核磁共振技術在食品工業中的應用

黃東雨，黃雪蓮，盧雪華，鄭瑞婷，陳悅嬌，陳海光

（仲愷農業工程學院輕工食品學院，廣東 廣州510225）

核磁共振技術在食品工業中的應用

黃東雨，黃雪蓮，盧雪華，鄭瑞婷，陳悅嬌*，陳海光

（仲愷農業工程學院輕工食品學院，廣東 廣州510225）

闡述核磁共振技術原理，從食品成分分析及水果品質無損檢測等方面綜述國內外核磁共振技術在食品工業中的應用情況，并展望了該技術在未來食品加工業中的應用前景。

核磁共振；食品工業；應用

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，簡稱NMR）技術是基于原子核磁性的一種波譜技術，1946年，美國哈佛大學的Purcell和斯坦福大學的Bloch所領導的兩個小組用不同的方法，幾乎同時發現了核磁共振現象。最初，核磁共振技術主要用于核物理研究方面，用于測量各種原子核的磁矩。隨著超導技術、計算機技術和脈沖傅立葉變換波譜儀的迅速發展，使NMR技術取得了重要突破，功能越來越完善。它可在不侵入和破壞樣品的前提下，對樣品進行快速、實時、全方位和定量的測定分析，因此核磁共振技術在食品中的應用和發展也越來越廣泛。

1 NMR原理

核磁共振，即在靜磁場中，具有磁性的原子核存在不同能級，用特定頻率的電磁波照射樣品，當電磁波能量等于能級差時，原子核吸收電磁波發生能級躍遷，產生共振吸收信號[1]。核磁共振是處于靜磁場中的原子核在另一交變磁場作用下發生的物理現象。并不是所有原子核都能產生這種現象，原子核能產生核磁共振現象是因為具有核自旋[2]。迄今為止，只有自旋量子數等于1/2的原子核，其核磁共振信號才能夠利用，經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中，若原子核磁矩與外加磁場方向不同，則原子核磁矩會繞外磁場方向旋轉，這一現象類似陀螺在旋轉過程中轉動軸的擺動，稱為進動。核磁共振現象來源于原子核的自旋角動量在外加磁場作用下的進動。進動具有能量，也具有一定的頻率。原子核進動的頻率由外加磁場的強度和原子核本身的性質決定，也就是說，對于某一特定原子，在一定強度的外加磁場中，其原子核自旋進動的頻率是固定不變的。原子核發生進動的能量與磁場、原子核磁矩、以及磁矩與磁場的夾角相關，根據量子力學原理，原子核磁矩與外加磁場之間的夾角并不是連續分布的，而是由原子核的磁量子數決定的，原子核磁矩的方向只能在這些磁量子數之間跳躍，而不能平滑的變化，這樣就形成了一系列的能級。當原子核在外加磁場中接受其他來源的能量輸入后，就會發生能級躍遷，也就是原子核磁矩與外加磁場的夾角會發生變化。這種能級躍遷是獲取核磁共振信號的基礎。為了讓原子核自旋的進動發生能級躍遷，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外加射頻場來提供的。根據物理學原理當外加射頻場的頻率與原子核自旋進動的頻率相同的時候，射頻場的能量才能夠有效地被原子核吸收，為能級躍遷提供助力。因此某種特定的原子核，在給定的外加磁場中，只吸收某一特定頻率射頻場提供的能量，這樣就形成了一個核磁共振信號[3]。

2 NMR在食品分析中的應用

食品組成成分的物理、化學狀態及其三維結構決定了食品的多汁性、松脆度、質感穩定性等，通常無法用常規分析方法對其進行研究。而對大多數食品來說，水分、油脂和碳水化合物等組分可以反映食品在組織結構、分子結合程度，以及在加工、儲藏過程中內部變化等方面的重要信息[4]。NMR可通過食品的組分來研究食品的物理、化學狀態及其三維結構，和食品的冷凍、干燥凝膠、再水化等過程。運用非破壞性的核磁共振波譜技術研究食品的物理、化學性質已成為食品研究的一種趨勢[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合狀態對于食品的品質、加工特性、穩定性等有著重要的影響。NMR的一個重要應用就是研究食品中水分的動力學和物理結構，它可以測定能反映水分子流動性的氫核的縱向弛豫時間T1和橫向弛豫時間T2。當水和底物緊密結合時，T2會降低；而游離水流動性好，有較大的T2。所以通過T1、T2的測定可得到被底物部分固定的不同部位的水分子流動和結構特征[6-7]。

