劉 敏，王 欣，劉寶林

(上海理工大學 食品質量與安全研究所，上海 200093)

低場核磁共振(Low－field nuclear magnetic resonance，LF－NMR)一般指恒定磁場強度低于0.5 T的核磁共振現象［1］，可通過1H LF－NMR檢測獲得弛豫過程對應的弛豫時間及其面積分數等弛豫信息，來反映被測體系中氫質子的狀態(tài)及變化。LF－NMR技術以其快速、無損、樣品用量少等特點［2］，已成為食品品質分析、地質探測和農業(yè)科技［3－6］等領域研究和應用的熱點之一。前期針對水－乙醇二元體系的低場核磁共振弛豫特性研究表明，不同濃度下水－乙醇體系的低場核磁弛豫響應與體系的氫鍵締合狀態(tài)存在良好的關聯［7］。對于釀造酒類(如白酒、葡萄酒、黃酒等)，雖然其主要成分為水和乙醇，但溶于水和乙醇中的無機鹽類(如CaCl2，Na2SO4，Na2CO3，MgSO4，NaOH，NaCl等)會促進或者破壞水、乙醇的氫鍵締合作用［8］，進而影響酒的刺激感及柔和醇厚感。因此，研究常見的無機鹽對乙醇－水體系氫鍵締合的影響，有助于認識無機鹽對釀造酒品質的影響規(guī)律。

LF－NMR弛豫特性一般可包含單組分弛豫時間(T2w)、多組分弛豫圖譜中各弛豫峰對應的弛豫時間T(單位:ms)和各弛豫峰所占的面積比例S(%)等，原始信息豐富，但一般的直觀運用分析往往不利于有效反映樣品的變化規(guī)律及樣品間的整體差異。研究表明，主成分分析(Principal components analysis，PCA)可在不丟失原始變量信息的情況下簡約數據，有助于分析樣品間的整體差異［9］。Indrasti等［10］利用氣相色譜－質譜聯用(GC－MS)并結合主成分分析方法，實現了對不同種類動物脂肪的有效識別。姜潮等［11］則發(fā)現利用LF－NMR結合主成分分析可有效區(qū)分純牛乳和摻入不同物質的摻假牛乳。吳藝影等［12］基于正常肉及注膠肉的LF－NMR弛豫特性，應用主成分分析實現了對正常肉與注膠肉的快速區(qū)分。

因此，本文以常見3種無機鹽(MgSO4，NaOH，NaCl)為代表，研究了不同種類、濃度的無機鹽對乙醇－水體系LF－NMR弛豫特性的影響規(guī)律，并應用PCA對所獲得的弛豫特性進行提煉分析。這對于依據樣品的LF－NMR弛豫特性快速分析無機鹽對乙醇－水的締合特性有重要意義。

1 實驗部分

1.1 材料與設備

無水乙醇(99.7%)、無水MgSO4、NaCl、NaOH(分析純，上海國藥集團化學試劑有限公司);實驗用水為去離子水(自制)。

PQ001型LF－NMR核磁共振分析儀(氫譜，磁場強度0.5±0.08 T，共振頻率21.3 MHz，上海紐邁電子科技有限公司，配套T－Invfit反演擬合軟件和Φ15 mm核磁試管);HH·S21型恒溫水浴鍋(上海博訊實業(yè)有限公司)。

1.2 實驗設計

1.2.1 樣品配制 以水為對照溶劑，15%(體積分數)的乙醇－水溶液為基礎體系，分別配制不同體積分數的MgSO4，NaOH，NaCl(0%～9%)溶液，并存放于23.7℃，50%相對濕度環(huán)境中備用。

1.2.2 LF－NMR弛豫特性分析 準確移取3 mL已恒溫至儀器工作溫度(32℃)的待測溶液至核磁管中，置于核磁探頭中穩(wěn)定1 min后在以下參數條件下采集信號:CPMG序列，采樣頻率(SW)為250.0 kHz、重復采樣等待時間(TR)為20 000 ms、重復掃描次數(NS)為4次、半回波時間(τ)為500 μs、回波個數(EC)為16 000個。

