【Food Chemistry】二维核磁共振技术研究食品水分动力学

2020-04-24 17:33:52, 海燕苏州纽迈分析仪器股份有限公司

写作初衷

小编当年在读研期间，就深有这样的感概：同是类似的研究方向，别的课题组就能发SCI，有的甚至是一区二区的，而自己只能默默的在中文期刊中混迹。发文章这个事情，抛开写作水平，实验方案及所用的方法可以是整篇文章的灵魂，影响文章的质量上起重要的作用。

今天，小编为大家分享一篇2020年2月份刚刚发表在 Food Chemistry 上的文章，作者出自大连工业大学谭明乾教授团队，学习食品领域如何利用二维核磁共振技术研究食品水分动力学。

二维核磁共振技术最早用来核磁共振测井，用来区分一些含氢流体分子量差异较大，而在一维T2谱中信号重叠的物质。如今，他山之石可以攻玉，二维核磁共振被借鉴到食品领域研究水分交换等信息，可以说是国内食品第一篇，墙裂推荐大家阅读本篇文章。

▲图1.T2谱上重叠的油气水核磁信号

▲图2.页岩孔隙流体在T1-T2谱上的分布

本文核心观点

二维核磁共振技术在表征食品动力学方面表现较大的应用潜力；
T1-T2结果显示蛤蜊样品在70℃-80℃之间有显著的变化；
与40℃–70℃明显不同的是，80℃加热条件下拥有最大的持水性和显著的微观结构变化；
DSC结果表明当温度高80℃时，蛋白已经变性，硬度、咀嚼性等一系列质构指标在80℃表现出明显变化。

为什么研究水分变化和蛋白质变性？

海产品易腐败变质，蒸煮或加热处理是水产品干燥前处理的主要方法。加热温度对蛤蜊制品的保水性和质地有显著影响，过度加热导致营养丧失，口感变差；加热不足则导致食品有害病毒、微生物感染威胁健康。研究合适的加热温度对于海产品的加工具有重要的指导意义。

水分是蛤蜊热加工的一个重要特性。正因为水分与许多理化指标如硬度、粘性、咀嚼性、复水率、冰点、蛋白质变性直接相关。研究水分迁移和分布，对于预测蛤蜊的品质变化和评价蛤蜊的理化性质必不可少。

而低场核磁共振技术（LF-NMR）作为一种无损、快速的技术，近年来主要研究诸多海产品的水分运动和迁移，这些例子无论在食品领域、还是岩心孔隙中的水分迁移、土壤未冻水含量等方面都不胜枚举。

T1-T2二维核磁共振技术能提供比一维图谱更丰富的信息。在本文中用来研究蛤蜊加热过程水分迁移和蛋白质变性，能获得水分分布和转变温度的精确信息。

实验仪器及方法

▲图3.蛤蜊样品实验处理流程

新鲜的蛤蜊样品，室温下在盐溶液中吐沙1h, 分别在40、50、60、70、80、90、100℃下水域加热2min，在室温下冷却10min，然后进行一系列的检测分析，分析项目如下。

核磁分析：一维T1和T2弛豫分析、2DT1-T2分析、核磁共振成像（MRI）

宏观分析：重量损失和WHC分析确定宏观水分定量变化、MRI确定水分分布，质构分析研究结构性质

变性温度：差示扫描量热分析（DSC）

微观分析：显微镜分析

所用核磁仪器：苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产的核磁共振成像分析仪，NMI20-030H-I，共振频率为22Mhz。

核磁共振仪器图片为配图

核磁结果分析

蛤蜊蛋白的二维T1-T2中的不同组分的水分归属

二维T1-T2弛豫谱中可以观察到三种水分。

组分1用T2b表示，弛豫时间1-10 ms，被认为是束缚水。T1和T2弛豫时间很短，基本不随加热温度变化。表明这部分水牢牢的缔合在肌原纤维组织的内部以及存在于三级、四级蛋白结构之中。

组分2用T21表示，弛豫时间100 ms，被认为是不易流动水；

组分3的水分的弛豫时间在1000 ms附近，被认为是自由水，存在蛋白组织的外部及细胞之间。

从不同组分的水分析，T1-T2结果表明，80℃左右蛤蜊蛋白可能发生变性

▲图4-1.2DT1-T2研究不同加热温度下蛤蜊弛豫特性

（a)未处理 (b)40℃ (c)50℃ (d)60℃

二维图谱中右下角白框中的为组分1和组分2的放大图。

▲图4-2.2DT1-T2研究不同加热温度下蛤蜊弛豫特性

（e)70℃ (f)80℃ (g)90℃ (h)100℃

初始——加热到80℃

第一组分在整个过程基本没有变化。

第三组分的水分恰好与之相反，（图4b）所示，当蛤蜊在40°C下加热2分钟后该组分发生显著变化。随后保持不变，直到温度达到80°C（图4f）。

80℃——100℃

如每个图的右侧所示，温度从80℃升高到100°C时。加热前，组分2和组分3有两个峰值（图4a），在加热后合并为一个主峰（图4b-f），80℃之后又出现两个峰值（图4g和h）。相比之下组分3的T2变化更为显著。

通过二维T1-T2对水分的细致分析发现，蛤蜊蛋白在80℃左右可能发生变性。

各组分所占比例分析

组分2水分比例：未加热时该水分占82.92%，升温至70℃，其比例随着温度的升高而增加。70℃至80℃，比例下降；80℃后逐渐增加。可见80℃是一个变化转折点，预示着蛤蜊蛋白发生了品质的改变。

