低場核磁共振在線檢測巧克力的熔化過程

陳芳宇,陳 超,趙大偉,張松平,馬光輝,蘇志國,李秀男,*

(1.中國科學(xué)院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室,北京 100190;2.中國科學(xué)院大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,北京 100049)

巧克力是由糖和脂肪等制成的一種復(fù)雜的半固體懸浮體系,其中的粗脂肪含量為30%左右,粗脂肪中大部分的成分為可可脂。由于巧克力中粗脂肪和可可脂的含量各不相同,導(dǎo)致巧克力的熔化過程非常復(fù)雜,熔化溫度各不相同[1-3]。而熔化溫度直接影響到巧克力的品質(zhì),包括其滑潤程度以及口溶性,因此對巧克力這種復(fù)雜體系,熔化過程和溫度的評價至關(guān)重要[4-5]。

目前對巧克力熔化過程和溫度的評價檢測方法主要有感官評定法、差式掃描量熱法(DSC)和固體脂肪含量檢測法(SFC)。其中,感官評定法通過口感硬度,粗糙顆粒感以及口溶性,依靠人的嗅覺,觸覺和口感對巧克力進(jìn)行評價和測定,是巧克力新產(chǎn)品開發(fā)和改進(jìn)的重要方法,但存在著一定的個體差異,實施周期長、操作繁瑣[6-7]。DSC法可以精確測定巧克力中不同脂肪熔化過程引起的熱流變化,誤差小,數(shù)據(jù)收集分析簡單,但直觀性相對較低,難以從整體上分析巧克力的熔化溫度[8]。SFC法是一種利用低場核磁共振技術(shù),測定不同溫度下樣品中固態(tài)脂肪含量的方法,并不能準(zhǔn)確表征巧克力的熔化溫度[9]。因此開發(fā)一種快速簡便的分析方法分析巧克力的熔化過程并精確測定巧克力的熔化溫度,可以更好地評價巧克力的品質(zhì),為巧克力的加工和質(zhì)控提供更加準(zhǔn)確的表征手段。

表1 實驗材料

巧克力的熔化過程伴隨著固態(tài)脂肪到液體油分子狀態(tài)之間的變化,隨著溫度的升高,油分子的遷移運(yùn)動速率增加[10],在油層間的遷移出現(xiàn)顯著差異[11],因此可以通過油分子的遷移運(yùn)行性變化對巧克力熔化過程進(jìn)行實時表征。低場核磁共振(LF-NMR)橫向弛豫時間(T2)可以反映油分子的運(yùn)動性,具有非侵入性和非破壞性的特點[12-14],在很多食品的含油、含水率、相變等方面的研究中得到廣泛應(yīng)用[15]。因此可利用低場核磁共振技術(shù)對巧克力的熔化過程進(jìn)行快速、原位的測定。

然而已有的LF-NMR無法對樣品在線控溫,不能保證測定時樣品實際溫度的準(zhǔn)確性。為了準(zhǔn)確檢測巧克力的熔化過程,本研究將對常規(guī)的LF-NMR進(jìn)行改進(jìn),增加樣品在線控溫裝置,建立LF-NMR在線控溫分析系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上對巧克力樣品進(jìn)行程序升溫和在線LF-NMR檢測,通過T2直觀地表征巧克力的熔化過程,分析可可脂、粗脂肪含量對巧克力熔化溫度的影響,建立一種快速簡便檢測巧克力熔化過程的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

四個品牌六種黑巧克力 購自北京華聯(lián)超市,使用前置于4 ℃冰箱保存。采用市售巧克力,保證了樣品的重復(fù)性和標(biāo)準(zhǔn)化。六種市售黑巧克力如表1所示。

FC-770電子氟化液 美國3M公司;GX-05光纖溫度探測器 南京五石金傳感技術(shù)有限公司;NMRC12-010V低場核磁共振儀(LF-NMR) 蘇州紐邁分析儀器股份有限公司;DK-8D超級恒溫循環(huán)水浴 南京學(xué)靜生物科技有限公司;樣品在線控溫裝置 本研究設(shè)計構(gòu)建;MultiExp Inv Analysis software核磁共振在線分析應(yīng)用軟件 蘇州紐邁分析儀器股份有限公司;BSA224S電子分析天平 德國賽多利斯科學(xué)儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 巧克力待測樣品制備 巧克力從冰箱中取出后,放入研缽中迅速研磨并過篩,得到均勻的粉末(約200目),稱取1 g放入1.5 mL色譜瓶中得到待測樣品。

