現(xiàn)代核磁共振(NMR)技術(shù)在食品科學(xué)中的應(yīng)用

王延麗，楊 震

（赤峰學(xué)院 農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

現(xiàn)代核磁共振(NMR)技術(shù)在食品科學(xué)中的應(yīng)用

王延麗，楊 震

（赤峰學(xué)院 農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的物質(zhì)生活得到了不斷的提高，其中的食品安全問題也得到了越來越多人的高度重視，因此需要應(yīng)用現(xiàn)代化的核磁共振技術(shù)來對其食品科學(xué)做出不斷的研究.在傳統(tǒng)的研究方式當(dāng)中，對于水分的流動性以及食品當(dāng)中的水分分布狀態(tài)做出檢測，但是在現(xiàn)代化的研究過程當(dāng)中，核磁共振的的技術(shù)對其中的分子擴散方式都做出了科學(xué)的研究，可以在應(yīng)用于在食品體系當(dāng)中的水、脂肪以及糖分等多種領(lǐng)域中.在本文當(dāng)中，首先對NMR的技術(shù)做出了概念分析；其次在實驗的基礎(chǔ)上對食品研究中的NMR方式的應(yīng)用做出了分析和研究；最后對其NMR進行編程語言計算的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了mapping圖的繪制研究；最后得出了其NMR狀態(tài)下的實驗系統(tǒng)設(shè)計.

核磁共振；技術(shù)；食品科學(xué)；應(yīng)用

在現(xiàn)代社會的科學(xué)發(fā)展過程當(dāng)中，原子核在外磁場當(dāng)中受到了磁化，就會產(chǎn)生過一定頻率的震動.核磁共振，主要指的是具有固定磁矩的原子核，在外加的能量和原子核的震動頻率相同的情況下，原子核在吸收能量會發(fā)生能量越級躍遷的現(xiàn)象，產(chǎn)生共振的過程就會產(chǎn)生吸收信號，在這個過程當(dāng)中就會產(chǎn)生核磁共振的現(xiàn)象.因此在現(xiàn)代科學(xué)的應(yīng)用過程當(dāng)中，需要建立NMR的方式來對有機物質(zhì)當(dāng)中的分子結(jié)構(gòu)以及反應(yīng)過程進行研究.在應(yīng)用此種情況下，可以保證不入侵的同時，還可以對樣品進行快速以及全方位的定量測定分析.

1 核磁共振的概述

在現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)不斷應(yīng)用的今天，核磁共振的技術(shù)得到了不斷的發(fā)展，其中主要利用了原子核當(dāng)中磁性，從而根據(jù)其自身的特性對其自旋特性做出研究，在這個過程當(dāng)中，其中的自旋和其質(zhì)量在微觀粒子方面是具有相同的特性的.在我國現(xiàn)階段的研究過程當(dāng)中，自旋的來源研究方面還不是很清楚，但是對于其性質(zhì)方面的研究進行了軌道角動量的和軌道磁矩的研究，利用其復(fù)雜的物理學(xué)原理和概念進行了充分的研究.在核磁共振的概念當(dāng)中，主要是利用其中的感應(yīng)線圈當(dāng)中所具有的模擬信號，在一定的方式之下不斷地對其轉(zhuǎn)變成為了數(shù)字信號，最后利用圖像的方式進行組建出模型信號.在對信號采集的過程當(dāng)中，需要對其中的模擬信號通過一定的技術(shù)手段來充分的轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號，在一定程度上對信號的采集過程還需要符合其信號采集的相關(guān)的規(guī)定.在對信號轉(zhuǎn)換成為圖形進行顯示的過程當(dāng)中，需要對其中的成像方式進行全面的了解，最終對其中原始數(shù)據(jù)的排列方式有一個全面的定位，從而有效的實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的有效提取，最終轉(zhuǎn)化成為我們研究過程中所需要的數(shù)字信號.在對其核磁共振的信號進行射頻顯示信號檢測的過程當(dāng)中，需要從特定的組織當(dāng)中對其核磁共振的信號強度做出全面充分的了解，最終可以有效地實現(xiàn)在一定時間的范圍之內(nèi)進行數(shù)字信號的不斷的測量.也就是說，在利用核磁共振的過程當(dāng)中，其實是一個具有多種參數(shù)來共同組成的參數(shù)成像技術(shù).其中對于各種參數(shù)的設(shè)定需要根據(jù)其不同的序列來采取不同的方式和方法.從而在數(shù)據(jù)搜集的過程中，可以針對于不同的序列和參數(shù)情況下保證其數(shù)據(jù)處于正常的范圍之內(nèi).

