核磁共振技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

黃東雨，黃雪蓮，盧雪華，鄭瑞婷，陳悅嬌，陳海光

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院輕工食品學(xué)院，廣東 廣州510225）

核磁共振技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

黃東雨，黃雪蓮，盧雪華，鄭瑞婷，陳悅嬌*，陳海光

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院輕工食品學(xué)院，廣東 廣州510225）

闡述核磁共振技術(shù)原理，從食品成分分析及水果品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)等方面綜述國(guó)內(nèi)外核磁共振技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用情況，并展望了該技術(shù)在未來(lái)食品加工業(yè)中的應(yīng)用前景。

核磁共振；食品工業(yè)；應(yīng)用

Abstract:The principle of nuclear magnetic resonance（NMR）was expounded.The applyings of NMR in food industry at home and abroad were mainly discussed here：such as in food components analyzing and intact detection of fruit quality.NMR is an available and effective method because of its high accuracy and good precision and repeatability,so it deserves popularization.

Key words：NMR;food industry;application

核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，簡(jiǎn)稱NMR）技術(shù)是基于原子核磁性的一種波譜技術(shù)，1946年，美國(guó)哈佛大學(xué)的Purcell和斯坦福大學(xué)的Bloch所領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)小組用不同的方法，幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象。最初，核磁共振技術(shù)主要用于核物理研究方面，用于測(cè)量各種原子核的磁矩。隨著超導(dǎo)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和脈沖傅立葉變換波譜儀的迅速發(fā)展，使NMR技術(shù)取得了重要突破，功能越來(lái)越完善。它可在不侵入和破壞樣品的前提下，對(duì)樣品進(jìn)行快速、實(shí)時(shí)、全方位和定量的測(cè)定分析，因此核磁共振技術(shù)在食品中的應(yīng)用和發(fā)展也越來(lái)越廣泛。

1 NMR原理

核磁共振，即在靜磁場(chǎng)中，具有磁性的原子核存在不同能級(jí)，用特定頻率的電磁波照射樣品，當(dāng)電磁波能量等于能級(jí)差時(shí)，原子核吸收電磁波發(fā)生能級(jí)躍遷，產(chǎn)生共振吸收信號(hào)[1]。核磁共振是處于靜磁場(chǎng)中的原子核在另一交變磁場(chǎng)作用下發(fā)生的物理現(xiàn)象。并不是所有原子核都能產(chǎn)生這種現(xiàn)象，原子核能產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象是因?yàn)榫哂泻俗孕齕2]。迄今為止，只有自旋量子數(shù)等于1/2的原子核，其核磁共振信號(hào)才能夠利用，經(jīng)常為人們所利用的原子核有：1H，11B，13C，17O、19F，31P。

將原子核置于外加磁場(chǎng)中，若原子核磁矩與外加磁場(chǎng)方向不同，則原子核磁矩會(huì)繞外磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)，這一現(xiàn)象類(lèi)似陀螺在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)軸的擺動(dòng)，稱為進(jìn)動(dòng)。核磁共振現(xiàn)象來(lái)源于原子核的自旋角動(dòng)量在外加磁場(chǎng)作用下的進(jìn)動(dòng)。進(jìn)動(dòng)具有能量，也具有一定的頻率。原子核進(jìn)動(dòng)的頻率由外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度和原子核本身的性質(zhì)決定，也就是說(shuō)，對(duì)于某一特定原子，在一定強(qiáng)度的外加磁場(chǎng)中，其原子核自旋進(jìn)動(dòng)的頻率是固定不變的。原子核發(fā)生進(jìn)動(dòng)的能量與磁場(chǎng)、原子核磁矩、以及磁矩與磁場(chǎng)的夾角相關(guān)，根據(jù)量子力學(xué)原理，原子核磁矩與外加磁場(chǎng)之間的夾角并不是連續(xù)分布的，而是由原子核的磁量子數(shù)決定的，原子核磁矩的方向只能在這些磁量子數(shù)之間跳躍，而不能平滑的變化，這樣就形成了一系列的能級(jí)。當(dāng)原子核在外加磁場(chǎng)中接受其他來(lái)源的能量輸入后，就會(huì)發(fā)生能級(jí)躍遷，也就是原子核磁矩與外加磁場(chǎng)的夾角會(huì)發(fā)生變化。這種能級(jí)躍遷是獲取核磁共振信號(hào)的基礎(chǔ)。為了讓原子核自旋的進(jìn)動(dòng)發(fā)生能級(jí)躍遷，需要為原子核提供躍遷所需要的能量，這一能量通常是通過(guò)外加射頻場(chǎng)來(lái)提供的。根據(jù)物理學(xué)原理當(dāng)外加射頻場(chǎng)的頻率與原子核自旋進(jìn)動(dòng)的頻率相同的時(shí)候，射頻場(chǎng)的能量才能夠有效地被原子核吸收，為能級(jí)躍遷提供助力。因此某種特定的原子核，在給定的外加磁場(chǎng)中，只吸收某一特定頻率射頻場(chǎng)提供的能量，這樣就形成了一個(gè)核磁共振信號(hào)[3]。

