低場核磁共振在食用油質(zhì)量評價(jià)中的應(yīng)用

潘紅艷 楊紅梅 郭啟雷

（國家食品質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100094）

核磁共振（Nuclear magnetic resonance, NMR）是基于原子核磁性的一種波譜技術(shù)，其作為一種現(xiàn)代儀器分析方法在化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究和有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。低場核磁共 振（Low-f i eld nuclear magnetic resonance, LFNMR）一般指恒定磁場強(qiáng)度低于0.5T的核磁共振[2]。核磁共振技術(shù)于上世紀(jì)70年代初期開始應(yīng)用于食品科學(xué)領(lǐng)域，主要用來研究食品中水的狀態(tài)。NMR技術(shù)具有定性測定無破壞性，定量測定無需標(biāo)樣等其他方法難以比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此在食品中的應(yīng)用越來越廣泛[3]。

食用油脂因其營養(yǎng)、生理、風(fēng)味功能以及廣泛的工業(yè)用途而被高度重視。在油脂質(zhì)量評價(jià)中，NMR方法代替了固體脂肪指數(shù)（SRI）法，成為唯一可行的、具有潛在用途的儀器分析方法[4]。LF-NMR分析儀設(shè)備體積小，可在不破壞、不侵入樣品的前提下，對樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速、全方位的定量測定分析，在油脂檢測中應(yīng)用廣泛[5]。本文就目前LF-NMR在食用油質(zhì)量評價(jià)中的研究及應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，為LF-NMR在食用油研究中的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

1 LF-NMR的基本原理

LF-NMR是指磁場強(qiáng)度在0.5T以下的核磁共振，檢測針對的一般是樣品的物理性質(zhì)[6]。1H LFNMR的基本原理是通過施加射頻脈沖給予處于恒定磁場中的樣品，使氫質(zhì)子發(fā)生共振，質(zhì)子所吸收的射頻波能量以非輻射的方式釋放后返回到基態(tài)，此過程被稱為弛豫過程。又可分為橫向弛豫（自旋一自旋弛豫）和縱向弛豫（自旋一晶格弛豫），可分別用T1和T2表示其弛豫時(shí)間，樣品內(nèi)部氫質(zhì)子所處物理化學(xué)環(huán)境及存在狀態(tài)決定了弛豫時(shí)間的長短[7]。在油脂檢測研究中，油脂質(zhì)量變化常利用T1和T2的弛豫圖譜特征來判定[8,9]。

LF-NMR儀器體積相對較小、價(jià)格相對低廉，目前已成為食品工業(yè)中較為廣泛的應(yīng)用技術(shù)。為滿足食品研究的需要，許多小型、簡便的NMR儀不斷研發(fā)問世。目前較為常用的是用NMR儀來測定含脂食品中固體脂肪的含量。LF-NMR在食品理論研究中起著非常重要的作用，由于NMR譜信號對分子的可流動(dòng)性具有較高的敏感性，因此常被用來進(jìn)行食品結(jié)構(gòu)的微動(dòng)力學(xué)分析。例如通過LF-NMR儀計(jì)算乳濁液的擴(kuò)散系數(shù)，測量乳濁液“油滴”或“水滴”的大小，還可用于測定冰淇淋、雪糕等在凍結(jié)過程中油水和水油之間的相變化，以及凍結(jié)速度對這種變化的影響，也可用于測定配方不同造成的食品品質(zhì)變化等，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有針對性地提升食品質(zhì)量[4]。

2 LF-NMR儀器參數(shù)

儀器檢測參數(shù)包括系統(tǒng)參數(shù)和采集參數(shù)。參數(shù)的確定以能夠保證樣品LF-NMR信號完整、有效為前提，合適的參數(shù)能提高實(shí)驗(yàn)效率[2]。

2.1 系統(tǒng)參數(shù)

系統(tǒng)參數(shù)是由儀器特性、儀器環(huán)境及相應(yīng)脈沖順序所決定的，中心頻率、90°脈沖寬度和180°脈沖寬度由儀器自動(dòng)調(diào)整。對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置需在硬脈沖FID（Free induction decay）序列下進(jìn)行。

中心頻率的設(shè)置：射頻信號頻率主值（Spectrometer frequency，SF）和射頻信號頻率偏移量（Frequency offset 1，O1）共同組成了射頻脈沖的中心頻率。SF是由儀器的磁體系統(tǒng)決定的，為固定值（23MHz），O1為可調(diào)值，調(diào)整范圍為0~999.999kHz，磁體溫度的微小變化都會(huì)引起磁體頻率的相應(yīng)變化，因此每次實(shí)驗(yàn)前需由儀器自動(dòng)調(diào)整O1值，保持射頻的中心頻率與磁體頻率的一致。

