Nano y microestructuras de grasas comestibles analizadas por

dispersión de rayos X: resultados estáticos vs. resultados dinámicos

Fernanda Peyronel1, David A. Pink1,2, Alejandro G. Marangoni1

1Department of Food Science, University of Guelph, Canadá 2Physics Department, St. Francis Xavier University, Canadá

Grasas vegetales La Administración de Salud y Medicamentos

Eliminación de trans

Reducción de Saturados

Problemas

Usar Rayos X para ver la estructura sólida de las grasas en la región de ~100nm to 10 µm

Estudio de la estructura sólida Limitaciones: Microscopia dispersión de luz

Nano Plateleta Crystalina

(100) face

(001) face

CNP

Longitud de escala

Polimorfismo

WAXS < 10Å

Cryo-TEM

USAXS

Aggregdo

30 µm

Capa doble 150Å > SAXS > 20Å

Microscopía de Luz

30 µm 100 nm

4

Dispersión de rayos X

60 nm 0.6 µm 6 µm 6 nm 0.6 nm

CNP

q [Å-1] 0.001 0.01 0.1 1

Modelos

Celda Unitaria

?

? CNP

Clave o “key” Polimorfismo

60 nm 0.6 µm 6 µm 6 nm

6

Más aggregación

¿Qué hemos aprendido en los últimos 3 años?

Morfología de las CNPs

“Forma” y mecanismo de agregación

Peyronel et al. J Applied Physics, 2013.

Peyronel et al. J Cond. Matter, 2014.

Peyronel et al. Food Biophysics, 2014.

Peyronel et al. App. Phy. Let., 2015.

Peyronel et al. Lipid technology, 2014.

Pink et al. J Applied Physics, 2013.

Quinn et al. J Cond. Matter, 2014.

CNPs: unidades primarias

Las CNPs se agregan

Interpretación Fractal

Pink et al. J. App. Phy. D., 2015.

PENDIENTE

7

Dr. Jan Ilavsky – New location 2015: Sector 9 Advanced Photon Source (APS), Argonne National Laboratory Illinois, USA

15 ID

8

USAXS – Instalaciones

Bonse-Hart Instrument APS

Beam line 9

Ultra-small-angle X-ray scattering at the Advanced Photon Source. J. Ilavsky, P.R. Jemian, A.J. Allen, F. Zhang, L.E. Levine and G.G. Long. Journal of Applied Crystallography, 2009, 42 (3), p 469-479.

Absolute Intensity

Sample

Multiple portamuestras a temperatura ambiente

Linkam: para controlar la temperatura

Pin SAXS

WAXS

9

USAXS – Método

In situ No destructivo

2.1 Experimento

Se debe tener en cuenta la dispersión por

la fase minoritaria

Modelo de CNPs

Modelo de granos y vacíos

Prediciones de S(q) (pendiente) a ser dispersada por rayos X. Esto ayuda a entender la estructura interna de los agregados y la

jerarquía

< 20% Solids 50% to 100% Solids

2.3 Interpretación

Modelos:

Unified Fit

Guinier-Porod

2.2 Análisis de los datos

10

Enfoque 1- Cryo-TEM para ver CNPs

2- USAXS

Materiales

15% SSS/ 34% Aceite de algodón / 51% OOO

20% SSS in OOO

Condiciones de cristalisación

80°C 20°C

0.5°/min or 30 °/min

Estático

Dinámico

q

q dirección de análisis

q

Laminar I

Laminar II

12

Parámetros

Unified Fit (esferas)

*Beaucage G. 1995. J. Appl. Crystallogr. 28: 717-728 *Beaucage G. 1996. J. Appl. Crystallogr. 29: 134 -146

Gunier- Porod (esferas)

* Hammouda, J. Appl. Cryst. 43, 716 (2010)

