- 使用拉曼成像和机器学习根据化学定量特性评估人造黄油的质量和乳化状态
- 可视化制造工艺和储存时间对人造黄油微观结构的影响
- 提供一种评估方法，用于寻找制造商所期望的品质（例如不脱油、质地优良、高功能性）的制造工艺
成功定量可视化制造工艺和乳化剂对人造黄油乳化状态的影响
※泰勒等人。 （2024），食品化学(CC-BY 40)的图表的引用或修改。
米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）先进光子学和生物传感开放创新实验室Taylor James，首席研究员，Kazuki Fadedo，客座研究员，Satoshi Fujita，实验室副主任，大阪大学工学研究生院Katsumasa Fujita教授，Megmilk Snow Brand Co Shiori Tsukagoe，研究员，Reo Tanaka 主评委是拉曼成像和机器学习人造黄油的质量乳化我们开发了一种根据化学定量特性评估状态的分析技术。
此次开发的分析方法预计不仅可用于控制人造黄油在口中的融化，还可作为质量控制和产品改进的实用质量评价技术。此外，它有望成为不仅适用于人造黄油，还适用于测试通常含有大量液体成分的食品以及制药和其他领域的强大工具。
该技术的详细信息将于 2024 年 11 月 20 日公布。食品化学
人造黄油是通过乳化植物油制成的。乳化剂的种类和比例、制造工艺等对质感和外观影响很大。通过控制乳化状态断油、更光滑的质地和高功能性，需要一种分析方法来定量评估人造黄油的微观结构和分子分布。
这次，我们利用拉曼成像和机器学习的分析方法，可视化了人造黄油的微观结构和分子分布如何随乳化剂含量、制造工艺和人造黄油储存期等影响质量的参数而变化，并基于化学定量评估了人造黄油的质量。结果表明，脂肪相中形成的氢键与脱油呈正相关，并且我们还能够定量解释制造过程中的条件如何影响人造黄油的微观结构和分子分布以及脱油。相信人造黄油生产企业在进行质量控制和改造时可以将其作为一种实用的质量评价技术。
人造黄油是通过乳化植物油制造的，制造过程如油和水的含量、乳化剂的种类和比例、制造过程中的搅拌速度等对质地和外观有重大影响。例如，如果你试图制作更光滑、在嘴里融化的人造黄油，凝固的人造黄油无法保持其乳化状态，油会从人造黄油中渗出，这种现象称为脱油。然而，为了防止脱油，人造黄油有一个精细的结构油脂的晶体网络结构更强10128_10259|此外，有时会添加添加剂来制造人造黄油，目的是使其具有高功能性，但有些添加剂会影响乳化状态，因此有必要重新考虑成分和制造工艺。
如上所述，为了控制乳化状态并优化生产过程以生产制造商期望的质量（例如不脱油、质地光滑和高功能性）的人造黄油，需要一种定量评估人造黄油的微观结构和分子分布的方法。然而，到目前为止，主要的评价方法是观察人造黄油的晶体结构，并使用光学或电子显微镜测量其硬度和粘度。目前还没有方法可以直接对人造黄油表面的微观结构和分子分布信息进行成像和定量分析，因此希望开发一种新方法。
AIST 与大阪大学签署了一份关于建立和运营研究中心的谅解备忘录，该研究中心用于研究和开发下一代生物传感系统，该系统采用先进的光子学分析基础技术并测量各种生物分子。自 2017 年 1 月 6 日起，AIST-大阪大学先进光子学和生物传感开放创新实验室将在大阪大学吹田校区成立。我们正在“一站式”系统下进行联合研发。第二阶段计划将于2022年1月6日开始，以“实现人们无健康顾虑、享受生活的医疗保健社会”为目标，正在进行社会论证/实施研究。