1.3 數據處理方法

檢測樣品均設3次平行，每個樣品重復檢測3次，以保證結果的可靠性。

利用T－Invfit軟件對LF－NMR弛豫檢測得到的自由誘導指數衰減曲線進行反演擬合，將樣品看作一個整體組分分析時，可反演得到樣品的單組分弛豫時間(T2w，ms)。將樣品看作多組分分析時，可反演得到樣品的多組分弛豫圖譜(T2，ms)，并獲知各弛豫峰的弛豫時間T2i(i=1，2，…)及相應的峰面積比例S2i(i=1，2，…)。

將反演得到的樣品LF－NMR弛豫特性的5個變量(T2w，T21，T22，S21，S22)數據用SPSS 17.0軟件進行主成分(PCA)分析，應用Origin 8.0繪圖。

2 結果與討論

2.1 LF－NMR多組分弛豫(T2)圖譜

2.1.1 乙醇、水及乙醇－水體系 乙醇、水及乙醇(15%)－水體系的多組分弛豫(T2)圖譜如圖1所示。圖1表明，在多組分弛豫(T2)圖譜中，水、乙醇及乙醇－水體系均出現1個弛豫峰，且弛豫時間存在一定的區(qū)別，即:水＞15%乙醇－水＞乙醇。這是由于，乙醇中包含有CH3—，CH2—和—OH基團，而水僅含有H—及—OH基團，因此乙醇分子間的束縛作用相對較強，而布朗運動會相對減弱，導致乙醇分子在核磁場中的弛豫相對較快，表現為其橫向弛豫時間(T2)相對較短，使乙醇的弛豫峰出現在水之前，且二者化學結構、分子量的區(qū)別等使得弛豫峰形也有所區(qū)別。而乙醇 －水(15%)體系中包含了水－水、水－乙醇、乙醇－乙醇等分子間的多種氫鍵締合［13］，從而使氫鍵及分子間的作用相對加強，因此，乙醇－水體系的橫向弛豫時間縮短，弛豫峰相對左移，介于水和乙醇的弛豫峰之間。

2.1.2 無機鹽－水體系 5%無機鹽－水體系的多組分弛豫(T2)圖譜如圖2所示。由圖2可知，在多組分弛豫(T2)圖譜中，無機鹽－水二元體系出現了一個區(qū)別于水的弛豫時間的新弛豫峰，且MgSO4＞NaOH＞NaCl。向水中加入無機鹽后，無機鹽將由緊密離子對變成疏松離子對，而后成為接觸離子對，最后形成分散的離子［14］。在此過程中，無機鹽可與水形成水合團簇，且其離子可與水分子間氫鍵締合;所以，無機鹽－水體系的弛豫峰不同于水，是多種因素綜合作用的結果。

圖1 乙醇、水及乙醇－水體系的多組分弛豫(T2)圖譜Fig.1 Multi-component relaxation map of ethanol，water，15%ethanol－water system

圖2 無機鹽－水體系的多組分弛豫(T2)圖譜Fig.2 Multi-component relaxation map of mineral salt－water system

