基于低场核磁共振技术的注胶肉快速检测

吴艺影 章倩汝 韩剑众 曲道峰

摘 要：目的：探索并建立一种新的注胶猪肉快速检测方法。方法：以正常猪肉及注射不同种类胶（黄原胶、卡拉胶、明胶、琼脂）的注胶肉为对象，利用低场核磁共振并结合主成分分析法分析处理的检测数据，根据肉品中的水分存在状态及分布结果，对猪肉进行快速检测。结果：正常肉与注胶肉之间、各类注胶肉及不同注胶量之间在主成分得分图上具有很好的区分效果。结论：低场核磁共振技术结合主成分分析法可以快速区分正常肉与注胶肉。

关键词：注胶肉；低场核磁共振；主成分分析法；CPMG序列；快速检测

Rapid Detection of Gum-Injected Meat by Low-Field Nuclear Magnetic Resonance

Wu Yi-ying，Zhang Qian-ru，Han Jian-zhong*，Qu Dao-feng

（Key Laboratory of Food Safety of Zhejiang Province， Department of Food Quality and Safety，

Zhejiang Gongshang University， Hangzhou 310035， China）

Abstract：A new method was developed for the rapid detection of gum-injected meat. Authentic pork and adulterated pork samples injected with different types of gums such as xanthan gum， carrageenagn， gelatin and agar were detected by LF-NMR （low-filed magnetic resonance） and the data were processed by principal component analysis （PCA）. Rapid detection was based on the existing water distribution of meat samples. The PCA plots obtained showed clear discrimination between authentic pork and adulterated pork， among the different investigated gums and among different adulteration levels. In conclusion， LF-NMR combined with PCA enables rapid discrimination between authentic pork and adulterated pork.

Key words：gum-injected meat；LF-NMR；principal component analysis （PCA）；CPMG sequence；rapid detection

中图分类号：TS201.6 文献标志码：A 文章编号：1001-8123（2013）03-0026-04

如何快速有效检测“注胶肉”是生鲜肉品质量与安全监管控制的关键。利用胶的凝固性将水分“锁”住，提高经济效益是不法分子生产注胶肉的根本原因，注胶后，猪肉吸水量可增加20%以上，这不仅导致肉的品质下降，更严重的是给生鲜肉品的安全带来很大隐患。食品胶的主要成分为易形成多糖凝胶的半乳糖、脱水半乳糖，含有大量的氢键，吸水率高，能很好地保持食品体系中的水分，普通检测方法很难鉴别“注胶肉”[1]。低场核磁共振（low field-nuclear magnetic resonance，LF-NMR）技术在研究很多与水分密切相关的食品性质上具有特殊的优势，利用氢原子核在磁场中的活动特性，可以追踪待测物质（食品）中的氢原子特别是水，包括结合水、不易流动水和自由水，观察水分分布状况及其随着时间的变化而产生的改变。笔者所在实验室已经在掺假牛乳、生鲜猪肉等进行探索并取得许多有意义的结果[2-6]。不同的生鲜肉品其水分分布有其相对固定的存在模式，因此通过比较可以快速方便地区分[7-10]。本实验利用低场核磁共振分析仪，以不同种类注胶肉为对象，结合PCA法分析处理CPMG序列回波峰点数据，为探索利用低场核磁共振技术检测注胶肉提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

取第5～7腰椎的背最长肌（俗称大排肉，25g） 市售；食品胶（黄原胶、卡拉胶、明胶、琼脂） 浙江工商学院食品工艺教研室。

1.2 仪器与设备

NMI20型核磁共振分析仪 海纽迈电子科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 注胶肉制备

注射卡拉胶肉样品的配制：分别称取0.1、0.4、0.7、1.0、1.3g卡拉胶，溶于20mL水中，以猪肉自身质量的10%的量注射到猪肉中，放置30min。

注射明胶和注射琼脂肉样品的配制：同注射卡拉胶样品的配制。

注射黄原胶肉样品的配制：黄原胶由于增稠效果极佳，改为称取0.1、0.14、0.18、0.22、0.26g黄原胶溶于20mL水中，注射量相同，放置30min。

1.3.2 低场核磁共振检测

取0.8g约为1cm×1cm×1cm的注胶肉丁，装入核磁管中，32℃（仪器工作温度）水浴5min，放入仪器的样品池中进行检测。

CPMG序列检测参数：D1=1200μs（D1为90°与180°脉冲间隔时间），D2=2400μs（D2为180°与180°脉冲间隔时间），D0=1000ms（D0为脉冲重复序列时间），TD=32768（TD为采样点数），SW=100.0kHz（SW为采样频率），NS=32（NS为累加次数），C1=400（C1为180°脉冲的个数），DS=3（DS为过采样倍数）。每组5个重复样品，每个样品重复测定3次，求平均值，作为这一样品的检测结果。

1.4 数据处理与分析

图1为典型正常肉及注胶肉的CPMG回波峰点图，正常肉与注胶肉之间的CPMG回波峰的曲率和信号强度存在一定差异。常规处理方法为通过离散式指数非线性拟合、分布式指数拟合等方法，获得样品的横向弛豫时间T2，由此得到样品的水分分布状态，确定其品质[11]。但是图1回波峰320ms之后往往还存在随机噪音值，可能对影响T2拟合结果的稳定性有较大的影响。因此，肉等回波峰在320ms之后有较大随机噪声值的复杂样品体系，仅仅利用T2拟合无法对不同样品进行区分。

主成分分析法（principal component analysis，PCA）是模式识别中最基本的多元统计分析方法[12]，是在保留原始变量主要信息的前提下，将多变量的信息进行数据转换和降维，使数据可视化。利用降维后的特征向量形成散点图，直观地反映样品之间的差异。

