核磁共振技术在脐橙保藏和质量评估中的应用_张锦胜.pdf

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1、食品研究与开发2 0 0 8年6月第2 9卷第6期食品研究与开发基金项目:国家教育部长江学者创新团队 发 展 计 划 基 金 资 助(I R T 0 5 4 0);江西省教育厅项目(Z 0 3 5 0 2)作者简介:张锦胜(1 9 7 1-),男(汉),博士,助理研究员,研究方向:食品保藏。*通讯作者张锦胜1,王娜1,林向阳2,阮榕生1,*(1.南昌大学 食品科学教育部重点实验室,江西 南昌3 3 0 0 4 7;2.福州大学 生物工程研究所,福建 福州3 5 0 0 0 2)核磁共振技术在脐橙保藏和质量评估中的应用摘要:采用低场核磁共振技术研究脐橙储藏过程中水分的状态、变化以及水分的迁移。利

2、用C a r r-P u r c e l l-M e i-b o o m-G i l l(C P M G)序列采集样品的核磁共振受激回波信号,采用多重指数衰减模型对收集的信号数据进行分析并计算组织中不同水分自旋-自旋弛豫时间。探讨脐橙在储藏过程中品质变化与核磁共振弛豫参数变化的相关性。发现在脐橙的后成熟期、稳定期和腐烂期,对应的自旋-自旋弛豫时间变化呈现一个上升-稳定-急速下降的过程,且在脐橙腐烂前出现了一个自旋-自旋驰豫时间急剧下降的过程。该方法可以作为脐橙质量评估的有效手段,对于脐橙的质量评估和保藏方法的评估等具有指导意义。关键词:核磁共振技术;多重指数衰减模型;自旋-自旋弛豫时间;脐橙N

3、 U C L E A RM A G N E T I CR E S O N A N C ET E C H N I Q U EA P P L I C A T I O NI NE V A L U A T I N GT H EQ U A L I T YO F N A V E L O R A N G ED U R I N GS T O R A G EZ H A N GJ i n-s h e n g1,WA N GN a1,L I NX i a n g-y a n g2,R U A NR o n g-s h e n g1,*(1.M O EK e y L a b o r a t o r y o f F o

4、 o d S c i e n c e,N a n c h a n g U n i v e r s i t y,N a n c h a n g 3 3 0 0 4 7,J i a n g x i,C h i n a;2.T h e i n s t i t u t e o f b i o e n g i n e e r i n g,F u z h o u U n i v e r s i t y,F u z h o u3 5 0 0 0 2,F u j i a n,C h i n a)A b s t r a c t s:L o wf i e l dN u c l e a r m a g n e t

5、i c r e s o n a n c e t e c h n i q u e w a s u s e dt o e v a l u a t e t h e q u a l i t y a n db e h a v i o r o fw a t e r i nn a v e l o r a n g e d u r i n g s t o r a g e i n c o n s t a n t t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y.N M RC a r r-P u r c e l l-M e i b o o m-G i l l(C P M G)s

6、 e q u e n c e w a s u s e dt o a c q u i r e t h e s a m p l e sa c t i v a t e de c h o s i g n a l s.Am u l t-e x p o n e n t i a l r e g r e s s m o d e lw a s u s e d t o c a l c u l a t e t h e s p i n-s p i n r e l a x a t i o n t i m e(T 2)o f s a m p l e s i n d e f e r e n t s t o r a g e

7、p e r i o d.T h e r e l a t i v e c h e m i-c a l c o n t e n t s s u c ha s a c i d i t y,r e d u c i n g s u g a r e t a l w e r e a n a l y z e da t t h e s a m e t i m e d u r i n g t h e d e f e r e n t p e r i o do fs t o r a g e.At r e n d o f T 2 c h a n g e w a s o b s e r v e d i n t h e s

8、 t a t e d i a g r a mT 2 v s s t o r a g e t i m e.T 2 v a l u e s r i s e s i n t h e i n i t i a ls t a g e a n d t h e n c h a n g e d l i t t l e i n t h e f o l l o w i n g s t e a d y p e r i o d a n d g o d o w n q u i c k l y a t t h e e n d b e f o r e t h e s a m p l e s d e-c a y d u r i

