低分辨核磁共振技術(shù)在食品安全分析檢測中的應(yīng)用

杜美紅，孫永軍

(北京市理化分析測試中心，北京市食品安全分析測試工程技術(shù)研究中心，北京100089)

隨著核磁共振儀的問世，核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)技術(shù)就成為物理、化學(xué)、生物和醫(yī)藥分析中不可缺少的重要手段［1－6］。1962年制備出第一臺220兆周的超導(dǎo)核磁共振儀(Varian)，高分辨核磁共振及其成像技術(shù)就在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、食品工業(yè)的分析檢測中發(fā)揮巨大作用［7－11］。低分辨核磁共振儀早于高分辨核磁共振儀，于二十世紀五十年代，第一臺30、60MHz商品核磁共振儀相繼出現(xiàn)，低分辨核磁共振技術(shù)在實驗室分析檢測中也開始得到應(yīng)用，尤其在塑料工業(yè)和食品工業(yè)中更為突出［12－15］，其設(shè)備體積小，操作簡易、分析結(jié)果精確度高、重復(fù)性好、成本低，大大彌補和完善了高分辨核磁共振以及其它分析方法與檢測技術(shù)的不足。近年來國內(nèi)外食品安全事故頻頻發(fā)生，各國政府對食品安全監(jiān)管力度不斷加大，低分辨核磁共振及其技術(shù)以其便攜、低場強、無損檢測、快速等優(yōu)勢在食品安全分析測試領(lǐng)域中被關(guān)注并逐漸發(fā)揮作用。本文就低分辨核磁共振檢測技術(shù)在食品安全檢測分析中的應(yīng)用作一探討，為食品安全分析檢測行業(yè)的科技工作者提供新技術(shù)與新思路，最終推動低分辨核磁共振檢測技術(shù)更長遠、廣泛的發(fā)展。

1 核磁共振技術(shù)原理

核磁共振分為兩個技術(shù)，一個是連續(xù)波NMR技術(shù)，即用射頻場連續(xù)不斷地作用原子核系統(tǒng)，觀察核對射頻能量的吸收或核磁化強度矢量的共振感應(yīng)信號，也稱穩(wěn)態(tài)NMR;另一個是脈沖NMR技術(shù)，把射頻場以窄脈沖的方式作用到核系統(tǒng)上，觀察核系統(tǒng)對射頻脈沖的響應(yīng)信號—自由感應(yīng)衰減信號，也稱暫態(tài)NMR，只有脈沖NMR可以用于快速和實時的測試。氫原子具有固定磁矩，而且廣泛存在于脂肪、水、天然產(chǎn)物以及碳氫化合物等食品原料及成品中，在場與交變磁場的作用下，以電磁波的形式吸收或釋放能量，發(fā)生原子核的躍遷，同時產(chǎn)生核磁共振信號，通過得到的核磁共振譜檢測食品中1H的存在狀況及其量的變化，進而得到水分、脂肪或糖等分子在食品內(nèi)部變化的信息，這為食品安全分析檢測提供了分析檢測的理論依據(jù)［2］。

低分辨核磁共振磁場強度一般為0.4700T(20MHz)、0.7100T(30MHz)和 1.4092T(60MHz)，低分辨核磁共振技術(shù)主要對檢測對象的縱向弛豫時間(T1)、橫向弛豫時間(T2)、擴散系數(shù)(D)三個參數(shù)進行分析，主要反映分子的動態(tài)信息［16］。在食品安全分析檢測中，以T2橫向弛豫時間應(yīng)用較為廣泛。

