研究可可脂结晶

从可可豆中提取的可可黄油（CB）是一种可食用的蔬菜脂肪。CB通常用于家庭和个人护理产品（例如乳液和药膏），CB是巧克力的重要组成部分。CB在巧克力糖果内形成连续阶段，并赋予巧克力光泽，质地，快照，熔化行为和对脂肪盛开的抵抗力。这些物理特征是总体晶体结构和CB的三酰基甘油（TAG）组成的直接结果。

通常，TAG分子假设调谐叉配置，而标签“叉”组装以形成晶体晶格结构。在结晶过程中，随着CB油冷却，标签分子会减速，并且标签彼此接触并形成所谓的“亚晶体细胞”。¹在子细胞形成后，它们被热力学驱动以聚集成更稳定，更大的晶体结构。²分子内和分子间相互作用的平衡决定了子细胞结构的自组装及其进一步的聚集。根据标签的方向和分子水平填料，CB可以形成各种晶体晶格结构（或多晶型物）类型，其中某些晶体结构比其他晶体结构更可取。通常，CB结晶是一个非常复杂的多阶段过程。为了增强巧克力制造工艺并保持产品质量，应该了解CB的等温结晶行为。

在本文中，流变性与原位拉曼光谱法用于研究可可黄油的等温结晶。拉曼光谱法是一种无损，非常敏感且相对快速的技术，可以探测液体和固体TAG组件中的构象和分子结构，以及内部和标记Intrags Intra-tag组合。通过并发的流变数据和拉曼光谱，CB的等温结晶过程中的构象变化和分子水平相互作用直接与块状粘弹性特性的变化有关，从而对可可脂的多面结晶行为提供了独特的见解。

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市售有机可可黄油（theobroma cacao）从Inesscents™（美国奥什兰市）获得。

流变学

一种Thermo Scientific™Haake™MARS 60节省仪在1毫米的间隙高度下配备锯齿状直径35毫米的板盘转子进行流变测量。锯齿状的板用于避免在样品旋转界面上滑动。所有测量均在振荡模式下进行，恒定应变为0.1％，频率为1 Hz。将CB样品在60°C下加载到流变仪上，并使其平衡10分钟，以去除样品负载中的任何剪切病史和/或晶体结构。遵循平衡步骤，以10°C/分钟的速度将温度迅速从60°C降低至22°C。随后，温度在22°C下保持恒定120分钟，每10秒获取每10秒的数据。

图像1。（a）Thermo Scientific™Haake™MARSXR Rheoraman系统。（b）MARSXR Rheoraman系统的示意图（显示流变仪样品阶段的侧面和顶视图）。IXR拉曼光谱仪是使用镜头管和镜子将光引导到20倍物镜的镜头管和镜子。该目标聚焦了传入的激光（绿色虚线），并收集坐在流变仪阶段的样品中的后冰片段的拉曼灯（黄色）。

拉曼光谱法

使用Thermo Scientific™IXR™拉曼光谱仪对拉曼光谱测量进行了测量。样品在样品中使用了具有10 MW激光功率的532 nm激光器。50-3500厘米^-1是光谱范围。使用2秒的暴露时间和四个样品暴露获得光谱。用于色散拉曼控制数据采集和处理的Thermo Scientific™OMNIC™软件。对于文章中给出的数据，使用该串联软件的时间序列收集功能在OMNIC中用于分散拉曼软件软件包，在预定的时间窗口上获取了顺序的拉曼光谱（与流变学测量平行）。

rheoraman耦合

这Thermo Scientific™Haake™MARSXR Rheoraman系统由Haake Mars 60节奏组组成，Haake Mars 60流变仪使用Haake Rheoraman模块组合在一起（图1A）。IXR拉曼光谱仪是自由空间与流变序列相结合的，它使用一系列镜子将入射激光引导到Rheoraman模块中（图1B）。在模块内，激光束由镜子指向20倍物镜，在该物镜中，激光光聚焦在样品中（垂直于涡度平面或流动）。使用相同的20倍物镜获得了反向散射的拉曼灯，并使用与入射激光器相同的光学序列（最终到光谱仪内的光谱仪；图1B）。

将样品放在锯齿状的35毫米板转子之间（使用纹理板以防止在样品板界面上滑动）和砂玻璃底板。风湿性模块内部的电加热元件可从样品下方提供温度控制，同时使用主动电罩来从上方提供温度控制（消除了样品中温度梯度的潜力）。温度控制的水浴循环器提供了样品的冷却。

结果与讨论

拉曼光谱：可可黄油结晶

图2显示了500-3100 cm中液相CB熔体和晶体固体CB的拉曼光谱^-1范围。

在两个指纹区域（1000-1800厘米）都可以看到突出的拉曼特征^-1）和C – H拉伸区（2700-3050厘米^-1）。更明确的是，较低的拉曼移位特征包括：烯烃（C = C）频带大约1655 cm^-1，羰基（C = O）拉伸区（1700-1800厘米^-1），C – C拉伸区（1000-1200厘米^-1），ch₂扭曲区域（1250-1300厘米^-1）和CH₃和ch₂变形

