脈衝式低解析度核磁共振儀對水果糖度量測之應用

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脈衝式低解析度核磁共振儀

對水果糖度量測之應用

國立台灣大學生物產業機電工程學系國立台灣大學生物產業機電工程學系郭彥甫林達德郭彥甫林達德

(2)

一

.

_.

前言

_前言

二

.

_.

實驗材料與方法

_{實驗材料與方法}

三

.

_.

結果與討論

_{結果與討論}

四

.

_.

結論

_結論

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一、前言

果汁口感為水果分級之重要指標水果果汁中可溶固形物 _(Soluble Solids Content, SSC) 的主要成分為糖、酸、礦物質、果膠、蛋白質等。對大部分的水果而言，最主要的成份為糖。

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食物名稱熱量 Kcal 水分 g 粗蛋白 g 粗脂肪 g 醣類 g 粗纖維 g 膳食纖維 g 柳橙 43 88 0.8 0.2 10.6 0.5 2.3 葡萄 57 84 0.7 0.2 14.7 0.3 0.6 資料來源：行政院衛生署台灣地區資料來源：行政院衛生署台灣地區食品營養成份資料庫食品營養成份資料庫每百克柳橙、葡萄中主要成份含量

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柳橙、葡萄中果糖、蔗糖、葡萄糖含量食物名稱全糖量 g 果糖 g 蔗糖 g 葡萄糖 g 柳丁 12.14 3.70 4.66 3.42 葡萄 15.15 7.86 0 7.29 資料來源：台大農化系劉慧瑛老師資料來源：台大農化系劉慧瑛老師

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果汁中可溶固形物的量越多表示糖的含量越多果汁中可溶固形物越多則果汁中水分子的擴散速率越低，即其自我擴散系數 (Self-Diffusion Coefficient,Dw) 越小利用量測果汁的自我擴散係數預測果汁中糖的含量

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二、實驗材料

1. 糖類水溶液糖類水溶液：果糖、蔗糖、葡萄糖以化學藥品取適當重量百分濃度配成 2. 市售果汁市售果汁：葡萄汁、柳橙汁先經過離心 (2000_{rpm, 10min) 與過濾 (1 號濾} 紙 , 10_{μm) 利用冷凍將果汁濃縮，再加入蒸餾水取} 適當濃度間隔配成 3. 新鮮水果新鮮水果：葡萄、柳橙以單粒為單位，經離心過濾步驟而得

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實驗方法

實驗儀器

脈衝式核磁共振儀脈衝式核磁共振儀 _{(Pulsed NMR)} 20MHz, 0.47Tesla, Magnet 40℃ 脈衝梯度單元脈衝梯度單元 _{(Pulsed Gradient} Unit) 0~2 Tesla/m 水浴循環機水浴循環機 _{(Water Bath)} 溫度控制 – 10~80 ℃ 熱電偶熱電偶 _{(Thermal Couple)}

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PC Pulsed Gradient Unit E-Box Temperature Controlled Water Bath Thermal Couple Probe PFG-NMR PFG-NMR 系統架構圖系統架構圖

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脈衝梯度磁場核磁共振技術

其中 A(2τ) ＝脈衝梯度磁場在 2τ 時的迴響強度 A₀(2τ) ＝自旋迴響在 2τ 時的迴響強度 γ ＝迴轉磁率 (gyromagnetic ratio) Ｇ _{＝脈衝梯度磁場大小 (T/m)} δ ＝脈衝梯度磁場時間長度 (s) Δ ＝兩脈衝梯度磁場間的時間間隔 (s) Ｄ _{＝自我擴散係數 (m}2/s) D G A A              3 ) ( ) 2 ( ) 2 ( ln 2 0      Stejskal, 1965

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自旋迴響脈衝序列

₍

_Spin-

Spin-Echo)

Echo)

90oRF Pulse 180oRF Pulse Echo Time τ 2 τ A₀(2τ)

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脈衝梯度磁場脈衝序列

δ Δ τ 90oRF Pulse 180oRF Pulse Echo Time G G δ A(2τ)

