低場核磁共振在肉與肉制品水分測定與分析中的應用研究進展

孫文彬，羅 欣，張一敏，左惠心，牛樂寶*，毛衍偉*

（山東農業大學食品科學與工程學院，山東 泰安 271018）

核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）現象自1939年發現以來，其理論和實踐基礎不斷發展，并被廣泛應用到地質、醫學、化工和工農業等領域。隨著研究的深入，各種特殊用途的核磁共振新技術應運而生。其中低場核磁共振（lowfield NMR，LF-NMR）是一種快速、無損的分析檢測技術，可以通過測定肉品中氫原子核在磁場中的弛豫特性來確定肉品中水分的不同狀態，因而在肉品領域已有諸多研究，主要集中在以下3 個方面：1）測定肉與肉制品中不同狀態水分的分布和遷移；2）結合其他指標判斷肉的食用品質和加工品質；3）進行注水、注膠肉的鑒偽，異質肉的鑒別和肉品新鮮度檢測。本文將LF-NMR在肉品水分檢測與分析中的最新研究結果按上述研究類別進行總結分析，以期為LF-NMR技術在肉品領域的應用提供新的研究切入點，并為相關研究提供理論指導。

1 LF-NMR技術的原理及其在肉與肉制品加工中應用的基礎

LF-NMR測定水分的基本原理是對處于恒定磁場中的樣品施加一個射頻脈沖，使氫質子發生共振，導致部分低能態氫質子吸收能量躍遷到高能態，當關閉射頻脈沖后這些質子就以非輻射的形式釋放所吸收的射頻波，能量返回到基態而達到玻爾茲曼平衡，此過程稱為弛豫過程，完成弛豫過程的時間常數稱為弛豫時間[1]。相對于縱向弛豫時間T1，橫向弛豫時間T2有變化范圍大、對多相態敏感等優點，因此在肉品科學中被廣泛采用。依據樣品中水分子的橫向弛豫時間T2不同，可以對肉與肉制品中水分的不同狀態進行區分[2]。

橫向弛豫時間T2的大小可以表示水分的自由度，T2越大，水分的自由度越高[3]。LF-NMR的弛豫信號曲線通常被分為3 個區域（圖1），其中T2在0～10 ms的部分（T2b）被認為是與大分子物質緊密結合的那部分水，含量穩定且不受蛋白質結構或凈電荷變化的影響，也被稱作結合水；T2在30～50 ms（T21）和100～1 000 ms（T22）的兩部分區域分別被認為是分布在肌原纖維內部和肌原纖維網絡外的那部分水[4]。在有些學者測定的T2圖譜中，T2在0～10 ms的區域存在兩個峰，分別是水分子中與肉中非水組分結合最緊密的化合水和處于非水組分親水性基團附近的多層水及鄰近水[5-6]。不同橫向弛豫時間（T2b、T21、T22）相對應的指數面積比（P2b、P21、P22）則被定義為3 種不同狀態水分的相對含量。

圖1 新鮮牛肉橫向弛豫時間（T2）譜圖Fig. 1 Transverse relaxation time (T2) spectrum of fresh beef

在肉品科學中，Bertram等應用LF-NMR技術進行了大量基礎研究，結果表明LF-NMR測定的肉中橫向弛豫時間T2與傳統指標（如汁液損失率、離心損失率[7]、蒸煮損失率、拿破侖率[8]）衡量的保水性有較強的相關性。其他學者則驗證了肉糜的離心損失率[9]、蒸煮損失率[10]與T2、P2均顯著相關。Zhu Han等[11]研究則進一步表明相比于近紅外技術和X射線光譜，LF-NMR技術能更加精確測定豬肉的保水性。因此LF-NMR技術可對肉與肉制品保水性進行快速精確檢測。除此之外，由于肉品中水分狀態與多汁性、嫩度、表觀等食用品質和加工品質存在聯系，所以許多學者在LF-NMR的T2分布圖譜的理論基礎上進行了大量關于水分狀態與肉品品質的研究，從水分角度解釋肉品在成熟、冷卻、加工、貯藏等過程中品質變化，并實現通過LF-NMR技術檢測肉與肉制品的食用品質和加工品質，以及肉制品摻假判定和安全檢測的目的。

