核磁共振技术及其应用.docx

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核磁共振技术及其应用

核磁共振技术及其在食品分析检测中的应用

TheTechnologyofNuclearMagneticResonanceandItsApplicationinfoodanalysisanddetection

摘要

核磁共振分析技术是利用物理原理,通过对核磁共振谱线特征参数的测定来分析物质的分子结构与性质.它不破坏被测样品的内部结构,是一种无损检测方法.本文重点介绍了核磁共振技术的原理及其在食品中的水分、油脂、玻璃态转变、碳水化合物、蛋白质及品质鉴定等方面的研究进展。

关键词：

核磁共振技术；应用；食品；分析；检测。

Abstract

Thetechnologyofnuclearmagneticresonanceanalysiscanbeusedtodeterminethestructureandthenatureofmoleculesanditisanondestructivetest.Thisarticleintroducesbrieflyitsprinciplesanditsapplicationinfooddetectionwassummarizedintheaspectofmoisture,oil,glasstransition,carbohydrate,proteinandqualitydetection.

Keywords:

technologyofthenuclearmagneticresonance;application;food;analysis;detection.

目录

摘要I

AbstractII

第一章概述1

第二章核磁共振技术2

2.1核磁共振的基本原理2

2.2核磁共振技术的实验装置3

第三章核磁共振技术在在食品分析检测中的应用4

3.1NMR技术在水分分析中的应用4

3.2NMR技术在油脂分析中的应用5

3.3NMR技术在玻璃态转变研究中的应用6

3.4NMR技术在碳水化合物分析中的应用6

3.4.1NMR技术在糖类分析中的应用6

3.4.2NMR技术在淀粉分析中的应用7

3.5NMR技术在蛋白质分析中的应用7

3.6NMR技术在食品品质鉴定中的应用7

第四章小结9

参考文献10

第一章概述

核磁共振（nuclearmagneticresonance,NMR）是基于原子核磁性的一种波谱技术，是一种鉴定有机化合物结构和研究化学动力学等的现代仪器分析方法。

它的最基本原理是，原子核在磁场中受到磁化，自旋角动量发生进动，当外加能量（射频场）与原子核震动频率相同时，原子核吸收能量发生能级跃迁，产生共振吸收信号[1]。

它由荷兰物理学家Goveter首先发现，而美国物理学家Purcell和Bloch各自领导的科研组几乎同时独立观察到一般状态下物质的核磁共振现象，并因此获得1952年诺贝尔物理学奖[2]。

NMR技术于70年代初期开始在食品科学领域发挥其优势，相比于其他传统的检测方法，核磁共振法能够保持样品的完整性，是一种非破坏性的检测手段；操作方法简单快速，测量精确，重复性高；样品无需添加溶剂，定量测定无需标样；测量结果受材料样本大小与外观色泽的影响较小，且不受操作员的技术和判断所影响，因此，核磁共振技术在食品科学研究中越来越受青睐。

最初主要应用于研究水在食品中的状态[3]，随着该技术的不断更新，在油脂、蛋白质结构、玻璃化相变、碳水化合物等方面的分析研究中也得到了越来越广泛的应用。

核磁共振技术主要有两个学科分支：

核磁共振波谱（NuclearMagneticResonanceSpectroscopy）和磁共振成像（MagneticResonanceImaging,简称MRI）。