90°脈沖寬度和180°脈沖寬度（P90、P180，單位：μs）：射頻功放的功率和射頻線圈的尺寸共同決定P90和P180，其大小與樣品本身性質(zhì)無關(guān)，可由儀器自動(dòng)調(diào)整，但脈沖寬度大小關(guān)系到激發(fā)樣品時(shí)所產(chǎn)生的脈沖能量的大小。

2.2 采集參數(shù)

采集參數(shù)由研究目的及儀器特性決定，主要包括：重復(fù)采樣等待時(shí)間（TR）、采樣頻率（SW）、重復(fù)掃描次數(shù)（NS）、回波個(gè)數(shù)（EchoCount）、半回波時(shí)間（τ）。TR、NS及SW在硬脈沖FID序列中設(shè)置，保存以上設(shè)置后進(jìn)入CPMG序列設(shè)置τ及EchoCount。

重復(fù)采樣等待時(shí)間（TR，單位：ms）：即兩次采樣中間間隔的一段時(shí)間，TR值會(huì)影響到樣品信號幅值的恢復(fù)情況。

采樣頻率（SW，單位：kHz）：SW是在采集樣品信號時(shí)，信號接收端以中心頻率為中心接收信號的頻率范圍，可調(diào)范圍在1~333kHz。其大小可根據(jù)樣品信號衰減的程度來設(shè)置，樣品信號衰減程度越快，SW值需設(shè)置的越大。

重復(fù)掃描次數(shù)（NS，單位：次）：NS是儀器進(jìn)行獨(dú)立采樣的次數(shù)，可調(diào)范圍為0~1024次，NS大小影響樣品的信號強(qiáng)度及采樣信號的總時(shí)間，其大小應(yīng)該根據(jù)樣品信號強(qiáng)弱作出判斷。

回波個(gè)數(shù)（EchoCount，單位：個(gè)）：指信號采集樣品所得到的回波數(shù)量。其數(shù)值也會(huì)影響到CPMG回波曲線的衰減完整性。從理論上來說，EchoCount應(yīng)該是可以使樣品弛豫信號衰減到0的最小回波數(shù)。

半回波時(shí)間（τ，單位：μs）：指相鄰的90°脈沖與180°脈沖之間的時(shí)間間隔，τ值決定了CPMG回波曲線的衰減完整性。τ大多數(shù)情況下要大于6倍90°脈沖寬度的設(shè)定值，可將τ分別設(shè)定為80、100、150、200、250μs，采集累計(jì)信號，得到不同τ 值下的CPMG回波數(shù)據(jù)串，從這些值中獲得相應(yīng)的T2信號衰減幅值及分布區(qū)間并進(jìn)行進(jìn)一步分析。

采樣點(diǎn)數(shù)（TD，單位：個(gè)）：當(dāng)SW、τ、EchoCount三者確定后，此值可自動(dòng)確定。

3 LF-NMR在食用油質(zhì)量評價(jià)中的應(yīng)用

在人類膳食中油脂起到了不可替代的作用，它給予食品獨(dú)特的風(fēng)味和色澤。食用油的質(zhì)量問題也是關(guān)系到我國甚至全世界消費(fèi)者飲食健康的大問題，食用油在使用過程中經(jīng)過高溫烹炒和煎炸可發(fā)生一系列的物理、化學(xué)變化，這些變化可對食品的風(fēng)味和質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響，而且還可能危害到消費(fèi)者的身體健康。因此，評價(jià)食用油在使用和貯藏過程中的品質(zhì)變化具有深刻的意義。傳統(tǒng)的油脂評價(jià)方法主要有感官評價(jià)、化學(xué)指標(biāo)評價(jià)和物理指標(biāo)評價(jià)[10]。

感官評定主要是通過觀察煎炸過程中油脂的色澤變化、冒煙程度、泡沫情況、流動(dòng)性等特征[11]。

煎炸油檢測的化學(xué)指標(biāo)主要有酸值、碘值、過氧化值、羰基值、活性氧（AOM）值等。在油脂劣變程度加深的過程中，油脂可發(fā)生水解、氧化、聚合等反應(yīng)，大多數(shù)情況下，油脂隨著加工時(shí)間的增長其酸值逐漸升高，碘值升高，過氧化值先升高后降低，羰基值升高，活性氧（AOM）值的變化會(huì)相對比較復(fù)雜。對于不同的油脂種類，給予不同的煎炸體系，其測定結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，不具有可比性[12]。

物理評價(jià)的指標(biāo)主要包括黏度、折光指數(shù)、比重、透光率等。研究結(jié)果表明，隨著食用油煎炸時(shí)間的延長，煎炸油中的聚合物含量急速升高，黏度增大，并伴隨有少量甘二酯的生成，不飽和脂肪酸含量也相應(yīng)下降[13]。

