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为解决牛奶粉在不当贮藏条件下品质劣变的关键难题，研究人员利用核磁共振波谱技术，首次直接揭示了乳糖分子在吸湿后的牛奶粉中获得了显著的旋转运动性。这项研究为理解乳糖参与结晶、结块以及与蛋白质发生化学反应等过程提供了关键的分子运动性前提，对预测和控制乳粉贮藏稳定性具有重要意义。
你是否想过，一罐看似能长久保存的奶粉，为何在潮湿环境中会结块、变质，甚至影响其营养价值？这正是全球乳品行业面临的一大挑战。牛奶粉因其长保质期、运输成本效益高以及对特殊人群的营养价值而被广泛使用，其稳定性直接关系到食品安全与资源利用。然而，牛奶粉在贮藏过程中，特别是在高温高湿条件下，常常会出现结块、复溶性变差、褐变等品质劣化问题。科学家们早已知道，作为牛奶粉主要成分的乳糖会参与这些过程，例如在颗粒表面结晶，或与蛋白质发生化学反应。但一个核心的科学问题一直悬而未决：在固体粉末的复杂基质中，乳糖分子究竟是如何“动起来”并参与到这些物理化学变化中的？传统的检测方法难以直接捕捉这种分子尺度的运动。因此，直接证明乳糖在贮藏条件下的运动性，成为理解并最终控制牛奶粉品质变化的关键。
为了解开这个谜题，来自丹麦奥胡斯大学的研究团队在《Food Research International》上发表了一项突破性研究。他们首次利用先进的核磁共振（NMR）波谱技术，直接观察并证明了当牛奶粉暴露于潮湿空气时，其中的一部分乳糖分子获得了类似液态的显著旋转运动性。这项发现为“乳糖需要运动才能参与反应”的长期假设提供了确凿的实验证据，将贮藏湿度与分子层面的动态变化直接联系起来，为改善乳粉产品的配方、包装和贮藏条件提供了全新的科学视角。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几种关键的技术方法：首先，他们采用了可控湿度环境模拟贮藏条件，使用不同饱和盐溶液在干燥器中精确控制相对湿度（如33%， 75%， 85%， 100%），对市售的脱脂牛奶粉和脂肪填充牛奶粉进行暴露处理。其次，研究的核心是固态核磁共振波谱技术，特别是魔角旋转（MAS）1H NMR。他们在400 MHz和700 MHz谱仪上，使用4毫米魔角旋转探头，在2.5 kHz至5 kHz的中等转速下采集样品谱图，以区分样品中的刚性组分和运动组分。此外，还使用了二维1H-13C异核单量子相干（HSQC）魔角旋转实验来确认信号归属，以及二维纵向弛豫时间T1-化学位移δ1H相关实验来分析分子动力学和相互作用。作为辅助证据，他们还利用扫描电子显微镜（SEM）观察了贮藏前后奶粉颗粒表面的形貌变化，以关联宏观现象与分子发现。
研究结果部分通过一系列严谨的实验，层层递进地揭示了乳糖的运动性。
3.1. 乳糖在牛奶粉表面的结晶
研究人员首先通过扫描电子显微镜观察发现，在推荐条件（相对湿度低于65%）下贮藏的脱脂牛奶粉颗粒表面光滑。然而，当暴露于75%相对湿度的空气中三天后，颗粒表面出现了明显的乳糖晶体。这种表面结晶现象直观地表明，乳糖必须获得足够的运动性才能迁移到颗粒表面并形成晶体，这为后续分子层面的研究提供了宏观证据。
3.2. 魔角旋转1H NMR谱图显示官能团
静态1H NMR谱图只能显示水和脂肪的宽峰，无法分辨乳糖信号。当采用魔角旋转技术后，谱图分辨率显著提高，可以清晰地观察到脂肪中甘油三酯各个官能团（如脂肪酸链上的甲基、亚甲基，甘油骨架上的氢以及不饱和双键上的氢）的尖锐信号。这证明了魔角旋转技术在解析复杂食品体系中运动组分方面的强大能力。1H NMR谱图对比。魔角旋转显著提高了分辨率，并在高湿度下显示了被标记为*的潜在乳糖信号。">
3.3. 魔角旋转1H NMR谱图揭示运动乳糖