陳衛江等[7]利用3種方法即(FID)曲線法、自旋-回波(Spin-Echo)法、高分辨率NMR波譜法對食品含水量進行了對比分析。Engelsen等[8]運用脈沖低場NMR來確定面團中水的分布及焙烤過程中（面團→面包）的動力學性質的變化。在焙烤過程中的T2曲線顯示了其多相性，并可分為3個組分（輕度結合水上升，牢固結合水下降，水相飽和），還觀察到淀粉糊化的兩個主要轉變。在研究面包的陳化過程中，將面包屑的質構參數（硬度和彈性）與NMR馳豫數據關聯起來（應用多元化學計量法），結果顯示了強相關性（r＞0.9）。馬斌[9]利用NMR技術對在-20℃～-40℃下儲藏的牛肉、橘汁和面團等樣品進行非凍結水分含量分析，結果表明：隨著溫度的降低，產品中水分不斷凍結，導致非凍結水分含量顯著減少，由單點斜面圖像可以描繪出產品水分分布的一維、二維圖像，從而為樣品在凍藏過程中如何保證品質提供了依據。Troutman等[10]用SPRITE（T1加強的單點斜面圖）磁共振成像（MRI）法研究糖果中水分在加工和儲藏過程中從表面到中心的遷移。NMR可在較短時間內直接測定食品中水的含量、存在狀態以及與其他大分子的結合情況，是一種有效、快速的測定分析方法。

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子的弛豫時間不同來研究淀粉的糊化、回生和玻璃態轉化等。Midori等[11]利用NMR及其成像技術對大米蒸煮過程中淀粉糊化、水分含量及分布等進行了量化。丁文平等[12]對脈沖核磁共振（PNMR）與示差掃描量熱（DSC）測定淀粉回生的結果進行了比較研究，得出脈沖核磁共振可以較準確地測定淀粉回生過程中的變化，且與DSC比較，NMR具有簡單、快捷的優點。Vodovotz等[13]用質子交叉馳豫NMR研究淀粉在發生玻璃化相變時的分子特性，通過光譜中譜線峰變寬可知淀粉分子結構發生了相變化。

NMR對糖的研究主要是用高分辨率NMR研究糖的結構。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。結果顯示，不管用什么溶液，這些低聚糖都是1α螺旋狀構型，在水溶液中，低聚糖的結構顯得更松散，活性更強。祝耀初等[15]報道NMR技術在食品中糖的分析測定中常用D2O或氘代二甲亞砜（DMSO－d）作溶劑，其測定結果代表了結晶態時糖的構型和純度。此外，糖的各羥基都與同碳質子相偶合而產生裂分的雙峰。

2.3 食品中油脂的分析研究

油脂因其生理、營養、風味功能和廣泛的工業用途而受到高度重視。但食品中脂肪含量的測定，常采用索氏抽提法，此測定方法耗時較長，操作復雜，且精確度低；而在油脂質量控制中采用固體脂肪指數（SRI）分析方法操作較復雜，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，可改進食品加工工藝和質量，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法對比牛肉中不同質構（脂肪、瘦肉、連接組織）的差異，易于分析肉的切面，測得真實的脂肪含量（而非僅只表面可見部分）。Miquel等[18]利用MRI研究榛子油在巧克力中的移動情況，自旋回波脈沖序列的回波時間為5 ms，重復2000 ms，以獲得擴散常數；通過MRI還可提供巧克力中液態脂相空間分布的信息，研究表明：其分布受調和程度的影響不是很大，但是不同的儲藏溫度和后結晶處理會導致明顯的改變。Roudaut等[19]用低分辨率的質子NMR研究玻璃態面包中脂質的運動性，結果表明：脂質的運動性與水分含量無關；測得的D值比文獻中（玻璃態下水溶性溶質）的大得多；脂質以球狀分布，分散到玻璃態的面包基質中，并在其中擴散。

2.4 食品中蛋白質和氨基酸的分析研究

由于二維核磁共振波譜技術及其相應計算方法的發展，NMR已成為研究蛋白質和氨基酸的重要工具，主要是用來確定其結構或三級結構，并可深入了解一定時間內化學反應和蛋白質構象轉變的動力學過程。

Miura等[20]用NMR研究一種新的抗凍結的蛋白質（具有強的活性）的結構。Niccolai等[21]在研究MNEI（一種含96種氨基酸的甜蛋白）時，用帶順磁探頭的梯度NMR圖譜儀研究其表面結構，以確定甜蛋白可能的絡合部位及與水的絡合情況。Alberti等[22]認為面團的黏彈性主要受水合狀態下麥谷蛋白中高分子量亞基的二級結構影響，并應用高分辨率魔角旋轉技術的1HNMR研究，表明谷氨酸殘基有位于β-轉折結構上（其運動性受限制，可能是由于氫鍵的影響），也有位于β-折疊等更流動的結構上。Joachim等[23]對乳清和雞蛋中的特定蛋白質的熱變性過程以及變性之后的性質進行了低頻率NMR檢測。

