低场核磁共振在线检测巧克力的熔化过程

陈芳宇,陈 超,赵大伟,张松平,马光辉,苏志国,李秀男,*

(1.中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室,北京 100190;2.中国科学院大学化学工程学院,北京 100049)

巧克力是由糖和脂肪等制成的一种复杂的半固体悬浮体系,其中的粗脂肪含量为30%左右,粗脂肪中大部分的成分为可可脂。由于巧克力中粗脂肪和可可脂的含量各不相同,导致巧克力的熔化过程非常复杂,熔化温度各不相同[1-3]。而熔化温度直接影响到巧克力的品质,包括其滑润程度以及口溶性,因此对巧克力这种复杂体系,熔化过程和温度的评价至关重要[4-5]。

目前对巧克力熔化过程和温度的评价检测方法主要有感官评定法、差式扫描量热法(DSC)和固体脂肪含量检测法(SFC)。其中,感官评定法通过口感硬度,粗糙颗粒感以及口溶性,依靠人的嗅觉,触觉和口感对巧克力进行评价和测定,是巧克力新产品开发和改进的重要方法,但存在着一定的个体差异,实施周期长、操作繁琐[6-7]。DSC法可以精确测定巧克力中不同脂肪熔化过程引起的热流变化,误差小,数据收集分析简单,但直观性相对较低,难以从整体上分析巧克力的熔化温度[8]。SFC法是一种利用低场核磁共振技术,测定不同温度下样品中固态脂肪含量的方法,并不能准确表征巧克力的熔化温度[9]。因此开发一种快速简便的分析方法分析巧克力的熔化过程并精确测定巧克力的熔化温度,可以更好地评价巧克力的品质,为巧克力的加工和质控提供更加准确的表征手段。

表1 实验材料

巧克力的熔化过程伴随着固态脂肪到液体油分子状态之间的变化,随着温度的升高,油分子的迁移运动速率增加[10],在油层间的迁移出现显著差异[11],因此可以通过油分子的迁移运行性变化对巧克力熔化过程进行实时表征。低场核磁共振(LF-NMR)横向弛豫时间(T2)可以反映油分子的运动性,具有非侵入性和非破坏性的特点[12-14],在很多食品的含油、含水率、相变等方面的研究中得到广泛应用[15]。因此可利用低场核磁共振技术对巧克力的熔化过程进行快速、原位的测定。

然而已有的LF-NMR无法对样品在线控温,不能保证测定时样品实际温度的准确性。为了准确检测巧克力的熔化过程,本研究将对常规的LF-NMR进行改进,增加样品在线控温装置,建立LF-NMR在线控温分析系统。在此基础上对巧克力样品进行程序升温和在线LF-NMR检测,通过T2直观地表征巧克力的熔化过程,分析可可脂、粗脂肪含量对巧克力熔化温度的影响,建立一种快速简便检测巧克力熔化过程的方法。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

四个品牌六种黑巧克力 购自北京华联超市,使用前置于4 ℃冰箱保存。采用市售巧克力,保证了样品的重复性和标准化。六种市售黑巧克力如表1所示。

FC-770电子氟化液 美国3M公司;GX-05光纤温度探测器 南京五石金传感技术有限公司;NMRC12-010V低场核磁共振仪(LF-NMR) 苏州纽迈分析仪器股份有限公司;DK-8D超级恒温循环水浴 南京学静生物科技有限公司;样品在线控温装置 本研究设计构建;MultiExp Inv Analysis software核磁共振在线分析应用软件 苏州纽迈分析仪器股份有限公司;BSA224S电子分析天平 德国赛多利斯科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 巧克力待测样品制备 巧克力从冰箱中取出后,放入研钵中迅速研磨并过筛,得到均匀的粉末(约200目),称取1 g放入1.5 mL色谱瓶中得到待测样品。