2 在食品水分分析與檢測中的應(yīng)用

低分辨核磁共振儀及其技術(shù)在水分分析與檢測中應(yīng)用尤為廣泛。水分是構(gòu)成食品的主要元素之一，它的遷移、變化影響著食品的品質(zhì)與風(fēng)味，因此，檢測食品中水分對食品加工、儲藏以及食品質(zhì)量安全具有非常重要的指導(dǎo)意義［17－18］。傳統(tǒng)的食品水分檢測方法采用干燥法、蒸餾法、卡爾·費休法［19－22］，在檢測過程中可能會導(dǎo)致一些蛋白質(zhì)變化或淀粉糊化等物理或化學(xué)變化，破壞了被檢樣品的完整性以及成分結(jié)構(gòu)，不能反映食品中水分的物理狀態(tài)的直接信息;新的技術(shù)如紅外［23］、近紅外分析技術(shù)［24］等來測定食品水分，只反映的是被檢樣品中水分的部分信息，其應(yīng)用也有一定的局限性。而低分辨核磁共振技術(shù)無損檢測，能夠有效獲取水分分布的全部信息，當(dāng)水與底物結(jié)合穩(wěn)固時，T2值降低;當(dāng)水流動性好時，T2值較高。氫核的弛豫時間會隨著食品的組成成分、保存溫度、儲藏時間、水分流動性等因素的變化而變化，這個參數(shù)能夠提供與水分子的結(jié)合力和移動相關(guān)的重要信息，應(yīng)用于食品水分檢測具有明顯的優(yōu)勢。近年來，科研工作者利用低分辨核磁共振技術(shù)對肉質(zhì)水分分析作了大量的研究。韓劍眾［18］基于低分辨核磁共振技術(shù)，研究了不同品種(中國金華豬和杜長大豬)生鮮豬肉的水分存在狀態(tài)和變化規(guī)律，得到了宰后生鮮豬肉中水的存在狀態(tài)及分布情況，為低場核磁共振技術(shù)在評價宰后肉質(zhì)的持水性能及變化方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。戚軍［25］等通過低分辨核磁共振技術(shù)研究肌肉中水T2的變化，考察了凍融過程中羊肉持水力的變化規(guī)律，指出肌肉中不易流動水的弛豫時間可以作為考察凍融后肉品質(zhì)持水力的一個重要指標，為快速無損檢測肉類水分提供了一種新方法。姜曉文［25］也利用LF－NMR技術(shù)對豬肉持水性進行了研究，通過T2的積分面積反映宰后豬肉水分含量的變化，特別是國內(nèi)注水豬肉問題嚴重的情況下，為食品安全豬肉的檢測與監(jiān)管提供了一種切實可行有效的方法與手段。

3 在食品摻假鑒別中的應(yīng)用

由于核磁共振技術(shù)無損檢測的特點，使得其在食品摻假識別、鑒定中得到應(yīng)用。牛乳的摻假、摻雜現(xiàn)象成為嚴重的食品安全問題。LF－NMR通過對乳制品中脂固液比、脂肪結(jié)晶溫度、持水量、水分結(jié)合狀態(tài)、蛋白質(zhì)變性、蛋白質(zhì)聚集狀態(tài)等方面進行分析測試，能達到鑒別真?zhèn)蔚男Ч＝钡龋?7］人以摻假牛乳樣品(摻入水、食鹽、尿素、豆?jié){等)復(fù)原乳以及純牛乳樣品為低場核磁共振檢測對象，利用主成分分析法(PCA)分析處理 Carr－Purcell－Meiboom－Gill(CPMG)序列的檢測數(shù)據(jù)，在主成分得分圖上很好地區(qū)分出純牛乳和摻入不同物質(zhì)的摻假牛乳，純牛乳、復(fù)原乳及其混合乳也得到有效的辨識，同時各種摻假牛乳樣品隨摻假物質(zhì)的摻加比例在圖中呈規(guī)律性分布，通過低分辨核磁共振結(jié)合PCA法得到一種快速檢測與監(jiān)控牛乳品質(zhì)的有效分析方法。

低分辨核磁共振技術(shù)另具吸引力的一點是它能夠進行油品中的油份進行檢測。利用核磁共振技術(shù)能夠檢測到食用油脂(肉、黃油、棕櫚油、牛奶、巧克力等)中固體脂肪的含量，因此，LF－NMR還可以用于鑒定食用油的摻偽。王永巍［28］等應(yīng)用低分辨核磁共振技術(shù)測定了煎炸油分別摻有3種食用植物油(橄欖油、花生油、芝麻油)油樣的橫向弛豫時間T2弛豫圖譜，發(fā)現(xiàn)煎炸油在10ms處出現(xiàn)了一個特征峰，而其他三種純品油中并未檢出。隨著摻偽量的增加，該峰的峰面積比例逐漸增大，而峰開始時間則逐漸縮短。通過測定該特征峰面積比例和峰開始時間可定量測出煎炸油，提供了一種煎炸油摻偽食用植物油的快速鑒別方法。Zhang Qing等［29］通過 LF NMR分析玉米油、花生油、油菜籽油、和大豆油與兩種煎炸油的T2峰值，建立了線性方程用以檢測摻假食用油。其實，鑒別油品的研究在很早就開始了，欽理力［30］用脈沖核磁共振鑒別法檢測餐飲廢油脂中的地溝油、泔水油及三種食用油在10℃和0℃下的SFC值，實驗結(jié)果表明地溝油和泔水油的固體脂肪含量遠遠大于食用油，在0℃下固脂含量為0的食用油，只要其摻偽了1%以上的餐飲廢油脂，就可以鑒別出來。花生油在10℃下SFC值雖達到了1.52%，但當(dāng)其僅僅摻入1%的地溝油或泔水油時，SFC值明顯變高，可認為只要花生油中摻入了1%以上的餐飲廢油脂，即可檢測出來。此外，如果煎炸老油曾煎炸過動物食品，也可用本法檢出。此法操作簡單，快速準確，靈敏度高，實驗過程中不需要用任何化學(xué)藥品，只要稍加指導(dǎo)一般工作人員即可完成。另外，有研究表明［31］，正常食用油脂與地溝油的弛豫反演譜有顯著區(qū)別，有明顯的特征峰出現(xiàn)。而且這種區(qū)別穩(wěn)定性很高，對于同一種地溝油，這種明顯特征不會隨著地溝油的過濾、脫膠、脫嗅、脫色等加工過程而消失。低分辨核磁共振技術(shù)在食用油摻假鑒別檢測中表現(xiàn)出了突出的技術(shù)優(yōu)勢，衛(wèi)生部公布核磁共振技術(shù)成為食用油摻假識假檢測的四種儀器方法之一。

