Применение ЯРМ в пищевой промышленности

Базовый принцип работы ЯМР
Ядерный магнитный резонанс — это явление, при котором атомные ядра с ненулевым спиновым квантовым числом взаимодействуют с внешним магнитным полем. При помещении в статическое магнитное поле B_0 магнитные моменты этих ядер прецессируют вокруг вектора магнитного поля с характерной частотой, известной как Ларморовская частота. Воздействие радиочастотным (РЧ) импульсом, перпендикулярным направлению поля B_0, позволяет вывести магнитные моменты ядер из равновесного состояния. После прекращения воздействия радиочастотным импульсом ядра возвращаются в равновесное состояние посредством двух релаксационных процессов: спин-решеточной релаксации (характеризующейся временем релаксации T1) и спин-спиновой релаксации (характеризующейся временем релаксации T2). Данные показатели времени релаксации очень чувствительны к физико-химическому окружению ядер, в частности, к таким факторам, как подвижность молекул или наличие различных химических соединений.

Определение содержания влаги
Одной из основных производственных задач, которую позволяет решить ЯМР-релаксометрия, является точное определение содержания влаги в пищевых продуктах. Во многих процессах производства пищевых продуктов, таких как выпекание, сушка и пивоварение, точный контроль содержания влаги имеет решающее значение для обеспечения качества продукта и сохранения его свойств на протяжении всего срока хранения. Традиционные методы определения содержания влаги, такие как высушивание и химическое титрование, часто занимают много времени и могут привести к повреждению образцов. ЯМР-релаксометрия, напротив, является альтернативой, которая отличается высокой скоростью и не разрушает образцы.

Принцип определения содержания влаги на основе ЯМР заключается в том, что регистрируемый ЯМР сигнал протонов воды отличаются от ЯМР сигналов других компонентов пищевой матрицы. Например, в конкретном образце пищевого продукта время релаксации T2 протонов воды будет отличаться от времени релаксации протонов в углеводах, белках или жирах. Измеряя интенсивность ЯМР сигнала, соответствующего протонам воды, и сравнивая его с градуировочными кривыми, полученными для образцов с известным содержанием влаги, можно точно определить содержание влаги в образце с неизвестным уровнем влажности.

Например, при производстве хлеба содержание влаги влияет на текстуру, вкус и срок хранения конечного продукта. Используя ЯМР-релаксометры серии PQ001, пекари могут быстро измерять содержание влаги в тесте непосредственно в процессе производства. Это позволяет в режиме реального времени вносить изменения в рецептуру или условия обработки теста, чтобы обеспечить требуемое содержание влаги в хлебе.

Преимущества по сравнению с традиционными методами: По сравнению с традиционными методами определения содержания влаги, такими как высушивание в печи, титрование по методу Карла Фишера и др., устройства на основе низкопольного ЯМР работают существенно быстрее, зачастую предоставляя результаты за считанные секунды. Кроме того, данный метод является неразрушающим: это означает, что после измерения методом ЯМР образец может быть подвергнут дальнейшему анализу или использован для иных целей. Например, при производстве хлебобулочных изделий традиционные методы высушивания образцов в печи могут занять несколько часов, в то время как метод ЯМР позволяет быстро определить содержание влаги в тесте, что дает возможность управлять технологическим процессом в режиме реального времени.

Анализ миграции влаги
Понимание процесса миграции влаги в пищевых продуктах также необходимо, поскольку миграция влаги влияет на стабильность характеристик, протекание химических реакций и рост микроорганизмов в пищевых системах. Связанная вода, которая находится в тесном соединении с пищевыми компонентами, обладает иными характеристиками ЯМР-релаксации по сравнению со свободной водой. Метод низкопольной ЯМР-релаксометрии позволяет различать разные состояния воды в зависимости от времени релаксации T1 и T2.

