葡萄酒的低場(chǎng)核磁共振弛豫譜*

李 彥,劉 青,蹇華麗，楊幼慧

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.廣東檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心食品實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510623)

核磁共振是指在外磁場(chǎng)中物質(zhì)原子核自旋磁矩與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生原子能級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)，(射頻)光子在滿足選擇定則(能量守恒和角動(dòng)量守恒)的條件下可被共振吸收。物質(zhì)中不同原子所處的內(nèi)部局域場(chǎng)存在差異，處在同一外磁場(chǎng)中不同類型原子核產(chǎn)生共振吸收所需的光子能量(頻率)也不相同，從而形成核磁共振波譜(頻域譜)，它反映了物質(zhì)原子的化學(xué)位移。事實(shí)上，發(fā)生磁共振吸收之后，由于物質(zhì)內(nèi)部的相互作用而致使被激發(fā)至激發(fā)態(tài)的核子經(jīng)過(guò)一定時(shí)間之后將回到原來(lái)的基態(tài)，即它們處在激發(fā)態(tài)具有壽命，或稱之為核磁共振弛豫時(shí)間。原理上又可分為縱向弛豫時(shí)間T1和橫向弛豫時(shí)間T2，前者描述核子自旋—晶格相互作用，而后者則反映核子自旋—自旋之間的作用。物質(zhì)中不同類型原子核的相互作用不同，它們處在激發(fā)態(tài)的壽命也不相等，由此可獲得物質(zhì)的核磁共振弛豫譜(時(shí)域譜)。共振弛豫時(shí)間是物質(zhì)本征參數(shù)，與外磁場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)。

低場(chǎng)核磁共振弛豫(包括磁共振成像)技術(shù)是當(dāng)前食品研究的熱門課題[1-11]。特別是，利用1H-核磁共振可以有效地測(cè)量食品中水分[12-14]、油脂和酒精等組分的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[15-17]，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損、無(wú)侵入式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)食品加工、運(yùn)輸、貯藏和貨架期。本文以葡萄酒為研究對(duì)象，探討核磁共振弛豫技術(shù)的食品(主要)組分檢測(cè)分析方法。雖然葡萄酒成分復(fù)雜，但其主要組分是水和酒精，水中O-H基和乙醇中C-H基是產(chǎn)生1H-核磁共振吸收的物理基礎(chǔ)，由于各自的內(nèi)部相互作用不同，它們所產(chǎn)生的共振吸收頻率及對(duì)應(yīng)的弛豫時(shí)間(壽命)都不相同。本文僅研究葡萄酒中水和酒精的核磁共振時(shí)域譜，并通過(guò)改變兩者體積濃度配比確定弛豫譜的歸屬問(wèn)題，為后續(xù)葡萄酒質(zhì)量檢測(cè)分析提供理論依據(jù)。

1 原理與方法

圖1說(shuō)明了核磁共振波譜(頻域譜)方法與核磁共振弛豫譜(時(shí)域譜)分析的原理差異。假設(shè)材料中有兩種不同原子，由于內(nèi)部局域場(chǎng)差異在同一(較強(qiáng))外磁場(chǎng)中產(chǎn)生可觀測(cè)的不等精細(xì)能級(jí)間隔，從而獲得兩個(gè)不同頻率的共振吸收波譜，如圖1(a)所示。圖中，為方便選擇，兩種原子基態(tài)為同一參考點(diǎn)E0，而E1和E2分別代表各自的激發(fā)態(tài)能級(jí)。當(dāng)外磁場(chǎng)較弱時(shí)，E1和E2的差異縮小而無(wú)法分辨(用E標(biāo)示)，但是由原子本征性質(zhì)所決定的壽命差異依然可測(cè)，由此可得兩個(gè)不同弛豫時(shí)間的時(shí)域譜，如圖1(b)所示。對(duì)于多組分，可用離散譜通式

/τi)

(1)

式中，i標(biāo)示物質(zhì)中組分，Ai代表核磁共振信號(hào)強(qiáng)度且與該組分所含共振吸收的粒子數(shù)成正比；τi為對(duì)應(yīng)組分的弛豫時(shí)間。通常，核磁共振縱向弛豫時(shí)間和橫向弛豫時(shí)間分別用T1和T2表示。利用CPMG (Carr-Purcell-Meiboom-Gill)方法和反轉(zhuǎn)—恢復(fù)技術(shù)測(cè)量橫向弛豫和縱向弛豫過(guò)程時(shí)，弛豫信號(hào)可分別表示為

/T2i)

