海棠果水分迁移情况的核磁共振分析124--王殿生

海棠果生长过程水分迁移的核磁共振研究尤益民，刘振宇，王殿生（中国石油大学（华东）理学院，山东青岛266580）摘要：建立了海棠果的核磁共振活体检测体系，通过检监测海棠果的𝑇2弛豫特性在海棠果中后期生长过程中的日序变化，发现代表结合水和不易流动水的的𝑇2弛豫时间持续增大，而代表自由水的𝑇2弛豫时间的变化不明显。结果表明：（1）在海棠果中后期的生长过程中，由于新陈代谢的增强，消耗了大量的大分子物质，导致大分子物质像原果胶、半纤维素很大分子糖等含量下降，结合水的含量下降，水分子与大分子物质间的束缚作用减弱，能量不易在核自旋间转移，导致其所对应的横向弛豫时间𝑇21、𝑇22在逐渐增加；（2）从七月中旬到八月初，由于光合作用和呼吸作用使得自由水处于一个动态平衡的状态，导致代表自由水的横向弛豫时间𝑇23处于一个平稳的状态:(3)从八月初到八月中旬，海棠果体积处于膨大期，自由水增多明显，导致𝑇23有一个短暂的下降趋势(4)从八月中旬到海棠果成熟，各个横向弛豫时间趋于平稳，果实可以采收。本实验利用核磁共振测量技术很好的解释了海棠果成长过程中的水分变化情况。关键词：海棠果；核磁共振；横向弛豫时间:新陈代谢1引言（1）查找一些海棠果研究方面的文献，说明：海棠果的产地、果实特征（形状、大小、颜色、质量、气味、口味，主要化学成分，含水量，液体含量，等等）、生长习性与时间、成熟过程水、糖、酸等化学成分变化，成熟度的通常辨别方法，食用方法与功能特性（食用品质），采摘时机对后续储藏、加工影响（减小损失等），合理确定采摘成熟期，含糖量是水果的主要品质因素，定量确定含糖量。（2）核磁共振技术检测水果的特点和研究现状，侧重于水分含量和糖含量方面的变化。（3）本文研究内容。更主要的是研究水分变化的意义，是认识海棠果生长机理，还是反映成熟度，还是反映其他特性？水果是人类生活中必不可缺的食物之一，含有丰富的碳水化合物、矿物质、微量元素以及各种营养成分，经常摄入水果，可以有效地预防高血压、肥胖等疾病[1]。在水果的生长和储藏过程中，水分的迁移行为对水果的口感、营养价值起着至关重要的作用。在研究水果储藏过程中水分的迁移行为方面，国外学者做了大量的研究，例如，MajaMusse对成熟西红柿的水分迁移行为的研究[2]；Nataliasosa研究的苹果干燥过程对苹果亚细胞结构的水分迁移行为的影响等等[3]。其中大部分研究都是以核磁共振技术为实验基础。核磁共振技术对水果内部水分的检测，具有检测快速、检测方式多样、无损和非接触等优点。可见，核磁共振技术有助于我们了解食品的组成成分(水分、脂肪及大分子化合物等)、内部组织结构以及食品的物理化学特性(果蔬成熟度、食品的腐败变质等方面)，甚至根据系统的分析可以推知食品的功能特性。很多学者做了利用核磁共振参数横向弛豫时间来观测一些植物组织的研究[4]。由水分子周围环境变化引起的核磁共振信号可以被分为横向弛豫时间T1和横向时间T2？？。通常而言，水分子中所含的H由于其所在环境的变化，将使得横向弛豫时间T2的变化比纵向弛豫时间T1更加明显，更适合于实验观察[3]。水果中水分的迁移行为是反映水果品质变化的一个重要因素，利用对横向弛豫时间T2变化的观测，将很好得反映水分迁移行为对水果品质造成的影响。在这方面，由很多典型的研究，例如国外学者Fundo根据横向弛豫时间T2的平均值分析新鲜西瓜切片后水分随时间的变化情况？？？？[5]；国内学者也做了关于这方面的研究，例如陈森根据横向弛豫时间T2的峰面积分析樱桃储藏过程中水分变化的情况[6]，等等。但是，关于水果生长过程中水分迁移行为的核磁共振研究却少之又少。在水果的生长过程中，水分状态根据水质子所处的不同环境，可以区分为以下三类：水分活性较小，与大分子物质络合结合，流动性差，定义为结合水；水分子与大分子物质通过氢键结合，其横向弛豫时间T2较前者变长；在水果内以游离状态的形式存在，定义为自由水[6]。