稻米糊化溫度DSC試驗條件的優(yōu)化及相關(guān)分析

張大鵬 吳建國 石春海

(浙江大學農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學院，杭州 310058)

稻米糊化溫度DSC試驗條件的優(yōu)化及相關(guān)分析

張大鵬 吳建國 石春海

(浙江大學農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學院，杭州 310058)

差示掃描量熱儀是目前米粉糊化溫度測定中最為準確的一種方法，而目前研究中所使用的樣品量、加水量和升溫速率有著較大差異，利用正交設(shè)計方法確定了TAQ20型差示掃描量熱儀的最小相對標準偏差試驗條件。結(jié)果表明樣品量、加水量和升溫速率等3個因素的變化對糊化溫度結(jié)果有一定的影響。比較各個組合的相對標準偏差值，選出3個因素的最佳組合為14 μL水、3.0 mg米粉和10℃/min升溫速率。應用這一測定條件，測定了21份秈稻米粉的糊化溫度。相關(guān)分析表明，糊化溫度與堿消值和直鏈淀粉含量的相關(guān)系數(shù)分別為r=－0.75＊＊＊和r=0.51*，說明糊化溫度與堿消值之間存在極顯著負相關(guān)、與直鏈淀粉含量則表現(xiàn)為顯著正相關(guān)。

水稻 米粉 正交設(shè)計 糊化溫度 差示掃描量熱儀

糊化溫度是重要的稻米蒸煮品質(zhì)性狀之一。目前，測定糊化溫度的方法有偏十字消失法、動態(tài)流變儀法、電導率法、黏度儀法、堿消值法、快速淀粉黏滯性測定儀法(Rapid Visco－analyser，RVA)、差示掃描量熱儀法(Differential Scanning Calorimetry，DSC)等［1－5］。在這些方法的使用中，以 DSC方法最為準確，其他方法的準確性評價都以DSC結(jié)果作為參考［1－2，5］，這表明 DSC 測定結(jié)果的準確度已得到肯定，但是其精密度尚需進一步確定。

DSC方法最早于1960年由Watson和O'Neill在其專利中首先提出［6］。由于DSC設(shè)備能精確地測定出樣品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、結(jié)晶溫度、融化溫度等熱力學特性發(fā)生的階段和參數(shù)，被廣泛用于材料結(jié)晶特性、抗氧化性、藥物分析、常規(guī)化學分析、食品科學、高分析材料、金屬材料熱力學性質(zhì)等方面的研究［7－10］。在農(nóng)作物中，除了在水稻中用于測定稻米糊化溫度、分析稻米淀粉的熱力學性質(zhì)之外，DSC還用于高淀粉含量的馬鈴薯、綠豆、美人蕉屬植物以及棉花籽粒淀粉的熱力學特性分析［11］。但是，目前使用DSC測定糊化溫度時，其樣品量、加水量和升溫速率都存在著較大的差異［11－22］。所以，在使用DSC測定稻米糊化溫度中尚存在著一些問題:一是樣品量、加水量和升溫速率間的組合有較大差異，會明顯影響稻米糊化溫度的測定。在預試驗階段，采用了其中一些組合進行測試，結(jié)果并不理想，如樣品量太少，裝樣、稱量困難，升溫速率有快有慢、出現(xiàn)熱流曲線發(fā)生變化的現(xiàn)象等。二是目前各單位DSC儀器的型號較多，所用鋁盤等耗材也有所不同。

因此，本研究采用正交設(shè)計的方法，旨在樣品量、加水量和升溫速率等3個方面確定合適的因素組合。通過比較試驗結(jié)果的相對偏差值來確定試驗結(jié)果精密度較好的最佳的試驗條件，探尋適合TAQ20型差示掃描量熱儀及配套器材的最佳條件。結(jié)果可為使用DSC儀器提供更多的相關(guān)信息，為準確測定糊化溫度提供更為有效的依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料和儀器

以粳稻品種日本晴(Nipponbare)作為確定DSC正交試驗的最佳試驗條件的材料，選用21份秈稻精米粉作為糊化溫度與直鏈淀粉含量及堿消值之間相關(guān)分析的試驗樣品。以上試驗材料均用農(nóng)業(yè)部方法(NY147—1988)測定直鏈淀粉含量及堿消值，其中日本晴堿消值級別為(7.00±0.00)級、直鏈淀粉含量(18.66±0.01)%。秈稻米粉樣品的堿消值級別和直鏈淀粉含量的范圍分別為3.20～7.00級和3.90% ～30.50%。

