低场核磁共振研究肌肉保水性的研究进展



低场核磁共振研究肌肉保水性的研究进展

张佳莹1，郭兆斌1，韩 玲1,*，余群力1，韩广星2，张巨会3

(1.甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃 兰州 730070；2.山东绿润食品有限公司，山东 临沂 276600；3.甘肃天玛生态食品科技股份有限公司，甘肃 玛曲 747300）

摘 要：肌肉保水性的变化是肉品科学领域研究的热点之一，肌肉宰后成熟过程中发生复杂的生物化学变化，其对肉品保水性机制仍存在争议。低场核磁共振检测技术是一种快速、无损、精确的光谱检测技术，其在食品科学的研究中得到了广泛应用。文中介绍了低场核磁共振技术的基本原理，并详细综述了肌肉水分变化规律对宰后成熟及其加工过程中保水性影响的研究进展。

关键词：低场核磁共振；肌肉水分变化；保水性

张佳莹, 郭兆斌, 韩玲, 等. 低场核磁共振研究肌肉保水性的研究进展[J]. 肉类研究, 2016, 30(1): 36-39. DOI:10.15922/ j.cnki.rlyj.2016.01.008. http://rlyj.cbpt.cnki.net

Progress in the Application of Low-Field Nuclear Magnetic Resonance to Evaluate Water-Holding Capacity of Muscle

ZHANG Jiaying1, GUO Zhaobin1, HAN Ling1,*, YU Qunli1, HAN Guangxing2, ZHANG Juhui3
（1.College of Food Science and Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2.Shandong Lorain Corporation Co. Ltd., Linyi 276600, China; 3.Gansu Tianma Shengtai Food Technology Co. Ltd., Maqu 747300, China)

Abstract:The change of water holding capacity of meat is one of the focuses in the field of meat science. But there is considerable disagreement among scientists about the mechanism of water-holding capacity of meat due to the complex biochemical changes of muscle during postmortem aging. Low-field nuclear magnetic resonance (LF-NMR) technology has been applied widely in food science research for its characteristics of quick, nondestructive and accurate detection. In this paper, the principle of LF-NMR has been introduced and its use in meat science has also been discussed. Moreover, the effect of changes in muscle water content on postmortem aging and processing is outlined.

Key words:low-fi eld nuclear magnetic resonance (LF-NMR); variations in muscle water content; water-holding capacity

水分作为肉与肉制品中含量最高且十分重要的化学组分，其存在形态及流动规律直接影响到肉与肉制品的食用品质，并影响其加工特性[1]。此外，水分含量和分布形态是决定肉与肉制品质量和货架期的重要因素[2]。因此，探究一种能够精确快速地反映肉品水分信息的检测方法十分必要。

目前，我国对牛肉品质指标的检测仍然属于传统保水性（water holding capacity，WHC）评价的方法，缺点是费力、费时，很难进行大批量的快速检测[3]。近年来，低场核磁共振技术作为一门迅速发展起来的新型分析检测技术，能够用于分析肉品中水分的流动及分布状态[4]，同时还能进行成像分析，并可获取样品内部的水分分布信息，从而分析并探究肉品中的水分与其他品质特性之间的相互关系[5]。而且，它具有快速、高效、灵敏、对样品无损的特点[6]。因此近年来也被广泛应用于测定大豆和去皮甜玉米等植物组织状态中的水分状态及分布[7-8]，是一种良好的水分研究方法。本文主要综述了低场核磁共振技术研究肌肉水分变化规律对其宰后成熟及加工过程中保水性的影响，以期为相关工作者提供理论参考。

1　低场核磁共振技术概述

核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）是指具有固定磁矩的原子核，如1H、13C、15N、31P、19F等，在交变磁场与恒定磁场的相互作用下，能够以电磁波的形式吸收或者释放出能量，发生原子核的跃迁并且产生核磁共振的信号，即原子核与射频区电磁波发生的能量交换现象[9]。NMR依照分辨率的差异可分为高场和低场两种类型。高场主要探测的是样品的化学性质，磁场强度在0.5 T以下的核磁共振称为低场核磁共振（low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR），检测对象主要针对的是样品的物理性质[10]。1H核，尤其是其质子在LF-NMR技术中的应用尤为广泛，原因在于该质子在自然界中的丰度甚高，其产生的核磁共振检测信号，便于检测，易于观察。