2 LF-NMR測定生鮮肉成熟和保鮮過程中水分遷移

畜禽屠宰后，鮮肉仍保持細胞結構，其水分主要分布在肌原纖維內、肌原纖維與細胞膜之間、肌細胞之間以及肌束之間。肌肉組織的自身結構和鮮肉的處理方法會對肉中水分分布產生影響，并最終影響鮮肉的保水性[12]，因而生鮮肉在成熟、保鮮貯藏過程中的水分變化受到廣泛關注。

成熟是提高肉品品質的常見方式，成熟過程中水分的遷移對肉的保水性具有重要影響。甄少波等[13]的研究結果表明，宰后24 h冷卻過程中豬肉的T2b變化不大，T21和T22先上升后下降；成熟時間對P2b影響不大，但對P21和P22影響顯著（P＜0.05），P21越高，P22越低，汁液損失率越低。該研究表明動物宰后初期，豬肉保水性變化主要是自由水與不易流動水相互轉化遷移的結果。Gudjónsdóttir等[14]將殼聚糖薄膜覆蓋在牛排表面進行干法成熟，結果表明橫向弛豫時間T2b、T22受成熟方式和成熟時間的影響不大，未覆蓋殼聚糖薄膜的牛肉干法成熟21 d內由于肌肉蛋白的變性和降解，T21呈現下降趨勢，而覆蓋殼聚糖薄膜的牛肉T21雖然在成熟7～14 d顯著降低（P＜0.05），但在成熟21 d時逐漸提高；另外，相比于傳統干法成熟和濕法成熟，成熟14 d后，殼聚糖覆蓋牛排中的自由水含量（P22）顯著下降。以上研究認為正常肉在成熟過程主要是自由水與不易流動水發生改變，并且因成熟方式的不同而存在差異，目前DFD（dark, fi rm and dry）、PSE（pale, soft and exudative）肉等異質肉在成熟過程中，特別是宰后初期的水分變化仍缺乏研究。

為延長生鮮肉貨架期，常采用低溫條件進行保鮮，其中冷藏和冷凍是最常見的方式。朱迎春等[15]研究表明，在2 ℃條件下，隨著冷藏時間的延長，蛋白質空間結構發生改變，使得T22逐漸提高，P21先升高后降低。冷凍溫度對橫向弛豫時間T2影響顯著[16]。馬瑩等[17]使用LFNMR儀研究了在－14、－18、－22 ℃條件下貯藏的牛肉中水分狀態的變化，同樣發現了隨著冷藏時間的延長，不易流動水逐漸轉變為自由水；在高于玻璃化轉化溫度條件下貯藏的牛肉，肉的水分含量顯著下降，保水性降低。Zhang Mingcheng等[18]研究表明，使用180 W超聲輔助浸漬式凍結可以縮短橫向弛豫時間T21和T22，降低水分的自由度，減少豬肉的解凍損失。Ali等[19]研究表明，反復凍融2～6 次的雞胸肉橫向弛豫時間T21縮短顯著。Zhang Mingcheng等[20]的研究則表明隨著凍融次數（1～5 次）的增加，豬肉的橫向弛豫時間（T2b、T21和T22）逐漸延長，這可能是由于反復凍融增加了肌肉中可自由移動的水分含量或者降低了水分與蛋白質的結合程度。Jia Guolian等[21]的研究則表明，冷凍過程中高壓靜電場處理對橫向弛豫時間T2的影響很小，但對P21和P22有顯著影響，經過10 kV處理的冷凍樣品P21與新鮮肉最為接近，肉的品質最好。另外該學者還研究了高壓靜電場條件下解凍過程中兔肉的水分變化，結果表明新鮮兔肉和解凍兔肉的T2沒有顯著差異，但是P2卻有顯著差異，并認為這主要是冷凍解凍的過程引起的，受高壓靜電場處理影響不大，該技術主要作用是提高了解凍速率[22]。冷凍解凍過程中冰晶對肌細胞結構造成損害，因而造成的水分遷移可被LFNMR技術敏感檢測到，因此LF-NMR技術輔助冷凍解凍的研究，有助于更好地降低肉品的解凍損失，提高品質及出產率。