TAQ20型差示掃描量熱儀:美國TA公司;B－76電動出糙機:浙江黃巖新橋梁用機械廠;JNMJ3型精米機:浙江省臺州市糧儀廠;CYCI.OTEC1093型磨粉機:美國福斯公司;Sartorius電子天平(0.01 mg):德國賽多利斯集團;Finnpipette Digital移液器(量程5～40 μL):芬蘭雷勃公司。

采用出糙機，將稻谷碾成糙米，經(jīng)精米機磨成精米。利用FOSS公司的磨粉機磨成米粉，過0.18 mm孔徑篩，獲得達到試驗要求的米粉。

1.2 方法

糊化步驟主要根據(jù)文獻［18］的DSC分析過程。儀器為美國TA公司Q20型差示掃描量熱儀，用感量為0.01 mg的Sartorius電子天平稱取米粉，加入到TAQ20型鋁制密封坩堝中(最大容水量40 μL，最大精米粉樣品容量29.55 mg)，用量程為5～40 μL的Finnpipette Digital移液器加入純凈水，在TA密封模具中用其配套鋁蓋密封。

利用金屬銦校正DSC儀器溫度基線，方法參照儀器規(guī)定校正方法。升溫起始溫度為30℃，終止溫度為110℃，升溫模式為ramp模式。

采用正交設(shè)計確定最佳DSC試驗條件，以期得到準確、重復性好的試驗結(jié)果。根據(jù)密封坩堝的體積、可裝米粉數(shù)量及DSC儀器建議的不同樣品種類和數(shù)量所對應的升溫速率，設(shè)計水平差異較大的三因素四水平正交試驗。然后根據(jù)試驗結(jié)果進一步設(shè)計水平差異更小的正交試驗，獲得最佳試驗條件。分析已知直鏈淀粉含量和堿消值的精米粉樣品，獲得對應的糊化溫度，進行相關(guān)分析。

1.3 數(shù)據(jù)分析

糊化溫度分析軟件為儀器自帶的TA Universal Analysis軟件。正交設(shè)計及其方差分析結(jié)果在軟件正交設(shè)計助手Ⅱv3.1中完成，數(shù)據(jù)相關(guān)分析及相對標準偏差(RSD)在Microsoft Excel中進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 DSC 預試驗

首先采用TA公司生產(chǎn)的密封鋁盤及鋁蓋、國產(chǎn)普通鋁盤及鋁蓋、國產(chǎn)TAQ20密封鋁盤及鋁蓋共3種進行預試驗。由于前兩種鋁盤在密封時有漏水現(xiàn)象，因此使用第三種鋁盤及鋁蓋進行正交試驗。試驗中根據(jù)農(nóng)業(yè)部稻米品質(zhì)測定方法［4］對粳稻品種日本晴進行堿消值測定，結(jié)果堿消值為7級，其糊化溫度＜70℃。然后選用文獻［23］的DSC條件對日本晴精米粉的糊化溫度進行初步測試，10次重復的平均值為(66.66±0.64)℃。因此，將試驗結(jié)果在66℃，重復性好即相對標準偏差(RSD)最小作為試驗結(jié)果是否良好的評價標準。

2.2 正交試驗結(jié)果

應用正交設(shè)計軟件，將各因素水平安排到一個L16(45)正交設(shè)計表中，加水量(5、10、15、20 μL)、樣品量(1、5、10、15 mg)、升溫速率 (5、10、15、20℃/min)各分為4個水平(表1)，其中A、B、C三列為試驗因素，D、E兩列為空列用于誤差分析，所得結(jié)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異均未達顯著水平(表2)。這表明正交試驗所設(shè)計的各個組合可以獲得無差異的數(shù)據(jù)，但為了建立一個相對標準的測試體系、獲得穩(wěn)定可靠的試驗結(jié)果，本研究進行了第二次正交試驗。利用衡量數(shù)據(jù)重復性的參數(shù)相對標準偏差(RSD)為參考數(shù)值，以期發(fā)現(xiàn)TAQ20DSC的最優(yōu)試驗條件。

