利用脉冲NMR研究食品体系中的水分性质.docx

ood &machiney2 0 0 4 年 4 月april 2 0 0 4食品与机械利用脉冲 nmr 研究食品体系中的水分性质pul s e nmr st udy of wat er in foo d syst e m范明辉fan ming2hui范崇东fan chong2dong王淼wang miao214036)( 江南大学食品学院 , 江苏 无锡( school of food science and technology , southern yangtze university , wuxi , jiangsu 214036 , china)摘要 :核磁 共 振 技 术 ( nuclear magnetic resonance ,简 称 nmr)其检测快速 、灵敏 、方便等优点在许多化学分析领域都得到 了广泛的应用 。简述核磁共振的基本工作原理之上 ,综合国内外的研究结果 ,结合实例 ,介绍了利用 nmr 分析研究食品 体系中与食品品质密切相关的水分子流动性 、持水力 、水结合 、水化等性质 ,并展望了 nmr 在食品中的研究应用前景 。关键词 :nmr ; 水分 ; 应用 ; 食品体系abstract : nuclear magnetic resonance ( nmr) had many advantages and widely applied in many fields of chemical analysis. the basic principle on nmr was introduced briefly. there also synthesized some study results of the world. related examples were given in which applied nmr technique to re2 search into the properties of water in food systems , such as water molecular mobility (mm) , water - holding capacity ( whc) , binding and hydration so on. the application of nmr in food was forecasted.key words :nmr ; water ; application ; food system近水的结构和流动性 ,水相应地改变亲水溶质的反应性 ,甚至结构 。水与非水组分的结合十分复杂 ,它与不同类型的溶 质之间的相互作用主要表现在与离子和离子基团的相互作 用 、与非极性物质的相互作用 、与双亲分子的相互作用等方面2。食品体系中的水可分三种类型3 :结合水 、自由水 、处于结合水和自由水之间的水 ,后两者与食品中大分子或粒子易发生质子交换 。食品中水分的最早研究仅仅是测定食品 中的水分含量 ,并且认为水分含量是食品稳定性的标准 。但 食品稳定性很显然受多方面因素的影响 。研究结果表明食品的水分含量并没有提供与食品的化学 、物理 、微生物稳定 性相关的可靠联系 。某些高水分含量食品很稳定 ,而另一些 低水分含量食品却是不稳定的 。可见仅仅水分含量不足以 证明食品的稳定性 。食品加工过程中水分作为传送介质和 溶剂起着重要作用 ,水分的可利用程度不仅取决于水分含量而且也取决于吸附结合的类型4 。 食品中水分含量的高低以及结合状态直接对食品的结核磁共振是用频率为兆赫数量级的 、能量极低的电磁波照射分子 ,使 电 磁 波 能 与 暴 露 在 强 磁 场 中 的 磁 性 核 相 互 作 用 ,从而引起磁性核在外磁场中发生磁能级的共振跃迁而产 生吸收信号 。这种核对射频区电磁波的吸收称核磁共振1 。近年来 nmr 技术又在二维空间上展开 ,相继出现了三维 、四维核磁共振 ,除了常规的 1 h、13c 谱外 ,nmr 的应用范围也 拓展到了 15n 、31p 等核 。与其它的物理化学方法相比 ,nmr测量不具有破坏性 ,能够对样品进行定性的无损检测 ,如探测水果是否去核 ,鉴定果实成熟度 ,检测整蛋的贮藏质量 ;二 是样品制备简单 ,无需分离 ,测定方便 。水在食品中的存在形式取决于天然食品组织或加工食品中的化学成分和这些成分的物理状态 。亲水溶质改变邻5构 、加工特性 、稳定性等产生重要影响 。目前研究和分析食品中的水分应用广泛的有 dsc、dma 、dmta 等 , 但食品作 为非均匀的复合体系 ,这些方法不能提供关于食品中结合水物理状态的直接信息 ,测定的过程中加热会导致一系列诸如 蛋白质变性 、淀粉糊化 、汁液外流等变化 ,因此结果不能准确 的反应体系中的水结合状态 。本文结合近年来国内外的研究结果 ,介绍运用脉冲 nmr 研究食品体系中的水分性质 。1 脉冲 nmr 研究食品体系中的水分性质1. 1 研究水的分子流动性食品中除水以外 ,还有大量主要是亲水性分子的无定形 成分 ,它们以亚稳态的平衡或非平衡状态存在 。