Теперь рентгеновская наука вносит свой вклад в долгие поиски, чтобы понять, почему шоколад и сыр такие приятные на вкус и как вкус и "ощущение во рту" вкусных жиров можно имитировать с помощью более здоровых альтернатив.
Для изучения молекулярной структуры пищевых жиров исследователи из Университета Гвельфа в Онтарио, Канада, используют рентгеновские лучи в Advanced Photon Source (APS), U.S. Департамент энергетики (DOE) Офис научного пользователя в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики в Иллинойсе.
Основные молекулы, составляющие съедобные жиры, – это триглицериды (ТАГ) или три углеводородные цепи, известные как жирные кислоты, и молекула глицерина со сладким вкусом. Хорошая новость заключается в том, что TAG важны для организма, но плохая новость в том, что избыточное накопление TAG может вызвать проблемы со здоровьем, такие как диабет II типа и ожирение, поэтому ученые заинтересованы в том, чтобы узнать, что это такое. структура, которая делает их неотразимыми.
«Жиры – сложные системы», – сказала Фернанда Пейронель, научный сотрудник Университета Гвельфа. "Некоторые пищевые жиры, такие как растительные масла, могут содержать только несколько тегов, в то время как молочный жир содержит более 200.
А когда жир производится для потребления человеком, ТАГ из разных источников плавятся, смешиваются и охлаждаются. Другие ингредиенты также могут быть добавлены перед охлаждением, создавая множество различных кристаллических структур."
Помимо вкуса, понимание структурных изменений во время производства продуктов питания может привести к более энергоэффективным методам производства и распределения или более экономичной замене ингредиентов.
«Производство продуктов питания очень похоже на химию», – сказал Ян Илавски, ученый из отдела рентгеновских исследований Аргонны. "Вы можете продолжать тестировать ингредиенты и пробовать заменители, но это не очень эффективно.
Если вы знаете, что ищете, и имеете инструменты для моделирования рецептов или процессов прототипа, вы можете найти решения быстрее и дешевле."
Секретные структуры жиров
За последние три года Пейронель и команда Университета Гвельфа доставили в APS все более сложные образцы пищевого жира для исследований. Жиры, которые мы едим, являются полутвердыми, что означает, что некоторые молекулы ТАГ являются твердыми, а некоторые – жидкими при комнатной температуре. Когда жиры плавятся, а затем охлаждаются, твердые жиры сначала кристаллизуются, удерживая жидкие жиры в сети пулов внутри более крупной структуры, известной как кристаллическая сеть. Соотношение твердых веществ и жидкостей – важная характеристика, влияющая на свойства жира.
Например, при комнатной температуре какао-масло составляет около 60% твердого вещества и часто используется для изготовления шоколада, тогда как оливковое масло содержит только 14% твердого вещества и часто используется для приготовления пищи.
Насыщенные жиры, связанные с сердечными заболеваниями и другими заболеваниями, обычно представляют собой твердые жиры, а жидкие жиры, как правило, более здоровые, ненасыщенные жиры. Когда производители продуктов питания заменяют насыщенные жиры ненасыщенными альтернативами для улучшения питания, продукт может потерять свой аппетитный вкус и структуру и храниться по-другому.
«Иногда с продуктами с нулевым содержанием трансжиров покупатели открывают упаковку, и она становится маслянистой, потому что эта твердая жировая структура не выдерживает таких качеств, как трансжиры», – сказал Пейронель.
В 2013 году команда первоначально исследовала структуру жира в APS, начав с простой бинарной системы тристеарина, насыщенного твердого вещества, содержащегося в некоторых мясных и растительных жирах, и ненасыщенного жидкого жира, триолеина. В следующем году они представили пищевые масла, такие как полностью гидрогенизированное масло канолы и масла сои, семян хлопка и подсолнечника.
В этом году они привезли безводный молочный жир, продукт, полученный из сливок или масла, жирность которого превышает 99 процентов, а также «масло, сыр и сливки на 25 килограммов», – сказал Илавский. Молочный жир, который присутствует в молочных продуктах и является обычной добавкой к другим продуктам, имеет широкий диапазон плавления, что делает его сложной системой для изучения.