（约1460和1440厘米^-1， 分别）。

图3显示了熔化和固化的CB样品的C-H拉伸区。观察到大约2850厘米的两个显着峰^-1和2882厘米^-1，这归因于对称和不对称CH₂分别伸展。²2882​​厘米处的不对称振动^-1在固相中占主导地位，而对称振动模式在2850 cm处^-1在液体（熔体）相中占主导地位。因此，2850厘米^-1和2882厘米^-1条带分别是无定形和晶体含量的强烈指标。³随后，我₂₈₈₂/我₂₈₅₀峰强度比在该过程中动态跟踪晶体形成原位风湿性测量。

图2。融化和结晶可可黄油的完整拉曼光谱

图3。C-H拉伸区的拉曼光谱（2700-3050厘米^-1）用于融化和结晶可可黄油

尽管与C-H伸展区域的强度不高，但在指纹区域（1000-1800 cm）发现了约八个独特的光谱特征^-1;图4）。将CB熔体状态与晶相进行比较时，在C – C拉伸区（1000-1200 cm）观察到了最显着的变化^-1）。1063厘米出现了两个突出的功能^-1和1130厘米^-1在固化过程中，该过程分别来自不对称和对称C-C拉伸。^4,5在熔体阶段，由于甲基gauche构象的无序作用，所有C-C拉伸带均相对较弱和宽。

图4。1000–1800厘米^-1拉曼光谱范围用于融化和结晶可可黄油

但是，随着CB的固化，峰在1130 cm处出现^-1，表明将骨干甲基排序为反构造。因此，除了我₂₈₈₂/我₂₈₅₀峰强度比，我₁₁₃₀/我₂₈₅₀光谱标记用于跟踪CB中CB内的晶相跃迁原位风湿性测量。

同时流变学和拉曼光谱学（Rheoraman）

这melt-to-solid phase transition of cocoa butter was investigated rheologically using small amplitude oscillatory shear measurements (Figure 5a), where the storage modulus G’ and loss modulus G” were measured as a function of time at the isothermal temperature of 22 °C. G’ is the measure of material’s elastic behavior and G” is the measure of a material’s viscous behavior. A liquid-like material will be more viscous than elastic (i.e., viscously dominated), and consequently, G” will be greater than G’. On the other hand, a solid-like material will exhibit more elastic behavior than viscous behavior (i.e., elastically dominated), where G’ will be greater than G”. The overall magnitudes of G’ and G”, together with their relative difference in magnitude, often described as the ratio of G”/G’, establishes the general viscoelasticity and overall resistance to deformation for a given material.

G“/g”的比率（图5a的右Y轴绘制）通常用于跟踪材料的粘弹性：

其中δ是定义为振荡性剪切测量过程中输入应变和压力正弦波（反之亦然）之间的滞后或偏移。

术语“ tan（δ）”通常称为损耗或阻尼因子。棕褐色（δ）的值大于统一表示粘性的（液体样）行为，而小于统一的值表示弹性占主导地位（固体样）行为。与单个模量不同，棕褐色（δ）可用于测量材料的整体脆性，通常用于评估玻璃过渡行为。通常，随着棕褐色（δ）变小，g偏离g”，材料变得更脆（或类似玻璃）。

During the initial part of the isothermal hold at 22 °C from 0 to 5 minutes (immediately following the rapid decrease in temperature from 60 °C to 22 °C), there was an increase in both G’ and G” as the CB transformed from a melted liquid to a soft semi-solid (Figure 5a). This initial increase in modulus is most probably due to a delay between the internal temperature and the set temperature of the loaded sample. After the sample had attained thermal equilibrium and was at the isothermal set point of 22 °C, the moduli were quite stable from 10 to 25 minutes. However, from 25 to 50 minutes, both G’ and G” start to increase gradually and then from 50 to 80 minutes, there was a rapid increase in the moduli, where G’ and G” increased by nearly 5 and 4 orders of magnitude, respectively. The exponential increase in the moduli signifies a solidification process, where the CB changed from a pliable semi-solid to a more robust, hardened solid. At 80 minutes and above, there was a gradual decrease in the growth in the elastic modulus and was eventually plateaued, showing no further considerable change after 100 minutes. However, in the viscous modulus, a slight plateau was reached from 80 to 100 minutes and then continued to gradually decrease from 100 minutes and beyond.

