研究團(tuán)隊(duì)

深圳大學(xué)食品系范方輝副教授團(tuán)隊(duì)

研究?jī)?nèi)容

《LF-NMR揭秘乳糖結(jié)晶：水分參與的動(dòng)態(tài)演變機(jī)制》

發(fā)表期刊

《Analytical Chemistry》

影響因子

Nature Index期刊；中科院JCR分區(qū)
大類：化學(xué)（1區(qū)）
小類：分析化學(xué)（1區(qū)）

1、文獻(xiàn)研究背景

乳糖結(jié)晶行為是乳制品與食品配料加工中的核心科學(xué)問(wèn)題之一，直接影響著產(chǎn)品的溶解性、穩(wěn)定性以及感官品質(zhì)。在儲(chǔ)藏過(guò)程中，乳糖常發(fā)生從無(wú)定形態(tài)向結(jié)晶形態(tài)（如α-乳糖一水合物、無(wú)水α/β-乳糖等）的轉(zhuǎn)變。而水分在這一過(guò)程中既是環(huán)境因素，同時(shí)也直接參與了乳糖的結(jié)晶過(guò)程。因此，明確水分在乳糖結(jié)晶不同階段中的作用機(jī)制，是理解和調(diào)控乳糖結(jié)晶行為的關(guān)鍵。

然而，傳統(tǒng)研究多依賴XRD、DSC、Raman等手段，從晶型鑒定或熱行為角度進(jìn)行分析，但這些方法主要提供結(jié)構(gòu)或熱力學(xué)信息，難以實(shí)時(shí)、無(wú)損地捕捉水分在結(jié)晶過(guò)程中的狀態(tài)變化、動(dòng)態(tài)遷移路徑及其與乳糖分子的相互作用，導(dǎo)致對(duì)乳糖結(jié)晶機(jī)理的理解還存在空白，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)最終晶型的精準(zhǔn)控制。

2、低場(chǎng)時(shí)域核磁共振（LF-NMR）技術(shù)的核心作用

在本研究中，低場(chǎng)時(shí)域核磁共振技術(shù)作為連接結(jié)構(gòu)表征與分子動(dòng)力學(xué)機(jī)制的關(guān)鍵工具，在揭示水分參與乳糖結(jié)晶過(guò)程中的作用方面發(fā)揮了不可替代的作用。

LF-NMR 通過(guò)量化水分狀態(tài)、追蹤水分動(dòng)態(tài)遷移過(guò)程，為多譜學(xué)聯(lián)用提供了關(guān)鍵的“動(dòng)力學(xué)證據(jù)”。不同于 Raman 等技術(shù)側(cè)重于晶格結(jié)構(gòu)的靜態(tài)或異構(gòu)化表征，LF-NMR 獨(dú)家揭示了水分在無(wú)定形基質(zhì)中的塑化、擴(kuò)散及相態(tài)重組的動(dòng)態(tài)時(shí)空演變。

研究中采用CPMG脈沖序列獲取橫向弛豫時(shí)間（T₂）數(shù)據(jù)，并結(jié)合反演算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行解析，獲得不同水分組分在結(jié)晶過(guò)程中的動(dòng)態(tài)演變信息。而MRI成像結(jié)果及其閾值分割圖像對(duì)乳糖中水分的空間分布情況進(jìn)行了可視化。圖1?正是本研究的核心成果之一，通過(guò)LF-NMR測(cè)得的T₂分布曲線以及MRI成像結(jié)果，直觀展示了無(wú)定形乳糖在水分活度a_w = 0.11? 0.87及298K條件下的吸水行為與遷移動(dòng)力學(xué)。以下將從三個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)解析。

Part.1 乳糖中水分的存在形式

通過(guò)分析T₂弛豫時(shí)間（橫軸，單位：ms）與信號(hào)強(qiáng)度（縱軸），LF-NMR揭示了乳糖中的水分存在三種狀態(tài)：

• T₂₁ (0.1 – 1.0 ms) ：結(jié)合水，是分子水平的強(qiáng)束縛水，通過(guò)氫鍵等作用與乳糖緊密結(jié)合，分子流動(dòng)性最低，無(wú)法自由遷移。
• T₂₂ (1.0 – 10 ms)：內(nèi)吸附水，填充于無(wú)定形乳糖基質(zhì)的孔隙或分子間隙中，通過(guò)毛細(xì)管力和多層吸附作用存在，可參與分子重排。
• T₂₃ (10 – 1000 ms)：自由水/表面水，主要指在結(jié)晶過(guò)程中被晶格排斥并遷移至表面的游離水分。其弛豫時(shí)間最長(zhǎng)，表明受束縛力極弱，不再作為結(jié)構(gòu)組分存在。

圖1. 無(wú)定形乳糖在水分活度a_w = 0.11? 0.87及298K條件下的吸水行為與遷移動(dòng)力學(xué)的綜合研究。
(A) 通過(guò)GAB模型擬合的吸附等溫線確立平衡吸附量。
(B) LF-NMR橫向弛豫時(shí)間（T₂分布）揭示了水分子在結(jié)合態(tài)、內(nèi)吸附態(tài)與晶體結(jié)合態(tài)之間的遷移動(dòng)力學(xué)與分配狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

(C) MRI結(jié)果及其閾值分割圖像可視化了水分子的空間分布情況，與LF-NMR測(cè)得的水分遷移數(shù)據(jù)形成互補(bǔ)。
(D) 示意模型圖將吸附實(shí)驗(yàn)、LF-NMR及MRI研究結(jié)果整合，構(gòu)建了吸附誘導(dǎo)的結(jié)晶過(guò)程中水分子遷移的機(jī)制路徑。

