糖，
是幸福的味道，
是溫暖的味道。
糖類(lèi)，
是一切生命體維持生命活動(dòng)所需能量的主要來(lái)源。
圓滾滾地企鵝、胖嘟嘟地北極熊，都是由于有足夠的脂肪，才能在極寒之地生存；而脂肪又是由于糖類(lèi)轉(zhuǎn)化的。
糖類(lèi)是*的低溫保護(hù)劑材料，它可以保護(hù)活細(xì)胞不被凍結(jié)。這一事實(shí)對(duì)生活在寒冷地區(qū)的動(dòng)植物起著重要作用，因?yàn)榧?xì)胞中所含的糖類(lèi)對(duì)它們的耐寒性有很大的影響。
冷凍機(jī)制在制備生物組織或食品工業(yè)中是*的。這些機(jī)制嚴(yán)重受存在的溶質(zhì)影響；例如，根據(jù)溶質(zhì)濃度和冷卻速率，可以觀察到冰點(diǎn)(tcryst)和熔化溫度(tmelt)降低。
目前，許多關(guān)于水和水溶液結(jié)冰行為的研究都是用電子顯微鏡進(jìn)行的。然而，需要x-射線(xiàn)衍射(xrd)研究來(lái)區(qū)分形成的冰的結(jié)構(gòu)，這其中可能六邊形冰(ih)是作為穩(wěn)定形態(tài)存在，立方形冰 (ic)作為亞穩(wěn)形態(tài)或玻璃化水存在。冰的結(jié)構(gòu)取決于冷卻速率。一般來(lái)說(shuō)，ic 形式的冰晶比ih的冰晶結(jié)構(gòu)更小。因此，生物組織的結(jié)構(gòu)損傷較小，如果ic是冰的主要形態(tài) 。
本文描述了用原位 xrd 研究蔗糖溶液的結(jié)冰和熔化過(guò)程及相關(guān)結(jié)構(gòu)變化的可能性。
實(shí)驗(yàn)
測(cè)試是在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室銅靶cukα粉末衍射儀，反射模式下進(jìn)行的。樣品環(huán)境由安東帕的ttk600低溫臺(tái)和ccu 100聯(lián)合控制單元來(lái)控制。為了控制樣品從室溫到-100 °c，需要使用液氮冷卻裝置。為了避免樣品室內(nèi)的凍結(jié)，所有的測(cè)量都是在干燥的n2氣氛下(2bar rel.)進(jìn)行的。22到to27°2theta之間進(jìn)行快速掃面在45秒內(nèi)完成。這是必要的，因?yàn)榭焖俚臉悠穭?dòng)力學(xué)。
將市售的蔗糖粉溶于蒸餾水中，其濃度分別為1，3和5mol/l蔗糖溶液。這些溶液的結(jié)果與純水進(jìn)行了比較。用移液槍將樣品裝到標(biāo)準(zhǔn)樣品池內(nèi)。*填充滿(mǎn)樣品池需要約0.15ml蔗糖溶液。
以1，5和10°c/min速率冷卻和后續(xù)加熱蔗糖溶液。 在循環(huán)中持續(xù)對(duì)樣品進(jìn)行連續(xù)掃描。
結(jié)果與討論
降低結(jié)晶溫度
研究冰點(diǎn)下降的結(jié)果如下圖所示。
純水結(jié)晶延遲(tcryst 在 -1°c)是由于樣品體積相對(duì)較大，需要一定時(shí)間才能*凍結(jié)(圖1a.)。當(dāng)以固定的冷卻速率增加溶質(zhì)濃度時(shí)，可以觀察到tcryst在-30°c發(fā)生了較大的轉(zhuǎn)變。
同樣的道理也適用于在固定蔗糖濃度下提高冷卻速率(圖1b.)。
圖 1: 濃度 (a.) 和冷卻速率 (b.) 與tcryst關(guān)系圖。增加速率和濃度明顯導(dǎo)致tcryst降低。
結(jié)構(gòu)變化
ih相的特征是掃描范圍內(nèi)在22.683(峰1)， 24.138(峰2) 和25.742°2theta(峰3)出現(xiàn)三個(gè)峰。相比之下，描述ic 相的只有一個(gè)指示峰，在 24.254°2theta，而這與ih相的峰2重疊。因此，在ih相存在的情況下， ic相的形成往往僅由峰2強(qiáng)度隨著峰1和峰3的損失而增加來(lái)表示。
在一定溶質(zhì)濃度的冷凍實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)冷卻速率增加時(shí)，可以觀察到從ih到ic的轉(zhuǎn)變。這可以從峰1與峰2的強(qiáng)度比(圖2)和圖3的xrd衍射圖中看出，對(duì)于一個(gè)溶質(zhì)樣品，可以觀察到*不同的衍射圖。
圖2: ipeak1/ipeak2-比率表明結(jié)構(gòu)的變化取決于冷卻速率
圖 3:觀察到冷卻和加熱過(guò)程中受冷卻速率增加影響的結(jié)構(gòu)變化。
比例越高，形成的冰中ih的含量就越多。zei高的比率是在低的冷卻速率下給出的。ic更趨向于在較高的冷卻速率下形成。
在熔融(tmelt)之前，ic在所有過(guò)程中消失，再次表明結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。在tmelt峰1/峰2比值z(mì)ei高，以及在峰1的尖銳和/或下降，和峰2幾乎*消失情況下，可以清楚地看到這一點(diǎn)。
在恒定的冷卻速率下，不同的溶質(zhì)濃度也可能對(duì)形成的冰的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，如圖4所示。與1mol/l蔗糖相比，純水呈現(xiàn)出完美的ih型，其中峰2為第二大峰，表明含有一定量的ic。在zei高濃度時(shí)，由于高濃度蔗糖溶液中水分子的動(dòng)力學(xué)性能受到抑制，從而抑制了冰晶的生長(zhǎng)。
結(jié)論
安東帕ttk600 低溫室是原位研究冰結(jié)晶過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化，以及評(píng)價(jià)蔗糖水溶液成冰機(jī)制的依賴(lài)性和冷卻速率的合適工具。
從冷凍實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)支持溶液的結(jié)晶行為以及不同實(shí)驗(yàn)條件下形成不同的結(jié)構(gòu)這個(gè)*的觀點(diǎn)。