2 探討適用于食品研究的NMR應(yīng)用

在本文的實驗過程當(dāng)中需要對我國現(xiàn)階段當(dāng)中的序列測定方法在食品研究的過程當(dāng)中的應(yīng)用做出全面充分的了解，在序列測定的方式方法當(dāng)中主要利用其中的數(shù)據(jù)信號所產(chǎn)生的脈沖來做出檢測，在加入一個脈沖之后，需要再加入脈沖.在此種情況下，可以充分地保證其中的脈沖在平衡磁化強度當(dāng)中可以最大限度的進行翻轉(zhuǎn)到一軸方向.

之后在加入脈沖信號之后，需要保證一定時間的停留之后再次進行脈沖信號的加入，在此種方式方法下，可以最大限度的對磁化的強度達到一個衰減的作用，由于其中的時間延長的情況下，可以對信號當(dāng)中的磁化強度到一個增大的作用.在進行測驗的過程當(dāng)中，需要對其中的延長時間以及間隔關(guān)系進行不斷的了解和強化.在進行測量的過程當(dāng)中，利用不同的測量時間來對其中的數(shù)據(jù)繪制出相對應(yīng)的譜，最終利用圖形的方式進行表現(xiàn).

一般情況下，在對外加磁場進行研究的過程當(dāng)中，會最大限度的受到射頻脈沖的激發(fā)制約影響，最終保證其在自旋系統(tǒng)內(nèi)部達到橫向熱平衡的過程.在這個過程的所需要消耗的時間一般都會稱之為自旋一自旋馳豫時間，主要來自于自旋質(zhì)子之間的相互作用.在一定的相互作用之下，對于其中的質(zhì)子就會產(chǎn)生無序化的表現(xiàn).在這個過程當(dāng)中，可以充分對其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以及其中質(zhì)子的自由程度保持的對應(yīng)的關(guān)系，其中的質(zhì)子的弛豫行為通常是以指數(shù)的形式衰減來進行體現(xiàn)的，我們在研究的過程當(dāng)中，可以利用其中所產(chǎn)生的衰減曲線來對其中的弛豫時間進行表現(xiàn).在食品體系當(dāng)中，其中的所具備的多組分體系是相當(dāng)復(fù)雜的，因此會出現(xiàn)有兩個甚至更多的弛豫時間不相同的水分的現(xiàn)象.因此在此種情況下，就不能用單指數(shù)模型來描述休系中質(zhì)子的弛豫行為.需要根據(jù)其核磁共振當(dāng)中的所檢測到的信號樣品特點來進行弛豫特性的研究，也就是需要在測量中設(shè)法消除外加恒定磁場.

3 NMR進行編程語言計算的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了mapping圖的繪制

在實驗中，還需要對其測量所得到的數(shù)據(jù)進行圖形的繪制，從而根據(jù)其中該數(shù)據(jù)參數(shù)的變化來對其中心頻率做出全面的調(diào)整，在對其層面以及圖像位置所產(chǎn)生的位移現(xiàn)象做出分析的時候，需要對其中的測量參數(shù)進行調(diào)整，從而避免出現(xiàn)影響測量的準(zhǔn)確性的現(xiàn)象，在對其預(yù)掃描參數(shù)進行發(fā)射機增益以及接收機增益的時候，其中的參數(shù)是可以維持在原先的狀態(tài)不發(fā)生改變的.其中的信號在放大設(shè)備的情況下，對于其中的像素信號值的大小就會產(chǎn)生一定程度的影響.因此在對圖像進行繪制的過程當(dāng)中，其中的參數(shù)值在不斷變化的情況下，其中的成像圖對比度會出現(xiàn)一個由小到大的過程.形成此種現(xiàn)象的原因主要是由于其中的序列中所在呈現(xiàn)出的脈沖信號所造成的，最終對其圖像的對比度造成了一定程度的影響.因此在此種情況下，在實際的成像實驗中，可以首先對一個序列進行編碼梯度的調(diào)整，在重復(fù)的掃描的情況下，對其回波信號進行觀察，從而可以根據(jù)其回波信號所產(chǎn)生的參數(shù)值的大小來判斷出其信號的大小，最終實現(xiàn)參數(shù)值的精確計算.

