低场核磁共振技术在肉与肉制品水分测定及其 相关品质特 -

低场核磁共振技术在肉与肉制品水分测定及其

相关品质特性中的应用

夏天兰，刘登勇，徐幸莲*，周光宏，邵俊花

(南京农业大学 肉品加工与质量控制教育部重点实验室，江苏 南京 210095)

摘　　　要：低场核磁共振技术以其检测迅速、无损、样品需要量少等优点已在肉类科学领域得到一定的研究和应用。本文介绍了低场核磁共振技术基本原理，归纳了肉与肉制品水分组成及测定方法，并详细综述了低场核磁共振技术在肉与肉制品水分测定及相关特性中的应用研究进展。

关键词：低场核磁共振技术；肉与肉制品；水分测定；横向弛豫时间；品质特性

Application of Low-field Nuclear Magnetic Resonance in Determining Water Contents and Other Related

Quality Characteristics of Meat and Meat Products: A Review

XIA Tian-lan，LIU Deng-yong，XU Xing-lian*，ZHOU Guang-hong，SHAO Jun-hua

(Key Laboratory of Meat Products Processing and Quality Control, Ministry of Education, Nanjing Agricultural University,

Nanjing 210095, China)

Abstract ：Low-field nuclear magnetic resonance, with the advantages of rapid and non-destructive determination and smallvolume samples, has been exploited and applied in the field of meat science. The principle of low-field nuclear magneticresonance is introduced in this paper. Moreover, recent advances in the application of low-field nuclear magnetic resonance indetermining water contents and other related quality characteristics of meat and meat products is outlined.

Key words：low-field nuclear magnetic resonance；meat and meat products；water determination；transverse relaxationtime；quality characteristics

中图分类号：TS251.1 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2011)21-0253-04

水分作为肉与肉制品中含量最高且非常重要的化学组分，其含量及肉与肉制品的系水力直接关系到肉与肉制品的颜色、嫩度、多汁性、风味等食用品质[1]，并影响着肉与肉制品的加工特性。此外，水分含量和分布状态在肉与肉制品的整个加工、储藏过程中呈动态变化，是决定肉与肉制品质量和货架期的重要因素。因此，找到一种能快速、充分而准确地反映肉与肉制品水分信息的检测方法至关重要。然而，现有的大部分水分测定方法只能检测出肉与肉制品中的水分含量或水分活度，很难充分而准确地反映肉与肉制品中水分的空间分布信息，且或多或少对样品都有一定的破坏性。低场核磁共振技术是近几年迅速发展起来的一门新型分析技术，它可用于分析肉与肉制品中水分的分布状态、不

收稿日期：2010-11-25

同状态水的含量以及迁移过程，同时还可以进行成像分析，获取样品内部水分的空间分布信息，从而可以分析肉与肉制品中水分与其他品质特性间的关系。而且，它对样品无损，因而是一种良好的水分研究方法。本文对低场核磁共振技术的基本原理、肉与肉制品的水分组成及其测定方法进行归纳总结，并详细综述低场核磁共振技术在肉与肉制品水分测定及其相关特性中的应用研究进展，以期能为相关工作者提供理论参考。1

低场核磁共振技术的基本原理

核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)是指具有固定磁距的原子核(如1H、13C、31P、19F、15N、129

Xe等)在恒定磁场与交变磁场的作用下，与交变磁场

基金项目：国家自然科学基金项目(31000796)；南京农业大学青年科技创新基金项目(KJ09021)

作者简介：夏天兰(1984—)，女，博士研究生，研究方向为畜产品加工原理与质量控制。E-mail：[email protected]

发生能量交换的现象。目前应用较为广泛的是以氢核为研究对象的核磁共振技术[2]。其中，将恒定磁场强度低于0.5T核磁共振现象称为低场核磁共振(low-field nuclearmagnetic resonance，LF-NMR)[3]。

1

H LF-NMR的基本原理[2, 4-7]是对处于恒定磁场中的样品施加一个射频脉冲，使氢质子发生共振，部分低能态氢质子吸收能量跃迁到高能态，当关闭射频脉冲后这些质子就以非辐射的方式释放所吸收的射频波能量返回到基态而达到玻尔兹曼平衡，此过程称为弛豫过程，将描述弛豫过程的时间常数称为弛豫时间。弛豫过程有两种形式：横向弛豫(又称为自旋-自旋弛豫)和纵向弛豫(又称为自旋-晶格弛豫)，其弛豫时间分别用T1和T2表示。弛豫时间长短与氢质子的存在状态及所处物理化学环境有关。由于同一样品的不同组分(如蛋白质与水)间以及不同样品的同一组分(如水)间的氢质子存在状态及所处理化环境存在较大差异而具有不同的T1和T2，因此通过分析样品的T1值或T2值，就可以获得许多样品内部信息，而达到分析样品中目标组分的目的。

