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低分辨核磁共振技术在食品品质分析中的应用

  来源:《现代科学仪器》期刊2016-08-30点击:958


【核心介绍】食品的品质和安全问题越来越受人们关注,探索实际可行的食品无损检测与品质评估技术正在成为研究热点。低分辨(即低场)核磁共振检测技术是一种新型的食品无损检测技术,该技术具有快速、准确及不损坏食品的优点。本文综述国内外低分辨核磁共振技术在食品检测方面的技术应用,综述了核磁共振技术在食品水分分析检测、食品玻璃化转变、食品掺假鉴别和果蔬无损检测等方面的应用,并展望了该技术在未来食品工业中的应用前景。  

低分辨核磁共振技术在食品品质分析中的应用

高珊1,黄重阳2,周琪1,2,张金枝1*,刘朝阳2*
1.湖北大学化学化工学院,武汉 430062;2.中国科学院武汉物理与数学研究所,武汉 430071)

摘 要 食品的品质和安全问题越来越受人们关注,探索实际可行的食品无损检测与品质评估技术正在成为研究热点。低分辨(即低场)核磁共振检测技术是一种新型的食品无损检测技术,该技术具有快速、准确及不损坏食品的优点。本文综述国内外低分辨核磁共振技术在食品检测方面的技术应用,综述了核磁共振技术在食品水分分析检测、食品玻璃化转变、食品掺假鉴别和果蔬无损检测等方面的应用,并展望了该技术在未来食品工业中的应用前景。

关键词 低分辨核磁共振;食品品质;无损检测;弛豫时间

中图分类号 O657.2  文献标识码 A


Application of Low-Field Nuclear Magnetic Resonance Technique in Food Quality Analysis

Gao Shan1,2, Huang Chongyang2, Zhou Qi1,2, Zhang Jinzhi1*, Liu Chaoyang2*

(1.Faculty of Chemistry and Material Science Hubei University,Wuhan 430062,China;2.Wuhan Institute of Physics and Mathematics, Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071,China)

Abstract With increasing problems of food quality, rapid and non-destructive detection technology has become the research hotspots. Low-Field Nuclear Magnetic Resonance (LF-NMR) is a new non-destructive testing technology which has advantages of fastness, accuracy and intactness. In this paper, the technology of LF-NMR applying in food detection at home and abroad is summarized. And its applications are mainly discussed here including elaborating on the moisture testing and glass transition, identification in food safety and intact detection of fruit quality. Additionally, future directions in the development of LF-NMR for food industry are also discussed.

Key words low-field nuclear magnetic resonance (LF-NMR); food quality; non-destructive testing; relaxation Time

食品现代化生产、加工过程中需要对食品品质信息进行快速无损获取,以保证食品品质安全,满足消费者的需要。食品的品质包括感官品质和内在品质两个方面。感官品质主要是指食品的色、香、味、形和质地;内在品质主要指营养价值,包括碳水化合物、脂肪、蛋白质、维生素和矿物质等营养成分的质和量。目前对食品品质评价的主要分为感官评价和仪器测量两种,国内外多年来一直沿用的方法是感官评价。对于食品的感官评价已有大量报道,然而感官评价易受评价员的嗜好、品味等不稳定因素的影响,从而较难做出准确的评价。近些年来,仪器随着经济发展也在不断发展,食品分析需要借助仪器进行量化评价,如目前检测技术有电子鼻、电子舌、近红外、傅里叶中红外、拉曼光谱、气相色谱-质谱联用、低分辨核磁共振技术等[1]。通过仪器检测可以大大提高对食品评价的速度和准确率。其中低分辨(即低场)核磁共振技术(Low-Field Nuclear Magnetic Resonance, LF-NMR)是核磁共振应用技术的一个分支,在食品工业、地质勘探、石油化工等诸多方面得到越来越广泛的应用,成为一种重要的分析测试技术[2]。核磁共振技术在食品科学领域中的研究应用始于20世纪70年代初期,相比于一些传统的检测方法,如化学方法、色谱法、酶法、免疫法和生物检测等方法[3],低分辨核磁共振可快速准确分析检测样品,对样品不具破坏性,而且简便、灵敏度高;另外,能够实时在线测量,获得样品在时间和空间上的信号信息,可得到食品中水分和脂肪等的流动性及分布状态等重要信息。因此,核磁共振技术在食品科学研究中越来越受人们的青睐。