(2)

事實(shí)上，當(dāng)存在多于兩個(gè)或三個(gè)指數(shù)成分，或者是當(dāng)任意兩種組分很相似時(shí)，這種方法就不準(zhǔn)確了。此時(shí)用連續(xù)譜描述更合適，且采用迭代法進(jìn)行解譜[18]。

圖1 核磁共振波譜與核磁共振弛豫譜差異

本實(shí)驗(yàn)采用上海紐邁科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)MicroMR-18核磁共振成像儀測(cè)量樣品的核磁共振弛豫譜。實(shí)驗(yàn)主磁場(chǎng)約0.51 T，樣品室溫度(32.00±0.01)℃。采用CPMG方法測(cè)量橫向弛豫，實(shí)驗(yàn)參數(shù)：采樣率50 kHz，重復(fù)采樣次數(shù)6，脈沖間隔1 000 μs，回波個(gè)數(shù)4 000，重復(fù)采樣時(shí)間間隔5 s。采用反轉(zhuǎn)—恢復(fù)技術(shù)測(cè)量縱向弛豫，實(shí)驗(yàn)參數(shù)：采樣率50 kHz，重復(fù)采樣次數(shù)4，最長(zhǎng)恢復(fù)時(shí)間20 s，恢復(fù)時(shí)間按指數(shù)遞增實(shí)施重復(fù)測(cè)量次數(shù)50。每次重復(fù)采樣都通過(guò)設(shè)備自動(dòng)測(cè)量自由感應(yīng)衰減信號(hào)(FID)以調(diào)節(jié)樣品的共振中心頻率，從而消除磁場(chǎng)強(qiáng)度漂移所引起實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差。選用核磁共振成像儀配套的反演軟件進(jìn)行連續(xù)譜迭代分析，橫向弛豫和縱向弛豫采用相同的迭代次數(shù)1 000 000。同時(shí)，也使用Origin進(jìn)行離散譜擬合分析。

隨機(jī)選擇市售的長(zhǎng)城干紅葡萄酒(φ=12%和φ=12.5%)、錦繡莊園干紅葡萄酒(φ=12%)、嘉伯納干紅葡萄酒(φ=12%)、寶龍赤霞珠干紅葡萄酒(φ=11.5%)等5個(gè)樣品，使用去離子水和95%食用酒精配制不同酒精含量的實(shí)驗(yàn)樣品各100 mL。倒入250 mL三角瓶，經(jīng)振蕩器混合約15 s。每種樣品取6份，每份約2.5 mL注入外徑15 mm平底玻璃試管。其中，5份用于橫向弛豫測(cè)量，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均獲得最終橫向弛豫曲線，從而消除取樣和測(cè)量偏差；另1份用于縱向弛豫測(cè)量。上述樣品的配制操作都在濕度約50%和室溫25 ℃環(huán)境中進(jìn)行。

2 結(jié)果及分析

圖2為長(zhǎng)城干紅葡萄酒(φ=12%)的平均橫向弛豫和縱向弛豫曲線。圖3、圖4為圖2數(shù)據(jù)通過(guò)反演軟件進(jìn)行連續(xù)譜迭代分析所得的共振弛豫譜，它們分別為葡萄酒橫向弛豫時(shí)間T2譜和縱向弛豫時(shí)間T1譜，圖中橫坐標(biāo)為弛豫時(shí)間而縱坐標(biāo)為核磁共振信號(hào)強(qiáng)度，T2譜或T1譜峰面積代表了對(duì)應(yīng)組分共振吸收信號(hào)的總強(qiáng)度。

圖2 長(zhǎng)城干紅葡萄酒(φ=12%)的弛豫曲線

圖3 長(zhǎng)城干紅葡萄酒(φ=12%)的T2譜

圖4 長(zhǎng)城干紅葡萄酒(φ=12%)的T1譜

由圖3、圖4可見(jiàn)，長(zhǎng)城干紅葡萄酒(φ=12%)的譜和譜都有2個(gè)弛豫峰，它們的弛豫時(shí)間差異明顯。由于1H-核磁共振信號(hào)由物質(zhì)中的H(質(zhì)子)產(chǎn)生，顯然這2個(gè)信號(hào)來(lái)源于葡萄酒中含有-H基分子的貢獻(xiàn)。盡管葡萄酒中多種物質(zhì)都含有H，但是其主要組分是水和酒精，而且水中O-H基和乙醇中C-H基都具備產(chǎn)生1H-核磁共振吸收信號(hào)的物理基礎(chǔ)。