T1和T2一维弛豫谱图分析

由于T1弛豫反映水分中的H质子与周围环境之间的交换和作用。因此本文分析以T1为例。如图所示，温度从30℃到40℃时，弛豫时间减小，40℃—— 70℃时又开始增大，在80℃时急剧减小，80℃——100℃又开始增大。（T2的变化趋势与之相似）。所有这些结果表明，蛤蜊样品在70-80°C左右经历了明显的变化，这与上述2DT1-T2的结果一致。

MRI成像结果：温度高于80℃时，组织松散，亮度明显降低。

核磁共振技术除了无损、快速等这些广为人知的优点外，还有一个重要的优势：提供丰富的信息。除了以上弛豫的分析，核磁共振成像（MRI）能直观的显示出样品内部的水分分布及迁移情况。

▲图5.不同加热温度下T1和T2的加权成像（a)及图像相对质子强度（b)

MRI成像直观看出：与未加热相比，40℃、50℃、60℃加热下蛤蜊组织发生了轻微的改变，但仍然具有完整稳定的组织结构。但当温度升高到80°C时，其组织变得松散，亮度降低。

当温度从50℃-100℃升高过程中，由于温度引起水分蒸发，图像中的信号强度呈下降趋势。在80℃到达最低，表明蛤蜊样品在80℃左右发生了显著变化。随后，在80-100℃时，T2加权图像的强度略有增加，表明过热增加了蛤蜊的横向弛豫。T1和T2加权成像是对T1-T2弛豫谱图结果的有效表征。综合以上信息，估计蛤蜊变性温度为70-80°C。

数据分析：PCA及热图分析

主成分分析结果表明，三个主成分贡献了99.6%的特征数据，其中在PC1上，未处理样品和40-80°C处理的样品主要分布在左侧PC1值较低的区域，而高温（80-100°C）处理的样品主要分布在PC1值较高的区域（如图中分割面示意图）。

▲图6.将不同温度下的核磁数据进行PAC分析（a)和热图分析（b)

热图分析表明：未处理样品和40-70°C处理的样品主要分布在1区和2区，高温（80-100°C）样品主要分布在3区。在70和80℃下处理的样品分布在2区和3区，表明蛤蜊样品的过渡温度区域在70-80℃之间。

食品化学表明，蛤蜊的蛋白质成分主要是足肌蛋白（由肌球蛋白组成，肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白）负责肌肉收缩，主要的肌原纤维蛋白转变温度大约是47–50°C，次要蛋白原肌球蛋白和肌钙蛋白是热稳定蛋白，转变温度一般大于85°C。

因此，整个蛤蜊呈现出70-80℃左右的过渡温度。

持水性、质构等指标分析

持水性（WHC）

对比所有温度下的WHC值发现，在80℃下处理的蛤蜊样品WHC最大。这表明此时的蛋白质起到了海绵的作用，能够容纳更多的水，防止水从它们的三维结构中释放出来。

▲图7.不同温度处理的蛤蜊样品的微观结构图

微观结构分析

加热前的蛤蜊样品呈团状均匀结构。当蛤蜊样品在40-50℃下加热时，肌原纤维伸展形成条纹图案。
当温度达到60℃时，蛤蜊肌肉的变形加剧，出现一定的黑色沟道，说明肌原纤维在加热过程中发生了二次收缩。此外，随着温度升高到70-80°C，沟壑变宽，颜色变暗。
当温度升高到90°C时，肌原纤维表面变得光滑，蛋白质网络也变得光滑。
说明蛤蜊的蛋白质变性完成，组织收缩。进一步加热到100℃时，纤维蛋白脱水并分离成碎片状结构。肌纤维明显萎缩，多孔结构数目增多。

▲图8.DSC的分析结果

DSC分析

对于新鲜样品，在热流图中观察到四个热峰，分别为34.0、50.8、64.4和80.0℃。
随着加热进行，34.0℃时的峰值消失(查阅文献，该峰值可能对应的是胶原蛋白) 肌肉肌球蛋白在50.8℃左右出现吸收峰，然而却在加热温度超过60℃以上的样品中消失，64.4℃的转变温度是最显著的。
当温度超过80°C时，所有的转变温度峰消失，热流曲线变得平滑，表明肌球蛋白和肌动蛋白已经完成完成变性。

TPA质构及荧光图像分析

TPA分析包括蛤蜊样品的硬度、弹性、粘弹性、咀嚼性和回弹性。硬度在80°C时达到最大值。如图5所示，
荧光图像显示，随着温度升高到80°C，纤维变宽，表明蛋白质变性。当温度达到90℃时，蛋白质网络断裂，纤维急剧收缩。
当然本文也分析了色值的变化，规律与上述结果大同小异，不再赘述。

其实，当然本文也做了TPA、色值结果与LF-NMR中各组分水分的相关性分析，关于这部分，在目前很多文献都有报道，在此不做细致阐述，感兴趣的可以下载本篇文章仔细阅读。

结论

本文采用二维T1-T2核磁共振技术研究了蛤蜊在加热过程中的水分动态变化。结果表明，用二维T1-T2弛豫LF-NMR谱技术可以精确地显示水分分布。
经80℃处理的蛤蜊样品在不同温度下表现出最大的WHC值，与T1-T2结果一致。
主成分分析结果表明，蛤蜊样品的转变温度范围在70-80°C之间，这一点也被显微结构所证实。DSC测试结果表明，当加热温度超过80℃时，相变温度峰值消失。

参考文献

Siqi Wang, Rong Lin, shasha Cheng，Mingqian Tan.Water dynamics changes and protein denaturation in surf clam evaluated by two-dimensional LF-NMR T1-T2relaxation technique during heating process[J]. Food Chemistry.

Dio:10.1016/j.foodchem.2020.126622

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