核磁共振波谱技术是基于化学位移理论发展起来的，主要用于测定物质的化学成分和分子结构[4]。

核磁共振成像技术诞生于1973年，它是一种无损测量技术，可以用于获取多种物质的内部结构图像。

第二章核磁共振技术

2.1核磁共振的基本原理

原子核磁性的大小一般用磁矩μ表示，μ具有方向性，μ=νhI，h是普朗克常数,I为自旋量子数，简称自旋。

旋磁比ν实际上是原子核磁性大小的度量，ν值大表示原子核的磁性强，反之亦然。

在天然同位素中，以氢原子核（质子）的ν值最大（42.6MHz/T），因此检测灵敏度最高，这也是质子首先被选择为NMR研究对象的重要原因之一。

当把有磁矩的核（I≠0）置于某磁场中，该原子核在磁场的行为就好似陀螺的运动——拉莫尔进动，其频率由下式决定：

ω=2пν，式中ω为角频率，ν为拉莫尔进动频率。

当外加射频场的频率与原子核的拉莫尔频率相等时，处于低能态的核便吸收射频能，从低能态跃迁到高能态——即生核磁共振现象。

没有自旋的原子核（I=0）没有磁矩，这类核观察不到NMR信号，如12C，16O，32S等，I=1/2的原子核是NMR中研究得最多的核，如：

1H，13C，19F，15N，29Si，31P等。

某些元素I的取值如表2-1所示。

表2-1某些元素的I取值及I与质量数、原子序数的关系

质量数

原子序数（质子数）

中子数

I取值

例举

偶数

偶数

（偶数）

0

偶数

奇数

（偶数）

正整数

奇数

偶或奇

（奇或偶）

半整数

2.2核磁共振技术的实验装置

实现核磁共振可采取两种途径：

一种是保持外磁场不变，而连续地改变入射电磁波频；另一种是用一定频率的电磁波照射，而调节磁场的强弱。

图2.1为核磁共振现象的装置示意图，采用调节入射电磁波频率的方法来达到核磁共振。

样品装在小瓶中，并置于磁铁两极之间，瓶外绕有线圈，通有由射频振荡器输出的射频电流。

于是，由线圈向样品发射电磁波。

调制振荡器的作用是使射频电磁波的频率在样品共振频率附近连续变化，当频率正好与核磁共振频率吻合时，射频振荡器的输出就会出现一个吸收峰。

这可以在示波器上显示出来。

同时由频率计即刻读出这时的共振频率值。

核磁共振谱仪是专门用于观测核磁共振的仪器，主要由磁铁、探头和谱仪三大部分组成。

磁铁的功用是产生一个恒定的磁场；探头置于磁极之间，用于探测核磁共振信号；谱仪是将共振信号放大处理并显示和记录下来。

随着核磁共振技术的发展，已研制出各种类型的核磁共振仪。

图2.1核磁共振实验装置示意图

第三章核磁共振技术在在食品分析检测中的应用

3.1NMR技术在水分分析中的应用

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。

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。

而NMR技术则能通过测定氢原子核在磁场中的纵向弛豫时间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[5]，当水和底物紧密结合时，T2会降低；而游离水流动性好时则有较大的T2。

Bertam等人[6]运用低脉冲场NMR对PSE肉和DFD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。

另外，实验发现蛋白质的变性及结构变化与肉中水分活度的变化有密切关系，PSE肉比DFD肉更容易在冷冻条件下由于肉结构变化引起的水分迁移而变质。

李资玲等人[7]利用核磁共振测定三种不同配方面包在制作过程（和面、发酵、醒发和焙烤）中质子的自旋!

自旋弛豫时（T2）。

实验表明，在面包制作过程中，其束缚相和自由相的迁移行为不同，T21部分即“束缚水”部分流动性一直呈下降趋势，其含量在前三个阶段稍有上升，焙烤阶段开始下降且趋势非常明显；T22部分即“自由水”部分的流动性在前三个阶段呈下降趋势，在焙烤阶段回升，其含量一下呈上升状态。

Lucas等人[8]则利用MRI测定了面包在预冻和冷冻过程中水分含量（包括冰含量）的变化情况，发现在冰冻状态下也可利用NMR来区分水分的不同结合状态，结果表明在冻结过程中局部冰含量成比例的减少。