1 低分辨核磁共振技术概述

1.1 低分辨核磁共振技术

核磁共振现象是指:磁矩不为零的核在外磁场的作用下,自旋能级发生塞曼裂分,共振吸收某一特定频率的电磁波的物理过程[4]。其中,将外磁场强度低于0.5T的核磁共振现象称为低分辨核磁共振(Low-Field Nuclear Magnetic Resonance, LF-NMR),目前主要用于纵向弛豫时间(T1)、横向弛豫时间(T2)以及自扩散系数的测量等。

自旋系统从不平衡状态向平衡状态恢复的过程,称为弛豫。弛豫过程有两种形式:横向弛豫(自旋-自旋弛豫)和纵向弛豫(自旋-晶格弛豫),其弛豫时间分别用T2和Tl表示。T1起因于自旋-晶格之间的相互作用,其反应自旋系统粒子数差从非平衡态恢复到平衡态的特征时间常数,T1越短表明自旋-晶格相互作用越强。T2源于自旋-自旋之间的相互作用,它表征了由于非平衡态进动相位相关产生的不为零的磁化强度横向分量恢复到平衡态时相位无关的特征时间常数。弛豫时间描述了原子核与周围介质以及原子核之间相互作用的重要参数。因此,弛豫时间长短可描述与氢质子的存在状态及所处的物理化学环境之间关系。同一样品的不同组分(如蛋白质与水)间以及不同样品的同一组分(如水)间的氢质子存在状态及所处理化环境存在较大差异而具有不同的Tl和T2,假如我们观察的对像是生物体系中的水分子,那么这两种弛豫时间可以反映水分子的流动性。在食品研究领域中最常用的磁共振方法是检测样品1H质子的弛豫时间T2,因为其用时较短,可同时得到样品中多种组分的信息;但当横向弛豫时间T2检测不能得到所有需要信息时,如水分子的结合性和流动性等信息,可利用纵向弛豫时间T1进行辅助检测,进一步分析样品中各成分与周围环境的特征,得到所需信息[5]。

1.2 脉冲序列选取

在核磁共振系统中通过射频脉冲产生射频磁场,从而驱动激发磁化矢量,产生核磁共振信号的动力源。所以,不同射频脉冲形式所产生的作用是不同的。在食品研究中,测量横向弛豫时间T2常用的脉冲序列有自旋回波(Spin Echo,SE)序列和Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)序列等;测量纵向弛豫时间T1常用的脉冲序列是反转恢复(inversion-recovery,IR)脉冲序列和饱和恢复(saturation-recovery,SR)脉冲序列等[6]。

1.3 多指数拟合

食品的核磁共振弛豫测量,无论是横向弛豫,还是纵向弛豫,都可以根据公式(1),用多指数函数来描述。


网站图片公式2 (1)

式中,m、n分别为测量得到的回波个数和弛豫分量个数;gi为测量得到的回波幅度;εi为测量误差。对于纵向弛豫信号,式(1)中,c1=1,c2=-2;T1,2j为第j个弛豫单元的纵向弛豫时间T1j。对于横向弛豫信号,式(1)中,c1=0,c2=1;T1,2j为第j个弛豫单元的横向弛豫时间T2j。

我们所需的反映样品属性的信息是从核磁共振分析仪上采集到的原始核磁共振信息中提取出来的,而提取这些信息的关键是对原始核磁共振信号进行弛豫谱反演。反演的目的就是利用式(1)求解出Pj随T1或T2的变化,得到准确的离散的T1或T2分布数据,从而可得内部质子的弛豫状态,进而分析出质子组分。

2 低分辨核磁共振在食品品质分析中的应用

2.1 在食品水分分析与检测中的应用

水分在食品中的含量、分布和存在状态的差异会直接影响到食品的品质、加工特性和稳定性等[7]。传统的食品水分检测方法采用干燥法、蒸馏法和卡尔·费休法,在检测过程中可能会导致一些蛋白质变化或淀粉糊化等物理或化学变化,破坏了被检样品的完整性以及结构成分,不能直接反映食品中水分的物理状态的真实信息;而一些光技术如红外、近红外分析技术等来测定食品水分,反映的是被检样品中含水量,其应用也有一定的局限性。无损的低分辨核磁共振检测技术,能够有效获取完整的食物水分分布信息[8]。