LF-NMR测定的指标是弛豫时间。1H核以非辐射方式从高能态转化为低能态的过程称为弛豫。它能够提供核的内部物化环境等十分有用的信息[11]。LF-NMR的测定结果用于反映质子的运动特性，其主要是对横向弛豫时间T2和纵向弛豫时间T1进行测定。在肉类科学研究中，由于T2的变化范围广且更加敏感，因此通常用来表征质子的运动特性。T2的测定结果能够区分3 种不同水分群，即结合水、不易流动水和自由水，还能够反映三者之间相互迁移转换的关系[12]。因此，LF-NMR能够很好地应用于肉与肉制品体系，进行多种品质和理化指标的测定。

2　肌肉水分变化规律对肉品保水性的影响

2.1 肌肉结构对肌肉水分变化的影响

水是肉类中最主要的成分。对于肉与肉制品而言，其质的优劣在很大程度上取决于肉品持水力的能力[13]。宰后肉品持水力的变化，既影响肉品的感官品质和食用品质，而且严重影响到其经济效益。传统方法如离心法、加压损失、滴水损失、蒸煮损失与贮藏损失等，都不能表征肉品中的水分存在形态及其变化的过程[14]。Pearce等[15]对屠宰前后猪肉中水分分布及变化特征进行LF-NMR技术的研究，研究表明，肌原纤维内部水分分布及其流动性与肌肉结构密切相关。Micklander等[16]利用LF-NMR技术对猪背最长肌进行测定，研究发现，猪肉背最长肌结构的变化主要是发生在宰后2～24 h之间，此时肌肉中的水分发生了极其剧烈的变化。

2.2pH值对肌肉水分变化的影响

肌原纤维蛋白在肉类加工过程中起到十分重要的作用，其中一个极为重要的性质是加热之后形成凝胶，凝胶的形成与肉品优良的质构特性及其黏聚性相关[17]。此外，其对产品的赋形、保留产品水分也起到尤为重要的作用[18]。研究证实，pH值影响肉品的保水性[19-20]。Han Minyi等[21]利用LF-NMR技术测定了不同pH值条件下猪肉肌原纤维蛋白热诱导凝胶的弛豫时间T2。实验表明，随着pH值偏离肌原纤维蛋白的等电点（pI）,不易流动水的弛豫时间T2显著性增加，其所占峰面积和凝胶的WHC也随之增加，WHC最大时对应的pH值为7.0。Liu等[22]研究结果同样表明，肌球蛋白热诱导凝胶的WHC处于最大时所对应的pH值在7.0～9.0之间。吴烨等[23]对兔骨骼肌肌球蛋白热诱导凝胶保水及水分迁移变化的影响进行研究。结果表明，与自由水相对应的弛豫时间T2随pH值升高而呈现降低的趋势。

2.3 添加剂对肌肉水分变化的影响

在肌肉制品当中添加不同的物理化学成分，影响了肌原纤维的凝胶特性，从而影响肉制品的保水性能。许雯雯等[24]对经过多聚磷酸盐（焦磷酸钠、三聚磷酸钠和六偏磷酸钠）浸渍并蒸煮处理后的鲈鱼进行LF-NMR测定。研究认为，磷酸盐对鱼肉保水性的影响主次顺序为焦磷酸钠＞三聚磷酸钠＞六偏磷酸钠。对应到低场核磁共振，即以核磁共振得到的T22积分峰面积作为保水性的指标，建立磷酸盐浓度与保水性指标之间的数学模型，峰面积越大，则说明保水性越好。吕玉等[25]研究认为,不同的磷酸盐浓度与肉品保水性的各项指标存在显著的相关性（P＜0.05）。一般情况下，当磷酸盐添加量≤0.4%时，肉的保水性能最好。Han Minyi等[26]利用LF-NMR对猪肉肌原纤维凝胶的保水性进行了研究，处理组样品中加入谷氨酰胺转胺酶（transglutaminase，TG）。NMR结果表明，对照组样品的弛豫时间T2为226 ms，而处理组为188 ms，因此，处理组样品的弛豫时间更低，保水性能更好。此外，Sun Jian等[27]利用LF-NMR技术研究了添加亚麻籽胶（linseed gum，LG）对肌肉保水性的影响，研究认为，亚麻籽胶添加量越大，肌肉保水性越好。可能是由于亚麻籽胶的作用使得肌原纤维网状空间结构变大，暴露出更多与周围水分子结合的位点，水分的移动性显著降低。宁年英等[28]利用LF-NMR技术，对不同食盐、TG的添加量对鲜猪肉糜系水力的影响进行研究。认为，食盐添加量为2.5%时，结合水弛豫时间（T23）最大，随后减小，说明在此添加量下水分的流动性最强。当TG的添加量为0.75%时，肉糜水分含量最大，其从高弛豫组向低弛豫组进行迁移，利于水分的保持。