低场核磁共振技术以其无需预处理、快速、无损、样品需要量少、实时获得数据等特点[2,8]，已经在肉类科学领域得到了一定的研究和应用。2

肉与肉制品的水分组成及其测定方法

水分是肉中含量最高的化学组分(肌肉含水70%)，根据水分的不同活动状态，肉与肉制品中的水分分为结合水(hydration water)、不易流动水(immobilized water)和自由水(free water)3种。其中，不易流动水占总水分的80%，存在于纤丝、肌原纤维及膜之间，它能溶解盐类及其他物质，在0℃或稍低温度下结冰，通常情况下肌肉的系水力主要由这部分水决定。结合水指与蛋白质分子表面紧密结合的水分子层，占总水量的5%左右；结合水的冰点很低，在－40℃，不易解离和蒸发，并不易受肌肉蛋白质结构和电荷变化的影响，甚至在施加严重外力的条件下，也不能改变其与蛋白质结合的状态，因此结合水对肌肉系水力没有影响。自由水是存在于肌细胞外间隙中的水分，主要靠毛细管凝结作用而存在于肌肉中[1,9]。

目前，用于肉与肉制品水分测定的方法很多，包括多种传统方法和几种近几年发展起来的新方法。传统测定方法主要有压力法、离心法、滴水损失法、贮藏损失法、蒸煮损失法、拿破率法(Napole yield)和Kaufmanu滤纸法[10-11]。这些传统方法大多用于研究肉与肉制品的系水力。虽然它们操作方法都比较简单，但都不能反映肉与肉制品水分的空间分布信息，且对样品都有一定的破坏性，检测的同时破坏了肉与肉制品的原有结构和性质，因而无法获得肉与肉制品保水性的真实

信息[12-13]。同时，它们只能测出肉与肉制品中的部分水分，作为其水分测量方法存有很大误差。而对于现有的一些新方法：电导法、近红外分析技术(NIR)、蛋白组学技术[14]，也存有各自的缺陷，限制了它们的实际应用。如电导法只能间接地判断肉与肉制品的系水力；蛋白组学技术的使用原理和操作方法都较为复杂[15-16]。此外，上述各方法都需要对肉样进行前处理，且都不能反映肉与肉制品中的水分分布状态。

LF-NMR作为水分测定一种新技术，利用物理学原理[17]，能够检测出肉与肉制品中水分的多项信息，并以其独特的优点[18]而明显优于上述各种方法。目前，LF-NMR用于肉与肉制品水分研究主要采用横向弛豫时间(T2)[6-7]。这是由于T2变化范围较大，从固态食品质子(如冰和固体脂肪)的毫秒级别到含水量丰富的样品(如水果)的1s以上水平[19]；与T1相比，T2对多相态的存在更加敏感[20]，包含分子内和分子间的相互作用，如振动和旋转；T2可以区分不与固体颗粒或溶剂相互作用的自由水和结晶水，以及物理化学键合的结合水或不易移动水[20]。3

低场核磁共振技术在肉与肉制品水分测定及其相

关品质特性中的应用研究进展3.1

肉与肉制品中水分的T2分布

肉与肉制品中水分的横向弛豫时间呈多指数衰

减[21-23,13]，可区分出肉中有3种状态水，分别为与大分子相互作用的水、肌原纤维和网状组织(reticulum)中的水以及细胞外水[24-25]，它们的T2值范围依次为：T2B (1～10ms)、T21(30～60ms)、T22(100～400ms或200～500ms)[26-28]。其中，T2B 反映与大分子紧密结合的水即结合水，T21反映位于高度组织化蛋白质结构内部的水(含肌动蛋白/原肌球蛋白细纤丝与肌球蛋白粗纤丝之间)即不易流动水，而T22为肌原纤维蛋白外部水包括肌浆蛋白部分即自由水[26,28-29]。

鉴于肉与肉制品中水分与其食用品质、加工特性之间的可能联系，在肉与肉制品水分T2分布的理论研究基础上，有关学者做了大量关于不同状态水、水的流动性与肉与肉制品食用品质、加工特性之间关系的研究，从水分角度更好地解释了影响肉与肉制品食用品质和加工特性的原因，便于采取合理有效的措施进行产品监控。3.2

食用品质中的应用研究

LF-NMR的T2与肉与肉制品系水力的一些传统测定方法之间有较强的相关性，可用于预测肉与肉制品的系水力[24-25, 30-32]。Tornberg等[25]认为T22值对应于细胞外水，细胞外水通道导致滴水的形成。Renou等[32]研究表明T2与渗透法所测系水力的相关系数为0.54。Brondum等[30]研究发现T2与Honikel’s袋法和滤纸压力法所得系

水力的相关系数分别为0.75和0.53，Brown等[21]研究发现二者分别为0.74和0.71。Bertram等[32]研究表明LF-NMR的T2与Honikel’s袋法和离心法所测系水力的相关系数都为0.77。姜晓文等[33]采用LF-NMR研究宰后猪肉水分分布变化情况，结果表明，肉中有3种明显的水分群T21、T22、T23，其中T23的积分面积与滴水损失间的相关系数为－0.860。

