Spot på faseovergange i grevefedt med fast-stof NMR

Julen er snart over os. Grevefedt, en af de klassiske komponenter fra det traditionelle julefrokostbord, er blevet analyseret med fast-stof NMR.

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 6, 2023 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Læs originalartiklen her

Af Daniel Topgaard¹, Diana Bernin² og Emmanouela Leventaki²

¹ Institut for Kemi, Lunds Universitet, Lund
² Institut for kemi og kemiteknik, Chalmers Tekniske Universitet, Gøteborg

Indtil midten af ​​1900-tallet var svinefedt med sprøde stykker skind den mest udbredte smørepålæg. Produktet er kendt som griebenschmalz på tysk, smalec på polsk og grevefedt på dansk. Men i midten af ​​1900-tallet kom smør og margarine på banen, og grevefedt blev i høj grad erstattet af disse produkter. I dag er grevefedt for mange blevet en slags klassiker, der indgår i det traditionelle julefrokostbord.

Er det hele et fedt?
Hvad karakteriserer egentlig en god grevefedt? Smag har betydning, men derudover er mundfylde (”mouthfeel”) også afgørende. Mundfylde bestemmes i høj grad af de gradvise overgange mellem forskellige faste og flydende fedtfaser, når vi bider, tygger og synker maden. Mens en fedtkilde, der består af ensartede triglycerider med samme acylkædelængder og samme grad af umættethed, formentlig ikke giver den optimale smelteprofil, forventes det, at en fedtkilde bestående af varierende triglycerider, hvor visse krystalformer eventuelt er stabiliseret med tilsætningsstoffer, i højere grad vil bidrage til en større sensorisk oplevelse i form af mundfylde.
For et rent mættet triglyceridsystem vil krystallisation af den smeltede fase finde sted ved dannelse af den såkaldte α-form (pseudohexagonal) og efterfølgende overgang til den β-form (triklinisk), nogle gange via β′-formen [1]. Simple blandede triglycerider har ofte det samme forløb. Mere komplekse blandinger, herunder triglycerider med forskellige acylkædelængder og grader af umættethed forbundet med den samme glyceroldel, kan forventes at have mere komplekse krystallisationsprocesser med fraktionering af molekylære komponenter mellem den smeltede fase og forskellige krystalformer.

Metoder til karakterisering
Røntgendiffraktion kan give et væld af oplysninger om krystalsymmetrier, afstande og nogle gange atompositioner i enhedscellen i et triglycerid-system. Derimod kan røntgendiffraktion ikke karakterisere de flydende og de mindre ordnede faste faser i en multikomponentfedtblanding, som mange fedtholdige fødevarer, inklusiv grevefedt, består af. Lavfelts proton NMR er en hurtig og nøjagtig metode til at kvantificere forholdet mellem fast og flydende fedt, men i grevefedt vil tilstedeværelsen af andre faste stoffer, som for eksempel partikler af svineskind, introducere støj og dermed indvirke på analyserne.