9、 n g t h e p e r i o do f s t o r a g e.AT 2g o i n g d o w nq u i c k l y p r o c e s s i n g b e f o r e d e c a y w e r e o b s e r v e di nn e a r l y a l ls a m p l e s.T h i s m e t h o d w o u l d b e h e l p f o r e v a l u a t i n g t h e q u a l i t y o f n a v e l o r a n g e d u r i n g

10、s t o r a g e i n t h e f u t u r e.K e yw o r d s:N u c l e a r m a g n e t i c r e s o n a n c e;M u l t i-e x p o n e n t i a l r e g r e s s m o d e l;S p i n-S p i nr e l a x a t i o nt i m e;N a v e lO r a n g e脐橙具有独特的风味、口感和较高的营养价值一直深受人们的喜爱。但这种柑橘类水果由于水分含量高适合微生物的生长,在储藏过程中容易腐败变质而影响其食用品质及商品价值 1。脐

11、橙在储藏过程中会产生很多复杂的物理、化学变化,而这些化学、物理变化对于脐橙品质、质构及风味等都会产生影响。如果能从分子运动的角度考察储藏过程中的变化情况,将有助于对脐橙腐败机理的深入研究。而核磁共振技术(N u c l e a r M a g n e t i c r e s o n n a n c e,N M R)是一种有效的研究分子扩散的方法,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、储藏中内部变化的信息等等 2,其无损检测特点使其应用于食品科学的研究具有明显的优势。本研究就是利用核磁共振技术研究食品的优势,

12、来研究赣南脐橙储藏过程中氢质子(水分)的状态、变化、迁移行为。采用N M R的C P M G(C a r r-P u r c e l l-M e i b o o m-G i l l,C P M G)脉食品保鲜1 2 6食品研究与开发2 0 0 8年6月第2 9卷第6期食品研究与开发冲序列,收集9 0 硬脉冲电磁波激发样品中的水质子得到的回波信号,采用多重指数衰减模型对收集的信号数据进行分析计算样品的 自旋-自 旋 弛 豫 时 间(T 2),得到不同储藏期脐橙的T 2数据,从而建立脐橙在储藏过程中品质变化与储藏期的关系,并对储藏期进行预测。1实验部分1.1仪器设备0.3 T核磁共振系统:宁波健信

13、机械有限公司;B S 2 2 4 S型电子天平:北京赛多利斯仪器系统有限公司;冰箱;T 2 F i t软件:华东师范大学。1.2样品的准备脐橙(江西寻乌)为农户家实地采收的同一时期成熟度基本相同的均匀成熟个体。新鲜脐橙用清水浸泡处理大约2 m i n 3 m i n,直到果蒂浸湿。用聚乙烯薄膜分别包裹,然后在室温下贮藏。1.3实验方法1.3.1核磁共振实验将样品置于磁场中心位置的射频线圈的三维中心,用自由感应衰减(F r e e i n d u c t i o n d e c a y,F I D)序列确定脐橙样品的核磁共振频率,用C P M G序列来测定样品的自旋-自旋弛豫时间(T 2)。C

14、P M G实验采用的参数:采用9 0 硬脉冲电磁波激发样品。接收机频率:1 9.5 0 2 M H z、谱宽5 0 u s,采样点数T D=3 2 7 6 8回波个数C0=3 8 0、重复扫描次数N S=1 6、重复时间D 0=5 s;采集的数据结果用T 2 F i t拟合软件拟合计算T 2。1.3.2理化性质分析在储藏的不同时期,每次随机取脐橙样品1 0个,先对其进行N M R实验,然后按四分法取其可食部分。分别对它的理化性质进行测定。酸度的测定:直接滴定法测定G B1 2 2 9 3-1 9 9 0;还原糖和总糖的测定:费林试剂法测定G B6 1 9 4-1 9 8 6;固形物含量的测定:

15、折射仪法测定G B1 2 2 9 5-1 9 9 0。2结果与讨论2.1磁共振数据分析的理论基础自旋质子在受到激发后与相邻的质子间发生能量交换交换直至最后达到动态平衡所需的时间即为自旋-自旋驰豫时间,简称T 2。它体现了局部结构及质子的自由度。核磁共振技术在医学上应用已证明某些病理情况下,如肿瘤及邻近的水肿区,其结合水释放、游离水增加,因而表现出长T 2信号,自由水的分子较小,因而运动频率要比氢质子的共振频率高得多,这使得它有很长的T 2值 3。同样的道理,通过检测食品体系的T 2的变化规律有可能可以知道食品将在什么时候发生变质,从而可以预测食品的保藏期。N M R研究食品中的水分状态根据水质