冰溫保鮮作為繼冷藏保鮮和氣調保鮮之后的第三代保鮮技術，已逐漸應用在牛羊肉類的保鮮貯藏中。自由水對冰溫貯藏牛肉的品質影響很大，許倩等[23]通過LF-NMR測定冰溫條件下無包裝牛肉的水分變化，結果表明在貯藏前期T22顯著延長，從第9天起顯著縮短，從第19天起在100～1 000 ms范圍內已沒有峰，即無包裝的牛肉在貯藏前期，肉中自由水的自由度越來越高，后期自由水的移動性開始慢慢下降直至完全消失。朱迎春等[15]的研究表明，與低溫貯藏結合托盤包裝相比，冰溫貯藏結合氣調包裝條件下，隨著貯藏時間的延長，橫向弛豫時間T22縮短，P21增加，說明冰溫貯藏與氣調包裝結合能降低肉中自由水的自由度，減少不易流動水的損耗，提高肉的保水性。目前包裝方式對水分遷移影響的相關報道較少，可進行深入研究。

3 LF-NMR測定肉制品加工貯藏過程中的水分遷移

為滿足生產需要，常對原料肉進行斬拌處理，與整塊肉不同，經過粉碎的肉糜除了保留少量肌纖維碎片外，大部分肌原纖維結構遭到破壞，其保水原理主要是不溶性蛋白將水分束縛在網絡結構中。任小青等[24]的研究結果表明，4 ℃條件下貯藏的豬肉糜隨著貯藏時間的延長，P21逐漸降低，而P22增加，這表明貯藏過程中肉糜的不易流動水轉變成自由水。此外，為提高肉糜產品的品質，常在加工過程中添加外源添加物來進行改善。張駿龍等[25]研究淀粉添加量對豬肉糜保水性和質構的影響，結果表明，隨著淀粉添加量的增加，橫向弛豫時間T21和T22明顯縮短，而自由水含量（P22）則隨著淀粉添加量的增加而逐漸降低，這說明隨著肉糜中淀粉含量的增加，水分受到的束縛逐漸增強，使得肉糜的保水性提高。有研究表明，在肉糜中僅添加磷酸鹽縮短了橫向弛豫時間T21，即降低了不易流動水的流動性，僅添加NaCl則會延長橫向弛豫時間T21，并增加結合水含量（P2b），使得肉糜中的水分總量提高，因此肉糜中添加磷酸鹽和NaCl可以提高其保水性[26]。超高壓處理可以使肉與肉制品分子間距增加，并導致極性區域的暴露，因而其可改善肉制品保水性，提高產品的出品率和嫩度。Zheng Haibo等[9]使用200 MPa超高壓處理雞肉糜，結果表明加壓和加熱都能增加不易流動水的含量（P21），提高肉糜的保水性，這可能是由于高壓處理使得雞肉糜微觀結構中的蛋白質降解形成了更好的凝膠結構。Zheng Haibo等[27]的研究則表明在300～400 MPa的壓力下，雞肉糜的保水性得到了改善，但在更大的壓力下保水性降低；與只進行加熱處理的雞肉糜相比，使用高壓處理的雞肉糜隨著處理壓力的增加，肉糜中的結合水（P2b）和自由水（P22）含量增多，而不易流動水含量（P21）減少。以上研究說明，不易流動水含量和自由度對肉糜的保水性起主要影響，適當的高壓處理可以改善肉糜凝膠結構，加強對水分的束縛，提高不易流動水含量，改善保水性，從而提高肉品品質。

粉碎后的原料肉與輔料混合后制成的香腸制品是肉制品中的重要分類[28]，在香腸生產過程中通過LF-NMR技術檢測其水分變化也受到了學者的廣泛關注。Yang Huijuan等[29]將超高壓技術應用于香腸的生產，結果表明在10 ℃下200 MPa處理2 min可以顯著增加結合水（P2b）和不易流動水（P21）含量，降低自由水含量（P22），這被認為是改善最終產品肉色和剪切力的原因，另外該研究還發現香腸中脂肪含量會干擾水分的信號。Xue Siwen等[30]的研究則表明在25 ℃條件下，200 MPa處理兔肉香腸3 min，可以提高其不易流動水的含量（P21），并在一定程度上減少蒸煮損失。還有學者對發酵香腸進行LF-NMR測定，結果表明在發酵過程中不易流動水（T21）和自由水（T22）的自由度逐漸降低，且這兩個水分峰隨著發酵的進行逐漸合并，最終使得不易流動水含量（P21）增加，而自由水含量（P22）減少[31]。

