基于LF-NMR技術鑒別不同干燥方式牛肉干產品

朱瑩瑩，張中會，張麗，耿景秋，楊世燕

1. 蘇州市職業大學食品營養與檢測系，食品營養與安全中心，蘇州市大學生營養與健康促進基地（蘇州 215104）；2. 蘇州紐邁分析儀器股份有限公司（蘇州 215151）

牛肉干以牛肉為主要加工原料，經腌制、熟制、干燥等工藝加工而成，牛肉干中富含蛋白質、礦物質、維生素等多種營養成分，是大眾普遍喜愛的產品之一[1]。干燥是牛肉干生產的關鍵工序，可以降低牛肉干內部水分活度，減緩生化反應，延長貨架期。不同的干燥方法對牛肉干物性特性有不同影響，從而影響牛肉干品質。工廠常用的干燥方法有風干、熱風干燥、烘房干燥[2-3]，其中風干主要依靠自然條件控制，溫度難以調節，干燥效率較低，且不同批次間產品品質不穩定，易受空氣等環境污染。熱風干燥和烘房干燥可以控制干燥溫度，減少空氣對產品的污染，制得的牛肉干產品品質較優，但受傳熱效率影響，產品內外干燥程度不均一，表面結痂變硬現象嚴重[4]。研究表明，不同干燥方式加工的牛肉干產品其品質間存在顯著差異，如何快速檢測不同干燥方式牛肉干產品對檢測部門和消費者快速了解該批次牛肉干的品質有指導意義。

低場核磁技術（low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）是一種無損、快速的檢測方法，被廣泛應用于食品安全檢測領域[5]。研究表明干制品內部水分組成和產品品質間存在相關性。Du等[6]研究不同酶對去除馬鈴薯果肉中的果膠及干燥特性的影響，同時使用LF-NMR技術對結果進行驗證，結果發現核磁數據與干燥特性結果可以一一對應。Kamal等[7]研究蘋果干燥過程中水分的動態變化及遷移規律，結果發現LFNMR技術可以真實反映出蘋果干燥過程中水分及其制品品質的動態變化。Li等[8]利用LF-NMR技術研究了山藥干燥過程中水分遷移機制和品質變化間的關系，結果顯示山藥的介電特性與LF-NMR參數之間存在明顯的相關性。Wu等[9]研究發現蛹蟲草干燥過程中收縮率與核磁各部分水的峰面積及總的峰面積存在顯著相關性。通過核磁數據可以確定干燥過程中產品品質變化的重要水分控制點，預測食物脫水中的水擴散，同時與質構、品質指標存在一定的相關性，說明低場核磁共振技術應用到食品品質的快速檢測上具有可行性。

試驗采用低場核磁共振技術并結合主成分分析方法建立自然風干燥、熱風干燥、烘烤干燥3種干燥方式的低場核磁共振弛豫譜特征鑒定方法，以期為牛肉干品質的快速鑒別提供理論依據和技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮牛后腿肉（市售）；核磁共振成像分析儀NMI20-040V-I（蘇州紐邁分析儀器股份有限公司）。

1.2 牛肉干干燥加工流程

牛后腿肉去筋膜后切成5 cm×1 cm×1 cm的柱狀，添加1.5%食鹽，于4 ℃冰箱腌制12 h后，分別置于空氣中（配置風扇）、熱風干燥箱（上海精宏實驗設備有限公司）中和烘箱中，溫度分別設置為20，50和160 ℃，質量減少至40%視為干燥結束。

1.3 LF-NMR檢測方法

環境溫度23.3 ℃，環境濕度79.1%。儀器共振頻率23.40 MHz，磁體強度0.55 T，線圈直徑25 mm，磁體溫度32 ℃，選用CPMG序列。T2測試條件：SFO1（MHz）=24.00 MHz，P1=5.8 μs，P2=9.6 μs，TE=0.08 ms，TW=3000 ms，NECH=6000，PRG=2，NS=8。使用儀器自帶的核磁共振分析測量軟件分析樣品的橫向弛豫信號，采用SIRT 100000進行反演，得到不同干燥方式牛肉干樣品的橫向弛豫圖譜。

1.4 統計分析

用儀器自帶的核磁共振分析測量分析反演軟件對采集到的CPMG衰減曲線進行反演擬合，同時對CMPG序列數據及反演數據進行歸一化處理，利用SIMCA-P 11.5對歸一化處理后的CPMG序列數據做主成分分析（principal component analysis，PCA），使用R4.0.2軟件的hclust包對歸一化后的CMPG序列數據進行聚類分析，采用Origin 8.5.1軟件對采集到的數據進行畫圖處理。

2 結果與分析

2.1 不同加工方式牛肉干樣品T2弛豫特性分析

利用LF-NMR技術測定不同干燥方式牛肉干樣品的T2弛豫特性，根據T2弛豫時間的不同，可以很容易地區分肉與肉制品內部不同狀態的水分分布，水分分布狀態會影響牛肉干產品的口感和品質。反演后的測試結果顯示牛肉干樣品中有3個峰，如圖1所示，包括T21（0.05～1.72 ms）、T22（1.72～98.51 ms）和T23（77.53～541.59 ms），根據出峰時間可認為，3個峰代表牛肉在加熱過程中水分的3種不同存在狀態：結合水、不易流動水和自由水。不同干燥方式牛肉干樣品的T2弛豫特性存在顯著差異，自然風干和烘烤干燥的牛肉干樣品中結合水占比較高，而熱風干燥的牛肉干樣品中不易流動水占比較高。

