文献解读 |深圳大学食品系范方辉副教授等：低场时域核磁共振（LF-NMR）助力乳糖晶型分析：基于弛豫分析解析水分状态与晶型转变机制

研究团队

深圳大学食品系范方辉副教授团队

研究内容

《LF-NMR揭秘乳糖结晶：水分参与的动态演变机制》

发表期刊

《Analytical Chemistry》

影响因子

Nature Index期刊；中科院JCR分区
大类：化学（1区）
小类：分析化学（1区）

1、文献研究背景

乳糖结晶行为是乳制品与食品配料加工中的核心科学问题之一，直接影响着产品的溶解性、稳定性以及感官品质。在储藏过程中，乳糖常发生从无定形态向结晶形态（如α-乳糖一水合物、无水α/β-乳糖等）的转变。而水分在这一过程中既是环境因素，同时也直接参与了乳糖的结晶过程。因此，明确水分在乳糖结晶不同阶段中的作用机制，是理解和调控乳糖结晶行为的关键。

然而，传统研究多依赖XRD、DSC、Raman等手段，从晶型鉴定或热行为角度进行分析，但这些方法主要提供结构或热力学信息，难以实时、无损地捕捉水分在结晶过程中的状态变化、动态迁移路径及其与乳糖分子的相互作用，导致对乳糖结晶机理的理解还存在空白，无法实现对最终晶型的精准控制。

2、低场时域核磁共振（LF-NMR）技术的核心作用

在本研究中，低场时域核磁共振技术作为连接结构表征与分子动力学机制的关键工具，在揭示水分参与乳糖结晶过程中的作用方面发挥了不可替代的作用。

LF-NMR 通过量化水分状态、追踪水分动态迁移过程，为多谱学联用提供了关键的“动力学证据”。不同于 Raman 等技术侧重于晶格结构的静态或异构化表征，LF-NMR 独家揭示了水分在无定形基质中的塑化、扩散及相态重组的动态时空演变。

研究中采用CPMG脉冲序列获取横向弛豫时间（T₂）数据，并结合反演算法对信号进行解析，获得不同水分组分在结晶过程中的动态演变信息。而MRI成像结果及其阈值分割图像对乳糖中水分的空间分布情况进行了可视化。图1​正是本研究的核心成果之一，通过LF-NMR测得的T₂分布曲线以及MRI成像结果，直观展示了无定形乳糖在水分活度a_w = 0.11− 0.87及298K条件下的吸水行为与迁移动力学。以下将从三个方面对其进行详细解析。

Part.1 乳糖中水分的存在形式

通过分析T₂弛豫时间（横轴，单位：ms）与信号强度（纵轴），LF-NMR揭示了乳糖中的水分存在三种状态：

• T₂₁ (0.1 – 1.0 ms) ：结合水，是分子水平的强束缚水，通过氢键等作用与乳糖紧密结合，分子流动性最低，无法自由迁移。
• T₂₂ (1.0 – 10 ms)：内吸附水，填充于无定形乳糖基质的孔隙或分子间隙中，通过毛细管力和多层吸附作用存在，可参与分子重排。
• T₂₃ (10 – 1000 ms)：自由水/表面水，主要指在结晶过程中被晶格排斥并迁移至表面的游离水分。其弛豫时间最长，表明受束缚力极弱，不再作为结构组分存在。

图1. 无定形乳糖在水分活度a_w = 0.11− 0.87及298K条件下的吸水行为与迁移动力学的综合研究。
(A) 通过GAB模型拟合的吸附等温线确立平衡吸附量。
(B) LF-NMR横向弛豫时间（T₂分布）揭示了水分子在结合态、内吸附态与晶体结合态之间的迁移动力学与分配状态转变。

(C) MRI结果及其阈值分割图像可视化了水分子的空间分布情况，与LF-NMR测得的水分迁移数据形成互补。
(D) 示意模型图将吸附实验、LF-NMR及MRI研究结果整合，构建了吸附诱导的结晶过程中水分子迁移的机制路径。

Part.2 结晶过程中水分子的动态迁移

LF-NMR 结果表明，乳糖结晶并非单纯的固相结构转变，而是一个伴随着水分状态变化的动态过程。

01 低水分活度（a_w < 0.43）：结合水主导，未结晶

水分子状态以强结合水T₂₁ (0.1 – 1.0 ms) 为主，分子流动性极低，通过氢键紧密结合于乳糖无定形基质中。峰面积A₂₁随a_w​增加而增大（图1 B（1）），表明水向内迁移导致基质塑化。

02 中等水分活度（0.43 ≤ a_w ≤ 0.56）：结晶开始

T₂₂峰显著增强，表明内吸附水增多，分子流动性增强。A₂₂随a_w增加而增大，反映水分从表面吸附向内部扩散，为结晶提供分子流动性。当a_w = 0.56时，T₂₁从0.1-1.0 ms缩短至0.01-0.1 ms（图1 B（2）），表明水分开始被纳入α-乳糖一水合物（α-LAC_MN）晶格，预示着结晶的开始。此时组分的显著增加标志着基质内部形成了高流动性的“液态状”环境。这种水分塑化效应（Plasticization）大幅降低了乳糖分子的玻璃化转变温度，激活了分子链段的运动，从而为晶核的形成与生长提供了必要的动力学条件。

03 高水分活度（a_w >0.56）：晶体结合水形成，结晶完成

水分进入晶格形成晶体结合水（T₂₁缩短至0.01-0.1 ms），稳定存在于α-LAC_MN晶格中；同时多余水分在结晶过程被排出，形成外吸附水T₂₃ (10 – 1000 ms)。当a_w ≥ 0.76时，A₂₁​趋于稳定，且MRI观察到水分分布均匀（图1 C），表明α-LAC_MN成为主导晶体形式，结晶过程完成。此时水分不再向基质内迁移，而是以晶体结合水和外吸附水形式平衡分布。

Part.3水分子迁移的机制路径

结合LF-NMR数据与MRI成像结果，发现水分在样品吸附和结晶过程中经历了“气态吸附（表面聚集）→ 液态塑化（向内渗透，主导）→   固态锁定（晶格并入，主导）+ 自由水排出（生成）”的循环路径（图1 D）：

• 气态吸附（低a_w）：水分子以气态形式吸附于无定形乳糖的表面，形成结合水（T₂₁​）；
• 液态迁移（中等a_w）：随着a_w​升高，水通过毛细管力和吸湿性向内多层扩散，形成内吸附水（T₂₂​），塑化基质并促进分子重排；
• 固态结合（高a_w​）：水被纳入α-LAC_MN晶格形成晶体结合水（T₂₁缩短），同时多余水分被排出形成表面水（T₂₃），最终完成结晶。

本研究通过引入低场核磁共振技术，从分子尺度系统揭示了水分在乳糖结晶过程中的参与方式及其动力学演变规律，明确了不同状态的水分在无定形转变、晶体生长及晶格稳定中的关键作用。

3 总结

该研究成果对基础科学和实际工业应用都具有重要意义，通过监控弛豫谱的特征峰演变，可建立水分活度-分子流动性-结晶速率的定量关联模型。这为工业生产中预测乳糖结晶行为、优化干燥工艺及货架期稳定性评价提供了非破坏性的实时监测手段。同时也展示了LF-NMR技术在复杂食品体系中解析水分行为与结构演变方面的独特优势。

低场时域核磁共振技术凭借其非破坏性、对水分高度敏感及可定量区分质子状态的特点，正逐步成为食品与材料结晶行为研究中不可或缺的关键分析工具。

参考文献：

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