基于ESR光谱技术检测食品中自由基的探究

2020-12-03黑龙江省北大荒米业集团有限公司

食品安全导刊 2020年21期

□ 宋禹黑龙江省北大荒米业集团有限公司

食物发生变质的主要原因是脂质氧化反应，脂质氧化反应使食品的质地发生变化，产生酸味，影响食品的质量和保存，脂质氧化反应过程中，发生了自由基参与的链式反应，自由基作为氧化反应的中间体，使用ESR光谱技术检测食品中的自由基用来判断食品的氧化程度，预测食品的质量。

1 基于ESR光谱技术检测食品自由基的原理

1.1 自由基电子运动

ESR是电子磁共振的英文简称，可使用ESR光谱技术检测食品自由基中的未成对电子。在静磁场中放入被检测的食品物质，通过磁场作用，控制自由基的未成对电子，使未成对电子在磁场力的作用下发生能级分裂。其原理是具有一定质量的电子和一种带负电的基本粒的运动方式有两种：第一种是在原子核轨道上的运动；第二种运动是围绕自身中心轴自旋。由于电子与粒子的运动，形成力矩，并在运动过程中产生电流和磁矩，在静磁场的作用下，电子自旋被磁场分裂。在磁场分裂过程中，在垂直外磁场的方向上，加一合适频率的电磁波，使低能级的电子在自旋过程中，吸收电磁波的能量，跃迁到高能级，促使电子发生顺磁共振吸收。顺磁共振引发ESR线超精细分裂，促使自由基中的未成对电子之间相互作用，为ESR提供结构信息，从而实现对自由基的检测。

1.2 ESR光谱仪器

现阶段使用的ESR仪器，微波频率为10 GHz，灵敏度较高，可用于液体和固体检测，对透明度没有要求，所以ESR光谱技术可用于食品中自由基的检测。ESR光谱仪器可以对几种食物中的自由基浓度进行比较，在计算绝对浓度时，要使用稳定、已知的自由基浓度作为检测样品的数据参考。

2 基于ESR光谱技术的食品自由基检测

食物在氧化过程中所形成的基团主要是高度反应性物质，所以自由基不易被捕获。当自由基在物质基团中浓度过低时，寿命被缩短，而在固体样品中寿命较长。例如，干燥和冷冻食品中的分子成分被物理捕获，极大的减缓食物氧化，如果食品处于液态状态，自由基稳定性较差，不易被检测。

2.1 ESR光谱技术检测干燥食品的自由基

在室温环境中，使用ESR光谱技术可以检测干燥食品中的自由基浓度，自由基主要是在生产和储存期间积累下来的。在光谱中可以看到G值为2的一条单线，总振幅宽度为4～12高斯。如果干燥食品中含有固体物质，自由基寿命可以使用ESR光谱技术进行检测。干燥食品中有些稳定自由基的来源已经基本确定，例如，通过加热和空气，可以提高核桃的自由基水平；通过光照，也可提高花生的自由基水平；或者美拉德产物以及蛋白质氧化等形成的产物。影响自由基氧化的因素有很多种，外部因素有光、热、存储等，内部因素是脂质氧化程度。

2.2 ESR光谱技术检测冷冻食品的自由基

冷冻食品中的自由基处于稳定状态，直接使用ESR光谱技术就可以检测。

2.2.1 光诱导冷冻甘油三脂试验

在77 K超导体临界温度下，光诱导冷冻甘油三脂可用来分析油脂自动氧化中涉及的自由基，检测自由基的稳定性，在提高光照条件以及温度后，形成一定数量的自由基，饱和脂质氧化产生自由基时，会导致过氧自由基损失，而且饱和脂质没有产生新的自由基。在低温状态下，自由基的稳定性比较好，温度提高以后，氧化速度加快，自由基的浓度增加。

2.2.2 冰冻葡萄酒试验

Troup 等[1]通过冰冻葡萄酒实验，使用ESR光谱技术检测冰冻样品，可以直接检测到样品中的自由基，并给出结论，葡萄酒中的酚类化合物，会产生一定浓度的自由基，确定自由基是由于温度降低变得比较稳定。

3 ESR自旋捕获技术检测饮料自由基

食品中一般都含有水分，水分可以使食品中的成分发生扩散，所以食品中的自由基寿命非常短，有些食品自由基浓度过低，并且浓度变化不大，不能使用ESR光谱技术直接进行检测。但是ESR自旋捕获技术可以将反应性自由基转换成稳定性自由基，被称之为自旋加合物，自旋加合物具有一定的稳定性，可以使用ESR光谱技术检测。自旋捕获技术可以应用于饮料、咖啡、啤酒的自由基检测。