1.2.2 樣品在線控溫裝置的構(gòu)建 樣品在線控溫通過對低場核磁共振儀的樣品槽進(jìn)行改造來實現(xiàn),如圖1所示。在樣品槽的外部加入液體循環(huán)夾套,夾套中液體的溫度控制通過超級恒溫循環(huán)水浴實現(xiàn)。超級恒溫循環(huán)水浴中的循環(huán)液體為不含氫離子的電子氟化液,從而避免了水或者油分子對低場核磁共振信號的干擾。利用光纖溫度探測器對樣品槽中的樣品進(jìn)行溫度檢測,保證檢測精度為±0.1 ℃。通過樣品在線控溫裝置對巧克力樣品進(jìn)行程序升溫,初始溫度為20 ℃,升溫速率0.5 ℃/min,最終溫度40 ℃,終溫保持時間5 min。

圖1 LF-NMR在線控溫分析系統(tǒng)

1.2.3 低場核磁共振測定巧克力熔化過程 樣品在線控溫裝置和低場核磁共振儀一起構(gòu)成了LF-NMR在線控溫分析系統(tǒng),如圖1所示。巧克力的熔化過程通過LF-NMR在線控溫分析系統(tǒng)進(jìn)行測試。將待測樣品放入樣品槽,通過樣品在線控溫裝置進(jìn)行程序升溫。升溫過程中平均每間隔2 min測定一次樣品,約100 min完成一組黑巧克力樣品的測試。

圖2 固液脂肪懸浮體系弛豫時間模型(a)和D1(70%)巧克力的弛豫時間T2譜圖(b)

低場核磁共振儀磁場強(qiáng)度為0.3 T,射頻頻率主頻為12 MHz,采樣頻率為100 kHz,數(shù)據(jù)半徑設(shè)為3,采樣點數(shù)為119994,采樣開始時間設(shè)為0.080 ms。使用自旋回波Carr-Purcell-Mebiboom-Gill(CPMG)序列進(jìn)行測量,90 °脈沖寬度,即持續(xù)時間(P1)為4.12 s,180 °脈沖時間(P2)為8.64 s,90 °脈沖和180 °脈沖之間的間隔(回波時間,TE)為0.300 ms,重復(fù)次數(shù)為32次,重復(fù)等待時間(TW)為2000 ms,回波個數(shù)(NECH)為4000。使用核磁共振在線分析應(yīng)用軟件及CPMG序列采集樣品的T2信號。重復(fù)操作步驟完成對不同品種巧克力的熔化過程測試。

1.2.4 巧克力熔化過程中橫向弛豫時間T2計算

式(1)

式中:T2b表示固體油分子的弛豫時間,T2f表示液體油分子的弛豫時間,mbw表示固體油分子質(zhì)量,mfw表示液體油分子質(zhì)量,mw表示巧克力質(zhì)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用MultiExp Inv Analysis software核磁共振在線分析應(yīng)用軟件對CPMG序列采集的樣品回波信號進(jìn)行處理,每個樣品重復(fù)測定三次,使用Origin軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 巧克力中油的分布

甘油三酯分子中的氫質(zhì)子(T2<1000 ms)比水中的氫質(zhì)子(T2>2000 ms)的弛豫速度快,這是由于甘油三酯比簡單的水分子具有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和更長的鏈長,即油中的質(zhì)子比水中的質(zhì)子處于更受限制的環(huán)境中[14]。因此T2值與液態(tài)油運(yùn)動性之間的關(guān)系可以簡單概括為由于巧克力中液體脂肪的遷移受的束縛越大,運(yùn)動性越弱,T2值越小[17-19]。

圖2(a)為固液脂肪懸浮體系弛豫時間的模型圖,圖中衰減曲線與縱坐標(biāo)的交點是液體油峰的起始點,代表了不同狀態(tài)下脂肪衰減運(yùn)動的開始,整個衰減曲線反映了巧克力樣品中吸附在脂肪表面上的液體油分子弛豫時間變化的快慢,將樣品的衰減曲線弛豫信息通過式(1)計算可得到橫向弛豫時間(T2)[22]。圖2(b)中顯示的為70%可可含量的黑巧克力D1分別在21.56、27.78、33.47 ℃溫度條件下油分子的T2分布圖。巧克力的體系中同時存在固體脂肪分子和液體脂肪分子[17],本研究用CPMG序列測得了巧克力的T2圖譜,所得到的黑巧克力的T2譜圖在T2>10 ms之后有一個信號強(qiáng)度較大的峰,由于巧克力在熔化過程中液體脂肪含量增多,并且隨著溫度的升高該峰面積越來越大,因此確定該峰為液體油峰[20-21]。達(dá)到一定溫度后,信號強(qiáng)度值達(dá)到最大后又下降到一定值后趨于平穩(wěn)。

