研究團隊

深圳大學食品系范方輝副教授團隊

研究內容

《LF-NMR揭秘乳糖結晶：水分參與的動態演變機制》

發表期刊

《Analytical Chemistry》

影響因子

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

1、文獻研究背景

乳糖結晶行為是乳制品與食品配料加工中的核心科學問題之一，直接影響著產品的溶解性、穩定性以及感官品質。在儲藏過程中，乳糖常發生從無定形態向結晶形態（如α-乳糖一水合物、無水α/β-乳糖等）的轉變。而水分在這一過程中既是環境因素，同時也直接參與了乳糖的結晶過程。因此，明確水分在乳糖結晶不同階段中的作用機制，是理解和調控乳糖結晶行為的關鍵。

然而，傳統研究多依賴XRD、DSC、Raman等手段，從晶型鑒定或熱行為角度進行分析，但這些方法主要提供結構或熱力學信息，難以實時、無損地捕捉水分在結晶過程中的狀態變化、動態遷移路徑及其與乳糖分子的相互作用，導致對乳糖結晶機理的理解還存在空白，無法實現對最終晶型的精準控制。

2、低場時域核磁共振（LF-NMR）技術的核心作用

在本研究中，低場時域核磁共振技術作為連接結構表征與分子動力學機制的關鍵工具，在揭示水分參與乳糖結晶過程中的作用方面發揮了不可替代的作用。

LF-NMR 通過量化水分狀態、追蹤水分動態遷移過程，為多譜學聯用提供了關鍵的“動力學證據”。不同于 Raman 等技術側重于晶格結構的靜態或異構化表征，LF-NMR 獨家揭示了水分在無定形基質中的塑化、擴散及相態重組的動態時空演變。

研究中采用CPMG脈沖序列獲取橫向弛豫時間（T₂）數據，并結合反演算法對信號進行解析，獲得不同水分組分在結晶過程中的動態演變信息。而MRI成像結果及其閾值分割圖像對乳糖中水分的空間分布情況進行了可視化。圖1?正是本研究的核心成果之一，通過LF-NMR測得的T₂分布曲線以及MRI成像結果，直觀展示了無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力學。以下將從三個方面對其進行詳細解析。

Part.1 乳糖中水分的存在形式

通過分析T₂弛豫時間（橫軸，單位：ms）與信號強度（縱軸），LF-NMR揭示了乳糖中的水分存在三種狀態：

• T₂₁ (0.1 – 1.0 ms) ：結合水，是分子水平的強束縛水，通過氫鍵等作用與乳糖緊密結合，分子流動性最低，無法自由遷移。
• T₂₂ (1.0 – 10 ms)：內吸附水，填充于無定形乳糖基質的孔隙或分子間隙中，通過毛細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，主要指在結晶過程中被晶格排斥并遷移至表面的游離水分。其弛豫時間最長，表明受束縛力極弱，不再作為結構組分存在。

圖1. 無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力學的綜合研究。
(A) 通過GAB模型擬合的吸附等溫線確立平衡吸附量。
(B) LF-NMR橫向弛豫時間（T₂分布）揭示了水分子在結合態、內吸附態與晶體結合態之間的遷移動力學與分配狀態轉變。

(C) MRI結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測得的水分遷移數據形成互補。
(D) 示意模型圖將吸附實驗、LF-NMR及MRI研究結果整合，構建了吸附誘導的結晶過程中水分子遷移的機制路徑。

Part.2 結晶過程中水分子的動態遷移

LF-NMR 結果表明，乳糖結晶并非單純的固相結構轉變，而是一個伴隨著水分狀態變化的動態過程。

01 低水分活度（a_w < 0.43）：結合水主導，未結晶

水分子狀態以強結合水T₂₁ (0.1 – 1.0 ms) 為主，分子流動性極低，通過氫鍵緊密結合于乳糖無定形基質中。峰面積A₂₁隨a_w?增加而增大（圖1 B（1）），表明水向內遷移導致基質塑化。

02 中等水分活度（0.43 ≤ a_w ≤ 0.56）：結晶開始

T₂₂峰顯著增強，表明內吸附水增多，分子流動性增強。A₂₂隨a_w增加而增大，反映水分從表面吸附向內部擴散，為結晶提供分子流動性。當a_w = 0.56時，T₂₁從0.1-1.0 ms縮短至0.01-0.1 ms（圖1 B（2）），表明水分開始被納入α-乳糖一水合物（α-LAC_MN）晶格，預示著結晶的開始。此時組分的顯著增加標志著基質內部形成了高流動性的“液態狀”環境。這種水分塑化效應（Plasticization）大幅降低了乳糖分子的玻璃化轉變溫度，激活了分子鏈段的運動，從而為晶核的形成與生長提供了必要的動力學條件。

03 高水分活度（a_w >0.56）：晶體結合水形成，結晶完成

水分進入晶格形成晶體結合水（T₂₁縮短至0.01-0.1 ms），穩定存在于α-LAC_MN晶格中；同時多余水分在結晶過程被排出，形成外吸附水T₂₃ (10 – 1000 ms)。當a_w ≥ 0.76時，A₂₁?趨于穩定，且MRI觀察到水分分布均勻（圖1 C），表明α-LAC_MN成為主導晶體形式，結晶過程完成。此時水分不再向基質內遷移，而是以晶體結合水和外吸附水形式平衡分布。

Part.3水分子遷移的機制路徑

結合LF-NMR數據與MRI成像結果，發現水分在樣品吸附和結晶過程中經歷了“氣態吸附（表面聚集）→ 液態塑化（向內滲透，主導）→   固態鎖定（晶格并入，主導）+ 自由水排出（生成）”的循環路徑（圖1 D）：

• 氣態吸附（低a_w）：水分子以氣態形式吸附于無定形乳糖的表面，形成結合水（T₂₁?）；
• 液態遷移（中等a_w）：隨著a_w?升高，水通過毛細管力和吸濕性向內多層擴散，形成內吸附水（T₂₂?），塑化基質并促進分子重排；
• 固態結合（高a_w?）：水被納入α-LAC_MN晶格形成晶體結合水（T₂₁縮短），同時多余水分被排出形成表面水（T₂₃），最終完成結晶。

本研究通過引入低場核磁共振技術，從分子尺度系統揭示了水分在乳糖結晶過程中的參與方式及其動力學演變規律，明確了不同狀態的水分在無定形轉變、晶體生長及晶格穩定中的關鍵作用。

3 總結

該研究成果對基礎科學和實際工業應用都具有重要意義，通過監控弛豫譜的特征峰演變，可建立水分活度-分子流動性-結晶速率的定量關聯模型。這為工業生產中預測乳糖結晶行為、優化干燥工藝及貨架期穩定性評價提供了非破壞性的實時監測手段。同時也展示了LF-NMR技術在復雜食品體系中解析水分行為與結構演變方面的獨特優勢。

低場時域核磁共振技術憑借其非破壞性、對水分高度敏感及可定量區分質子狀態的特點，正逐步成為食品與材料結晶行為研究中不可或缺的關鍵分析工具。

參考文獻：

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