В процессе хранения фруктов миграция влаги в тканях плодов меняется с течением времени. Анализируя данные ЯМР-релаксации, можно отслеживать изменения в миграции влаги, что может быть использовано для прогнозирования наступления созревания и срока хранения фруктов. Например, по мере созревания фруктов относительное содержание свободной воды в них может увеличиваться, что приводит к изменениям в распределении времени релаксации T2. ЯМР-релаксометры серии PQ001 позволяют точно измерять эти изменения, предоставляя ценную информацию для разработки стратегий сбыта и хранения фруктов.

Определение содержания жира
В контексте пищевой промышленности определение содержания жира в продуктах питания имеет решающее значение для указания пищевой ценности на маркировке, а также для контроля качества и разработки новой продукции. Метод ЯМР-релаксометрии позволяет точно измерить содержание жира в различных образцах пищевых продуктов, включая семена масличных культур, молочные продукты и мясо.

При исследовании семян масличных культур ЯМР-релаксометрия позволяет измерить содержание жира путем обнаружения ЯМР сигналов протонов в составе жиров. Время релаксации протонов жиров отличается от времени релаксации других компонентов матрицы семян масличных культур. Путем построения градуировочных кривых с использованием образцов с известным содержанием жира можно определить содержание жира в образцах семян масличных культур с неизвестным содержанием жира. Например, при производстве пищевых масел точное определение содержания жира в семенах масличных культур необходимо для эффективного извлечения растительного масла и планирования производства. ЯМР-релаксометры серии PQ001 позволяют быстро анализировать содержание жира в семенах масличных культур, помогая производителям пищевых масел оптимизировать процесс экстракции и обеспечить качество продукции.

Однако не все семена масличных культур в одинаковой степени поддаются анализу с использованием метода ЯМР-релаксометрии. Характеристики ЯМР-релаксации различных масличных культур могут отличаться из-за различий в их химическом составе, таких как тип жирных кислот или наличие иных компонентов. Например, некоторые масличные культуры могут содержать более высокий уровень ненасыщенных жирных кислот, что может повлиять на время релаксации, измеряемое методом ЯМР. При измерении показателей различных масличных культур может потребоваться соответствующая корректировка градуировочных кривых и параметров анализа. Масличные культуры с различным составом жиров могут иметь разное время релаксации T1 и T2 для соответствующих жировых компонентов. Поэтому для получения точных результатов необходимо оптимизировать условия осуществления измерений для каждого типа масличных культур.

Анализ качества жиров
Метод низкопольной ЯМР-релаксометрии также может использоваться для оценки качества жиров в продуктах питания. Окисление жиров является серьезной проблемой в пищевой промышленности, поскольку оно может привести к появлению неприятных привкусов, снижению питательной ценности и сокращению срока хранения продукции. Метод ЯМР-релаксометрии позволяет обнаружить изменения в структуре и подвижности жиров в процессе окисления.

При окислении жиров двойные связи в цепочках жирных кислот разрушаются, и образуются новые функциональные группы. Эти изменения могут отражаться в показателях времени релаксации и спектральных характеристиках, измеряемых с помощью ЯМР. Например, время релаксации T2 протонов жиров может изменяться по мере окисления жиров. Отслеживая эти изменения с помощью ЯМР-релаксометра серии PQ001, производители продуктов питания могут оценить степень окисления жиров в своей продукции и принять соответствующие меры для предотвращения или замедления процесса окисления, например, путем добавления антиоксидантов или использования более эффективных упаковочных материалов.

Оценка текстуры
Текстура пищевых продуктов является важным показателем качества, влияющим на их восприятие потребителями. Метод низкопольной ЯМР-релаксометрии помогает получить ценную информацию о текстуре пищевых продуктов по таким параметрам, как плотность, вязкость или гелеобразные свойства.

При производстве молочных продуктов, таких как йогурт, текстура является ключевым фактором, определяющим выбор потребителей. Измеряемое методом ЯМР время релаксации воды и других компонентов йогурта связано с его текстурой. Более вязкий или плотный йогурт может иметь другие характеристики подвижности молекул воды, которые можно определить с помощью ЯМР-релаксометрии. ЯМР-релаксометры серии PQ001 позволяют измерять распределение времени релаксации T2 для образца йогурта. Более короткое время релаксации T2 может указывать на более структурированную и плотную текстуру, в то время как более длительное время релаксации T2 может указывать на более жидкое или менее структурированное состояние продукта. Производители молочной продукции могут использовать эту информацию для оптимизации производственного процесса и обеспечения однородной консистенции йогуртовых продуктов.

