應用磁共振檢測蘋果不同部位的蔗糖含量

熊 婷,張鞠成,徐盼盼,張英力

（1.中國計量學院信息工程學院，浙江 杭州 310018；2.上海紐邁科技有限公司，上海 200333）

應用磁共振檢測蘋果不同部位的蔗糖含量

熊 婷1,張鞠成1,徐盼盼1,張英力2

（1.中國計量學院信息工程學院，浙江 杭州 310018；2.上海紐邁科技有限公司，上海 200333）

采用20MHz低場核磁共振弛豫譜分析技術檢測蘋果不同部位的蔗糖含量，研究含糖量與核磁共振信號之間的關系；利用CPMG序列來測溶液的T2值，得到含糖量和溶液中所含糖信號量的定標線，并用此定標線對蘋果不同部位的含糖量進行定量分析。實驗結果表明：含糖量的多少不僅影響自由感應衰減信號（free-induction decay signal，FID）的大小，而且影響其橫向弛豫時間（T2）和縱向弛豫時間（T1）；隨著含糖量的升高，樣品的自由感應衰減信號呈線性增大（r2＞0.94）；靠近果核部位的蘋果組織含糖量最高，靠近果皮的最低，這與核磁共振波譜分析測試的結果相同，證明了此標線的可行性和準確性。

含糖量；低場核磁共振；自由感應衰減信號；橫向弛豫時間

0 引 言

蘋果的成熟度主要是根據蘋果中所含可溶性固體的多少來判斷。研究發現成熟的蘋果總是比未成熟的蘋果要甜，即成熟蘋果的含糖量更高。近年來，很多學者都投入到蘋果含糖量的測試研究中[1-3]。但是，有關無損檢測技術的報道卻相當少。Bellon V等[4]使用近紅外輻射技術測桃子的含糖量。Dull G G等[5]對Bellon V的方法進行驗證，發現近紅外輻射技術只適合測皮薄的水果，對于像甜瓜等皮比較厚的水果，近紅外測得（r=0.6）并不準確。閻政禮等[6]應用低

場核磁共振波譜（nuclear magnetic resonance，NMR）對蜂蜜中葡萄糖、果糖和蔗糖進行了定量分析研究，但是，這種分析方法涉及專業化學知識，對于非化學專業的人員并不適用。

糖分含量的定義為在溫度為20℃時，每100g溶液中蔗糖的百分比含量。它是Antoine Brix在18世紀中期發明的一種方法，故簡稱為Brix。

Seong I等[7]提到：在新鮮水果中，水的含量大約為80%～95%，含糖量為5%～20%。

本實驗采用蘇州紐邁電子科技有限公司提供的NMI20-Analysis，根據不同含糖量有不同的信號量，使用單脈沖序列和CPMG序列測得不同含糖量的氯化錳溶液中糖和水的質子特征峰，并制作了一條含糖量標線，通過蘋果不同部位蔗糖含量的測試驗證了此標線的可行性。實驗設計流程如圖1所示。

1 材料與方法

1.1 儀器和測試材料

NMI20-Analysis：工控機溫度維持在32℃；中心頻率20.068 MHz；90°脈寬9 μs；模擬增益10 dB，數字增益3；天平；試管；無信號樣品管；蔗糖；新鮮蘋果。

單脈沖序列：施加90°脈沖之后，在D3（最小為線圈死時間和接收機死時間之和，本實驗中為20μs）后就可以采集到FID信號。

CPMG序列：在90°脈沖之后再施加多個180°脈沖，從而得到多個回波信號。

反轉脈沖（inversion recovery，IR）序列：首先施加一個180°射頻脈沖，等待一段時間（反轉時間TI，本實驗中為10μs），再施加一個90°脈沖。

因為水的弛豫時間特別長（一般為1000～1500ms），所以在水中加入弛豫劑氯化錳晶體，將水的橫向弛豫時間縮短為0.86ms，以此減少所需的采樣時間；又因為在成熟的蘋果中，不同位置的組織含糖量不同，靠近果皮的蘋果含糖量最低，靠近果核含糖量最高[5]。Seong I等[7]曾經對甜瓜進行含糖量的測試，為了保護甜瓜的組織結構，采用樣品管擠壓甜瓜的方式來獲得所需的測試樣品。所以，本文借鑒此方法來得到蘋果不同部位的組織樣品，樣品管的直徑要求小于試管的直徑（15mm）。