Kuo等人[9]将两种分别用生面团和熟面团制成的干酪在常温状态下贮藏10d，用NMR测出熟面团干酪的水分活度小于生面团干酪。

且在贮藏过程中T2和T1值的增加，说明水分活度增加，持水力下降，该现象被认为是蛋白质基质转变的结果。

3.2NMR技术在油脂分析中的应用

脂肪分析时，NMR法是取代油脂质量控制实验室中采用固体脂肪指数（SFI）分析方法唯一可行的、有潜在用途的仪器分析方法[10]，并且已经形成了国际标准[11]。

目前国内在这方面的研究主要还集中在油料种子含油量的测定方面，而在国外的应用得则较为广泛。

晶态脂肪的特性取决于SFC值及其分形结构，Mazzanti等人[12]将微粘细胞在剪切流作用下发展为结晶态脂肪，用NMR测其油中的硬脂酸甘油脂，通过FID值与标准参数校准后可直接测出其SFC值。

传统方法测定焦糖中的油含量时必须将样品预先干燥，不能满足需要同时测定其中油水含量的焦糖生产工艺，Rudi等人[13]利用时域NMR技术对样品进行复合弛豫分析，在同一时间测定纵向和横向弛豫时间T1和T2，使得生产过程中的油水含量可同时被测定。

Vanlent等人[14]利用NMR和共焦激光扫描显微镜检测法（CSLM）测定6种不同工艺制作的黄油中的小水滴尺寸及分布，用以确定其中微生物稳定性和感官品质，结果发现，在所测量的样品中，各种工艺所制的黄油表现出了明显的不同。

Kiokias等人[15]则用静光散射和NMR测量经过加热、酸化和固蛋白处理的水包油乳化体系中液滴尺寸，结果表明，除脂肪含量较低的乳剂外，两种方法都能对乳剂中的液态油进行测量，适用于多种乳制品。

脂肪在乳中以脂肪球的形式存在，在一定温度下会发生结晶。

Bertram等人[16]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17~22℃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。

Santana等人[17]则用DSC和NMR分析了6种脂肪样品在超临界液体溶剂中的氢化作用下的解链行为，同时测定SFC值。

结果发现，以二甲醚为反应溶剂、0.5％Pd/Al2O3催化剂的氢化产品的热变性曲线要好于以丙烷为反应溶剂、Pd/C为催化剂的产品反应曲线。

另外，超临界条件比常规条件下的氢化作用对解链的影响更大。

此外，运用NMR技术还可以测定油脂中脂肪酸对质子吸收的变化，从而确定油脂的氧化稳定性，如在Udagawa文中就已报道过用NMR技术来测定鱼肉的氧化稳定性[18]。

3.3NMR技术在玻璃态转变研究中的应用

聚合物由玻璃态转变为橡胶态时，含有质子基团的运动频率增加，质子活动性也随之改变，这些变化可由NMR所测的弛豫时间T1和T2来衡量。

当聚合物（麦芽糖糊精、面包、脆点心）通过玻璃化转变温度时T2和T1都发生明显的改变，通过使用双曲线回归模型可以很容易地确定T2和T1发生显著变化的温度点，该转折点所对应的温度即玻璃化转变温度"Tg"[19]。

研究证明，在测量精度、对样品的破坏性等方面，NMR技术比常用的测量Tg的方法（包括差示扫描量热法DSC，热机械法TMA和动态热机械法DTMA）具有更大的优势，因为玻璃态相变过程中涉及到分子的自旋、振动等行为，而核磁共振技术在检测和控制分子运动性这方面具有明显的优势[20]。

Pitombo等人[21]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。

3.4NMR技术在碳水化合物分析中的应用

3.4.1NMR技术在糖类分析中的应用

NMR技术对糖类的研究主要集中在结构解析方面，包括糖残基数目、组成单糖种类、端基构型、糖基连接方式和序列以及取代基团的连接位置等都能推测出来[22]。

传统的化学分析方法对简单糖的结构还能解吸，但对复杂糖类的结构尤其是糖基之间的连接顺序则缺乏确凿证据。

随着技术的进步，NMR加入了很多新技术和新方法，使其应用更为广泛。

Korir等人[23]将CE与配置微线圈探针的NMR相连，采用2DNMR测定并解析了微克级肝素寡糖的结构，他们分别将已知结构的肝素寡糖30μg和经肝素酶降解后分离纯化的肝素寡糖溶于D2O中，通过CE进样，先后测定其COSY，TOCSY和ROESY谱，据此可以解析肝素寡糖的结构，而如此微量的样品是不能用传统NMR测定其结构的。

