熊 婷,張鞠成,徐盼盼,張英力

（1.中國計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.上海紐邁科技有限公司，上海 200333）

應(yīng)用磁共振檢測(cè)蘋果不同部位的蔗糖含量

熊 婷1,張鞠成1,徐盼盼1,張英力2

（1.中國計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.上海紐邁科技有限公司，上海 200333）

采用20MHz低場(chǎng)核磁共振弛豫譜分析技術(shù)檢測(cè)蘋果不同部位的蔗糖含量，研究含糖量與核磁共振信號(hào)之間的關(guān)系；利用CPMG序列來測(cè)溶液的T2值，得到含糖量和溶液中所含糖信號(hào)量的定標(biāo)線，并用此定標(biāo)線對(duì)蘋果不同部位的含糖量進(jìn)行定量分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：含糖量的多少不僅影響自由感應(yīng)衰減信號(hào)（free-induction decay signal，F(xiàn)ID）的大小，而且影響其橫向弛豫時(shí)間（T2）和縱向弛豫時(shí)間（T1）；隨著含糖量的升高，樣品的自由感應(yīng)衰減信號(hào)呈線性增大（r2＞0.94）；靠近果核部位的蘋果組織含糖量最高，靠近果皮的最低，這與核磁共振波譜分析測(cè)試的結(jié)果相同，證明了此標(biāo)線的可行性和準(zhǔn)確性。

含糖量；低場(chǎng)核磁共振；自由感應(yīng)衰減信號(hào)；橫向弛豫時(shí)間

0 引 言

蘋果的成熟度主要是根據(jù)蘋果中所含可溶性固體的多少來判斷。研究發(fā)現(xiàn)成熟的蘋果總是比未成熟的蘋果要甜，即成熟蘋果的含糖量更高。近年來，很多學(xué)者都投入到蘋果含糖量的測(cè)試研究中[1-3]。但是，有關(guān)無損檢測(cè)技術(shù)的報(bào)道卻相當(dāng)少。Bellon V等[4]使用近紅外輻射技術(shù)測(cè)桃子的含糖量。Dull G G等[5]對(duì)Bellon V的方法進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)近紅外輻射技術(shù)只適合測(cè)皮薄的水果，對(duì)于像甜瓜等皮比較厚的水果，近紅外測(cè)得（r=0.6）并不準(zhǔn)確。閻政禮等[6]應(yīng)用低

場(chǎng)核磁共振波譜（nuclear magnetic resonance，NMR）對(duì)蜂蜜中葡萄糖、果糖和蔗糖進(jìn)行了定量分析研究，但是，這種分析方法涉及專業(yè)化學(xué)知識(shí)，對(duì)于非化學(xué)專業(yè)的人員并不適用。

糖分含量的定義為在溫度為20℃時(shí)，每100g溶液中蔗糖的百分比含量。它是Antoine Brix在18世紀(jì)中期發(fā)明的一種方法，故簡(jiǎn)稱為Brix。

Seong I等[7]提到：在新鮮水果中，水的含量大約為80%～95%，含糖量為5%～20%。

本實(shí)驗(yàn)采用蘇州紐邁電子科技有限公司提供的NMI20-Analysis，根據(jù)不同含糖量有不同的信號(hào)量，使用單脈沖序列和CPMG序列測(cè)得不同含糖量的氯化錳溶液中糖和水的質(zhì)子特征峰，并制作了一條含糖量標(biāo)線，通過蘋果不同部位蔗糖含量的測(cè)試驗(yàn)證了此標(biāo)線的可行性。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

1 材料與方法

1.1 儀器和測(cè)試材料

NMI20-Analysis：工控機(jī)溫度維持在32℃；中心頻率20.068 MHz；90°脈寬9 μs；模擬增益10 dB，數(shù)字增益3；天平；試管；無信號(hào)樣品管；蔗糖；新鮮蘋果。

