核磁共振技术在食品研究中的应用1

核磁共振技术在食品研究中的应用核磁共振（NuclearMagneticResonance，简称NMR）技术是基于原子核磁性的一种波谱技术，20世纪中期由荷兰物理学家Goveter最先发现，后由美国物理学家Bloch和Purell加以完成。NMR技术最初只应用于物理科学领域，随着超导技术、计算机技术和脉冲傅立叶变换波谱仪的迅速发展，核磁共振已成为当今鉴定有机化合物结构和研究化学动力学等的极为重要的方法，其功能及应用领域正在逐渐扩大[2，3]。[2]戎志梅生物化工新产品与新技术开发指南[M]北京：化学工业出版社，2003：35-42.[3]俞俊棠.新编生物工艺学[M]北京：化学工业出版社，2003：26-41.核磁共振技术在食品科学领域中的研究应用始20世纪70年代初期[4]，顾小红，任璐，陈尚卫，等核磁共振技术在食品研究中的应用[J]食品工业科技，2005，26（9）：189-192.它可在不侵入和破坏样品的前提下，对样品进行快速、实时、全方位和定量的测定分析，因此核磁共振技术在食品中的应用和发展也越来越广泛。[5]黄东雨，黄雪莲，卢雪华，郑瑞婷，陈悦娇，陈海光等核磁共振技术在食品工业中的应用（仲恺农业工程学院轻工食品学院，广东广州510225）食品研究与开发专题论述，2010年11月第31卷第11期核磁共振技术的简介原理核磁共振，即在静磁场中，具有磁性的原子核存在不同能级，用特定频率的电磁波照射样品，当电磁波能量等于能级差时，原子核吸收电磁波发生能级跃迁，产生共振吸收信号[1]万娟，陈中，杨晓泉.核磁共振技术及其在食品加工中的应用[J].食品与药品，2006，8(11A):17-19核磁共振是处于静磁场中的原子核在另一交变磁场作用下发生的物理现象，并不是所有原子核都能产生这种现象，原子核能产生核磁共振现象是因为具有核自旋。[2]周航，李泽荣，李保国.核磁共振技术在食品品质分析中的研究进展[J].农产品加工，2009(3):47-49迄今为止，只有自旋量子数等于1/2的原子核，其核磁共振信号才能够利用，经常为人们所利用的原子核有：1H，11B，13C，17O，19F，31P。[黄东雨]在核磁共振图谱中，可以用自旋-晶格弛豫时间T1和自旋-自旋弛豫时间T2来形容磁化强度恢复到平衡状态的过程。由弛豫时间的差异可以看出核磁共振图谱的差异。NMR信号是发射出的电磁射线的物理现象，与核的密度成一定的比例。利用NMR信号来反映样品的化学结构、分子或原子的扩散系数、反应速率、化学变化以及其他性质。[7]（）：吴磊，何小维，黄强，等核磁共振技术在淀粉研究中的应用[J]食品工业科技，2008，29（4）：317-320.分类NMR可用来研究食品的物理及化学结构，食品的冷冻、干燥凝胶、再水化等过程，根据其用途，NMR技术主要有两个学科分支：核磁共振波谱法(NuearMagneticResonanceSpectroscopy)和核磁共振成像技术(MagneticResonanceImaging，简称MRI)[1，3，5]。核磁共振波谱法是基于化学位移理论发展起来的，根据所使用的射频场频率的高低，其又可分为高分辨率NMR波谱法和低分辨率NMR波谱法。2.1高分辨率NMR波谱法高分辨率NMR主要用于研究化合物的分子结构，目前应用最广泛的是氢核NMR和碳核NMR，磷核NMR正被用于生物科学的研究领域。由于食品结构复杂，高分辨率的分子结构还只限于非常简单的食品模型，此技术在食品加工中的应用需要一段较长时间的研究。2.2低分辨率NMR法低分辨率NMR是通过NMR谱信号来分析食品的物理及化学性质，低分辨率NMR谱信号的最初强度是与样品中原子核数量直接相关。由于价格相对低廉，仪器相对较小，低分辨率NMR法已成为食品工业应用较为广泛的技术。许多小型、简单的NMR仪不断问世以满足食品研究的需要。目前应用最为广泛的是用NMR仪进行含脂食品中固体脂肪含量的分析测定。低分辨率NMR在食品理论研究中起着非常重要的作用。