表1 正交設(shè)計及試驗結(jié)果

表2 方差分析表

圖1表明，在樣品量一定的條件下，隨著加水量的減少，糊化溫度峰值的信號不斷減弱;反之，當加水量一定時，隨著樣品量的增加，糊化溫度峰值的信號也不斷減弱，直至無法檢出。正交設(shè)計各個組合的結(jié)果也表明，樣品量最小、加水量最大組合的糊化溫度值信號最為明顯。精米的平均粒重一般約為20～25 mg，胚乳各層隨著成分和淀粉含量的不同，糊化溫度會產(chǎn)生一定的差異。為了減小由于米粉樣品量較小而可能引起的測定偏差，獲得更為準確的糊化溫度值，應該在坩堝容量范圍內(nèi)，保證試驗準確度的條件下，多增加米粉量。3個因素分別為12 L純凈水、3 mg米粉樣品、15℃/min，也可作為較佳試驗條件。組合6的RSD值為5.474 0，且其GT測試結(jié)果為74.2℃，不宜采用這個組合作為進行DSC測定的試驗條件。

圖1 相同樣品量條件下不同加水量的熱流曲線

2.3 糊化溫度與堿消值、直鏈淀粉含量的相關(guān)分析

采用正交試驗確定的DSC試驗條件對21份已測定堿消值(堿消值范圍3.2～7.0級、直鏈淀粉質(zhì)量分數(shù)范圍3.9% ～30.5%)的秈稻精米粉樣品進行糊化溫度測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，糊化溫度與堿消值的相關(guān)系數(shù)雖然為│r= － 0.754│ ＞ r0.001，19=0.665 2，兩者之間存在著極顯著的負相關(guān)性，但堿消值的測定結(jié)果并不能完全代替糊化溫度。糊化溫度與直鏈淀粉含量的相關(guān)系數(shù)為 r=0.51 ＞ r0.02，19=0.503 4，其糊化溫度與直鏈淀粉含量存在顯著正相關(guān)性。

重新設(shè)計水平差異更小的因素水平及試驗結(jié)果列于表3。將加水量的范圍在10～16 μL之間分為10、12、14、16 μL 等4 個水平，樣品量在1.8 ～3.0 mg之間分為1.8、2、2.5、3 mg 等 4 個水平，各個水平的升溫速率保持不變。正交試驗時每種組合3次重復。在具有糊化溫度真實值(66℃)的組合中比較其結(jié)果的相對標準偏差(RSD)值，確定各因素的最佳值(表3)。結(jié)果表明，組合12具有最小的RSD值(0.006 9)，其3次結(jié)果的平均值為66.18℃，符合預試驗的測試范圍，3個因素的組合為14 μL純凈水、3.0 mg米粉樣品、10℃/min升溫速率，可以作為最佳的試驗條件。另外，組合 3(0.092 1)、組合 7(0.026 9)、組合8(0.062 4)、組合 16(0.053 3)也有較小的RSD值，其中組合8的GT平均值為66.45℃，

表3 正交設(shè)計及試驗結(jié)果

3 結(jié)論

通過2次正交試驗設(shè)計的試驗，確定了DSC測試稻米粉糊化溫度的精密度良好的最佳試驗條件為加水量 14 μL、米粉樣品量為 3.0 mg、升溫速率為10℃/min。應用此條件對21份堿消值和直鏈淀粉含量已知的秈稻精米粉進行糊化溫度測試，將得到糊化溫度結(jié)果與堿消值和直鏈淀粉含量作相關(guān)分析，相關(guān)分析結(jié)果分別為r=－0.754和r=0.51，表明秈稻稻米的糊化溫度與堿消值或直鏈淀粉含量之間存在顯著的負相關(guān)性或正相關(guān)性。本研究僅為利用TA公司Q20型差示掃描量熱儀的測試結(jié)果，雖然不能代表其他公司不同型號的差示掃描量熱儀，但在這些DSC儀器確定最佳試驗條件時具有一定的參考價值。

［1］李杰，田翠華，項麗霞，等.蓮藕淀粉糊化溫度測定方法的比較［J］.中國糧油學報，2007，22(3):70 －72

［2］許永偉，魯戰(zhàn)會，程永強，等.電導率法測定淀粉糊化溫度測定及其影響因素的研究［J］.食品科技，2008，10:199－203

［3］GB/T 14490—1993谷物及淀粉糊化特性測定法黏度儀法［S］

［4］NY 147—1988標準米質(zhì)測定方法［S］

［5］包勁松.應用RVA測定米粉淀粉成糊溫度［J］.中國水稻科學，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，F(xiàn)igueroa 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

浙江省自然科學基金(Y3080217)，浙江省重大科技攻關(guān)專項(2007C12902)

2010－12－03

張大鵬，男，1982年出生，博士，作物遺傳育種

石春海，男，1956年出生，教授，博士生導師，作物遺傳育種