实验室分析仪器--NMR对食品中水分、淀粉的分析

一、对食品中水分的分析

食品中水分含量的高低以及结合状态直接对食品的品质、加工特性、稳定性等有重要影响。NMR 的一个重要应用就是研究食品中水分的动力学和物理结构,它可以测定能反映水分子流动性的氢核的纵向弛豫时间 T₁ 和横向弛豫时间T₂。当水和底物紧密结合时,T₂ 会降低,而游离水的流动性好,有较大的 T₂。这样就可以推测食品的相关特性。

(1)水分分布

Engelsen 等的试验结果表明,在焙烤过程中T2曲线显示了多相性,并可分为3种变化(轻度结合水上升,牢固结合水下降,水相饱和),还观察到淀粉糊化的主要转变过程。Margit 等利用低频率NMR法研究冻藏肉时发现:冷冻温度越低、冻藏时间越长,肉在解冻、烹饪时的水分损失越多;高 pH 的新鲜肉比正常 pH 值的肌原纤维中水分分布更均匀(如下图1-1、图1-2)。

图1-1 不同冷冻温度、不同烹饪速率下新鲜肉的弛豫时间T2分布

图1-2 正常pH和高pH下新鲜肉的弛豫时间T2分布

(2)水分含量

在-40～-20℃下贮藏的牛肉、橘汁和面团等样品,利用NMR技术进行非冻结水分含量分析时发现:随着温度的降低,产品中水分不断冻结,导致非冻结水分含量显著减少,由单点斜面图像可以描绘出产品水分分布的一维、二维图像,从而为样品在冻藏过程中如何保证品质提供了依据。利用3种方法即(FID)曲线法、自旋-回波(spin-echo)法、高分辨率 NMR 波谱法对食品含水量进行了对比分析。

(3)水分性质

范明辉等利用 NMR 技术分析研究了与食品品质密切相关的水分子的流动性、持水力、水结合、水化等性质。Esselink 等通过流变学、NMR、电子显微镜发现生面团被挤成片状后其中的麸质网状结构形成并被打断,同时水分子的流动性增加,生面团成型之后网状结构恢复,水分子的流动性下降。Ruth 等利用 NMR 技术对经不同处理的新鲜奶酪进行快速检测,得出处理方式不同,产品的黏性、硬度以及脱水收缩的能力也不一样的结论。施高压、加辅料等处理也可能改变样品中水的结构和分子性质。

二、对食品中淀粉的分析

NMR 技术用于淀粉研究,主要是利用体系中不同质子的不同弛豫时间来研究淀粉的糊化、回生或玻璃化转变。分子运动是多聚体玻璃化转变的基础,因此,利用脉冲 NMR 研究糖类和蛋白质在玻璃化转变过程中与刚性成分的自旋-自旋弛豫时间(T₂)的关系。当聚合物处于玻璃态时,T₂ 不随温度而变,表现出刚性晶格的性质,玻璃化转变后,突破刚性晶格的限制,T₂ 随温度升高而增大。由T₂ 和温度曲线可求得Tg。利用 NMR 及其成像技术对大米蒸煮过程中淀粉糊化、水分含量及分布等进行了量化。用¹³C NMR 谱图的信号强度之比来分析直链淀粉、支链淀粉以及酸水解和酶水解后的支链淀粉样品的分支程度。采用元素分析法、电泳技术和 NMR 波谱法对表氯醇作用下面粉与 NH₄OH 形成的交联化合物进行了含量、流动性以及结构特性的分析。

在淀粉及其衍生物中,有许多产物的化学结构十分类似,仅仅是重复单元数不同或原子排列次序不同,这些相似物用红外光谱或其他一些分析手段无法加以区别,而用¹³C NMR 就能明确区别其结构的微小差异。在淀粉双螺旋结构的研究中,¹³C NMR 更凸显它的优势。

不同生物来源的天然淀粉,它的核磁共振图谱轮廓上存在相似之处,都产生了4个主要的信号强度区域,分别为 C₁ 区域,C₄ 区域,C₂、C₃、C₅ 区域及 C₆ 区域。但 A-型淀粉在 C₁ 区域表现为特有的三重峰特征,这主要是由其螺旋对称排列中的3个葡萄糖残基所致;B-型淀粉则由其对称排列中的2个葡萄糖残基形成了特有的双重峰特征。天然玉米淀粉的 NMR 图谱见图1-3,天然马铃薯淀粉的 NMR 图谱见图1-4。

图1-3 天然玉米淀粉的NMR图谱

图1-4 天然马铃薯淀粉的NMR图谱