腌制作為肉制品加工中的重要環節，具有防腐保鮮、提高肉制品品質的作用。McDonnell等[32]的研究則表明，使用NaCl腌制豬肉，隨著腌制液濃度的提高，肌原纖維內部的水分含量（P21）增加，而肌原纖維外部的水分含量（P22）減少，因此產品的保水性提高。超聲波技術具有空化作用，可在肉中形成空腔加速腌制液滲入[33]，因而被廣泛應用到肉制品腌制的研究中，Kang Dacheng等[34]的研究表明，NaCl腌制牛肉過程中輔助超聲波處理對T2b無顯著影響，但是隨著處理時間的延長和超聲波頻率的提高，T21顯著延長。McDonnell等[35]同樣發現在19 W/cm2頻率超聲波下分別處理10、25、40 min，腌制豬肉的T21均顯著延長，這可能是由于超聲波處理有助于肉中肌原纖維腫脹和鹽溶性蛋白的提取。高頻率超聲波能有效提高傳質速度，但是過高的頻率會導致肉品質量損失和產生不良風味[36]。因此針對不同種類肉制品，優選合適的超聲波頻率和加工時間來滿足工業需求具有重要意義。

在肉制品的熟制過程中，伴隨著溫度的升高和加熱時間的延長，水分也會發生相應的遷移。王雪等[37]的研究表明，油炸溫度的升高會逐步縮短牛柳的T21和T22，同時P21和P22顯著降低（P＜0.05），這可能是由于高溫導致肌肉蛋白變性或者油脂浸入使得纖維內水分受到限制。隨著煎制溫度的升高和時間的延長，T2b、T21、T22均相應延長，即牛排內水分的自由度不斷提高，而且隨著牛排成熟度的提高，T22的變化最為明顯[38]。而孫紅霞等[39]研究發現，牛肉在相同加熱時間下，隨著加熱溫度的升高，T21反而縮短，這可能是由于牛肉受熱收縮擠出肌原纖維內部分水分，而滯留的水分氫鍵鍵能較大，使得T21縮短。

LF-NMR技術還應用于肉制品干制過程中水分變化的研究中。Li Miaoyun等研究發現，雞胸肉在干燥過程中T21縮短、P21和總水分含量顯著降低（P＜0.05），其中不易流動水含量（P21）的變化決定了某一時間點肉干的總水分含量[40]。李欣等[41]的研究表明，在微波干燥牛肉粒的過程中，T21逐漸縮短，不易流動水逐步轉移為結合水，轉化而來的結合水與原組織結合水相比，橫向弛豫時間更長，自由度更高。謝小雷等[42]研究發現，中紅外-熱風組合干燥牛肉干過程中，T21和T22顯著延長，不易流動水轉換為自由水，最后自由水擴散至肉干表面并散失達到干制目的。以上研究說明肉制品熟制和干制過程伴隨著蛋白質變性和肌肉結構的劇烈改變，這是一個漸進且不均勻的過程，影響著肉制品中水分的變化，因此結合核磁成像有利于更加直觀地說明干制過程中肉中水分遷移和散失。

4 LF-NMR在檢測和預測肉品食用和加工品質中的應用

肉中水分的分布和遷移對保水性、嫩度、多汁性、表觀等指標都有重要的影響。保水性是肉品的重要食用品質，衡量肉制品保水性的方法有很多，甄少波[43]對此進行了詳細綜述，目前通過LF-NMR技術實現對肉品保水性預測以及分級成為新的研究方向。Zhu Han等[44]通過對宰后1 d的豬肉進行LF-NMR測定，在一定程度上實現了預測真空包裝9 d后豬肉的汁液損失率。T21與壓榨損失率呈正相關，且LF-NMR分析結合肉色評價，可以區分不同保水能力的豬肉[45]。因此通過整合大數據，實現通過LF-NMR技術預測保水性并實現肉制品的分級具有研究前景。

嫩度是消費者評判肉質優劣的最常用指標之一。水分是肉和肉制品中蛋白質的增塑劑，熟肉中水分含量的變化影響產品嫩度的變化[46]。馬天蘭等[6]使用LF-NMR技術測定冷鮮灘羊肉，發現橫向弛豫時間T2、總峰面積與剪切力極顯著相關，使用回歸方程擬合分析，表明總峰面積、橫向弛豫時間T2與剪切力有較好的回歸擬合效果，因此可以通過LF-NMR技術對灘羊肉的嫩度進行預測。還有學者將LF-NMR用于探究雞肉干干燥過程中水分遷移與剪切力變化的關系，結果表明總水分含量、不易流動水含量（P22）與剪切力呈極顯著相關（P＜0.01），因此可以通過LF-NMR探究肉干干制過程中的干制程度和產品質量[40]。

