低场核磁共振在食用油质量评价中的应用

潘红艳 杨红梅 郭启雷

（国家食品质量安全监督检验中心，北京 100094）

核磁共振（Nuclear magnetic resonance, NMR）是基于原子核磁性的一种波谱技术，其作为一种现代仪器分析方法在化学动力学研究和有机化合物结构鉴定等领域得到广泛应用[1]。低场核磁共 振（Low-f i eld nuclear magnetic resonance, LFNMR）一般指恒定磁场强度低于0.5T的核磁共振[2]。核磁共振技术于上世纪70年代初期开始应用于食品科学领域，主要用来研究食品中水的状态。NMR技术具有定性测定无破坏性，定量测定无需标样等其他方法难以比拟的优点，因此在食品中的应用越来越广泛[3]。

食用油脂因其营养、生理、风味功能以及广泛的工业用途而被高度重视。在油脂质量评价中，NMR方法代替了固体脂肪指数（SRI）法，成为唯一可行的、具有潜在用途的仪器分析方法[4]。LF-NMR分析仪设备体积小，可在不破坏、不侵入样品的前提下，对样品进行实时、快速、全方位的定量测定分析，在油脂检测中应用广泛[5]。本文就目前LF-NMR在食用油质量评价中的研究及应用进行总结，为LF-NMR在食用油研究中的进一步发展提供参考。

1 LF-NMR的基本原理

LF-NMR是指磁场强度在0.5T以下的核磁共振，检测针对的一般是样品的物理性质[6]。1H LFNMR的基本原理是通过施加射频脉冲给予处于恒定磁场中的样品，使氢质子发生共振，质子所吸收的射频波能量以非辐射的方式释放后返回到基态，此过程被称为弛豫过程。又可分为横向弛豫（自旋一自旋弛豫）和纵向弛豫（自旋一晶格弛豫），可分别用T1和T2表示其弛豫时间，样品内部氢质子所处物理化学环境及存在状态决定了弛豫时间的长短[7]。在油脂检测研究中，油脂质量变化常利用T1和T2的弛豫图谱特征来判定[8,9]。

LF-NMR仪器体积相对较小、价格相对低廉，目前已成为食品工业中较为广泛的应用技术。为满足食品研究的需要，许多小型、简便的NMR仪不断研发问世。目前较为常用的是用NMR仪来测定含脂食品中固体脂肪的含量。LF-NMR在食品理论研究中起着非常重要的作用，由于NMR谱信号对分子的可流动性具有较高的敏感性，因此常被用来进行食品结构的微动力学分析。例如通过LF-NMR仪计算乳浊液的扩散系数，测量乳浊液“油滴”或“水滴”的大小，还可用于测定冰淇淋、雪糕等在冻结过程中油水和水油之间的相变化，以及冻结速度对这种变化的影响，也可用于测定配方不同造成的食品品质变化等，通过实验数据，有针对性地提升食品质量[4]。

2 LF-NMR仪器参数

仪器检测参数包括系统参数和采集参数。参数的确定以能够保证样品LF-NMR信号完整、有效为前提，合适的参数能提高实验效率[2]。

2.1 系统参数

系统参数是由仪器特性、仪器环境及相应脉冲顺序所决定的，中心频率、90°脉冲宽度和180°脉冲宽度由仪器自动调整。对系统参数进行设置需在硬脉冲FID（Free induction decay）序列下进行。

中心频率的设置：射频信号频率主值（Spectrometer frequency，SF）和射频信号频率偏移量（Frequency offset 1，O1）共同组成了射频脉冲的中心频率。SF是由仪器的磁体系统决定的，为固定值（23MHz），O1为可调值，调整范围为0~999.999kHz，磁体温度的微小变化都会引起磁体频率的相应变化，因此每次实验前需由仪器自动调整O1值，保持射频的中心频率与磁体频率的一致。