圖1 不同干燥加工方式牛肉干樣品T2橫向弛豫時間變化

圖2為不同加工方式下牛肉的CPMG序列回波峰點圖。牛肉干樣品，因內部水分組成不同，產生的信號大小不同，衰減速度也不同。烘烤和自然風干的牛肉樣品內部水分自由水含量較少，產生的NMR信號較弱，衰減速度較快。

圖2 不同干燥加工方式牛肉干樣品的CPMG序列回波峰點圖

從峰的個數和峰的組成比例（如圖3所示）上看，自然風干和烘烤干燥的牛肉干樣品中主要存在2個峰，自然風干的牛肉干中主要存在T22和T23這2個峰，即不易流動水和自由水，峰面積占比A22、A23分別為85.81%± 5.34%和13.36%±5.39%；而烘烤干燥的牛肉干樣品中主要存在T21和T22這2個峰，即結合水和不易流動水，峰面積占比A21、A22分別為83.84%±1.88%和15.89%± 1.89%。熱風干燥的牛肉干樣品中存在3個峰，包括T21、T22和T23，根據出峰時間可認為，即結合水、不易流動水和自由水，峰面積占比A21、A22、A23分別為11.07%±0.46%，86.51%±1.28%和2.42%±1.11%。說明不同干燥方式牛肉干樣品內部水分組成存在顯著差異。

圖3 不同干燥加工方式牛肉干樣品T2峰面積組成變化

2.2 不同加工方式牛肉干樣品CPMG序列數據聚類分析和主成分分析

使用R軟件和SIMCA-P軟件對不同干燥方式加工的牛肉干樣品歸一化的CPMG序列回波峰點數據進行聚類分析和主成分分析。

由圖4可知，不同干燥方式的牛肉干樣品CPMG序列回波峰點數據間存在較遠距離，表明3組牛肉干樣品間T2弛豫特性存在較大差異。自然烘干、烘烤干燥加工的牛肉干樣品與熱風干燥加工的牛肉干樣品間存在較遠距離，說明相比另外2種干燥方式，熱風干燥的牛肉干樣品內部水分組成差異較大。3組組內8個樣品間的距離較近，說明各組組內差異較小，牛肉干內部水分組成情況主要受干燥方式影響。

圖4 不同干燥加工方式牛肉樣品CPMG序列聚類分析

圖5為不同干燥方式的牛肉干樣品CPMG序列回波峰點數據的主成分分析結果。低場核磁共振技術主要通過研究樣品內部氫原子核在永磁場中的自旋弛豫特性，分析樣品的T2弛豫時間變化來研究被測樣品中的氫質子特性，水分子中含有大量的氫質子，因此通過核磁信號可以直觀地反映待測樣品內部水分組成狀態。不同干燥加工方式牛肉干樣品內部水分狀態存在較大差異，可以直接反映到PCA得分圖上。第1主成分PC1貢獻率為94.31%，第2主成分PC2貢獻率為5.28%，PC1和PC2的貢獻率之和超過99%，說明主成分分析可以較完整地反映原來牛肉干樣品中CPMG多指標的數據信息，PC1可以將3種不同干燥方式的牛肉干樣品完全分開，可以用來解釋干燥方式的組間差異。PC2可以用來解釋不同干燥方式的組內差異，樣品點之間的距離越遠，說明樣品間差異越大。由此得出，熱風干燥牛肉干樣品和烘烤干燥及自然風干牛肉干樣品間存在較遠距離，在PC1方向上可以得到準確區分。烘烤干燥及自然風干牛肉干樣品的CPMG序列回波峰點數據間距離較近，但仍存在一定差異，可以在PC1方向上區分并在PCA得分圖上很好地體現出來。低場核磁共振技術在快速鑒別產地和摻假上有較大的優勢，姜潮等[10]曾提出一種基于低場核磁共振技術的快速、無損鑒別不同品種大米的方法。結合主成分分析法，低場核磁共振技術可以快速鑒別純牛乳和摻入不同物質的摻假牛乳[11]。Ribeiro等[12]研究發現LF-NMR技術可用于區分純蜂蜜和摻配玉米糖漿的蜂蜜。這些研究均表明低場核磁共振技術應用到食品品質的快速檢測和鑒別上具有可行性。

圖5 不同干燥加工方式牛肉樣品主成分分析

3 結論

低場核磁共振技術在樣品檢測過程中無需添加任何化學試劑，制樣方便，既沒有復雜的前處理過程，樣品也不會被污染和破壞，且檢測時間短，是一種無損、快速的檢測技術。結合聚類分析、主成分分析法等化學計量學分析方法，低場核磁共振技術能有效反映不同干燥加工方式牛肉干樣品內部水分組成差異。試驗結果為低場核磁共振技術在牛肉干品質的快速鑒別和檢測的應用上提供理論依據和實踐支撐。