通過(guò)添加95%食用酒精或去離子水改變葡萄酒的酒精體積濃度，并采用相同的實(shí)驗(yàn)測(cè)量參數(shù)和數(shù)據(jù)處理方法對(duì)所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明，當(dāng)添加95%食用酒精提高葡萄酒的酒精體積濃度時(shí)，第二峰(圖3中用T22標(biāo)示)面積隨之增加；而添加去離子水降低葡萄酒的酒精體積濃度時(shí)，第一峰(圖3中用T21標(biāo)示)面積隨之增大。采用離散譜擬合方法和連續(xù)譜迭代方法對(duì)T2譜分析結(jié)果存在微小差異，但是兩者都得到相似結(jié)果：T2譜包含兩種組分；弛豫時(shí)間較短的分量隨酒精體積濃度線性遞減，而弛豫時(shí)間較長(zhǎng)的分量則反之。圖5顯示了采用連續(xù)迭代方法對(duì)不同配比的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析所得譜峰面積隨酒精體積濃度變化關(guān)系，表明T22譜峰面積與酒精體積濃度呈線性遞增。圖6顯示T21譜峰面積隨葡萄酒中水含量增加而增加，表明T21譜峰面積與酒精體積濃度呈線性遞減。由此可見(jiàn)，T21和T22譜峰分別對(duì)應(yīng)葡萄酒中水中O-H基和乙醇中C-H基所產(chǎn)生1H-核磁共振吸收的橫向弛豫信號(hào)。

圖5 酒精度與譜第2峰面積占比關(guān)系

圖6 酒精度與譜第1峰面積占比關(guān)系

盡管圖4顯示由連續(xù)譜迭代方法所獲得的葡萄酒譜也存在2個(gè)峰T11和T12，但是Origin離散譜擬合結(jié)果卻只有一個(gè)指數(shù)衰減分量。產(chǎn)生這一矛盾結(jié)果的主要原因是：①反轉(zhuǎn)—恢復(fù)技術(shù)難于準(zhǔn)確測(cè)量短弛豫時(shí)間的信號(hào)幅值；②單次實(shí)驗(yàn)需時(shí)15～20 min，測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致部分酒精揮發(fā)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性；③實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，不能完整記錄多組分物質(zhì)核磁共振弛豫的真實(shí)過(guò)程。由于T1譜峰面積與葡萄酒的酒精體積濃度不存在顯式關(guān)系，從而可以認(rèn)為核磁共振弛豫T1譜不適用于檢測(cè)葡萄酒中水和酒精含量。

上述分析中使用了樣品的標(biāo)示酒精度，并以此為酒精體積濃度的計(jì)算依據(jù)。理論分析可知，即使樣品的實(shí)際酒精度與標(biāo)示值可能不一致，但是圖5和6中實(shí)驗(yàn)結(jié)果的線性關(guān)系依然存在，從而說(shuō)明上述T21和T22譜峰的歸屬是正確且具有普適性。其它4個(gè)樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。

3 結(jié) 論

強(qiáng)磁場(chǎng)核磁共振波譜方法可以更豐富地獲得物質(zhì)中分子信息[19-21]，但是低場(chǎng)核磁共振弛豫譜卻可以有選擇地關(guān)注主要組分的物理性質(zhì)。葡萄酒中水O-H基和乙醇C-H基是產(chǎn)生1H-核磁共振吸收的物理基礎(chǔ)，而原子相互作用差異導(dǎo)致兩者的共振吸收弛豫時(shí)間(壽命)不同，實(shí)驗(yàn)采用CPMG方法和反轉(zhuǎn)—恢復(fù)技術(shù)分別得到葡萄酒核磁共振橫向弛豫譜和縱向弛豫譜(即，T2譜和T1譜)。通過(guò)添加去離子水或95%食用酒精配制不同酒精含量的一系列樣品，由譜峰面積占比隨酒精體積濃度變化關(guān)系確定弛豫譜峰的歸屬：譜中弛豫時(shí)間較短的譜峰來(lái)源于葡萄酒中水的貢獻(xiàn)，而另一譜峰則反映了酒精的含量。由于連續(xù)譜迭代方法與離散譜擬合分析結(jié)果不吻合，T1譜不適用于檢測(cè)葡萄酒中水和酒精含量。由于隨機(jī)抽樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，說(shuō)明核磁共振T2譜技術(shù)對(duì)葡萄酒組分分析具有普適性。利用T22譜峰面積占比與酒精體積濃度的線性關(guān)系，可建立基于T2譜的葡萄酒酒精度測(cè)量技術(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)損、無(wú)侵入式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)葡萄酒運(yùn)輸和貯藏過(guò)程的品質(zhì)變化并預(yù)測(cè)貨架期。

參考文獻(xiàn)：

[1]范崇東,范明輝,盛劍俊.NMR對(duì)水分的研究及其在食品科學(xué)中的應(yīng)用[J].食品工業(yè)科技，2003,24: 98-100.