使用傳統(tǒng)理化方法評價(jià)食用油質(zhì)量費(fèi)時(shí)費(fèi)力且誤差大，與傳統(tǒng)的檢測方法相比，NMR法是一種非破壞性的，能夠保持樣品的完整性的檢測手段。其操作方法簡單快速，重復(fù)性高，測量精確；樣品不需要添加溶劑，定量測定也不需要標(biāo)樣；測量結(jié)果受外界因素如材料樣本大小及樣本外觀色澤的影響不大，而且不因操作員的技術(shù)和判斷而受到影響。因此，NMR技術(shù)在食用油研究中的應(yīng)用越來越受到青睞。

3.1 LF-NMR檢測煎炸油品質(zhì)

油脂在煎炸過程，會(huì)發(fā)生一系列聚合、氧化、分解和水解反應(yīng)，顏色逐漸變深，黏度不斷增大而且風(fēng)味劣化，伴隨著產(chǎn)生大量對人體有害的物質(zhì)[14]的產(chǎn)生。隨著食品安全意識(shí)的普及，油脂在煎炸過程中發(fā)生的品質(zhì)變化成為消費(fèi)者廣泛關(guān)注的食品安全問題，也是國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域科研工作者競相研究的熱點(diǎn)[15]。

王永巍等[14]應(yīng)用LF-NMR技術(shù)對無對象煎炸大豆油油樣進(jìn)行檢測，通過對多組分T2弛豫圖譜以及單組份弛豫時(shí)間T2W和峰面積比例S21分析，發(fā)現(xiàn)在油脂煎炸4h后圖譜中10ms左右有一明顯的特征小峰，且S21和T2W與煎炸時(shí)間、黏度、酸價(jià)、吸光度和極性組分的含量變化呈現(xiàn)良好的規(guī)律性，結(jié)果說明可以利用LF-NMR測定的S21和T2W較好地判斷煎炸油的品質(zhì)變化，但此結(jié)果與過氧化值之間并無明顯的規(guī)律性。此外，大豆油經(jīng)過煎炸后，隨煎炸時(shí)間的延長其單組份馳豫時(shí)間T2W呈現(xiàn)減小趨勢，可通過油樣T2W的變化簡單判斷出大豆油是否被用來高溫煎炸以及煎炸時(shí)間的長短。

樊之雄等[16]利用LF-NMR分析煎炸油品質(zhì)結(jié)果表明，弛豫時(shí)間T21、T22可以用來辨別棕櫚油是否被用于高溫煎炸處理。在150、180℃下，弛豫峰面積比例之比（S21/S22）與對應(yīng)的油酸和棕櫚酸比值（O/P）在不同時(shí)間下的具有相似的變化趨勢，呈顯著的相關(guān)性，此方法可以用于檢驗(yàn)這兩個(gè)溫度下煎炸棕櫚油劣變程度。

3.2 LF-NMR鑒別食用油摻偽

油脂摻偽通常是指將低價(jià)劣質(zhì)食用油或非油脂類物質(zhì)摻入高品質(zhì)食用油中以從中牟取暴利[17]。食用植物油的摻假通常有兩種情況：一種是將低級油摻入到高級食用植物油中，如在芝麻油、橄欖油中摻入菜籽油、大豆油等；另一種是將非食用油摻入到食用油中，如在植物油中摻入桐油、蓖麻油、大麻籽油、礦物油，甚至地溝油等[18]。油脂摻偽的檢測手段一般為濃酸反應(yīng)、冷凍試驗(yàn)、光譜分析以及一些常規(guī)指標(biāo)檢測，但是這些方法只能粗略的定性分析，并不適合目前不僅需要定性又要定量的食品監(jiān)管要求[19]。

王永巍等[20]應(yīng)用LF-NMR法檢測了煎炸油摻入到3種食用植物油（橄欖油、花生油、芝麻油）油樣，并得到橫向弛豫時(shí)間T2的弛豫圖譜，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，煎炸油在10ms時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)特征峰，這個(gè)特征峰在其他三種純品油中并沒有檢出。隨著煎炸油摻偽量的提高，此峰的峰面積比例隨著增加，而峰開始的時(shí)間卻逐漸縮短。

周凝等[21]也利用LF-NMR方法分別測定了米糠毛油和3種食用植物油（花生油、橄欖油和葵花籽油）的弛豫圖譜，通過得到的弛豫圖譜，對比分析弛豫時(shí)間T2以及各組分的分布情況可快速準(zhǔn)確的判斷合格食用油與米糠毛油之間的差別。只需要得到樣品中的摻偽特征峰T21及其面積所占的比例，便可從擬合曲線中判斷出米糠毛油的摻偽比例。此方法可以進(jìn)一步推廣應(yīng)用到其他油脂的定量摻偽研究中，以用于初步判定食用油摻偽。

