85.85%，它们都没有达到100%。

［1］ 张力田.变性淀粉［M］.广州:华南理工大学出版社，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.

［3］ Lii C，Tsai M，Tseng K.Effect of amylose contenton the rheological properties of rice starch［J］.Cereal Chem，1996，73(4):415 －420.

［4］ Jacobson M R，Obanni M，Bemiller J N.Retrogradation of starch from different botanical sources［J］.Cereal Chem，1997，74(5):511 －518.

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［6］ Dasilva C E M，Ciaeco C F，Barberis G E，et al.Starch gelatinization measured by pulsed nuclear magnetic resonance［J］.Cereal Chem，1996，73(3):297 －301.

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［8］ 曹龙奎，李凤林.淀粉制品生产工艺学［M］.北京.中国轻工业出版社，2008:258－259.

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

硕士研究生(张本山副教授为通讯作者)。

*国家科技支撑计划2006BAD27B04;广东省科技计划项目2008A08040300，2008A08040301

2010－09－30，改回日期:2010－11－29