利用时域核磁共振弛豫法定量检测饮料中的还原糖

《Food Control》：Quantification of reducing sugars in beverages using TD-NMR relaxometry

　　

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  一种将简单TD-NMR方法与班氏反应结合用于糖类分析的方法。
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  Cu²⁺弛豫增强实现了间接还原糖定量
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  与UV-Vis和HPLC-RI方法结果吻合良好。

引言

还原糖是一类含有游离醛基或酮基的碳水化合物，在特定条件下可作为还原剂发挥作用（Zoecklein等，1990年）。还原糖的例子包括单糖（如葡萄糖和果糖）和双糖（如由两个葡萄糖单元组成的麦芽糖，以及由半乳糖和葡萄糖组成的乳糖）。这些糖天然存在于许多食品中，也可能被有意添加为廉价的甜味剂，如葡萄糖或果糖浆（Egido等，2024年；Yeganeh-Zare等，2022年）。它们在食品中的广泛存在以及对人体健康的潜在影响，增加了对可靠分析方法的需求。因此，准确测定这些糖对于监测其含量、确保质量控制、法规合规以及可靠的营养评估至关重要。

还原糖的定量通常采用色谱方法，包括具有不同检测系统的高性能液相色谱（HPLC），如二极管阵列检测（HPLC-DAD）（Akyüz等，2021年；Wang等，2021年）、蒸发光散射检测（HPLC-ELSD）（Wang等，2021a年；Soyseven等，2022年；Wang等，2025年）、示差折光检测（HPLC-RI）（Duarte-Delgado等，2015年；Jalaludin & Kim，2021年），以及二维HPLC（2D-HPLC）等高级配置（Peruccaccia等，2025年）。液相色谱-质谱联用（LC-MS）（Wang等，2021b年）和气相色谱-质谱联用（GC-MS）（Silva等，2025年）等联用技术也得到了应用。

此外，光谱技术作为快速、经济且节省人力的分析方法也已被广泛研究。这些技术包括紫外-可见（UV-Vis）光谱（Zoratti等，2025年；Hernández-López等，2020年；Ba?kan等，2016年）、红外（IR）光谱（de Paulo等，2024年；Ramla等，1997年）、拉曼光谱（Sun，2022年；Ilaslan等，2015年），以及核磁共振（NMR）光谱，包括高场和低场仪器（Biswas等，2025年；Asghari等，2024年；Sultana等，2024年）。其中，低场NMR（LF-NMR），特别是时域NMR（TD-NMR）弛豫法，由于其使用紧凑型无液氦台式仪器，提供了一种经济有效的方法，而日益受到关注。

TD-NMR弛豫法是一种强大的分析技术，可测量核自旋弛豫参数，主要是自旋-晶格（T₁）和自旋-自旋（T₂）弛豫时间。其中，T₂弛豫时间使用更为广泛，因为其采集时间更短，能够在食品科学等领域实现快速分析（Capitani等，2017年；Mitchell等，2014年）。尽管TD-NMR弛豫法已广泛应用于不同领域，但其在顺磁性金属离子定量测定方面的应用仍有待深入探索。顺磁性离子对水质子（¹H）的T₁和T₂具有显著影响，即顺磁弛豫增强（PRE），从而使得通过弛豫时间测量对其进行间接测定成为可能。

PRE的理论基础由Solomon、Bloembergen和Morgan建立，即著名的SBM理论（Helm，2006年；Sharp等，2001年）。根据该理论，在恒定温度和粘度下，横向（T₂^?1）和纵向（T₁^?1）弛豫速率与顺磁性离子浓度成正比（Schlüter和Weiss，1973年）。最早的分析应用之一由Nothnagel和Weiss（1970年）报道，他们证明可以利用T₁弛豫时间确定当量点并实时监测反应。此后，多项研究报告了横向弛豫速率（T₂^-1）与Fe²⁺、Cu²⁺、Co²⁺、Cr³⁺和Mn²⁺等顺磁性离子浓度之间的强线性关系（Kock & Colnago，2022年）。最近，Guo和Sun（2024年）开发了一种无酶磁性弛豫检测方法用于葡萄糖检测。该方法基于葡萄糖诱导Mn⁺⁴被还原为顺磁性Mn²⁺，显著增加T₂^-1。这些结果证明了TD-NMR弛豫法在定量应用中的高度线性性和鲁棒性。

在此背景下，本文提出了一种利用PRE效应的TD-NMR方法，用于测定饮料样品中还原糖的含量。该方法基于还原糖与Cu²⁺之间的反应，改自经典的班氏法。还原糖的浓度通过溶液中残留的Cu²⁺离子浓度间接确定，而该残留浓度会影响水的T₂。选择通过单次CPMG脉冲序列测量T₂，是因为与依赖多次扫描脉冲序列（如反转恢复（IR）、渐进饱和（PS）或饱和恢复（SR））的T₁测量相比，T₂测量的实验时间明显更短。因此，T₂测量比T₁更适合快速常规分析。该方法的其他优势包括可在单一容器中直接分析，减少了样品处理量，并最大限度地减少了分析变异的潜在来源。此外，由于分析信号来源于¹H核的T₂弛豫，该方法本质上不受样品浊度或颜色的影响，使其在分析复杂、强着色基质时特别稳健。

章节摘要

样品与溶液

所有溶液均使用去离子水（18.2 MΩ·cm）和分析级试剂配制。班氏试剂在去离子水中配制，含有100.0 g L^-1碳酸钠（Na₂CO₃）、172.9 g L^-1柠檬酸钠（Na₃C₆H₅O₇）和45.0 g L^-1五水硫酸铜（CuSO₄·5H₂O）。100 g L^-1葡萄糖储备液通过在水去离子水中溶解一水葡萄糖（Synth，巴西）配制。葡萄糖标准溶液（2.0–10.0 g L^-1）每天通过稀释配制。

基本原理

班氏法基于还原糖与加热碱性介质中Cu²⁺离子之间的氧化还原反应。在该反应中，糖的醛基被氧化为羧酸根离子，而可溶性Cu²⁺被还原，生成红褐色氧化亚铜（Cu₂O）沉淀（方程式1）。R-CHO_(aq) + 2Cu²⁺_(aq) + 5OH^-_(aq) → R-COO^-_(aq) + Cu₂O_(s) + 3H₂O_(l)在经典方法中，反应通过颜色变化进行定性或半定量评估。

结论

成功开发了一种基于班氏反应后残留Cu²⁺的PRE效应的TD-NMR弛豫法，用于测定饮料样品中还原糖的含量。该方法具有良好的线性关系、令人满意的准确度和与UV-Vis分光光度法及HPLC-RI的一致性。所获得的检测限（LOD）和定量限（LOQ）值足以满足饮料分析的需求，证明了所提出方法在还原糖常规测定中的适用性。此外，利用

CRediT作者贡献声明

Tatiane L. B. Vieira：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、调查研究、形式分析、数据整理。Luiz Alberto Colnago：撰写——审阅与编辑、方法论、概念构思。Poliana Santos：撰写——审阅与编辑、撰写——原稿、指导、项目管理、概念构思

未被引用的参考文献

Paulo等，2024年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的、可能影响本文所报告研究的竞争性经济利益或个人关系。

资金支持

本文发表的文章处理费（APC）由巴西高等教育人员培训中心（CAPES）资助（ROR标识符：00x0ma614）。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢LAMAQ-UTFPR和LabRMN-UFPR提供光谱设施。

Tatiane L.B. Vieira | Luiz A. Colnago | Poliana M. Santos