低场核磁共振法测定五种肉类中不同状态水分含量

2015-10-16陈琳莉张春晖唐春红

分析科学学报 2015年1期

陈琳莉，李侠，张春晖*，唐春红

(1.中国农业科学院农产品加工研究所/农业部农产品加工综合性重点实验室，北京 100193；2.重庆工商大学环境与生物工程学院，重庆 400067)

食品中的水分含量及状态影响食品的结构、加工特性以及稳定性[1]。食品作为非均匀的复合体系,其内部水与蛋白质、脂肪等非水组分的结合方式十分复杂，按照结合方式的不同，食品中的水可分为结合水与体相水(体相水包含不易流动水和自由水)。结合水与食品中的各组分牢固结合，不能被微生物利用，烘箱干燥法不能将其去除，而体相水由于没有同非水物质结合，因此能够被干燥去除[2]。目前针对食品中水分的分析方法主要有差示扫描量热(DSC)法、动态热机械分析(DMTA)法等。但这些方法都不能直接地显示不同结合状态的水的信息[3]，常用的烘箱干燥法亦只能得到食品中的体相水含量，无法对不同状态的水进行定量测定。

低场核磁共振(Low-field Nuclear Magnetic Resonance，LF-NMR)技术因其测试速度快、精确度高、对样品无损耗，近年来逐渐成为食品、纺织、建筑等多领域研究的热点[4，5]。目前LF-NMR在肉中不同状态水的定量测定方面的研究还处于起步阶段，文献中多根据T2弛豫时间来反映样品中水的状态的变化[6 - 9]，国外一些学者也做了T2弛豫时间与持水力的相关性研究[4,10，11]，但对样品中不同状态水分的绝对含量测定的研究较少。鉴于LF-NMR采集样品1H的信号峰面积仅与样品所包含水的1H数有关，因此本文以不同浓度的CuSO4溶液模拟肉中不同弛豫时间的水分，并建立CuSO4溶液中水的1H信号峰面积与溶液质量的标准曲线，利用LF-NMR技术及回归方程测定并计算肉中的结合水(弛豫时间1～10 ms)、不易流动水(弛豫时间10～100 ms)以及自由水(弛豫时间100～1 000 ms)含量，并将测得的体相水含量同烘箱干燥法的测定值进行比较，验证LF-NMR法测定水分含量的准确性。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

MesoMR23-060H-1型台式核磁共振分析仪(上海纽迈电子科技有限公司)；DHG-9073BS型电热恒温鼓风干燥箱(上海新苗医疗器械制造有限公司)；BSA224S-CW型电子天平(赛多利斯科学仪器有限公司)。

实验所用试剂均为分析纯。

牛肉、猪肉、羊肉、鸡肉和鸭肉购于某大型超市。

1.2 仪器参数设定

1.2.1校准时仪器参数的设定选择FID序列，SW=100 kHz，质子共振频率SF=23 MHz，RFD=0.12 ms，偏移频率O1=285 414.1 Hz，Tw=1 000 ms，P1=17 μs，RG1=20，采样点数TD=1 024，DRG1=20，DR=1，累加次数NS=4，PRG=0。

1.2.2测定时仪器参数的设定选择CPMG序列，测量温度32 ℃，质子共振频率SF=23 MHz，偏移频率O1=286.1954 kHz，累加次数NS=6，采样点数TD=384 996，PRG=1，模拟增益RG1=20，半回波时间DL1=0.12 ms，回波数NECH=14 000，P1=17 μs，P2=35 μs，Tw=3 500 ms。

实验过程中，根据所测样品的不同，Tw值需进行适度调整，一般弛豫时间越长，Tw值越大。且为了避免温度对仪器测定准确性的影响，样品及标准品均平衡至室温时再放入核磁仪中进行测定。

1.3 实验步骤

1.3.2肉中水的1H信号的采集采集肉中水的1H信号并记录各信号峰的顶点弛豫时间T2及峰面积值A。

1.3.4质量与峰面积的标准曲线选择某一特定浓度的CuSO4溶液，以质量为横坐标(CuSO4溶液的质量默认为溶剂的质量)，1H信号峰面积为纵坐标，建立标准曲线，得到的回归方程E2是LF-NMR法定量测定样品中水的质量的基础。