4 NMR狀態(tài)下的實驗系統(tǒng)設(shè)計

在利用核磁共振的技術(shù)對食品安全體系做出分析的過程當(dāng)中，需要將食品的弛豫現(xiàn)象與其理化特性聯(lián)系起來，也就是利用其狀態(tài)圖的方式來對不同溫度下的狀態(tài)圖與食品的許多理化特性有著良好的相關(guān)性進行充分的反應(yīng).在利用狀態(tài)圖對食品轉(zhuǎn)折點進行分析的過程當(dāng)中，需要對其特性做出全面的了解.

在本文當(dāng)中，主要對在其粉末食品在儲藏時所呈現(xiàn)出來的狀態(tài)圖進行分析，可以發(fā)現(xiàn)有的食品在狀態(tài)圖轉(zhuǎn)變點溫度以下依然可能結(jié)塊，但是相反的儲藏在拐點溫度以上時并不會發(fā)生結(jié)塊的現(xiàn)象.在此種現(xiàn)象下，可以充分的說明其結(jié)塊的顯現(xiàn)在和食品本身有關(guān)系的同時，還和食品自身的成分質(zhì)量有著相當(dāng)大的關(guān)系.也就是說在儲藏溫度以及拐點溫度的一定范圍之內(nèi)，對于物質(zhì)其中得所發(fā)生的性質(zhì)變化，在一定程度上可能會造成食品自身的結(jié)塊現(xiàn)象.在實驗的過程當(dāng)中，可以利用等利用酸二鈉和水解動物蛋白為原料，在不同的比例狀態(tài)混合下所得到的實驗狀態(tài)圖做出科學(xué)的分析.在實驗當(dāng)中的兩種物質(zhì)利用不同比例進行混合的過程當(dāng)中，其中所體現(xiàn)出來的曲線在模式方面是具有不同的狀態(tài)的.其中的狀態(tài)曲線圖在不斷增加的過程當(dāng)中，其中的曲線轉(zhuǎn)折點就會呈現(xiàn)出往右移動的現(xiàn)象.

在不斷的變化過程當(dāng)中，其中的轉(zhuǎn)折點的溫度和其樣品當(dāng)中的成分是呈現(xiàn)出正比的關(guān)系的，會隨增加而呈線性增加，并且轉(zhuǎn)折點前后的斜率明顯變化，因此在對樣品的組成成分進行優(yōu)化設(shè)計的過程當(dāng)中，可以利用對其中樣品組成成分的改變來得到全面的發(fā)展.

在此種情況下，在利用核磁共振的原理下可以對其磁共振成像輔助試驗系統(tǒng)進行設(shè)計應(yīng)用和加工，在此系統(tǒng)的實際應(yīng)用過程當(dāng)中，可以用于食品和生物材料的冷凍、冷卻、加熱和干燥.在系統(tǒng)中，主要是由冷空氣裝置和加熱空氣裝置、計算機控制設(shè)備計算機、光纖溫控感應(yīng)器來共同組成的，其中的原理設(shè)計制造圖如圖1所示.

圖1 狀態(tài)圖溫控系統(tǒng)工作原理圖

在對其設(shè)備進行設(shè)計加工制造完成后，就可以利用以上設(shè)備以面包為樣品進行的預(yù)實驗，對其狀態(tài)圖進行有效的觀察，其中的狀態(tài)圖結(jié)果圖如圖2所示.

圖2 樣品的狀態(tài)圖

從實驗結(jié)果看,基本滿足試驗的要求.在設(shè)備的應(yīng)用過程當(dāng)中，需要保證數(shù)據(jù)在低溫和高溫的狀態(tài)階段情況下，可以最大限度地對數(shù)據(jù)做出分析.在樣品的實驗過程當(dāng)中，會由于樣品自身的溫度對磁體造成一定程度的影響，因此需要設(shè)備有良好的隔熱效果.

5 結(jié)語

綜上所述，核磁共振已經(jīng)成為了一種先進的檢測技術(shù)，在食品科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用過程當(dāng)中，需要進行不斷的優(yōu)化和發(fā)展，對這樣一種非破壞性的分析手段進行掌握和了解，從而保證對食品物質(zhì)當(dāng)中的一系列狀態(tài)做出掌握，比如食品物質(zhì)當(dāng)中的水分活性狀態(tài)以及水分的分布和遷移等.利用專門的軟件編程技術(shù)來對其食品的一系列做出數(shù)據(jù)分析，從而為食品的倉儲過程、品質(zhì)變化的規(guī)律以及配方的改進等提供一個全新的方式和方法.

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