2 NMR在食品分析中的應(yīng)用

食品組成成分的物理、化學(xué)狀態(tài)及其三維結(jié)構(gòu)決定了食品的多汁性、松脆度、質(zhì)感穩(wěn)定性等，通常無(wú)法用常規(guī)分析方法對(duì)其進(jìn)行研究。而對(duì)大多數(shù)食品來(lái)說(shuō)，水分、油脂和碳水化合物等組分可以反映食品在組織結(jié)構(gòu)、分子結(jié)合程度，以及在加工、儲(chǔ)藏過(guò)程中內(nèi)部變化等方面的重要信息[4]。NMR可通過(guò)食品的組分來(lái)研究食品的物理、化學(xué)狀態(tài)及其三維結(jié)構(gòu)，和食品的冷凍、干燥凝膠、再水化等過(guò)程。運(yùn)用非破壞性的核磁共振波譜技術(shù)研究食品的物理、化學(xué)性質(zhì)已成為食品研究的一種趨勢(shì)[5]。

2.1 食品中水分的分析研究

食品中水分含量的高低以及結(jié)合狀態(tài)對(duì)于食品的品質(zhì)、加工特性、穩(wěn)定性等有著重要的影響。NMR的一個(gè)重要應(yīng)用就是研究食品中水分的動(dòng)力學(xué)和物理結(jié)構(gòu)，它可以測(cè)定能反映水分子流動(dòng)性的氫核的縱向弛豫時(shí)間T1和橫向弛豫時(shí)間T2。當(dāng)水和底物緊密結(jié)合時(shí)，T2會(huì)降低；而游離水流動(dòng)性好，有較大的T2。所以通過(guò)T1、T2的測(cè)定可得到被底物部分固定的不同部位的水分子流動(dòng)和結(jié)構(gòu)特征[6-7]。

陳衛(wèi)江等[7]利用3種方法即(FID)曲線法、自旋-回波(Spin-Echo)法、高分辨率NMR波譜法對(duì)食品含水量進(jìn)行了對(duì)比分析。Engelsen等[8]運(yùn)用脈沖低場(chǎng)NMR來(lái)確定面團(tuán)中水的分布及焙烤過(guò)程中（面團(tuán)→面包）的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的變化。在焙烤過(guò)程中的T2曲線顯示了其多相性，并可分為3個(gè)組分（輕度結(jié)合水上升，牢固結(jié)合水下降，水相飽和），還觀察到淀粉糊化的兩個(gè)主要轉(zhuǎn)變。在研究面包的陳化過(guò)程中，將面包屑的質(zhì)構(gòu)參數(shù)（硬度和彈性）與NMR馳豫數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)（應(yīng)用多元化學(xué)計(jì)量法），結(jié)果顯示了強(qiáng)相關(guān)性（r＞0.9）。馬斌[9]利用NMR技術(shù)對(duì)在-20℃～-40℃下儲(chǔ)藏的牛肉、橘汁和面團(tuán)等樣品進(jìn)行非凍結(jié)水分含量分析，結(jié)果表明：隨著溫度的降低，產(chǎn)品中水分不斷凍結(jié)，導(dǎo)致非凍結(jié)水分含量顯著減少，由單點(diǎn)斜面圖像可以描繪出產(chǎn)品水分分布的一維、二維圖像，從而為樣品在凍藏過(guò)程中如何保證品質(zhì)提供了依據(jù)。Troutman等[10]用SPRITE（T1加強(qiáng)的單點(diǎn)斜面圖）磁共振成像（MRI）法研究糖果中水分在加工和儲(chǔ)藏過(guò)程中從表面到中心的遷移。NMR可在較短時(shí)間內(nèi)直接測(cè)定食品中水的含量、存在狀態(tài)以及與其他大分子的結(jié)合情況，是一種有效、快速的測(cè)定分析方法。

