核磁共振技术在果蔬中的应用

核磁共振技术在果蔬中的应用姓名：吴玲玲学号：6140111062导师：张慜核磁共振技术(NMR，NuclearMagneticResonance)主要有2个学科分支：磁共振成像(MRI，MagneticResonanceImaging)和磁共振波谱分析(MRS，MagneticResonanceSpectroscopy)。MRI基本原理是将果蔬物料置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发物料内具有自旋特性的氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量，在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号(即磁共振信号)，并将吸收的能量释放出来，被物料外的接受器收录，经电子计算机处理获得图像。MRS是将磁共振信号，经傅立叶公式转换成频率(波谱)作为定量和定性检测的分析方法，MRS在高均匀性的强磁场中，利用化学位移对应的频谱分析，能揭示物料内生理、生化的情况。1研究检测果蔬中的内部水分新鲜果品蔬菜中的水分含量一般为70%～90%，其余为干物质，高水分的环境与物料的腐败存在着重要关系。传统的研究水分的方法，无法对水分的流动性以及在物料中的分布状态进行检测，而核磁共振及其成像技术是一种有效的研究分析扩散的方法，可用于食品体系中的水、脂肪或糖等分子的研究，这些分子在各类食品中又往往携带了重要的信息：结构信息，分子所处环境信息以及在加工、贮藏中内部变化的信息等。所以NMR在测量物料内部水分中具有突出的优势。1.1物料内部水分含量的检测MRS主要用于测定物质的化学成分和分子结构，核磁共振谱峰的面积正比于相应的质子数，这不仅应用于结构分析中，同样用于定量分析。水质子的弛豫行为与碳水化合物、油脂或蛋白质分子中的质子弛豫行为不尽相同。T2弛豫技术常被用来检测物料中的质子强度。可以发现在大部分物料中，水、碳水化合物或蛋白质的质子常常具有不同的T2，因此，可以通过水质子与碳水化合物及蛋白质中质子T2的差别来对其进行检测。用核磁共振定量分析最大的优点就是不需要引进任何校正因子绘制工作曲线，核磁共振可以用于多组分混合物的分析、元素的分析、有机物中活泼氢及重氢试剂的分析。干燥物料中结构复杂，通过MRS分析可以得出物料内部水分的不同存在状态以及在干燥过程中水分的移动。由于MRS谱信号对分子可流动性非常敏感可用来进行食品结构的微动力学研究，MRS可以得到充分详实的实验数据，从而有针对的找到提高食品质量的途径和方法。因此，MRS可以快速准确作干燥过程中物料内部水分的定量测量以及不同水分的定量测量。1.2物料内部水分状态和流动性的检测食品原料和产品在加工、储藏和运输等过程中，其内部的水分含量和分布状态经常会发生改变，这也是导致原料稳定性下降、产品品质降低的主要原因之一。如果能够采取恰当的方法控制食品中的水分移动，对提高产品的稳定性，预测产品的货架期将提供有力的保证。但是，大部分食品和生物体系都属于非均相体系，利用传统的方法虽可测量出它们的平均含水量，但并不能反应样品中水分的空间分布信息。利用MRI技术从食品的切层图像上可以直观的看到水分的分布状态，通过这些动态信息的改进，可开发出新的数学模型，对改善食品的加工条件，提高食品产品的品质等具有重要的意义。在这方面，已有学者做了大量的研究工作，包括对大豆在储藏期间种皮破裂的研究，对稻米在煮熟过程中硬度和水的迁移率的变化对其保质期影响的研究，对两种不同的大麦种子在侵泡过程中吸水形式的研究，以及对储藏期面包水分的移动性的研究等等，这些研究为进一步利用NMR技术研究食品特性提供了宝贵的信息。食品在加工和储藏的过程中，加热和冷冻是两个经常用到的手段。在这期间，经常导致食品中水分的分布状态发生改变。因此，利用核磁共振技术研究食品在加工和储藏过程中热传和质传，构建其数学模型是磁共振技术应用在食品工业的又一大优势。此外，利用MRI技术在研究食品某个加工工艺(如冷却、干燥、浸泡等)时，可以实现实时在线、非破坏性和无侵入地检测食品中水分的流动性，从而在保证食品品质的情况下很好地改进和控制这个工艺。1.3物料内部水分分布的检测MRI是一种无损测量技术，成像速度快，可以用于获取多种物质的内部结构图像，可通过核磁共振成像原理来直观地反映物料在加工过程中内部水分的变化情况。MRI是一种多参数成像，现在的低磁场MRI在水质子成像时一般只作三参数成像，即自旋质子密度ρ成像、纵向驰豫时间T1－加权ρ成像、横向驰豫时间成像T2－加权ρ成像。而且MRI可以对物料任意层面(横断面、矢状面、冠状面)或任意斜面直接成像，并可以实现三维成像，为物料内部水分的梯度分布的直观观察提供了可能。2研究检测果蔬的品质果蔬中只要有新陈代谢发生的地方就有游离水存在。游离水具有很大的流动性，一般来说，水果在逐渐成熟的过程中，新陈代谢的速度加快，游离水分会增加，有些水果的香精油的含量也会增加，体现在质子密度图像上的结果是图像变亮，果实的横向弛豫时间T2值增大。核磁共振技术因为具有非侵入、无破坏性、提供高分辨率的空间信息等特点而成为监控果蔬品质，分析果蔬组织结构中水分的有效工具。利用MRI检测果蔬在储藏过程中水分的分布及其质子的流动性，观测果蔬各个组织结构之间的变化，能够判断果蔬的成熟度，以及损伤程度和腐烂程度提供很直观的理论依据。2.1水果内部品质及成熟度的检测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。有实验表明，单一脉冲频谱分析可用于分析水果内部品质，如成熟度、可溶性糖含量等，并适合快速地在线检测。如果水果的品质或成熟度仅用单一的共振峰值来评价，或仅与一峰值的高低有关，则样品摆放的位置需要比较准确，而且峰值的大小也应比较准确；但有些水果的共振谱会因化学位移产生两个峰，且其品质或成熟度与峰值的比值有关。但即使峰值大小不是很准确，只要两峰值的比值准确，同样可据此对水果进行分级。2.2水果内部缺陷及损伤的检测在水果中，碰伤或腐败的组织会因水浸而产生较强的NMR信号，而空穴和发生絮状变质部位则信号减弱或没有信号，据此可以将发生不同变质的水果鉴别出来。有学者对猕猴桃的冷害进行了NMR成像的研究，结果表明，经冰冻—解冻过的果实的弛豫时间T2比新鲜的果实明显缩短，因此可以通过NMR成像的方法对猕猴桃进行在线分级，将受损的果实从中挑选出来。影响水果品质的很多缺陷都可以用NMR技术来检测，不仅包括以上所提及的，而且还可以检测水果中是否有害虫侵入、是否含有果籽和果梗等，从而还可以在食品加工中对水果原料的加工处理做相应的检测和控制。2.3果蔬贮藏的研究由于NMR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。还有国外曾报导，被病菌侵染的水果组织会有与正常水果明显不同的核磁共振性质，应用NMR技术不但可以用于检测，还可观察果实在被病菌侵染之后的变化过程。