食品的性能 采用动力学而非热力学方法来解释 、预测和调控 ,一个原因 是 mm 与食品的扩散 - 限制变化速率有关 ,大多数食品的物 理化学变化速率都受 mm 控制 。此外 ,mm 在动力学上也与 自由体积有关 ,水作为低相对分子质量的溶剂加入到食品体 系中会引起自由体积的增加 ,mm 加快 ,使得食品的稳定性受45作者简介 :范明辉 (1980 - ) ,男 ,江南大学食品学院在读研究生 。e2mail : fm hui 163 . com收稿日期 :2004 - 02 - 19食品安全与检测2004 年第 2 期到影响6 。1. 2 分析持水力持水力 (water holding capacity , whc) 是描述存在于低浓 度溶 液 中 的 大 分 子 物 理 方 式 截 留 水 分 并 防 止 渗 出 的 能力2 ,6。持水力的下降会对食品质量产生严重的影响 ,如凝胶贮存过程中出现的脱水收缩 ,组织解冻后汁液外流 ,肌肉的苍白 - 软 - 渗 出 ( pse) 状 态 等 现 象 。肉 中 的 水 分 大 约 占75 % ,肉的持水力关系到机体宰后潜在的失重 。hanne14 ,15等人运用 nmr 驰豫技术对肉的持水力分析结果表明 ,肉中 存在三中组成的水 ,其中结合水仅占 4 % 。通过 t2 驰豫离散 指数曲线发现处于 045 ms 的组成水分对应胞内水分 ,100180 ms 的组成水分直接与胞外空间的水分相关 ,它们的驰豫时间分别为 t21 、t22 。该时间常数与肉的持水力有显著的 相关性 ,而且它们与不同后熟时间的 p h 也有明显的相关性 。t2 的这种多指数特性可能是由于肉中水的空间和组织的区域化作用所致 。该作用的发生可能是 p h 影响了蛋白质的三 维结构 ,蛋白质的构象通过空间结构的调节影响了水分的流 动和定位 。后熟过程的 p h 对肉的水分流动性和 whc 的影 响都十分 重 要 , 这 与 后 熟 阶 段 p h 影 响 肉 的 蛋 白 质 变 性 和 whc 的报道是一致的 。利用低场强 nmr 驰豫技术测定肌肉组织中水分的存在 状态 ,结果 表 明 肌 肉 中 不 单 单 是 存 在 一 种 类 型 的 水 。事 实 上 ,驰豫表现最快的是与大分子紧密相连的水分 ,位于高度 组织化蛋白质结构中的水分驰豫速率次之 ,最慢的是外肌原 纤维的水分 ,它含有肌浆蛋白部分 。同样 ,干酪在贮藏过程 中其持水力也会伴随酪蛋白结构的改变而增加 。物理化学 环境的改变驱使水分子从易流动相转移到不易流动相 ,水分 和其中的蛋 白 质 成 分 紧 密 结 合 , 自 由 水 被 束 缚 在 干 酪 结 构 中 ,结果就导致驰豫时间增加 。由此 , kuo5 等人认为同一类 的干酪产品具有较高的 t1 、t2 时 , 其持水力较高 。sun16 等 研究了不 同 解 冻 方 法 对 冷 冻 猪 肉 和 牛 肉 的 p h 值 、持 水 力 (whc) 及 nmr 驰豫时间常数的关系 ,结果显示肉中水分组 分大于或等 于 三 种 不 等 。micklander17 等 将 nmr 用 于 监 测 猪肉在冷却过程中结构的变化 ,研究表明肉中结构的变化主 要是由于肌原纤维蛋白和结缔组织的变性与缩水 ,这些都影 响持水力和水分的分布 。1. 3 水合特性食品水解胶体的一个重要性质就是具有与水相互作用 的能力 ,对于该类聚合物 ,水是作为增塑剂 ,增加了分子运动的自由体积 ,它们的相互作用将影响水结合能力 、多汁性 、凝 胶 、质构性质18 。nmr 已广泛用于研究蛋白质和多糖的水合特性 。研究发现 ,果胶作为一种非均一结构的多糖 ,结合或化学交换可 以发生在羧基上 ,水分子的框架环绕在果胶的甲酯化基团周围 ,两者相互作用的方式取决于酯化度 、溶液 p h、水分含量 、 凝胶体系等因素 。大约 40 %的水分子要受到与果胶分子相图 1 离散模型测定的面团质子振幅与水分的函数关系水分含量 : 35 %.以面团为例 ,水分含量是淀粉老化最具有影响力的因素 之一 ,它能够通过扩散和增塑作用影响结晶的程度 。但是 , 结合水的性质不同于同一体系中的纯水 ,水的结合程度各不 相同 ,使得各 种 类 型 水 的 作 用 在 淀 粉 老 化 过 程 中 不 是 确 定的7。基于面团的流变性质 ,面团中水分子氢核的驰豫时间反映了水分子的流动性8 。水分对面团流变性质的影响可用离散和连续模型对驰豫数据进行分析9 。图 1 表示样品 中质子振幅与水分含量的函数 。曲线按水分含量分为三个 区 : 区主要是非流动质子相 (a1 和 a2 ) ,含很少的自由质子 。 曲线的起点从含水量 12 %开始 ,当达到 23 %时 ,牢固结合水 相 (a1 ) 稍有下降 ,同时轻度结合的水相 (a3 ) 增加 。随着水分 含量的进一步增加 ,a1 逐渐降低到很低的水平 ,这说明体系 水分含量增加时 ,a1 相质子驰豫减慢 ,自旋 - 自旋驰豫时间 变长 ,使得这部分质子进入 a2 相 。