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台式核磁SFC原理方法

为什么要测定固体脂肪含量?

固体脂肪含量(SFC)是可可油、人造黄油、黄油等常规测量指标,是脂肪在不同温度下的熔融以及硬度性能指标。熔融和硬度性能对口感、香味以及涂抹性能有很大影响。熔融性能可以通过直接加温直至完全熔融得到,但是SFC值与脂肪的晶体类型有强烈关系,对温度变化是很敏感的,对结晶速率或者预热过程有很大关系。
SFC是新型脂肪的重要指标,是食品制造商质量控制更重要的指标。


测量固体脂肪含量的技术
固体脂肪含量的测定开始是采用膨胀计测试的(AOCS cd10-57),这个按照经验公式得到的是固体脂肪指数(SFI),但是操作过程很复杂而且需要很高的技术。
自20世纪60年代以来,核磁共NMR)作为一种更可靠的手段来测定固体脂肪含量,由于它能测定液体中流体的数量,即所谓的间接NMR方法(AOCS cd16-81)可以间接地测定固体脂肪含量,虽然间接方法精度高,而且只需要一个标样(100%油参考样),但是测试仍然是相当麻烦的,要4次测试才能产生一个固体脂肪含量结果。
与连续波NMR谱仪执行间接NMR方法相比,脉冲NMR谱仪能同时得到固体脂肪和液体脂肪的含量,即后来发展的直接NMR方法(AOCS cd16b-93)。虽然直接NMR方法需要三个标准样品(0% SFC,30%低SFC,70%高SFC),但是常规测试只需测试一次而不是测试4次,与间接NMR方法相比,测试结果更准确,而且直接NMR方法减少了操作者出错的可能性。
尽管SFC测试简化了,但是样品的预热简化限制了分析的速度,预热过程必须一定时间才能保证测试结果。

 

脂肪类型的影响

有两类不同的脂肪需要不同的测试参数以及不同的预热条件。
              Stabilising fats(稳定脂肪):   即可可油,有几种结晶形态,以及需要很长的加热和冷却过程,得到非常稳定的脂肪形态,整个样品的制备和预热过程要耗费2天时间,对于稳定脂肪,采用直接方法扫描1次,循环时间为6秒。
              Non-stabilising fats(非稳定脂肪):  即人造黄油、黄油等,由于脂肪晶体种类比较少,脂肪的预热过程要比稳定脂肪的预热过程要快、要简单,非稳定脂肪的整个预热过程大概要耗费2个小时。对于非稳定脂肪,直接NMR方法扫描4次,每次扫描的循环时间为2秒。

 

平行法或连续法分析
由于样品的制备以及预热过程非常耗时间,因此必须组织提高工作效率,因此必须有多个预热水浴,以在不同的温度下预热。 
              平行法分析,同一个样品必须准备一组,这一组样品中的每一个样品在不同温度水浴中预热。
              连续法分析,所有的样品均在同一个水浴中预热,然后将样品转移到下一个温度的水浴中。
 

 官方公布方法
目前公布的官方方法有:
              SFI,固体脂肪指数,膨胀计法(AOCS cd-10-57),由于直接NMR方法的出现,该方法正在逐渐被废弃。
              SFC,间接NMR方法(AOCS cd 16-81),由于该方法只需要一个100%油参考样品(即甘油三油酸酯),该方法作为新脂肪配方而使用。
              SFC,直接NMR方法(AOCS cd 16b-93),适用于质量控制,由于该方法简单,测试的精度高。注意牛津公司提供的SFC Direct软件完全符合AOCS的标准方法Cd 16b-93。目前常使用的是该方法。

 
SFC直接测试法
NMR直接法测定样品中的固体信号和液体信号得到固体脂肪含量。无论如何,由于探头有一个死时间,需要标准样品才能保证正确的测量。直接方法固体脂肪含量(SFC)的测量请使用SFC Direct软件包。
 

理论

图1  固体脂肪含量测试实验,射频脉冲后得到的NMR信号;信号衰减有两个组份,固体脂肪为快速衰减、液体脂肪为慢衰减。脉冲结束后,我们测试得到的信号来自于固体和液体脂肪、经过一段时间后,测试得到的NMR信号由于固体已经衰减完后只反应液体脂肪的信号,上述这两个NMR信号强度值可以计算固体脂肪含量值。

