物理特性检测方法在乳脂研究中的应用

乳脂的物理特性检测方法主要包括差示扫描量热法（DSC）、电子显微技术（EM）、脉冲傅里叶变换核磁共振技术（PFT-NMR）以及X-射线衍射技术（XRD），用来研究乳脂的固体脂肪含量、同质多晶现象以及熔化结晶动力学。

乳脂结晶行为意味着乳脂肪没有明确的熔点，而是在很宽的温度范围内熔化。通常情况下，温度在40℃以上时乳脂为液体，温度在-40℃以下时完全固化，其他条件下乳脂是固体脂肪和液体油脂的混合物。混合物中固体脂肪的含量是非常重要的，因为许多乳制品在特定温度下，固体与液体脂肪的比例影响产品的流变性质，因此在奶油和黄油加工中是很重要的指标。

测定固体脂肪含量（SFC）最传统的方法是膨胀计测定法（AOCS Cd10-57），该法测得的只是固体脂肪指数（SFI），而且这种方法费力费时。近年来差示扫描量热法和脉冲傅里叶变换核磁共振技术已经为国外的实验室和工业生产普遍采用。

（一）差示扫描量热法（DSC）测定固体脂肪指数

差示扫描量热法是在程序控制升温下，测量输给试样和参考物的能量差与温度（或时间）关系的一种技术。功率补偿型差示扫描量热仪是基于动态零位平衡原理，不但可以直接用于研究单体或复杂体系的组成、结构和性能，而且还能与其他物理化学方法相互印证和补充，从而更准确更全面的研究物质的物理性质。

该方法基于在加热或冷却期间在乳脂中发生的热转变。在脂肪样品的升温谱图中，分别升高或降低温度所需的能量转移到样品的能量转移作为样品的温度的函数被重新定义。这样的曲线图显示出了在完全熔化范围内发生的相变。当脂肪被加热时，会表现出很多的熔化行为，每一次晶型的转化或是重结晶都会转化为更为稳定的晶型，而稳定的晶型具有更高的熔点，因此吸热峰的变化可以指示晶型的变化。

DSC在油脂分析上可以测定油脂的比热及快速测定塑性脂肪的固体脂肪指数（SFI），DSC现已广泛应用于脂肪塑性和油脂结晶行为研究。DSC法通过测定脂肪中固体部分的熔化热来确定SFI。一般操作是将融化均匀的油样称重置于铝锅，再放入仪器的样品槽中。样品冷却到-30℃，维持1min，然后升温到测定固体脂肪值需要的温度（一般是0℃），维持4min后温度达到平衡，接着开始使用差示扫描量热法连续测定，加热程序一般为10℃/min。

DSC测定的结果与传统法相比令人乐观，尽管它的精确度稍差，其测定的迅速性可弥补精确度的不足，目前用于实验室测定和快速分析固体脂肪指数则极为方便。但是该方法用于检测奶油时，由于奶油中的水分使熔解曲线的解释变得复杂，因为水相转变掩盖了大量熔点低于0℃的脂质，且熔融热分析图中基线的位置是不确定的。

（二）脉冲傅里叶变换核磁共振法（PFT-NMR）测定固体脂肪含量

PFT-NMR的特点是在强而短的射频脉冲作用下，不同基团的原子核同时被激发，当脉冲停止作用后，它们都会产生相应的核磁共振信号，即自由感应衰减信号（FID）。这样的信号是时域谱，不能直接利用，需将其通过计算机经傅里叶变换转换为频域谱。采用PFT-NMR这种无损伤技术可方便的对少量样品进行累加实验，使得对样品量的要求大为降低并显著的改善信噪比。

PFT-NMR（AOCS Cd 16b-93）现在已成为一种测定动植物油固体脂肪含量的标准方法，且已经逐步取代了传统的膨胀计测定法而用于食品工业，它是确定油脂固体脂肪含量的一种更可行的方法，实践也证明PFT-NMR具有好的重复性和再现性，准确度也更高。(www.xing528.com)

PFT-NMR测定SFC的原理是将脂肪样品置于强磁场中，固体脂肪中的质子与液体脂肪中的质子的弛豫时间不同；在固液脂肪混合物中施加了射频脉冲后，根据来自固相和液相的NMR信号量的不同，就可求得SFC。PFT-NMR测定SFC可分为直接法和间接法两种类型。其中，直接法是测量两个不同的时间下脂肪混合物的信号强度，而间接法是测定两个不同温度下液体部分的信号强度。美国油脂化学家协会的研究结果表明直接法系统误差小、精密度高、试样处理量少，因此是使用最为广泛的NMR SFC法。PFT-NMR测定SFC的调温方法也有两种：连续法和平行法。其中连续法是在不同的温度下制备和测量某种样品，而平行法是指不同样品的温度程序是平行操作的，这样就可以大大减少分析所用的时间，不过平行调温的设备投资较多。目前，美国油脂化学家协会（AOCS）已将平行调温法作为标准使用。

对于纯脂肪样品，使用NMR方法出现的问题很少。但是样品中如果含有水分，水对信号有干扰，水的松弛时间稍高于油，不能排除相互间的信号。有研究表明通过添加顺磁离子（Cu²⁺、Mn²⁺），可以区分油和水信号，可以使水的松弛时间变小。Samuelsson和Vikelsoe将氯化锰（MnCl₂）加入到奶油中，以抑制水相信号。Walstra和van Beresteyn则使用硫酸铜（CuSO₄），同样达到目的。

Mortensen研究了通过NMR方法测定黄油中的液体或固体脂肪的含量，试图将不同含水量的黄油样品中的水分和脂肪信号分开。Merilainen和Antila发现，通过在黄油的水分中加入MnCl₂来消除水分干扰，使得直接在黄油上获得的NMR数据可以与无水脂肪进行比较，但是水脂信号分离的问题尚未得到圆满解决。