水分增加引起邻近面粉 颗粒的质子驰豫速率的影响有两条 :一是水分增加引起面粉 颗粒的形态结构发生改变 ;二是邻近面粉颗粒的质子与增加 的远离面粉颗粒 23 个分子层的质子相互作用 ,减弱了可 交换面粉颗粒的质子和邻近面粉颗粒的质子之间的交换作 用 。 区中可观察到轻度结合水不断增大 ,表明面团被过剩 的单分子层水所水化 。 区的水分含量已增至 35 % ,a2 相 饱和 。水分含量 35 %时 ,水分会与面团中的某些组分迅速形 成面筋 ,加快脂肪的分配和面团最小延伸性的形成 。水分含 量超过 23 %的时候 ,自由水就开始出现并且迅速升高 ,直至 水分含量 35 %为止 。对曲线的研究表明 ,水分含量 040 % 的面团中水分子分布于几个不同区域 ,且随着水分含量的不 断增加水分子的流动会影响面团的流变性质 。bertram10 等利用低场强的 nmr 研究了猪肉中水分的分 布与流动性 ,发现与额外的肌原纤维蛋白水分子数目相关的nmr 数据和膜完整性的阻抗特性是有联系的 ,并且纵肌的收 缩与横肌缩水是肌原纤维蛋白中水分逸出的主要动力 。es2selink11 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 ,同时水分子流动性增加 ,生面团成型之后网状结构恢复 ,水分子流动性下降 。而 mahawanich12 则通过 nmr 技术发现水分子的流动性与溶 液的甜味口感无关 。pitombo13 的 nmr 光谱研究表明大西洋 马鲛样品中存在三种具有不同驰豫时间 t2 的水质子 , 其中 冷冻干燥样的水分含量增加时 t2 增加 。46互作用的影响 ,这种相互作用的结果是使 t 下降 ,因为结合2作用使得水分子限制了大分子的运动区域 ,而且水分子能够与表面组分交换质子 。凝胶体系中 ,果胶分子的运动严重受 限 ,其自旋能量能与周围水分子迅速地发生交换 。图 2 表示第 20 卷第 2 期范明辉等 :利用脉冲 nmr 研究食品体系中的水分性质p h 6. 0 、1 %浓度 lmp 溶液/ 凝胶的驰豫分散作用曲线 。从图中可以看出 ,体系中凝胶一旦形成 ,表观驰豫速率 r2 迅速从0. 81. 2 s - 1 变化到 5 s - 1 左右 。同时 ,对于凝胶体系 , r2 值 随脉冲间距的变化不大 ,这主要是由于果胶的聚合物体系中 链段的刚性增加 ,相互交联和连接的区域逐渐形成 ,使得分 子旋转的平均时间明显减少 。支链淀粉所构成的连续有序的立体网络中的直链淀粉分子 ,在受热条件下 ,从原本处于无序的亚稳态的螺旋线形伸展为 直线 ,开始从网络中逃出 ,分散于水中并在某种程度上与米粒中的有机物趋向结合 。在糊化过程的第一阶段 ,即可逆吸水阶段 ,水分子开始 进人淀粉粒的非晶质部分 ,与游离的亲水基发生结合 ,因此 t1 有所降低 。如图 3 所示 ,当蒸煮温度上升到 50 时 ,粳米的 t1 由 1080 ms 缩 短 到 892. 6 ms , 糯 米 由 464. 4 ms 降 至354. 5 ms ,籼米也由 809. 5 ms 缩短为 565. 6 ms。当物化过程 进人不可逆吸水阶段时 ,水分子开始进人淀粉粒的内部 ,与 一部分淀粉分子相结合 ,淀粉粒不可逆转地迅速吸收大量的水分 ,自由水与淀粉粒的结合更趋紧密 , t1 继续减小 。在物化温度达到 76 时 ,t1 由 892. 6 ms 变为 423. 2 ms ,降低了大 约一半 。在蒸煮终了水分的存在状态由结合水 、构造水和自 由水 3 种并存变为只有 1 种 ,驰豫时间介于结合水和自由水 之间的 187 ms 。这些都表明在蒸煮过程中 ,随着淀粉的糊化及蛋白质变性等理化反应过程的发生 ,结合水自由水都会与谷粒中有机物结合归于一致 。图 2 1 %lmp 溶液和 1 %lmp 凝胶的横向驰豫分布calucci19 研究了各种条件下水合作用对麸皮迁移率的 影响效果 ,结果证实了环型结构 、拖尾结构对与水结合的麸 皮有效 。pietrzak20 试 验 了 大 豆 中 水 分 在 24 h 内 的 水 合 作用 ,结果显示水合作用是一个多级的反应进程 ,水分通过珠 孔和脐心进入种子 ,水分起初充满子叶之间或子叶与表皮之间 ,然后进入胚芽轴 ,子叶的外部进行的水合作用速率较内部组织快 。alberti21 通过对与小麦面团粘弹性密切相 关 的 小麦蛋白的水合作用研究发现 ,与水结合的高分子麦谷蛋白 亚组分网状结构通过谷氨酰胺残基之间的氢键来稳定 ,也可 能涉及疏水作用 。水溶性和塑化作用随着重复单元长度的 增加而增加 。1. 4 水结合性质水结合与水合都是用来表示水与包括细胞物质在内的 亲水物质缔合的一般倾向的 ,水结合的程度与强度取决于非水成分的本质 、盐的组成 、p h 值和温度等因素6 。最为典型的就是腌肉中的水结合性质 。腌肉制品因选用的腌渍液组 分不同而使本身的持水力存在差异22 。采用自旋 - 晶格驰豫和自旋 - 自旋驰豫研究经食盐和磷酸盐处理的样品中的 水分 ,发现食盐和磷酸盐会增加腌肉的持水力 ,经蒸煮后驰豫时间下降 。如果再压缩 ,时间进一步减少 。