陈森等[9]利用低场核磁共振技术对樱桃在常温储存条件下内部水分的变化、迁移规律进行了研究,发现樱桃内部水分主要存在自由水、不易流动水、结合水3种状态,自由水含量随储存时间不断减少,一部分蒸发散失到外界,另一部分和大分子结合为结合水与不易流动水,以维持果肉细胞正常的代谢活动;在储存后期,部分自由水向果核迁移,保证核内有足够的水分和活性。苏悟等[10]运用LF-NMR研究不同发酵时间的豆豉制品中水分的变化规律,结果表明豆豉中氢质子大致分为4种相态,随着厌氧发酵的进行结合水与不易流动水存在相互转化的过程,自由水含量也有一定程度减小。利用核磁共振法能够间接反映发酵过程中豆豉风味形成、质构等指标的变化。Foucat等[11]利用LF-NMR研究了三种不同种类的番茄在 -20℃ 果皮水分动态情况。显然,利用LF-NMR测量质子的驰豫时间能够得到食品中水分子的存在状态及代谢相关的重要信息,对于研究食品水分检测具有明显的优势。

乳制品、肉品由于营养价值高,味道鲜美而受到人们的喜爱,而水分的含量、分布和存在状态是直接影响其品质的重要因素。Salomonsen等[12]对乳酸饮料中水的流动性进行了研究,发现弛豫时间T2可以用来表征不同原料组成的酸性乳饮料的产品属性;分布式指数分析T2弛豫,发现该乳酸饮料中包含一个单一组分的水,其T2弛豫时间及分布的差异与果胶浓度和蛋白质类型有关。为解释工业上有关的技术问题,如乳清分离,产品稳定性等提供了新的研究手段和思路。Pearce[13]利用LF-NMR技术研究了猪肉宰前、宰后肌肉中肌原纤维水分的迁移和分布特征,发现肌肉结构直接影响肌肉中水分分布,并发现持水性与肉的嫩度紧密相关。Bertram[14]利用LF-NMR技术对猪肉咀嚼性进行研究,结果发现90日龄的新鲜猪肉咀嚼性较好,这主要是通过肌原纤维外部水分的弛豫时间较长进行判定的,代表肉中的自由移动水较多;而对于煮制肉,与大龄的相比较发现,90日龄猪肉咀嚼性更好,是由更多的结构相似的肌原纤维水分分布导致的。因此,对咀嚼性的评定主要是综合了LF-NMR对水分分布,肌原纤维结构和脂肪测定分析的结果,也充分显示了LF-NMR的多重功能。由此可见,LF-NMR可较为客观、快速、准确的评定食品的质量。

2.2 在食品玻璃化转变温度的应用

测定食品聚合物的玻璃态转变温度Tg是控制食品产品质量和稳定性的关键因素[15]。聚合物在Tg或低于Tg时是处于稳定状态,此时聚合物就不易流动、变形、扩散、碰撞,变得没有活性[16]。如果食品原料在高于其体系的Tg下贮存,就容易变质,产生结块等现象,营养价值和市场价值降低。在正常的贮存条件下,食品中有些位置的Tg远远高于体系的平均Tg,因此在这些位置点很容易发生化学或微生物变化[17]。因此,我们通过测定产品一系列位置的Tg值来预测整个产品的贮藏期。

Ruan等[18]采样NMR研究了葡萄糖当量值分别为5、15和25的无定形麦芽糊精的玻璃化转变,并得到了在Tg时T1、T2与温度的关系曲线。发现T1温度曲线和T2温度曲线都是由两条近似直线的不同斜率的直线部分组成,这两条直线的交点就是相转变点,所对应的温度即为Tg。结果表明,由T2温度曲线测得的Tg比由T1温度曲线测得的Tg更接近实际的Tg,且和差示扫描量热仪所测定的Tg相比,T2-温度曲线测得的Tg值稍高,而由T1-温度曲线测得的Tg值稍低。Pitombo等[19]利用T2与温度的关系,研究新鲜的大西洋马鲛鱼的玻璃化转变温度,结果发现曲线上出现两个转折点:-6.3℃和-22.4℃,这两个温度分别表示冻结自由水和结合水(冰)的融点。Vodovotz等[20]用质子交叉弛豫NMR研究淀粉在发生玻璃化相变时的分子特性,通过光谱中谱峰宽化得知淀粉分子结构发生了相变化。

