温度驱动的可可脂与乳木果硬脂混合物多晶型、微观结构与热性质变化研究

《Food Biophysics》：Temperature-Driven Changes in the Polymorphism, Microstructure and Thermal Properties of Cocoa Butter/Shea Butter Stearin Blends

本研究针对糖果产品中可可脂替代品（CBAs）应用日益广泛的需求，深入探讨了可可脂（CB）与乳木果硬脂（ShS）混合物的结晶行为。通过X射线衍射、显微分析和热分析技术，研究人员系统分析了不同比例混合物的多晶型行为、微观结构和熔化特性，发现混合物的多晶型行为比单一脂肪更复杂，存在β'-2L与β'-3L形式的共存，且其形成受组成比例和热处理条件的显著影响。结果表明，增加ShS比例可提高混合物的热稳定性，延缓β相发展，并改变微观结构，这对开发耐热巧克力产品和改善食品质地具有重要指导意义。

　　

巧克力产品的独特口感与质地很大程度上源于可可脂（cocoa butter, CB）的熔化行为——它在口腔温度下迅速熔化，释放挥发性芳香化合物，带来丝滑细腻的体验。然而，全球对巧克力产品需求的增长，加上糖果配方需要更大的功能灵活性，推动了对可可脂替代品（cocoa butter alternatives, CBAs）的开发与应用。其中，可可脂等效物（cocoa butter equivalents, CBEs）是一类与CB甘油三酯（triacylglycerol, TAG）组成相似的替代脂肪，常来源于富含CB类TAG的热带脂肪，如乳木果脂。乳木果硬脂（shea stearin, ShS）作为乳木果脂分馏得到的高SOS（1,3-二硬脂酰-2-油酰甘油）含量组分，具有高熔点特性，适用于热带气候或需要耐储存的产品，但CB与ShS混合后的结晶行为、多晶型演变和微观结构尚不明确。

为此，Jorge Macridachis等人发表在《Food Biophysics》上的研究，系统探讨了不同CB/ShS比例混合物在动态热处理和等温条件下的多晶型行为、熔化特性及微观结构变化，为设计功能定制化脂肪产品提供了重要依据。

研究人员主要应用了差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）分析结晶与熔化行为，X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）鉴定多晶型形态，核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）测定固体脂肪含量（Solid Fat Content, SFC），以及偏光显微镜（Polarized Light Microscopy, PLM）观察晶体形态演变。样品包括纯CB、纯ShS以及CB/ShS质量比为70%、50%和30%的混合物，所有样品均经过熔融均质化处理，并在特定温度程序下进行分析。

多晶型行为受动态热处理影响

通过DSC和XRD分析，研究发现纯ShS在冷却和再加热过程中形成亚α-2L、α-2L、γ-3L和β'-3L等多种亚稳态多晶型形式，其具体形式受冷却速率影响。在0.5°C·min^-1慢速冷却下，β'-3L形式更为显著。而CB/ShS混合物则表现出更复杂的行为，β'-2L和β'-3L形式共存，其中β'-2L多见于高CB比例样品，因POP、POS、SOS混合结晶形成固溶体，而β'-3L则在ShS比例高时更易形成。慢速热处理有助于β'-2L的发展，表明TAG分子需要更长时间实现分子间相互作用。

熔化特性与固体脂肪含量分析

SFC分析显示，纯CB在30–35°C之间出现急剧下降（从约51%降至1%以下），这是巧克力典型熔化特性所在温度区间。而随着ShS比例增加，混合物的SFC曲线变得更为平缓，熔化区间向高温移动。例如，50%CB混合物在30°C时SFC约为34%，而纯ShS在40°C时仍保有约2%的固体脂肪。等固曲线分析表明，CB与ShS在混合时未出现明显的低共熔行为，二者相容性良好，这得益于POP、POS、SOS之间的分子互作。这一特性使得适度比例的ShS添加（如≤30%）可用于开发耐热巧克力，避免高温环境下的质地劣化。

等温条件下β相发展及微观结构演变

在22°C等温结晶过程中，通过XRD和PLM监测了40天内晶体形态与多晶型转变。纯CB中，β′?-2L为主要形式，随时间的推移逐渐转变为β?-3L（Form V），并形成典型的羽毛状结构。纯ShS则经历γ-3L与β′-3L向β-3L的转变，最终形成大型球晶与高度有序分支结构。在CB/ShS混合物中，β相的形成速度随ShS比例增加而减缓，但微观结构更加均匀有序。70%CB混合物在10天内即完成β相发展，形态类似经典调温可可脂；而高ShS样品则需要更长时间，且晶体更小、排列更紧密，反映出SOS主导的TAG组成对晶体生长的影响。

本研究阐明，CB/ShS混合物的多晶型行为比单一组分更复杂，其形式受到组成比例与热处理条件的共同调控。ShS的添加提高了混合物的热稳定性，延缓了β相形成，并促使微观结构更加均匀有序。这些发现为开发耐热性巧克力、延长产品货架期以及优化食品质地提供了理论依据和技术方向。尽管β相发展在高ShS含量时变慢，但其高度有序的晶体结构有助于产品宏观性质的稳定性和可预测性。因此，在工业生产中，通过调整CB/ShS比例与热处理工艺，可以实现对巧克力等多脂食品功能特性的精准调控。