16、子与周围环境的不同,而区分为不同的几类,一般按两种或者三种水分的存在状态进行研究 4-5,实验中,我们根据脐橙内部水分的结合状态,将其划分为三种存在状态:单层水(单分子层结合水)、多层水(多分子层结合水)、自由水。实验样品中的信号主要来源于体系中的水质子,质子信号变化情况体现了体系中的水分的状态。实验中采用C P M G序列采集质子受到激发后的回波信号,其为一个指数衰减的信号。应用T 2 F i t软件,采用多重指数衰减模型对收集的信号数据进行分析,见公式1,可以计算出T 2 1、T 2 2等分量。典型的分析如图1所示。由图1可以看出,对磁共振数据采用3组分拟合数据模型,得到T 2 1、T 2

17、 2、T 2 3,显示体系中存在3种流动性不同的水分,我们认为T 2 1、T 2 2是脐橙中与蛋白质、多糖类、胶体等大分子以氢键的形式相互结合的结合水,只是T 2 1代表的是与大分子物质结合的较为紧密的那部分水分的弛豫时间;而T 2 3则是代表脐橙内部流动性较强的那部分水的弛豫时间,即脐橙中的自由水。在不同的储藏时期,对脐橙样品进行核磁共振实验,收集数据并计算出脐橙体系中的T 2值,得到脐橙样品随时间的变化曲线就可以对其进一步进行分析。具体的实验数据分析见后。2.2脐橙的储藏过程品质的变化脐橙在室温1 7 左右储藏近9 0 d,在不同的时期取样进行理化性质的测定。其理化性质变化如表1所示。-t

18、T2 1A=A1e+A2e+A3e+(1)-tT2 2-tT2 3食品保鲜1 2 7食品研究与开发2 0 0 8年6月第2 9卷第6期食品研究与开发从表1中可以看出在储藏初期,脐橙的还原糖和总酸含量都呈下降趋势,总糖、可溶固形物含量、固酸比和糖酸比则有所升高,随着储藏时间的延长,脐橙进入变化比较平缓的稳定期,在此阶段,总酸含量一直在不断的下降,而总糖、还原糖和可溶固形物含量等别的理化指标的变化相对较为稳定,有可能在这个阶段脐橙的呼吸基质主要是有机酸;糖酸比和固酸比一直呈缓慢的上升趋势。总酸在后期有较小的回升现象,其余各理化指标值都在经过一个短期的增高趋势后都有下降的趋势。2.3脐橙储藏过程中磁

19、共振参数与理化指标的关系应用前述方法对不同储藏时期的脐橙样品进行核磁共振实验并计算出样品的T 2值并对储藏时间作图,结果如图2、3所示。图2和图3是脐橙的自旋-自旋弛豫时间T 2 1和T 2 2在9 0 d内的变化趋势,由于脐橙在储藏中二者变化趋势相似,因此重点分析T 2 1。从图2中可以看出,在储藏的初期T 2 1有一个短期的下降趋势,可能是大分子结合水分的能力降低,促使水分向更自由的那部分水分转化,从而弛豫时间参数有短期的降低趋势。一般脐橙在储藏一个星期以后各个指标含量才能达到最适合人们口感的风味,后成熟阶段存在很多复杂的生理生化反应,在这个阶段主要是在生长期储藏的没有降解完的小部分淀粉水

20、解成小分子物质 6,另外还有细胞壁成分的分解,从而使得大分子物质含量降低,结合水分的能力也降低结果使单分子结合水向更自由的水转化,这在磁共振参数上有明显的体现,代表单层水弛豫参数的T 2 1有所降低。大分子物质的减少势必造成糖含量的增多,这个在总糖和可溶固形物含量上亦得到体现。随着储藏时间的延长,脐橙果实进入第二个阶段:稳定期(采摘后1 0 d左右)。在这个阶段果实呼吸速率逐渐降低、酶系统的变化,像正向的多糖的水解、有机酸的转化、蛋白质的水解、水溶性果胶物质的降解等生成小分子物质,逆向的变化如蛋白质的水合和果胶形成凝胶等形成大分子物质。从图2可以明显看出,在这个阶段,T 2 1的变化趋势较为平

