熱分析-DSC 熱分析應用-食品糊化程度分析

稻米是人類的主要糧食作物，據知目前世界上的稻屬植物可能超過14萬種，而且科學家還在不停研發新的稻種。稻米的種類非常多種，作為糧食的大致分為亞洲米和非洲米，較淺顯易懂的分類是依稻穀的澱粉成分來區分。要瞭解稻米，最基本的分法是往往先根據稻生長所需要的條件，依照水份灌溉來區分，因此稻又可分為水稻和旱稻。但多數研究稻作的機構，都針對於水稻，旱稻的比例則較少。旱稻又可稱陸稻，它與水稻的主要品種其實大同小異，一樣有秈、粳兩個種。有些水稻可直接在旱地直接栽種，但產量較低，也能在水田中直接栽種。旱稻則具有很強的抗旱性，就算缺少水份，也能在貧瘠的土地上結出穗來。旱稻多種在降雨稀少的山區，也因地域不同，演化出許多特別的山地稻種。目前旱稻已成為人工雜交稻米的重要研究方向，可幫助農民節省灌溉用水。

稻米的主要成分為澱粉，當稻米遇水加熱時，顆粒中的澱粉會開始膨脹和破裂，進一步導致糊化。而糊化過程中熱量會被吸收，這可能是由於顆粒中的澱粉內氫鍵斷鍵。糊化的溫度和吸收熱量多寡，我們可以使用DSC-示差掃描熱分析儀來研究觀察到這種吸熱現象。然而在稻米糊化的過程中所吸收的熱量是非常低的，因此此實驗是需要一個高感度的DSC設備。

測試的樣品是使用粳米和麻糬，在準備樣品時，先加入2倍的水（約20mg）。處理樣品並且測定其水含量。使用DSC測試以每分鐘2℃升溫，通入氮氣30ml/min進行，可得到以下測試圖

▲圖1 顯示出米樣品測量結果

從這兩個樣品的DSC圖譜中，我們可以清楚看到在60℃和100℃之間觀察到的吸熱峰，是由於澱粉在此溫度區域產生糊化作用，因澱粉具有糊化性，在澱粉含水的狀況下，受熱後顆粒會吸水膨脹，原本澱粉分子是鏈狀甚至分支狀，彼此互相牽扯，當溫度上升到糊化溫度時，顆粒的結晶結構被破壞，使澱粉分子變成單分子，但由於水的包覆而形成具有粘性的糊狀溶液，這種現象稱為糊化作用。在分析圖譜中可看出兩個樣品在糊化下的吸熱峰有所差異，可能是由於兩者澱粉組成的差異所造成。粳米的澱粉組合是80%的支鏈澱粉和20％直鏈狀澱粉，麻糬則是100%支鏈澱粉的澱粉組合物。

▲圖2 顯示出原料粳米和加工過後的米樣品各DSC測量結果

樣品A升溫時可清楚看到60℃和100℃之間的吸熱峰(糊化現象)，然而樣品B是加工過後米樣品，其吸熱峰在53℃下發生，此區域產生糊化現象，相對於樣品A提早約12℃左右，影響澱粉的糊化程度有：
★ 食品中的含水量；
★ 澱粉種類和顆粒大小
★ 食品添加物：高濃度的糖會降低澱粉的糊化，脂類物質能與澱粉形成複合物並降低整體糊化程度。提高糊化溫度，像食鹽有時會使糊化溫度提高，有時會使糊化溫度降低
★ 酸度：在pH 4-7的範圍內酸度對糊化的影響不太明顯，然而當pH大於10.0時，降低酸度會加速糊化作用

樣品C是經冷凍的米樣品，相比於前兩者樣品，並未看到任何糊化現象產生，可假設此樣品已經先產生糊化作用，故此測試並未看到糊化峰。從以上所有樣品來比較糊化反應的熱量，可以看出未加工過的粳米有最大值熱量，擁有較明顯的糊化現象產生。

傳統上常以黏度計測量澱粉類食品的糊化特性，使用DSC測試來測量米或澱粉類食品，可有效在樣品含水的狀況下來探討濃度高或低的糊化程度，藉由DSC可準確且成功地測量出米澱粉食品類的糊化溫度和吸熱反應，此方法也可以瞭解不同米澱粉樣品糊化的溫度狀況條件，甚至對已經加工過後的米類食品進行評估，甚至食品控管等。

稻米或澱粉食品，其糊化溫度都有高低之分，糊化溫度高低直接影響食品品質及加工特性，如具有高糊化溫度的米煮成熟，相較於低糊化溫度的米需要長時間煮食及較多的水分，依個人口感不同，米為國人的主食，一般偏好於中糊化溫度的米口感；點心之類的食品則需要較低的糊化溫度來製作加工；稻米的食用和蒸煮品質主要由直鏈澱粉含量、膠稠度、糊化溫度來決定，當然稻米的品質好與壞，主要在每個人的口感及喜好不同，有效利用DSC輔助並進行稻米或澱粉類食用改質，都是最為有效的測量方式。