核磁共振技术及其在食品分析检测中的应用The Technology of Nuclear Magnetic Resonance and Its Application in food analysis and detection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。
AbstractThe technology of nuclear magnetic resonance analysis can be used to determine the structure and the nature of molecules and it is a nondestructive test. This article introduces briefly its principles and its application in food detection was summarized in the aspect of moisture, oil, glass transition, carbohydrate, protein and quality detection.Keywords: technology of the nuclear magnetic resonance; application; food;analysis;detection.目录摘要 (I)Abstract (II)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（nuclear magnetic resonance,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(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy)和磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, 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(42.6 MHz/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。