综述国内外核磁共振技术在食品检测方面的技术研
究。从核磁共振技术定义与分类,及其对食品成分、分子结
构的分析以及水果品质无损检测等方面的应用进行阐述。
从目前的应用现状来看,该技术在食品检测方面具有快速、
准确以及不损坏原料的优点,但在实际的应用中也还存在一
些问题,有待于进一步深入研究。
关键词:核磁共振技术;食品成分;分子结构;水果品质;无损
检测
是基于原子核磁性的一种技术, 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
善[ 1 ]。NMR技术可快速定量分析检测样品,对样品不具破
坏性,而且简便、灵敏度高;另外,利用该技术可在短时间内
同时获得样品中多种组分的弛豫时间曲线图谱,从而能准确
地对样品进行分析鉴定[ 2 ]。它的应用很广泛,例如在食品加
工中,可用于测定物料的温度和水分含量及状态;在水果无
损检测中,可用于水果的分级和内外部品质鉴定。
1 NMR技术及其分类
NMR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,原子核吸收电磁能发生跃迁, 产生共振吸收信号[ 3 ]。
NMR现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的
进动,而自旋角动量的具体数值是由原子核的自旋量子数决
定的。迄今为止,只有自旋量子数等于1 /2的原子核的核磁
共振信号才能够被人们利用, 常被利用的原子核有: 1H、
11B、13C、17O、19 F、31 P和23Na等。其中,氢核(1H)只有一个中
子,具有很强的磁矩,食品中的水、淀粉、糖和油中都有氢核,
所以质子核磁共振技术(即1H2NMR)常用于食品成分的非破
坏性检验[ 4 ]。
NMR技术主要有两个学科分支:核磁共振波谱法(Nu2
clearMagnetic Resonance Spectroscopy)和核磁共振成像技术
(Magnetic Resonance Imaging,简称MR I) [ 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。前者主要用于研究化合物的
分子结构,目前应用最广的是1H2NMR和13 C2NMR。由于食
品结构复杂,该技术还只限于非常简单的食品模型;后者是
通过NMR谱信号来分析食品的理化性质,信号的最初强度
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。
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。
2 对食品成分的分析
2. 1 对食品中水分的分析
食品中水分含量的高低以及结合状态直接对食品的品
质、加工特性、稳定性等有重要影响。NMR的一个重要应用
117
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
[ 6 ]。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。这样,就可以推测食品的相关特性。
2. 1. 1 水分分布 Engelsen等[ 7 ]的试验结果表明,在焙烤
过程中T2 曲线显示了多相性,并可分为3种变化(轻度结合
水上升,牢固结合水下降,水相饱和) ,还观察到淀粉糊化的
主要转变过程。MargitM等[ 8 ]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。
2. 1. 2 水分含量 马斌[ 9 ]对在- 20～ - 40 ℃下储藏的牛
肉、橘汁和面团等样品,利用NMR技术进行非冻结水分含量
分析时发现:随着温度的降低,产品中水分不断冻结,导致非
冻结水分含量显著减少,由单点斜面图像可以描绘出产品水
分分布的一维、二维图像,从而为样品在冻藏过程中如何保
证品质提供了依据。陈卫江等[ 9 ]利用3种方法即( F ID)曲
线法、自旋—回波( Sp in2Echo)法、高分辨率NMR 波谱法对
食品含水量进行了对比分析。
2. 1. 3 水分性质 范明辉等[ 10 ]利用NMR技术分析研究了
与食品品质密切相关的水分子的流动性、持水力、水结合、水
