李潮銳, 劉 青, 楊培強

(1. 中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510275；2. 廣東檢驗檢疫技術(shù)中心食品實驗室, 廣東 廣州 510623；3. 紐邁電子科技有限公司, 上海 200333)

低場1H-核磁共振弛豫分析及其成像技術(shù)在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥和生物材料等領(lǐng)域有著潛在的廣闊應(yīng)用前景，也是當前食品質(zhì)量研究的熱門課題[1-6]。傳統(tǒng)強磁場核磁共振波譜方法可以獲得物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)信息[7-11]，但低場核磁共振弛豫譜卻可以有選擇地關(guān)注由于受激處于激發(fā)態(tài)粒子壽命從而分析被測對象主要組分的物理性質(zhì)。特別是，利用1H-核磁共振弛豫可以有效地測量食品中水和油脂等組分[12-23]，實現(xiàn)無損、快速、無侵入式實時食品監(jiān)測。

利用1H-核磁共振弛豫技術(shù)準確檢測主要組分的關(guān)鍵前提是建立核磁共振弛豫譜與被測對象組分的對應(yīng)關(guān)系，即解決核磁共振弛豫譜的標識問題。本工作僅以鮮花生為研究對象，探討1H-核磁共振弛豫技術(shù)的油料作物種子(主要)組分檢測分析方法，并標識花生的核磁共振橫向弛豫譜?；ㄉ兄?、蛋白質(zhì)、碳水化合物和水的-H基是產(chǎn)生1H-核磁共振吸收的物理基礎(chǔ)，由于各種組分原子的局域場及其內(nèi)部相互作用機制不同，它們所產(chǎn)生的共振吸收頻率(化學(xué)位移)及對應(yīng)的壽命(弛豫時間)也不相同。本工作以后者為依據(jù)，通過測量分析脫水過程鮮花生1H-核磁共振弛豫譜變化并與純花生油的實驗結(jié)果比較，確定花生核磁共振橫向弛豫譜歸屬?；趩挝毁|(zhì)量干燥花生和花生油兩者的脂肪弛豫譜峰面積之比，進而直接獲得花生含油率。

1 測量技術(shù)方法

使用賽多利斯科學(xué)儀器有限公司DENVER TP-114分析天平測量樣品質(zhì)量。通過RS-232接口使天平與計算機連接，實現(xiàn)質(zhì)量實時測量和數(shù)據(jù)采集分析處理。為了較準確觀測記錄花生質(zhì)量及其質(zhì)量變化率，實驗中既要保證樣品周圍空氣對流促使蒸發(fā)及時排放，又必須消除空氣對流對測量的干擾。為此，實驗測量時將分析天平置于多處開孔的長方體外罩中，且實驗測量過程分析天平兩側(cè)門保持全開狀態(tài)便于空氣對流。分析天平記錄質(zhì)量變化的采樣時間間隔約64 s，測量系統(tǒng)置于濕度約50%和溫度約25°實驗室環(huán)境。

使用上海紐邁電子科技有限公司MicroMR-18核磁共振成像分析儀測量樣品的核磁共振弛豫譜。實驗主磁場強度約0.51 T，其對應(yīng)共振頻率在22.5 MHz附近，樣品室溫度(32.00±0.01)℃。采用CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)方法測量橫向弛豫，實驗參數(shù)：采樣率50 kHz，射頻脈沖間隔500 μs，重復(fù)采樣時間間隔3 000 ms；根據(jù)樣品實際情況，重復(fù)采樣次數(shù)10或20，回波個數(shù)設(shè)置為2 000。每次重復(fù)采樣都通過設(shè)備自動測量自由感應(yīng)衰減信號(FID，即Free Induction Decay)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。選用核磁共振成像分析儀配套的反演軟件進行連續(xù)譜迭代分析，運算參數(shù)：開始時間10 ms，截止時間1 000 ms，參與反演點數(shù)500，弛豫時間點數(shù)400，迭代次數(shù)1 000 000。

首先測量實驗用鮮花生總量的質(zhì)量，分別將其分為若干平行樣進行核磁共振測量；實驗完畢，再次測量該批平行樣的總質(zhì)量；由這2次測量所得質(zhì)量的平均值表示該樣品進行核磁共振測量時的總量質(zhì)量。通過軟件(可批量)獲取每樣品單次采樣的核磁共振弛豫測量原始數(shù)據(jù)，隨之對平行樣實驗數(shù)據(jù)累加結(jié)果進行反演分析。