Ds = 2 CNPs – superficie lisa

dg1 ~ 42 nm

dg1 ~ 333 nm

Dm = 2.1

Dm = 1

dg2 ~ 921 nm

lento

rápido

dg2 ~ 1434 nm

RLCA

Enfriamento estático: rápido vs lento 20%SSS in OOO S3 20

S2U1 S1U2 U3 80

60 nm – 450 nm

14

Enfriamiento rápido

units in nm

Simulation Corto tiempo: no hay equilibrio

Enfriamiento lento

1.9 2.0 2

2.2*

3**

q [Å-1

]

Experimentos

2 1

3 Simulation -1.7 -2.1

Estado de equilibrium a largo tiempo

3

2

1.7 2.1

1

Predicciones

2 1

2.2

Agregados grandes que no se han relajado?

Ds = 2 CNPs superfices lisas

Dinámico, = 400, 50 s-1

Estático

Enfriamento dinámico: lento 0.5 °/min 20%SSS in OOO

Pendiente = 2.1 Dm = 2.1 RLCA

Pendiente muy corta? No se ven las estructuras

observadas en el caso estático

Laminar I

Ds = 2 CNPs con superficies lisas

Una pendiente? dificil de dar una explicación fractal

Enfriamento dinámico: rápido 30 °/min 20%SSS in OOO

Dinámico = 25, 73 s-1

Estático

Laminar II

Resumen: 20% SSS in OOO – sin componentes menores

USAXS es en esta region que las fuerzas de cizalla afectan la estructura

CNPs tamaño: se las observa mas grandes para el sistema dinámico. Parece que las fuerzas de cizalla ayudan a que mas moléculas se adhieran a las CNPs.

Caso dinámico : las CNPs no se agregan en forma fractal en la región 0.0002 < q < 0.001 Å-1 or 0.8 µm < escala de longitud < 3 µm

Muestras estáticas y dinámicas muestran la misma estructura molecular

Theoretical Predictions: Computer Simulation

Structure Function for objects forming a fractal before shearing : D = 1.7 After shear, same structure possess no linear region It is not a fractal. Some Bragg peaks disappear

Predicted USAXS Intensities: Unsheared system exhibits linearity. Sheared system exhibits no unique slope in intermediate region.

Pink, personal communication. Simulation by Beth Townsend

15% SSS, 51% Aceite de algodón , 34% OOO

Estático, lento

Dinámico: 400 s-1

P ~4.2 CNPs con superficies borrosas

Dinámico: 35 s-1

Estático, rapido

estático y dinámico muestran la misma estructura molecular

S3 15 S2U1 6 S1U2 25 U3 49

Preliminares

Laminar I, II

60 nm 0.6 µm 6 µm

USAXS

6 nm 0.6 nm

SAXS WAXS

Polimorfismo similar no implica que la “micro estructura” es la misma

La región entre 0.8 a 3 µm no muestra linealidad cuando se usan las fuerzas de cizalla

Pregunta de investigación ¿Podemos usar Rayos X para ver la estructura sólida de grasas comestibles en la region de ~100nm to 10 µm?

TAGwoods Estructuras fractales DLCA/RLCA

Estructuras que no son fractales

60 µm

Concluciones

*

*

*

El tamaño promedio de las CNP y de los micro-cristales depende de la taza de enfriamiento y si se usan fuerzas de cizalla

- dg enfriamiento rápido < dg enfriamiento lento - dg bajo fuerzas de cizalla > dg caso estático

La superficie de las CNP no cambia cuando se usan fuerzas de cizalla

Cristalización dinámica

Cristalización estática

Gracias por vuestra atención

Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada

Food and soft material Laboratory

20 FHSO in HOSO Laminar I Mesa

S3 20 S2U1 ~3 S1U2 ~23 U3 ~54

Dinámico:

Estático

24

Unidad primaria Fractalidad de superficie

Agregación de las unidades primarias Fractalida de masa

Más Agregación

Ds

Dm

D Tamaño del nano-crystal

Tamaño del micro- crystal

Fractalidad de masa Fractalidad de surficie

q [ -1] Å

Niveles de Estructura concentración baja/intermedia de sólidos

CNP: unidad primaria

Las CNPs se aggregan

Interpretación Fractal

Model of a Crystalline Nanoplatelet

25

.