單脈沖序列：施加90°脈沖之后，在D3（最小為線圈死時(shí)間和接收機(jī)死時(shí)間之和，本實(shí)驗(yàn)中為20μs）后就可以采集到FID信號(hào)。

CPMG序列：在90°脈沖之后再施加多個(gè)180°脈沖，從而得到多個(gè)回波信號(hào)。

反轉(zhuǎn)脈沖（inversion recovery，IR）序列：首先施加一個(gè)180°射頻脈沖，等待一段時(shí)間（反轉(zhuǎn)時(shí)間TI，本實(shí)驗(yàn)中為10μs），再施加一個(gè)90°脈沖。

因?yàn)樗某谠r(shí)間特別長（一般為1000～1500ms），所以在水中加入弛豫劑氯化錳晶體，將水的橫向弛豫時(shí)間縮短為0.86ms，以此減少所需的采樣時(shí)間；又因?yàn)樵诔墒斓奶O果中，不同位置的組織含糖量不同，靠近果皮的蘋果含糖量最低，靠近果核含糖量最高[5]。Seong I等[7]曾經(jīng)對(duì)甜瓜進(jìn)行含糖量的測(cè)試，為了保護(hù)甜瓜的組織結(jié)構(gòu)，采用樣品管擠壓甜瓜的方式來獲得所需的測(cè)試樣品。所以，本文借鑒此方法來得到蘋果不同部位的組織樣品，樣品管的直徑要求小于試管的直徑（15mm）。

1.2 樣品配制

稱取一定量的MnCl2晶體，加入純凈水中，配制成橫向弛豫時(shí)間為0.86ms的氯化錳水溶液，并測(cè)得其縱向弛豫時(shí)間為3.5ms。用單脈沖序列測(cè)得其單位質(zhì)量FID信號(hào)為184。

取10個(gè)相同的無信號(hào)樣品管，稱取1g配制好的水溶液，然后往氯化錳溶液中加入不同質(zhì)量的蔗糖，配成含糖量分別為2%、4%、6%……20%的10個(gè)樣品。分別用單脈沖序列、CPMG序列和IR序列測(cè)得樣品的FID信號(hào)、T2值和T1值，用于檢驗(yàn)溶液中的糖是否存在信號(hào)以及標(biāo)線的制定。

取3個(gè)相同的樣品管，通過樣品管擠壓蘋果的方式，取得靠近果皮13mm處的蘋果作為果皮，中間的為果肉，靠近果核13mm處的為果核，質(zhì)量均為1g。分別測(cè)它們的FID信號(hào)、T2弛豫時(shí)間和T1弛豫時(shí)間，用來驗(yàn)證標(biāo)線的可行性。

2 結(jié)果與分析

2.1 溶液中糖存在信號(hào)的確認(rèn)

將配制好的含糖溶液裝入15 mm試管中，無需前處理，直接將試管放入探頭線圈內(nèi)檢測(cè)。使用NMI20-Analysis分析軟件及FID序列（即單脈沖序列）采集樣品的信號(hào)值。序列的參數(shù)值分別為：P90（μs）=9.0，P180（μs）=18.0，TD=1024，SW（kHz）=100，D3（μs）=20，TW（ms）=3 000，RG1=10，RG2=3，NS=4；測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著含糖量的升高，F(xiàn)ID信號(hào)量也在增加。由于在配制含糖溶液時(shí)，采用的是規(guī)定水溶液的質(zhì)量而稱取不同質(zhì)量的糖來配制含糖溶液，所以FID信號(hào)的增加可以確認(rèn)含糖溶液中的糖有信號(hào)。

2.2 采用CPMG序列抑制水的信號(hào)