4 在食品微生物檢測中的應(yīng)用

低分辨核磁共振技術(shù)在檢測微生物方面也嶄露頭角。食品微生物檢測是食品檢測中常規(guī)、必檢項目。針對食品中的病原微生物(如細菌、真菌和病毒等)以及其他有害生物(如寄生蟲)，傳統(tǒng)而有效的檢測方法為分離培養(yǎng)法。分離培養(yǎng)需要增菌、生化鑒定或血清學(xué)鑒定，整個過程需要2～3d甚至5～6d的時間才能完成，勞動強度大，耗時，不能及時、快速評價食品中微生物的安全性。目前，微生物快速檢測方法主要有紙片法、膠體金檢測法、微孔濾膜法、光電檢測法、酶底物法、酶聯(lián)免疫吸附法、免疫層析法、PCR法、分子雜交法等，各種技術(shù)在食品微生物快速篩查中發(fā)揮了重要作用。低分辨核磁共振技術(shù)以其獨特的檢測原理被作為一項新型快速檢測技術(shù)得到研究。J.Manuel Pere等人［32］通過將抗皰疹病毒多克隆抗體與直徑為46nm左右的Fe3O4納米磁珠連接制成納米傳感器，然后與病毒分子孵育，在1.5T(60MHz)核磁共振儀上檢測到了病毒顆粒，檢測限為5個病毒顆粒/10μL。該方法不需要生化鑒定或血清學(xué)鑒定，檢測靈敏度高、特異性強、快速便捷，磁性Fe3O4納米晶體在磁場中影響周圍水分子中氫原子的弛豫時間，核磁共振技術(shù)能非常精確地記錄水分子中氫原子內(nèi)的原子核的行動，病原菌造成水量的1%的變動，都能被核磁共振檢測到。基于相同的技術(shù)原理，建立了牛奶中分支桿菌的快速檢測方法，檢測限達15.5CFUs［33］，核磁共振技術(shù)檢測微生物不需要增菌，整個檢測時間不到1h，快速、靈敏，方法新穎，在病原微生物分析檢測中表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

5 展望

低分辨核磁共振技術(shù)是一種非常有潛力并具有優(yōu)勢的快速檢測技術(shù)，它在食品安全領(lǐng)域的研究正處于萌動發(fā)展時期。隨著低場核磁共振技術(shù)的快速發(fā)展以及低場核磁共振設(shè)備的不斷成熟，隨著對食品安全監(jiān)管力度的不斷加強，會吸引越來越多的科研工作者開發(fā)更多的技術(shù)與方法應(yīng)用于食品安全領(lǐng)域，推動低分辨核磁共振技術(shù)的蓬勃發(fā)展。

［1］劉志軍.核磁共振研究的歷史［J］.廣西民族大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，17(2):25－28.

［2］阮榕生，林向陽，張錦勝，等.核磁共振技術(shù)在食品和生物體系中的應(yīng)用［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，2009.

［3］楊曉云，費志平，徐漢虹.核磁共振技術(shù)及其在農(nóng)藥殘留分析中的應(yīng)用［J］.農(nóng)藥，2009，48(3):163－171.

［4］陳衛(wèi)江，林向陽，阮榕生，等.核磁共振技術(shù)無損快速評價食品水分的研究［J］.食品研究與開發(fā)，2006，27(4):125－127.

［5］周航，李澤榮，李保國.核磁共振技術(shù)在食品品質(zhì)分析中的研究進展［J］.農(nóng)產(chǎn)品加工·學(xué)刊，2009(3):47－49.

［6］Kashif Kamran，Leo Pel，Alison Sawdy，et al.Desalination of porous building materials by electrokinetics:an NMR study［J］.Materials and Structures，2012，45:297－308.