90°脉冲宽度和180°脉冲宽度（P90、P180，单位：μs）：射频功放的功率和射频线圈的尺寸共同决定P90和P180，其大小与样品本身性质无关，可由仪器自动调整，但脉冲宽度大小关系到激发样品时所产生的脉冲能量的大小。

2.2 采集参数

采集参数由研究目的及仪器特性决定，主要包括：重复采样等待时间（TR）、采样频率（SW）、重复扫描次数（NS）、回波个数（EchoCount）、半回波时间（τ）。TR、NS及SW在硬脉冲FID序列中设置，保存以上设置后进入CPMG序列设置τ及EchoCount。

重复采样等待时间（TR，单位：ms）：即两次采样中间间隔的一段时间，TR值会影响到样品信号幅值的恢复情况。

采样频率（SW，单位：kHz）：SW是在采集样品信号时，信号接收端以中心频率为中心接收信号的频率范围，可调范围在1~333kHz。其大小可根据样品信号衰减的程度来设置，样品信号衰减程度越快，SW值需设置的越大。

重复扫描次数（NS，单位：次）：NS是仪器进行独立采样的次数，可调范围为0~1024次，NS大小影响样品的信号强度及采样信号的总时间，其大小应该根据样品信号强弱作出判断。

回波个数（EchoCount，单位：个）：指信号采集样品所得到的回波数量。其数值也会影响到CPMG回波曲线的衰减完整性。从理论上来说，EchoCount应该是可以使样品弛豫信号衰减到0的最小回波数。

半回波时间（τ，单位：μs）：指相邻的90°脉冲与180°脉冲之间的时间间隔，τ值决定了CPMG回波曲线的衰减完整性。τ大多数情况下要大于6倍90°脉冲宽度的设定值，可将τ分别设定为80、100、150、200、250μs，采集累计信号，得到不同τ 值下的CPMG回波数据串，从这些值中获得相应的T2信号衰减幅值及分布区间并进行进一步分析。

采样点数（TD，单位：个）：当SW、τ、EchoCount三者确定后，此值可自动确定。

3 LF-NMR在食用油质量评价中的应用

在人类膳食中油脂起到了不可替代的作用，它给予食品独特的风味和色泽。食用油的质量问题也是关系到我国甚至全世界消费者饮食健康的大问题，食用油在使用过程中经过高温烹炒和煎炸可发生一系列的物理、化学变化，这些变化可对食品的风味和质量产生较大的影响，而且还可能危害到消费者的身体健康。因此，评价食用油在使用和贮藏过程中的品质变化具有深刻的意义。传统的油脂评价方法主要有感官评价、化学指标评价和物理指标评价[10]。

感官评定主要是通过观察煎炸过程中油脂的色泽变化、冒烟程度、泡沫情况、流动性等特征[11]。

煎炸油检测的化学指标主要有酸值、碘值、过氧化值、羰基值、活性氧（AOM）值等。在油脂劣变程度加深的过程中，油脂可发生水解、氧化、聚合等反应，大多数情况下，油脂随着加工时间的增长其酸值逐渐升高，碘值升高，过氧化值先升高后降低，羰基值升高，活性氧（AOM）值的变化会相对比较复杂。对于不同的油脂种类，给予不同的煎炸体系，其测定结果相差甚远，不具有可比性[12]。

物理评价的指标主要包括黏度、折光指数、比重、透光率等。研究结果表明，随着食用油煎炸时间的延长，煎炸油中的聚合物含量急速升高，黏度增大，并伴随有少量甘二酯的生成，不饱和脂肪酸含量也相应下降[13]。

使用传统理化方法评价食用油质量费时费力且误差大，与传统的检测方法相比，NMR法是一种非破坏性的，能够保持样品的完整性的检测手段。其操作方法简单快速，重复性高，测量精确；样品不需要添加溶剂，定量测定也不需要标样；测量结果受外界因素如材料样本大小及样本外观色泽的影响不大，而且不因操作员的技术和判断而受到影响。因此，NMR技术在食用油研究中的应用越来越受到青睐。