感官品評是評價肉與肉制品品質的最直觀方法。楊慧娟等[38]研究發現低溫乳化腸感官特性各指標（質構、外觀和整體可接受度）與T21及其峰面積P21呈顯著正相關，與P22呈顯著負相關（P＜0.05），可能是由于加熱后自由水與不易流動水的轉變導致肉糜微觀結構和感官品質發生了改變。Hullberg等[47]研究發現除了嫩度與橫向弛豫時間T21呈正相關之外，多汁性、肉的風味也均與T21顯著相關（P＜0.05），且肉表面不被品評小組接受的小孔的數量也與T2密切相關。

5 LF-NMR在肉品安全檢測中的應用

鑒于LF-NMR技術可以對肉中不同狀態的水分精確測定，有學者將該技術應用于注水注膠肉的辨別上。王欣等[48]研究發現，隨著注水量（注水質量分別占肉糜質量的2%～14%、16%～30%、32%～40%）的增加，肉糜的橫向弛豫時間呈延長趨勢（R2=0.911 8），且注水程度類似，橫向弛豫時間分布也相對集中，而不同注水比例組差異明顯。龐之列等[49]同樣發現隨著豬肉中的注水量增加，T21、T22顯著延長，由于P22的增加導致P21的相對比例減少；而P22含量易受外界環境影響，且隨著注水量的增大，亮度L*值不斷提高，因此T21、P21與L*值相結合可用于檢測注水肉。蓋圣美等[50]對注水豬肉進行LF-NMR測定得到類似結果，并確定LF-NMR檢測注水肉取3 g樣品的檢測效果最佳。羊肉注射魔芋膠后，T21、T22延長，且P22也隨之增加，因此可依據弛豫特性的變化對注膠羊肉進行有效的識別[51]。吳藝影等[52]的研究表明，LF-NMR除了能區分豬肉是否注膠，還能區分注膠的種類、注膠量以及注膠時間。

DFD肉和PSE肉作為常見的異質肉，其保水性異于正常肉。Mortensen等[16]的研究結果表明，LF-NMR技術可以很好地區分冷凍-解凍后的高pH值豬肉與正常豬肉；相比于正常肉，高pH值豬肉T21更長，而T22更短。Bertram則對比了DFD豬肉與PSE豬肉在冷凍貯藏過程中的水分變化，結果表明，在弛豫圖譜中，DFD肉的不易流動水與自由水波峰可以清晰區分，而PSE肉中這兩個波峰則呈現相連狀態，且PSE肉中松散結合水的含量更高[53]。因此基于注水肉、注膠肉、異質肉與正常肉不同的弛豫特性，LF-NMR技術能對其進行快速、無損的鑒別，但在日常應用中仍受條件和設備的限制。

揮發性鹽基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）含量、硫代巴比妥酸反應產物（thiobarbituric acid reactive substances，TBARS）值可以反映肉品的新鮮程度，馬天蘭等[54]研究發現，羊肉中TVB-N含量與T2、T22之間可構建良好的相關性模型（R2＞0.96）。任小青等[24]的研究結果則表明貯藏過程中肉糜的T22除了與TVB-N含量相關，還與TBARS值呈顯著正相關（P＜0.05）。這些研究為通過LF-NMR測定弛豫特性來檢測肉制品新鮮程度提供了理論依據，但是弛豫特性與肉品中微生物生長規律的關系還缺乏相關的研究。

6 結 語

LF-NMR技術因可以快速測定樣品中的水分狀態和含量，且成本低、易操作，所以在肉品領域被廣泛應用。該技術除了可以檢測某一狀態下樣品中的水分分布，還可以描述肉與肉制品在加工、貯藏、熟制過程中水分的動態遷移。但是LF-NMR技術在肉品加工領域還存在以下問題：1）LF-NMR僅能描述肉品中水分分布和遷移的表象，其中的變化機理還需要與其他指標相結合來進行大量的研究說明；2）由于不同生物材料具有天然的異質性，且不同研究中LF-NMR的儀器型號、設定參數存在差異，所以要保證LF-NMR的測定具有準確性，還需科研人員進行大量的相關研究；3）水分是影響肉品貨架期的重要因素，但不同狀態水分含量影響微生物生長的相關研究較少，可進行深入探究。目前，已利用LF-NMR技術對檢測肉品中水分分布和遷移、檢測肉品品質進行了廣泛研究，但肉與肉制品水分的存在形式和性質仍在探索，相比于肌肉蛋白，肉與肉制品中水分變化仍需深入研究。