王延麗，楊 震

（赤峰學(xué)院 農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

現(xiàn)代核磁共振(NMR)技術(shù)在食品科學(xué)中的應(yīng)用

王延麗，楊 震

（赤峰學(xué)院 農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的物質(zhì)生活得到了不斷的提高，其中的食品安全問題也得到了越來越多人的高度重視，因此需要應(yīng)用現(xiàn)代化的核磁共振技術(shù)來對其食品科學(xué)做出不斷的研究.在傳統(tǒng)的研究方式當(dāng)中，對于水分的流動(dòng)性以及食品當(dāng)中的水分分布狀態(tài)做出檢測，但是在現(xiàn)代化的研究過程當(dāng)中，核磁共振的的技術(shù)對其中的分子擴(kuò)散方式都做出了科學(xué)的研究，可以在應(yīng)用于在食品體系當(dāng)中的水、脂肪以及糖分等多種領(lǐng)域中.在本文當(dāng)中，首先對NMR的技術(shù)做出了概念分析；其次在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對食品研究中的NMR方式的應(yīng)用做出了分析和研究；最后對其NMR進(jìn)行編程語言計(jì)算的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了mapping圖的繪制研究；最后得出了其NMR狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì).

核磁共振；技術(shù)；食品科學(xué)；應(yīng)用

在現(xiàn)代社會(huì)的科學(xué)發(fā)展過程當(dāng)中，原子核在外磁場當(dāng)中受到了磁化，就會(huì)產(chǎn)生過一定頻率的震動(dòng).核磁共振，主要指的是具有固定磁矩的原子核，在外加的能量和原子核的震動(dòng)頻率相同的情況下，原子核在吸收能量會(huì)發(fā)生能量越級(jí)躍遷的現(xiàn)象，產(chǎn)生共振的過程就會(huì)產(chǎn)生吸收信號(hào)，在這個(gè)過程當(dāng)中就會(huì)產(chǎn)生核磁共振的現(xiàn)象.因此在現(xiàn)代科學(xué)的應(yīng)用過程當(dāng)中，需要建立NMR的方式來對有機(jī)物質(zhì)當(dāng)中的分子結(jié)構(gòu)以及反應(yīng)過程進(jìn)行研究.在應(yīng)用此種情況下，可以保證不入侵的同時(shí)，還可以對樣品進(jìn)行快速以及全方位的定量測定分析.

1 核磁共振的概述

在現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)不斷應(yīng)用的今天，核磁共振的技術(shù)得到了不斷的發(fā)展，其中主要利用了原子核當(dāng)中磁性，從而根據(jù)其自身的特性對其自旋特性做出研究，在這個(gè)過程當(dāng)中，其中的自旋和其質(zhì)量在微觀粒子方面是具有相同的特性的.在我國現(xiàn)階段的研究過程當(dāng)中，自旋的來源研究方面還不是很清楚，但是對于其性質(zhì)方面的研究進(jìn)行了軌道角動(dòng)量的和軌道磁矩的研究，利用其復(fù)雜的物理學(xué)原理和概念進(jìn)行了充分的研究.在核磁共振的概念當(dāng)中，主要是利用其中的感應(yīng)線圈當(dāng)中所具有的模擬信號(hào)，在一定的方式之下不斷地對其轉(zhuǎn)變成為了數(shù)字信號(hào)，最后利用圖像的方式進(jìn)行組建出模型信號(hào).在對信號(hào)采集的過程當(dāng)中，需要對其中的模擬信號(hào)通過一定的技術(shù)手段來充分的轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號(hào)，在一定程度上對信號(hào)的采集過程還需要符合其信號(hào)采集的相關(guān)的規(guī)定.在對信號(hào)轉(zhuǎn)換成為圖形進(jìn)行顯示的過程當(dāng)中，需要對其中的成像方式進(jìn)行全面的了解，最終對其中原始數(shù)據(jù)的排列方式有一個(gè)全面的定位，從而有效的實(shí)現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的有效提取，最終轉(zhuǎn)化成為我們研究過程中所需要的數(shù)字信號(hào).在對其核磁共振的信號(hào)進(jìn)行射頻顯示信號(hào)檢測的過程當(dāng)中，需要從特定的組織當(dāng)中對其核磁共振的信號(hào)強(qiáng)度做出全面充分的了解，最終可以有效地實(shí)現(xiàn)在一定時(shí)間的范圍之內(nèi)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的不斷的測量.也就是說，在利用核磁共振的過程當(dāng)中，其實(shí)是一個(gè)具有多種參數(shù)來共同組成的參數(shù)成像技術(shù).其中對于各種參數(shù)的設(shè)定需要根據(jù)其不同的序列來采取不同的方式和方法.從而在數(shù)據(jù)搜集的過程中，可以針對于不同的序列和參數(shù)情況下保證其數(shù)據(jù)處于正常的范圍之內(nèi).