4 展望

鑒定食用油變質(zhì)及摻偽的方法通常為傳統(tǒng)理化方法，這些方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且誤差大，常用的儀器鑒定方法，如色譜法、光譜法等，費(fèi)用昂貴且需要對樣品進(jìn)行前處理。相比之下，LF-NMR分析儀具有設(shè)備體積小，價(jià)格低廉，檢測樣品快速、無損，且無需任何化學(xué)試劑等優(yōu)點(diǎn)。目前，國內(nèi)關(guān)于LF-NMR在油脂檢測中的應(yīng)用研究并不多，隨著儀器分析在實(shí)際生產(chǎn)檢測中的普及，在未來食用油質(zhì)量評價(jià)中，LF-NMR技術(shù)還將進(jìn)一步發(fā)展和完善。

[1] 周凝, 劉寶林, 王欣,等.米糠毛油摻偽食用植物油的低場核磁共振檢測[J]. 分析與檢測, 2011, 37(3): 177-181.

[2] 史然, 王欣, 劉寶林, 等. 油脂低場核磁（LF-NMR）檢測參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)[J]. 分析測試學(xué)報(bào), 2012, 31(11): 1365-1372.

[3] 顧小紅, 任璐, 陳尚衛(wèi), 等. 核磁共振技術(shù)在食品研究中的應(yīng)用[J]. 食品工業(yè)科技, 2005, 26(9): 189-194.

[4] 萬娟, 陳中, 楊曉泉. 核磁共振技術(shù)及其在食品加工中的應(yīng)用[J]. 食品與藥品, 2006, 8(11): 17-19.

[5] 王樂, 黎勇, 胡建華. 核磁共振法鑒別食用植物油摻偽餐飲業(yè)廢油脂[J]. 中國油脂, 2008, 38(10): 75-77.

[6] HILLS B P, WRIGHT K M, GILLIES D G. A low-f i eld.low-cost Halbach magnet array for open-access NMR[J].Journal of magnetic resonance, 2005, 175(2): 336-339.

[7] 楊赫鴻, 李沛軍, 孔保華, 等. 低場核磁共振技術(shù)在肉品科學(xué)研究中的應(yīng)用[J]. 食品工業(yè)科技, 2012, (13): 400-405.

[8] MIQUEL M E, CALI S, COUZENS P J, et al. Kinetics of the migration of lipids in composite chocolatemeasured by magnetic resonance imaging[J]. Food research international,2001, 34(9): 773-781.

[9] MARTINA H, HARIETTE H, HEINZ-DIETER I, et al.Determination of total polar parts with new methods for the quality survey of frying fats and oils[J]. Talanta, 1998,47(2): 447-454.

[10] 姚曉敏, 孫向軍, 徐建強(qiáng). 煎炸油質(zhì)變檢驗(yàn)探討[J]. 食品科技, 2000, (4): 56-57.

[11] 吳時(shí)敏. 煎炸過程中油脂質(zhì)量評定[J]. 糧食與油脂,2000, (5): 33-35.

[12] 肖新生, 畢艷蘭, 彭元懷, 等. 煎炸油檢測方法的比較[J].中國油脂, 2006, 31(5): 35-38.

[13] 李東銳, 畢艷蘭, 肖新生, 等. 食用油煎炸過程中的品質(zhì)變化研究[J]. 中國油脂, 2006, 31(6): 34-36.

[14] 王永巍, 王欣, 劉寶林, 等. 低場核磁共振技術(shù)檢測煎炸油品質(zhì)[J]. 食品科學(xué), 2012, 33(06): 171-175.

[15] 李陽, 鐘海雁, 李曉燕, 等. 煎炸用油品質(zhì)變化及測定方法研究進(jìn)展[J]. 食品機(jī)械, 2008, 24(6): 148-151.

[16] 樊之雄, 范柳萍. 基于介電常數(shù)和低場核磁共振技術(shù)的煎炸油品質(zhì)分析[J]. 食品工業(yè)科技, 2012, 33(15): 74-78.[17] 錢向明, 李桂華, 李明奇, 等.食用油脂摻偽鑒別模式的研究[J].中國油脂, 2005, 30(8): 50-53.

[18] 唐佳妮, 劉東紅. 食用植物油摻假鑒別方法研究進(jìn)展[J].中國糧油學(xué)報(bào), 2009, 24(11): 158-162.

[19] 魏明, 曹志新, 廖成華.常見植物油鑒別及摻偽的氣相色譜新檢測法[J].食品科學(xué), 2003, 24(12): 103-106.

[20] 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[J]. 科學(xué)儀器服務(wù)民生學(xué)術(shù)大會(huì)論文集, 2011, 8: 17-162.

[21] 周凝, 劉寶林, 王欣, 等. 米糠毛油摻偽食用植物油的低場核磁共振檢測[J]. 分析與檢測, 2011, 37(3): 177-181.