تکنیک DSC در تحلیل نشاسته

ساختار نشاسته

نشاسته، عنوانی است که برای گرانول های ذخیره کننده پلیمر ها گلوکز در گیاهان استفاده می شود. دانه های گرانول بر پایه ساختار نیمه کریستالی متشکل از آرایش فضایی پلیمر آمیلوپکتین شکل گرفته است که از مرکز گرانول به سطح گسترش می یاید. مولکول های آمیلوز نیز در این فضا گسترده شده است. ایجاد نواحی کریستالی، به دلیل تشکیل مارپیچ های دورشته ای است از انشعاب های آمیلوپکتین ایجاد می شود. این سازه های کریستالی، ابعادی در حد چند نانومتر دارد و توده این دانه های کریستالی، لایه های متناوب کریستالی و بی نظم را در گرانول ایجاد می کند. به همین دلیل، نشاسته در آب سرد معلق نیست و آب را هم به میزان خیلی کمی جذب می کند. با این حال، همین مساله، ویژگی های خاص نشاسته یعنی تورم در آب داغ و ایجاد ویسکوزیته بالا را امکان پذیر کرده است.

تغییرات با دما

وضعیت ساختار کریستالی نشاسته، به دما و رطوبت وابسته است. در شرایطی که رطوبت کافی در دسترس باشد و دما، بالاتر از دمای ژلاتینه شدن باشد، با نفوذ مولکول های آب به فضای کریستالی و مارپیچ های دو رشته ای، کریستال ها، اصطلاحا ذوب شده و تحرک مولکول ها افزایش می یابد. این فرایند مقدمه ژلاتینه شدن نشاسته و تشکیل خمیر است. این فرایند، به جهت تغییر وضعیت انرژی مولکول ها، یک فرایند گرماگیر است. تجهیزاتی مانند DSC ، قادر به تشخیص این تغییرات انرژی هستند.

DSC یا کالریمتری روبشی افتراقی

کالریمتری روبشی افتراقی، تکنیکی برای اندازه گیری انرژی گرمایی الکتریکی لازم برای اعمال تغییرات دمایی در یک نمونه نسبت به نمونه شاهد است. نمونه مورد آنالیز، وزنی در حدود چند میلی گرم دارد و سنسورهای دمایی به شدت حساس، تغییرات دمایی و انرژی را ثبت می کنند. پدیده های تغییر فاز ماده مثل عبور از نقطه گذار شیشه ای و ذوب، به دلیل اینکه با انرژی های نهان و تغییرات ظرفیت گرمایی نمونه همراه است، نیاز به اعمال انرژی متفاوتی نسبت به حالت قبل از گذار دارد و بر همین اساس، انرژی الکتریکی متفاوتی را نشان می دهد. این تغییرات برای تفسیر دماهای گذار فیزیکی ماده، تشریح می گردد.

نشاسته و DSC

آزمون اندازه گیری ویژگی های حرارتی نشاسته با روش DSC شامل آماده سازی یک سوسپانسیون نشاسته با حداقل 80 درصد آب درون ظرف مخصوص نمونه است. ظرف نمونه باید از نوع مخصوص فشار بالا در شرایط بسته بودن درب باشد. ظرف نمونه در مقایسه با نمونه شاهد که ظرف خالی است، با شیب دمایی خاصی، حرارت داده می شود. در نهایت، نمودار تغییرات شار انرژی در برابر دما، ترسیم می گردد. نقاط گذار فیزیکی در قالب قله هایی، قابل مشاهده و اندازه گیری است. در صورتی که آب در محیط نمونه به اندازه کافی نباشد، الگو های ذوب متفاوت خواهد بود. بر این اساس، برای کسب یک نتیجه صحیح و متقارن با رفتار ذوب نشاسته در عمده محصولات غذایی که تحت فرایند حرارتی قرار می گیرد، مقدار کافی آب، لازم است.

ویژگی های ذوب کریستال نشاسته

• فرایند ذوب شدن کریستال آمیلوپکتین، تدریجی و در دمای کمتر از دمای جوش آب اتفاق می افتد. دلیل این مساله، متفاوت بودن گونه های کریستالی است. هر قله مشاهده شده شامل سه بخش دمای شروع ذوب، دمای اوج ذوب و دمای پایان ذوب است.
• مشابه الگوی ذکر شده در مورد ذوب کریستال آمیلوپکتین، در ارتباط با ذوب کمپلکس چربی و آمیلوز در نشاسته های حاوی آمیلوز و مولکول های چربی مانند نشاسته ذرت، نیز مشاهده می شود. این قله، عمدتا در دمای بالاتر از 100 درجه سانتی گراد مشاهده می شود.
• یکی دیگر از پارامتر های مهم در نمودار DSC مربوط به سوسپانسیون نشاسته، انرژی لازم برای ذوب یا آنتالپی ذوب است که با اندازه گیری سطح قله مورد نظر اندازه تعیین می گردد و به نسبت جرم نمونه ارایه می شود. هرچه ساختار کریستالی نشاسته گسترده تر و کامل تر باشد، آنتالپی ذوب در واحد جرم افزایش خواهد یافت.
• با رتروگراداسیون نشاسته، به دلیل تفاوت ساختاری کریستال های تشکیل شده و کاهش مقدار آن در مقایسه با مقدار های اولیه، اندازه گیری آنتالپی ذوب در نشاشته رتروگرید شده و مقایسه آن با مقدار اولیه، می تواند معیاری از شدت بازگشت ساختار کریستالی یا رتروگراداسیون باشد.
• DSC در دمای بالای 120 تا 200 درجه سانتی گراد، می تواند برای تحلیل شدت حضور مارپیچ های دوگانه های آمیلوزی که در این محدوده دمایی ذوب می شود، مورد استفاده قرار گیرد.
• این تکنیک در بررسی محصولاتی مانند نان و کیک که نشاسته، نقش اساسی دارد، برای تحلیل بیاتی یا رتروگراداسیون به روش گفته شده، کاربرد دارد.

برای دریافت اطلاعات بیشتر به مقاله های پتانسیل های کاربردی نشاسته آمیلوز بالا و تکنیک های دستگاهی در توسعه فرمولاسیون مراجعه نمایید.