李 彥,劉 青,蹇華麗，楊幼慧

(1.華南農(nóng)業(yè)大學食品學院，廣東 廣州 510642；2.廣東檢驗檢疫技術中心食品實驗室,廣東 廣州 510623)

核磁共振是指在外磁場中物質(zhì)原子核自旋磁矩與磁場相互作用產(chǎn)生原子能級精細結(jié)構，(射頻)光子在滿足選擇定則(能量守恒和角動量守恒)的條件下可被共振吸收。物質(zhì)中不同原子所處的內(nèi)部局域場存在差異，處在同一外磁場中不同類型原子核產(chǎn)生共振吸收所需的光子能量(頻率)也不相同，從而形成核磁共振波譜(頻域譜)，它反映了物質(zhì)原子的化學位移。事實上，發(fā)生磁共振吸收之后，由于物質(zhì)內(nèi)部的相互作用而致使被激發(fā)至激發(fā)態(tài)的核子經(jīng)過一定時間之后將回到原來的基態(tài)，即它們處在激發(fā)態(tài)具有壽命，或稱之為核磁共振弛豫時間。原理上又可分為縱向弛豫時間T1和橫向弛豫時間T2，前者描述核子自旋—晶格相互作用，而后者則反映核子自旋—自旋之間的作用。物質(zhì)中不同類型原子核的相互作用不同，它們處在激發(fā)態(tài)的壽命也不相等，由此可獲得物質(zhì)的核磁共振弛豫譜(時域譜)。共振弛豫時間是物質(zhì)本征參數(shù)，與外磁場強度無關。

低場核磁共振弛豫(包括磁共振成像)技術是當前食品研究的熱門課題[1-11]。特別是，利用1H-核磁共振可以有效地測量食品中水分[12-14]、油脂和酒精等組分的技術優(yōu)勢[15-17]，可以實現(xiàn)無損、無侵入式實時監(jiān)測食品加工、運輸、貯藏和貨架期。本文以葡萄酒為研究對象，探討核磁共振弛豫技術的食品(主要)組分檢測分析方法。雖然葡萄酒成分復雜，但其主要組分是水和酒精，水中O-H基和乙醇中C-H基是產(chǎn)生1H-核磁共振吸收的物理基礎，由于各自的內(nèi)部相互作用不同，它們所產(chǎn)生的共振吸收頻率及對應的弛豫時間(壽命)都不相同。本文僅研究葡萄酒中水和酒精的核磁共振時域譜，并通過改變兩者體積濃度配比確定弛豫譜的歸屬問題，為后續(xù)葡萄酒質(zhì)量檢測分析提供理論依據(jù)。

1 原理與方法

圖1說明了核磁共振波譜(頻域譜)方法與核磁共振弛豫譜(時域譜)分析的原理差異。假設材料中有兩種不同原子，由于內(nèi)部局域場差異在同一(較強)外磁場中產(chǎn)生可觀測的不等精細能級間隔，從而獲得兩個不同頻率的共振吸收波譜，如圖1(a)所示。圖中，為方便選擇，兩種原子基態(tài)為同一參考點E0，而E1和E2分別代表各自的激發(fā)態(tài)能級。當外磁場較弱時，E1和E2的差異縮小而無法分辨(用E標示)，但是由原子本征性質(zhì)所決定的壽命差異依然可測，由此可得兩個不同弛豫時間的時域譜，如圖1(b)所示。對于多組分，可用離散譜通式

/τi)

(1)

式中，i標示物質(zhì)中組分，Ai代表核磁共振信號強度且與該組分所含共振吸收的粒子數(shù)成正比；τi為對應組分的弛豫時間。通常，核磁共振縱向弛豫時間和橫向弛豫時間分別用T1和T2表示。利用CPMG (Carr-Purcell-Meiboom-Gill)方法和反轉(zhuǎn)—恢復技術測量橫向弛豫和縱向弛豫過程時，弛豫信號可分別表示為

