乳糖-麦芽糊精体系热诱导动态与结构变化的分子机制：中子散射、热分析与拉曼光谱的多尺度研究

为解决食品工业中乳糖与麦芽糊精复合体系在热加工及储存条件下的结构稳定性问题，研究人员结合差示扫描量热法(DSC)、热重分析(TGA)、拉曼光谱及中子散射技术(NT/NCS)，揭示了低湿度(33%)下乳糖结晶的动力学特性及高湿度(65%)下晶体熔融的分子机制。研究发现，乳糖结晶过程伴随局部动力学不变性，而麦芽糊精可延缓结晶并维持体系稳定性，为食品储存工艺优化提供了理论依据。

　　

在食品工业中，乳糖和麦芽糊精这对“黄金搭档”广泛应用于各类加工食品，但它们的“脾气”却让人捉摸不透——温度或湿度稍有变化，就可能引发结晶、熔融甚至分解。更棘手的是，传统检测手段如差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry, DSC)需要反复加热消除“样品历史效应”，而热重分析(Thermogravimetric Analysis, TGA)又难以捕捉分子层面的动态变化。这些问题直接影响了含乳糖食品的货架期预测与工艺优化。

针对这一挑战，克拉科夫农业大学联合英国STFC中子散射中心的研究团队在《Journal of Food Engineering》发表了一项突破性研究。他们创新性地将中子康普顿散射(Neutron Compton Scattering, NCS)和能量依赖性中子透射(Neutron Transmission, NT)等核技术，与传统热分析、拉曼光谱联用，首次实现了从原子振动到宏观热力学行为的跨尺度解析。

关键技术包括：1) DSC/TGA监测相变温度与热稳定性；2) 拉曼光谱追踪分子振动模式变化；3) NCS测定氢核动量分布宽度(NMD widths)表征局部动力学；4) NT结合平均官能团近似理论(Average Functional Group Approximation, AFGA)解析长程结构有序性。样本为实验室配制的乳糖-麦芽糊精(1:1)混合体系，分别在33%和65%相对湿度下预处理。

【温度诱导的结构变化】
DSC数据显示，33%湿度下处理的样品出现147.5°C的吸热峰，对应无水乳糖晶体熔融，其熔融焓(142.6 J/g)显著高于文献值，表明麦芽糊精的加入增强了晶体热稳定性。TGA衍生物(DTG)曲线在180-200°C区间的失重峰证实了该结论。

【湿度依赖的动力学行为】
NCS测得的关键参数——质子NMD宽度在33%湿度样品中保持恒定，揭示结晶过程未改变局部氢键振动模式。这一反直觉现象说明结晶仅影响长程有序性，而分子尺度动力学维持“冻结”状态。

【高温熔融机制】
65%湿度条件下，NT曲线在120°C以上显著偏离AFGA理论预测，结合DSC的宽熔融峰(120-160°C)，证实了部分结晶区的逐步熔融。NCS检测到恒定化学计量比，排除了焦糖化等分解反应干扰。

【玻璃化转变的分子指纹】
拉曼光谱在30-50°C区间观察到羟基伸缩振动峰(3000-3600 cm^-1)展宽，与DSC检测的玻璃化转变温度(T_g)高度吻合。此时NMD宽度仍符合AFGA模型，表明玻璃化转变源于分子次级结构松弛，而非振动态密度改变。

这项研究通过多技术联用策略，首次阐明麦芽糊精通过“动力学隔离”机制延缓乳糖结晶：在低湿度下维持局部动力学稳定性，在高湿度下抑制晶体完美生长。Matthew Krzystyniak等提出的AFGA-NCS联合分析方法，为食品多糖体系研究建立了新范式。从应用角度看，该成果为调控乳制品储存稳定性提供了精确的温湿度参数窗口，尤其对含乳清蛋白的保健食品开发具有指导价值。未来研究可进一步探索不同DE值麦芽糊精的调控效果，推动食品工程从经验导向向分子设计转型。