1.2.2 样品在线控温装置的构建 样品在线控温通过对低场核磁共振仪的样品槽进行改造来实现,如图1所示。在样品槽的外部加入液体循环夹套,夹套中液体的温度控制通过超级恒温循环水浴实现。超级恒温循环水浴中的循环液体为不含氢离子的电子氟化液,从而避免了水或者油分子对低场核磁共振信号的干扰。利用光纤温度探测器对样品槽中的样品进行温度检测,保证检测精度为±0.1 ℃。通过样品在线控温装置对巧克力样品进行程序升温,初始温度为20 ℃,升温速率0.5 ℃/min,最终温度40 ℃,终温保持时间5 min。

图1 LF-NMR在线控温分析系统

1.2.3 低场核磁共振测定巧克力熔化过程 样品在线控温装置和低场核磁共振仪一起构成了LF-NMR在线控温分析系统,如图1所示。巧克力的熔化过程通过LF-NMR在线控温分析系统进行测试。将待测样品放入样品槽,通过样品在线控温装置进行程序升温。升温过程中平均每间隔2 min测定一次样品,约100 min完成一组黑巧克力样品的测试。

图2 固液脂肪悬浮体系弛豫时间模型(a)和D1(70%)巧克力的弛豫时间T2谱图(b)

低场核磁共振仪磁场强度为0.3 T,射频频率主频为12 MHz,采样频率为100 kHz,数据半径设为3,采样点数为119994,采样开始时间设为0.080 ms。使用自旋回波Carr-Purcell-Mebiboom-Gill(CPMG)序列进行测量,90 °脉冲宽度,即持续时间(P1)为4.12 s,180 °脉冲时间(P2)为8.64 s,90 °脉冲和180 °脉冲之间的间隔(回波时间,TE)为0.300 ms,重复次数为32次,重复等待时间(TW)为2000 ms,回波个数(NECH)为4000。使用核磁共振在线分析应用软件及CPMG序列采集样品的T2信号。重复操作步骤完成对不同品种巧克力的熔化过程测试。

1.2.4 巧克力熔化过程中横向弛豫时间T2计算

式(1)

式中:T2b表示固体油分子的弛豫时间,T2f表示液体油分子的弛豫时间,mbw表示固体油分子质量,mfw表示液体油分子质量,mw表示巧克力质量。

1.3 数据处理

使用MultiExp Inv Analysis software核磁共振在线分析应用软件对CPMG序列采集的样品回波信号进行处理,每个样品重复测定三次,使用Origin软件对数据进行处理及绘图。

2 结果与讨论

2.1 巧克力中油的分布

甘油三酯分子中的氢质子(T2<1000 ms)比水中的氢质子(T2>2000 ms)的弛豫速度快,这是由于甘油三酯比简单的水分子具有更复杂的结构和更长的链长,即油中的质子比水中的质子处于更受限制的环境中[14]。因此T2值与液态油运动性之间的关系可以简单概括为由于巧克力中液体脂肪的迁移受的束缚越大,运动性越弱,T2值越小[17-19]。

图2(a)为固液脂肪悬浮体系弛豫时间的模型图,图中衰减曲线与纵坐标的交点是液体油峰的起始点,代表了不同状态下脂肪衰减运动的开始,整个衰减曲线反映了巧克力样品中吸附在脂肪表面上的液体油分子弛豫时间变化的快慢,将样品的衰减曲线弛豫信息通过式(1)计算可得到横向弛豫时间(T2)[22]。图2(b)中显示的为70%可可含量的黑巧克力D1分别在21.56、27.78、33.47 ℃温度条件下油分子的T2分布图。巧克力的体系中同时存在固体脂肪分子和液体脂肪分子[17],本研究用CPMG序列测得了巧克力的T2图谱,所得到的黑巧克力的T2谱图在T2>10 ms之后有一个信号强度较大的峰,由于巧克力在熔化过程中液体脂肪含量增多,并且随着温度的升高该峰面积越来越大,因此确定该峰为液体油峰[20-21]。达到一定温度后,信号强度值达到最大后又下降到一定值后趋于平稳。

