Спектроскопия с применением ядерного магнитного резонанса (ЯМР) – один из самых эффективных способов анализировать состав пищевых продуктов и ингредиентов.
Что такое ЯМР
Ядерный магнитный резонанс – это метод спектроскопии, используемый для определения молекулярной структуры и физических свойств веществ. Он основан на резонансном поглощении электромагнитных волн атомными ядрами. ЯМР происходит, когда на образец, находящийся в постоянном сильном магнитном поле, действует более слабое переменное магнитное поле радиочастотного диапазона, причём силовые линии двух магнитных полей должны быть перпендикулярны.
Спектроскопия на основе ЯМР широко применяется в прикладной физике, химии, биологии и медицине. Что касается пищевого сектора, ЯМР был впервые применён в 1957 году для измерения количества воды в продуктах. Однако его массовое применение в анализе пищевой продукции было затруднено высокими ценами и низкой чувствительностью спектрометров – вплоть до 1980-х.
Анализировать химический состав пищевого продукта – это в принципе сложная задача, потому что его матрица может состоять из тысяч веществ, образовавшихся в результате метаболизма растения, гриба или животного и/или добавленных в процессе обработки сырья. Состав также может зависеть от генетического и географического происхождения сырья, экологических и климатических условий производства, способов разведения и обработки, а также меняться в зависимости от условий хранения и транспортировки.
К основным компонентам продукта относятся вода, жиры, белки, углеводы, фенолы, отдельные аминокислоты, минералы и витамины. Эти ингредиенты определяют внешний вид, вкус, пользу и качество продукта.
С применением спектроскопии на основе преобразований Фурье, появлением сверхпроводящих магнитов и развитием технологий зондирования ЯМР стал эффективен для оценки качества продуктов различных категорий. Это применение становится всё более актуальным в наши дни, когда потребители уделяют большое внимание качеству и безопасности продуктов, которые покупают.
Итак, какие продукты можно анализировать с помощью ЯМР?
Масла и жиры
Растительные и животные масла входят в состав многих сложных продуктов. Они состоят в основном из жирных кислот: олеиновой, линолевой, линоленовой (ненасыщенные жиры), пальмитиновой и стеариновой (насыщенные жиры).
Анализ с применением ЯМР даёт информацию о жировом составе (в том числе о соотношении насыщенных и ненасыщенных жиров), с помощью которого можно сделать вывод о происхождении масла. Так, в 2017 году группа итальянских учёных проанализировала отличия между оливковым маслом, сделанным в Италии и Тунисе.
Ещё важнее то, что жиры в растительных маслах со временем окисляются и распадаются на продукты окисления (пероксид водорода, альдегиды, спирты и другие), что ухудшает питательность и сенсорные качества масла; эти продукты окисления тоже можно мониторить с помощью ЯМР.
То, что ЯМР даёт информацию о соотношении жирных кислот, делает его эффективным инструментом для обнаружения фальсификата. Речь идёт не только о заведомо вредных веществах, которых вообще не должно быть в составе масла, но и о разбавлении дорогих масел дешёвыми, которые не указаны в маркировке.
Вино
Вино состоит из воды, этанола, глицерина, сахара, аминокислот, органических кислот и оснований и неорганических ионов. Все эти компоненты влияют на вкус и качество вина. Их количественный и качественный анализ с помощью ЯМР позволяет в дальнейшем составлять базы данных о правильном составе вина той или иной компании, страны или региона.
В дальнейшем, сравнивая анализируемые образцы с этими базами данных, можно установить регион производства и время выдержки, а также идентифицировать фальсификат, который разбавлен более дешёвым вином или водой. Такой метод применяли в Италии (2013-2014), России и Кении (2018), Франции (2019), Чехии (2021), Испании (2022). Сейчас международная база данных NMR FoodScreener Wine-Profiling включает данные 26000 образцов и информацию о 22 сортах винограда из Франции, Италии, Испании и других стран.