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三、結果與討論

D w (m 2 /s ) x 10 9 1 2 3 4 5 50℃ 40℃ 30℃ 20℃ 10℃ 0℃ 果糖水溶液果糖水溶液

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Soluble Solids (oBrix) 0 5 10 15 20 25 D w ( m 2 /s ) x 10 9 0 1 2 3 4 5 50℃ 40℃ 30℃ 20℃ 10℃ 0℃ 柳橙果汁柳橙果汁

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樣本柳橙汁葡萄汁果糖水溶液葡萄糖水溶液蔗糖水溶液溫度 ( )℃ D_W/oBrix (10-11_m2_/s oBrix) D_W/oBrix (10-11_m2_/s oBrix) D_W/oBrix (10-11_m2_/s oBrix) D_W/oBrix (10-11_m2_/s oBrix) D_W/oBrix (10-11_m2_/s oBrix) 50 -7.81 -8.12 -7.18 -7.46 -7.46 40 -6.07 -6.81 -6.02 -6.23 -6.20 30 -5.25 -5.40 -4.95 -5.03 -4.94 20 -4.00 -4.32 -3.93 -3.98 -3.81 10 -2.98 -3.21 -3.00 -3.03 -2.93

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假設溶液的糖度糖度Ｂ ₍oBrix) 為溫度溫度Ｔ ( )℃ 及自我擴散係數自我擴散係數Ｄ (×109 ㎡ /s) 之函數。由於糖度與擴散係數成線性關係可假設：

糖度經驗方程式

)

(

)

(

T

D

T

B













其中 α(T) 、 β(T) 分別為線性回歸之斜斜率率與截距截距_{。再利用兩次非線性回歸求出 α} 、 β 與溫度Ｔ之關係，因此可得：

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或

))

1 (

(

)

(

e

T

D

e

T

B































)

(

)

(

e

T

D

e

T

B



























 γ 、 δ 、 ε 、 ζ 、 η 、 θ 為常數

(18)

利用 _{TableCurve 3D} 進行非線性曲面迴歸，並以下列原則選取方程式： 1.1. 方程式要有廣泛性，對五種樣本皆適用 2.2. 對五種樣本的 _R2 均要大於 0.99 3.3. 方程式係數越少越好

糖度迴歸曲面方程式

)

ln(

1 )

ln(

2

D

T

D

T

B



































其中 α 、 β 、 γ 、 δ 、 ε 、 ζ 為常數

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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Dw (10E-9 ¢ T/s) 0 0 5 5 10 10 15 15 20 20 25 25 30 30 35 35 40 40 S ol ub le S ol id s (¢ XB rix ) S ol ub le S ol id s (¢ XB rix )

糖度迴歸曲面方程式立體圖

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兩種糖度方程式平均誤差之比較

樣本柳橙汁葡萄汁果糖水溶液葡萄糖水溶液蔗糖水溶液預測方式 ₍oBrix ) (oBrix) ( oBrix ) ( oBrix ) ( oBrix ) 糖度經驗方程式 0.443 0.374 0.582 0.567 0.644 糖度迴歸曲面方程式 0.438 0.387 0.371 0.268 0.330



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三種預測水果糖度方式之比較

樣本糖度範圍 (oBrix ) 預測方式 ₍oBri x) ( oBri x) 單粒柳橙 8~14 單一溫度線性迴歸 0.769 0.881 糖度經驗方程式 0.770 0.881 糖度迴歸曲面方程式 0.730 0.858 單粒葡萄 15~19 單一溫度線性迴歸 0.282 0.534 糖度經驗方程式 0.243 0.495 糖度迴歸曲面方程式 0.478 0.694



s

x

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四、結論

1. 對溶液中大部分可溶固形物是糖的果汁及糖水溶液，同溫下糖度與擴散係數的關係有一致性。 2. 斜率及截距隨溫度的變化可利用來建立糖度經驗方程式糖度經驗方程式來測量糖度，並有助於提升糖度預測之精確度及實用性。 3. 利用 TableCurve 3D 迴歸出糖度迴歸曲面糖度迴歸曲面方程式方程式可獲得較高之適用性，平均絕對誤差皆小於 0.5 oBrix ，為預測糖度之較佳方式。

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脈衝式低解析度核磁共振儀對水果糖度量測之應用