从图2中可以看出衰减的过程就是巧克力的熔化过程,衰减的速度越快,液体油分子弛豫时间越大。温度升高的同时,巧克力中自由液体脂肪含量也随之增多,分散在巧克力中,油峰起始点的弛豫时间将变大,液体油脂的运动性就会增加,巧克力逐渐熔融[22]。

2.2 可可脂含量对脂肪运动性的影响

确定了液体油峰后,对进口品牌B和D在熔化过程中液体油峰的起始点与峰顶点弛豫时间随温度的变化进行分析,如图3所示。

图3 巧克力熔化过程中液体油峰的起始点与峰顶点弛豫时间随温度变化图

分子运动可以由横向弛豫时间(T2)来表征,T2弛豫时间对巧克力中脂肪的迁移运动灵敏,特别是液体油分子中的自旋运动[23-24],因此黑巧克力熔化过程中液体油峰的起始点与峰顶点的T2弛豫时间反映了液体油脂的运动性。图3(a)和(b)中B品牌的两种不同可可含量的黑巧克力随温度的升高,峰起始点和峰顶点都逐渐增大,当温度分别达到33.12、35.08 ℃时,70%可可含量的B1黑巧克力峰起始点和峰顶点分别从0.28、16.29 ms增大为21.54、75.64 ms,85%可可含量的B2黑巧克力峰起始点和峰顶点分别从0.01、2.01 ms增大为21.54、75.64 ms。弛豫时间T2显著增加的原因在于横向弛豫机制对油分子随温度的变化具有高敏感性。由于熔融的巧克力形成的悬浮体系,其特性不同于理想流体[25],显示出非牛顿流动性质,因此在熔融巧克力的分散体系中,液体油分子的运动性取决于液体油相与被吸附脂肪的比值,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],以及彼此间形成的均匀厚度的吸附层。这个均匀的吸附层中,自由运动的液相油分子与被吸附固体油颗粒各有1个单一的驰豫时间Tf、Tb,可以得出整个巧克力油峰的驰豫率计算公式(见式1)[26],当液体脂肪在熔化过程中运动性增强时,分散到巧克力中越来越多,由于弛豫时间T2值对油分子运动的敏感性,整体巧克力测得的液体油峰弛豫时间T2开始显著增加。

对70%和86%可可含量的D品牌黑巧克力的液体油峰的弛豫时间T2变化进行分析,如图3(c)(d)。随温度升高,液体油峰的弛豫时间T2明显增大,D品牌的两种黑巧克力D1、D2的峰起始点和峰顶点分别从1.14、9.32 ms增大到21.54、75.64 ms以及从0.57、8.11 ms增大到21.54、75.64 ms,弛豫时间T2都增大为原来的几十倍。不同可可含量的黑巧克力在达到某一温度时,巧克力完全熔化,测得液体油峰的峰起始点和峰顶点将不再变化。结果显示,两个进口品牌的黑巧力随着可可含量的增加,液体油分子分散到巧克力中就会越多,并且运动性越来越强[23]。

对两个国产品牌的A和C黑巧克力分别进行了测定,图4为其熔化过程中液体油峰的起始点与峰顶点的弛豫时间随温度的变化。结果表明,A品牌黑巧克力熔化过程液体油峰的峰起始点与峰顶点的弛豫时间分别从1.51、9.32 ms增大到32.74、86.97 ms,C品牌黑巧克力从0.65、14.17 ms增大到24.77、86.97 ms。可以看出C品牌黑巧克力的液体油峰的峰起始点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时间T2为86.97 ms达到平衡,比A品牌黑巧克力的平衡弛豫时间更长,运动性更强。该结果反映出C品牌黑巧克力中液体脂肪含量高于A品牌,这一结果与两种品牌巧克力中实际可可脂的含量相符,同时证明了LF-NMR在线控温分析方法的可行性和准确性。