Parsegian, V. A. Van der Waals Forces (Cambridge University Press) 2005

r centre-centre distance R sphere radius

(100) face

(001) face

Pink et al. J Appl Phys 2013 Quinn et al. J Cond Matt. 2014

V(r) between spheres belonging to different CNPs

Lower bound r = 2 (R+Δ)

Δ impenetrable layer, less than 10% of CNP’s lateral dimension

Monte Carlos Method- Metropolis Algorithm

Atomic features

~ 1-5 Å

26

USAXS

Molecular features ~10-150 Å

Length Scale Larger aggregates ~10 nm-10 µm

Length scale 6 µm 100 nm 4.6 Å

q [Å-1]

Usar Rayos X para ver la estructura sólida de grasas comestibles en la region de ~100nm to 10 µm

Estructura sólida

Manteca de cacao

Fractality

M(R) = RD

D=3 D=2.4

Statistical Fractal

1.7 < D < 1.8 DLCA: diffusion limited cluster-cluster aggregation

2.0 < D < 2.1 RLCA: reaction limited cluster-cluster aggregation

28

For a given fractal structure, the mass M(R) depends on the radial distance R

29

Fast cooling

d1 d2 dham Lham

fresh 620 4700 570 2300

units in nm

Simulation short time: non-equilibrium state

Slow cooling

(Å)

2 1

2.2 1.9 2.0 2

2.2* 3**

q [Å-1]

Bigger aggregate has not relaxed yet?

d1 d2 dham Lham

Fresh* 4400 13500 2200 7800

22 days** 1100

8000

1200 6500

(Å)

(Å) (Å) (Å)

Experiments

(Å) (Å) (Å)

2 1

3 Simulation -1.7 -2.1

long time equilibrium state 3

2

1.7 2.1

1

Model predictions “fractality”

30

Enfriamiento rápido

d1 d2 dham Lham

fresh 620 4700 570 2300

units in nm

Simulation Corto tiempo: no hay equilibrio

Enfriamiento lento

(Å)

2 1

2.2 1.9 2.0 2

2.2* 3**

q [Å-1]

Agregados grandes que no se han relajado?

d1 d2 dham Lham

Fresh* 4400 13500 2200 7800

22 days** 1100

8000

1200 6500

(Å)

(Å) (Å) (Å)

Experimentos

(Å) (Å) (Å)

2 1

3 Simulation -1.7 -2.1

Estado de equilibrium a largo tiempo

3

2

1.7 2.1

1

Predicciones

Ds = 2 CNPs superfices lisa Dinámico:

400 s-1

50s-1

Rg1 = 130 ± 80 nm

Estático

Enfriamento dinámico: lento 0.5 °/min 20%SSS in OOO

Pendiente = 2.1 Dm = 2.1 RLCA

Pendiente muy corta? No se ven las estructuras

observadas en el caso estatico

Rg1 = Rg1 270 ± 100 nm

Laminar I

CNPs

32

FHCO in HOSO

FHSO in SO

SMS in HPKO stearin

CB

Fat : isobutanol (~1:50)

Mixer (~5°C)

Vacuum filtration

Fat crystal resuspension

Mixer (~5°C)

Sonication At @5°C

Uranil acetate Cryo TEM

33

Homogeneous suspension

1-Cryo – TEM : Sample preparation

Acevedo and Marangoni, Crys. Growth and Des. 2010.