2.1.3 無機鹽－乙醇－水體系 5%無機鹽－乙醇－水體系的多組分弛豫(T2)圖譜如圖3所示。由圖3可知，與二元體系多組分弛豫(T2)圖譜不同，無機鹽－乙醇－水三元體系出現2個弛豫峰，即在主弛豫峰前或后會出現1個新的弛豫峰(圖3插圖)。對NaCl/NaOH－乙醇－水體系的T2圖譜而言，其圖譜中不僅存在與NaCl/NaOH－水體系弛豫時間相近(1 300～1 600 ms間)、峰面積比例較大(99%以上)的弛豫峰，且在其左側，約200～330 ms處穩(wěn)定出現了峰面積比例相對較小(約0.5%)的1個弛豫峰;而MgSO4－乙醇－水體系則在主特征峰(250～335 ms，92%)的右側出現了區(qū)別于二元體系的特征峰(1 620～1 707 ms，8%)。這可能是由于乙醇(C2H6O)本身在核磁場中存在響應，可作為氫供體和氫受體與水分子、無機鹽分子間發(fā)生復雜的氫鍵締合所致。在無機鹽溶解的過程中，鹽離子與乙醇會爭奪水分子。由于水的介電常數(80.1 F/m)和極性(10.1 D)均大于乙醇(24.6 F/m，4.3 D)［14］，所以，無機鹽離子與水之間較強的靜電作用和極性作用將會削弱水與乙醇、無機鹽離子與乙醇間的作用，導致原本完全混溶的乙醇－水或部分混溶的無機鹽－乙醇體系的溶解度降低而發(fā)生分離，相應地，不同締合狀態(tài)所產生一定的核磁信號也有一定區(qū)別，在T2圖譜中表現為在不同弛豫時間產生特定的弛豫峰。

不同無機鹽對醇水混溶體系的影響不同。雖然NaOH易溶于乙醇［16］，但當向醇水溶液中加入NaOH或NaCl時，體系中乙醇的比例相對較大，且強極性的水優(yōu)先與其發(fā)生締合，其所包含的氫質子在弛豫圖譜上出現與其二元體系弛豫時間類似的弛豫峰;對微溶于乙醇的MgSO4而言［16］，由于乙醇對水分子的競爭，會使MgSO4·6(7)H2O水合物脫水，脫離出的水分子可與乙醇發(fā)生氫鍵締合作用，使其包含的氫質子在弛豫圖譜上產生新的響應信號，表現為出現區(qū)別于主弛豫峰的小峰。

圖3 無機鹽－乙醇－水體系的多組分弛豫(T2)圖譜Fig.3 Multi-component relaxation map of mineral salt-ethanol-water system

由以上分析可知，無機鹽在不同體系中的LF－NMR多組分弛豫(T2)圖譜有所不同，可反映為其T2圖譜中的T2w，T21，T22，S21，S22等弛豫信息的區(qū)別，為有效認識這些弛豫信息的整體變化規(guī)律，借助于主成分分析，對不同濃度下3種無機鹽在2種體系中共180個樣品的低場核磁弛豫信息進行了深入分析。

2.2 LF－NMR弛豫特性的主成分分析

2.2.1 無機鹽－水體系與無機鹽－乙醇－水體系的區(qū)分 不同樣品種類間的差異可通過PCA得分圖上的間隔距離表征，間隔越遠說明其差別越大［11］。主成分貢獻率表示該主成分所反映的原始變量的信息量，累計貢獻率表示相應的幾個主成分累計所能反映原始變量的信息量［17］，圖中的每一個圓圈代表某種樣品的整體特性。

(1)NaCl－水及NaCl－乙醇－水體系:對NaCl－水及NaCl－乙醇－水體系的LF－NMR弛豫特性數據標準化后進行主成分分析，比較各主成分的特征值及貢獻率可以發(fā)現，僅有一個主成分的特征值大于1，將其記為主成分1(PC1)，其累積貢獻值占總樣品信息的83.471%，說明PC1保留了83.471%的原始數據信息，能較好地反映所有變量的原有信息。進一步分析得到各原始LF－NMR變量在PC1上的載荷，發(fā)現T2W，T22和S22在PC1上的載荷分別為0.958，0.958，0.899，說明與PC1呈顯著正相關;而T21，S21在PC1上的載荷分別為－0.908，－0.839，與PC1呈顯著負相關。主成分1(PC1)的表達式(F)如下:

通過主成分表達式計算每個樣品的得分，并繪制主成分得分圖，結果如圖4所示。由圖4可知，主成分1(PC1)的貢獻率達83.471%，即PC1保留了83.471%的原始數據信息，可較好地反映原始變量所含信息。水和NaCl－水體系主要分布于第一象限，而乙醇－水及NaCl－乙醇－水體系則分布于第四象限，且各體系間在PCA得分圖中的樣品分布及間距可明顯區(qū)分。隨著NaCl濃度的增加，NaCl－水、NaCl－乙醇－水體系的樣品分布均呈現從右上向左下的移動規(guī)律;可實現對不同濃度的NaCl－水及NaCl－乙醇－水樣品的區(qū)分。