2.4 冷却和冷冻对肌肉水分变化的影响

LF-NMR横向弛豫时间T2也用于研究不同冷却条件对猪肉和海产品的水分分布影响。李春等[29]对两段式快速冷却和常规冷却条件下的猪肉保水性变化进行研究。结果表明，与常规冷却相比，快速冷却具有较低的T2值。Hambrecht等[30]对三段式快速冷却和常规冷却条件下贮存的肌肉进行保水性研究，发现三段式快速冷却的汁液损失率明显小于常规冷却。陈韬等[31]对快速冷却和常规冷却条件下贮存的猪肉进行保水性研究。结果表明，快速冷却方式减缓了背最长肌pH值的降低，从而提高了肉品保水性能。此外，Sanchez-Alonso等[32]研究认为，与高温环境下长时间存放的未冷藏鳕鱼相比，10 ℃条件下存放的鳕鱼，其弛豫时间T2值更低，且峰面积更宽。李伟妮等[33]利用LF-NMR技术研究了山羊肉在冷藏过程中一系列的水分分布变化情况。结果表明，冷藏山羊肉中不易流动水的弛豫时间、结合水的弛豫时间与水分总量的相对含量随着冷藏时间的变化呈现显著的下降趋势。并且，两个弛豫时间的变化与山羊肉的pH值、滴水损失及蒸煮损失有显著的相关性。原琦等[34]利用LF-NMR研究了冻融过程中犊牛肉的品质变化。结果显示，不易流动水弛豫时间（T21）与冻融的次数、加压损失及解冻损失率呈现显著相关性。因此，弛豫时间T21可用来快速检测犊牛肉的品质。戚军等[35]利用LF-NMR研究了冻融过程中羊肉持水力的变化。研究表明，结合水的弛豫时间（T21）与蒸煮损失、加压损失及冻融次数显著相关，自由水弛豫时间（T22）与保水性趋势一致。冻融后的羊肉保水性能显著下降。

2.5 超高压和加热对肌肉水分变化的影响

近年来，我国大多数厂家通过超高压和加热对低温肉制品进行二次杀菌以此来延长产品货架期。朱晓红等[36]对酱牛肉进行不同的处理。结果表明，超高压和热处理的样品弛豫时间明显增强（说明处理组的水分移动性增强），其中结合水显著减少，自由水显著增加。因此超高压和加热均会导致酱牛肉保水能力的下降。但高压处理比加热损失小，这与Møller[37]、于勇[38]等的研究结果一致，可能与蛋白凝胶特性及其肌原纤维结构有关。Li Weiming等[39]研究认为，弛豫时间随压力的增大而变大。较长的弛豫时间T21（不易流动水）、T2（自由水）表明水与肌肉组织间的结合能力弱化了，导致WHC降低。在较低的压力（100 MPa）下，由不易断裂的氢键和易被破坏的疏水相互作用造成的轻微蛋白降解和聚集对肉类的保水性有积极作用。在较高的压力（200 MPa）下，疏水相互作用被破坏，蛋白降解程度增大，肌肉组织结构受到严重破坏，导致肌肉中水分弛豫时间增大。杨慧娟等[40]对乳化肠进行超高压结合加热处理，研究了其质构特性及其热凝胶体系水分子的LF-NMR信息。结果表明，超高压处理对该凝胶体系中的不易流动水的影响最大，且随着压力的增大，不易流动水的含量相对增加，样品的硬度呈现先增大后减小的趋势。

