熊 婷,张鞠成,徐盼盼,张英力

（1.中国计量学院信息工程学院，浙江 杭州 310018；2.上海纽迈科技有限公司，上海 200333）

应用磁共振检测苹果不同部位的蔗糖含量

熊 婷1,张鞠成1,徐盼盼1,张英力2

（1.中国计量学院信息工程学院，浙江 杭州 310018；2.上海纽迈科技有限公司，上海 200333）

采用20MHz低场核磁共振弛豫谱分析技术检测苹果不同部位的蔗糖含量，研究含糖量与核磁共振信号之间的关系；利用CPMG序列来测溶液的T2值，得到含糖量和溶液中所含糖信号量的定标线，并用此定标线对苹果不同部位的含糖量进行定量分析。实验结果表明：含糖量的多少不仅影响自由感应衰减信号（free-induction decay signal，FID）的大小，而且影响其横向弛豫时间（T2）和纵向弛豫时间（T1）；随着含糖量的升高，样品的自由感应衰减信号呈线性增大（r2＞0.94）；靠近果核部位的苹果组织含糖量最高，靠近果皮的最低，这与核磁共振波谱分析测试的结果相同，证明了此标线的可行性和准确性。

含糖量；低场核磁共振；自由感应衰减信号；横向弛豫时间

0 引 言

苹果的成熟度主要是根据苹果中所含可溶性固体的多少来判断。研究发现成熟的苹果总是比未成熟的苹果要甜，即成熟苹果的含糖量更高。近年来，很多学者都投入到苹果含糖量的测试研究中[1-3]。但是，有关无损检测技术的报道却相当少。Bellon V等[4]使用近红外辐射技术测桃子的含糖量。Dull G G等[5]对Bellon V的方法进行验证，发现近红外辐射技术只适合测皮薄的水果，对于像甜瓜等皮比较厚的水果，近红外测得（r=0.6）并不准确。阎政礼等[6]应用低

场核磁共振波谱（nuclear magnetic resonance，NMR）对蜂蜜中葡萄糖、果糖和蔗糖进行了定量分析研究，但是，这种分析方法涉及专业化学知识，对于非化学专业的人员并不适用。

糖分含量的定义为在温度为20℃时，每100g溶液中蔗糖的百分比含量。它是Antoine Brix在18世纪中期发明的一种方法，故简称为Brix。

Seong I等[7]提到：在新鲜水果中，水的含量大约为80%～95%，含糖量为5%～20%。

本实验采用苏州纽迈电子科技有限公司提供的NMI20-Analysis，根据不同含糖量有不同的信号量，使用单脉冲序列和CPMG序列测得不同含糖量的氯化锰溶液中糖和水的质子特征峰，并制作了一条含糖量标线，通过苹果不同部位蔗糖含量的测试验证了此标线的可行性。实验设计流程如图1所示。

1 材料与方法

1.1 仪器和测试材料

NMI20-Analysis：工控机温度维持在32℃；中心频率20.068 MHz；90°脉宽9 μs；模拟增益10 dB，数字增益3；天平；试管；无信号样品管；蔗糖；新鲜苹果。

单脉冲序列：施加90°脉冲之后，在D3（最小为线圈死时间和接收机死时间之和，本实验中为20μs）后就可以采集到FID信号。

CPMG序列：在90°脉冲之后再施加多个180°脉冲，从而得到多个回波信号。

反转脉冲（inversion recovery，IR）序列：首先施加一个180°射频脉冲，等待一段时间（反转时间TI，本实验中为10μs），再施加一个90°脉冲。

因为水的弛豫时间特别长（一般为1000～1500ms），所以在水中加入弛豫剂氯化锰晶体，将水的横向弛豫时间缩短为0.86ms，以此减少所需的采样时间；又因为在成熟的苹果中，不同位置的组织含糖量不同，靠近果皮的苹果含糖量最低，靠近果核含糖量最高[5]。Seong I等[7]曾经对甜瓜进行含糖量的测试，为了保护甜瓜的组织结构，采用样品管挤压甜瓜的方式来获得所需的测试样品。所以，本文借鉴此方法来得到苹果不同部位的组织样品，样品管的直径要求小于试管的直径（15mm）。

1.2 样品配制

称取一定量的MnCl2晶体，加入纯净水中，配制成横向弛豫时间为0.86ms的氯化锰水溶液，并测得其纵向弛豫时间为3.5ms。用单脉冲序列测得其单位质量FID信号为184。

取10个相同的无信号样品管，称取1g配制好的水溶液，然后往氯化锰溶液中加入不同质量的蔗糖，配成含糖量分别为2%、4%、6%……20%的10个样品。分别用单脉冲序列、CPMG序列和IR序列测得样品的FID信号、T2值和T1值，用于检验溶液中的糖是否存在信号以及标线的制定。

取3个相同的样品管，通过样品管挤压苹果的方式，取得靠近果皮13mm处的苹果作为果皮，中间的为果肉，靠近果核13mm处的为果核，质量均为1g。分别测它们的FID信号、T2弛豫时间和T1弛豫时间，用来验证标线的可行性。