化等性质。Esselink等[ 11 ]通过流变学、NMR、电子显微镜发
现生面团被挤成片状后其中的麸质网状结构形成并被打断,
同时水分子流动性增加,生面团成型之后网状结构恢复,水
分子流动性下降。Ruth H等[ 12 ]利用NMR技术对经不同处
理的新鲜奶酪进行快速检测,得出处理方式不同,产品的黏
性、硬度以及脱水收缩的能力也不一样的结论;而施高压、加
辅料等处理也可能改变样品中水的结构和分子性质[ 13 ]。
2. 2 对食品中淀粉的分析
NMR技术用于淀粉研究,主要是利用体系中不同质子
的不同弛豫时间来研究淀粉的糊化、回生或玻璃化转变[ 3 ]。
分子运动是多聚体玻璃化转变的基础,因此,利用脉冲NMR
研究碳水化合物和蛋白质在玻璃化转变过程中与刚性成分
的自旋—自旋弛豫时间( T2 )的关系。当聚合物处于玻璃态
时, T2 不随温度而变,表现出刚性晶格的性质,玻璃化转变
后,突破刚性晶格的限制, T2 随温度升高而增大。由T2 和温
度曲线可求得Tg[ 14 ]。Midori K等[ 15 ]利用NMR及其成像技
术对大米蒸煮过程中淀粉糊化、水分含量及分布等进行了量
化。据杨玉玲等[ 16 ]用13C2NMR谱图的信号强度之比来分析
直链淀粉、支链淀粉以及酸水解和酶水解后的支链淀粉样品
的分支程度。Franck D等[ 17 ]也采用元素分析法、电泳技术
和NMR波谱法对表氯醇作用下面粉与NH4OH形成的交联
化合物进行了含量、流动性以及结构特性的分析,取得了比
较理想的结果。
2. 3 对食品中脂类物质的分析
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,单一的NMR方法是取代油脂质量控制中采
用固体脂肪指数( SR I)分析方法唯一可行的、有潜在用途的
仪器分析方法[ 18 ] ,从而为改进食品加工工艺和质量打下了
良好的基础。Ballerini[ 19 ]利用MR I法可以对比牛肉中不同
质构(脂肪、瘦肉、连接组织)的差异,易于分析肉的切面,测
得真实的脂肪含量(而非仅只表面可见部分) 。M. B.
Mabaleha等[ 20 ]通过GC分析和NMR检测对精炼的西瓜籽油
的各项质量指标进行对比评价,以确认它的可食用性以及能
否在市场上作为后备商业食用油推广。
2. 4 对食品中其他成分的分析
食品中钠元素的含量与分布在很大程度上影响着食品
的口感和质地。Nobuaki I等[ 21 ]采用23Na2NMR 成像技术对
食品中钠进行研究以期为食品的储藏加工提供有效的帮助。
结果表明:NMR信号强度和食品中Na +浓度呈比例关系,并
且在很大程度上取决于Na + 的流动性。Hideki T等[ 22 ]利
用1H2NMR法研究了单萜内酯类化合物与食品风味的关系。
3 对食品成分分子结构的测定
3. 1 糖的结构的测定
糖的化学结构十分类似,仅仅是重复单元数不同或原子
排列次序不同,这些相似物用红外光谱或其他一些分析手段
无法加以区别,而用13C2NMR就能明确区别其结构的微小差
异。据祝耀初等[ 23 ]报道NMR技术在食品中糖的分析测定
中常用D2O作溶剂,有时亦用氘代二甲亚砜(DMSO2d6 )作溶
剂,其测定结果代表了结晶态时糖的构型和纯度。此外,糖
的各羟基都与同碳质子相偶合而产生裂分的双峰。Wang
Yajun等[ 24 ]使(1→3) 2β2D2葡聚糖与硫酸在- 6 ℃进行异化
作用制得(1→3) 2β2D2葡聚糖硫酸盐, 1H2NMR检测结果证实
了该物质是葡聚糖的磺酸酯化合物,并且发现经磺酸化的多
糖物质在形态上变得松散了。
3. 2 蛋白质和氨基酸的结构的测定
过去几十年由于二维核磁共振波谱技术及其相应计算
方法的发展,核磁共振波谱学已成为研究蛋白质和氨基酸的
结构、空间构型以及动力学的重要工具。Niccolai等[ 25 ]在研
究MNEI(一种含96种氨基酸的甜蛋白)时,用带顺磁探头的
梯度NMR图谱仪研究其表面结构,以确定该甜蛋白可能的
络合部位及与水的络合情况。张猛等[ 26 ]综述了甜蛋白的化
学位移、偶合常数、核间奥氏(NOE)效应以及同位素交换等
确定蛋白质或多肽的二级结构的方法。Joachim G等[ 27 ]对乳
清和鸡蛋中的特定蛋白质的热变性过程以及变性之后的性