鮮花生和金龍魚花生油分別購自農(nóng)貿(mào)市場和超市。鮮花生完全暴露于濕度約50%和溫度約25 ℃的實驗室環(huán)境自然干燥，適時測量花生質(zhì)量及該時刻的核磁共振橫向弛豫。直至最后3次(每次間隔約48 h)測量花生質(zhì)量相對變化量小于0.05%(恒重)，從而可以認為此時樣品已處于完全脫水狀態(tài)。

2 結(jié)果及分析

圖1為鮮花生置于多孔外罩中自然干燥過程(a)質(zhì)量及其(b)質(zhì)量變化率隨時間變化規(guī)律，后者是由前者對時間微分所得。實驗結(jié)果表明，花生干燥過程中質(zhì)量隨時間單調(diào)減少，且質(zhì)量變化率(趨勢)逐漸緩慢，直至質(zhì)量變化率接近零。

盡管由于存在一定程度的對流限制使置于多孔外罩中花生干燥進程比完全暴露于實驗室環(huán)境要緩慢些，但上述實驗結(jié)果已基本反映出它的質(zhì)量變化規(guī)律：初始時，質(zhì)量變化率較大；隨之，質(zhì)量變化率逐漸減小。由此可見，為了準確觀測花生的核磁共振弛豫過程，必須采用先密后疏的測量時間間隔和先快后(可)緩的采樣方法。事實上，初始時樣品整體信號很強，可以減少重復(fù)采樣次數(shù)，從而達到快速測量的目的；隨之，樣品組分信號漸弱，可適當增加采樣次數(shù)，提高測量信噪比。這些結(jié)果不僅為確定核磁共振弛豫測量步驟和參數(shù)設(shè)置提供依據(jù)，同時也從后續(xù)核磁共振實驗中得到進一步證實。利用上述實驗結(jié)果，根據(jù)質(zhì)量變化率或(相對)變化量均可確定合理的核磁共振弛豫測量的時間間隔，從而準確地記錄花生干燥過程組分變化信息。

圖2為通過MicroMR-18配套的反演軟件進行連續(xù)譜迭代分析所得鮮花生在干燥過程不同質(zhì)量時核磁共振橫向弛豫譜，圖中橫坐標為弛豫時間而縱坐標則為對應(yīng)信號強度，譜峰面積代表了組分共振吸收信號強度。圖2(a)和(d)分別為鮮花生初始時和完全脫水狀態(tài)的實驗結(jié)果；(b)和(c)為干燥過程處于不同質(zhì)量時的橫向弛豫譜。根據(jù)圖1所示的實驗結(jié)果，在實驗室環(huán)境中當失重達約30%時花生進入緩慢的自然干燥過程。直至最后間隔約48 h的3次測量花生質(zhì)量相對變化量小于0.05%，此時認為樣品已處于完全脫水狀態(tài)；圖2(d)即為最后獲得的花生橫向弛豫實驗結(jié)果。圖中(a)、(b)和(c)通過縱坐標平移更清晰地顯示它們之間的差異，但保持相同的坐標尺度。

圖2 干燥過程鮮花生核磁共振橫向弛豫譜Fig.2 NMR transverse relaxation spectrum of peanut with hydrogenation

由圖2(d)到(a)的變化過程可以看出，鮮花生在脫水過程中基本存在4個橫向弛豫譜峰。顯然，除了圖2(d)完全脫水花生主要組分脂肪外，其它狀態(tài)還應(yīng)該存在水或其它-H基的響應(yīng)。除了脂肪，鮮花生主要成分還含有蛋白質(zhì)、碳水化合物和水，這些組分中不同-H基的原子局域場及其相互作用機制不同。從物理角度，這些蛋白質(zhì)、碳水化合物和水的-H基相關(guān)的能態(tài)不同且各有不相等的弛豫時間(和化學(xué)位移)。因此，對于非完全脫水鮮花生1H-核磁共振橫向弛豫譜必然存在多于4種組分的響應(yīng)。

圖2(a)-(c)實驗結(jié)果表明，干燥過程中鮮花生的核磁共振弛豫峰數(shù)量沒有發(fā)生改變，但是所有譜峰面積卻明顯地隨花生脫水而變化。圖3顯示了干燥過程鮮花生核磁共振橫向弛豫譜總面積與花生質(zhì)量的關(guān)系。由圖可見，隨著脫水進程花生中的水組分逐漸減少，花生弛豫譜峰面積隨之單調(diào)減小，同時也伴隨著脂肪弛豫譜峰逐次清晰。可以認為，鮮花生蛋白質(zhì)、碳水化合物和水的核磁共振橫向弛豫時間與脂肪的結(jié)果很接近(或甚至重疊)，致使它們的弛豫譜峰部分(或完全)地交迭在一起，反演迭代分析難以將它們分離，從而也說明圖2(a)-(c)干燥過程只能觀測到譜峰面積變化而不能直接記錄到譜峰數(shù)量改變。上述分析可知，核磁共振弛豫同步測量脂肪和水的分析方法不適應(yīng)于鮮花生[24-25]。

