应用笔记 - 磁共振

利用NMR可对脂肪结晶的早期阶段进行检测

“在这项工作中,我们已经确认,跟踪10 kHz下的R1值可以检测结晶的初始阶段。”

“在这项工作中,我们已经确认,跟踪10 kHz下的R1值可以检测结晶的初始阶段。”

由于其高甘油三酯含量,植物脂肪有很强的结晶倾向。这是由一个复杂的过程引起的,而三种脂肪酸结构上的巨大变化则使这一过程更加复杂。脂肪酸的链长和饱和程度的跨度很大,各种脂肪酸能以多种组合形成甘油三酯。这些结构变化会影响甘油三酯的熔点,因而也会影响其结晶特性。

食品工业使用植物脂肪作为许多产品中的关键成分。因此,结晶的性质十分重要,这是因为所形成的晶体类型决定了植物脂肪的最终物理性质和特性。甘油三酯的结晶包括两个不同的阶段。第一阶段形成不稳定的α-多晶型,第二阶段形成更稳定的β或β′多晶型。β或β′型的形成是不可逆的。所产生的晶体形式是由结晶发生时的温度及其所耗费的时间决定的

β′型植物脂肪通常较软,能更好地支持透气性,可用于加工奶油,其更强的功能性使之成为食品工业中的首选。因此,生产商希望能够控制所形成的晶体类型。这在巧克力生产中尤为重要,因为可可脂的错误结晶形式会给巧克力带来不良的特性。例如,可能产生沙砾感、易碎,或表面出现白垩光泽。

在食品工业中,由于脂肪结晶在决定最终产品质量方面的关键作用,使人们有必要充分了解脂肪结晶的复杂性。希望对所涉及的过程有更深入的了解,以使对易变性的控制更为容易。

20 MHz 下的时域核磁共振(TD-NMR)通常被用于脂肪结晶的动力学研究,但由于其灵敏度较低,在结晶物质比例很小的情况下不能用于测定结晶诱导时间。因此,此类分析中通常采用差示扫描量热法。

然而,研究人员最近发现,通过降低频率,TD-NMR甚至可以对脂肪结晶的早期阶段进行检测。研究人员选用布鲁克 Minispec-mqone SFC分析仪,以低于1 MHz的频率,对可可脂的固体脂肪含量进行了TD-NMR测量。其检测结果与标准TD-NMR、快速场循环NMR法和小角X射线散射法进行了比较。

比较结果表明,标准TD-NMR对早期结晶阶段的检测灵敏度较低,在晶体较少的情况下,小角度X射线散射法的检测效果更好。然而,研究还表明,低频TD-NMR能比标准TD-NMR提供更多关于脂肪结晶过程早期阶段的信息。此外,使用一种新的快速场循环NMR方法,在10 MHz频率下能很容易检测出这些早期变化。

最新的研究还提供了有关熔融甘油三酯团簇结构的新见解。结果表明,甘油三酯聚集在一起,一些游离甘油三酯则与外层脂肪酸相互作用形成一个外壳。这一过程与温度有关,因此很可能是控制形成晶体类型的目标阶段。

研究人员采用低频标准弛豫NMR和新的快速场循环NMR法研究了可可脂的两步结晶过程。因此,低频NMR为研究早期脂肪结晶活动提供了一种具备替代性和补充性的方法。

Ladd Parada M. et al. MagnReson Chem. 2019;57:686–694. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/mrc.4860