1.3.5不同状态水的质量的计算取10～12 g牛里脊(尽量避开筋腱)，精密天平称重，质量记为m0，置于LF-NMR的射频线圈中心采集1H信号，得到肉中结合水、不易流动水和自由水三种状态水的峰面积值Ai,通过回归方程E2，计算各状态水的绝对含量mi，则牛里脊中不同状态水的含量为mi/m0。猪肉、羊肉、鸡肉和鸭肉中三种状态水含量的测定方法同上。

1.3.6烘箱法测定肉中水分的质量参照国家标准《食品中水分的测定》(GB 5009.3-2010)[12]中的方法测定。

1.4 数据分析方法

实验数据利用SAS 9.1软件进行分析。

2 结果与分析

图1 不同肉样的T2弛豫时间变化曲线Fig.1 The variation curve for T2 relaxation time of different specimens

2.2 峰面积与CuSO4溶液质量的关系曲线

图1为5种肉类的T2弛豫时间图谱，由内到外依次为牛肉、猪肉、羊肉、鸡肉和鸭肉。羊肉不易流动水峰的顶点弛豫时间为57.22 ms，其余4个样品的弛豫时间均为49.77 ms；5个样品自由水峰顶点弛豫时间差别最大。本实验针对5种肉样测定过程中出现的不同顶点弛豫时间，通过回归方程E1计算对应的CuSO4溶液的浓度，配制溶液，利用LF-NMR测定相同质量不同弛豫时间的CuSO4溶液的峰面积值，并进行差异性分析，结果如表1所示。

表1中数据显示，相同质量不同弛豫时间CuSO4溶液通过LF-NMR测定的峰面积无显著差异，表明弛豫时间并不会影响仪器对1H信号的采集。因此，本实验选取弛豫时间为49.77 ms(浓度为3.45 g/L)的CuSO4溶液,建立溶液质量(CuSO4溶液的质量默认为水的质量)与信号峰面积的标准曲线，得到的回归方程E2为：y=410.79x-84.1118，可作为肉中不同状态水分含量计算的基础。

表1 各CuSO4溶液的峰面积

Note:. aThe same letter in the same column indicates no significant differences(p>0.05).

2.3 重复性实验

2.3.1仪器重复性试验取3.0 g浓度为c1的CuSO4溶液于样品瓶中，置于LF-NMR中连续测定10次，记录每次测量所得的峰面积值，根据回归方程 E2求得对应的水的质量。具体结果如表2所示,A为仪器连续10次测量的同一CuSO4溶液的质量，B为5组浓度为c1的CuSO4溶液的质量。

2.3.2样品重复性试验分别取5份浓度为c1的CuSO4溶液和5份牛里脊，每份质量均为3.0 g，记录每次测量所得的峰面积值，根据回归方程 E2求出所含水的质量。具体结果如表2所示,C为5组牛里脊中不易流动水的质量。

实验中仪器测量的标准差为0.011，样品的重复性试验的标准差分别为0.010和0.024，根据ISO10565[13]中规定的仪器的重复性试验的标准差应小于0.03，样品重复性试验的标准差应小于0.21，本实验中仪器及样品的重复性均达到标准要求。

表2 仪器及样品重复性试验结果

2.4 肉中不同状态水的质量的测定

样品测定过程中，在弛豫时间1～10 ms范围内会出现2个峰，这是由于在结合水中，按水分子与肉中非水组分结合的牢固程度可分为最紧密的化合水和处于非水组分亲水性基团周围的邻近水及多层水[2]，结合方式的不同导致了峰顶点弛豫时间的差异。Sun等人[14]的研究也表明，肉中水分组分大于或等于三种。对同一组分内存在的多个信号峰，可将峰面积叠加后，再通过回归方程E2计算各组分水的质量。

LF-NMR法及烘箱法测定的各样品中的体相水含量如表3所示，二者检测的结果差异不明显，证明了LF-NMR法可以替代烘箱干燥法进行肉品水分含量的测定。表3结果显示，5种肉样中结合水的含量在2.17%～4.10%之间，自由水含量最少，仅占总质量的1.90%～2.85%，而不易流动水含量均高于70%，该部分水占总水的绝大部分，对肉品品质及加工特性的影响最大。