實驗室分析儀器NMR對食品中水分、淀粉的分析

一、對食品中水分的分析

食品中水分含量的高低以及結合狀態直接對食品的品質、加工特性、穩定性等有重要影響。NMR 的一個重要應用就是研究食品中水分的動力學和物理結構,它可以測定能反映水分子流動性的氫核的縱向弛豫時間 T₁ 和橫向弛豫時間T₂。當水和底物緊密結合時,T₂ 會降低,而游離水的流動性好,有較大的 T₂。這樣就可以推測食品的相關特性。

(1)水分分布

Engelsen 等的試驗結果表明,在焙烤過程中T2曲線顯示了多相性,并可分為3種變化(輕度結合水上升,牢固結合水下降,水相飽和),還觀察到淀粉糊化的主要轉變過程。Margit 等利用低頻率NMR法研究凍藏肉時發現:冷凍溫度越低、凍藏時間越長,肉在解凍、烹飪時的水分損失越多;高 pH 的新鮮肉比正常 pH 值的肌原纖維中水分分布更均勻(如下圖1-1、圖1-2)。

圖1-1 不同冷凍溫度、不同烹飪速率下新鮮肉的弛豫時間T2分布

圖1-2 正常pH和高pH下新鮮肉的弛豫時間T2分布

(2)水分含量

在-40～-20℃下貯藏的牛肉、橘汁和面團等樣品,利用NMR技術進行非凍結水分含量分析時發現:隨著溫度的降低,產品中水分不斷凍結,導致非凍結水分含量顯著減少,由單點斜面圖像可以描繪出產品水分分布的一維、二維圖像,從而為樣品在凍藏過程中如何保證品質提供了依據。利用3種方法即(FID)曲線法、自旋-回波(spin-echo)法、高分辨率 NMR 波譜法對食品含水量進行了對比分析。

(3)水分性質

范明輝等利用 NMR 技術分析研究了與食品品質密切相關的水分子的流動性、持水力、水結合、水化等性質。Esselink 等通過流變學、NMR、電子顯微鏡發現生面團被擠成片狀后其中的麩質網狀結構形成并被打斷,同時水分子的流動性增加,生面團成型之后網狀結構恢復,水分子的流動性下降。Ruth 等利用 NMR 技術對經不同處理的新鮮奶酪進行快速檢測,得出處理方式不同,產品的黏性、硬度以及脫水收縮的能力也不一樣的結論。施高壓、加輔料等處理也可能改變樣品中水的結構和分子性質。

二、對食品中淀粉的分析

NMR 技術用于淀粉研究,主要是利用體系中不同質子的不同弛豫時間來研究淀粉的糊化、回生或玻璃化轉變。分子運動是多聚體玻璃化轉變的基礎,因此,利用脈沖 NMR 研究糖類和蛋白質在玻璃化轉變過程中與剛性成分的自旋-自旋弛豫時間(T₂)的關系。當聚合物處于玻璃態時,T₂ 不隨溫度而變,表現出剛性晶格的性質,玻璃化轉變后,突破剛性晶格的限制,T₂ 隨溫度升高而增大。由T₂ 和溫度曲線可求得Tg。利用 NMR 及其成像技術對大米蒸煮過程中淀粉糊化、水分含量及分布等進行了量化。用¹³C NMR 譜圖的信號強度之比來分析直鏈淀粉、支鏈淀粉以及酸水解和酶水解后的支鏈淀粉樣品的分支程度。采用元素分析法、電泳技術和 NMR 波譜法對表氯醇作用下面粉與 NH₄OH 形成的交聯化合物進行了含量、流動性以及結構特性的分析。

在淀粉及其衍生物中,有許多產物的化學結構十分類似,僅僅是重復單元數不同或原子排列次序不同,這些相似物用紅外光譜或其他一些分析手段無法加以區別,而用¹³C NMR 就能明確區別其結構的微小差異。在淀粉雙螺旋結構的研究中,¹³C NMR 更凸顯它的優勢。

不同生物來源的天然淀粉,它的核磁共振圖譜輪廓上存在相似之處,都產生了4個主要的信號強度區域,分別為 C₁ 區域,C₄ 區域,C₂、C₃、C₅ 區域及 C₆ 區域。但 A-型淀粉在 C₁ 區域表現為特有的三重峰特征,這主要是由其螺旋對稱排列中的3個葡萄糖殘基所致;B-型淀粉則由其對稱排列中的2個葡萄糖殘基形成了特有的雙重峰特征。天然玉米淀粉的 NMR 圖譜見圖1-3,天然馬鈴薯淀粉的 NMR 圖譜見圖1-4。

圖1-3 天然玉米淀粉的NMR圖譜

圖1-4 天然馬鈴薯淀粉的NMR圖譜