通过研究这三种水分的迁移行为，可以很好得解释水果生长过程中内部理化性质的变化原因。本文主要利用低场核磁共振技术来研究海棠果生长过程中水分的迁移行为。海棠果原产于中国，现主要分布在华北地区，果实呈卵形，直径2~2.5厘米，果皮红色，无灰白斑点，果实黄白色，具有生津止渴、健脾开胃、涩肠止痢、补充营养等功效[7]。因此利用核磁共振技术研究海棠果生长中水分的迁移行为，将有助于海棠果生长过程的深入研究，产量的预测。本文利用上海纽曼电子科技有限公司生产的NMR分析仪测量7~9月份正常环境下生长的海棠果的横向弛豫时间T2，研究了海棠果内部水分迁移状况随生长时间的变化。2实验原理2.1生物核磁共振当生物组织被放置于与一个磁场强度已知的大的静磁场0B中后，其生物组织内的氢质子与主磁场方向相同的处于低能态而与主磁场方向相反则处于高能态。在垂直于静电场0B方向上加一射频脉冲（RF(1B)）,其脉冲宽度pt满足12,ptTT(1T,2T为原子核系统的弛豫时间)。根据当时的温度和静磁场的场强大小，低能态与高能态之间势必要达到动态平衡，称之为“热平衡”状态，从微观上讲，将诱发两种能态间的质子产生能态跃迁，被激励的质子从低能态跃迁到高能态，出现核磁共振[8]现象。由于共振吸收，在外加射频脉冲停止之后，氢质子将释放吸收的能量返回到热平衡状态，该过程所需要的时间则为弛豫时间。弛豫时间根据不同的弛豫方式可以分为两大类，把自旋-晶格弛豫所需的弛豫时间称之为横向弛豫时间𝑇1，把自旋-自旋弛豫过程所需要的弛豫时间称之为横向弛豫时间𝑇2。其中横向弛豫时间T2主要用于测量水果中不同环境下的水氢质子。2.2横向弛豫时间T2的测定本实验采用CMPG硬脉冲自旋回波法测定横向弛豫时间T2：对样品施加(2，其中为半回波时间)脉冲序列，采集自旋回波信号，信号峰值S和出现时间t满足𝑆=𝐶𝑒−𝑡𝑇2(1)测定一系列信号峰值和对应的时刻，按式(1)拟合得到T2的值，其中C为拟合常数[9]。本实验中的核磁共振信号是通过测定横向磁化矢量的变化得到的。横向磁化矢量垂直并围绕主磁场旋进，磁矢量的变化使环绕在原子核周围的接收线圈，产生感生电流，通过放大后即产生核磁共振信号。在实际中所用的样品是大量同类核的集合，只有当低能级上原子核的数目大于高能级原子核的数目，在高频电磁场的激发下吸收的能量比辐射的能量多，这样才能观测到核磁共振信号。在热平衡状态下，核数目在两个能级上的相对分布由波尔兹曼因子决定2=𝑒−𝑇=𝑒−𝑇(2)式（2）中N2和N1分别代表高能级和低能级上的核数目，△E为上、下能级之间的能量差，k为波尔兹曼常量，Te为绝对温度，为朗德因子，为核因子[10]。由式（2）可知，温度越低，磁场越强，高能级数目越大于低能级数目，越有利于核磁共振信号的观测。如果温度和磁场不变，样品内所含核的数目越多，则上、下能级之间的核子数目的差就越大，核磁共振信号便越强。对于水果，与大分子物质络合结合，流动性差的结合水横向弛豫时间远低于水分子与大分子物质通过氢键结合的不以流动水，不以流动水的横向弛豫时间又远低于水果内以游离状态的形式存在的自由水[6]。这就是本实验利用低场核磁共振研究海棠果内部水分状态随生长时间的变化的基础。3材料与方法3.1实验设备与样品仪器：NMI20-Analyst核磁共振成像分析仪，主磁场为0.5T，射频脉冲频率：1~30MHz（上海纽曼电子科技有限公司）；电子天平，分度值为0.001g（梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司）。其他仪器还有温湿度计、有色谱瓶、烧杯、保温桶等等。？？天平，没有重量数据？？实验样品：从2015年7月15开始采样，到2015年9月2日截止，每天在固定地点，在生长情况相同的海棠果树上取大小、颜色相近海棠果样品两枚。总共采样48次，共采取有效样品96枚。新采摘的海棠果洗净，晾干表面水分后装入色谱瓶，放入保温桶中，待其温度达到与核磁共振仪磁体温度一致（）时,进行横向弛豫时间的测量。