DWS技术检测脂肪的结晶结构——Rheolaser Crystal结晶分析仪应用

1．DWS测试技术介绍

微观结晶分析仪（Rheolaser Crystal）基于多散斑扩散波光谱学原理(DWS)。激光被样品中的颗粒散射，形成光学信号，通过数学处理后得到样品结构的表征参数，叫做微观动力因子(Hz)（Micro-Dynamics），微观动力因子随时间或温度逐渐发生变化，当产品微观结构发生显著变化时（如相转变等）会出现特征峰。将该因子进行积分，可以得到微观动力因子演化图。

仪器基本结构

结构变化时出现的特征峰

2．脂肪结晶的构成

脂肪的结晶成分主要是脂肪酸，脂肪酸依赖于不同的结晶条件可以形成混合的甘油三酯，下图左为共晶形式，下图右为多晶形式。

共晶和多晶

脂肪多晶的组成结构，从小至大依次为：分子、薄板、纳米片状（多层薄板）、脂肪球、宏观脂肪。 

脂肪多晶的结构

脂肪多晶（固体）在加热融化过程中，当温度超过低熔点的脂肪球熔点时，低熔点的脂肪球先分解，高熔点的脂肪球依然支撑着脂肪的整体形状，类似于Jenga积木一样，虽然部分结构瓦解了，但是整体形状依然保持不变。随着温度继续增加，高熔点的脂肪球再分解，脂肪全部变成液体。

多晶融化过程示意图

3．实测数据

样品信息

蜜蜡（低融化点），烛木蜡（高融化点），混合蜡（50%蜜蜡50%烛木蜡）

下图是蜜蜡和烛木蜡升温融化过程的微观动态因子（μD）曲线图，纵坐标代表着结晶结构的变化程度，即100%意味着结晶结构完全变化；横坐标为样品实际温度。

样品融化过程的微观动态因子曲线图

从图中可见，蜜蜡在较早的温度下结晶就开始变化瓦解，当温度升高至70℃时结晶完全瓦解（融化变为液体）；而烛木蜡μD在55- 65℃的缓慢增加，随后在73-78℃快速的增加，说明烛木蜡具有两种不同的结晶结构，即多晶。

将蜜蜡和烛木蜡以50/50混合后，以2℃/min的速度使样品结晶。测试该结晶在融化过程中的结晶结构变化过程。

样品融化过程的微观动态因子曲线图

从图中可见，在2℃/min的降温速度下，混合蜡样品（中间的曲线），在低温时，蜜蜡的结晶结构先瓦解，而后随着温度升高，烛木蜡的结晶结构再瓦解，说明混合蜡样品形成了典型的多晶结构，一部分是蜜蜡结晶，另一部分是烛木蜡结晶。

将混合蜡以更快的降温速度冷却，测试该结晶在融化过程中的结晶结构变化过程。

样品融化过程的微观动态因子曲线图

可以看到，越快的降温速度，得到的T50（结晶结构变化到达50%时的温度）越高，说明结晶结构越以烛木蜡为主。当混合蜡直接在冰水浴中结晶时，可以看到形成的结晶结构完全为烛木蜡结晶，蜜蜡分子在形成结晶前，体系就烛木蜡结晶凝固了，没有来得及组装成蜜蜡结晶。这说明，脂肪在凝固时，越快的降温速度越利于形成共晶。

4．结论

1．共晶的脂肪产品具有单一的融化点，多晶样品具有多个融化点。

2．对于混合的脂肪结晶，越快的降温速度越利于形成共晶。

3．Rheolaser Crystal可以监测样品的微观结构变化过程，判断样品的结晶结构，确定每个多晶的相转变温度。

4．DWS方法监测结晶结构变化过程，具有精度高（升降温速率设置范围）、分辨率高（光学无侵入式测量）、通用性强（不限制样品形态可直接测试）的优点，可以监测样品所有的物理转变现象结晶、融化、相转变、多晶形态转变等。