（三）同质多晶测定

同质多晶是同一物质能以一种以上的晶体形式存在的现象，它是甘油三酯的一个普遍特征。同质多晶现象在油脂工业中很重要，因为许多重要产品，如奶油、猪油、人造奶油、氢化植物起酥油以及可可脂等，它们的稠度、塑性、粒度以及其他物理化学性质都取决于甘油三酯中特有的同质多晶体的存在。为了生产出具有理想物性的产品，采用合适的方法研究并控制三酸甘油酯的同质多晶现象极为重要。到目前为止，相关的报道主要是以差示扫描量热法（DSC）和X-射线衍射法（XRD）为研究手段的。

XRD不同于其它分析方法，它是研究晶体中分子三维结构的几何性质与分子本身性质的最有用的技术。波长为0.1～1nm的X-射线照射晶体（晶体中分子间距为1nm）时，每个带电粒子都成为一个新的散射中心，向四面八方发出散射波；当满足Bragg定律的散射方向就会有显著的X-射线衍射发生。若已知照射到晶面上的X-射线的波长λ，由出现最大强度的衍射角就可以算出相应的界面间距，从而研究晶体结构。

XRD可用于鉴定各种不同的晶型。从衍射图样上观察到的是晶格短距离的特征值（0.3～0.6nm），它对应于与脂肪酸碳氢链分子侧向堆积有关的距离。用XRD进行的研究表明，即使单一脂肪酸构成的三酸甘油酯的晶型也有很大的差异。按Lutton的命名法，这3种主要类型的多晶分别叫做α、β′和β型。其晶胞结构堆积分别为六方晶系、正交晶系和三斜晶系。这3种晶型之间的关系为：分子堆砌密度依次增大，熔点依次升高，热力学稳定性也相应增加。晶型之间的转变是单向的，而且从理论上讲是自发从亚稳态的α型转变为较稳定的β′型和稳定的β型。脂肪熔融物在骤然冷却时出现的是最不稳定的α态多晶型，但冷却速率非常慢时也会出现稳定的β′或β型。在油脂中存在大量的、混合酸甘油酯的同质多晶情况远比上述的单一酸甘油酯复杂得多，晶体多晶类型更多，转移规律也更为复杂。这就需要采用DSC和XRD等方法进行深入的研究。复杂脂肪混合物的同质多晶现象取决于一系列的参数：冷却速率、固化温度、晶种的特征（晶核的存在）、机械处理（搅拌）以及可可脂的组成。研究表明，X-射线粉末衍射法（XRPD）是研究可可脂晶体结构和同质多晶现象的一个有效的工具，主要原因有以下几点：可清楚的鉴定多晶型，所有的多晶型物在0.3～0.6nm区域都存在一个特征图样；连续的粉末图样（例如作为温度或时间的函数）能够揭示结晶、熔化和相变过程中的细节；总衍射强度与试样中晶态物质的数目相关。Kee van Malssen等就采用这种快速XRPD研究了可可脂的结晶特性与固化温度、冷却速率等参数的关系，在证明了固化温度是影响可可脂结晶的最重要的参数的基础上，还发现除了β型以外的所有多晶型物都能从溶液中析出。

虽然DSC和XRD都可用于监测晶体的相变，但若单独用于复杂脂肪混合物同质多晶现象的研究都有一定的局限性。XRD测得的是各种多晶型物的数目，根据图样中衍射峰强度和位置的改变可以判断多晶型的转变，但由于一种多晶型物内的各种化学组分的衍射图样几乎完全相同，所以这种方法对相同的多晶型物内部的转变灵敏度较低。另外衍射峰峰宽的变化可能与晶体尺寸的减小以及化学组成的改变有关，而峰位置的移动可能是由于晶体的收缩或膨胀引起。因此仅仅基于XRD图样很难对脂肪的晶型转变加以量化。DSC测得的是晶型变化过程中的热焓。相比于XRD，DSC具有的优点是设备相对简单；不管变化是发生在相同的晶型物内部还是发生在不同的晶型物之间，都具有热焓相变的灵敏度。但DSC的主要缺点是它不能直接确定某种晶型的存在；而且若有几个反应同时发生，一般的DSC图就会表现出热效应的重叠现象而不易分开。不过调温差示扫描量热法（MTDSC）可以提高相邻峰（或重叠峰）的分辨率。所以仅仅采用XRD或DSC可能会得到错误的结论，这就需要在研究脂肪的同质多晶现象时将这两种方法结合使用，从而达到相互印证和补充的目的。E. Ten Grotenhuis等就采用DSC和快速XRPD研究了乳脂肪的同质多晶现象，他们在研究冷却速率和固化温度对乳脂肪的结晶特性影响时，同时采用DSC和XRD监测了晶体的形成过程，在乳脂肪中观察到了3种不同的晶型：α、β和β′，而且晶型之间会发生转变。

乳脂肪的物理性质，尤其是乳脂肪晶体的大小和晶型，大大影响许多乳制品的流变性能。乳脂肪结晶的许多信息可以用于结晶动力学的进一步研究，因为结晶时间的长短对于奶油的温度处理和乳脂肪分提是必不可少的。

固体或液体脂肪的含量可通过不同的方法进行测定，但最有发展前景的是脉冲核磁共振法。这种方法测量容易且快速，目前用于纯脂肪样品几乎没有问题。但是，像奶油既含有脂肪也含有一定量水分的样品，该方法准确确定液体或固体脂肪含量尚未得到圆满解决，需要展开更多的基础性研究。