低场核磁共振技术在水产品品质分析中的研究进展

段秀霞， 施文正， 汪之和

(上海海洋大学食品学院，上海 201306)



低场核磁共振技术在水产品品质分析中的研究进展

段秀霞， 施文正， 汪之和

(上海海洋大学食品学院，上海 201306)

低场核磁共振技术(LF-NMR)具有检测迅速、样品需要量少、对样品无损伤等特点，在食品中水分、蛋白质、脂肪测定，以及肉类的保水性、质构特性和食品品质检测方面得到了广泛应用，在水产品品质分析中也有很好的应用前景。LF-NMR技术可以检测水产品中的水分含量、水分活度、三种不同水分状态分布等，有利于水产品保鲜贮藏及水产品蛋白质凝胶特性等方面的研究。本文主要介绍了LF-NMR技术的基本原理，系统归纳了该技术在水产品中水分、蛋白质、脂肪组成分析及蛋白质乳化和凝胶特性及品质保藏中的应用，总结了其在水产品无损检测及相关特性中的应用，分析了其在水产品品质分析中的应用前景。

低场核磁共振；水产品；品质分析

水产品品质评价方法包括感官评价、微生物检测和理化检测。感官评价结果易受主观因素的影响，重复性差；化学和微生物指标的检测过程一般较繁琐、耗时；物理指标有较大的局限性。因此，开发快速、准确、无损的水产品品质检测方法是近年来的研究热点。低场核磁共振(Low-field Nuclear Magnetic Resonance，LF-NMR)一般指恒定磁场强度低于0.5 T的核磁共振现象[1]。与其他检测技术相比，LF-NMR具有价格低廉、快速无损、方便、测定精准的特点[2]。以氢核为研究对象的LF-NMR是目前研究最为广泛的核磁共振技术[3]，早期研究者在不需对样品进行物理处理的情况下，可以观察其内部结构状况[4]。LF-NMR的无损检测应用于食品品质检测具有明显的优势，目前在肉类肌肉水分及特性方面研究较多[5-9]。本文对LF-NMR技术的基本原理及在水产品品质分析中的研究进展进行了归纳，并对该技术在水产品加工中的应用进行了展望。

1 低场核磁共振基本原理

具有固定磁距的原子核(如1H、13C、31P、19F、15N、129Xe等)在恒定磁场与交变磁场的作用下，与交变磁场发生能量交换的现象就是核磁共振技术(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)[10]。化学位移、偶极间接相互作用、偶极-偶极直接相互作用这三个参数主要反映分子的结构信息，为核磁共振波谱技术(Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS)研究对象，场强越高，参数分辨越好；而T1(纵向弛豫时间)、T2(横向弛豫时间)则主要反映分子的动态信息，为低场核磁共振分析测试技术研究领域[10]。利用MRS通过T2延长显示的强度不同，从而测定其结合水、不可移动水和自由水分布[11]；T2可反映蛋白质-水相互作用的变化，可用于预测肉制品的系水力[12]。

因此，NMR是确定分子结构以及研究化学反应的进程中最常见的一种调查方法。同时，核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)是基于NMR的一种成像技术，属于断层成像，它利用磁共振现象从样品中获得电磁信号，并重建出样品信息，已经广泛用于放射学来获得软组织图像以便进行分析与诊断[13]。另外，LF-NMR在研究食品性质上具有特殊的优势，利用氢原子核在磁场中的特性，可以追踪待测物质(食品)中的氢原子。通过LF-NMR可由信号幅度得出含油率、含水率和孔隙度；可根据图像观察食品内部结构；可根据扩散程度进行物质区分；亦可由弛豫时间分析样品成分、状态分布和样品本质。因此，LF-MNR可以很好地适用于水产品及其制品体系，进行多种指标的测定。

2 LF-NMR在水产品加工中的研究应用

2.1 水分

LF-NMR可以测定水产品肌肉中结合水、不易流动水和自由水的分布及流动性大小等迁移规律，这关系到鱼肉的持水力及保鲜能力。Carneiro等[14]通过使用LF-1H NMR调查评估了在不同的存储时间内腌制沙丁鱼肌肉水的流动性。董志俭等[15]利用LF-NMR研究了在南美白对虾蒸制过程中水分活度及水分状态的变化。朱丹实等[16]利用LF-NMR研究微冻保鲜真鲷中的水分迁移规律，以及食品中不同水的性质分析、水分质子的移动性及分布状况。

