前沿应用|利用时域核磁共振（TD-NMR）技术快速鉴别糖粉末及其水溶液中的二糖

在食品工业中，糖分的准确识别与定量对于产品质量控制（如口感、质地）、合规性标注（如“无乳糖”声明）、真实性验证（如蜂蜜掺假检测）以及营养监控至关重要。蔗糖、乳糖、麦芽糖和海藻糖是四种常见的二糖，它们分子式和分子量相同，但结构和物理性质各异。传统的分析方法，如高效液相色谱法，虽然精确，但通常耗时、成本高且需要复杂的操作。因此，食品行业迫切需要一种快速、简便且成本低廉的替代技术来进行日常质量监控。

时域核磁共振（TD-NMR）技术以其分析速度快（数秒内）、仪器体积小、维护成本低以及对样品无损等优势，展现出解决这一需求的巨大潜力。本案例展示了如何利用一台简化版的TD-NMR仪器，通过分析水溶液中二糖的弛豫行为，实现对这四种二糖的快速鉴别与定量。

本案例研究旨在探索一种简化版的时域核磁共振（TD-NMR）技术在食品二糖表征方面的应用潜力。具体目标包括：

快速识别：验证TD-NMR能否通过分析弛豫信号，快速区分蔗糖、乳糖、麦芽糖和海藻糖这四种常见的、分子式与分子量相似的二糖。

简便定量：探究能否利用TD-NMR信号特征，建立与糖浓度相关的标准曲线，实现对溶液中二糖含量的快速、简便定量。

方法评估：评估该简化版TD-NMR方法在用户友好性、分析速度和成本效益方面的表现，并明确其技术局限性。

实验材料及步骤

1、实验材料

样品：分析纯的蔗糖无水物、麦芽糖一水合物、海藻糖二水合物、α-乳糖一水合物和β-乳糖无水物。

溶剂：去离子水。

2、实验步骤

样品制备：根据不同二糖的溶解度，使用去离子水配制一系列不同浓度的糖溶液。为避免温度波动影响，所有配制好的溶液均在32°C的密闭试管中静置至少一小时。

数据采集：将处理好的样品放入分析仪中。在0.5 T的磁场强度和32°C的恒温条件下，采用CPMG脉冲序列采集自旋-自旋（T₂）弛豫数据。为确保数据可靠性，每个样品进行多次重复测量。

数据分析：对采集到的原始弛豫曲线进行处理，消除伪峰，并根据样品质量和扫描次数进行归一化。重点分析T₂弛豫分布曲线中的主峰和次级峰，记录它们的弛豫时间（T₂）和峰面积。

实验结果与分析

1、特征性T₂弛豫谱的获取

TD-NMR成功获得了所有二糖溶液的T₂分布曲线。关键发现是：

图1：不同浓度二糖溶液的NMR弛豫曲线

所有二糖溶液均显示出两个可区分的峰：一个主峰（T₂Main）和一个次级峰（T₂Secondary）。而纯水仅有一个主峰，无次级峰。

麦芽糖的行为独树一帜，它产生了两个分离的次级峰，这是其他三种二糖所没有的“指纹”特征。

2、弛豫时间作为鉴别依据

图2. 不同峰面积比值与糖浓度的关系（S_M：主峰面积；S_S：次级峰面积；S_T：总峰面积）

图3. 弛豫时间随糖浓度的变化

图4. 主峰弛豫时间与糖浓度的线性相关性

随着二糖浓度的增加，主峰和次级峰的弛豫时间均向左移动（即T₂值减小），这表明糖分子的加入限制了水分子的流动性。

次级峰弛豫时间排序：在可比浓度下，四种二糖的次级峰弛豫时间遵循明确的顺序：

乳糖 > 海藻糖 > 蔗糖 > 麦芽糖。

具体范围：乳糖 (300–460 ms) > 海藻糖 (130–330 ms) > 蔗糖 (100–260 ms) > 麦芽糖 (10–190 ms)。

这种差异源于各二糖不同的水合能力、分子间氢键强度以及溶液粘度。例如，乳糖亲水性最强，与水结合更紧密，限制了质子运动，因而T₂较长；而麦芽糖分子间作用力强，易形成大簇，导致质子弛豫极快，T₂很短。

3、峰面积比例作为定量与鉴别工具

通过计算次级峰面积与总峰面积的比率（S_S/S_T），研究人员找到了另一个有效的鉴别指标：

在20 g/100g水的标准浓度下，S_S/S_T比率可将二糖分类：

蔗糖： S_S/S_T< 2.5%

海藻糖： 2.5% < S_S/S_T< 4.5%

乳糖： S_S/S_T > 4.5%

麦芽糖： 直接通过观察两个次级峰识别。

4、建立快速鉴别流程

基于以上发现，我们提出一个实用的TD-NMR二糖鉴别流程：

将未知样品配制成约20 g/100g水的溶液。

使用TD-NMR采集其T₂弛豫谱。

观察谱图：若出现两个次级峰，则判定为麦芽糖。

若只有一个次级峰，则：

计算其S_S/S_T比率，或测量其次级峰T₂弛豫时间。

根据上述阈值范围，即可鉴别出是蔗糖、海藻糖还是乳糖。

本案例研究充分证明，简化版TD-NMR技术是一种非常高效、可靠的二糖表征工具。它无需复杂的前处理，在几分钟内即可通过分析T₂弛豫谱中的“指纹”信息——包括次级峰的数量、弛豫时间（T₂Secondary）以及峰面积比率（S_S/S_T）——来快速区分蔗糖、乳糖、麦芽糖和海藻糖。这种方法为食品企业在原料验收、生产过程控制和成品质检环节提供了一种前所未有的快速筛查方案，兼具成本效益与操作简便性，具有极高的实际应用价值。