由于NMR谱信号对分子的可流动性非常敏感，可用来进行食品结构的微动力学研究。如通过低分辨率NMR仪测量乳浊液的扩散系数，计算乳浊液中“油滴”或“水滴”的大小，用于冰淇淋、雪糕等冻结过程中，油水及它们之间的相变化，冻结速度对相变化的影响，配方不同对食品品质的影响等，均可得到充分详实的实验数据，从而针对性地找到提高食品质量的途径和方法。[1]万娟，陈中，杨晓泉.核磁共振技术及其在食品加工中的应用[J].食品与药品，2006，8(11A):17-192.3NMR显像核磁共振成像技术诞生于1973年，它是一种无损检测技术。对于食品品质的检测，NMR显像可以使NMR波信号在样品中定位，为进行食品内部结构的直观透视研究提供强有力的手段，对食品加工和储藏过程中的生化反应以及化学变化进行跟踪研究。核磁共振技术在食品检测方面的应用齐银霞，成坚，王琴(仲恺农业工程学院轻工食品学院，广东广州510225)(ZhongkaiUniversityofAgricultureandEngineering，Guangzhou，Guangdong510225，China)Vol.24，No.6Nov.2008，食品与机械NMR显像在最初阶段只用于医学领域，随着近年的迅速发展，此技术已为其他领域开辟了许多新的研究途径。对于食品科学的研究，NMR显像可以把NMR波信号在样品中定位，为进行食品内部结构的直观透视研究提供强有力的手段。在一些发达国家，许多研究人员正致力于研究将此技术引入瓜果等质量扫描的流水作业检查中。在食品加工和储藏过程中，NMR也可用来进行食品内部结构和质化的跟踪研究等。发展历程1930年代，人类最早认识关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用。1946年，人们最初认识核磁共振现象。美国Varian公司研制出世界上第一台超导磁场的核磁共振谱仪。1964年后,核磁共振谱仪经历两次重大的技术革命，其一是磁场超导化;其二是脉冲傅立叶变换技术。2002年北京大学安装中国首台800MHz核磁共振仪成功。2004年布鲁克Biospin公司推出了全球第一款用于核磁共振领域的900MHz主动屏蔽式超导核磁共振磁体。核磁共振技术在食品分析中的应用食品组成成分的物理化学状态及其三维结构决定了食品的多汁性、松脆度、质感稳定性等，通常无法用常规分析方法对其进行研究。而对大多数食品来说水分、油脂和碳水化合物等组分可以反映食品在组织结构、分子结合程度，以及在加工储藏过程中内部变化等方面的重要信息。[4][4]FrasJM，FoucatbL，BimbenetaJJ，etal.Modelingofmoistureprofilesinpaddyriceduringdryingmappedwithmagneticresonanceimaging[J].Chemicalengineeringjournal，2002，86:173-178NMR可通过食品的组分来研究食品的物理化学状态及其三维结构，和食品的冷冻、干燥凝胶、再水化等过程。运用非破坏性的核磁共振波谱技术研究食品的物理、化学性质已成为食品研究的一种趋势。[5][5]顾小红，任璐，陈尚卫，等.核磁共振技术在食品研究中的应用[J].食品工业科技，2005，26(9):189-191，1941.NMR技术在水分分析中的应用食品中水分含量的高低以及结合状态对于食品的品质、加工特性、稳定性等有着重要的影响。卡尔·费休法是国内外通用的测定物质中水分的标准方法，也是最常用的方法，但其操作较复杂，且对固体样品必须事先粉碎均匀，对样品具有破坏性。NMR的一个重要应用就是研究食品中水分的动力学和物理结构，它可以测定能反映水分子流动性的氢核的纵向弛豫时间T1和横向弛豫时间T2，分析研究物质的含水量、水分分布、迁移以及与之相关的其他性质。当水和底物紧密结合时，T2会降低；而游离水流动性好，有较大的T2所以通过T1、T2的测定可得到被底物部分固定的不同部位的水分子流动和结构特征。