2 结果与分析

2.1 溶液中糖存在信号的确认

将配制好的含糖溶液装入15 mm试管中，无需前处理，直接将试管放入探头线圈内检测。使用NMI20-Analysis分析软件及FID序列（即单脉冲序列）采集样品的信号值。序列的参数值分别为：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；测试结果如图2所示。

从图2可以看出，随着含糖量的升高，FID信号量也在增加。由于在配制含糖溶液时，采用的是规定水溶液的质量而称取不同质量的糖来配制含糖溶液，所以FID信号的增加可以确认含糖溶液中的糖有信号。

2.2 采用CPMG序列抑制水的信号

CPMG脉冲序列在旋转坐标轴Y轴上给予90°脉冲，经过时间之后再在X轴上施加180°脉冲，然后再施加一系列2n-180°脉冲。由于核的磁化矢量在X轴上等时间不停地翻转180°，使它们不断地分散和集合，并在翻到2n次时（n=1，2，3……），在2n等于某一值时再拾取图谱，此时，横向弛豫时间T2短者即从图谱中消失。利用这一原理，通过在水中加入适量的MnCl2晶体，配制成T2=0.86ms的水溶液。使用CPMG序列采集样品的信号值并反演，序列参数为：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。

此时，在含糖溶液的谱图中出现两个主峰，峰面积的大小分别对应着水信号和糖信号的多少。含糖溶液的T2谱图如图3（a）所示。

由图3可以看出，此时水分子和糖分子中氢质子的弛豫时间不同，通过设置恰当的脉冲间隔时间，可以得到不同含糖量样品的信号量，刚开始是水和糖的共有信号，当水弛豫完时，剩下的就是糖的信号。根据这一原理，测得结果如表1所示。可以看出，随着含糖量的增加，糖信号量也在增加。计算所得标准偏差和相对标准偏差都很小，证明测得的信号稳定性高，并且仪器的稳定性好。由此制作出一条含糖量标线，如图4所示，此标线的相关系数达到0.99以上，证明用CPMG序列来检测含糖量是可行的。

用此标线测得的苹果含糖量结果如表2所示。

由表2可以看出：在苹果组织中，越靠近果核部位，其含糖量越高。Seong I[7]采用波谱分析法，测得从靠近果皮部位到靠近果核部位的苹果含糖量为6%～15%左右。而且，通过口感也能尝出靠近果核的苹果部位更甜。这证明了用CPMG序列测试苹果不同部位蔗糖含量的可行性。

2.3 采用IR序列抑制水的信号

在施加180°射频脉冲以前，磁化矢量指向正Z轴。在施加180°脉冲后，将磁化矢量翻转到-Z轴，然后在等待一段延迟时间后施加90°脉冲，此时开始产生共振信号。根据公式s=1-2e-t/T1，当时间t=0.693T1时，弛豫曲线过零点，即此时信号为零。所以，通过选择合适的弛豫时间可以抑制水的信号。

实际测试中发现前9个样品中水的纵向弛豫时间都为3.5ms，但在含糖量为20%时，弛豫时间有所减小。检测发现，糖的弛豫时间随着含糖量的升高而降低，而糖峰的面积是增加的，如图5所示。由于水的纵向弛豫时间有所变化，所以暂时还不能根据零点信号来计算糖信号。

3 结束语

利用低场核磁共振弛豫谱分析技术，成功制定了含糖量定标线，相关系数大于0.99，相对标准偏差最大为4%，最小为1%，正确性高。利用此标线测得苹果组织中靠近果核的含糖量最高，证明了此标线的可行性。但是，这种方法的前提是通过添加氯化锰弛豫剂来缩短水的弛豫时间，而对于整个苹果而言，加弛豫剂并不可行，所以，核磁共振弛豫谱分析技术暂时无法完成整个苹果的含糖量测试。

目前，用于苹果含糖量的无损检测方法主要为近红外光谱检测，Zou Xiaobo[8]等用近红外光谱测定苹果的可溶性固体含量；董一威等[9]采用CCD近红外光谱系统，通过Y型光纤采集红富士苹果的漫反射光谱，利用偏最小二乘回归（PLSR）建立苹果糖度、酸度的定量预测模型。但是，近红外光谱检测技术由于受水果厚度的限制而不具有通用性。本文初步验证了含糖量与弛豫时间及NMR信号的关系。结合手持糖度仪，利用低场核磁共振技术测试整个苹果的含糖量是研究的下一个目标。

[1]庞林江，王允祥，何志平，等.核磁共振技术在水果品质检测中的应用[J].农机化研究，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]阎政礼，杨明生.蜂蜜中葡萄糖、果糖和蔗糖NMR定量分析研究[J].食品科学，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.苹果中糖酸度的CCD近红外光谱分析[J].食品科学，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

国家质检公益行业科研资助项目（201210079）

熊 婷（1988-），女，江西高安市人，硕士研究生，专业方向为信号与信息处理。