这项研发基于“线扫描此外，我们还得到了国家研究开发机构日本科学技术振兴机构委托项目“研究成果部署项目共创空间形成支持计划（共创领域/培育型/全面型）（FY2020-2021/FY2022-2031）（JPMJPF2009）”的支持。
人造黄油是水滴分散在植物油中的精细结构W/O（油包水）乳液它在硬化时保留其结构并保留其黄油状外观。人造黄油的储存时间、油水含量、乳化剂的种类和比例、制造过程中的搅拌速度等制造工艺都会影响人造黄油中水滴的大小和数量，以及水滴表面形成的微观结构（油脂的结晶网络结构）。众所周知，这些因素与人造黄油的粘弹性（质地）和脱油现象密切相关（图 1）。然而，到目前为止，还没有办法直接对人造黄油中油和水的分布和分子信息进行成像。
图1 正常人造黄油（左）和人造黄油中渗出油的脱油状态（中、右）
在这项研究中，我们使用拉曼成像技术作为强大的工具来直接观察人造黄油中 W/O 乳液的微观形态。研究团队使用大阪大学开发的高速拉曼显微镜，将人造黄油中油/水的精细结构的分子信号（拉曼散射信号）获取为二维图像（拉曼成像），并使用基本的机器学习算法k 均值聚类，我们尝试分析水分子、脂质分子和羟基的分布。
图 2 显示了人造黄油表面的拉曼成像结果，其中“黄色”显示了构成脂肪和油的分子的拉曼信号，“蓝色”显示了水分子的拉曼信号。所有人造黄油均采用相同比例的水/脂肪和水与不同类型的乳化剂添加剂和不同的搅拌速度混合制成。我们还准备了生产后不同储存期限的人造黄油。正如预期的那样，拉曼成像结果显示，与新人造黄油相比，旧人造黄油的脂肪中水滴的尺寸和信号强度往往更小（图2 A和B以及C和D的比较）。这被认为是旧人造黄油中水分蒸发的结果。是一种乳化剂不饱和单酸甘油酯饱和单酸甘油酯据了解，在制造过程中的乳化过程中，当搅拌速度较慢时，更容易出现一种称为脱油的现象（图1），但拉曼成像结果显示，水分子在脂肪相中分散不充分（图2，D和E的比较）。
图2 制造工艺、储存时间、乳化剂类型对人造黄油乳化状态的影响
※泰勒等人。 （2024），食品化学(CC-BY 40)的图表的引用/修改。
接下来，为了更详细地分析水分子的分布，我们将水分子的拉曼信号区分为“有氢键的水分子”和“没有氢键的水分子”（图3）。结果发现，仅含有不饱和单酸甘油酯作为乳化剂的人造黄油比含有饱和单酸甘油酯的人造黄油在脂肪相中具有更多的氢键（图3A的顶部和中心与图3B的左侧和中心之间的比较）。这表明脂肪和油相中形成过多的氢键使人造黄油变硬，虽然不太可能导致脱油，但可能会失去其光滑的质地。在制造过程中的乳化过程中，发现当搅拌速度减慢时，脂肪和油相中的氢键减少（比较图3A的中心和底部，以及图3B的中心和右侧）。这表明，如果搅拌不充分，油脂相中的氢键结合不充分，油脂的结晶网络结构被破坏，使得油脂相中无法保持水分子，从而导致脱油。研究还表明，油相中氢键的数量与脱油呈正相关。
图3 形成氢键的水分子分布
泰勒等人。 （2024），食品化学(CC-BY 40) 的图表的引用或修改。
上述结果表明，拉曼成像可以成为观察 W/O 乳液微观形态的强大应用，并根据拉曼信号提供关于人造黄油储存期、乳化剂类型和比例以及不同制造工艺如何影响人造黄油微观结构和脱油的定量解释。
未来，我们考虑将这种分析方法不仅应用于人造黄油，还可以作为通常含有大量液体成分的食品的检验和质量控制技术。
已出版的杂志：食品化学
论文标题：利用拉曼高光谱成像和机器学习研究人造黄油涂抹中的微观水分散体和氢键结构
作者：J Nicholas Taylor、Kazuki Bando、Shiori Tsukagoshi、Leo Tanaka、Katsumasa Fujita、Satoshi Fujita
DOI：https://doiorg/101016/jfoodchem2024142035