2.2 食品中碳水化合物的分析研究

NMR用于淀粉研究，主要是利用體系中不同質(zhì)子的弛豫時(shí)間不同來(lái)研究淀粉的糊化、回生和玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化等。Midori等[11]利用NMR及其成像技術(shù)對(duì)大米蒸煮過(guò)程中淀粉糊化、水分含量及分布等進(jìn)行了量化。丁文平等[12]對(duì)脈沖核磁共振（PNMR）與示差掃描量熱（DSC）測(cè)定淀粉回生的結(jié)果進(jìn)行了比較研究，得出脈沖核磁共振可以較準(zhǔn)確地測(cè)定淀粉回生過(guò)程中的變化，且與DSC比較，NMR具有簡(jiǎn)單、快捷的優(yōu)點(diǎn)。Vodovotz等[13]用質(zhì)子交叉馳豫NMR研究淀粉在發(fā)生玻璃化相變時(shí)的分子特性，通過(guò)光譜中譜線峰變寬可知淀粉分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了相變化。

NMR對(duì)糖的研究主要是用高分辨率NMR研究糖的結(jié)構(gòu)。Sugiyama等[14]用2D NMR研究麥芽糖、麥芽三糖、麥芽七糖及短鏈直鏈淀粉的水溶液和二甲亞砜溶液。結(jié)果顯示，不管用什么溶液，這些低聚糖都是1α螺旋狀構(gòu)型，在水溶液中，低聚糖的結(jié)構(gòu)顯得更松散，活性更強(qiáng)。祝耀初等[15]報(bào)道NMR技術(shù)在食品中糖的分析測(cè)定中常用D2O或氘代二甲亞砜（DMSO－d）作溶劑，其測(cè)定結(jié)果代表了結(jié)晶態(tài)時(shí)糖的構(gòu)型和純度。此外，糖的各羥基都與同碳質(zhì)子相偶合而產(chǎn)生裂分的雙峰。

2.3 食品中油脂的分析研究

油脂因其生理、營(yíng)養(yǎng)、風(fēng)味功能和廣泛的工業(yè)用途而受到高度重視。但食品中脂肪含量的測(cè)定，常采用索氏抽提法，此測(cè)定方法耗時(shí)較長(zhǎng)，操作復(fù)雜，且精確度低；而在油脂質(zhì)量控制中采用固體脂肪指數(shù)（SRI）分析方法操作較復(fù)雜，單一的NMR方法是取代油脂分析唯一可行的、有潛在用途的儀器分析方法，可改進(jìn)食品加工工藝和質(zhì)量，故使用NMR方法分析食品中的油脂具有廣泛的推廣前景[16]。

Ballerini[17]利用MRI法對(duì)比牛肉中不同質(zhì)構(gòu)（脂肪、瘦肉、連接組織）的差異，易于分析肉的切面，測(cè)得真實(shí)的脂肪含量（而非僅只表面可見(jiàn)部分）。Miquel等[18]利用MRI研究榛子油在巧克力中的移動(dòng)情況，自旋回波脈沖序列的回波時(shí)間為5 ms，重復(fù)2000 ms，以獲得擴(kuò)散常數(shù)；通過(guò)MRI還可提供巧克力中液態(tài)脂相空間分布的信息，研究表明：其分布受調(diào)和程度的影響不是很大，但是不同的儲(chǔ)藏溫度和后結(jié)晶處理會(huì)導(dǎo)致明顯的改變。Roudaut等[19]用低分辨率的質(zhì)子NMR研究玻璃態(tài)面包中脂質(zhì)的運(yùn)動(dòng)性，結(jié)果表明：脂質(zhì)的運(yùn)動(dòng)性與水分含量無(wú)關(guān)；測(cè)得的D值比文獻(xiàn)中（玻璃態(tài)下水溶性溶質(zhì)）的大得多；脂質(zhì)以球狀分布，分散到玻璃態(tài)的面包基質(zhì)中，并在其中擴(kuò)散。