3.1 LF-NMR检测煎炸油品质

油脂在煎炸过程，会发生一系列聚合、氧化、分解和水解反应，颜色逐渐变深，黏度不断增大而且风味劣化，伴随着产生大量对人体有害的物质[14]的产生。随着食品安全意识的普及，油脂在煎炸过程中发生的品质变化成为消费者广泛关注的食品安全问题，也是国内外相关领域科研工作者竞相研究的热点[15]。

王永巍等[14]应用LF-NMR技术对无对象煎炸大豆油油样进行检测，通过对多组分T2弛豫图谱以及单组份弛豫时间T2W和峰面积比例S21分析，发现在油脂煎炸4h后图谱中10ms左右有一明显的特征小峰，且S21和T2W与煎炸时间、黏度、酸价、吸光度和极性组分的含量变化呈现良好的规律性，结果说明可以利用LF-NMR测定的S21和T2W较好地判断煎炸油的品质变化，但此结果与过氧化值之间并无明显的规律性。此外，大豆油经过煎炸后，随煎炸时间的延长其单组份驰豫时间T2W呈现减小趋势，可通过油样T2W的变化简单判断出大豆油是否被用来高温煎炸以及煎炸时间的长短。

樊之雄等[16]利用LF-NMR分析煎炸油品质结果表明，弛豫时间T21、T22可以用来辨别棕榈油是否被用于高温煎炸处理。在150、180℃下，弛豫峰面积比例之比（S21/S22）与对应的油酸和棕榈酸比值（O/P）在不同时间下的具有相似的变化趋势，呈显著的相关性，此方法可以用于检验这两个温度下煎炸棕榈油劣变程度。

3.2 LF-NMR鉴别食用油掺伪

油脂掺伪通常是指将低价劣质食用油或非油脂类物质掺入高品质食用油中以从中牟取暴利[17]。食用植物油的掺假通常有两种情况：一种是将低级油掺入到高级食用植物油中，如在芝麻油、橄榄油中掺入菜籽油、大豆油等；另一种是将非食用油掺入到食用油中，如在植物油中掺入桐油、蓖麻油、大麻籽油、矿物油，甚至地沟油等[18]。油脂掺伪的检测手段一般为浓酸反应、冷冻试验、光谱分析以及一些常规指标检测，但是这些方法只能粗略的定性分析，并不适合目前不仅需要定性又要定量的食品监管要求[19]。

王永巍等[20]应用LF-NMR法检测了煎炸油掺入到3种食用植物油（橄榄油、花生油、芝麻油）油样，并得到横向弛豫时间T2的弛豫图谱，研究结果发现，煎炸油在10ms时产生了一个特征峰，这个特征峰在其他三种纯品油中并没有检出。随着煎炸油掺伪量的提高，此峰的峰面积比例随着增加，而峰开始的时间却逐渐缩短。

周凝等[21]也利用LF-NMR方法分别测定了米糠毛油和3种食用植物油（花生油、橄榄油和葵花籽油）的弛豫图谱，通过得到的弛豫图谱，对比分析弛豫时间T2以及各组分的分布情况可快速准确的判断合格食用油与米糠毛油之间的差别。只需要得到样品中的掺伪特征峰T21及其面积所占的比例，便可从拟合曲线中判断出米糠毛油的掺伪比例。此方法可以进一步推广应用到其他油脂的定量掺伪研究中，以用于初步判定食用油掺伪。

4 展望

鉴定食用油变质及掺伪的方法通常为传统理化方法，这些方法费时费力且误差大，常用的仪器鉴定方法，如色谱法、光谱法等，费用昂贵且需要对样品进行前处理。相比之下，LF-NMR分析仪具有设备体积小，价格低廉，检测样品快速、无损，且无需任何化学试剂等优点。目前，国内关于LF-NMR在油脂检测中的应用研究并不多，随着仪器分析在实际生产检测中的普及，在未来食用油质量评价中，LF-NMR技术还将进一步发展和完善。

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