同質(zhì)多晶現(xiàn)象即為一種物質(zhì)能以一種以上晶體形式存在的現(xiàn)象?;蛘哒f(shuō)化學(xué)組成相同的物質(zhì),可以有不同的結(jié)晶結(jié)構(gòu),但融化后生成相同的液相(如石墨和金剛石)的現(xiàn)象。同一種脂肪酸或油脂由于結(jié)晶條件的不同可生成不同的晶體,這一現(xiàn)象與油脂的一些宏觀物理性質(zhì)密切相關(guān)。甘油三酯的熔化和結(jié)晶溫度取決于兩個(gè)主要因素:化學(xué)結(jié)構(gòu)和同質(zhì)多晶特性。混甘油三酯的化學(xué)組成可通過(guò)調(diào)和、酯交換、分提及氫化等加以改變,而在油脂工業(yè)中的許多重要的產(chǎn)品,如奶油、人造奶油、豬油、巧克力、氫化植物起酥油以及可可脂等,它們的稠度、塑性、粘度以及其它物理特性都取決于甘油三酯中特有的同質(zhì)多晶現(xiàn)象的存在,在實(shí)際生產(chǎn)中可通過(guò)嚴(yán)格控制結(jié)晶方式來(lái)獲得所需要的產(chǎn)品特性。
甘油三酯的晶體一般以α、β'和β型存在(相應(yīng)于脂肪酸鏈的三種主要的橫截面排列形式)。晶型通常是利用X射線衍射技術(shù)測(cè)定各種晶體的顆粒大小來(lái)確定的。研究結(jié)果表明:?jiǎn)蝹€(gè)的甘油三酯分子具有一種音叉形結(jié)構(gòu)。該分子的中部,即Sn-2位碳原子上連著的脂肪酸的投影與另外兩個(gè)鏈方向相反。甘油三酯分子的排列方式?jīng)Q定了晶體的結(jié)構(gòu)形式和產(chǎn)物的熔點(diǎn)。α型具有最低的排列密度、最快的晶體生長(zhǎng)、最低的熔點(diǎn),因而是最不穩(wěn)定的一種晶型。β型則具有最高的排列密度和熔點(diǎn),是最穩(wěn)定的一種晶型,β'型則介于二者之間。亞穩(wěn)態(tài)的同質(zhì)多晶體在未熔化時(shí)會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài),這種轉(zhuǎn)變具有單向性;而當(dāng)兩種同質(zhì)多晶變體均較穩(wěn)定時(shí),則可雙向轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)向何方則取決于溫度;天然油脂多為單向轉(zhuǎn)變。
如果從構(gòu)成脂肪酸烴鏈的最小重復(fù)單位亞乙基(-CH2CH2-)的不同堆積排列或者說(shuō)是不同的排列傾斜角來(lái)看,常見(jiàn)的α、β'和β型的情況分別為:α型為正六方型堆積,在這種結(jié)構(gòu)中,鏈隨機(jī)取向,并繞其長(zhǎng)垂直軸旋轉(zhuǎn),無(wú)序性增大,穩(wěn)定性最低。β型為三斜晶系堆積,由于亞乙基的取向是一致的,因此在常見(jiàn)的這三種結(jié)構(gòu)中是最穩(wěn)定的。β'型為普通正交堆積,位于中心的亞乙基取向與位于4個(gè)頂點(diǎn)的亞乙基取向不同,所以穩(wěn)定性不如β型。
同酸(R1=R2=R3)甘油三酯同質(zhì)多晶的特性
以三硬脂酸甘油為例,當(dāng)油脂從熔化狀態(tài)逐漸冷卻首先形成α晶型,α型不穩(wěn)定,在不同的條件下可轉(zhuǎn)變成β'和β型。如果將α型加熱至熔點(diǎn),可迅速轉(zhuǎn)變成β型;若將溫度保持在α型熔點(diǎn)以上幾度時(shí)可直接得到β'型。而β'型被加熱到其熔點(diǎn),則發(fā)生熔融,并轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的β型。
由于甘油三酯的Sn-1、Sn-3位與Sn-2位上的脂肪酸方向相反,在三維結(jié)構(gòu)中甘油分子排列成椅式。并且在甘油三酯的β晶型排列方式中,脂肪酸以?xún)煞N方式交錯(cuò)排列,一種是兩倍碳鏈長(zhǎng)(DCL)方式,記作β-2,一種是三倍碳鏈長(zhǎng)(TCL)方式,記作β-3。
一般同酸甘油三酯易形成穩(wěn)定的β結(jié)晶,而且是β-2排列,混甘油三酯由于碳鏈長(zhǎng)度不同,易停留在β'結(jié)晶狀態(tài),以TCL形式排列,即β'-3排列。
X射線和電子顯微鏡對(duì)結(jié)晶過(guò)程的諸多觀察和分析表明:結(jié)晶總是由過(guò)冷卻的或過(guò)飽和的不平衡體系中的晶核形成而引發(fā)的,冷卻速率、振動(dòng)作用、過(guò)冷程度是決定晶核形成和晶體長(zhǎng)大相對(duì)速率的重要因素,也決定了晶體大小和晶體的形成狀態(tài)。
易結(jié)晶為β型的油脂有:大豆油、花生油、椰子油、橄欖油、玉米油、可可脂和豬油。易結(jié)晶為β'型的油脂有:棉子油、棕櫚油、菜子油、乳脂、牛脂及改性豬油。β'型的油脂適合于制造起酥油和人造奶油。在實(shí)際應(yīng)用中,若期望得到某種晶型的產(chǎn)品,可通過(guò)“調(diào)溫”即控制結(jié)晶溫度、時(shí)間和速度來(lái)達(dá)到目的。調(diào)溫可以看作是一種加工手段,即利用結(jié)晶方式改變油脂的性質(zhì),得到理想的同質(zhì)多晶型和物理狀態(tài),從而增加油脂的利用性和應(yīng)用范圍。
β晶型是唯一的通過(guò)單晶X射線結(jié)構(gòu)分析精確了解的晶型。目前的研究主要集中在β'晶型上,β'晶型是某類(lèi)單甘酯穩(wěn)定的固體形式,其甘油三酯結(jié)構(gòu)的諸多細(xì)節(jié)尚未知曉。 脂肪酸的同質(zhì)多晶:由于氫鍵的作用,脂肪酸各分子羧基間的成對(duì)結(jié)合,形成分子層。在分子對(duì)層,脂肪酸的羧基和甲基的兩末端基分別存在于平行的平面內(nèi)。這樣的結(jié)晶在分子間的引力中,甲基間的引力最小,亞甲基間的引力最大。因此當(dāng)結(jié)晶受到外界機(jī)械力后,會(huì)沿甲基間的面割開(kāi),產(chǎn)生具有疏水性的薄片狀表面。