同質多晶現象即為一種物質能以一種以上晶體形式存在的現象。或者說化學組成相同的物質,可以有不同的結晶結構,但融化后生成相同的液相(如石墨和金剛石)的現象。同一種脂肪酸或油脂由于結晶條件的不同可生成不同的晶體,這一現象與油脂的一些宏觀物理性質密切相關。甘油三酯的熔化和結晶溫度取決于兩個主要因素:化學結構和同質多晶特性。混甘油三酯的化學組成可通過調和、酯交換、分提及氫化等加以改變,而在油脂工業中的許多重要的產品,如奶油、人造奶油、豬油、巧克力、氫化植物起酥油以及可可脂等,它們的稠度、塑性、粘度以及其它物理特性都取決于甘油三酯中特有的同質多晶現象的存在,在實際生產中可通過嚴格控制結晶方式來獲得所需要的產品特性。
甘油三酯的晶體一般以α、β'和β型存在(相應于脂肪酸鏈的三種主要的橫截面排列形式)。晶型通常是利用X射線衍射技術測定各種晶體的顆粒大小來確定的。研究結果表明:單個的甘油三酯分子具有一種音叉形結構。該分子的中部,即Sn-2位碳原子上連著的脂肪酸的投影與另外兩個鏈方向相反。甘油三酯分子的排列方式決定了晶體的結構形式和產物的熔點。α型具有最低的排列密度、最快的晶體生長、最低的熔點,因而是最不穩定的一種晶型。β型則具有最高的排列密度和熔點,是最穩定的一種晶型,β'型則介于二者之間。亞穩態的同質多晶體在未熔化時會自發地轉變為穩定態,這種轉變具有單向性;而當兩種同質多晶變體均較穩定時,則可雙向轉變,轉向何方則取決于溫度;天然油脂多為單向轉變。
如果從構成脂肪酸烴鏈的最小重復單位亞乙基(-CH2CH2-)的不同堆積排列或者說是不同的排列傾斜角來看,常見的α、β'和β型的情況分別為:α型為正六方型堆積,在這種結構中,鏈隨機取向,并繞其長垂直軸旋轉,無序性增大,穩定性最低。β型為三斜晶系堆積,由于亞乙基的取向是一致的,因此在常見的這三種結構中是最穩定的。β'型為普通正交堆積,位于中心的亞乙基取向與位于4個頂點的亞乙基取向不同,所以穩定性不如β型。
同酸(R1=R2=R3)甘油三酯同質多晶的特性
以三硬脂酸甘油為例,當油脂從熔化狀態逐漸冷卻首先形成α晶型,α型不穩定,在不同的條件下可轉變成β'和β型。如果將α型加熱至熔點,可迅速轉變成β型;若將溫度保持在α型熔點以上幾度時可直接得到β'型。而β'型被加熱到其熔點,則發生熔融,并轉變成穩定的β型。
由于甘油三酯的Sn-1、Sn-3位與Sn-2位上的脂肪酸方向相反,在三維結構中甘油分子排列成椅式。并且在甘油三酯的β晶型排列方式中,脂肪酸以兩種方式交錯排列,一種是兩倍碳鏈長(DCL)方式,記作β-2,一種是三倍碳鏈長(TCL)方式,記作β-3。
一般同酸甘油三酯易形成穩定的β結晶,而且是β-2排列,混甘油三酯由于碳鏈長度不同,易停留在β'結晶狀態,以TCL形式排列,即β'-3排列。
X射線和電子顯微鏡對結晶過程的諸多觀察和分析表明:結晶總是由過冷卻的或過飽和的不平衡體系中的晶核形成而引發的,冷卻速率、振動作用、過冷程度是決定晶核形成和晶體長大相對速率的重要因素,也決定了晶體大小和晶體的形成狀態。
易結晶為β型的油脂有:大豆油、花生油、椰子油、橄欖油、玉米油、可可脂和豬油。易結晶為β'型的油脂有:棉子油、棕櫚油、菜子油、乳脂、牛脂及改性豬油。β'型的油脂適合于制造起酥油和人造奶油。在實際應用中,若期望得到某種晶型的產品,可通過“調溫”即控制結晶溫度、時間和速度來達到目的。調溫可以看作是一種加工手段,即利用結晶方式改變油脂的性質,得到理想的同質多晶型和物理狀態,從而增加油脂的利用性和應用范圍。
β晶型是唯一的通過單晶X射線結構分析精確了解的晶型。目前的研究主要集中在β'晶型上,β'晶型是某類單甘酯穩定的固體形式,其甘油三酯結構的諸多細節尚未知曉。 脂肪酸的同質多晶:由于氫鍵的作用,脂肪酸各分子羧基間的成對結合,形成分子層。在分子對層,脂肪酸的羧基和甲基的兩末端基分別存在于平行的平面內。這樣的結晶在分子間的引力中,甲基間的引力最小,亞甲基間的引力最大。因此當結晶受到外界機械力后,會沿甲基間的面割開,產生具有疏水性的薄片狀表面。