對可可脂進行SAXS/WAXS聯用測試，以研究熱處理下脂質相的演變

介紹
 

       可可脂是一種多形態混合物，有多達六種甘油脂（脂肪酸）的結晶形式，其中每一種都有不同的穩定性和熔點。為了在巧克力產品中獲得最穩定的多晶型物，在生產過程中使用一種叫做回火的可控結晶。最常用的回火方法中主要包括以下連續四步：I）完全融化巧克力至所有脂肪晶體都融化，II）降低溫度促進結晶，III）等待穩定和非穩定多形體的結晶出現，IV）再把溫度升高至非穩定結晶（穩定多晶體的熔點一般比非穩定高）的熔點。隨后，進一步降低溫度至室溫，穩定的晶體將會作為結晶過程中的晶種，促進可可脂大量結晶成穩定的形式。因此，熱歷史對最終結晶相有直接的影響，反過來最終結晶相也直接與口感相關。SAXS和WAXS聯用是一種強大的技術，可以發現晶體相的形態隨溫度的變化。在此應用手冊中，我們研究了可可脂的非均衡納米結構隨溫度的變化，模擬了回火的部分過程。
 

測試和結果
 

       液態Criollo可可脂首先在50℃烤箱中融化30分鐘，并在低真空下排氣30分鐘。隨后將樣品轉移到與凝膠/粉末孔尺寸一致的模具中。模具內樣品完全凝固后，轉移到凝膠/粉末孔中熱處理。圖1即是可可脂樣品的溫度周期。為了獲取相變隨溫度變化的準確過程，在不間斷模式下進行高頻測試（在這種情況下，每12秒獲得一張圖像）。通過兩個探測器同時進行SAXS和WAXS測試，然后使用XSACT軟件的批量處理模式合并1D數據，這樣就包含了連續的q值范圍[0.003, 4.2] Å^-1。疊加所有曲線從而生成熱研究的全局視圖，如圖2（a）所示。
 

圖1. 采集數據時的溫度周期

       圖2（b）顯示長周期q=0.128 Å^-1（由Δ標記）的主要多晶體在20℃時開始結晶。幾分鐘后，在q=0.115 Å^-1和0.23 Å^-1時，樣品溫度低于14℃（由*標記），SAXS光譜出現額外的峰值。能夠觀察到這些峰值意味著不穩定瞬態多晶體的出現，在SAXS數據中主要層狀相出現后并且只在有限的時間內出現。同時，如圖2（c）所示，WAXS數據在q= 1.40 Å^-1處的寬峰和q=1.53 Å^-1處尖峰之間有個平滑的過渡，這也可以解釋成是從βv到β’的相變。SAXS光譜觀察到的額外層狀相表明從49Å到57Å的短暫膨脹，最終使其完成到β多晶型物的完全轉變。
 

圖2.（a）每12s按時間順序采集的溫度變化散射數據。1D數據從下（開始）到上（實驗結束）排列，用顏色表示強度，縱軸是相關的溫度。 這里SAXS和WAXS聯用實驗的q值范圍涵蓋了[0.003, 4.2] Å^-1。

（b）子圖（A）的紅色區域分隔了3D 的SAXS區域。這里曲線顏色表示溫度。為清楚起見，每個1D數據都按時間順序垂直移動。

（c）子圖（a）的黃色區域分隔了3D 的WAXS區域。這里數據的顏色表示溫度。為清楚起見，每個1D數據都按時間順序垂直移動。在4℃下記錄兩次采集間隔10分鐘。

結論

       SAXS/WAXS聯用測試已經用于研究Criollo可可脂晶體的結構隨溫度的演變。在不間斷模式下進行高頻測試，研究這種復雜材料的非均衡形態。因此，可以觀察不同層狀相的形成和熔化，并確定精確的結晶和熔化溫度。據作者所知，當樣品一直保持在4℃時，有證據顯示存在短時間的長周期，最終只留下穩定的相，這個之前沒有報道。最后，通過利用相應的峰的散射矢量q，可以確定在均衡形態下的脂質層狀形貌和相關晶相。這項工作證明了實驗室SAXS/WAXS設備可用于精確研究脂肪在食物加工過程中的行為，如可可脂這種復雜食品。