在G’和G的增加期间，“阻尼因子TAN（δ）从〜65分钟及以后迅速下降（图5A，右Y轴）。阻尼的减少

因子表示G’和G之间的总体幅度偏差”。随着CB硬化，G'的增加超过了G的增加，从而触发了TAN（δ）的减少。在120分钟的等温研究结束时，G’比G大的数量级要大，并且损耗因子接近0.01，这表明CB已过渡为脆性玻璃样固体。

图5。（a）流变学：g’和g”（分别填充和开放的圆圈；在左y轴上绘制）和棕褐色（δ）（绘制在右y轴上）和（b）拉曼：i₁₁₃₀/我₂₈₅₀（左Y轴，绿色）和我₂₈₈₂/我₂₈₅₀（右Y轴，黑色）在22°C下等温结晶期间CB的峰强度比。45分钟时的垂直虚线表示G’和g的增加”，而在65分钟处的虚线表示棕褐色（δ）的减少和拉曼比率的增加。

同时使用拉曼光谱法进一步证实了观察到的流变行为（图5B）。首先，两者都我₁₁₃₀/我₂₈₅₀和我₂₈₈₂/我₂₈₅₀在等温研究的最初〜65分钟内，峰强度比保持不变。然后在〜65分钟，比率我₁₁₃₀/我₂₈₅₀和我₂₈₈₂/我₂₈₅₀开始急剧增加，表示CB内晶体结构的形成。随着CB的进一步结晶，两个光谱标记的连续增加从65分钟增加到100分钟。在不到100分钟的时间里，两种拉曼特征的增长都放慢了，峰强度比开始稳定。

总体而言，1130和2882厘米的增加速率^-1光谱比和G'和g的变化速率（即，它们在相似的斜坡上增加）相似。然而，观察到的G'和g”与拉曼强度比的增加之间存在15-20分钟的滞后。G’和g”中的急剧上升表示对变形的抗性（即CB的大量硬化），这表明了固化过程的开始。另一方面，拉曼光谱标记是晶体形成的指标。因此，拉曼剖面和流变学之间的时间延迟意味着CB首先将其硬化成无定形的固体，然后将无定形的固体变换变成晶体固体。随后与晶体CB结构相关的拉曼条带强度的增加表示了这种形态的转化（1130和2882 cm^-1峰）。CB的大量硬化与晶体结构域的形成之间存在明显的区别，这是通过流变学和拉曼光谱曲线的时间分离来指示的。

一个有趣的事实是，拉曼光谱特征的增加之间存在直接相关性（我₁₁₃₀/我₂₈₅₀和我₂₈₈₂/我₂₈₅₀）和观察到的棕褐色（δ）（图5a和b）。损耗因子是材料脆性的指示，通常已知晶体结构是脆性的。因此，逻辑是，分子水平（拉曼指示）在分子水平上的形成与CB的总体勃起性一致。因此，损失因子可能比单独使用G'和g“更易于显示的大量CB结晶指标”。

结论

拉曼光谱和流变学测量同时用于研究可可黄油的等温结晶。这种多模态分析技术使可可脂（G’，g”和tan（δ）的大量机械性能与分子水平的构象变化直接相关（ν_作为（ch₂）模式为2882厘米^-1和ν_s（C-C）1130厘米的模式^-1） 实时。在快速冷却（10°C /分钟）和等温温度为22°C之后，流变响应（G’和G”）和拉曼光谱曲线之间存在明显的时间滞后。观察到的时间延迟表示CB通过最初将其硬化成无定形的固体而结晶，这表现为G'和g的迅速增加，而拉曼特征则保持不变。随后，无定形固体经历了形态学过渡，形成了结晶固体，无定形固体，并由与晶体CB结构相关的拉曼特征的增加表示（1130和2882 cm）^-1）。仅通过结合这两种独立的分析技术，才可以观察到无定形的固定体对结晶固化的转化。通过他们本身，这两种技术都需要单段过程，但是多阶段结晶过程仅通过耦合两种技术来揭示。这进一步证明了通过将流变学与原位拉曼光谱法。尽管该实验侧重于CB的等温结晶，但此处应用的基本原理应与广泛的材料过程有关，例如固化行为，聚合，凝胶化以及其他剪切诱导的现象。

参考和进一步阅读

1. K. Sato，脂质的结晶：食品，化妆品和药品中的基本面和应用。新泽西州霍博肯：John Wiley＆Sons，2018年。
2. S. Bresson，D。Rousseau，S。Ghosh，M。ElMarssi和V. Faivre，多态形式的拉曼光谱和可可黄油的液态， 欧元。J. Lipid Sci。技术。113，992–1004，2011。
3. R. G. Snyder，H。L。Strauss和C. A. Elliger，C – H拉伸模式和N-烷基链的结构。1.长，无序的链条，J。Phys。化学86，5145–5150，1982。
4. R. J. Meier，使用拉曼光谱研究聚乙烯中的反构象序列的长度：一项计算研究，聚合物。43，517–522，2002。
5. M. Zheng和M. Du，多组分石蜡的相行为，构象，热力学特性和分子运动：拉曼光谱研究。气。光谱。40，219–224，2006。

此信息已从Thermo Fisher Scientific - 材料与结构分析提供的材料中采购，审查和调整。亚博网站下载

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