在2005年ASAE国际年会上,Ruan R R等首次提出了NMR状态图(NMR state diagram)的概念[21]。他们在利用NMR状态图测量食品的玻璃态转变温度和曲线转折点前后曲线斜率KBT/KPT方面已经做了大量的前期工作[22]。所谓NMR状态图,是指聚合物的核磁共振弛豫时间(T1/T2)和温度之间的关系曲线图。NMR状态图曲线将食品的弛豫现象与其理化特性联系起来,且与食品的许多理化特性有着良好的相关性。利用NMR状态图可以获得食品聚合物的玻璃态转变温度,以及在玻璃态转变前后理化特性的变化。林向阳等[23]用粉状食品结块实验论证了NMR状态图的应用意义。他选择具有代表性的聚合物食品,在温度变化(-20~120℃)条件下进行NMR弛豫时间T2与温度T的相关性研究,得到二者曲线关系图,结果发现,斜率KBT、KPT转折点温度Ttran是引起食品结块现象的三个主要因素,且KBT和KPT的值越大,结块的速率也越快。

利用NMR可以测定Tg,在测量精度、非破坏性等方面具有显著的优势。除此之外,NMR状态图还可以通过分析产品的成分,确定产品变化的规律;预测产品的理化性质的变化(质地、黏性、结块等)的趋势,营养成分降解和微生物代谢与食品中水分活度之间的关系。

2.3 在食品掺假鉴别中的应用

近年来,随着肉类、乳制品、蜂蜜饮料和油脂等行业的迅速发展,食品中的掺假现象越来越严重,如在特级初榨橄榄油中加入地沟油[24],在蜂蜜中掺入果葡糖浆[25],以及在猪肉中掺入水和大豆蛋白[26]等,造成严重食品安全问题,损害了消费者的利益。因此,当务之急是需要开发快速简便的食品掺伪检测方法,以便控制食品掺假,更好地维护消费者的权益。姜潮等[27]利用LF-NMR检测人为掺假牛乳样品(掺入水、食盐、尿素、豆浆等)复原乳以及纯牛乳样品,利用主成分分析法(principal component analysis,PCA)分析处理CPMG序列的检测数据,很好地区分出纯牛乳和掺入不同物质的掺假牛乳,对纯牛乳、复原乳及其混合乳也得到有效的辨识,同时各种掺假牛乳样品随掺假物质的掺加比例呈规律性分布,由此可见通过低场核磁共振结合PCA法是一种快速检测与监控牛乳品质的有效分析方法。

核磁共振在食用油品质检测应用较多,但在掺假的方面报道较为少见。国外研究主要集中于使用高分辨核磁共振技术监测橄榄油的掺伪,国内主要用于废弃油脂的掺伪检测。邵小龙等[28]利用低场核磁结合PCA法区分大豆油和3种芝麻油(分别为精炼、冷榨和热榨工艺)样品,然后用偏最小二乘法分析不同掺兑比例的模拟掺假样品数据。结果表明,大豆油和芝麻油样品的特征信号区域在0-900 ms弛豫时间段,低场核磁能够较好地区分芝麻油和大豆油样品;芝麻油中掺入大豆油的最低检测比例为体积分数5%-10%,精炼芝麻油中掺入冷榨或热榨芝麻油的最低检测比例为体积分数10%-20%。王乐等[29]利用LF-NMR分别测定了泔水油、地沟油和3种食用油(菜籽油、花生油、大豆油)在0、10℃下的固体脂肪含量,发现杂油的固体脂肪含量较高,而食用油的固体脂肪含量几乎为0,可以利用这一特性鉴别食用植物油的掺伪现象,食用植物油中只要掺入1%以上的餐饮业废油即可被检测出来;随着废油掺入量的增加,食用油的固体脂肪含量也随之增大,并检测出的固体脂肪含量还可定量测出废油脂的掺入量。赵婷婷等[1]应用PCA法对多种不同品质油脂样品的LF-NMR弛豫特性数据(T21、T22、T23、S21、S22、S23)进行了分析。说明了基于油脂的LF-NMR弛豫特性,结合PCA法可实现对食用油脂种类、煎炸油程度及掺伪猪油的品质区分。由此可见,低场核磁技术可以作为油脂掺假的快速初筛检测方法之一。