Анализ структуры
Метод ЯМР-релаксометрии также может использоваться для анализа внутренней структуры пищевых продуктов. Например, при изучении крахмалосодержащих продуктов питания, таких как макароны и хлеб, ЯМР может дать представление о процессе клейстеризации крахмала и формировании крахмало-белковой сети.

Во время выпекания хлеба крахмал в тесте клейстеризуется, а белок образует сетчатую структуру. Эти изменения можно отслеживать с помощью ЯМР-релаксометрии. Время релаксации протонов в крахмальных и белковых компонентах изменяется по мере процесса выпекания. Анализируя эти изменения с помощью оборудования для ЯМР-релаксометрии серии PQ001, пекари могут отслеживать структурные изменения в тесте во время выпекания, что может помочь оптимизировать условия выпекания для достижения желаемого качества хлеба, например, получения изделий с мягкой и пышной текстурой.

Принцип получения спектральных «отпечатков пальцев»
Спектральный «отпечаток пальцев» — это уникальная комбинация сигналов в спектре ЯМР, полученных на основе анализа образца пищевого продукта. Он представляет собой совокупность ЯМР-характеристик всех компонентов в составе образца, включая воду, жиры, углеводы и белки. Каждый образец пищевого продукта имеет характерный спектральный «отпечаток пальцев», обусловленный его уникальным химическим составом и молекулярной структурой.

Спектральный «отпечаток пальцев» определяется путем измерения сигналов в спектре ЯМР в широком диапазоне частот или времени релаксации. Полученный спектр содержит информацию о типах ядер, присутствующих в образце, их химическом окружении и взаимодействии между различными компонентами. Например, в образце фруктового сока спектральный «отпечаток пальцев» будет включать сигналы от протонов воды, протонов сахаров и различных соединений, влияющих на вкус и аромат продукта.

Спектральные «отпечатки пальцев», полученные с помощью ЯМР, также могут использоваться для контроля качества при производстве пищевых продуктов. При производстве напитков, таких как вино и пиво, спектральные «отпечатки пальцев» могут использоваться для контроля качества и единообразия продукции.

Каждая партия вина или пива должна иметь одинаковый химический состав и вкусовые характеристики. В спектральных «отпечатках пальцев», полученных с помощью ЯМР, могут отражаться любые изменения в составе продуктов, обусловленные различиями в сырье, производственных процессах или условиях хранения. Регулярно анализируя спектральные «отпечатки пальцев» продукции с помощью ЯМР-анализаторов серии PQ001, производители напитков могут оперативно выявлять любые отклонения от стандартного спектра и принимать корректирующие меры для обеспечения качества продукции.

Анализ для определения содержания влаги: одной из основных задач является точное определение содержания влаги в пищевых продуктах. В пищевой промышленности поддержание надлежащего уровня влажности имеет решающее значение для обеспечения качества продукции, её срока хранения и органолептических свойств. Например, в хлебобулочных изделиях избыточное содержание влаги может привести к клёклой текстуре и появлению плесени, в то время как недостаточное содержание влаги может привести к пересушенной текстуре и хрупкости изделий. ЯМР-релаксометрия позволяет быстро и без разрушения образца измерить содержание влаги, анализируя время релаксации протонов воды. Сравнивая измеренное время релаксации с градуировочными кривыми, установленными для образцов с известным содержанием влаги, можно точно определить содержание влаги в неизвестном образце.