CPMG脈沖序列在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸Y軸上給予90°脈沖，經(jīng)過時(shí)間之后再在X軸上施加180°脈沖，然后再施加一系列2n-180°脈沖。由于核的磁化矢量在X軸上等時(shí)間不停地翻轉(zhuǎn)180°，使它們不斷地分散和集合，并在翻到2n次時(shí)（n=1，2，3……），在2n等于某一值時(shí)再拾取圖譜，此時(shí)，橫向弛豫時(shí)間T2短者即從圖譜中消失。利用這一原理，通過在水中加入適量的MnCl2晶體，配制成T2=0.86ms的水溶液。使用CPMG序列采集樣品的信號(hào)值并反演，序列參數(shù)為：P90（μs）=9.0，P180（μs）=18.0，TD=65400，SW（kHz）= 100，D3（μs）=20，TW（ms）=600，RG1=10，RG2=3，NS=8，NECH=3000。

此時(shí)，在含糖溶液的譜圖中出現(xiàn)兩個(gè)主峰，峰面積的大小分別對(duì)應(yīng)著水信號(hào)和糖信號(hào)的多少。含糖溶液的T2譜圖如圖3（a）所示。

由圖3可以看出，此時(shí)水分子和糖分子中氫質(zhì)子的弛豫時(shí)間不同，通過設(shè)置恰當(dāng)?shù)拿}沖間隔時(shí)間，可以得到不同含糖量樣品的信號(hào)量，剛開始是水和糖的共有信號(hào)，當(dāng)水弛豫完時(shí)，剩下的就是糖的信號(hào)。根據(jù)這一原理，測(cè)得結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，隨著含糖量的增加，糖信號(hào)量也在增加。計(jì)算所得標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差都很小，證明測(cè)得的信號(hào)穩(wěn)定性高，并且儀器的穩(wěn)定性好。由此制作出一條含糖量標(biāo)線，如圖4所示，此標(biāo)線的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99以上，證明用CPMG序列來檢測(cè)含糖量是可行的。

用此標(biāo)線測(cè)得的蘋果含糖量結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出：在蘋果組織中，越靠近果核部位，其含糖量越高。Seong I[7]采用波譜分析法，測(cè)得從靠近果皮部位到靠近果核部位的蘋果含糖量為6%～15%左右。而且，通過口感也能嘗出靠近果核的蘋果部位更甜。這證明了用CPMG序列測(cè)試蘋果不同部位蔗糖含量的可行性。

2.3 采用IR序列抑制水的信號(hào)

在施加180°射頻脈沖以前，磁化矢量指向正Z軸。在施加180°脈沖后，將磁化矢量翻轉(zhuǎn)到-Z軸，然后在等待一段延遲時(shí)間后施加90°脈沖，此時(shí)開始產(chǎn)生共振信號(hào)。根據(jù)公式s=1-2e-t/T1，當(dāng)時(shí)間t=0.693T1時(shí)，弛豫曲線過零點(diǎn)，即此時(shí)信號(hào)為零。所以，通過選擇合適的弛豫時(shí)間可以抑制水的信號(hào)。

實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)前9個(gè)樣品中水的縱向弛豫時(shí)間都為3.5ms，但在含糖量為20%時(shí)，弛豫時(shí)間有所減小。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，糖的弛豫時(shí)間隨著含糖量的升高而降低，而糖峰的面積是增加的，如圖5所示。由于水的縱向弛豫時(shí)間有所變化，所以暫時(shí)還不能根據(jù)零點(diǎn)信號(hào)來計(jì)算糖信號(hào)。

3 結(jié)束語

利用低場(chǎng)核磁共振弛豫譜分析技術(shù)，成功制定了含糖量定標(biāo)線，相關(guān)系數(shù)大于0.99，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差最大為4%，最小為1%，正確性高。利用此標(biāo)線測(cè)得蘋果組織中靠近果核的含糖量最高，證明了此標(biāo)線的可行性。但是，這種方法的前提是通過添加氯化錳弛豫劑來縮短水的弛豫時(shí)間，而對(duì)于整個(gè)蘋果而言，加弛豫劑并不可行，所以，核磁共振弛豫譜分析技術(shù)暫時(shí)無法完成整個(gè)蘋果的含糖量測(cè)試。