Data Acquisition and Software Package

34

Collimating crystals : is used to collimate the beam through multiple (2,4,6) reflections. Analyzing pair: is used to select out a single angular band of the scattered radiation: step rotation and more recently fly rotation. The analyzer and the detector are moved together for a certain angle, and wait for short time (~0.1 sec) to stabilize the system. Step measurement: the count takes place for a length of time of 0.5 sec for low-q points, 1 sec for mid-q points , 2 sec for high-q points

The 1-D geometry arrangement introduces smearing along the horizontal axis, which means that the data requires a numerical desmearing procedure to recover the differential scattering cross section or scattering intensity I(q).

J. Ilavsky, A. J. Allen, L. E. Levine, F. Zhang, P. R. Jemian, and G. G. Long, J. Appl. Cryst., 2012, 45, 1318–1320. J. Ilavsky, P. R. Jemian, A. J. Allen, F. Zhang, L. E. Levine, and G. G. Long, J. Appl. Cryst., 2009, 42, 469–479. J. Ilavsky, F. Zhang, A. Allen, L. Levine, P. Jemian, and G. Long, Metall. Mater. Trans. A, 2013, 44, 68–76. G. G. Long, P. R. Jemian, J. R. Weertman, D. R. Black, H. E. Burdette, and R. Spal, J. Appl. Cryst., 1991, 24, 30–37. J. Ilavsky, J. Appl. Crystallogr., 2012, 45, 324–328. F. Zhang, J. Ilavsky, G. G. Long, J. P. G. Quintana, A. J. Allen, and P. R. Jemian, Metall. Mater. Trans. A, 2009, 41, 1151–1158.

INDRA, NIKA, IRENA are the Igor-pro software packages

35

Schaefer et al. , D. W., Kohls, D. & Feinblum, E. Morphology of Highly Dispersing Precipitated Silica: Impact of Drying and Sonication. Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials DOI: 10.1007/s10904-011-9643-y, (2011)

Previous work

Unified Fit model

Scattering Limits

36

Guinier: q 0

Porod: q ∞

Schaefer et al. J. Inorg. Organomet. Polym. Mater. 22, 617 (2012)

Fractal Interpretation of P

Radius of gyration. Approximate size of object.

Fractality

M(R) = RD

D=3 D=2.4

Statistical Fractal

1.7 < D < 1.8 DLCA: diffusion limited cluster-cluster aggregation

2.0 < D < 2.1 RLCA: reaction limited cluster-cluster aggregation

37

For a given fractal structure, the mass M(R) depends on the radial distance R

Unified Fit* (spheres)

20% SSS - Unified Fit in IRENA

q[Å-1]

*Beaucage G. 1995. J. Appl. Crystallogr. 28: 717-728 *Beaucage G. 1996. J. Appl. Crystallogr. 29: 134 -146

Unified Level 1

Unified Level 2

Unified Level 3

P1 set =4

P2

P3

Rg1

Rg2

Rg3 set =1010

38

Guinier-Porod*

q2 q1

Rg1

Guinier-Porod Level 1 one particulate system

P1

: shape of scatterer

Guinier-Porod Level 2

* Hammouda, J. Appl. Cryst. 43, 716 (2010)

20% SSS

39

q [Å-1]

60 nm 0.6 µm 6 µm

USAXS

6 nm 0.6 nm

SAXS WAXS

41

The CNPs are the primary units

CNPs aggregate

Fractal interpretation

Nano-cavities are the primary units

Fractal interpretation

ORDER MEJOR TODO!!!

Modelos • WAXS/SAXS: se usan los planos atómicos, con el

concepto de la “malla” unitaria. La dispersión de los rayos X en estos planos causan los picos Bragg.

• USAXS: nosotros hemos usado a la CNP como unidad básica. Los experimentos revelan la dispersión de rayos X en la superficies o en toda la masa de: (1) las CNPs, (2) los aglomerados formados cuando las CNPs se aggregan

60 nm 0.6 µm 6 µm

USAXS

6 nm 0.6 nm

SAXS WAXS