1.2 樣品配制

稱取一定量的MnCl2晶體，加入純凈水中，配制成橫向弛豫時間為0.86ms的氯化錳水溶液，并測得其縱向弛豫時間為3.5ms。用單脈沖序列測得其單位質量FID信號為184。

取10個相同的無信號樣品管，稱取1g配制好的水溶液，然后往氯化錳溶液中加入不同質量的蔗糖，配成含糖量分別為2%、4%、6%……20%的10個樣品。分別用單脈沖序列、CPMG序列和IR序列測得樣品的FID信號、T2值和T1值，用于檢驗溶液中的糖是否存在信號以及標線的制定。

取3個相同的樣品管，通過樣品管擠壓蘋果的方式，取得靠近果皮13mm處的蘋果作為果皮，中間的為果肉，靠近果核13mm處的為果核，質量均為1g。分別測它們的FID信號、T2弛豫時間和T1弛豫時間，用來驗證標線的可行性。

2 結果與分析

2.1 溶液中糖存在信號的確認

將配制好的含糖溶液裝入15 mm試管中，無需前處理，直接將試管放入探頭線圈內檢測。使用NMI20-Analysis分析軟件及FID序列（即單脈沖序列）采集樣品的信號值。序列的參數值分別為：P90（μs）=9.0，P180（μs）=18.0，TD=1024，SW（kHz）=100，D3（μs）=20，TW（ms）=3 000，RG1=10，RG2=3，NS=4；測試結果如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著含糖量的升高，FID信號量也在增加。由于在配制含糖溶液時，采用的是規定水溶液的質量而稱取不同質量的糖來配制含糖溶液，所以FID信號的增加可以確認含糖溶液中的糖有信號。

2.2 采用CPMG序列抑制水的信號

CPMG脈沖序列在旋轉坐標軸Y軸上給予90°脈沖，經過時間之后再在X軸上施加180°脈沖，然后再施加一系列2n-180°脈沖。由于核的磁化矢量在X軸上等時間不停地翻轉180°，使它們不斷地分散和集合，并在翻到2n次時（n=1，2，3……），在2n等于某一值時再拾取圖譜，此時，橫向弛豫時間T2短者即從圖譜中消失。利用這一原理，通過在水中加入適量的MnCl2晶體，配制成T2=0.86ms的水溶液。使用CPMG序列采集樣品的信號值并反演，序列參數為：P90（μs）=9.0，P180（μs）=18.0，TD=65400，SW（kHz）= 100，D3（μs）=20，TW（ms）=600，RG1=10，RG2=3，NS=8，NECH=3000。

此時，在含糖溶液的譜圖中出現兩個主峰，峰面積的大小分別對應著水信號和糖信號的多少。含糖溶液的T2譜圖如圖3（a）所示。

由圖3可以看出，此時水分子和糖分子中氫質子的弛豫時間不同，通過設置恰當的脈沖間隔時間，可以得到不同含糖量樣品的信號量，剛開始是水和糖的共有信號，當水弛豫完時，剩下的就是糖的信號。根據這一原理，測得結果如表1所示。可以看出，隨著含糖量的增加，糖信號量也在增加。計算所得標準偏差和相對標準偏差都很小，證明測得的信號穩定性高，并且儀器的穩定性好。由此制作出一條含糖量標線，如圖4所示，此標線的相關系數達到0.99以上，證明用CPMG序列來檢測含糖量是可行的。

用此標線測得的蘋果含糖量結果如表2所示。

由表2可以看出：在蘋果組織中，越靠近果核部位，其含糖量越高。Seong I[7]采用波譜分析法，測得從靠近果皮部位到靠近果核部位的蘋果含糖量為6%～15%左右。而且，通過口感也能嘗出靠近果核的蘋果部位更甜。這證明了用CPMG序列測試蘋果不同部位蔗糖含量的可行性。

2.3 采用IR序列抑制水的信號

在施加180°射頻脈沖以前，磁化矢量指向正Z軸。在施加180°脈沖后，將磁化矢量翻轉到-Z軸，然后在等待一段延遲時間后施加90°脈沖，此時開始產生共振信號。根據公式s=1-2e-t/T1，當時間t=0.693T1時，弛豫曲線過零點，即此時信號為零。所以，通過選擇合適的弛豫時間可以抑制水的信號。