從圖2中可以看出衰減的過程就是巧克力的熔化過程,衰減的速度越快,液體油分子弛豫時間越大。溫度升高的同時,巧克力中自由液體脂肪含量也隨之增多,分散在巧克力中,油峰起始點的弛豫時間將變大,液體油脂的運(yùn)動性就會增加,巧克力逐漸熔融[22]。

2.2 可可脂含量對脂肪運(yùn)動性的影響

確定了液體油峰后,對進(jìn)口品牌B和D在熔化過程中液體油峰的起始點與峰頂點弛豫時間隨溫度的變化進(jìn)行分析,如圖3所示。

圖3 巧克力熔化過程中液體油峰的起始點與峰頂點弛豫時間隨溫度變化圖

分子運(yùn)動可以由橫向弛豫時間(T2)來表征,T2弛豫時間對巧克力中脂肪的遷移運(yùn)動靈敏,特別是液體油分子中的自旋運(yùn)動[23-24],因此黑巧克力熔化過程中液體油峰的起始點與峰頂點的T2弛豫時間反映了液體油脂的運(yùn)動性。圖3(a)和(b)中B品牌的兩種不同可可含量的黑巧克力隨溫度的升高,峰起始點和峰頂點都逐漸增大,當(dāng)溫度分別達(dá)到33.12、35.08 ℃時,70%可可含量的B1黑巧克力峰起始點和峰頂點分別從0.28、16.29 ms增大為21.54、75.64 ms,85%可可含量的B2黑巧克力峰起始點和峰頂點分別從0.01、2.01 ms增大為21.54、75.64 ms。弛豫時間T2顯著增加的原因在于橫向弛豫機(jī)制對油分子隨溫度的變化具有高敏感性。由于熔融的巧克力形成的懸浮體系,其特性不同于理想流體[25],顯示出非牛頓流動性質(zhì),因此在熔融巧克力的分散體系中,液體油分子的運(yùn)動性取決于液體油相與被吸附脂肪的比值,即巧克力中的干固物(如蔗糖、可可、乳粉等)分散于脂肪的比值[2,24],以及彼此間形成的均勻厚度的吸附層。這個均勻的吸附層中,自由運(yùn)動的液相油分子與被吸附固體油顆粒各有1個單一的馳豫時間Tf、Tb,可以得出整個巧克力油峰的馳豫率計算公式(見式1)[26],當(dāng)液體脂肪在熔化過程中運(yùn)動性增強(qiáng)時,分散到巧克力中越來越多,由于弛豫時間T2值對油分子運(yùn)動的敏感性,整體巧克力測得的液體油峰弛豫時間T2開始顯著增加。

對70%和86%可可含量的D品牌黑巧克力的液體油峰的弛豫時間T2變化進(jìn)行分析,如圖3(c)(d)。隨溫度升高,液體油峰的弛豫時間T2明顯增大,D品牌的兩種黑巧克力D1、D2的峰起始點和峰頂點分別從1.14、9.32 ms增大到21.54、75.64 ms以及從0.57、8.11 ms增大到21.54、75.64 ms,弛豫時間T2都增大為原來的幾十倍。不同可可含量的黑巧克力在達(dá)到某一溫度時,巧克力完全熔化,測得液體油峰的峰起始點和峰頂點將不再變化。結(jié)果顯示,兩個進(jìn)口品牌的黑巧力隨著可可含量的增加,液體油分子分散到巧克力中就會越多,并且運(yùn)動性越來越強(qiáng)[23]。

對兩個國產(chǎn)品牌的A和C黑巧克力分別進(jìn)行了測定,圖4為其熔化過程中液體油峰的起始點與峰頂點的弛豫時間隨溫度的變化。結(jié)果表明,A品牌黑巧克力熔化過程液體油峰的峰起始點與峰頂點的弛豫時間分別從1.51、9.32 ms增大到32.74、86.97 ms,C品牌黑巧克力從0.65、14.17 ms增大到24.77、86.97 ms?？梢钥闯鯟品牌黑巧克力的液體油峰的峰起始點T2值要比A品牌黑巧克力的更小,并且C品牌黑巧克力在弛豫時間T2為86.97 ms達(dá)到平衡,比A品牌黑巧克力的平衡弛豫時間更長,運(yùn)動性更強(qiáng)。該結(jié)果反映出C品牌黑巧克力中液體脂肪含量高于A品牌,這一結(jié)果與兩種品牌巧克力中實際可可脂的含量相符,同時證明了LF-NMR在線控溫分析方法的可行性和準(zhǔn)確性。

2.3 巧克力的熔化溫度

巧克力中液體脂肪的弛豫時間T2隨溫度升高顯著增加,對液體油分子運(yùn)動具有高敏感性。液體油峰面積代表巧克力熔化過程中游離氫原子數(shù)目,即液體脂肪含量[14,27],巧克力熔化過程中液體油分子增多,油峰面積增大。分析熔化過程中液體油峰面積的變化,可以得出巧克力的熔化溫度。