表1海棠果果实样品采摘日期表表格和图表按照所要投稿期刊的要求规范来做。采样日期时间个数采样日期时间个数采样日期时间个数7.1518:3027.3119:3028.1820:0027.1618:3028.119:3028.1920:0027.1718:3028.219:3028.2020:3027.1818:3028.319:3028.2120:3027.1919:0028.419:3028.2220:3027.2019:0028.519:3028.2320:3027.2119:0028.619:3028.2420:3027.2219:0028.719:3028.2520:3027.2319:0028.819:3028.2620:3027.2419:0038.919:3028.2720:3023.2实验参数每次实验中测量两个样品。先用纯水通过HardPulseFID序列定标，定标确定出的实验参数为：主频SF1=21MHz，偏移频率O1=831.385864KHz，900脉冲宽度P90=8s，1800脉冲宽度P180=16s，采样次数TD=1024，重复次数TR=1000ms？？？；再用CPMG脉冲序列测量样品的核磁共振信号，实验测量参数见表？？。？？将样品放入试管置于射频线圈的中心进行信号采集，除了定标所得参数其余参数设置为：累加NS=4，回波时间=600s，回波数Echocount=12000。？？所有测量参数列一个表，回波时间与回波数应是个定值，看看是否矛盾？？4结果与讨论4.1反演谱信号峰面积与新陈代谢强度关系的分析？？海棠果生长过程的T2谱特征海棠果的生长过程中的新陈代谢伴随着很多复杂的生理生化反应，自由水与结合水的比值可以反映海棠果新陈代谢的强度？？相关参考文献？？。5个典型时间样品的T2谱如图1实施，从图1可看出，每个曲线上都有三个峰，代表着样品中水分所存在的不同状态。因为核磁共振信号峰面积与样品中的氢质子的数量成正比，所以各个峰覆盖的信号峰面积，可以间接反映出三种水分之间的关系[11]T21定义为结合水，这部分水是与其他大分子物质结合最紧密的；T22定义为半结合水，是仅次于自由水的结合水；弛豫时间最长的T23为自由水。表2是反映样品中结合水和自由水的相对含量占总含量的比例，跟据表2中自由水含量与结合水含量的比值作图2，从图2中可以看出，自由水含量与结合水含量的比值呈上升趋势，说在海棠果的生长过程中，其新陈代谢在逐渐增强。？？①谱线特征没有分析出来，参考文献，从谱线的静态特征、随时间变化特性等各个方面，详细分析谱线特征；②T21、T22、T23的数值范围及变化特征；峰值移动变化特征，反映了什么，等等？？？？图2数据与表2不符合，图与表表示同一内容，只选其一？？7.2519:0028.1020:0028.2820:3027.2619:0028.1120:0028.2920:3027.2719:0028.1320:0028.3020:3027.2819:0028.1420:0028.3120:3027.2919:0028.1620:0029.120:3027.3019:3028.1720:0029.220:3021101001000100000500010000150002000025000信号幅值7.157.248.28.118.20横向弛豫时间/ms表2海棠果生长过程中自由水与结合相对含量日期7.157.167.177.187.197.207.217.227.237.247.257.26结合水0.1950.1260.1660.0440.1080.1480.1230.1180.1230.1780.1660.166自由水0.3000.2330.3420.1040.2890.4150.3200.3420.3050.5050.5500.560比值1.5381.8492.0602.3572.6762.8042.6022.8982.4802.8373.3133.373日期7.277.287.297.307.318.18.28.