實際測試中發現前9個樣品中水的縱向弛豫時間都為3.5ms，但在含糖量為20%時，弛豫時間有所減小。檢測發現，糖的弛豫時間隨著含糖量的升高而降低，而糖峰的面積是增加的，如圖5所示。由于水的縱向弛豫時間有所變化，所以暫時還不能根據零點信號來計算糖信號。

3 結束語

利用低場核磁共振弛豫譜分析技術，成功制定了含糖量定標線，相關系數大于0.99，相對標準偏差最大為4%，最小為1%，正確性高。利用此標線測得蘋果組織中靠近果核的含糖量最高，證明了此標線的可行性。但是，這種方法的前提是通過添加氯化錳弛豫劑來縮短水的弛豫時間，而對于整個蘋果而言，加弛豫劑并不可行，所以，核磁共振弛豫譜分析技術暫時無法完成整個蘋果的含糖量測試。

目前，用于蘋果含糖量的無損檢測方法主要為近紅外光譜檢測，Zou Xiaobo[8]等用近紅外光譜測定蘋果的可溶性固體含量；董一威等[9]采用CCD近紅外光譜系統，通過Y型光纖采集紅富士蘋果的漫反射光譜，利用偏最小二乘回歸（PLSR）建立蘋果糖度、酸度的定量預測模型。但是，近紅外光譜檢測技術由于受水果厚度的限制而不具有通用性。本文初步驗證了含糖量與弛豫時間及NMR信號的關系。結合手持糖度儀，利用低場核磁共振技術測試整個蘋果的含糖量是研究的下一個目標。

[1]龐林江，王允祥，何志平，等.核磁共振技術在水果品質檢測中的應用[J].農機化研究，2006，26（8）：176-180.

[2]Chaughule R S，Mali P C，Patil P S，et al.Magnetic resonance spectroscopy study of sapota fruits at various growth stages[J].Innovative Food Science&Emerging Technologies，2002，3（2）：185-190.

[3]Van D.Applications of time-domain NMR in food science and technology[J].London Royal Society of Chemistry，2010，36（9）：50-53.

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[5]Dull G G，Birth G S，Smittle D A，et al.Near infrared analysis of soluble solids in intact cantaloupe[J].Food Sci，1989，54（2）：393-395.

[6]閻政禮，楊明生.蜂蜜中葡萄糖、果糖和蔗糖NMR定量分析研究[J].食品科學，2009，30（14）：253-255.

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[8]Zou X B，Zhao J W，Li Y X，et al.Selection of the efficient wavelength regions in FT-NIR spectroscopy for determination of SSC of'Fuji'apple based on BiPLS and FiPLS models[J].Vibration Spectroscopy，2007，44（2）：220-227.

[9]董一威，籍保平，史波林，等.蘋果中糖酸度的CCD近紅外光譜分析[J].食品科學，2007，28（8）：376-380.

Application of nuclear magnetic resonance on detecting sucrose content in different parts of apple

XIONG Ting1，ZHANG Ju-cheng1，XU Pan-pan1，ZHANG Ying-li2
（1.College of Information Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China；2.Shanghai Niumag Corporation，Shanghai 200333，China）

A 20 MHz nuclear magnetic resonance（NMR）system was used to measure the NMR relaxation spectrum in different parts of the apple and studied the relationship between sugar content and NMR signal.Moreover，the Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）technique was used to measureT2and control the water signal in manganese chloride aqueous solution.Then，the calibration line was used to test the sugar content in apple tissues.Finally，a calibration line of the sugar content and the value of sugar signal were determined.The results show that sugar content influences not only FID but also transverse relaxation time and longitudinal relaxation time；FID signal increases with the increasing of sugar content and the relationship is linear（r2＞0.94）；tissues close to the core have the highest sugar content and close to the skin are the lowest，this results are the same as the NMR spectrum analysis and prove the feasibility and veracity of the calibration line.

sucrose content；low-field nuclear magnetic resonance；FID；transverse relaxation time

R445.2；TL62+2；S661.1；TS207.3

：A

：1674-5124（2014）04-0033-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.009

2013-06-24；

：2013-08-06

國家質檢公益行業科研資助項目（201210079）

熊 婷（1988-），女，江西高安市人，碩士研究生，專業方向為信號與信息處理。