Анализ для определения содержания жиров: в таких продуктах, как молочные продукты, мясо и пищевые масла, очень важно определить содержание жира. ЯМР-релаксометрия позволяет различать сигналы релаксации жиров и других компонентов в пищевой матрице. Это обусловлено тем, что время релаксации протонов жиров отличается от времени релаксации протонов воды и других веществ. Например, при производстве сыра содержание жира влияет на текстуру и вкус, а также на то, насколько хорошо сыр плавится. ЯМР-релаксометрия точно измеряет содержание жира, что позволяет производителям обеспечить единообразие продукции и соответствие стандартам качества.

Процессы сушки и гидратации
В процессе сушки пищевых продуктов, например, фруктов или круп, ЯМР-релаксометрия позволяет контролировать удаление влаги в динамике. Непрерывно измеряя время релаксации протонов воды, ЯМР-релаксометр позволяет получать информацию о скорости удаления влаги в режиме реального времени. Это позволяет оптимизировать процесс сушки, снизить энергопотребление и предотвратить пересушивание или недосушивание продукции. В процессах гидратации, таких как регидратация сушеных продуктов, ЯМР-релаксация позволяет контролировать динамику поглощения воды, обеспечивая достижение требуемого уровня гидратации.

Контроль процессов ферментации
При ферментации таких продуктов, как хлеб, пиво и йогурт, метод ЯМР-релаксометрии позволяет отслеживать изменения в пищевой матрице в процессе ферментации. Время релаксации воды и других компонентов изменяется в процессе ферментации, что связано с потреблением питательных веществ, образованием метаболитов и изменением физической структуры продукта. Например, при выпечке хлеба ЯМР-релаксометрия позволяет обнаружить изменения в структуре теста и распределении влаги во время дрожжевого брожения, что дает возможность точнее контролировать процесс и повышает качество хлеба.

Анализ текстуры и структуры продукции
ЯМР-релаксометрия позволяет получить информацию о текстуре и структуре пищевых продуктов. Время релаксации протонов в различных компонентах пищевых продуктов связано с подвижностью этих компонентов, которая, в свою очередь, зависит от текстуры продуктов. Например, при разработке новых видов снеков или кондитерских изделий понимание взаимосвязи между временем релаксации ингредиентов и получаемой текстурой (например, хрустящей, жевательной или однородной) может помочь в разработке оптимальной рецептуры.

Исследование взаимодействия ингредиентов
Данная технология также может использоваться для изучения взаимодействия между различными ингредиентами пищевых продуктов. Например, при разработке эмульгированных продуктов, таких как майонез или заправки для салатов, ЯМР-релаксометр позволяет отслеживать взаимодействие между маслом, водой и эмульгаторами, анализируя время релаксации протонов в этих компонентах. Это помогает оптимизировать рецептуру для повышения стабильности консистенции и качества эмульгированного продукта.

Какие производственные задачи позволяет решить технология ЯМР-релаксометрии?

• Контроль качества на производственных линиях

Технология ЯМР-релаксометрии может использоваться для быстрого определения содержания влаги и жира в режиме реального времени в процессе производства продуктов питания. Например, при производстве сухих завтраков с её помощью можно быстро измерить содержание влаги в зернах злаковых культур до и после таких этапов обработки, как сушка и нанесение глазури. Это помогает обеспечить требуемое содержание влаги в конечном продукте, что имеет решающее значение для его текстуры, срока годности и вкуса.

• Оптимизация технологических процессов

Анализируя время релаксации компонентов пищевых продуктов, ЯМР-релаксометрия позволяет получить информацию о процессе обработки пищевых продуктов. При производстве сыра ЯМР-релаксометрия позволяет отслеживать изменения во времени релаксации воды и жира в процессе производства сыра, включая этапы створаживания, прессования и выдержки. Эта информация может быть использована для оптимизации параметров технологического процесса для достижения желаемого качества сыра.

• В чем заключается принцип работы ЯМР-анализатора (PQ001-12-040V)?