/T2i)

(2)

事實上，當存在多于兩個或三個指數(shù)成分，或者是當任意兩種組分很相似時，這種方法就不準確了。此時用連續(xù)譜描述更合適，且采用迭代法進行解譜[18]。

圖1 核磁共振波譜與核磁共振弛豫譜差異

本實驗采用上海紐邁科技有限公司生產(chǎn)的型號MicroMR-18核磁共振成像儀測量樣品的核磁共振弛豫譜。實驗主磁場約0.51 T，樣品室溫度(32.00±0.01)℃。采用CPMG方法測量橫向弛豫，實驗參數(shù)：采樣率50 kHz，重復采樣次數(shù)6，脈沖間隔1 000 μs，回波個數(shù)4 000，重復采樣時間間隔5 s。采用反轉(zhuǎn)—恢復技術測量縱向弛豫，實驗參數(shù)：采樣率50 kHz，重復采樣次數(shù)4，最長恢復時間20 s，恢復時間按指數(shù)遞增實施重復測量次數(shù)50。每次重復采樣都通過設備自動測量自由感應衰減信號(FID)以調(diào)節(jié)樣品的共振中心頻率，從而消除磁場強度漂移所引起實驗系統(tǒng)誤差。選用核磁共振成像儀配套的反演軟件進行連續(xù)譜迭代分析，橫向弛豫和縱向弛豫采用相同的迭代次數(shù)1 000 000。同時，也使用Origin進行離散譜擬合分析。

隨機選擇市售的長城干紅葡萄酒(φ=12%和φ=12.5%)、錦繡莊園干紅葡萄酒(φ=12%)、嘉伯納干紅葡萄酒(φ=12%)、寶龍赤霞珠干紅葡萄酒(φ=11.5%)等5個樣品，使用去離子水和95%食用酒精配制不同酒精含量的實驗樣品各100 mL。倒入250 mL三角瓶，經(jīng)振蕩器混合約15 s。每種樣品取6份，每份約2.5 mL注入外徑15 mm平底玻璃試管。其中，5份用于橫向弛豫測量，并將實驗結(jié)果平均獲得最終橫向弛豫曲線，從而消除取樣和測量偏差；另1份用于縱向弛豫測量。上述樣品的配制操作都在濕度約50%和室溫25 ℃環(huán)境中進行。

2 結(jié)果及分析

圖2為長城干紅葡萄酒(φ=12%)的平均橫向弛豫和縱向弛豫曲線。圖3、圖4為圖2數(shù)據(jù)通過反演軟件進行連續(xù)譜迭代分析所得的共振弛豫譜，它們分別為葡萄酒橫向弛豫時間T2譜和縱向弛豫時間T1譜，圖中橫坐標為弛豫時間而縱坐標為核磁共振信號強度，T2譜或T1譜峰面積代表了對應組分共振吸收信號的總強度。

圖2 長城干紅葡萄酒(φ=12%)的弛豫曲線

圖3 長城干紅葡萄酒(φ=12%)的T2譜

圖4 長城干紅葡萄酒(φ=12%)的T1譜

由圖3、圖4可見，長城干紅葡萄酒(φ=12%)的譜和譜都有2個弛豫峰，它們的弛豫時間差異明顯。由于1H-核磁共振信號由物質(zhì)中的H(質(zhì)子)產(chǎn)生，顯然這2個信號來源于葡萄酒中含有-H基分子的貢獻。盡管葡萄酒中多種物質(zhì)都含有H，但是其主要組分是水和酒精，而且水中O-H基和乙醇中C-H基都具備產(chǎn)生1H-核磁共振吸收信號的物理基礎。