 

根据AOCS cd 16b-93中的规定,对于SFC直接方法,在自由感应衰减曲线上,取两组数据点,其中一组在射频脉冲后中心点在11us处(固体信号S+液体信号L,E11),另一组在射频脉冲后中心点在70us处(只有液体信号L,E70)。 
固体脂肪含量SFC)由下式得到:

这里,S是固体脂肪部分的信号强L是液体脂肪部分的信号强度。

f-因子
在射频脉冲后,在11us的时间段内固体信号衰减非常快,总信号E11=S’+L是原始信号(S+L)衰减后的信号,因此任何直接方法SFC测试得到的SFC值低于实际值,产生一个人为误差,要解决这个问题,采用一个f-因子,即S=fS’,使得S信号强度恢复到射频脉冲后的信号强度,f-因子由预先合成得到的标准样品0%,30%和70%SFC样品校正得到。f-因子由牛津公司提供的软件直接得到,f-因子由下列公式得到:
这里:SFCstd.是标准样品的固体脂肪含量,f是f-因子(该值通常为1.5左右)。

K = k-因子,是根据0% SFC标准样品得到的校正因子(E11/E70),k-因子是由于磁场的不均匀导致的信号的衰减,对于0% SFC标准样品来说,E70比E11小一些,一般来说,k-因子应该接近于1.0。
D = 早期脉NMR谱仪的二极管检测器的偏置补偿因子,用于补偿模拟接收器仪器上D应该接近于0.0。




固体脂肪含量校正计算

旦得到仪器的f-因子SFC直接方法计算得SFC由下式得到:


用直接方法使用的校正标准样品

牛津公司为用户提供了国际上认可的r校正标准样品一组三个,固体脂肪含量分别为0%、30%和70%。
 

直接方法准备的样品管

10mm样品管(用于SFC直接方法,装样的高度至少45mm。操作方法按照AOCS官方颁布的方法Cd 16b-93――Solid Fat Content (SFC)by Low Resolution Nuclear Magnetic Resonance-The Direct Method for additional information on standard sample preparation and tempering techniques.
AOCS Cd 16b-93对样品的预热条件作了如下规定:
1.  100°C下预热15分钟;
2.  60°C下预热5分钟;
3.  0°C下预热60分钟;
4.  在测试温度下分别预热30分钟 。


在不同温度下的测试

图2– 多个样品,在不同的温度下测量。

在进行SFC测试之前,每一个样品针对不同的脂肪类型都必须有一个预热过程(即稳定脂肪或非稳定脂肪,参阅AOCS cd 16b-93)。然后样品放置在预先设定的温度下的一个或多个水浴中预热。

 

几个水浴,采用平行法测试:
这个方法就是为每一个测试温度准备一个水浴,然后准备不同批的样品放置在不同的温度的水浴中,即每一个样品针对几个不同的温度必须准备几个相同的样品放置在不同的水浴中,第一个样品的第一个温度测定后、立即测定第一个样品的第二个温度、然后测定第一个样品的第三个温度,待第一个样品测试结束后,再开始测定第二个样品的第一个温度……依此类推(图3)。
平行法测试遇到的问题是一个样品的一批样品有不同的热历史,不像连续法是一个样品经历一系列的温度;虽然要比采用一个水浴的连续法速度要快,但是平行法需要许多更多的样品管以及更多的水浴。 
 

使用一个水浴的连续法分析:
使用一个水浴的连续法,即一个水浴用于所有的测试温度。所有的样品在改变水浴温度之前处于相同的温度;尽管水浴数量减少了,在不同温度下测试必须先保证水浴温度达到平衡,虽然所有的样品用于所有的温度,但是两个温度之间的平衡的差异会显示某些测量上的误差,整个测试过程需要更长的时间。

使用几个不同的水浴的连续法分析:
就像平行法那样采用不同的水浴温度,连续法需要与平行法一样多的水浴,这里所有的批样品在转移到下一个水浴中预热之前在相同的温度下预热。耗费的时间比平行法要长(图3)。

图3. 在不同的温度测试,平行法和连续法比较


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