2.2 乳化及凝胶特性

凝胶特性是鱼糜及鱼糜制品的主要品质，利用LF-NMR技术分析鱼糜制品凝胶特性的变化，并结合多元相关分析，建立其与传统评价指标的相关性，可用来快速评价鱼糜及鱼糜制品的品质。邵俊花等[17]应用LF-NMR研究水产品中蛋白质乳化及凝胶特性及其保水性与水分迁移规律的关系，发现贮藏时间增加、水分含量降低，使得黄度值增加，最终影响乳化凝胶的品质。杨慧娟等[18]采用LF-NMR技术研究超高压处理对乳化肠质构和水分分布的影响。

2.3 脂肪

近年来，1H低场核磁共振成像技术(Low-field1H Magnetic Resonance Imaging，LF-1H MRI)用于研究水产品成像的报道也不少，如：采用T1加权LF-1H MRI研究5种鱼脂肪的分布、大小和脂肪沉积的机制[19]；利用LF-1H MRI技术对中华绒螯蟹全身进行扫描，构建3D模型估算中华绒螯蟹肝胰腺和性腺的脂肪体积[20]，实现中华绒螯蟹发育度与丰满度的无损检测，并推广到其他水产品包括虾和扇贝的成批检测。Aursand等[21]研究使用LF-NMR弛豫时间测量大西洋鲑鱼中的脂肪分布变化，结果发现LF-NMR可用于检测水产品的脂肪分布及体积变化，进而对水产品的发育度及丰满度状况进行评价，有利于及时调整捕捞市场供应。

2.4 蛋白质

利用LF-NMR技术研究鳕鱼腌制的前处理方法干腌脱水后的水分分布与蛋白质变性，弛豫时间的测量可用来评估在不同的预盐析方法期间脱水干咸鳕鱼片的蛋白质变性以及肌肉性能的变化[22]。借助LF-NMR技术研究蛋白凝胶的保水性及水分含量，验证表明两种方法显著相关[23]。总体上，LF-NMR用于蛋白质性质的研究较少，这可能是由于该技术在食品中的应用时间还较短，其相关数据与水产品蛋白质变性的相关性还有待于进一步深入研究。

2.5 保鲜与品质

Heude等[24]发现了一种基于1H高分辨率魔角旋转NMR光谱的新分析方法，可以实现鱼新鲜度和质量的快速评估。Isabel等[25]采用LF-NMR技术评价冷冻鳕鱼货架期及品质变化，发现鳕鱼冷冻引起的肉结构变化以及相应的水分迁移非常敏感，通过建模可预测鳕鱼货架期。张珂等[26]研究发现LF-NMR可用于快速检测添加剂处理后的冻藏罗非鱼片的品质变化，可用于检测不同加工条件处理后罗非鱼片的水分变化，进而保证产品的质量，提高经济效益。

2.6 水产品无损检测

LF-NMR技术具有无损检测、样品处理简单、所需样品量少和检测时间短等优点，已被广泛应用于水产品中[27-28]。相关的研究报道有：一种快速、无损的NMR和MRI方法可用来分析干海参的复水，并用来确定区分普通干燥和盐腌干燥海参[29]；采用LF-NMR及MRI研究海参中的水分含量、分布及状态变化，测量不同复水时间以及高温蒸煮处理后海参的横向弛豫时间，通过加权成像技术观察复水海参体内三种水的分布变化[30]；利用低场1H NMR，1H MRI和光学显微镜研究大西洋鲑中水和盐的分布：原料质量和盐水洗涤的效果[31]；运用1H LF-NMR与LF-MRI和理化分析，研究盐析前处理方法对鳕鱼中盐水分配的影响[32]；利用低场核磁共振弛豫和1H MRI比较研究大西洋鲑鱼在屠宰前处理压力和死后尸僵肌肉中水的性质及随后盐析的影响[33]；使用LF-NMR和传统的化学方法来调查在野生和养殖鳕鱼处理前后冰冻储存的物理与化学性质的差异，以及这些特性是如何受注射盐水、盐渍和冻结影响的[34]。