21、缓。分析这段时间弛豫时间呈现这种变化的原因,主要是因为脐橙内部发生生理、生化变化的综合因素造成的。在稳定期既有水分的生成也有水分的损失、既有糖的生成也有糖的消耗,因此,其内部的生理生化变化也就是一个动态平衡的过程,同时有也促使其弛豫参数的平缓变化。我们将这一时期称为稳定期,对照其理化性质(表1)可以看出,在这个阶段理化指标的变化也不是很大。之后,脐橙进入一个腐烂高发期。从图2中可以看出T 2 1值在达到一个峰值之后开始急剧下降,几天之内就降到最低值。对照样品的观测,进入这一时期的脐橙几天就腐烂了。我们认为主要原因可能是因为在合总糖/%T o t a l s u g a r/%1 4.2 01

22、4.2 11 3.6 71 4.1 21 3.0 71 3.5 61 3.2 61 4.2 21 2.8 2还原糖/%R e d u c i n g s u g a r/%7.6 1 66.4 0 26.6 0 46.8 36.5 1 46.7 6 46.8 7 37.4 0 47.1 4 8总酸/%T o t a l a c i d/%0.5 8 0 40.5 3 2 60.5 2 0 90.5 2 6 80.5 0 7 10.4 2 3 60.4 3 7 50.4 4 6 10.4 3 3 4固形物含量/%I n s o l u b l e s o l i d/%1 4.0 71 4.1

23、61 3.8 91 4.1 51 3.3 61 3.4 31 3.9 71 3.8 51 2.6糖酸比R a t i i o o f s u g a r t o a c i d/%2 4.4 72 6.6 82 6.2 42 6.8 02 5.7 73 2.0 13 0.3 12 9.6 63 2.8 1储藏时间/dS t o r a g e t i m e/d11 01 93 14 45 16 57 68 6固酸比R a t i o o f i n s d u b l e s o l i d t o a c i d2 4.2 42 6.5 92 6.6 72 6.8 62 6.3 53 1.

24、73 1.9 33 1.0 52 9.0 7表1脐橙贮藏过程中理化性质的变化T a b l e 1 D i f f e r e n c e i n n a v e l o r a n g e s p h y s i c a l a n d c h e mi c a l p r o p e r t i e s d u r i n g s t o r a g e食品保鲜1 2 8食品研究与开发2 0 0 8年6月第2 9卷第6期食品研究与开发适的钙离子以及适度的酸度存在的条件下,蛋白质水解成的多肽发生水合重新聚合成大分子物质,自由水分向多层结合水分转移所致。在储藏的后期,由于果皮中的果胶水解,营养

25、物质消耗较为严重,促使果皮组织过早的衰老,整个果实组织结构发生改变,因此在储藏的后期,果实发生枯水现象较为严重,直接影响着脐橙的货价寿命。果肉中果胶降解物进一步降解、低聚糖进一步水解以及果肉细胞中的半纤维素水解等一系列变化,而呼吸速率的再次加强消耗的营养物质大于水解的生成的营养物质,果肉组织遭到最大程度的破坏,因此弛豫时间急剧下降。图4表示脐橙在储藏过程磁共振参数T 2 3的变化趋势图。自由水分在果蔬中占大部分,可溶性物质就溶解在这类水中,并且几乎所有的生化反应也都发生在这类水中,自由水分的变化不仅直接影响着果蔬的品质也影响着大分子物质的活性。一般来说,自由水的流动性越好T 2就越大,水分子的

26、流动性与弛豫时间成正比关系 6-7。从图4中我们可以看出在储藏的前期,T 2 3的变化趋势较为平缓,此时由于呼吸作用生成的水分与大分子物质降解所转移的水分和失重损失的水分大致相同,这个时候对大分子物质的活性影响不是很大,因此大分子物质的分解促使结合水含量降低,T 2 1有所降低。随着储藏时间的延长,T 2 3呈上升趋势,说明组织中流动性最强的那部分水分活度增强,生成的水分大于损失的水分,因此所表现出较高的T 2 3,正是由于自由水分的增加促使大分子物质活性增加,T 2 3出现增高趋势,但是在整个过程中,它的水分损失最大,因此相对应的弛豫时间值也是最低的。对脐橙的货价寿命的影响因素很多,像温度、