(2)MgSO4－水及MgSO4－乙醇－水體系:將MgSO4－水及MgSO4－乙醇－水體系的LF－NMR弛豫特性標準化數據進行主成分分析，可得到相應變量在該主成分中的載荷及方差貢獻率，如表1所示。

圖4 NaCl－水及NaCl－乙醇－水體系的PC1得分圖Fig.4 PC1scores of NaCl－water and NaCl－ethanol－water systems

由表1可知，樣品的原始弛豫特性可由2個主成分表示，PC1和 PC2的貢獻率分別為64.554%和26.949%，累計貢獻值達91.503%;即這兩個主成分保留了91.503%的原始數據信息，能較好反映所有變量的原有信息。其中，S22，T21和 T2W在 PC1中起重要作用，而 S21對PC2貢獻較大。對樣品的LF－NMR弛豫特性數據進行分析，建立各主成分的表達式如下:

以PC1，PC2的綜合評價指標得分值(F1，F2)繪制主成分得分圖，結果如圖5所示。

由圖5可知，MgSO4－水及MgSO4－乙醇－水兩體系在PCA得分圖上可明顯區(qū)分。當以水為對照時，隨著MgSO4濃度的增加，MgSO4－水體系的樣品分布在PC1軸上從右向左推移，同時，在PC2軸上整體從上向下移動，在圖上的分布呈現從右上向左下的移動規(guī)律;當以乙醇－水為對照時，隨著MgSO4濃度的增加，MgSO4－乙醇－水體系的樣品分布在PC1軸上整體從左向右推移，同時，在PC2軸上整體從上向下移動，在圖上的分布呈現從左上向右下的移動規(guī)律。

(3)NaOH－水及NaOH－乙醇－水體系:將NaOH－水及NaOH－乙醇－水體系的LF－NMR弛豫特性標準化數據進行主成分分析，可得到相應變量在該主成分中的載荷及方差貢獻率，如表2所示。

由表2可知，樣品的弛豫特性可由2個主成分表示。PC1和PC2的貢獻率分別為64.821%和33.038%，累計貢獻值達97.859%;即這兩個主成分保留了97.859%的原始數據信息。其中S21、S22和T21在PC1中起決定作用，而 T2w對PC2貢獻顯著。對樣品的LF－NMR弛豫特性數據進行分析，建立各主成分的表達式如下:

表1 LF－NMR弛豫特性在主成分中的載荷及累計方差貢獻率Table 1 Principal component loading and cumulative variance contribution rate of LF－NMR characteristics

圖5 MgSO4－水及MgSO4－乙醇－水體系的PC1和PC2得分圖Fig.5 PC1and PC2scores of MgSO4－water and MgSO4－ethanol－water system

表2 LF－NMR弛豫特性在主成分中的載荷及累計方差貢獻率Table 2 Principal component loading and cumulative variance contribution rate of LF－NMR characteristics

以PC1、PC2的綜合評價指標得分值(F1，F2)繪制主成分得分圖，結果如圖6所示。由圖6可知，水與乙醇－水的樣品分布位置可明顯區(qū)分，且隨著NaOH濃度的增加，NaOH－水及NaOH－乙醇－水體系的樣品分布在PC1軸上整體從右向左推移，同時，在PC2軸上整體從下向上移動，體系間可區(qū)分;NaOH－水體系整體位于斜線下方，而NaOH－乙醇－水體系則整體位于其上方，濃度梯度不同，樣品分布的間距也不同，可表征增加NaOH濃度對體系LF－NMR弛豫特性的影響。

圖6 NaOH－水及NaOH－乙醇－水體系的PC1和PC2得分圖Fig.6 PC1and PC2scores of NaOH－water and NaOH－ethanol－water system