LF-NMR可用于研究水产品经腌制后的水和盐分的分配比例，以及水产品在屠宰前和死后僵直肌肉中的水分并进行理化指标分析。国内外研究学者的研究结论是一致的，都能证明该技术可以用于水产品的无损快速检测，尤其在种类鉴别、产地溯源及贮藏过程中品质变化等方面具有明显优势。如果具有实时在线监测功能，将会在水产品无损检测方面发挥更大的功能。

2.7 其他方面

用T1加权LF-1H MRI研究活体蓝蟹的器官，结果表明LF-1H MRI是一个重要的无损检测技术，可用于研究无脊椎动物的形态和生理学的改变[35]；通过1H-NMR光谱和MVA(多变量数据分析)分析比较疣蟹和食用螃蟹的脂质和生爪肌肉的水萃取液，进而研究亚得里亚海蓝蟹的代谢组学分析[36]；通过LF-NMR和常规理化分析方法评估添加不同比例的海藻糖对冷冻罗非鱼片的影响[37]；使用核磁共振光谱鉴别不同处理条件下海鲜产品的某些生物活性化合物的适用性[38]。基于LF-NMR技术的优点，将会对在水产品中添加违规成分的筛选具有较好的应用。

王欣等[39]研究在低场核磁弛豫特性系统对不同注水比例肉糜进行分析，探索肉糜注水程度定性与定量判别的可行性，方法可以在鱼糜类制品中水分含量的快速测定封面有较好的应用，对防治水产品掺假、提高水产品品质有较好的帮助。

LF-NMR可用于研究活体器官，评估无脊椎动物的形态及生理学改变；该技术还可用于水产品代谢组学的研究及某些生物活性化合物适用性的调查研究，这一应用无疑给新陈代谢方面的研究带来福音，使研究者能快速完成疾病发病机制、药物治疗机制等方面的研究。

3 结论与展望

LF-NMR在水产品水分分析中应用相对广泛，主要包括水产品中的水分含量、水分状态及经过不同处理条件下水的流动状态等，还可以无损检测水产品中的脂肪和蛋白质特性变化，分析产品品质变化。因此在水产品品质分析中具有较好的应用前景。但是，由于受到设备和检测技术的制约，其在我国水产品品质分析中应用还很少。由于具有检测快速准确、对产品无损伤等方面的优点，应大力开发LF-NMR在水产品在线监测的设备和技术，提高水产品品质检测效率，并在相应标准体系中引入LF-NMR技术，从而推动我国水产品加工业的发展。

□

[1] 陈珊珊,李然,俞捷,等.永磁低场核磁共振分析仪原理和应用[J].生命科学仪器,2009,7(10):49-53.

[2] LUCAS T,MARIETTE F,DOMINIAWSYK S,etal.Water,ice and sucrose behavior in frozen sucrose-protein solutions as studied by 1H NMR[J].Food Chemistry,2004,84(1):77-89.

[3] 阮榕生.核磁共振技术在食品和生物体系中的应用[M].北京:中国轻工业出版社,2009:1-36.

[4] DENISOV VP,HALLE B.Hydrogen exchange rates in proteins from water1H transverse magnetic relaxation[J].Journal of the American Chemical Society,2002,124(35):10264-10265.

[5] FINCH E D,HARMON J F,MULLER B H.Pulsed NMR measurements of the diffusion constant of water in muscle[J].Archives of Biochemistry and Biophysics,1971,147(1):299-310.

[6] HAZLEWOOD C F,NICHOLS B L,CHAMBERLAIN N F.Evidence for the existence of a minimum of two phases of ordered water in skeletal muscle[J].Nature,1969,222(5195):747-750.

[7] RENOU J P,FOUCAT L,BONNY J M.Magnetic resonance imaging studies of water interactions in meat[J].Food Chemistry,2003,82(1):35-39.

[8] 夏天兰,刘登勇,徐幸莲,等.低场核磁共振技术在肉与肉制品水分测定及其相关品质特性中的应用[J].食品科学,2011,32(21):253-256.

[9] LAURENT W,BONNY J M,RENOU J P.Muscle characterisation by NMR imaging and spectroscopic techniques[J].Food Chemistry,2000,69(4):419-426.

[10]汪红志,杨培强,张英力,等.低场核磁共振分析测试技术原理及应用[C]// 中国仪器仪表学会医疗仪器分会2010两岸四地生物医学工程学术年会，2010.

[11]廖媛媛,欧昌荣,汤海青,等.三种冻结方式对大黄鱼品质的影响[J].现在食品科技,2014,30(7):218-223.