Как описано в разделе 2.2, ЯМР-анализатор PQ001-12-040V сначала использует магнит для создания статического магнитного поля B_0, которое выравнивает спины ядер в образце пищевого продукта. Затем радиочастотная (РЧ) приемо-передающая система подает радиочастотный импульс для перевода ядер в возбужденное состояние. После подачи радиочастотного импульса вектор намагниченности ядер прецессирует, и приемник определяет сигнал спада свободной индукции. Блок сбора и обработки данных оцифровывает сигнал и с помощью специальных алгоритмов вычисляет такие параметры как T1 и T2, чтобы получить информацию о компонентах и свойствах образца.

• Какое оборудование входит в комплект для отбора проб и проведения измерений?

Емкости для отбора пробКак правило, в комплект для отбора проб и проведения измерений входят пробирки или держатели для проб, совместимые с ЯМР-анализатором. Эти емкости предназначены для удержания образца пищевого продукта в магнитном поле ЯМР-прибора. Для жидких образцов предусмотрены стеклянные или пластиковые пробирки для отбора проб соответствующих размеров. Для твердых или полутвердых образцов могут использоваться специальные держатели, обеспечивающие правильное позиционирование образца в магнитном поле.

• Радиочастотный датчик

В комплект могут входить радиочастотные датчики, которые используются для передачи радиочастотного импульса и приема сигнала ЯМР. Подобные датчики тщательно разрабатываются для обеспечения эффективной передачи и приема радиочастотной энергии, а также обладают высокой чувствительностью к ЯМР сигналам, поступающим от образца.

• Градуировочные эталоны

Градуировочные эталоны необходимы для проведения точных измерений. В комплект, как правило, входят эталонные образцы с известным содержанием влаги, жира или иных компонентов. Данные эталоны используются для градуировки ЯМР-анализаторов, обеспечивая точность измеренных значений для неизвестных образцов. Например, комплект образцов с различным известным содержанием влаги может быть использован для построения градуировочной кривой для определения содержания влажности.

• Все ли семена масличных культур в одинаковой степени поддаются анализу с использованием метода ЯМР-релаксометрии?

Большинство масличных культур можно проанализировать с помощью метода ЯМР-релаксометрии. Однако эффективность анализа может зависеть от таких факторов, как масличность семян, наличие других нежелательных компонентов, препятствующих анализу, а также физическое состояние семян масличных культур. Для семян масличных культур с относительно высоким содержанием жира и простой структурой, таких как соевые бобы и семена подсолнечника, ЯМР-релаксометрия позволяет точно определить содержание масла и предоставить информацию о физических свойствах масла. Однако для семян некоторых масличных культур со сложной структурой или низким содержанием жира могут потребоваться дополнительные методы подготовки образцов или анализа данных. Например, если семена масличных культур содержат большое количество клетчатки или других немасляных компонентов, которые могут препятствовать передаче ЯМР сигнала, перед анализом может потребоваться их предварительная обработка с помощью таких методов, как экстракция или фильтрация.

• В чем состоит разница между различными культурами при проведении измерений?

Различия в конкретных компонентахРазличные культуры имеют разный химический состав и содержание воды, жиров, углеводов и белков. Например, зерновые культуры, такие как пшеница и рис, отличаются высоким содержанием углеводов, в то время как масличные культуры, такие как соя и рапс, содержат много жиров. При измерении методом ЯМР время релаксации и химический сдвиг протонов в различных компонентах будут отличаться. В пшенице будут выделяться ЯМР сигналы от крахмала (углеводного компонента), в то время как в соевых бобах более значительными будут сигналы от протонов, связанных с маслом.

• Различия в структуре

Физическая структура различных культур также влияет на результаты измерений с помощью метода ЯМР. Например, структура клеток фруктов отличается от структуры клеток зерновых культур. Фрукты часто имеют более пористую структуру с высоким содержанием воды, что может привести к различному поведению протонов воды в процессе релаксации по сравнению с более плотной структурой зерен. Эти структурные различия можно обнаружить посредством анализа времени релаксации и интенсивности ЯМР сигналов.

