糖，

是幸福的味道，

是溫暖的味道。

糖類，

是一切生命體維持生命活動所需能量的主要來源。

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轉(zhuǎn)化的。

糖類是*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)對生活在寒冷地區(qū)的動植物起著重要作用，因?yàn)榧?xì)胞中所含的糖類對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-射線衍射（XRD）研究來區(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。一般來說，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)冰和熔化過程及相關(guān)結(jié)構(gòu)變化的可能性。

實(shí)驗(yàn)

測試是在標(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低溫臺和CCU 100聯(lián)合控制單元來控制。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)榭焖俚臉悠穭恿W(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較大，需要一定時間才能*凍結(jié)（圖1a.）。當(dāng)以固定的冷卻速率增加溶質(zhì)濃度時，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)三個峰。相比之下，描述Ic 相的只有一個指示峰，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，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，對于一個溶質(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zei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，由于高濃度蔗糖溶液中水分子的動力學(xué)性能受到抑制，從而抑制了冰晶的生長。

結(jié)論

安東帕TTK600 低溫室是原位研究冰結(jié)晶過程中的結(jié)構(gòu)變化，以及評價蔗糖水溶液成冰機(jī)制的依賴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*的觀點(diǎn)。