目前，用于蘋果含糖量的無損檢測(cè)方法主要為近紅外光譜檢測(cè)，Zou Xiaobo[8]等用近紅外光譜測(cè)定蘋果的可溶性固體含量；董一威等[9]采用CCD近紅外光譜系統(tǒng)，通過Y型光纖采集紅富士蘋果的漫反射光譜，利用偏最小二乘回歸（PLSR）建立蘋果糖度、酸度的定量預(yù)測(cè)模型。但是，近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)由于受水果厚度的限制而不具有通用性。本文初步驗(yàn)證了含糖量與弛豫時(shí)間及NMR信號(hào)的關(guān)系。結(jié)合手持糖度儀，利用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)測(cè)試整個(gè)蘋果的含糖量是研究的下一個(gè)目標(biāo)。

[1]龐林江，王允祥，何志平，等.核磁共振技術(shù)在水果品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006，26（8）：176-180.

[2]Chaughule R S，Mali P C，Patil P S，et al.Magnetic resonance spectroscopy study of sapota fruits at various growth stages[J].Innovative Food Science&Emerging Technologies，2002，3（2）：185-190.

[3]Van D.Applications of time-domain NMR in food science and technology[J].London Royal Society of Chemistry，2010，36（9）：50-53.

[4]Bellon V，Boisde G.Remote near infrared spectroscopy in food industry with the use of silica and fluoride glass fibers[C]∥Proceedings of the Conference Los Angeles，1989：350-359.

[5]Dull G G，Birth G S，Smittle D A，et al.Near infrared analysis of soluble solids in intact cantaloupe[J].Food Sci，1989，54（2）：393-395.

[6]閻政禮，楊明生.蜂蜜中葡萄糖、果糖和蔗糖NMR定量分析研究[J].食品科學(xué)，2009，30（14）：253-255.

[7]Cho S I，Bellon V，Eads T M，et al.Sugar content measurement in fruit tissue using water peak suppression in high resolution 1H magnetic resonance[J].Journal of food Science，1991，56（4）：1091-1094.

[8]Zou X B，Zhao J W，Li Y X，et al.Selection of the efficient wavelength regions in FT-NIR spectroscopy for determination of SSC of'Fuji'apple based on BiPLS and FiPLS models[J].Vibration Spectroscopy，2007，44（2）：220-227.

[9]董一威，籍保平，史波林，等.蘋果中糖酸度的CCD近紅外光譜分析[J].食品科學(xué)，2007，28（8）：376-380.

Application of nuclear magnetic resonance on detecting sucrose content in different parts of apple

XIONG Ting1，ZHANG Ju-cheng1，XU Pan-pan1，ZHANG Ying-li2
（1.College of Information Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China；2.Shanghai Niumag Corporation，Shanghai 200333，China）

A 20 MHz nuclear magnetic resonance（NMR）system was used to measure the NMR relaxation spectrum in different parts of the apple and studied the relationship between sugar content and NMR signal.Moreover，the Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）technique was used to measureT2and control the water signal in manganese chloride aqueous solution.Then，the calibration line was used to test the sugar content in apple tissues.Finally，a calibration line of the sugar content and the value of sugar signal were determined.The results show that sugar content influences not only FID but also transverse relaxation time and longitudinal relaxation time；FID signal increases with the increasing of sugar content and the relationship is linear（r2＞0.94）；tissues close to the core have the highest sugar content and close to the skin are the lowest，this results are the same as the NMR spectrum analysis and prove the feasibility and veracity of the calibration line.

sucrose content；low-field nuclear magnetic resonance；FID；transverse relaxation time

R445.2；TL62+2；S661.1；TS207.3

：A

：1674-5124（2014）04-0033-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.009

2013-06-24；

：2013-08-06

國家質(zhì)檢公益行業(yè)科研資助項(xiàng)目（201210079）

熊 婷（1988-），女，江西高安市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。