核磁共振及其成像技術在食品科學中的應用研究.pdf

1、影響食品質量、貨架期的因素有很多，其中水分是主要的影響因素之一。食品中的很多化學變化等都與水有聯(lián)系，如：蛋白質變性、酶反應活性的變化等等。水也是食品流變學特性的重要決定因素之一。在一些食品的化學、物理變化過程中水也起了無可替代的作用，而這些化學、物理變化對于食品品質、質構及風味等都會產生影響。同時，水是食品易腐敗的原因之一。很久以來人們就意識到食品中水分含量和它的易腐敗性之間存在關系，通過濃縮和脫水過程可以有效地延長食品的保質期。然而，

2、有的不同類型的食品即使水分含量相同，它們的易腐敗性也是有所不同的。導致這種現(xiàn)象產生的原因是由于水和各種非水成分締合強度上的差別引起的。這種差別影響了生物的生長和水解反應的速度。在食品加工、儲藏過程中，其內部水分含量和分布狀態(tài)會發(fā)生改變，這也是造成食品產品品質降低的原因之一。如果能夠采取有效的方法控制食品中的水分遷移，將對提高產品的穩(wěn)定性、貨架期具有積極意義。因此，對于食品中水的作用，水分遷移行為的研究顯然是有必要的，這對于食品加工與保藏

3、機理的研究亦將具有重要指導意義。目前，傳統(tǒng)的研究水分的方法，無法對水分的流動性以及在食品中的分布狀態(tài)進行檢測。而核磁共振及其成像技術是一種有效的研究分子擴散方法，可用于食品體系中的水、脂肪或糖等分子的研究，這些分子在各類食品中又往往攜帶了重要的信息：結構信息，分子所處環(huán)境信息以及在加工、儲藏中內部變化的信息等等，而核磁共振技術的無損檢測特點使其應用于食品科學的研究具有明顯的優(yōu)勢。 基于此，將核磁共振及其成像技術引入到食品科學的應

4、用領域，做一些基礎性的研究，解決核磁共振成像技術(MRI)應用于食品科學研究的最基本的技術問題。旨在尋找準確、適用的研究方法、獲取有助于食品加工、保藏和新產品開發(fā)的知識和理論。 第一章主要介紹了核磁共振及其成像技術在食品科學領域的國內外的研究現(xiàn)狀。由于磁共振成像技術對食品科學研究人員來說還是比較新的技術。 第二章簡單介紹了核磁共振及其成像技術的相關的一些基本慨念、原理。 第三章主要探討了一些醫(yī)學上常用的成像序列在

5、食品科學中的應用。內容涉及自旋回波序列、CPMG序列和反轉恢復序列，通過實驗建立了不同樣品在不同脈沖序列下的各種效果，以及以臍橙為樣品，如似通過可視化編程來獲得不同加權程度的磁共振成像圖，如何消除成像過程中的偽影等等。 第四章主要內容是在成像圖基礎上進一步探討采用Delphi7.0語言編程計算T<,2> Mapping圖的技術。由于跨了專業(yè)，也是本研究一個難點。這部分由于涉及到相關的軟件編程技術。對于食品專業(yè)的研究人員來說，理解

6、起來有些困難。但是這部分工作是NMR/MRI技術在食品科學研究應用的基礎。T<,2> mapping技術的解決，為NMR/MRI技術在食品科學上的應用開辟了廣闊的空間，使得NMR T<,2> mapping技術可以被應用于各種不同食品的研究。結合儲藏實驗，將為探索各種食品儲藏過程中品質變化的規(guī)律、配方的改進等等提供一個全新的方法。 第五章在第四章基礎上對NMR T<,2> mapping技術進行了相關的應用研究。以面包和奶酪為樣

7、品，模擬儲藏過程，利用磁共振弛豫以及成像技術研究面包和奶酪二元體系中水分的遷移情況，進一步了解水分在不同組分中遷移對食品貨架期的影響并對儲藏過程中的水分遷移、T<,2>變化等作了評估。通過3周的貯藏實驗，從三維圖中可直觀觀測到水分在面包和奶酪二元體系中遷移現(xiàn)象，也可從T<,2>分布來監(jiān)測水分從面包向奶酪中的遷移情況。實驗結果表明：面包和奶酪二元體系中水分的擴散作用隨著儲藏期的延長，擴散現(xiàn)象越顯著；油脂有助于水分在面包體系中的擴散作用，由