本实验利用主成分分析的方法，将一个样品检测的CPMG回波峰点数据作为多个变量列为一行，一个行向量代表一个样品。将不同形式掺假样品检测的CPMG回波峰点数据放在一起，形成n×p维的原始数据矩阵D。n 为样品数量，p为CPMG回波峰点数。然后，利用主成分分析技术，根据方差最大原理对数据矩阵D进行分析。

D =T×L

式中：T为n×m维矩阵，n为样品数量，m为主成分数；L为m×m维矩阵。

根据主成分分析原理，T矩阵即为主成分得分矩阵，第一列为主成分1，第二列为主成分2。将T矩阵第一列和第二列进行作图，即为主成分得分图。利用主成分分析结果，可以将样品的CPMG回波峰数据在主成分得分图上以一个点代表一个样品，5个点形成的区域面积代表样品整体品质差异，进行简洁明了的表征。

实验数据利用SPSS 13.0软件对实验数据进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 注射4种胶不同质量分数的猪肉的NMR检测

图2表明，主成分1和主成分2上包含了在PCA转换中得到的主成分1和主成分2的贡献率。主成分贡献率越大，越能更好的反应该样品的信息。一般情况下，总贡献率超过 70%～85%的方法即可使用[13]。

图中每一个大圈代表一种胶中的不同质量分数的注胶肉样品的整体特性，5个记号点分别代表此样品的5个重复样品。不同质量分数的样品之间有一定的距离，说明注射不同质量分数的同种胶的猪肉，可以区分开。距离越大，说明不同样品间的品质差异越大，区分性就越好。

图2A中主成分1和主成分2保留了75.99%的原始数据信息，其中主成分1的贡献率为41.26%，由于制备的黄原胶不同浓度本身就很接近，梯度设置不明显，因此在主成分分析图中区域之间距离较小，但也都各自分区，具有一定的区分性。图2B中，主成分1和主成分2保留了97.48%的原始数据信息，主成分1包含的信息量为81.32%，各大圈之间距离很大，具有很好的区分性。图2C中，主成分1和主成分2保留了86.67%的原始数据信息，主成分1包含了76.66%信息，且注射了不同质量分数的明胶的样品在主成分1轴上就可以得到很好地区分，具有一定的规律性排布。图2D中，主成分1和主成分2保留了80.80%的原始数据信息，主成分1贡献了63.49%，但是正常肉和注射2.0%、5.0%琼脂的样品之间距离极小，区分性不好。

总体说来，通过低场核磁共振检测结合主成分分析法，注胶肉与正常肉之间能很好地区分开，注射不同质量分数的注胶肉之间相互也有很好地区分，可以达到注胶肉的快速检测目的。

2.2 注射不同质量分数的4种胶的猪肉的NMR检测

由于黄原胶增稠效果极佳，与卡拉胶、明胶、琼脂不能在同一质量分数下进行比较，故只做质量分数为0.5%情况下的比较。其他3种胶在同种添加量下，将核磁共振数据进行整合，做主成分分析比较。结果见图3。

图3A中，主成分1和主成分2保留了89.32%的原始信息，主成分1的贡献率为73.44%，可以看出各种样品在主成分1轴上即能有一定的区分，其中黄原胶样品与正常肉有一些重叠，卡拉胶样品的区分性最好。图3B中，主成分1和主成分2保留了91.82%的原始数据信息，主成分1的贡献率为78.51%，各样品具有明显的区分性，在主成分1轴上即能区分开。图3C、3D、3E表示，主成分1和主成分2的总贡献率分别为96.13%、94.57%、90.34%，都能很好地反映原始数据信息，且区分情况与图3B所反映的情况基本相同。

利用低场核磁共振技术并结合主成分分析法，可以很好地区分同种浓度下的注射不同胶的猪肉。且在主成分1轴上，基本呈现黄原胶样品→正常肉→琼脂样品→明胶样品→卡拉胶样品的排列规律，这说明各种样品之间存在一定的品质差异，低场核磁共振不仅能区分他们，还能表征注射不同胶对猪肉品质特性变化的影响。

2.3 注射3.5%不同种类胶的猪肉的时间分布的NMR检测

宰后的猪肉随着放置时间长度的增加，其中的水分分布状况也会发生改变。按照2.2.4节方法检测放置不同时间下的注胶肉的水分分布情况，结果见图4。

图4A中，主成分1和主成分2保留了64.34%的原始数据信息，代表性并不好，但是可以看出各个时间段的黄原胶样品在主成分1轴上可以很好地区分开，且呈规律性排布，其中0h和3h的区域图稍有重叠。图4B中，主成分1和主成分2保留了78.53%的原始数据信息，各个区域之间距离很大，注射卡拉胶的样品在不同时间段具有很好的区分性。图4C中，主成分1和主成分2保留了71.15%的原始数据信息，明胶样品在不同时间段的数据在主成分1轴上就能可以很好地区分开，且随着时间的推移，样品从左向右排列，具有规律性，可以用作辨别不同时间段的样品。图4D中，主成分1和主成分2保留了69.47%的原始数据信息，代表性不好，而且除3h的样品外，其他几个时段的样品检测所得的图都有重叠，区分性不好。

总之，注射不同种类胶的猪肉随时间的推移呈一定规律性分布，而且不同时间段之间，除注射琼脂的猪肉的区域图有一定的重叠外，其他3种样品的检测结果都具有差异性，可以区分开。

3 结 论

利用低场核磁共振技术结合PCA法，不仅可以区分正常肉与注胶肉，还能区分不同种类胶、以及同种胶不同质量分数和注射胶水后不同时间的猪肉。

参考文献：

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