27、微生物、湿度、储藏环境以及内在品质等都影响着脐橙的货价期。从图2中可以看出脐橙在储藏的过程中,有一个相对稳定的过程,在这个过程中虽然有很多的生理生化变化,从T 2 1数据上可以说明这是一个生理动态平衡,也就是随着储藏时间的延长,在出现一个数据高峰之后,弛豫时间值急剧下降,脐橙亦出现一个腐烂高峰期,从而果实结束其储藏寿命。而在腐烂之前都出现了一个T 2 1急剧下降的过程。由此,可以采用此方法对脐橙的商品价值作出一个评估,在T 2 1出现快速下降的初期,将商品降价出售或尽早食用,可以减少损失。同时,可以看出,核磁共振技术可以作为脐橙质量评估的有效工具,在今后的实验中可以采用不同的保藏处理方法对脐橙

28、进行处理,应用核磁共振技术对保藏效果进行有效的评估。3结论本文采用核磁共振技术对未经任何药剂处理只用清水浸泡清洗的脐橙在1 7 左右储藏过程进行了监测,同时对其储藏过程中理化指标的作了分析。通过在储藏过程中磁共振参数变化和理化指标的变化,结合个体观测,我们可以清楚的看到脐橙在不同的储藏时期磁共振弛豫参数的变化规律。脐橙的在后成熟期、稳定期和腐烂期,对应的自旋-自旋弛豫时间的分量T 2 1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T 2 1急剧下降的过程。由此,可以采用此方法对脐橙的商品价值作出一个评估,在T 2 1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

29、。而果蔬都具有类似的性质变化,可以将研究成果推广到别的果蔬中去,从而更广泛地推动核磁共振技术在食品科学中的应用。参考文献:1 文涛,熊庆娥.柑桔果实糖、酸代谢研究概况 J .中国南方果树,2 0 0 1,3 0(2):1 3-1 6 2 赵喜平.核磁共振成像 M .科学出版社,2 0 0 4:7 2-7 3 3 俎栋林.核磁共振成像学 M .北京:高等教育出版社,2 0 0 4:2 5 6-2 6 1 4 T r o u t m a n MY,M a s t i k h i n I V,B a l c o mBJ,e t a l.M o i s t u r e m i g r a t i o

30、n i ns o f t-p a n n e d c o n f e c t i o n s d u r i n g e n g r o s s i n g a n d a g i n g a s o b s e r v e d b yM R I J .J o u r a l o f F o o d E n g i n e e r i n g,2 0 0 1,4 8(3):2 5 7-2 6 7 5 C h a l a n dB,M a r i e t t e F,M a r c h a l P,e t a l.1 Hn u c l e a r m a g n e t i c r e s o-

31、n a n c e r e l a x o m e t r i c c h a r a c t e r i z a t i o n o f f a t a n d w a t e r s t a t e s i n s o f t a n dh a r d c h e e s e J .J o u r n a l o f D a i r y R e s e a r c h,2 0 0 0,6 7(4):6 0 9-6 1 8 6 R.R o g e r R u a n,X i a o a n w a n g,P a u l L C h e n.N M Rs t u d y o f w a t

32、e r i n d o u g h J .P a p e r-A m e r i c a n S o c i e t y o f A g r i c u l t u r a l E n g i n e e r s,1 9 9 7(3):6 0-6 2 7 R.R o g e r R u a n,X i a o a nw a n g,P a u l LC h e n,e t a l.S t u d yo f w a t e r i nd o u g h u s i n g n u c l e a r m a g n e t i c r e s o n a n c e.T r e n d s i n d o u g h u s i n g n u-c l e a r m a g n e t i cr e s o n a n c e J .T r e n d s i n F o o d a n d T e c h n o l o g y,1 9 9 9,1 0(1 0):2 1 3-3 2 0收稿日期:2 0 0 7-0 9-1 0食品保鲜1 2 9