8、于脂肪的疏水基團的排斥作用，脂肪含量高的面包中水分的遷移速度更快。 第六章是NMR/MRI子系統(tǒng)的設計制造。旨在設計制造一種NMR輔助實驗裝置可以進行變溫NMR實驗得到NMR狀態(tài)圖。NMR狀態(tài)圖，是Roger在2005年首次提出的一個全新概念。是指食品的核磁共振參數(shù)如他豫時間(T<,1>/T<,2>)隨溫度變化的曲線圖。NMR狀態(tài)圖曲線將食品的弛豫現(xiàn)象與其理化特性聯(lián)系起來，反映不同溫度下的T<,1>和T<,2>，狀態(tài)圖與食品的許

9、多理化特性有著良好的相關性。NMR狀態(tài)圖在食品質量與安全、食品成分分析、預測理化性質的變化、化學反應和微生物活性等的應用上很有發(fā)展?jié)摿?。利用NMR狀態(tài)圖可預測食品的貨架期，并為開發(fā)耐儲藏食品(如：軍用食品，航空食品)提供理論指導，同時可縮短新產品的開發(fā)周期，促進我國的食品加工由傳統(tǒng)的經(jīng)驗型走向科學型、定量型的現(xiàn)代化方向發(fā)展。從后面的實驗結果來看，此部分的設計制造能滿足NMR狀態(tài)圖實驗的要求。 第七章是在第六章基礎上進行NMR狀態(tài)

10、圖應用研究。這是緊跟國際上最新的研究動態(tài)，率先在國內開展變溫NMR實驗，研究NMR狀態(tài)圖對Maillard反應的影響研究。通過研究發(fā)現(xiàn)：食品的配方、水分含量對食品的NMR狀態(tài)圖轉折點溫度以及轉折點溫度前后的斜率有影響，NMR狀態(tài)圖轉折點溫度對食品體系的化學反應速率有影響。在NMR轉折點溫度以下貯藏，食品體系中的化學反應明顯要比儲藏在轉折點溫度之上慢，且NMR狀態(tài)圖上轉折點前后的斜率對化學反應速率有影響。實驗結果從理論上解釋NMR狀態(tài)圖對

11、食品配方設計和貯藏期的指導意義，這也是本論文最重要的成果之一。論文沒有對某一種特定的食品進行深入的研究，重點放在NMR/MRI技術方法的應用上。通過實驗及數(shù)據(jù)分析，從如何通過編程獲得一幅穩(wěn)定、清晰、沒有偽影的滿意圖像，到通過圖像的數(shù)據(jù)文件計算T<,2>mapping圖以及T<,2>mapping圖的應用；再到如何設計制作變溫NMR輔助實驗系統(tǒng)、如何獲得NMR狀態(tài)圖，到設計實驗解釋NMR狀態(tài)圖對食品儲藏、配方設計的指導意義，到最后進行了N

12、MR狀態(tài)圖的應用研究，較為系統(tǒng)的完成了NMR/MRI在食品科學中一般性的應用研究。解決了在國內國產MRI成像儀上應用NMR技術進行食品科學應用研究的一些最基本的技術問題。為NMR/MRI技術存食品科學上的應用開辟了一個廣闊的空間。相關技術難題，尤其是T<,2>mapping技術的解決，使得NMRT<,2>mapping技術可以被應用于各種不同食品的研究。為NMR/MRI技術在食品科學上的應用打下了良好的基礎。將這些同樣的方法應用于各種各

13、樣不同的食品將有助于發(fā)現(xiàn)、分析儲藏過程中食品質量變化的規(guī)律，有助于推動NMR技術在食品科學的應用與發(fā)展。從這個角度上說本論文只是一個拋磚引玉的作用。 從核磁共振以及核磁共振成像中獲取信息，探索NMR馳豫參數(shù)在食品保藏過程的變化規(guī)律，理解配方設計與貯藏過程中的NMR馳豫參數(shù)變化的規(guī)律和食品質構之間的相關性，從而最終應用核磁共振及其成像技術來指導食品研究、生產和開發(fā)。這是將核磁共振技術引入食品科學研究的初衷。將這種無損檢測技術引入到