2.2.2 無機鹽－水體系 將NaCl/MgSO4/NaOH－水體系的LF－NMR弛豫特性數據標準化后進行主成分分析，可得到1個主成分，其主成分分布如圖7所示。由圖7可知，主成分1(PC1)的貢獻率達98.539%，即PC1保留了98.539%的原始數據信息，可較好反映原始變量所含信息。純水體系及不同無機鹽－水體系可在PCA得分圖上有效區(qū)分;不同無機鹽體系間亦可明顯區(qū)分，且各體系內均隨濃度梯度的增加呈從右上方逐漸向左下方移動的規(guī)律。各體系的樣品分布間距為:MgSO4＞NaOH＞NaCl，即MgSO4水體系與純水體系的間隔距離最大，說明二者的差別最大;其次為NaOH和NaCl。應用PCA對低場核磁共振弛豫特征數據分析提煉后，有助于辨識水中是否含有一定濃度的NaCl/MgSO4/NaOH等無機鹽。

圖7 NaCl/MgSO4/NaOH－水體系的PC1得分圖Fig.7 PC1scores of NaCl/MgSO4/NaOH－water system

2.2.3 無機鹽－乙醇－水體系 將NaCl/MgSO4/NaOH－乙醇－水體系的LF－NMR弛豫特性標準化數據進行主成分分析，結果如圖8所示。由圖8可知，通過主成分分析可得到1個主成分(PC1)，其貢獻率達88.034%，可較好反映原始變量所含信息。在PCA得分圖中，乙醇－水與無機鹽－乙醇－水的樣品分布可明顯區(qū)分;NaCl/MgSO4/NaOH－乙醇－水體系的樣品分布及間距不同，各體系的樣品分布從圖的右上至左下依次為:NaOH－乙醇－水、NaCl－乙醇－水、乙醇－水、MgSO4－乙醇－水;且隨著無機鹽濃度的增加，各體系內部亦呈現從右上方逐漸向左下方移動的趨勢。其中，MgSO4－乙醇－水體系與乙醇－水體系的間距最遠，說明二者的差別最大;而NaOH－乙醇－水及NaCl－乙醇－水體系的分布相對較近，且與乙醇－水的間隔距離也較小，這與“2.1.3”中對其弛豫響應機理的分析相符。

圖8 NaCl/MgSO4/NaOH－乙醇－水體系的PC1得分圖Fig.8 PC1scores of NaCl/MgSO4/NaOH －ethanolwater system

3 結論

本文研究了無機鹽的種類(NaCl，MgSO4，NaOH)及濃度對乙醇－水體系LF－NMR弛豫特性的影響規(guī)律，并應用PCA對所獲得的弛豫特性進行了提煉分析。研究表明:NaCl，MgSO4，NaOH會對水及乙醇－水體系的LF－NMR弛豫特性產生顯著的影響，反映為T2圖譜中的T2w，T21，T22，S21，S22等弛豫信息的區(qū)別，無機鹽－水二元體系僅存在1個弛豫峰，且弛豫時間:MgSO4＞NaOH＞NaCl。而無機鹽－乙醇－水三元體系則存在2個弛豫峰，NaCl/NaOH－乙醇－水體系在200～330 ms處出現了新的弛豫峰;而MgSO4－乙醇－水體系則在1 620～1 707 ms出現了新的弛豫峰。弛豫峰的出現及位置與體系內部乙醇與水、無機鹽分子間發(fā)生復雜的氫鍵締合有關。

主成分分析表明:不同種類無機鹽、水和乙醇－水體系間的LF－NMR弛豫特性差異均可在PCA得分圖上得到有效反映，且隨著無機鹽濃度的增加，各樣品系列在主成分得分圖中亦呈規(guī)律性分布。說明應用PCA對低場核磁共振弛豫特征數據分析提煉后，有助于辨識水中是否含有一定濃度的NaCl/MgSO4/NaOH等無機鹽。這對于依據樣品的LF－NMR弛豫特性快速分析無機鹽對水/乙醇－水的締合特性具有重要意義。

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