Мёд
Мёд в обезвоженном состоянии примерно на 95% состоит из сахара, в основном фруктозы и глюкозы, которые и придают ему сладкий вкус. Также в нём есть белки, ферменты, минералы, витамины и полифенолы, влияющие на сенсорные и биологические свойства. Именно их анализ помогает идентифицировать растительный источник нектара, который использовали пчёлы; чем меньше этих микроэлементов, тем более «чистым» считается мёд.
Так как мёд считается полезным, спрос на него традиционно высок, и фальсификаторы часто этим пользуются. К примесям, указывающим на «неправильный мёд», относятся сукроза, свекольный сахар, кукурузный сироп и другие дешёвые подсластители – их компоненты тоже можно анализировать с помощью ЯМР. В 2019 году британское отделение Tesco отозвало собственный мёд, заподозрив, что он фальсифицирован, как раз после такого анализа.
Молоко
Главные компоненты молока – полисахариды, белки, фосфолипиды и минералы. Большое количество жировых молекул приводит к эмульсии образца, которая влияет на однородность магнитного поля и снижает разрешение спектра. Тем не менее, ЯМР активно применяют для анализа физико-химических свойств молока и различных молочных продуктов. Такой анализ даёт информацию о белковом составе, состоянии здоровья и рационе животного, географическом происхождении.
В 2022 году группа португальских химиков с помощью ЯМР подробно описала состав коровьего и козьего молока и соевого заменителя; их информация пригодится для дальнейших проверок молока на фильсификат.
Фрукты и овощи
ЯМР-спектроскопия используется для характеризации фруктов и овощей: в каждом из них есть конкретные вещества, отвечающие за его полезный состав, запах, вкус и биологическую активность. Как и в случае других продуктов, состав фрукта или овоща может зависеть от географического происхождения. Так, с помощью ЯМР был идентифицирован состав гранатов, выращенных в Пакистане и двух регионах Ирана (2020), а в Италии определили содержание фруктозы в популярных сортах яблок (2021). Кроме плодов, с помощью ЯМР можно анализировать зёрна, в том числе кофейные (Канада, 2021).
Аминокислоты – это ключевые метаболиты, участвующие в работе клеток и дающие ценную информацию о виде растения. Группа румынских учёных в 2019 году идентифицировала 10 типов аминокислот, по составу которых существенно отличаются различные фруктовые и овощные соки. Их данные опять же можно использовать, чтобы распознать фальсификат.
Что касается срока годности, он зависит от степени созревания и водной активности. И то, и другое можно мониторить с помощью ЯМР, как показали корейские учёные в 2011 году (на примере малины). Кроме того, продолжительный мониторинг воды позволяет анализировать не только сам продукт, но и эффективность различных методов сушки.
Преимущества ЯМР
- ЯМР – неинвазивный и недеструктивный метод анализа. Это значит, что образец продукта остаётся доступным для дальнейшего изучения.
- Образец для анализа ЯМР-спектроскопией не требует специальной подготовки.
- ЯМР даёт высокоточное трёхмерное изображение, основанное на молекулярных вибрациях.
- ЯМР работает быстро.
Недостатки ЯМР
- Низкая чувствительность ЯМР означает, что им можно анализировать не все категории продуктов.
- Анализаторы, использующие ЯМР, могут быть дорогими, занимать много места и расходовать много энергии.
- ЯМР не позволяет распознавать молекулы с высокой молекулярной массой, поэтому с его помощью нельзя проверять продукт на загрязнение тяжёлыми металлами.
- Работа с базами данных непроста и требует профессиональных знаний и навыков.
Заключение и выводы
ЯМР-спектроскопия – важный аналитический метод характеризации состава пищевого продукта. Он позволяет определить качество, безопасность и подлинность продукта и даже установить его географическое происхождение. Мы написали о самых частых применениях ЯМР в пищевом секторе, но в последнее время с его помощью стали анализировать и другие категории продуктов (например, яйца).
Технология ЯМР продолжает развиваться, и на рынке появляются портативные анализаторы, например, Tveskaeg датской компании NanoNord. Ещё важнее то, что с помощью такого анализа составлены многочисленные базы данных, с которыми можно сверяться во время анализа состава продуктов (как ЯМР-спектроскопией, так и другими методами).
Источник: crispy.news