2.6 食盐浓度对肌肉水分变化的影响

Ciara等[41]平行或垂直于肌纤维方向对猪肉背最长肌用不同浓度NaCl溶液处理。结果显示，弛豫时间随NaCl浓度的升高而增大；增加肌原纤维内部水分而减少胞外空隙的水分使肌肉具有最大保水力；平行于肌纤维方向处理的肌肉水分由纤维内部空隙更快的扩散到胞外空隙，降低了保水性。Nguyen等[42]用不同浓度的NaCl对肌肉进行腌渍。结果表示，肌肉总水分含量随盐浓度的升高而降低。林婉瑜等[43]利用LF-NMR技术，研究了食盐浓度对鱼糜加工过程中水分迁移变化的影响。研究认为，当食盐添加量为3%时，低弛豫时间的质子密度增大，而高弛豫时间的质子密度减小，水分从高弛豫组向低弛豫组进行迁移，有利于保水。韩敏义等[44]利用LF-NMR对不同NaCl浓度肌原纤维热诱导蛋白凝胶水分分布和迁移变化进行了研究。结果表明，随着NaCl浓度的增加其保水性显著增大，因为加入NaCl后，水的流动性降低，而不易流动水的峰面积增大，从而增加了体系的保水性。

2.7 解冻对肌肉水分变化的影响

肉类科学研究中，冷藏和冷冻工艺能够防止有害微生物的繁殖生长，有效延缓肉品品质的劣变。解冻过程和冻结过程同样是肉类科学研究领域中极为重要的操作工序。解冻操作方法的优劣决定了肉类汁液流失的多少，其直接关系到肉类工业的生产利益。庞之列等[45]对解冻猪肉的品质进行了LF-NMR的研究。他认为，猪肉在冷冻的过程中产生的冰晶连续不断挤压肌肉的肌原纤维，使其中的不易流动水稳定性明显增加。因此，解冻后不易流动水的总量降低，在LF-NMR信号中表示为弛豫时间的提前。另外，解冻后由于肌肉内部的机械损伤，导致保水性能降低，不易流动水和自由水大量流失。

3　结 语

肉品的保水性是消费者及肉类加工用于衡量肉品食用品质和产品价格十分重要的指标之一。我国生产的冷鲜肉保水性低，严重影响了肉制品的品质和货架期。因此，长期以来，对肉品保水性的研究一直是国内外肉品科学研究领域的热点。目前，肉类科学研究领域中对低场核磁共振技术的研究通常联用了红外光谱、差示扫描量热法和激光扫描共聚焦显微镜技术等分析仪器，以此对低场核磁共振技术进行完善和补充。另一方面，低场核磁共振技术在肉品科学研究领域中的起步较晚，我国肉类工业对该技术的应用还很少。因此，在今后的研究中，需要大力开发更多的设备与其联用来扩大研究领域和范围。此外，应该开发出相应的分析检测仪器和设备，并且应用于实际的肉类生产中。相信随着研究的具体化和深入化，低场核磁共振技术能够成为研究肉品保水性机制、提高肉品质最高效普遍的手段之一。

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DOI:10.15922/j.cnki.rlyj.2016.01.008

中图分类号：TS251.5

文献标志码：A

文章编号：1001-8123（2016）01-0036-04

*通信作者：韩玲（1963—），女，教授，博士，研究方向为食品科学与工程。E-mail：hanling5@126.com

作者简介：张佳莹（1992—），女，硕士研究生，研究方向为营养与食品卫生。E-mail：610391858@qq.com

基金项目：国家自然科学基金地区科学基金项目（31460 402）；国家现代农业产业技术体系建设专项（CARS-38）；甘肃省科技重大专项（143NKDP020）

收稿日期：2015-08-01

引文格式：