Part.2 結(jié)晶過(guò)程中水分子的動(dòng)態(tài)遷移

LF-NMR 結(jié)果表明，乳糖結(jié)晶并非單純的固相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，而是一個(gè)伴隨著水分狀態(tài)變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

01 低水分活度（a_w < 0.43）：結(jié)合水主導(dǎo)，未結(jié)晶

水分子狀態(tài)以強(qiáng)結(jié)合水T₂₁ (0.1 – 1.0 ms) 為主，分子流動(dòng)性極低，通過(guò)氫鍵緊密結(jié)合于乳糖無(wú)定形基質(zhì)中。峰面積A₂₁隨a_w?增加而增大（圖1 B（1）），表明水向內(nèi)遷移導(dǎo)致基質(zhì)塑化。

02 中等水分活度（0.43 ≤ a_w ≤ 0.56）：結(jié)晶開(kāi)始

T₂₂峰顯著增強(qiáng)，表明內(nèi)吸附水增多，分子流動(dòng)性增強(qiáng)。A₂₂隨a_w增加而增大，反映水分從表面吸附向內(nèi)部擴(kuò)散，為結(jié)晶提供分子流動(dòng)性。當(dāng)a_w = 0.56時(shí)，T₂₁從0.1-1.0 ms縮短至0.01-0.1 ms（圖1 B（2）），表明水分開(kāi)始被納入α-乳糖一水合物（α-LAC_MN）晶格，預(yù)示著結(jié)晶的開(kāi)始。此時(shí)組分的顯著增加標(biāo)志著基質(zhì)內(nèi)部形成了高流動(dòng)性的“液態(tài)狀”環(huán)境。這種水分塑化效應(yīng)（Plasticization）大幅降低了乳糖分子的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，激活了分子鏈段的運(yùn)動(dòng)，從而為晶核的形成與生長(zhǎng)提供了必要的動(dòng)力學(xué)條件。

03 高水分活度（a_w >0.56）：晶體結(jié)合水形成，結(jié)晶完成

水分進(jìn)入晶格形成晶體結(jié)合水（T₂₁縮短至0.01-0.1 ms），穩(wěn)定存在于α-LAC_MN晶格中；同時(shí)多余水分在結(jié)晶過(guò)程被排出，形成外吸附水T₂₃ (10 – 1000 ms)。當(dāng)a_w ≥ 0.76時(shí)，A₂₁?趨于穩(wěn)定，且MRI觀察到水分分布均勻（圖1 C），表明α-LAC_MN成為主導(dǎo)晶體形式，結(jié)晶過(guò)程完成。此時(shí)水分不再向基質(zhì)內(nèi)遷移，而是以晶體結(jié)合水和外吸附水形式平衡分布。

Part.3水分子遷移的機(jī)制路徑

結(jié)合LF-NMR數(shù)據(jù)與MRI成像結(jié)果，發(fā)現(xiàn)水分在樣品吸附和結(jié)晶過(guò)程中經(jīng)歷了“氣態(tài)吸附（表面聚集）→ 液態(tài)塑化（向內(nèi)滲透，主導(dǎo)）→   固態(tài)鎖定（晶格并入，主導(dǎo)）+ 自由水排出（生成）”的循環(huán)路徑（圖1 D）：

• 氣態(tài)吸附（低a_w）：水分子以氣態(tài)形式吸附于無(wú)定形乳糖的表面，形成結(jié)合水（T₂₁?）；
• 液態(tài)遷移（中等a_w）：隨著a_w?升高，水通過(guò)毛細(xì)管力和吸濕性向內(nèi)多層擴(kuò)散，形成內(nèi)吸附水（T₂₂?），塑化基質(zhì)并促進(jìn)分子重排；
• 固態(tài)結(jié)合（高a_w?）：水被納入α-LAC_MN晶格形成晶體結(jié)合水（T₂₁縮短），同時(shí)多余水分被排出形成表面水（T₂₃），最終完成結(jié)晶。

本研究通過(guò)引入低場(chǎng)核磁共振技術(shù)，從分子尺度系統(tǒng)揭示了水分在乳糖結(jié)晶過(guò)程中的參與方式及其動(dòng)力學(xué)演變規(guī)律，明確了不同狀態(tài)的水分在無(wú)定形轉(zhuǎn)變、晶體生長(zhǎng)及晶格穩(wěn)定中的關(guān)鍵作用。

3 總結(jié)

該研究成果對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)和實(shí)際工業(yè)應(yīng)用都具有重要意義，通過(guò)監(jiān)控弛豫譜的特征峰演變，可建立水分活度-分子流動(dòng)性-結(jié)晶速率的定量關(guān)聯(lián)模型。這為工業(yè)生產(chǎn)中預(yù)測(cè)乳糖結(jié)晶行為、優(yōu)化干燥工藝及貨架期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了非破壞性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段。同時(shí)也展示了LF-NMR技術(shù)在復(fù)雜食品體系中解析水分行為與結(jié)構(gòu)演變方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

低場(chǎng)時(shí)域核磁共振技術(shù)憑借其非破壞性、對(duì)水分高度敏感及可定量區(qū)分質(zhì)子狀態(tài)的特點(diǎn)，正逐步成為食品與材料結(jié)晶行為研究中不可或缺的關(guān)鍵分析工具。

參考文獻(xiàn)：

Fan, F., Ou, Y., Deng, H., Liu, X., & Sun, Y. (2025). Advanced Spectroscopic Techniques for Lactose Crystallization Analysis: Investigating Water Participation in Crystal Morphology. Analytical Chemistry, 97(38), 20688-20697. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.5c00297