SAXS/WAXS联用测试对可可脂的快速热研究

对可可脂进行SAXS/WAXS联用测试，以研究热处理下脂质相的演变

介绍
 

       可可脂是一种多形态混合物，有多达六种甘油脂（脂肪酸）的结晶形式，其中每一种都有不同的稳定性和熔点。为了在巧克力产品中获得最稳定的多晶型物，在生产过程中使用一种叫做回火的可控结晶。最常用的回火方法中主要包括以下连续四步：I）完全融化巧克力至所有脂肪晶体都融化，II）降低温度促进结晶，III）等待稳定和非稳定多形体的结晶出现，IV）再把温度升高至非稳定结晶（稳定多晶体的熔点一般比非稳定高）的熔点。随后，进一步降低温度至室温，稳定的晶体将会作为结晶过程中的晶种，促进可可脂大量结晶成稳定的形式。因此，热历史对最终结晶相有直接的影响，反过来最终结晶相也直接与口感相关。SAXS和WAXS联用是一种强大的技术，可以发现晶体相的形态随温度的变化。在此应用手册中，我们研究了可可脂的非均衡纳米结构随温度的变化，模拟了回火的部分过程。
 

测试和结果
 

       液态Criollo可可脂首先在50℃烤箱中融化30分钟，并在低真空下排气30分钟。随后将样品转移到与凝胶/粉末孔尺寸一致的模具中。模具内样品完全凝固后，转移到凝胶/粉末孔中热处理。图1即是可可脂样品的温度周期。为了获取相变随温度变化的准确过程，在不间断模式下进行高频测试（在这种情况下，每12秒获得一张图像）。通过两个探测器同时进行SAXS和WAXS测试，然后使用XSACT软件的批量处理模式合并1D数据，这样就包含了连续的q值范围[0.003, 4.2] Å^-1。叠加所有曲线从而生成热研究的全局视图，如图2（a）所示。
 

图1. 采集数据时的温度周期

       图2（b）显示长周期q=0.128 Å^-1（由Δ标记）的主要多晶体在20℃时开始结晶。几分钟后，在q=0.115 Å^-1和0.23 Å^-1时，样品温度低于14℃（由*标记），SAXS光谱出现额外的峰值。能够观察到这些峰值意味着不稳定瞬态多晶体的出现，在SAXS数据中主要层状相出现后并且只在有限的时间内出现。同时，如图2（c）所示，WAXS数据在q= 1.40 Å^-1处的宽峰和q=1.53 Å^-1处尖峰之间有个平滑的过渡，这也可以解释成是从βv到β’的相变。SAXS光谱观察到的额外层状相表明从49Å到57Å的短暂膨胀，最终使其完成到β多晶型物的完全转变。
 

图2.（a）每12s按时间顺序采集的温度变化散射数据。1D数据从下（开始）到上（实验结束）排列，用颜色表示强度，纵轴是相关的温度。 这里SAXS和WAXS联用实验的q值范围涵盖了[0.003, 4.2] Å^-1。

（b）子图（A）的红色区域分隔了3D 的SAXS区域。这里曲线颜色表示温度。为清楚起见，每个1D数据都按时间顺序垂直移动。

（c）子图（a）的黄色区域分隔了3D 的WAXS区域。这里数据的颜色表示温度。为清楚起见，每个1D数据都按时间顺序垂直移动。在4℃下记录两次采集间隔10分钟。

结论

       SAXS/WAXS联用测试已经用于研究Criollo可可脂晶体的结构随温度的演变。在不间断模式下进行高频测试，研究这种复杂材料的非均衡形态。因此，可以观察不同层状相的形成和熔化，并确定精确的结晶和熔化温度。据作者所知，当样品一直保持在4℃时，有证据显示存在短时间的长周期，最终只留下稳定的相，这个之前没有报道。最后，通过利用相应的峰的散射矢量q，可以确定在均衡形态下的脂质层状形貌和相关晶相。这项工作证明了实验室SAXS/WAXS设备可用于精确研究脂肪在食物加工过程中的行为，如可可脂这种复杂食品。