[6-7][6]胡俊刚.现代核磁共振（NMR）技术在食品科学中的应用[J].食品研究与开发，2000(1):11-15[7]陈卫江，林向阳，阮榕生，等.核磁共振技术无损快速评价食品水分的研究[J].食品研究与开发，2006，27(4):125-1271.1水分分布MargitM等[8]MMargit，JAHenrik，BESoren，etal.Effectoffreezingtemperaturethawingandcookingrateonwaterdistributionintwoporkqualities[J].MeatScience，2006(72):34～42.利用低频率NMR法研究冻藏肉发现:冷冻温度越低、冻藏时间越长，肉在解冻、烹饪时的水分损失增加；高pH的新鲜肉比正常pH值的肌原纤维中水分分布更均匀。鲜肉在正常和高PH下的弛豫时间T2高PH下新鲜肉的弛豫时间T2，影响因素冷冻温度，烹饪速率Bertam等人［5］BertamHC,AndersenRH,AndersenHJ.Developinmyofibrillarwaterdistributionoftwoporkqualitiesduring10-monthfreezerstorage[J],Meatscience,2006,75:128-133.运用低脉冲场NMR对PSE(palesoftandexudative)苍白的软的鲜的肉和DFD(darkfirmanddry)深色的坚硬的干燥的肉在冻藏过程中的水分活度和分布的变化进行研究。将两种猪肉在-20℃与-80℃下冷藏10个月，每隔1-2个月测定其T2值。结果表明，NMR对冻藏诱发的肉结构变化以及结构变化所产生的水分迁移非常敏感，随着冷冻时间的增加，猪肉中自由水的含量也明显增多。Fig.2.DistributionofNMRT2relaxationtimesinfrozen–thawedPSEandDFDmeatafter1and10monthsoffrozenstorage.Fig.3.Changesintheamountoflooselyboundwatercalculatedaproportionofprotonswitharelaxationtime100msforthefoucombinationsoffreshmeatquality(DFDandPSE)andfreezintemperature(80Cand20C)withfrozen-storagetime.LSMeavaluesaregiven.Barsshowstandarderrors.等人运用NMR驰豫技术对肉的持水力分析结果表明，肉中存在三中组成的水，其中结合水仅占4%。通过T2驰豫离散指数曲线发现处于0～45ms的组成水分对应胞内水分，100～180ms的组成水分直接与胞外空间的水分相关，它们的驰豫时间分别为T21、T22。该时间常数与肉的持水力有显著的相关性，而且它们与不同后熟时间的pH也有明显的相关性。NMR可在较短时间内直接测定食品中水的含量存在状态以及与其他大分子的结合情况，是一种有效快速的测定分析方法2.NMR技术在油脂分析中的应用油脂因为其生理、营养、风味功能和广泛的工业用途而受到高度重视。据文献[3]报道，脂肪分析时，NMR方法是取代油脂质量控制中采用固体脂肪指数（SRI）分析方法唯一可行的、有潜在用途的仪器分析方法。它最早主要用于油料种子含油量和SRI的测定，目前国内研究也主要集中在这方面[4，5]，现已建立了国际标准[6]。Bertam等人［$G］以两种长链脂肪酸含量不同的奶酪作为研究对象，在奶酪连续冷却过程中测量弛豫时间T2，用以判断乳脂肪球的晶型转变，结果发现在17-22du时两种奶酪的T2都发生了明显的突变，而运用DSC分析得出这些突变正好对应脂肪的结晶峰值，从而得出用1H-NMR，可以测定奶酪的相转变，并快速准确地得到结晶温度。3.NMR技术在碳水化合物分析中的应用3.2N