事实上 ,大分子表面水分的结合可以提高水相中质子的驰豫 。同样 ,不同 类型的水分子之间或水分子与其它可交换质子的分子之间 ,通过化学交换质子也可提高驰豫 。这种变化的可能原因是 食盐和磷酸盐对肌肉的结构单元产生的影响 ,两者的协同作用使细胞内蛋白质肌纤丝膨胀 、溶解 、断裂 。蒸煮会进一步 造成肌肉的 收 缩 和 水 分 的 损 失 , 加 热 会 引 起 增 溶 蛋 白 的 凝胶 。所有这些都会降低平均扩散距离 ,因旋转运动的偶极 -偶极相互作用效率低 ,使得蛋白质聚集降低了水分质子的驰 豫时间 ,相应地驰豫速率上升 。国内有学者对不同种类大米的蒸煮试验23 发 现 , 随 着 蒸煮过程的进行 ,以游离状态存在的自由水的纵向驰豫时间 t1 逐渐缩短 ,说明这部分水分的游离程度渐趋减弱 。分散在图 3 蒸煮过程中 t1 的变化2 结论与展望水分的物理化学性质对食品品质具有重要意义 ,快速 、准确地测定和分析食品中的水分是检测技术发展的必然要 求 。nmr 是一种优良的评价食 品 品 质 的 技 术 手 段 , 检 测 快 速 、灵敏 、方便 ,除了用于研究食品中的水分 ,在分析淀粉老化 、脂肪的扩散 、蛋白质变性 、玻璃化转变 、食品结块 、质构变化等方面也有广泛的运用 。可以预测的是 ,随着技术的不断 发展 ,利用 nmr 和其它相关技术深入研究食品体系组成的 动力学 、热力 学 及 对 食 品 品 质 的 影 响 将 成 为 今 后 研 究 的 重 点 。参考文献沈淑娟. 波谱分析法m. 上海 :华东工学院出版社 ,1992 ,8692 .王璋 , 许 时 婴 , 汤 坚. 食 品 化 学 m . 北 京 : 中 国 轻 工 业 出 版 社 ,1999 ,1320 .h. w. s. chan. biop hysical methods in food research , 1984 , 117 119 .r. paul singh , m. a. wirakartakusumah. advances in food engineer2ingm. published by crc press , 1992 .o. r. fennema . new york , marcel dekker j . food chemistry ,1996 ,3042 ; 5572 .yu2shiun lin , an2i yeh , chang2yi lii . correlation between starch ret2 rogradation and water mobility as determined by differential scanning calorimetry and nuclear magnetic resonance j . cereal chem , 2001 ,47123456食品安全与检测2004 年第 2 期78 (6) : 647653 .7 h. k. leung , j . a. magnuson. , b. l . bruinsma .sun2min2lee ; jeong2hae2rho . water holding capacity and nmr relax2ation pattern of meats thawed by different methods j . food 2science2and2biotechnology , 2003 ,12 (4) : 321325 .micklander ,2e ; peshlov ,2b ; purslow ,2p2p ; engelsen ,2s2b. nmr2cooking: monitoring the changes in meat during cooking by low2field1h2nmr j . trends 2in2food2science2&2technology , 2002 , 13 ( 9210) : 341346 .w. l . kerr , l . wicker , nmr proton relaxation measurements of water associated with high methoxy and low methoxy pectins j . carbohydrate polymers , 2000 (42) :133144 .calucci ,2l ; forte ,2c ; galleschi ,2l ; geppi ,2m ; ghiringhelli ,2s. 13c and 1h solid state nmr investigation of hydration effects on gluten dy2 namicsj . international journal of biological macromolecules , 2003 ,32(325) : 179189 .pietrzak ,2l2n ; fregeau2reid ,2j ; chatson ,2b ; blackwell ,2b. observa2 tions on water distribution in soybean seed during hydration processes us2 ing nuclear magnetic resonance imaging j . canadian 2journal2of2plant2science , 2002 ,82 (3) : 513519 .alberti ,2e ; gilbert ,2s2m ; tatham ,2a2s ; shewry ,2p2r ; naito ,2a ; okuda ,2k; saito ,2h ; gil ,2a2m. study of wheat high molecular weight1dx5 subunit by 13c and 1h solid2state nmr. ii. roles of nonrepeti2tive terminal domains and length of repetitive domainj . biopolymers ,2002 ,65 (2) : 158168 .rongrong li , w. l . kerr , r. t. toledo , j . a. carpenter . 1h nmr studies of water in chicken breast marinated with different p hosp hates j . j . of food sci . , 2000 ,65 (4) : 575578 .侯彩云 ,等. 蒸煮过程中稻米水分状态的质子核磁共振谱测定j . 农业工程学报 ,2001 ,17 (2) :126131 .15pulsed nuclearmagnetic resonance study of water mobility in flour dough j . j offood sci . , 1979 (44) :14081411 .8 r. roger ruan , xiaoan wang , paul l . chen , r. gary fulcher , peterpesheck , sumana chakrabarti . study of water in dough using nuclearmagnetic resonance j . cereal chem. , 1999 , 76 (2) : 231235 .16bertram ,2h2c ; schafer ,2a ; rosenvold ,2k; andersen ,2h2j . physical changes of significance for early post mortem water distribution in porcinem. longissimusj . meat science , 2004 ,66 (4) : 915924 .esselink ,2e ; aalst ,2h2van ; maliepaard ,2m ; henderson ,2t2m2h ; im2 pact of industrial dough processing on structure : a rheology , nuclear magnet resonance , and electron microscopy studyj . cereal chemistry ,2003 ,80 (4) : 419423 .mahawanich ,2t ; schmidt ,2s2j molecular mobility and the perceived sweetness of sucrose , fructose , and glucose solutions j . food chem 2 istry ,2004 ,84 (2) : 169179 .pitombo ,2r2n2m ; lima ,2g2a2m2r nuclear magnetic resonance and wa2ter activity in measuring the water mobility in pintado ( pseudoplatystoma corruscans) fish j . journal 2of2food2engineering , 2003 , 58 ( 1) : 59 66 .hanne c. bertram , henrik j . andersen , anders h. karlsson. compar2 ative study of low2field nmr relaxation measurements and two traditional methods in the determination of water holding capacity of porkj . meatsci . , 2001 (57) :125132