核磁共振及其成像技术在食品科学中的应用研究

摘要

影响食品质量、货架期的因素有很多，其中水分是主要的影响因素之一。食品中的很多化学变化等都与水有联系，如：蛋白质变性、酶反应活性的变化等等。水也是食品流变学特性的重要决定因素之一。在一些食品的化学、物理变化过程中水也起了无可替代的作用，而这些化学、物理变化对于食品品质、质构及风味等都会产生影响。同时，水是食品易腐败的原因之一。很久以来人们就意识到食品中水分含量和它的易腐败性之间存在关系，通过浓缩和脱水过程可以有效地延长食品的保质期。然而，有的不同类型的食品即使水分含量相同，它们的易腐败性也是有所不同的。导致这种现象产生的原因是由于水和各种非水成分缔合强度上的差别引起的。这种差别影响了生物的生长和水解反应的速度。在食品加工、储藏过程中，其内部水分含量和分布状态会发生改变，这也是造成食品产品品质降低的原因之一。如果能够采取有效的方法控制食品中的水分迁移，将对提高产品的稳定性、货架期具有积极意义。因此，对于食品中水的作用，水分迁移行为的研究显然是有必要的，这对于食品加工与保藏机理的研究亦将具有重要指导意义。目前，传统的研究水分的方法，无法对水分的流动性以及在食品中的分布状态进行检测。而核磁共振及其成像技术是一种有效的研究分子扩散方法，可用于食品体系中的水、脂肪或糖等分子的研究，这些分子在各类食品中又往往携带了重要的信息：结构信息，分子所处环境信息以及在加工、储藏中内部变化的信息等等，而核磁共振技术的无损检测特点使其应用于食品科学的研究具有明显的优势。 基于此，将核磁共振及其成像技术引入到食品科学的应用领域，做一些基础性的研究，解决核磁共振成像技术(MRI)应用于食品科学研究的最基本的技术问题。旨在寻找准确、适用的研究方法、获取有助于食品加工、保藏和新产品开发的知识和理论。 第一章主要介绍了核磁共振及其成像技术在食品科学领域的国内外的研究现状。由于磁共振成像技术对食品科学研究人员来说还是比较新的技术。 第二章简单介绍了核磁共振及其成像技术的相关的一些基本慨念、原理。 第三章主要探讨了一些医学上常用的成像序列在食品科学中的应用。内容涉及自旋回波序列、CPMG序列和反转恢复序列，通过实验建立了不同样品在不同脉冲序列下的各种效果，以及以脐橙为样品，如似通过可视化编程来获得不同加权程度的磁共振成像图，如何消除成像过程中的伪影等等。 第四章主要内容是在成像图基础上进一步探讨采用Delphi7.0语言编程计算T<,2> Mapping图的技术。由于跨了专业，也是本研究一个难点。这部分由于涉及到相关的软件编程技术。对于食品专业的研究人员来说，理解起来有些困难。但是这部分工作是NMR/MRI技术在食品科学研究应用的基础。T<,2> mapping技术的解决，为NMR/MRI技术在食品科学上的应用开辟了广阔的空间，使得NMR T<,2> mapping技术可以被应用于各种不同食品的研究。结合储藏实验，将为探索各种食品储藏过程中品质变化的规律、配方的改进等等提供一个全新的方法。 第五章在第四章基础上对NMR T<,2> mapping技术进行了相关的应用研究。以面包和奶酪为样品，模拟储藏过程，利用磁共振弛豫以及成像技术研究面包和奶酪二元体系中水分的迁移情况，进一步了解水分在不同组分中迁移对食品货架期的影响并对储藏过程中的水分迁移、T<,2>变化等作了评估。通过3周的贮藏实验，从三维图中可直观观测到水分在面包和奶酪二元体系中迁移现象，也可从T<,2>分布来监测水分从面包向奶酪中的迁移情况。实验结果表明：面包和奶酪二元体系中水分的扩散作用随着储藏期的延长，扩散现象越显著；油脂有助于水分在面包体系中的扩散作用，由于脂肪的疏水基团的排斥作用，脂肪含量高的面包中水分的迁移速度更快。 第六章是NMR/MRI子系统的设计制造。旨在设计制造一种NMR辅助实验装置可以进行变温NMR实验得到NMR状态图。NMR状态图，是Roger在2005年首次提出的一个全新概念。是指食品的核磁共振参数如他豫时间(T<,1>/T<,2>)随温度变化的曲线图。NMR状态图曲线将食品的弛豫现象与其理化特性联系起来，反映不同温度下的T<,1>和T<,2>，状态图与食品的许多理化特性有着良好的相关性。NMR状态图在食品质量与安全、食品成分分析、预测理化性质的变化、化学反应和微生物活性等的应用上很有发展潜力。利用NMR状态图可预测食品的货架期，并为开发耐储藏食品(如：军用食品，航空食品)提供理论指导，同时可缩短新产品的开发周期，促进我国的食品加工由传统的经验型走向科学型、定量型的现代化方向发展。从后面的实验结果来看，此部分的设计制造能满足NMR状态图实验的要求。 第七章是在第六章基础上进行NMR状态图应用研究。这是紧跟国际上最新的研究动态，率先在国内开展变温NMR实验，研究NMR状态图对Maillard反应的影响研究。通过研究发现：食品的配方、水分含量对食品的NMR状态图转折点温度以及转折点温度前后的斜率有影响，NMR状态图转折点温度对食品体系的化学反应速率有影响。在NMR转折点温度以下贮藏，食品体系中的化学反应明显要比储藏在转折点温度之上慢，且NMR状态图上转折点前后的斜率对化学反应速率有影响。实验结果从理论上解释NMR状态图对食品配方设计和贮藏期的指导意义，这也是本论文最重要的成果之一。论文没有对某一种特定的食品进行深入的研究，重点放在NMR/MRI技术方法的应用上。通过实验及数据分析，从如何通过编程获得一幅稳定、清晰、没有伪影的满意图像，到通过图像的数据文件计算T<,2>mapping图以及T<,2>mapping图的应用；再到如何设计制作变温NMR辅助实验系统、如何获得NMR状态图，到设计实验解释NMR状态图对食品储藏、配方设计的指导意义，到最后进行了NMR状态图的应用研究，较为系统的完成了NMR/MRI在食品科学中一般性的应用研究。解决了在国内国产MRI成像仪上应用NMR技术进行食品科学应用研究的一些最基本的技术问题。为NMR/MRI技术存食品科学上的应用开辟了一个广阔的空间。相关技术难题，尤其是T<,2>mapping技术的解决，使得NMRT<,2>mapping技术可以被应用于各种不同食品的研究。为NMR/MRI技术在食品科学上的应用打下了良好的基础。将这些同样的方法应用于各种各样不同的食品将有助于发现、分析储藏过程中食品质量变化的规律，有助于推动NMR技术在食品科学的应用与发展。从这个角度上说本论文只是一个抛砖引玉的作用。 从核磁共振以及核磁共振成像中获取信息，探索NMR驰豫参数在食品保藏过程的变化规律，理解配方设计与贮藏过程中的NMR驰豫参数变化的规律和食品质构之间的相关性，从而最终应用核磁共振及其成像技术来指导食品研究、生产和开发。这是将核磁共振技术引入食品科学研究的初衷。将这种无损检测技术引入到食品科学应用的研究中来进行一个探索性的研究，可以为更好的理解食品贮藏机理、食品货架期的稳定性提供了更多的途径。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1 研究背景