Инфракрасная (ИК) спектроскопия
ИК-спектроскопия основана на измерении поглощения инфракрасного излучения молекулами. В пищевой промышленности данный метод широко используется для контроля качества и анализа состава продуктов. Например, метод спектроскопии в ближней инфракрасной (БИК) области может использоваться для измерения содержания влаги и жира в пищевых продуктах. Его принцип работы основан на том, что различные химические связи между атомами в составе молекул поглощают инфракрасное излучение определенной длины волны. Полосы поглощения связаны с функциональными группами в пищевых компонентах, такими как соединение O - H в воде и соединение C = O в жирах.

ЯМР-релаксометрия
Как было описано выше, метод ЯМР-релаксометрии основан на измерении магнитных свойств атомных ядер в магнитном поле. Он предоставляет информацию о молекулярной среде, молекулярном движении и взаимодействии компонентов в образце пищевого продукта.

Разница в применении
В пищевой промышленности ИК-технологии часто используются для анализа химического состава, например, для определения содержания белков, жиров и углеводов. Они также могут использоваться для обнаружения загрязняющих веществ и анализа качества пищевых продуктов на основе поглощения инфракрасного излучения различными компонентами пищевых продуктов.

С другой стороны, ЯМР-релаксометрия позволяет получить более полную информацию о физико-химических свойствах продуктов питания. Она помогает не только определить содержание различных компонентов, но и получить информацию о подвижности, структуре и взаимодействии этих компонентов. Например, ЯМР-релаксометрия позволяет провести различие между разными состояниями воды и жиров, чего трудно добиться с помощью ИК-спектроскопии.

Информация о подвижности молекул
ЯМР-релаксометрия может предоставить подробную информацию о подвижности молекул в образце пищевого продукта. Например, она позволяет различать связанную и свободную воду, что имеет решающее значение для понимания влагоудерживающей способности и стабильности структуры пищевых продуктов. С другой стороны, ИК-спектроскопия в основном предоставляет информацию о химическом составе на основе поглощения инфракрасного излучения и не измеряет непосредственно подвижность молекул.

Неразрушающий анализ и анализ in situ
ЯМР-релаксометрия — это неразрушающий метод исследования, позволяющий проводить многократный анализ одного и того же образца без его повреждения. Он также может быть использован для анализа in situ, например, для мониторинга изменений в пищевом продукте в процессе обработки неинвазивным методом в режиме реального времени. Для ИК-спектроскопии может потребоваться подготовка образца, которая потенциально может привести к его изменению, а анализ in situ в некоторых случаях является более сложным.

Анализ сложных матриц
Метод ЯМР-релаксометрии более эффективен при анализе сложных пищевых матриц. В пищевом продукте, содержащем множество взаимодействующих друг с другом компонентов, ЯМР-релаксометрия позволяет разделить сигналы от разных компонентов на основе их времени релаксации и химических сдвигов. При использовании прибора для ИК-спектроскопии могут возникнуть затруднения при выявлении перекрывающихся полос поглощения различных компонентов в сложной матрице, что приводит к получению менее точных результатов анализа состава.

Анализаторы на основе технологии низкопольного ЯМР, в особенности ЯМР-релаксометры Niumag серии PQ001, обладают широким спектром применения в пищевой промышленности. С их помощью можно решать различные производственные задачи — от контроля качества до мониторинга технологических процессов и разработки новой продукции. В настоящем отчете были рассмотрены принцип работы ЯМР-релаксометра, компоненты комплекта для отбора проб и проведения измерений, а также различия в измерении различных образцов пищевых продуктов. По сравнению с ИК-спектроскопией ЯМР-релаксометрия обладает неоспоримыми преимуществами в получении информации на молекулярном уровне и анализе сложных пищевых матриц. Применение спектральных «отпечатков пальцев» в рамках ЯМР-релаксометрии еще больше повышает её эффективность в области проверки подлинности, отслеживания происхождения и оценки качества пищевых продуктов. Ожидается, что по мере развития технологии низкопольной ЯМР-релаксометрии, она будет играть еще более значительную роль в пищевой промышленности, способствуя повышению качества продукции, эффективности производства, а также защите прав потребителей.