2.3 巧克力的熔化温度

巧克力中液体脂肪的弛豫时间T2随温度升高显著增加,对液体油分子运动具有高敏感性。液体油峰面积代表巧克力熔化过程中游离氢原子数目,即液体脂肪含量[14,27],巧克力熔化过程中液体油分子增多,油峰面积增大。分析熔化过程中液体油峰面积的变化,可以得出巧克力的熔化温度。

图5分别为两个品牌不同可可含量的进口巧克力中油峰面积随温度的变化,从图5中可以看出,同种巧克力随着温度的升高,液体油峰的峰面积也是增加的,当达到最大峰面积时逐渐平稳,此时巧克力由粉末状完全熔化为液体脂肪,因此达到最大峰面积时对应的温度就是巧克力的熔化温度。

图4 巧克力熔化过程中液体油峰的起始点与峰顶点弛豫时间随温度变化图

图5 不同可可脂含量的巧克力液体油峰的峰面积随温度变化图

从图5中可以看出，70%可可含量的B1与85%的B2黑巧克力的熔化温度分别为33.12、35.08 ℃。可可脂含量为70%的D1与含量为86%的D2黑巧克力的熔化温度分别为33.47、35.95 ℃,与B品种黑巧克力的液体油峰变化趋势是一致的,说明在同一个品牌的巧克力中,随着可可脂含量的增加,黑巧克力的熔化温度是逐渐增大的。

除了可可脂含量以外,粗脂肪含量对黑巧克力的熔化温度也有一定影响,如表2所示,在巧克力样品的组成成分中D品牌黑巧克力的粗脂肪含量高于B品牌,结合图5,D品牌中黑巧克力的熔化温度要比B品牌黑巧克力的偏大,随着巧克力中粗脂肪的含量的升高,巧克力的熔化温度也是逐渐增大的。

表2 巧克力样品的组成成分

表2还列出了另两个国产品牌的A和C黑巧克力的粗脂肪的组成以及本研究中通过LF-NMR在线控温分析系统分别测得的熔化温度。图6为这两种巧克力液体油峰的峰面积随温度变化图,测得A和C品牌的黑巧克力熔化温度分别为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,这与用LF-NMR在线控温分析系统测得的熔化温度C品牌黑巧克力高于A品牌黑巧克力的结果是一致的。

由LF-NMR在线控温分析系统测得的熔化温度可以证实进口的B和D品牌黑巧克力中粗脂肪含量高于国产的A和C品牌。相比进口的两种黑巧克力B和D的熔化过程,国产的C品牌黑巧克力在可可脂含量比进口的黑巧克力低时,C品牌黑巧克力测得的熔化温度也略低于70%可可脂含量的进口B和D品牌,这也说明国产的巧克力中可可脂的含量低于进口的巧克力可可脂含量[28]。

图6 巧克力中液体油峰的峰面积随温度变化图

Gao等采用流变仪对同样四个品牌巧克力的熔化过程进行了检测[16],表明国产品牌的黑巧克力A、C在同样温度下,比进口品牌的黑巧克力B、D剪切屈服应力更小,分析造成这一结果的原因是国产黑巧克力A、C的熔化温度较低。但其并没有准确检测到巧克力的熔化温度。本研究的结果与流变学检测结果相符,说明了方法的合理性。并且LF-NMR在线控温分析系统可以实现准确测定巧克力熔化温度的目的,实时在线检测巧克力的熔化过程。

3 结论

黑巧克力样品在程序升温过程中,弛豫时间T2值随温度升高而显著增加,进一步的,通过T2峰面积的变化直观准确地测定了巧克力的熔化温度。结果表明不同品牌巧克力的熔化温度随着可可脂含量以及粗脂肪含量的增加逐渐升高,与流变法测定的结果相符。LF-NMR在线检测方法具有准确、快速、在线等优势,克服了DSC法直观性差,SFC法操作复杂、准确性低等问题。本方法可以更好的评价巧克力的品质,对巧克力的生产、加工、质量控制和保藏运输具有重要的参考意义,并可为其他复杂油脂类食品如黄油、奶酪等的加工和质控提供一项重要的研究手段。