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食品玻璃化转变的创新技术下绞切机


2022年07月20日

食品玻璃化转变的创新技术(下)

DSC所测定的食品Tg

淀粉

淀粉是半结晶态聚合物,它由有大量支链的支链淀粉分子组成。部分结晶的成分和几乎线性的直链淀粉分子在淀粉颗粒中是明显的非晶态。在实际的生产加工和贮藏过程中,食品以及食品材料中淀粉颗粒会发生糊化和老化,影响含淀粉的食品尤其是谷物食品的品质、结构、组织。淀粉的糊化和老化是一个十分复杂的物理化学反应,不同研究者使用不同仪器所揭示的淀粉糊化的含义不尽相同,曾一度造成术语的混乱,直到1988年,Atwell等对淀粉的糊化进行了重新定义,并指出差热扫描自动分析仪(DSC)是分析淀粉糊化过程的最理想的仪器[5]。 Akinori Mizuno等在用人用5℃/min、10℃/min、20℃/min三种不同速率对马铃薯淀粉和小麦淀粉进行差热扫描,扫描温度范围从-20~200℃,结果发现经过贮藏的淀粉的Tg要高于未经过贮藏的Tg,。而且,在120℃糊化的淀粉比起在60℃糊化的淀粉的Tg值的增量要大[1]。基于研究结果,他们用淀粉糊化的玻璃化转变较好的解释了交联合成聚合物的玻璃化转变现象。邱明发等人研究发现,加入米谷蛋白后的大米Tg较未加入米谷蛋白的大米要低,这证明了米谷蛋白对大米糊化特性产生了影响。

冷冻食品

冷冻被广泛用于水果蔬菜类食品保藏,当食品被冷却到一个很低的温度时,体系中的水结冰,但是还有一部分水并未结冰,在浓缩溶液中仍处于液体状态。这时,剩下溶液浓度很高,冰已不可能结晶,称为最大冷冻浓缩溶液,仍处于液体状态的水称为不可结晶水。在这种液体状态下,会发生许多我们不希望的改变。诸如,低分子量产品的结构改变、变色和组织流变性质的改变等,从而导致了冻结食品质量下降,其主要原因是结晶、再结晶和酶的活性。而结晶、再结晶和酶的活性是受扩散控制的、在某一特征温度下发生的特殊物质的结构松弛过程,它们在橡胶态和玻璃态分别受WLF和Arrhenius方程的约束[8],如果冻结食品处于玻璃态及玻璃化转变温度下,食品基质粘度高达10Pa.S,引起食品腐败变质的各种因素能被有效抑制,因而食品就能安全保存。部分玻璃态的草每进行玻璃化保藏(-75℃)和普通冻藏(-25℃)40d后,前者的质地和持水能力明显比后者好,这就较好的说明了低温玻璃化保存水果的优点。但同时有研究表明冷冻食品在玻璃化保存中有可能会出现低温断裂现象。在胡萝卜和草莓的超速冻过程中已观察到了宏观断裂现象。这一方面是由于果肉组织在超速冻过程中,温度分布不均匀、热量传递不及时,水果产生了较大的内外温差;另一方面,在水果超速冻过程中,外层首先冻结,随着冻层向内推进,水转变为冰后体积增加了约9%,内层就产生了很大的膨胀应力,直至外层冰壳承受不了时破裂。因此玻璃化保存冷冻食品过程中需要防止低温断裂现象。

蛋白质

差热扫描热分析对于研究球状蛋白的热变性温度非常有效。张国农等人在分离纯化皱胃酶的研究中用DSC测定皱胃酶的变性温度,结果发现在90~110℃之间,有两种蛋白的热变性峰值,分别在约95℃和100℃,这表明皱胃酶中至少含有两种蛋白,而其中一种较为耐热。而用项凝胶电泳实验却只看到一条谱带。由此可见,差热扫描热通过对蛋白质变性温度的分析可以用来估计蛋白质的纯度。另有报导采用DSC研究牛乳浆蛋白-水-氯化钠体系的玻璃化转变从而初步解释了蛋白质溶液的玻璃化转变机理:(1)在双要素体系蛋白质-水溶液中,靠近蛋白质分子的水分子可以和在蛋白质分子表面的亲水基团相互作用。相对于主体水分子而言,这种水分子的自由度更小,因此,这种水分子不会形成冰晶,但能够保持其移动性直到温度降低到远低于冰结晶温度,这种不结冰水只有在Tg时伴随着体系热容而失去其移动性。(2)钠离子能够和主体水分子形成水合外壁。当氯化钠和牛乳浆蛋白的比例小于或等于5:5时,在蛋白质分子内的空穴中,有一些水合钠离子能够保留在蛋白质分子的表面。在这里,水分子的自由度会受到蛋白质分子和钠离子的限制。因此,这些水分子既不能结冰也不能形成易熔晶体,但仍保持其移动性,直至温度降到远低于冰结晶或易熔晶体结晶的温度,这种不结冰水只有在Tg时伴随着热容的改变而失去其移动能力。

脂肪的熔化和结晶

食用油脂在煎炸食品的过程中易发生热降解和热聚合,这些降解和聚合产物会危及人体健康,而日常饮食中油炸食品占据了很重要的地位,因此,运用快速可靠的方法对煎炸油的质量和氧化程度进行监测显得十分重要[13]。传统的化学方法费时费力,分析中使用的有毒化学试剂不仅对分析人员有害而且会污染环境。因此DSC法便应运而生。DSC法是通过研究加热或煎炸过程中不断生成的杂质(游离脂肪酸、部分甘油酯和氧化产物)对油脂结晶特性的影响,从而预测煎炸油热降解的程度。C.P.Tan等人用DSC法对三种不同类型的可食用油(玉米油、棕榈精油、大豆油)的氧化程度进行了监测,同时采用七种化学方法对热油的变质程度加以量化,经比较发现,DSC法得到的参数(峰值温度、热函)与标准方法测得的结果有很好的相关性,而且所用样品量少、制备简单、节约了工作时间,并且没有使用有毒的化学制剂。

两个不足

DSC是目前被广泛采用的一种测量食品及食品材料的玻璃化转变温度的方法,但是用DSC测量玻璃化转变温度却存在两个不足之处:

(1)由于用DSC测量时样品的形式和尺寸都有严格要求,使得实验操作变得相当烦琐,而且,由于DSC所须的样品量非常少(约5~20mg),使得科研工作者对样品是否具有代表性及其其结果的可信度产生了怀疑。最近有报导采用 NMR来测量物质的玻璃化转变温度,与DSC比较,其优点是:样品无破坏性,样品量大(5~10 g),测量速度快。

(2)玻璃化转变温度是低强度变化过程,用DSC法测量时其灵敏度较低,表现在DSC曲线上的玻璃化转变台阶不明显,对此可以采用对样品预热或者退火的方法加以改进,但是还存一定的误差。因此还需要对仪器进行改造,如如近年来出现的低温显微DSC 和压力DSC技术。还需要改进测量方法,以促进DSC在食品行业更广泛的使用。

江苏食品学院 焦宇知 张嫚

信息来源:《中国食品工业》

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