由圖3可見，在濕度約50%和溫度約25 ℃的實驗室環(huán)境自然干燥過程，質(zhì)量變化反映了鮮花生中水分子蒸發(fā)，而相應(yīng)的橫向弛豫峰面積也隨之減小，從而也說明核磁共振弛豫技術(shù)可以很有效地檢測鮮花生中水組分。當處于完全脫水(恒重)狀態(tài)時，弛豫譜主要反映了花生脂肪中-H基的貢獻。

圖4的實驗結(jié)果直觀地給出了問題的答案，圖中(a)和(b)縱坐標相對平移。根據(jù)金龍魚花生油標稱成分，可以認為圖4(a)中譜峰I、II和III歸屬于花生油飽和脂肪、單不飽和脂肪和多不飽和脂肪的1H-核磁共振橫向弛豫。盡管弛豫譜峰與各種脂肪之間的對應(yīng)關(guān)系需要進一步通過改變脂肪酸組分比例才能作出定量分析，但是對比圖4(a)和(b)結(jié)果已可推斷鮮花生也含有這3種脂肪酸。已報道的研究結(jié)果顯示利用脈沖NMR技術(shù)所測得油料種子作物含油量與傳統(tǒng)索氏抽提法測量結(jié)果或樣品實際油量都具有很好的線性相關(guān)[26-28]，而本工作則可以通過每克干燥鮮花生和純花生油的脂肪核磁共振橫向弛豫譜峰面積比方法，直接獲得圖4所示的鮮花生樣品含油率為47.22%。

對其它10個不同批次鮮花生樣品的核磁共振弛豫分析都得到相同實驗結(jié)果。由單位質(zhì)量干燥花生和純花生油兩者的脂肪弛豫譜峰面積之比，可以得到全部樣品的含油率范圍為46.91%～51.09%，整體平均值為49.08%。上述結(jié)果表明，采用脂肪弛豫譜峰面積比方法與經(jīng)典索氏抽提法所得測量結(jié)果吻合[29-30]。

3 結(jié) 論

鮮花生中脂肪、蛋白質(zhì)、碳水化合物和水的-H基是產(chǎn)生1H-核磁共振弛豫譜的物理基礎(chǔ)，而這些物質(zhì)中原子相互作用差異導(dǎo)致它們的共振吸收弛豫時間(壽命)不同。實驗采用CPMG方法獲得鮮花生核磁共振橫向弛豫譜，樣品中脂肪、蛋白質(zhì)、碳水化合物和水對1H-核磁共振響應(yīng)構(gòu)成了花生的弛豫譜整體。為了識別這些組分所對應(yīng)的共振弛豫譜峰，通過實驗室環(huán)境自然干燥逐步蒸發(fā)鮮花生中水分子，而準確記錄花生脫水過程質(zhì)量隨時間變化提供了樣品處理依據(jù)。隨著脫水進程樣品中的水組分逐次減小，樣品的脂肪弛豫譜峰也逐漸清晰。由弛豫譜峰總面積與花生質(zhì)量關(guān)系分析了樣品水份蒸發(fā)物理過程，可以認為，鮮花生中蛋白質(zhì)、碳水化合物和水與脂肪的核磁共振弛豫譜部分(或完全)交迭。利用純花生油實驗數(shù)據(jù)確認了鮮花生樣品飽和脂肪、單不飽和脂肪和多不飽和脂肪的核磁共振橫向弛豫譜峰。在相同實驗條件下，基于單位質(zhì)量干燥花生和純花生油兩者的脂肪弛豫譜峰面積之比，可以得到11個不同批次鮮花生樣品的整體平均含油率為49.08%，它與索氏抽提法測量結(jié)果吻合。

研究結(jié)果表明，鮮花生中蛋白質(zhì)、碳水化合物和水與脂肪的核磁共振弛豫時間很接近(或甚至重疊)而無法同步獨立地測量水和脂肪共振弛豫響應(yīng)，因此對于非完全脫水樣品不能獲得純脂肪弛豫譜。為了得到鮮花生脂肪核磁共振信息，本研究通過長時間實驗室環(huán)境自然干燥并采用恒重法確認樣品處于完全脫水狀態(tài)，從而也提高花生含油率的測量分析準確性。

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