质进行了低频率NMR检测。
另外,刘兴前等[ 28 ]获得了19种氨基酸的1H2NMR谱图,
与《Hand book of p roton2NMR spectra and data》中相应的氨基
酸图谱为对照进行比较,其中L2Ala、D2Ala、L2Leu、L2 Pro等6
种氨基酸完全一致,其余13种非常类似;首次获得L2丝氨酸
和L2色氨酸的1H2NMR谱。
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安全与检测 2008年第6期
4 对水果品质的无损检测
4. 1 内部品质及成熟度
核磁共振技术(NMR)是探测浓缩氢核及被测物油水混
合团料状态下的响应变化,能显示果实内部组织的高清晰图
像,因此在测定含油水果如苹果、香蕉的糖度和含油成分方
面有潜在价值[ 29 ]。Chaughu1e等[ 30 ]用自由感应衰减( F ID)
谱测定人心果中的可溶性碳水化合物,成熟与未成熟果实
的13C2NMR谱显示:前者的葡萄糖和果糖各有一个峰,而后
者只有一个蔗糖峰。用1H2NMR 对人心果果实中的水分进
行检测,结果发现在水果生长的早期,波峰较宽,说明水分的
活动性受到限制;在成熟果实的波谱中,糖峰处于水峰的右
边且稍低,峰形不对称,说明水与可溶性碳水化合物之间具
有相互作用。因此,观察人心果的13 C2NMR谱和1H2NMR谱,
可从其峰的特点推测其水和碳水化合物的组成和状态。另
外,桃、橄榄等水果核内含有富含水和油脂的种子,利用NMR
法可以观察到暗色的圆圈中亮色的种子,利用此法可保证加
工过程中果核剔除干净,使未加工果实及时分离出来[31 ]。
4. 2 内部缺陷及损伤
庞林江等[ 32 ]在利用NMR技术对不同贮藏温度下苹果
内部褐变引起果实成分变化的检测和监控方面也有报道。
Chen P等人[ 33 ]利用NMR 技术来测度桃和梨,结果发现在
NMR图像中,果实的受损伤部分比邻近区域更亮,有虫害的
比没有虫害的部分要暗,干枯的部分比正常部分要暗淡,有
空隙的部分要显得暗淡。
4. 3 贮藏过程中的变化
Barreiro等[ 34 ]运用MR I图像技术对苹果和桃子在不同
贮藏条件下的变化进行了研究,结果表明: CA贮藏明显优于
冷藏。Kerr等[ 35 ]运用MR I技术观察了猕猴桃在- 40 ℃流
动空气中冷冻时冰形成的动态过程。这些都将为水果储藏
提供有效的依据。
5 结论
2000年9月在葡萄牙召开了第二届“NMR技术在食品
中的应用国际会议”。其主要论题有固态NMR技术的最新
进展,在分析肉结构、食品中的pH及氧化还原反应、面团结
构、软奶酪的感官特性以及在研究化学结构和分子活动性等
方面,还有用于鉴别橄榄油、鲑鱼肉,分析猪腰肉、鱼和芒果
中脂肪分布等方面的应用。
无论是食品的消费者还是生产者,都期待食品有高性价
比和高稳定性, 这就使得人们需要有各种优良的技术手段
来评价食品的质量。其中,NMR的穿透能力强,不受样品厚
度的影响,而食品体系常常是不均匀的复杂体系,许多方法
都不能较好地适应。因此, NMR作为一种无损、无辐射、安
全高效的检测方法在现代食品安全、食品结构与动力学、食
品监测与品质控制等方面有着很好的应用前景。然而,从目
前的研究现状来看,今后在这方面的研究主要集中在以下几
个方面:
(1) 更深入地研究NMR机理,将其应用到更复杂的食
品模型中,使其分析检测不再局限于常量成分的检测,比如
应用于食药用菌多糖结构和活性的研究;将其研究结果推广
到更多的果蔬加工过程中,从而能更好地监测和控制食品的
生产和质量;
(2) 在检测某些物质的结构和性质时,可以结合固相微
萃取、分子蒸馏等技术来克服该技术对样品质和量的要求。
由于食品组分的复杂多样性,将NMR与GC或远红外等先
进技术先结合,能更准确有效地对食品品质进行定位;
(3) 降低核磁共振仪的造价和运转费,得到推广应用;
(4) 我国现有的分析检测仪器比较落后,常规的分析检
测方法破坏性大、既耗人力又耗时。因此,我国科研工作者
应努力研究国际上相关的鉴别检验技术成果,为我国对食品
生产和质量的全自动化控制提供技术支持。
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