[2]周 凝，劉寶林，王 欣.核磁共振技術(shù)在食品分析檢測(cè)中的應(yīng)用[J].食品工業(yè)科技， 2011,32: 325-329.

[3]吳 燁，許 柯，徐幸蓮，等.低場(chǎng)核磁共振研究pH值對(duì)兔肌球蛋白熱凝膠特性的影響[J].食品科學(xué),2010,31: 6-11.

[4]李 然,李振川,陳珊珊,等.應(yīng)用低場(chǎng)核磁共振研究綠豆浸泡過(guò)程[J].食品科學(xué),2009,30: 137-141.

[5]顧小紅，任璐，陳尚衛(wèi)， 等.核磁共振技術(shù)在食品研究中的應(yīng)用[J].食品工業(yè)科技，2005,26: 189-194.

[6]韓敏義,費(fèi) 英,徐幸蓮，等.低場(chǎng)NMR研究pH對(duì)肌原纖維蛋白熱誘導(dǎo)凝膠的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,42: 2098-2104.

[7]HAN Minyi,ZHANG Yingjun,FEI Ying,et al.Effect of microbial transglutaminase on NMR relaxometry and microstructure of pork myofibrillar protein gel [J].Eur.Food Res.Technol.2009,228: 665-670.

[8]SUN Jian,LI Xue,XU Xinglian,et al.Influence of various levels of flaxseed gum addition on the water-holding capacities of heat-induced porcine myofibrillar protein [J].Journal of Food Science,2011,76: C472-478.

[9]姚晶,孟祥晨.大豆水溶性多糖對(duì)酸性乳飲料穩(wěn)定作用的研究[J].中國(guó)乳品工業(yè),2009,37: 54-56,61.

[10]錢菲，張錦勝，金志強(qiáng)，等.核磁共振技術(shù)對(duì)食品玻璃化及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的研究[J].食品科學(xué),2008,29: 666-669.

[11]林向陽(yáng)，阮榕生，何承云，等.快速測(cè)量食品玻璃化轉(zhuǎn)變溫度新方法的研究[J].食品科學(xué),2005,26: 269-271.

[12]姜曉文,韓劍眾.生鮮豬肉持水性的核磁共振研究[J]．食品工業(yè)科技，2009，30: 128-133.

[13]李資玲，劉成梅，萬(wàn)婕，等.核磁共振研究膳食纖維面包制作過(guò)程中的水分遷移行為[J].食品科學(xué),2007,28: 127-130.

[14]陳衛(wèi)江，林向陽(yáng)，阮榕生，等.核磁共振技術(shù)無(wú)損快速評(píng)價(jià)食品水分的研究[J].食品研究與開(kāi)發(fā),2006,27: 125-127.

[15]MAZZANTI G,MUDGE E M,ANOM E Y.In situ Rheo-NMR measurements of solid fat content [J].J Am Oil Chem Soc,2008,85: 405-412.

[16]RUDI T,GUTHAUSEN G,BURK W,et al.Simultaneous determination of fat and water content in caramel using time domain NMR [J].Food Chemistry,2008,106: 1375-1378.

[17]SANTANA A,FERNANDEZ X,LARRAYOZ M A,et al.Vegetable fat hydrogenation in supercritical - fluid solvents: Melting behavior analysis by DSC and NMR [J].Journal of Supercritical Fluid,2008,46: 322-328.

[18]阮榕生.核磁共振技術(shù)在食品和生物體系中的應(yīng)用[M].北京: 中國(guó)輕工業(yè)出版社,2009.

[19]張倩芝,陳曉紅,陳 建.有機(jī)波譜法在-二甲基芐基酚聚氧乙烯醚的結(jié)構(gòu)確證中的應(yīng)用[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,50(3): 141-143.

[20]趙小菁，張麗影，劉寶全,等.氨基酸希夫堿及其金屬鋅配合物的合成及表征[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,50(4):70-73.

[21]錢 浩,祝亞非,許家瑞.聚乙烯-醋酸乙烯醋接枝聚乙二醇共聚物的合成及結(jié)構(gòu)表征[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,42(2):30-34.