2.4 食品中蛋白質(zhì)和氨基酸的分析研究

由于二維核磁共振波譜技術(shù)及其相應(yīng)計(jì)算方法的發(fā)展，NMR已成為研究蛋白質(zhì)和氨基酸的重要工具，主要是用來(lái)確定其結(jié)構(gòu)或三級(jí)結(jié)構(gòu)，并可深入了解一定時(shí)間內(nèi)化學(xué)反應(yīng)和蛋白質(zhì)構(gòu)象轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

Miura等[20]用NMR研究一種新的抗凍結(jié)的蛋白質(zhì)（具有強(qiáng)的活性）的結(jié)構(gòu)。Niccolai等[21]在研究MNEI（一種含96種氨基酸的甜蛋白）時(shí)，用帶順磁探頭的梯度NMR圖譜儀研究其表面結(jié)構(gòu)，以確定甜蛋白可能的絡(luò)合部位及與水的絡(luò)合情況。Alberti等[22]認(rèn)為面團(tuán)的黏彈性主要受水合狀態(tài)下麥谷蛋白中高分子量亞基的二級(jí)結(jié)構(gòu)影響，并應(yīng)用高分辨率魔角旋轉(zhuǎn)技術(shù)的1HNMR研究，表明谷氨酸殘基有位于β-轉(zhuǎn)折結(jié)構(gòu)上（其運(yùn)動(dòng)性受限制，可能是由于氫鍵的影響），也有位于β-折疊等更流動(dòng)的結(jié)構(gòu)上。Joachim等[23]對(duì)乳清和雞蛋中的特定蛋白質(zhì)的熱變性過(guò)程以及變性之后的性質(zhì)進(jìn)行了低頻率NMR檢測(cè)。

3 NMR在水果品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1 水果內(nèi)部品質(zhì)及成熟度

水果在生長(zhǎng)成熟過(guò)程中，其內(nèi)部的水分含量與狀態(tài)，可溶性碳水化合物及油脂含量等都會(huì)相應(yīng)變化。通過(guò)對(duì)這些成分的測(cè)定，即可預(yù)知水果的成熟度。NMR通過(guò)探測(cè)濃縮氫核及被測(cè)物油水混合團(tuán)料狀態(tài)下的響應(yīng)變化，顯示果實(shí)內(nèi)部組織的高清晰圖像，因此在測(cè)定含油水果如蘋(píng)果、香蕉的糖度和含油成分方面有潛在價(jià)值[24]。Chaughule等[25]用自由感應(yīng)衰減（FDI）譜測(cè)定人心果中的可溶性碳水化合物，比較成熟與未成熟果實(shí)的13C-NMR譜發(fā)現(xiàn)：前者的葡萄糖和果糖各有一個(gè)峰，而后者只有一個(gè)蔗糖峰。用1H-NMR對(duì)人心果果實(shí)中的水分進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示：在其生長(zhǎng)的早期，波峰較寬，說(shuō)明水分的活動(dòng)性受到限制；在成熟果實(shí)的波譜中，糖峰處于水峰的右邊且稍低，峰形不對(duì)稱，說(shuō)明水與可溶性碳水化合物之間具有相互作用。因此，可從人心果的13C-NMR譜和1H-NMR譜峰的特點(diǎn)推測(cè)其水和碳水化合物的組成和狀態(tài)。另外，桃、橄欖等水果核內(nèi)含有富含水和油脂的種子，利用NMR法可以觀察到暗色的圓圈中亮色的種子，利用此法可保證加工過(guò)程中果核剔除干凈，使未加工果實(shí)及時(shí)分離出來(lái)，為加工提供便利的條件[6]。