在脂肪和水的信号之外，研究人员在1H化学位移3.5 ppm至4.0 ppm范围内发现了一组新的信号峰。这组信号的化学位移与乳糖水溶液的信号完美匹配。通过将溶液乳糖的谱图进行适当的线宽增宽后，可以很好地拟合牛奶粉的魔角旋转谱图，从而确认这些信号来源于乳糖。更重要的是，这些信号尖锐（线宽较窄），表明产生这些信号的乳糖分子具有显著的旋转运动性，其运动状态接近于液态乳糖，而与固体（结晶或无定形）乳糖产生的极度宽化的谱峰截然不同。这一对比直接证明了在吸湿的牛奶粉中，存在一个具有高运动性的乳糖组分。1H NMR谱图，(b) 溶液中溶解乳糖的谱图（信号尖锐），(c) 固体乳糖的魔角旋转谱图（信号宽化）。牛奶粉谱图中的未归属信号与(b)中乳糖信号匹配。">1H魔角旋转NMR谱图进行拟合。">
3.4. 运动乳糖含量随吸水量增加
定量分析显示，运动乳糖信号的强度随着贮藏环境相对湿度的增加而增加，并且与谱图中观测到的水信号强度呈正相关。这表明乳糖的“解锁”与水分吸收密切相关。水分作为一种增塑剂，可能降低了粉末基质的玻璃化转变温度，从而使部分乳糖分子能够运动起来。
3.5. 用2D NMR验证乳糖运动性
为了进一步排除这些信号可能来自吸水后部分运动的蛋白质（如乳清蛋白或酪蛋白），研究人员进行了更高级的二维核磁实验。1H-13C HSQC魔角旋转实验能够提供1H和13C的化学位移关联信息，就像分子的“指纹图谱”。结果显示，暴露于100%湿度一天的脱脂牛奶粉的HSQC谱图，与溶解乳糖的HSQC谱图高度一致，而并未显示出蛋白质溶液的特征信号峰。这最终确凿地证明了在3.5-4.0 ppm范围内的信号主要来源于具有运动性的乳糖分子，而非蛋白质。1H-13C HSQC谱图对比。(c)将两者叠加，显示高度一致的“指纹”模式，确证信号来自乳糖。">
3.6. 运动乳糖与水之间的动态耦合迹象
通过二维T1-δ1H弛豫-化学位移相关分析，研究人员发现运动乳糖的纵向弛豫时间常数（T1≈ 2.3 s）与大部分水信号的T1（≈ 2.0 s）非常接近。这种弛豫时间的相似性提示，运动乳糖与周围的水分子在物理上非常接近，并且存在交叉弛豫或化学交换过程，表明它们在动力学上是耦合的。这进一步支持了水在激活乳糖运动性中扮演着关键角色。1H NMR纵向弛豫时间T1–化学位移δ1H相关图。图中显示运动乳糖（标记的条带）与主要的水信号（*标记）具有相近的T1值，表明两者存在动态耦合。">
研究的结论与讨论部分高度总结了这一发现的重要意义。本研究首次提供了乳糖在牛奶粉中获得运动性的直接证据。核心结论是：当牛奶粉暴露于潮湿空气时，一部分乳糖分子会获得显著的旋转运动性，其NMR信号特征与水溶液中的乳糖相似，并与水分子存在动力学耦合。这一发现解决了一个长期存在的科学前提——乳糖必须具有运动性才能参与贮藏过程中的各种物理化学变化。
其重要意义在于多重层面。在科学层面，它将牛奶粉贮藏的宏观稳定性问题（如结块、褐变）与分子水平的运动性直接关联起来，为理解这些复杂过程提供了全新的分子机制视角。在技术层面，它展示了魔角旋转1H NMR作为一种强大的工具，能够灵敏地探测食品粉末等复杂固态体系中特定成分的运动性，这在未来可以广泛应用于其他干燥食品的稳定性研究。在实际应用层面，这项研究明确了湿度控制对于乳粉贮藏的极端重要性：超过临界湿度不仅意味着吸水，更意味着“解锁”了乳糖的分子运动性，从而触发一系列导致品质劣变的链式反应。这为优化乳粉产品的配方（如通过添加剂抑制运动性）、改进包装材料（如加强防潮）以及制定更精准的贮藏和物流指南提供了关键的理论依据。最终，这项研究通过揭示“湿度-分子运动-产品劣变”的内在联系，为减少食品浪费、降低包装和处理成本，以及保障乳制品的营养与安全贡献了基础性的科学知识。