2 探討適用于食品研究的NMR應(yīng)用

在本文的實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中需要對我國現(xiàn)階段當(dāng)中的序列測定方法在食品研究的過程當(dāng)中的應(yīng)用做出全面充分的了解，在序列測定的方式方法當(dāng)中主要利用其中的數(shù)據(jù)信號(hào)所產(chǎn)生的脈沖來做出檢測，在加入一個(gè)脈沖之后，需要再加入脈沖.在此種情況下，可以充分地保證其中的脈沖在平衡磁化強(qiáng)度當(dāng)中可以最大限度的進(jìn)行翻轉(zhuǎn)到一軸方向.

之后在加入脈沖信號(hào)之后，需要保證一定時(shí)間的停留之后再次進(jìn)行脈沖信號(hào)的加入，在此種方式方法下，可以最大限度的對磁化的強(qiáng)度達(dá)到一個(gè)衰減的作用，由于其中的時(shí)間延長的情況下，可以對信號(hào)當(dāng)中的磁化強(qiáng)度到一個(gè)增大的作用.在進(jìn)行測驗(yàn)的過程當(dāng)中，需要對其中的延長時(shí)間以及間隔關(guān)系進(jìn)行不斷的了解和強(qiáng)化.在進(jìn)行測量的過程當(dāng)中，利用不同的測量時(shí)間來對其中的數(shù)據(jù)繪制出相對應(yīng)的譜，最終利用圖形的方式進(jìn)行表現(xiàn).

一般情況下，在對外加磁場進(jìn)行研究的過程當(dāng)中，會(huì)最大限度的受到射頻脈沖的激發(fā)制約影響，最終保證其在自旋系統(tǒng)內(nèi)部達(dá)到橫向熱平衡的過程.在這個(gè)過程的所需要消耗的時(shí)間一般都會(huì)稱之為自旋一自旋馳豫時(shí)間，主要來自于自旋質(zhì)子之間的相互作用.在一定的相互作用之下，對于其中的質(zhì)子就會(huì)產(chǎn)生無序化的表現(xiàn).在這個(gè)過程當(dāng)中，可以充分對其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以及其中質(zhì)子的自由程度保持的對應(yīng)的關(guān)系，其中的質(zhì)子的弛豫行為通常是以指數(shù)的形式衰減來進(jìn)行體現(xiàn)的，我們在研究的過程當(dāng)中，可以利用其中所產(chǎn)生的衰減曲線來對其中的弛豫時(shí)間進(jìn)行表現(xiàn).在食品體系當(dāng)中，其中的所具備的多組分體系是相當(dāng)復(fù)雜的，因此會(huì)出現(xiàn)有兩個(gè)甚至更多的弛豫時(shí)間不相同的水分的現(xiàn)象.因此在此種情況下，就不能用單指數(shù)模型來描述休系中質(zhì)子的弛豫行為.需要根據(jù)其核磁共振當(dāng)中的所檢測到的信號(hào)樣品特點(diǎn)來進(jìn)行弛豫特性的研究，也就是需要在測量中設(shè)法消除外加恒定磁場.

3 NMR進(jìn)行編程語言計(jì)算的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了mapping圖的繪制

在實(shí)驗(yàn)中，還需要對其測量所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形的繪制，從而根據(jù)其中該數(shù)據(jù)參數(shù)的變化來對其中心頻率做出全面的調(diào)整，在對其層面以及圖像位置所產(chǎn)生的位移現(xiàn)象做出分析的時(shí)候，需要對其中的測量參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而避免出現(xiàn)影響測量的準(zhǔn)確性的現(xiàn)象，在對其預(yù)掃描參數(shù)進(jìn)行發(fā)射機(jī)增益以及接收機(jī)增益的時(shí)候，其中的參數(shù)是可以維持在原先的狀態(tài)不發(fā)生改變的.其中的信號(hào)在放大設(shè)備的情況下，對于其中的像素信號(hào)值的大小就會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響.因此在對圖像進(jìn)行繪制的過程當(dāng)中，其中的參數(shù)值在不斷變化的情況下，其中的成像圖對比度會(huì)出現(xiàn)一個(gè)由小到大的過程.形成此種現(xiàn)象的原因主要是由于其中的序列中所在呈現(xiàn)出的脈沖信號(hào)所造成的，最終對其圖像的對比度造成了一定程度的影響.因此在此種情況下，在實(shí)際的成像實(shí)驗(yàn)中，可以首先對一個(gè)序列進(jìn)行編碼梯度的調(diào)整，在重復(fù)的掃描的情況下，對其回波信號(hào)進(jìn)行觀察，從而可以根據(jù)其回波信號(hào)所產(chǎn)生的參數(shù)值的大小來判斷出其信號(hào)的大小，最終實(shí)現(xiàn)參數(shù)值的精確計(jì)算.