3.2 水果內(nèi)部缺陷及損傷

在水果中，壓傷或腐敗的組織會(huì)因水浸而產(chǎn)生較強(qiáng)的NMR信號(hào)，而空穴和發(fā)生絮狀變質(zhì)部位則信號(hào)減弱或沒(méi)有信號(hào)，據(jù)此可將不同變質(zhì)的水果鑒別出來(lái)。Kerr等[26]對(duì)獼猴桃的冷害進(jìn)行了NMR成像的研究，結(jié)果顯示，經(jīng)冰凍—解凍過(guò)的果實(shí)的弛豫時(shí)間T2比新鮮果實(shí)的明顯縮短，故可以通過(guò)NMR成像的方法對(duì)獼猴桃進(jìn)行在線分級(jí)，將受損的果實(shí)從中挑選出來(lái)。Sonego等[27]對(duì)桃和油桃的木質(zhì)化進(jìn)行了NMR成像研究，對(duì)照NMR圖像和真實(shí)切面圖時(shí)發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生嚴(yán)重變質(zhì)的部位，質(zhì)子信號(hào)強(qiáng)度明顯降低。Chen等[28]利用NMR技術(shù)來(lái)測(cè)度桃和梨，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在NMR圖像中，果實(shí)的受損傷部分比鄰近區(qū)域更亮，有蟲(chóng)害的比沒(méi)有蟲(chóng)害的部分要暗，干枯的部分比正常部分要暗淡，有空隙的部分要顯得暗淡。

3.3 水果貯藏過(guò)程中的變化

由于NMR技術(shù)具有無(wú)損檢測(cè)的特點(diǎn)，并且也不會(huì)對(duì)樣品造成任何的輻射傷害，所以它可以對(duì)水果或蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品在貯藏期間做長(zhǎng)期的檢測(cè)和觀察，為果蔬采后的生理和貯藏條件的研究提供了一種理想的方法[29]。Barreiro等[30]運(yùn)用MRI圖像技術(shù)對(duì)蘋(píng)果和桃子在不同貯藏條件下的變化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：CA貯藏明顯優(yōu)于冷藏。Kerr等[26]運(yùn)用MRI技術(shù)觀察了獼猴桃在-40℃流動(dòng)空氣中冷凍時(shí)冰形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程，為水果儲(chǔ)藏提供有效的依據(jù)。張錦勝等[31]采用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)研究臍橙儲(chǔ)藏過(guò)程中水分的變化以及水分的遷移行為，同時(shí)結(jié)合理化分析，探討臍橙儲(chǔ)藏過(guò)程中磁共振參數(shù)與臍橙品質(zhì)變化的相關(guān)性。結(jié)果顯示：臍橙的在后成熟期、穩(wěn)定期和腐爛期，T21（單分子層結(jié)合水的自旋-自旋弛豫時(shí)間）的分量變化呈現(xiàn)一個(gè)上升-穩(wěn)定-急速下降的過(guò)程。在臍橙腐爛之前都出現(xiàn)了一個(gè)T21急劇下降的過(guò)程。由此，可以采用此方法對(duì)臍橙的商品價(jià)值作評(píng)估，在T21出現(xiàn)快速下降之前，將商品降價(jià)出售或盡早食用，可以減少損失。

4 NMR的發(fā)展趨勢(shì)與前景

隨著人們生活水平的不斷提高，無(wú)論是食品的消費(fèi)者還是生產(chǎn)者，都希望食品有高性價(jià)比和高穩(wěn)定性，這就使得人們需要用各種優(yōu)良的技術(shù)手段來(lái)評(píng)價(jià)食品的質(zhì)量。由于NMR技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)：無(wú)損、無(wú)輻射、安全高效，正使它成為分析研究食品這一不均勻的復(fù)雜體系最強(qiáng)有力的手段之一，在現(xiàn)代食品安全、食品成分結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)和食品品質(zhì)控制等方面有著很好的應(yīng)用前景。然而，商業(yè)用的NMR儀比其他一般儀器要昂貴得多，限制了此種儀器在食品領(lǐng)域中的普及和用于食品研究的NMR儀的開(kāi)發(fā)。但許多發(fā)達(dá)國(guó)家的大型食品公司聯(lián)手共同投資進(jìn)行此領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，為NMR儀的推廣使用提供了很大的可能性。隨著NMR技術(shù)的完善和提高，儀器新功能不斷開(kāi)發(fā)及成本不斷降低，NMR技術(shù)在食品科學(xué)研究領(lǐng)域中將會(huì)有更為廣闊的應(yīng)用前景。

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Application of Nuclear Magnetic Resonance Technology in Food Industry

HUANG Dong-yu,HUANG Xue-lian,LU Xue-hua,ZHENG Rui-ting,CHEN Yue-jiao*,CHEN Hai-guang
（College of Light Industry and Food，Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou 510225，Guangdong,China）

2010-04-11

黃東雨（1984—），女（漢），在讀碩士研究生，農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏工程專業(yè)。

*通信作者：陳悅嬌（1970—），高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。