3.4.2NMR技术在淀粉分析中的应用

NMR技术已经在研究淀粉的颗粒结构、糊化凝沉的特性和动力学、分子迁移、变性淀粉取代度测定等方面得到广泛的应用[24]。

NMR可利用不同化学取代基团的特征波峰来测定变性淀粉的取代度。

Matti等人[25]采用1HNMR通过计算乙酰基团上甲基质子的信号和a-D-葡萄糖聚合体上质子的信号（除葡萄糖上面羟基的质子信号）对DS进行定量测定，不仅能够测定DS，且能够很好地表征淀粉经过醋酸酐改性后的结构变化。

另外，根据文献[26]报道，利用质子NMR测定变性淀粉中羟丙基的含量已经成了一种国际标准。

3.5NMR技术在蛋白质分析中的应用

NMR技术是能够在原子分辨率下测定溶液中生物大分子三维结构的唯一方法[27]，在研究蛋白质和氨基酸的结构、动力学以及蛋白质相互作用等方面发挥着重要作用。

Loveday等人[28]在20℃下研究模型蛋白棒在50d的贮藏过程中的理化改变。

NMR测定结果显示，贮藏开始的17h后，蛋白质颗粒开始聚集，可溶性蛋白开始沉淀；多羟基混合物的分子活性在贮藏初始5d急剧下降，且随着葡萄糖的结晶作用而发生改变。

发现在蛋白质硬化过程中化学变化所起作用很小，主要受水分迁移所引发的微观结构改变和分子活性变化的影响。

在乳清蛋白水溶液中非平衡水质子磁化的横向弛豫是呈指数关系的，质子的弛豫常数的不同与蛋白的伸展变性相关。

利用这一原理Joachim等人[29]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。

3.6NMR技术在食品品质鉴定中的应用

目前，在化学、生物学、食品科学等领域NMR技术已经成为有机和无机化合物的分子结构鉴定和研究的一种重要工具；同时，在定量分析中也起到了重要的作用，因此，依据不同食品的某些特定参考标准，NMR技术在食品品质鉴定方面也得到了有效应用，包括鉴别果蔬和谷物在生长过程中及采摘后的内部品质、成熟度、内部缺陷等，以及肉类、酒类、油脂类食品的原产地和品质优劣等。

王乐等人[30]用NMR分别测定了地沟油、泔水油和三种食用油（花生油、菜籽油和大豆油）在10℃和0℃下的SFC值，发现杂油的SFC值很高而食用油的SFC值几乎为0，可利用这一特性鉴别食用植物油的掺伪现象，结果发现，食用植物油中只要掺伪了餐饮业废油脂在1％以上即可被检测出，随着掺入量的增加食用油的SFC值也随之增大，即测出SFC值还可定量测出废油脂的掺入量。

第四章小结

NMR技术在食品分析中的应用远不止本文中所列举的，包括在食品污染物的分析和农药残留、肉中同化剂的作用、氨基酸的测定、食品中的PH及氧化还原反应以及乳制品中微生物的测定等方面的研究都开始迅速发展。

但是，NMR技术也存在仪器造价昂贵和讯号分析具有专门性与复杂性等缺点，且在实际应用中也还存在一些问题，有待于进一步深入研究，这些都限制了此种仪器在食品领域中的普及和新仪器的开发。

因此，在今后的相关研究中，应该集中解决这些限制条件，进一步完善NMR技术，不断开发仪器新功能，并进一步降低成本，NMR技术将在食品分析检测研究中得到更为广泛的应用和发展。

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