基于交替固态13C NMR（HPDEC/CPMAS）监测可可基产品的结晶过程与多晶型

《Food Chemistry》：Monitoring the crystallization process and polymorphism in cocoa-based products via solid-state 13C NMR

　　

通过固态¹³C核磁共振（solid-state ¹³C NMR）监测可可基产品中的结晶过程与多晶型。研究人员交替采用固态¹³C NMR实验——高功率去耦（HPDEC）用于测定固体脂肪含量（solid fat content, SFC），交叉极化魔角旋转（CPMAS）用于评估多晶型——从而能够随时间同时监测结晶过程和多晶型转变。在40?°C下回火可导致更快的结晶，并常直接形成三斜晶系结构；而在50?°C和80?°C下回火则倾向于先形成六方/正交晶系，随后再转变为三斜晶系。研究人员采用多元曲线分辨-交替最小二乘法（Multivariate Curve Resolution with Alternating Least Squares, MCR-ALS）可靠地分离重叠的多晶型信号，用于计算多晶型分布。

研究背景：可可脂（cocoa butter, CB）是巧克力等可可基产品的核心油脂，其结晶速率和多晶型行为直接决定最终产品的品质。CB由多种三酰甘油（triacylglyceride, TAG）组成，以1,3-二棕榈酰-2-油酰-sn-甘油（POP）、1-棕榈酰-2-油酰-3-硬脂酰-sn-甘油（POS）和1,3-二硬脂酰-2-油酰-sn-甘油（SOS）为主，可结晶为六种多晶型（I–VI，即γ、α、β′、β等）。其中α为六方晶系，β′（III和IV）为正交晶系，β（V和VI）为三斜晶系。V型多晶型赋予巧克力最佳的光泽、脆响、货架期、口熔性和抗起霜性，而热力学最稳定的VI型反而会导致起霜和质构劣化，因此多晶型转变是调温工艺和产品质量控制中的关键难点。常用表征技术如广角X射线散射（WAXS）、X射线衍射（XRD）、差示扫描量热（DSC）、偏光显微（PLM）及时域核磁共振（TD-NMR）等往往存在信号重叠或无法直接区分多晶型的问题。研究人员前期已证明¹³C固态核磁共振（ssNMR）可监测CB的等温结晶，但CPMAS和HPDEC实验需分别进行，可能因结晶进程的差异而引入误差。为此，本研究提出在同一结晶过程中交替采集HPDEC和CPMAS谱，同步定量监测固/液含量与多晶型演变。相关论文发表于《Food Chemistry》。

研究内容与方法：研究人员选用三种样品：来自巴西圣埃斯皮里图州的可可脂（CB）、以巴伊亚州可可脂和可可液块制备的70%黑巧克力（DC70）以及商业化牛奶巧克力（MC）。样品分别在80?°C、50?°C或40?°C下熔融30分钟以设定不同的热历史，随后转移至23?°C的NMR探头中等温结晶。测量中每15分钟（CB）或30分钟（巧克力）交替采集HPDEC谱（用于测定固体脂肪含量，SFC）和CPMAS谱（用于监测多晶型）。由于CPMAS谱中33?ppm（六方/正交晶系）和34?ppm（三斜晶系）信号严重重叠，研究人员采用多元曲线分辨-交替最小二乘法（MCR-ALS）对重叠信号进行分解，并以XRD结果验证。

研究结果：3.1 可可脂结晶过程的定性分析：HPDEC谱显示液态TAG的CH₂信号随时间减弱，固态信号增强；CPMAS谱可区分33?ppm和34?ppm信号。在50?°C熔融时，CB先形成六方/正交结构，随后经固-固转变为三斜结构；在40?°C熔融时则直接形成三斜结构，且结晶速率更快，说明残余晶种诱导了更稳定晶型的直接生成。3.2 巧克力中可可脂结晶的定性分析：DC70的行为与CB类似，蔗糖信号（>60?ppm）不干扰CH₂区间（20–40?ppm）；MC在50?°C熔融后结晶极慢，40小时内未完成，在80?°C熔融后仅观察到33?ppm正交信号而无三斜信号，提示牛奶脂肪（5%）的低熔点显著延缓结晶过程。3.3 定量分析：以HPDEC谱计算SFC，CPMAS峰面积经SFC归一化。由于峰重叠，常规洛伦兹/高斯/Voigt拟合无法正确积分，改用MCR-ALS成功分离两个组分。结果显示：80?°C和50?°C熔融时，CB和DC70均先形成正交结构，随后三斜结构增加并伴随正交结构衰减；MC在80?°C下未出现三斜信号。40?°C熔融时所有样品均直接形成三斜结构。MCR验证指标良好，LOF<9%，RMSE<10%，R²>0.99。3.4 成核与相变：80?°C熔融完全消除热历史，成核诱导期长；50?°C未完全消除热历史，发生二次成核；40?°C条件下晶种保留，直接形成稳定三斜晶型。糖和乳脂等非可可成分影响结晶速率，但样品来源不同，无法直接横向比较。

讨论与结论：与XRD相比，¹³C ssNMR的CH₂信号不受蔗糖等非脂肪固体干扰，因此特别适合巧克力体系的多晶型研究。MCR-ALS能够可靠地校正重叠信号，获得合理的多晶型变化曲线。研究结论认为，交替HPDEC和CPMAS序列结合MCR处理，可对CB和巧克力中TAG的结晶过程及多晶型转变进行同步定量/半定量监测。该方法有望拓展至其他富含脂肪的基质（如黄油、人造奶油、猪油、牛脂和椰子脂），但需针对不同基质进行专门验证。