3 NMR在水果品質檢測中的應用

3.1 水果內部品質及成熟度

水果在生長成熟過程中，其內部的水分含量與狀態，可溶性碳水化合物及油脂含量等都會相應變化。通過對這些成分的測定，即可預知水果的成熟度。NMR通過探測濃縮氫核及被測物油水混合團料狀態下的響應變化，顯示果實內部組織的高清晰圖像，因此在測定含油水果如蘋果、香蕉的糖度和含油成分方面有潛在價值[24]。Chaughule等[25]用自由感應衰減（FDI）譜測定人心果中的可溶性碳水化合物，比較成熟與未成熟果實的13C-NMR譜發現：前者的葡萄糖和果糖各有一個峰，而后者只有一個蔗糖峰。用1H-NMR對人心果果實中的水分進行檢測，結果顯示：在其生長的早期，波峰較寬，說明水分的活動性受到限制；在成熟果實的波譜中，糖峰處于水峰的右邊且稍低，峰形不對稱，說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譜峰的特點推測其水和碳水化合物的組成和狀態。另外，桃、橄欖等水果核內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程中果核剔除干凈，使未加工果實及時分離出來，為加工提供便利的條件[6]。

3.2 水果內部缺陷及損傷

在水果中，壓傷或腐敗的組織會因水浸而產生較強的NMR信號，而空穴和發生絮狀變質部位則信號減弱或沒有信號，據此可將不同變質的水果鑒別出來。Kerr等[26]對獼猴桃的冷害進行了NMR成像的研究，結果顯示，經冰凍—解凍過的果實的弛豫時間T2比新鮮果實的明顯縮短，故可以通過NMR成像的方法對獼猴桃進行在線分級，將受損的果實從中挑選出來。Sonego等[27]對桃和油桃的木質化進行了NMR成像研究，對照NMR圖像和真實切面圖時發現，在發生嚴重變質的部位，質子信號強度明顯降低。Chen等[28]利用NMR技術來測度桃和梨，結果發現在NMR圖像中，果實的受損傷部分比鄰近區域更亮，有蟲害的比沒有蟲害的部分要暗，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 水果貯藏過程中的變化

由于NMR技術具有無損檢測的特點，并且也不會對樣品造成任何的輻射傷害，所以它可以對水果或蔬菜等農產品在貯藏期間做長期的檢測和觀察，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]運用MRI圖像技術對蘋果和桃子在不同貯藏條件下的變化進行了研究，結果表明：CA貯藏明顯優于冷藏。Kerr等[26]運用MRI技術觀察了獼猴桃在-40℃流動空氣中冷凍時冰形成的動態過程，為水果儲藏提供有效的依據。張錦勝等[31]采用低場核磁共振技術研究臍橙儲藏過程中水分的變化以及水分的遷移行為，同時結合理化分析，探討臍橙儲藏過程中磁共振參數與臍橙品質變化的相關性。結果顯示：臍橙的在后成熟期、穩定期和腐爛期，T21（單分子層結合水的自旋-自旋弛豫時間）的分量變化呈現一個上升-穩定-急速下降的過程。在臍橙腐爛之前都出現了一個T21急劇下降的過程。由此，可以采用此方法對臍橙的商品價值作評估，在T21出現快速下降之前，將商品降價出售或盡早食用，可以減少損失。

4 NMR的發展趨勢與前景

隨著人們生活水平的不斷提高，無論是食品的消費者還是生產者，都希望食品有高性價比和高穩定性，這就使得人們需要用各種優良的技術手段來評價食品的質量。由于NMR技術的諸多優點：無損、無輻射、安全高效，正使它成為分析研究食品這一不均勻的復雜體系最強有力的手段之一，在現代食品安全、食品成分結構與動力學和食品品質控制等方面有著很好的應用前景。然而，商業用的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域中的普及和用于食品研究的NMR儀的開發。但許多發達國家的大型食品公司聯手共同投資進行此領域的基礎研究，為NMR儀的推廣使用提供了很大的可能性。隨著NMR技術的完善和提高，儀器新功能不斷開發及成本不斷降低，NMR技術在食品科學研究領域中將會有更為廣闊的應用前景。

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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，農產品加工及貯藏工程專業。

*通信作者：陳悅嬌（1970—），高級實驗師。