［7］呂亞萍，馬雪梅，毛勤香，等.非專用線圈在MRI乳腺檢查中的應(yīng)用研究［J］.醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志，2012，22(2):212－214.

［8］畢勝，馬林，甕長水，等.動態(tài)功能性磁共振成像在強制性使用運動療法治療腦卒中上肢偏癱中的應(yīng)用研究［J］.中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2003，18(12):719－723.

［9］王紅鷹，湯偉軍，蔡端，等.MRI在乳腺良惡性病變診斷中的應(yīng)用研究［J］.中國醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，2001，17(12):1154－1157.

［10］Zhang Jinsheng，Lin Xiangyang，Ruan Roger，et al.Effects of NMR transition point temperature on Maillard reaction rate in model food storage system［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2008，24(2):214－220.

［11］Guthausen Andreas，Guthausen Gisela，Kamlowski Andreas，et al.Measurement of fat content of food with single－sided NMR［J］.Journal of the American Oil Chemists＇Society，2004，81(8):727－731.

［12］Shao Xiaolong，Li Yunfei.Classification and prediction by LF NMR［J］.Food Bioprocess Technol，2012，5:1817－1823.

［13］張錦勝.核磁共振及其成像技術(shù)在食品科學(xué)中的應(yīng)用研究［D］.南昌:南昌大學(xué)，2007.

［14］鮑晨煒，田師一，毛岳忠，等.新型長弛豫LF－NMR系統(tǒng)及其在茶飲料品質(zhì)控制中的應(yīng)用研究［J］.中國食品學(xué)報，2010，10(6):87－93.

［15］王樂.餐飲業(yè)廢油脂摻偽可食用油的鑒別檢測研究［D］.武漢:武漢工業(yè)學(xué)院，2008.

［16］汪紅志，楊培強，張英力，等.低場核磁共振分析測試技術(shù)原理及應(yīng)用［C］.2010中國儀器儀表學(xué)會醫(yī)療儀器分會2010兩岸四地生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)術(shù)年會.

［17］范崇東，范明輝，盛劍俊.NMR對水分的研究及其在食品科學(xué)中的應(yīng)用［J］.食品工業(yè)科技，2003，24(12):98－100.

［18］韓劍眾.豬肉生鮮品質(zhì)的控制與評價方法研究［D］.杭州:浙江工商大學(xué)，2008.

［19］GB 5009.3－2010食品安全國家標準 食品中水分的測定［S］.北京:中國標準出版社，2010.

［20］GB 18394－2001 畜禽肉水分限量［S］.北京:中國標準出版社，2001.

［21］GB/T 9695.15－2008 肉與肉制品 水分含量測定［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［22］GB/T 10362－2008 糧油檢驗 玉米水分測定［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［23］劉世龍.紅外光譜法對玉米粉和乙醇中水分含量的檢測研究［D］.長春:長春理工大學(xué)，2010.

［24］玉樹山.基于C8051F020的便攜式近紅外水分儀的研制［D］.鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2011.

［25］戚軍，高菲菲，李春保，等.低場NMR研究凍融過程中羊肉持水力的變化［J］.江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報，2010，26(3):617－622.

［26］姜曉文.肌肉水分分布、抗氧化與生鮮豬肉持水性的關(guān)系［D］.杭州:浙江工商大學(xué)，2009.

［27］姜潮，韓劍眾，范佳利，等.低場核磁共振結(jié)合主成分分析法快速檢測摻假牛乳［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(9):340－344.

［28］王永巍，王欣，劉寶林，等.煎炸油摻偽食用植物油的低場核磁共振檢測.科學(xué)儀器服務(wù)民生學(xué)術(shù)大會論文集［C］.北京，2011.

［29］Zhang Qing，Saleh Ahmed S M，Shen Qun.Discrimination of edible vegetable oil adulteration with used frying oil by low field nuclear magnetic resonance［J］.Food Bioprocess Technol，2013(6):2562－2570.

［30］欽理力.核磁共振儀在油脂及油料分析中的應(yīng)用［J］.西部糧油科技，2000，25(1):44－46.

［31］韓平.上海紐邁:致力于低場核磁共振技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用［J/OL］.中國化工儀器網(wǎng)［2011－11－17］http://www.chem17.com/news_People/Detail/382.html.

［32］Manuel Perez J，Joseph Simeone F，Saeki Yoshinaga，et al.Viral－induced self－Assembly of Magnetic Nanoparticle allows the detection of viral particles in biological media［J］.Journal of the American Chemical Society，2003，125:10192－10193.

［33］Kaittanis Charalambos，Naser Saleh A，Manuel Perez J.One－Step，Nanoparticle－ Mediated Bacterial Detection with Magnetic Relaxation［J］.Nano Letters，2007，7(3):380－383.