Команда также исследует образцы жира в своей домашней лаборатории с помощью дифракции рентгеновских лучей и криогенной просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ), которая требует обработки образца для удаления масла.
«С крио-ПЭМ мы должны манипулировать образцом, чтобы изолировать кристаллические сети, поэтому у нас всегда был вопрос: уничтожили ли мы что-то в образце??"Пейронель сказал. «Преимущество APS в том, что нам не нужно извлекать масло или манипулировать образцом."
Рентгеновский план
Данные рассеяния рентгеновских лучей, полученные с помощью камеры сверхмалого угла рассеяния (USAXS) на канале APS 9ID-D, позволяют пользователям внимательно исследовать свои образцы в трехмерном изображении при различных температурах, не изменяя эти образцы. Камеры со сверхмалым углом наклона обеспечивают высокий контраст между твердыми и жидкими компонентами, а прибор USAXS может определять размер или структуру компонентов образца по разным масштабам длины от ангстремов (10-10 метров) до примерно 20 микрометров (10-6 м).
«Если вы хотите посмотреть на жидкость под микроскопом, даже в большой микроскоп, оптический контраст не так уж велик», – сказал Илавски, научный сотрудник программы USAXS на канале 9ID-D. «Малоугловое и сверхмалоугловое рассеяние характеризует структуру аналогичным образом, но с большим контрастом."
Эти методы хорошо подходят для исследования иерархической структуры пищевых жиров, начиная от кристаллических нанопластинок (CNP), которые образуются во время охлаждения, когда TAG объединяются вместе, к кластерам CNP на микродиапазоне и к кристаллическим сетям, созданным кластерами. Как структурный план съедобных жиров, вы можете думать о TAG как о кирпичах, используемых для строительства дома, CNP как о комнатах, кластерах как о домах в блоке и кристаллической сети блоков в районе.
В недавнем исследовании молочного жира команда измерила CNP после того, как молочный жир был растоплен на уровне 70?С (158?F), остывший почти до 0?C (32 ° F) и хранить в холодильнике при 5?C (40 ° F) в течение двух месяцев до исследования, воспроизводя реалистичные условия обработки и хранения от обработки сырья до потребления.
Было обнаружено, что CNP молочного жира представляют собой гладкие тромбоциты, состоящие из TAG, которые плавятся при более высоких температурах и примерно в три раза длиннее (600-900 нм), чем их ширина. Результаты недавнего исследования молочного жира доступны в Food Chemistry.
Команда использует данные APS, чтобы помочь разработать и проверить вычислительную модель, которая прогнозирует образование структур съедобного жира во время охлаждения, нагревания, резки (смешивания) и других производственных процессов.
«Путем изменения модели и моделирования для представления различных методов обработки и морфологий CNP – таких как гладкие, грубые или нечеткие – появились различные структуры или формы агрегации CNP», – сказал Пейронель.
Команда работала в тесном сотрудничестве с APS, чтобы включить более сложные системы TAG в анализ и разработку модели. Их следующий шаг – проанализировать данные недавних наблюдений USAXS за продуктами, содержащими молочный жир, такими как масло и сыр. Они также изучают способы сбора данных с помощью прибора USAXS в немного более длинных пространственных масштабах и воспроизводят влияние сдвига, чтобы лучше понять, как добавленные обезжиренные ингредиенты и производственные практики могут повлиять на морфологию CNP и их агрегацию.
Илавски сказал, что вычислительная модель может быть особенно полезным инструментом прогнозирования пищевых жиров, потому что очень сложно охарактеризовать их наноразмерную структуру без использования уникальных ресурсов, таких как APS.
«Модели помогут рассчитать скорость охлаждения и нагрева, состав, механические свойства и другие параметры, чтобы предсказать желаемую структуру, что верно для многих материалов, которые мы видим на USAXS, а не только для молочного жира», – сказал Илавски. "Чего обычно не хватает в моделях материалов в этих масштабах, так это точных параметров материала. Этот объект помогает исследователям доказывать свои идеи, получая реальные измерения на реальных материалах."