通過添加95%食用酒精或去離子水改變葡萄酒的酒精體積濃度，并采用相同的實驗測量參數(shù)和數(shù)據(jù)處理方法對所有實驗結(jié)果進行分析，結(jié)果表明，當添加95%食用酒精提高葡萄酒的酒精體積濃度時，第二峰(圖3中用T22標示)面積隨之增加；而添加去離子水降低葡萄酒的酒精體積濃度時，第一峰(圖3中用T21標示)面積隨之增大。采用離散譜擬合方法和連續(xù)譜迭代方法對T2譜分析結(jié)果存在微小差異，但是兩者都得到相似結(jié)果：T2譜包含兩種組分；弛豫時間較短的分量隨酒精體積濃度線性遞減，而弛豫時間較長的分量則反之。圖5顯示了采用連續(xù)迭代方法對不同配比的實驗數(shù)據(jù)分析所得譜峰面積隨酒精體積濃度變化關系，表明T22譜峰面積與酒精體積濃度呈線性遞增。圖6顯示T21譜峰面積隨葡萄酒中水含量增加而增加，表明T21譜峰面積與酒精體積濃度呈線性遞減。由此可見，T21和T22譜峰分別對應葡萄酒中水中O-H基和乙醇中C-H基所產(chǎn)生1H-核磁共振吸收的橫向弛豫信號。

圖5 酒精度與譜第2峰面積占比關系

圖6 酒精度與譜第1峰面積占比關系

盡管圖4顯示由連續(xù)譜迭代方法所獲得的葡萄酒譜也存在2個峰T11和T12，但是Origin離散譜擬合結(jié)果卻只有一個指數(shù)衰減分量。產(chǎn)生這一矛盾結(jié)果的主要原因是：①反轉(zhuǎn)—恢復技術難于準確測量短弛豫時間的信號幅值；②單次實驗需時15～20 min，測量時間較長導致部分酒精揮發(fā)影響測量的準確性；③實驗數(shù)據(jù)較少，不能完整記錄多組分物質(zhì)核磁共振弛豫的真實過程。由于T1譜峰面積與葡萄酒的酒精體積濃度不存在顯式關系，從而可以認為核磁共振弛豫T1譜不適用于檢測葡萄酒中水和酒精含量。

上述分析中使用了樣品的標示酒精度，并以此為酒精體積濃度的計算依據(jù)。理論分析可知，即使樣品的實際酒精度與標示值可能不一致，但是圖5和6中實驗結(jié)果的線性關系依然存在，從而說明上述T21和T22譜峰的歸屬是正確且具有普適性。其它4個樣品的實驗結(jié)果相似。

3 結(jié) 論

強磁場核磁共振波譜方法可以更豐富地獲得物質(zhì)中分子信息[19-21]，但是低場核磁共振弛豫譜卻可以有選擇地關注主要組分的物理性質(zhì)。葡萄酒中水O-H基和乙醇C-H基是產(chǎn)生1H-核磁共振吸收的物理基礎，而原子相互作用差異導致兩者的共振吸收弛豫時間(壽命)不同，實驗采用CPMG方法和反轉(zhuǎn)—恢復技術分別得到葡萄酒核磁共振橫向弛豫譜和縱向弛豫譜(即，T2譜和T1譜)。通過添加去離子水或95%食用酒精配制不同酒精含量的一系列樣品，由譜峰面積占比隨酒精體積濃度變化關系確定弛豫譜峰的歸屬：譜中弛豫時間較短的譜峰來源于葡萄酒中水的貢獻，而另一譜峰則反映了酒精的含量。由于連續(xù)譜迭代方法與離散譜擬合分析結(jié)果不吻合，T1譜不適用于檢測葡萄酒中水和酒精含量。由于隨機抽樣的實驗結(jié)果相似，說明核磁共振T2譜技術對葡萄酒組分分析具有普適性。利用T22譜峰面積占比與酒精體積濃度的線性關系，可建立基于T2譜的葡萄酒酒精度測量技術，同時實現(xiàn)無損、無侵入式實時監(jiān)測葡萄酒運輸和貯藏過程的品質(zhì)變化并預測貨架期。

參考文獻：

[1]范崇東,范明輝,盛劍俊.NMR對水分的研究及其在食品科學中的應用[J].食品工業(yè)科技，2003,24: 98-100.