2.NMR和MRI技术在食品科学领域的研究现状

2.1应用NMW/MRI技术研究食品水分的分布和水分的流动性

2.2利用NMR/MRI技术研究果蔬

2.3 NMR技术研究食品中的油脂

2.4 NMR/MRI研究食品的玻璃态转变

3 论文的研究目的和预期成果

第二章 NMR和MRI技术基本原理

1.核磁共振的基本物理概念

1.1原子核的自旋

1.2磁共振条件和拉莫尔方程

1.3弛豫过程

1.4 T1测量原理——IR序列

1.5 T2测量原理——CPMG脉冲序列

2 核磁共振成像技术的原理

3 本章小结

第三章 探讨适用于食品研究的NMR和MRI方法和脉冲序列

1 前言

2.T1/T2的测定方法

2.1 T1的测定

2.2 T2的测定方法

3.自旋回波和反转恢复成像脉冲序列的开发与应用

3.1自旋回波成像序列

3.2反转恢复(IRSE)成像序列

3.SE及IRSE成像过程中有关伪影的去除方法

4本章小结

第四章 采用Delphi语言编程计算NMRT2 分布图

1 前言

2.原理与方法

3.本章小结

第五章 NMR T2 mapping图的应用研究——面包和奶酪二元体系储藏过程中水分迁移行为的研究

1 前言

2 实验材料与仪器

3 实验方法

4 结果与讨论

4 本章小结

第六章 NMR状念图辅助实验系统的设计与制造

1 前言

2 原理与方法

3.结果与讨论

第七章 NMR状态图及转折点温度对Maillard反应速度的影响研究

1 前言

2 实验方法与步骤

3.结果和分析

4.本章小结

第八章 总结与展望

1 总结

2 取得的创新之处

3 展望

致谢

附录1--博士在读期间发表的相关沦文情况

附录2-本文一些缩略语