现阶段,注水肉检测方法主要有感官检测和理化检测两种方法,感官检测方法虽然可以对肉品进行快速判断,但是准确性较差;理化检测方法虽然可以得到准确的检测结果,但是进行化学实验需要的时间过久,且目前普通检测方法很难鉴别注胶肉。低场核磁技术可快速、准确、实用的检测技术对注水、注胶肉进行检测判别。王胜威等[30]利用LF-NMR对正常羊肉及注水、注胶肉检测,根据样品的T2时间所反映的水分存在状态及分布结果,结合PCA法及逐步线性判别分析对不同类的羊肉样品进行区分辨识。吴艺影等[31]以正常猪肉及注射不同种类胶(黄原胶、卡拉胶、明胶、琼脂)的注胶肉为对象,利用低场核磁共振并结合 PCA 法分析处理的检测数据,根据肉品中的水分存在状态及分布结果,对猪肉进行快速检测;结果正常肉与注胶肉之间、各类注胶肉及不同注胶量之间在主成分得分图上具有很好的区分效果。由此可见,低场核磁共振技术结合主成分分析法可以快速区分正常肉与注水、注胶肉。

2.4 在果蔬品质检测中的应用

在果实中,压伤或腐败的组织会因水浸而产生较强的核磁共振信号,而空穴和发生絮状变质部位则信号减弱或没有信号,因此可以判断出果实的损伤及变质情况[32]。低分辨核磁共振技术能显示果实内部组织的高清晰图像,可用于检测果蔬的内部瘀伤,是否有籽粒[33]、组织崩溃、热/冷害、虫害或微生物腐烂及储藏软化过程等[34]。Defraeye等[35]利用NMR技术来检测苹果,结果发现不新鲜的苹果的质子密度较大且T2较短,且从NMR图像中发现,果实褐变的部分比正常部分要暗淡。Chayaprasert等[36]运用MR传感器和转化系统在线检测苹果内部褐变,检测速度可到100mm·s-1。张建锋等[37]将核磁共振成像技术与人工神经网络理论相结合,对香梨内部褐变进行了检测发现遗传算法优化后的BP神经网络模型具有很好的预测精度和泛化能力,可以实现香梨内部褐变的无损检测。Hernandez等[38]在线测定了桔子内的种子和冻伤,通过对轴向图像分析,可以以50和100mm·s-1的速度监测橙果实是否含种子及种子数量。Hills等[39]通过改进装置使测试成本降低,并且简化样品处理过程,提供了开放式样品放置方式,方便了操作,并使NMR/MRI技术与其他技术如阻抗分析、激光扫描等联合应用成为可能。

水果在生长成熟过程中,其内部的水分含量与状态,可溶性碳水化合物含量等都会相应变化。通过对这些成分的测定,即可预知水果的成熟度。Liu Huai feng等[40]根据碳和水之间的传输建立的3D网格模型,可以用来对西红柿生产过程中的成分如含糖量进行定量分析。熊婷等[41]采用低场核磁共振分析测试技术研究糖溶液的T2特性,利用CPMG序列采集糖溶液的核磁共振回波信号,以多重指数衰减模型对采集的信号数据进行分析,探讨糖溶液中含糖量的多少与T2的相关性,采用加权几何平均法计算不同浓度糖溶液的自旋-自旋弛豫时间。实验表明,通过建立水果含糖量与其T2的关系模型,可以对未知含糖量的水果进行糖度预测,进而评价水果的成熟度。

由于低分辨核磁共振技术具有无损检测的特点,并且也不会对样品造成任何的辐射伤害,所以它可以对水果或蔬菜等农产品在贮藏期间做长期的检测和观察,为果蔬采摘后的生理和贮藏条件的研究提供了一种理想的方法。张锦胜等[42]采用低场核磁共振技术研究脐橙储藏过程中水分的变化以及水分的迁移行为,结合理化分析,探讨脐橙储藏过程中磁共振参数与脐橙品质变化的相关性。结果显示:脐橙的在后成熟期、稳定期和腐烂期,T21(单分子层结合水的自旋-自旋弛豫时间)的分量变化呈现一个上升-稳定-急速下降的过程。在脐橙腐烂之前都出现了一个T21急剧下降的过程。由此,可以显然采用此方法对脐橙的商品价值作评估,在T21出现快速下降之前,将商品降价出售或尽早食用,可以减少损失。

3 展望

核磁共振技术在食品科学领域如肉品结构、食品结构、油脂含量、食品水分等方面的分析技术与方法不断成熟与完善。低分辨核磁共振技术在食品品质安全领域的研究还处于初始检测阶段但是一种非常有潜力并具有优势的快速检测技术,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。随着对食品品质安全监管力度的不断加强,会吸引越来越多的科研工作者开发更多技术与方法应用于这个领域,为食品品质安全检测提供技术支撑与监管力度。

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  (来源:《现代科学仪器》期刊

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