[12]ZHANG J,ZHANG X,DEDIU L,etal.Review of the current application of fingerprinting allowing detection of food adulteration and fraud in China[J].Food Control,2011,22(8):1126-1135.

[13]HARALD T,GIELA G,WOLFGANG B.Water/moisture and fat analysis by time-domain NMR[J].Food Chemistry,2006,96(3):436-440.

[14]CARNEIRO C D S,MARSICO E T,JUNIOR C C,etal.Low-Field Nuclear Magnetic Resonance (LF NMR1H) to assess the mobility of water during storage of salted fish (Sardinellabrasiliensis)[J].Journal of Food Engineering,2015,169:321-325.

[15]董志俭,王庆军,黄静雅,等.南美白对虾蒸制过程中水分状态及质构的变化[J].中国食品学报,2015,15(2):231-236.

[16]朱丹实,吴晓菲,徐永霞,等.微冻保鲜真鲷的水分迁移规律[J].中国食品学报,2015,15(2):237-243

[17]邵俊花,邓亚敏,刘雪,等.低场核磁共振技术研究乳化凝胶贮藏过程中保水性和颜色变化之间的关系[J].食品工业科技,2015,36(23):49-58.

[18]杨慧娟,于小波,胡忠良,等.低场核磁共振技术研究超高压处理对乳化肠质构和水分分布的影响[J].食品工业科技,2014,35(4):96-100.

[19]WU J L,ZHANG J L,DU X X,etal.Evaluation of the distribution of adipose tissues in fish using magnetic resonance imaging (MRI)[J].Aquaculture,2015,448:112-122.

[20]张洪才,吴旭干,张炜佳,等.无损检测中华绒螯蟹肝胰腺和性腺的脂肪体积的方法.专利号:2016100661450[P],2016-10

[21]AURSAND I G,GALLART-JORNET L,ERIKSON U,etal.Water distribution in brine salted cod (Gadusmorhua) and salmon (Salmosalar):a low-field1H NMR study.[J].Journal of Agricultural & Food Chemistry,2008,56(15):6252-60.

[22]GUDJONSDOTTIR M,ARASON S,RUSTAD T.The effects of pre-salting methods on water distribution and protein denaturation of dry salted and rehydrated cod-A low-field NMR study[J].Journal of Food Engineering,2011,104(1):23-29.

[23]李银,李侠,张春晖,等.利用低场核磁共振技术测定肌原纤维蛋白凝胶的保水性及其水分含量[J].现代食品科技,2013(11):2777-2781.

[24]HEUDE C,LEMASSON E,ELBAYED K,etal.Rapid assessment of fish freshness and quality by1H HR-MAS NMR spectroscopy[J].Food Analytical Methods,2015,8(4):907-915.

[25]SANCHEZ-ALONSO I,MARTINEZ I,SANCHEZ-VALENCIA J,etal.Estimation of freezing storage time and quality changes in hake (Merlucciusmerluccius,L.) by low field NMR[J].Food Chemistry,2012,135(3):1626-1634.

[36]张珂,关志强,李敏,等.低场核磁共振结合常规理化分析海藻糖对冻藏罗非鱼片品质的影响[J].食品与发酵工业,2015,41(12):196-201.

[27]CARNEIRO C D S,MARSICO E T,JUNIOR C C,etal.Low-Field Nuclear Magnetic Resonance (LF NMR1H) to assess the mobility of water during storage of salted fish (Sardinellabrasiliensis)[J].Journal of Food Engineering,2015,169:321-325.

[28]SANCHEZ-VALENCIA J,SANCHEZ-ALONSO I,MARTINEZ I,etal.Low-Field Nuclear Magnetic Resonance of Proton (1H LF NMR) Relaxometry for Monitoring the Time and Temperature History of Frozen Hake (Merlucciusmerluccius,L.) Muscle[J].Food & Bioprocess Technology,2015,8(10):2137-2145.

[29]GENG S T,WANG H H,WANG X L,etal.A non-invasive NMR and MRI method to analyze the rehydration of dried sea cucumber[J].Food Science and Technology Abstracts Analytical Methods.2015,7 (6):2413-2419.

[30]张文杰,薛长湖,丛海花,等.低场核磁共振及成像技术对海参复水过程水分状态变化的研究[J].食品工业科技,2012,77(23):90-92.