4 NMR狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在利用核磁共振的技術(shù)對食品安全體系做出分析的過程當(dāng)中，需要將食品的弛豫現(xiàn)象與其理化特性聯(lián)系起來，也就是利用其狀態(tài)圖的方式來對不同溫度下的狀態(tài)圖與食品的許多理化特性有著良好的相關(guān)性進(jìn)行充分的反應(yīng).在利用狀態(tài)圖對食品轉(zhuǎn)折點(diǎn)進(jìn)行分析的過程當(dāng)中，需要對其特性做出全面的了解.

在本文當(dāng)中，主要對在其粉末食品在儲(chǔ)藏時(shí)所呈現(xiàn)出來的狀態(tài)圖進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)有的食品在狀態(tài)圖轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度以下依然可能結(jié)塊，但是相反的儲(chǔ)藏在拐點(diǎn)溫度以上時(shí)并不會(huì)發(fā)生結(jié)塊的現(xiàn)象.在此種現(xiàn)象下，可以充分的說明其結(jié)塊的顯現(xiàn)在和食品本身有關(guān)系的同時(shí)，還和食品自身的成分質(zhì)量有著相當(dāng)大的關(guān)系.也就是說在儲(chǔ)藏溫度以及拐點(diǎn)溫度的一定范圍之內(nèi)，對于物質(zhì)其中得所發(fā)生的性質(zhì)變化，在一定程度上可能會(huì)造成食品自身的結(jié)塊現(xiàn)象.在實(shí)驗(yàn)的過程當(dāng)中，可以利用等利用酸二鈉和水解動(dòng)物蛋白為原料，在不同的比例狀態(tài)混合下所得到的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)圖做出科學(xué)的分析.在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的兩種物質(zhì)利用不同比例進(jìn)行混合的過程當(dāng)中，其中所體現(xiàn)出來的曲線在模式方面是具有不同的狀態(tài)的.其中的狀態(tài)曲線圖在不斷增加的過程當(dāng)中，其中的曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)就會(huì)呈現(xiàn)出往右移動(dòng)的現(xiàn)象.

在不斷的變化過程當(dāng)中，其中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)的溫度和其樣品當(dāng)中的成分是呈現(xiàn)出正比的關(guān)系的，會(huì)隨增加而呈線性增加，并且轉(zhuǎn)折點(diǎn)前后的斜率明顯變化，因此在對樣品的組成成分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，可以利用對其中樣品組成成分的改變來得到全面的發(fā)展.

在此種情況下，在利用核磁共振的原理下可以對其磁共振成像輔助試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用和加工，在此系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過程當(dāng)中，可以用于食品和生物材料的冷凍、冷卻、加熱和干燥.在系統(tǒng)中，主要是由冷空氣裝置和加熱空氣裝置、計(jì)算機(jī)控制設(shè)備計(jì)算機(jī)、光纖溫控感應(yīng)器來共同組成的，其中的原理設(shè)計(jì)制造圖如圖1所示.

圖1 狀態(tài)圖溫控系統(tǒng)工作原理圖

在對其設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)加工制造完成后，就可以利用以上設(shè)備以面包為樣品進(jìn)行的預(yù)實(shí)驗(yàn)，對其狀態(tài)圖進(jìn)行有效的觀察，其中的狀態(tài)圖結(jié)果圖如圖2所示.

圖2 樣品的狀態(tài)圖

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,基本滿足試驗(yàn)的要求.在設(shè)備的應(yīng)用過程當(dāng)中，需要保證數(shù)據(jù)在低溫和高溫的狀態(tài)階段情況下，可以最大限度地對數(shù)據(jù)做出分析.在樣品的實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，會(huì)由于樣品自身的溫度對磁體造成一定程度的影響，因此需要設(shè)備有良好的隔熱效果.

5 結(jié)語

綜上所述，核磁共振已經(jīng)成為了一種先進(jìn)的檢測技術(shù)，在食品科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用過程當(dāng)中，需要進(jìn)行不斷的優(yōu)化和發(fā)展，對這樣一種非破壞性的分析手段進(jìn)行掌握和了解，從而保證對食品物質(zhì)當(dāng)中的一系列狀態(tài)做出掌握，比如食品物質(zhì)當(dāng)中的水分活性狀態(tài)以及水分的分布和遷移等.利用專門的軟件編程技術(shù)來對其食品的一系列做出數(shù)據(jù)分析，從而為食品的倉儲(chǔ)過程、品質(zhì)變化的規(guī)律以及配方的改進(jìn)等提供一個(gè)全新的方式和方法.

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2017-06-24