除系水力外，有关学者在肉与肉制品其他食用品质方面(如风味、多汁性)也做了大量的研究工作。Tornberg等[25]研究发现T21值与肉的风味有关。Anja等[34]采用LF-NMR 横向弛豫研究经滚揉、烟熏处理的通脊肉水分扩散与感官特性之间的关系，回归分析发现T2(主要是T21)与多汁性、酸味、肉味等特性之间呈显著相关性。Bertram等[12]应用LF-NMR横向弛豫对不同宰龄(90～180d)猪背最长肌进行水分分布和活性测定，并结合感官评定。结果发现，90d宰龄的猪肉有较好的多汁性，可能是由于肌原纤维外水分流动性较高(对应较长的弛豫时间)、煮熟后肌原纤维中水分分布更加均匀所致。Bertram等[35]在猪肉煮制过程中(截止到75℃)连续进行T2检测，与此同时将其余的肌肉于烘箱中加热至中心温度分别达到62℃和75℃，然后进行感官评定。研究发现：T2弛豫信息显示温度(62℃与75℃相比)对肉样水分分布有显著影响；T2弛豫信息可潜在地预测感官特性，并且两者之间有较强的相关性；75℃时多汁性降低可能由于束缚肌原纤维水和脱出水的孔径大小变化所致。Bertram等[36]使用T2研究PSE(pale，soft，exudative)肉和DFD(dark，firm，dry)肉的品质特性，发现自由水(T2>100ms)含量对鲜肉品质有重要影响(P＜0.0001)，且肉中自由水含量随着冷藏时间延长而明显增多，表明T2对冷冻引起的肉类结构变化及其产生的水分迁移情况非常敏感。3.3

加工特性中的应用研究

采用LF-NMR分析水分分布状态和迁移情况，可以

[25]

和微观结构的影响。Aursand等[40]采用1H LF-NMR T2弛豫和23Na/1H MRI研究宰前应激和宰后僵直对大西洋鲑鱼(Atlantic salmon)肌肉水分特性以及僵直后腌制效果的影响。T2分析发现：不同宰前处理、里脊肉部位、腌制过程的大西洋鲑鱼的水分分布情况存在显著差异，盐的扩散与分布受脂肪分布影响很大。Anja等[34]采用LF-NMR T2弛豫研究经滚揉、烟熏处理的通脊肉的水分扩散与感官特性之间的关系。研究发现T2弛豫谱图上有3种分布状态的水分，其T2值(平均横向弛豫时间，为谱图中各个峰点所对应的横坐标位置)分别为2ms、40ms和600～800ms；携带与未携带RN基因的通脊肉T21明显不同，表明两种基因型肉样中水-蛋白间的相互作用不同；同时，发现T2值能直接反映微观结构。Idakrestine等[41]采用共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)和LF-NMR共同研究新鲜猪肉和熟猪肉在14d成熟期内的微观结构变化和水分分布情况。研究表明，两技术结合使用对研究肉的结构特性与水分分布之间关系能提供更深入的信息。

除此之外，LF-NMR 还可以用于脂肪测定。等[42]研究发现采用LF-NMR测定脂肪含量不仅方法简单，而且所得的实验数据无需进行复杂的后处理；此外，研究发现采用LF-NMR直接测定鲜肉、干肉的粗脂肪与采用溶剂萃取法测得的粗脂肪三者之间有很好的一致性。4

结　　语

应用LF-NMR检测分析肉与肉制品的水分分布状态、流动性及其与相关食用品质、特性间的相关性等，从而快速、动态地预测和控制肉与肉制品的质量已经具有一定的技术可行性。同时，随着核磁共振仪器设备制造技术的快速发展，使用成本已大大降低，目前国内已有自主研发的商品化LF-NMR设备，将LF-NMR广泛应用于肉与肉制品行业指日可待。

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用于研究肉与肉制品的加工特性。Tornberg等研究发现T21值与肉的流变学特性有关。Bertram等[37]应用NMR和差示扫描量热仪(DSC)共同研究肉类蒸煮过程(25～75℃9个温度水平)中水分变化情况，T2值主成分分析表明：加热过程中，肉类水分性质变化主要发生在40～50℃(可能由肌球蛋白头部变性所致)，而此结果在DSC谱图上未发现；偏最小二乘法分析结果发现：53～58℃之间肌球蛋白尾部和轻链变性与热诱导肌原纤维水分变化(T2值为10～60ms)之间存在相关性，80～82℃肌动蛋白变性与肉类脱水之间具有相关性；同时，证明了在肉加热过程中特定蛋白或蛋白结构的热变性与热诱导水分流动性变化之间有直接关系。韩敏义等[38-39]应用LF-NMR研究了pH值对肌原纤维蛋白热诱导凝胶的影响，以及微生物转谷氨酰胺酶对猪肉肌原纤维蛋白凝胶横向弛豫

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