圖5分別為兩個品牌不同可可含量的進(jìn)口巧克力中油峰面積隨溫度的變化,從圖5中可以看出,同種巧克力隨著溫度的升高,液體油峰的峰面積也是增加的,當(dāng)達(dá)到最大峰面積時逐漸平穩(wěn),此時巧克力由粉末狀完全熔化為液體脂肪,因此達(dá)到最大峰面積時對應(yīng)的溫度就是巧克力的熔化溫度。

圖4 巧克力熔化過程中液體油峰的起始點與峰頂點弛豫時間隨溫度變化圖

圖5 不同可可脂含量的巧克力液體油峰的峰面積隨溫度變化圖

從圖5中可以看出，70%可可含量的B1與85%的B2黑巧克力的熔化溫度分別為33.12、35.08 ℃?？煽芍繛?0%的D1與含量為86%的D2黑巧克力的熔化溫度分別為33.47、35.95 ℃,與B品種黑巧克力的液體油峰變化趨勢是一致的,說明在同一個品牌的巧克力中,隨著可可脂含量的增加,黑巧克力的熔化溫度是逐漸增大的。

除了可可脂含量以外,粗脂肪含量對黑巧克力的熔化溫度也有一定影響,如表2所示,在巧克力樣品的組成成分中D品牌黑巧克力的粗脂肪含量高于B品牌,結(jié)合圖5,D品牌中黑巧克力的熔化溫度要比B品牌黑巧克力的偏大,隨著巧克力中粗脂肪的含量的升高,巧克力的熔化溫度也是逐漸增大的。

表2 巧克力樣品的組成成分

表2還列出了另兩個國產(chǎn)品牌的A和C黑巧克力的粗脂肪的組成以及本研究中通過LF-NMR在線控溫分析系統(tǒng)分別測得的熔化溫度。圖6為這兩種巧克力液體油峰的峰面積隨溫度變化圖,測得A和C品牌的黑巧克力熔化溫度分別為32.99、33.08 ℃。由于C品牌黑巧克力中粗脂肪的含量高于A品牌黑巧克力中的含量,這與用LF-NMR在線控溫分析系統(tǒng)測得的熔化溫度C品牌黑巧克力高于A品牌黑巧克力的結(jié)果是一致的。

由LF-NMR在線控溫分析系統(tǒng)測得的熔化溫度可以證實進(jìn)口的B和D品牌黑巧克力中粗脂肪含量高于國產(chǎn)的A和C品牌。相比進(jìn)口的兩種黑巧克力B和D的熔化過程,國產(chǎn)的C品牌黑巧克力在可可脂含量比進(jìn)口的黑巧克力低時,C品牌黑巧克力測得的熔化溫度也略低于70%可可脂含量的進(jìn)口B和D品牌,這也說明國產(chǎn)的巧克力中可可脂的含量低于進(jìn)口的巧克力可可脂含量[28]。

圖6 巧克力中液體油峰的峰面積隨溫度變化圖

Gao等采用流變儀對同樣四個品牌巧克力的熔化過程進(jìn)行了檢測[16],表明國產(chǎn)品牌的黑巧克力A、C在同樣溫度下,比進(jìn)口品牌的黑巧克力B、D剪切屈服應(yīng)力更小,分析造成這一結(jié)果的原因是國產(chǎn)黑巧克力A、C的熔化溫度較低。但其并沒有準(zhǔn)確檢測到巧克力的熔化溫度。本研究的結(jié)果與流變學(xué)檢測結(jié)果相符,說明了方法的合理性。并且LF-NMR在線控溫分析系統(tǒng)可以實現(xiàn)準(zhǔn)確測定巧克力熔化溫度的目的,實時在線檢測巧克力的熔化過程。

3 結(jié)論

黑巧克力樣品在程序升溫過程中,弛豫時間T2值隨溫度升高而顯著增加,進(jìn)一步的,通過T2峰面積的變化直觀準(zhǔn)確地測定了巧克力的熔化溫度。結(jié)果表明不同品牌巧克力的熔化溫度隨著可可脂含量以及粗脂肪含量的增加逐漸升高,與流變法測定的結(jié)果相符。LF-NMR在線檢測方法具有準(zhǔn)確、快速、在線等優(yōu)勢,克服了DSC法直觀性差,SFC法操作復(fù)雜、準(zhǔn)確性低等問題。本方法可以更好的評價巧克力的品質(zhì),對巧克力的生產(chǎn)、加工、質(zhì)量控制和保藏運(yùn)輸具有重要的參考意義,并可為其他復(fù)雜油脂類食品如黃油、奶酪等的加工和質(zhì)控提供一項重要的研究手段。