[31]AURSAND I G,VELIYULIN E,BOCKER U,etal.Water and Salt Distribution in Atlantic Salmon (Salmosalar) Studied by Low-Field 1H NMR,1H and 23Na MRI and Light Microscopy:Effects of Raw Material Quality and Brine Salting[J].Journal of Agricultural & Food Chemistry,2009,57(1):46-54.

[32]GUDJONSDOTTIR M,TRAORE A,áSBJORN JONSSON,etal.The effects of pre-salting methods on salt and water distribution of heavily salted cod,as analyzed by1H and 23Na MRI,23Na NMR,low-field NMR and physicochemical analysis[J].Food Chemistry,2015,188:664-672.

[33]AURSAND I G,ERIKSON U,VELIYULIN E.Water properties and salt uptake in Atlantic salmon fillets as affected by ante-mortem stress,rigor mortis,and brine salting:A low-field1H NMR and1H/ 23 Na MRI study[J].Food Chemistry,2010,120(2):482-489.

[34]GUDJONSDOTTIR M,GUNNLAUGSSON V N,FINNBOGADOTTIR G A,etal.Process control of lightly salted wild and farmed Atlantic cod (Gadusmorhua) by brine injection,brining,and freezing a low field NMR study[J].Journal of Food Science.2010,75(8):E527-E536.

[35]BROUWER M,ENGEL D W,BONAVENTURA J,etal.In vivo magnetic resonance imaging of the blue crab,Callinectes sapidus:effect of cadmium accumulation in tissues on proton relaxation properties [J].Experimental Zoology,1992,263(1):32-40.

[36]ZOTTI M,PASCALI S A D,COCO L D,etal.1H NMR metabolomic profiling of the blue crab (Callinectessapidus) from the Adriatic Sea (SEItaly):a comparison with warty crab (Eriphiaverrucosa),and edible crab (Cancerpagurus)[J].Food Chemistry,2015,196:601-609.

[37]ZHANG K,GUAN Z Q,LI M,etal.Assessment of the effect of trehalose on frozen tilapia fillets by low field nuclear magnetic resonance (LF-NMR) and conventional physicochemical analytical methods[J].Food and Fermentation Industries,2015,12:196-201.

[38]MARTINEZ I,BATHEN T,STANDAL I B,etal.Bioactive compounds in cod (Gadusmorhua) products and suitability of 1H NMR metabolite profiling for classification of the products using multivariate data analyses[J].Journal of Agricultural & Food Chemistry,2005,53(17):6889-95.

[39]王欣,王志永,陈利华,等.注胶肉糜的低场核磁弛豫特性及与近红外光谱技术判别效果的比较[J].食品与发酵工业,2016,42(2):150-156.

Progress of low-field nuclear magnetic resonance application in quality analysis of aquatic products

DUAN Xiuxia,SHI Wenzheng,WANG Zhihe

(CollegeofFoodScienceandTechnology,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

Low-field nuclear magnetic resonance (LF-NMR),with the advantages of rapid,non-destructive determination and small volume samples requirement,has been widely used in the field of food moisture,protein and fat testing,water retention and texture characteristics determination of meat and food quality detection.Meanwhile,it also has a good prospect in aquatic products quality analysis.LF-NMR technique can detect the moisture content,water activity,three different water distribution states etc.of aquatic products,in favor of researches related to the preservation and storage,and protein gel properties of aquatic products.This paper introduces the basic principles of LF-NMR,systematically summarizes its application in moisture,protein,and fat determination,protein emulsification and gel properties analysis,and quality preservation of aquatic products,as well as applications in non-destructive testing of aquatic products and related characteristics determination,and finally,analyzes its application prospects in aquatic products quality analysis.

low-field nuclear magnetic resonance; aquatic products; quality analysis

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.05.008

2016-06-24

2016-09-29

上海市虾类现代农业产业技术体系建设项目(2014 -5)；“十二五”国家科技支撑计划项目(2015BAD17B01)；上海市高校知识服务平台项目(ZF1206)

段秀霞(1990—)，女，硕士研究生，研究方向：水产品加工与贮藏。E-mail：1176914428@qq.com

施文正 (1975—)，男，副教授，博士，研究方向：水产品加工与贮藏。E-mail：wzshi@shou.edu.cn

TS254.1

A

1007-9580(2016)05-042-05