Fast-stof NMR-analyser
Med det formål at muliggøre en karakterisering af en blanding af spækbaserede smørepålæg, blev der anvendt kulstof-13 (¹³C) fast-stof NMR til en detaljeret undersøgelse af termotropiske faseovergange i udvalgte smørepålægsprodukter [2]. Fast-stof NMR er afhængig af ”magic angle spinning” (MAS). Ved hjælp af proton decoupling, opnås ¹³C-spektre med tilstrækkelig opløsning til at identificere multiple alifatiske, olefinske og allyliske kulstofatomer i kulbrintkæderne, selv under tilstedeværelsen af ​​kollagenprotein fra svineskindet [3]. Ved at anvende en kombination af både krydspolariseringseksperimenter (CP), hvor polarisering overføres fra protoner til kulstof, og INEPT (insensitive nuclei enhanced by polarization transfer) pulssekvensen, kan der opnås information om de molekylære segmenter med kombinationer af fast, intermediær, flydende og flydende krystallinsk dynamik. De NMR-spektroskopiske målinger blev gennemført på et 500 MHz spektrometer udstyret med en 4 mm CPMAS probe og en MAS spinningshastighed på 5 kHz.
Figur 1 viser ¹³C NMR-spektre for grevefedt målt ved 2°C, hvor de sammenlignelige amplituder af CP- og INEPT-resonanser indikerer, at prøven af grevefedt indeholder nogenlunde samme mængder af fast og flydende fase. De større linjebredder i CP-spektret afspejler hovedsageligt variation i de ​​isotrope kemiske skift, der stammer fra konformationer og pakninger af krystallinske faste stoffer. Omvendt resulterer hurtig konformationel isomerisering i de smalle INEPT-toppe. Smelteprofilen blev undersøgt ved at optage NMR-spektre på prøverne af grevefedt ved varierende temperatur. Det overordnede forhold mellem fast og flydende fedt kunne estimeres ved sammenligning af all-trans CP og trans/gauche INEPT-toppe (kemiske skift ved henholdsvis ~32 og ~30 ppm). Ved den laveste undersøgte temperatur, -8°C, var alle prøver domineret af fast fedt.
Med stigende temperatur blev fast fedt forventeligt gradvist erstattet med en flydende form. Grevefedten indeholdt både fast og flydende fedt over et temperaturinterval på mere end 40°C, i overensstemmelse med en blanding af flere komponenter med individuelle overgangstemperaturer bestemt af deres acylkædelængder og grader af umættethed. En mere detaljeret inspektion af temperaturafhængigheden af ​​CP-resonanserne fra all-trans methylen (~32 ppm) og karbonyl (~173 ppm) afslørede mindst to sæt toppe, der formentlig stammer fra krystalformer analoge med de lavtsmeltende α- og højtsmeltende β-former, der findes i rene triglyceridsystemer. Sammenligning med litteraturdata for α/β′- og β-formerne af tripalmitin og andre krystalformer af all-trans alkaner [4-6] indikerede, at de molekylære konformationer og krystalstrukturer i grevefedt adskiller sig fra dem, der findes i rene triglycerider.

Konklusion
Fast-stof NMR med spektral filtering muliggør detaljeret karakterisering af sameksisterende faste og flydende faser i spækbaseret smørepålæg som grevefedt over forskellige temperaturområder. De mange spektrale detaljer indikerer, at metoden er anvendelig i forbindelse med udvikling af forskellige typer af fedtholdige fødevareprodukter med optimal balance mellem fast og flydende fraktioner for at opnå gunstige teksturegenskaber og forbrugerappel ved forskellige serveringstemperaturer.

E-mail:
Daniel Topgaard: daniel.topgaard@fkem1.lu.se

Referencer
1. L. Hernqvist, K. Larsson, On the crystal structure of the β′-form of trigycerids and structural changes at the phase transitions LIQ. → α → β′ → β. Fette Seifen Anstrichm. 9, 349-354 (2002). https://doi.org/10.1002/lipi.19820840905.
2. D. Bernin, E. Leventaki, D. Topgaard. Solid-liquid phase transitions of triglycerides in griebenschmalz, smalec, and fedt Studied Using ¹³C solid‑state NMR with dynamics‑based spectral filtering. Appl. Magn. Reson. (2023). https://doi.org/10.1007/s00723-023-01564-5.
3. S. Björklund, A. Nowacka, J.A. Bouwstra, E. Sparr, D. Topgaard, Characterization of stratum corneum molecular dynamics by natural-abundance ¹³C solid-state NMR. PLOS One. 8, e61889 (2013). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0061889.
4. S.M. Bociek, S. Ablett, I.T. Norton, A ¹³C-NMR study of the crystal polymorphism and internal mobilities of the triglycerides, tripalmitin and tristearin. J. Am. Oil Chem. Soc. 62, 1261-1266 (1985). https://doi.org/10.1007/BF02541839.
5. D.L. VanderHart, Infuence of molecular packing on solid-state ¹³C chemical shifts: the n-alkanes. J. Magn. Reson. 44, 117-125 (1981). https://doi.org/10.1016/0022-2364(81)90195-5.
6. M. Adam-Berret, C. Rondeau-Mouro, A. Riaublanc, F. Mariette, Study of triacylglycerol polymorphs by nuclear magnetic resonance: effects of temperature and chain length on relaxation parameters. Magn. Reson. Chem. 46, 550–557 (2008). https://doi.org/10.1002/mrc.2213.