[2]周 凝，劉寶林，王 欣.核磁共振技術在食品分析檢測中的應用[J].食品工業(yè)科技， 2011,32: 325-329.

[3]吳 燁，許 柯，徐幸蓮，等.低場核磁共振研究pH值對兔肌球蛋白熱凝膠特性的影響[J].食品科學,2010,31: 6-11.

[4]李 然,李振川,陳珊珊,等.應用低場核磁共振研究綠豆浸泡過程[J].食品科學,2009,30: 137-141.

[5]顧小紅，任璐，陳尚衛(wèi)， 等.核磁共振技術在食品研究中的應用[J].食品工業(yè)科技，2005,26: 189-194.

[6]韓敏義,費 英,徐幸蓮，等.低場NMR研究pH對肌原纖維蛋白熱誘導凝膠的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學,2009,42: 2098-2104.

[7]HAN Minyi,ZHANG Yingjun,FEI Ying,et al.Effect of microbial transglutaminase on NMR relaxometry and microstructure of pork myofibrillar protein gel [J].Eur.Food Res.Technol.2009,228: 665-670.

[8]SUN Jian,LI Xue,XU Xinglian,et al.Influence of various levels of flaxseed gum addition on the water-holding capacities of heat-induced porcine myofibrillar protein [J].Journal of Food Science,2011,76: C472-478.

[9]姚晶,孟祥晨.大豆水溶性多糖對酸性乳飲料穩(wěn)定作用的研究[J].中國乳品工業(yè),2009,37: 54-56,61.

[10]錢菲，張錦勝，金志強，等.核磁共振技術對食品玻璃化及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的研究[J].食品科學,2008,29: 666-669.

[11]林向陽，阮榕生，何承云，等.快速測量食品玻璃化轉(zhuǎn)變溫度新方法的研究[J].食品科學,2005,26: 269-271.

[12]姜曉文,韓劍眾.生鮮豬肉持水性的核磁共振研究[J]．食品工業(yè)科技，2009，30: 128-133.

[13]李資玲，劉成梅，萬婕，等.核磁共振研究膳食纖維面包制作過程中的水分遷移行為[J].食品科學,2007,28: 127-130.

[14]陳衛(wèi)江，林向陽，阮榕生，等.核磁共振技術無損快速評價食品水分的研究[J].食品研究與開發(fā),2006,27: 125-127.

[15]MAZZANTI G,MUDGE E M,ANOM E Y.In situ Rheo-NMR measurements of solid fat content [J].J Am Oil Chem Soc,2008,85: 405-412.

[16]RUDI T,GUTHAUSEN G,BURK W,et al.Simultaneous determination of fat and water content in caramel using time domain NMR [J].Food Chemistry,2008,106: 1375-1378.

[17]SANTANA A,FERNANDEZ X,LARRAYOZ M A,et al.Vegetable fat hydrogenation in supercritical - fluid solvents: Melting behavior analysis by DSC and NMR [J].Journal of Supercritical Fluid,2008,46: 322-328.

[18]阮榕生.核磁共振技術在食品和生物體系中的應用[M].北京: 中國輕工業(yè)出版社,2009.

[19]張倩芝,陳曉紅,陳 建.有機波譜法在-二甲基芐基酚聚氧乙烯醚的結(jié)構確證中的應用[J].中山大學學報:自然科學版,2011,50(3): 141-143.

[20]趙小菁，張麗影，劉寶全,等.氨基酸希夫堿及其金屬鋅配合物的合成及表征[J].中山大學學報:自然科學版,2011,50(4):70-73.

[21]錢 浩,祝亞非,許家瑞.聚乙烯-醋酸乙烯醋接枝聚乙二醇共聚物的合成及結(jié)構表征[J].中山大學學報:自然科學版,2003,42(2):30-34.