基于单边核磁共振技术的乳制品品质分析

苗志英，夏 天，陈珊珊，汪红志,,3,*，马军山,*

（1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.上海健康医学院医学影像学院，上海 200093；3.华东师范大学物理与材料科学学院，上海市磁共振重点实验室，上海 200062）

基于单边核磁共振技术的乳制品品质分析

苗志英1，夏 天2，陈珊珊2，汪红志1,2,3,*，马军山1,*

（1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.上海健康医学院医学影像学院，上海 200093；3.华东师范大学物理与材料科学学院，上海市磁共振重点实验室，上海 200062）

运用单边全开放式核磁共振技术对常见掺假牛乳进行快速检测，并对室温条件下贮藏的市售盒装酸奶进行跟踪监测。在非均匀磁场下采用SGSE-CPMG（static gradient spin echo carr-purcell-meiboom-gill）序列测量各个样品的横向弛豫时间（记为T2CPMG），经弛豫校正可得到测试样品的横向弛豫时间T2。研究表明，在恒定梯度磁场中不同掺假比例样品随掺假质量浓度的升高其T2CPMG逐渐增大，经弛豫矫正后盒装酸奶样品T2峰位的变化可间接反映其新鲜度。运用单边核磁共振技术可实现乳制品品质的快速无损检测，被测样品无需复杂预处理，其系统硬件结构简单可便携（或安装）至现场进行实时检测。

单边核磁共振；无损检测；乳制品；横向弛豫时间T2

酸奶一般均要求低温贮存（2～6 ℃），但是在我国某些地区由于条件限制，无法实现完全冷链运输和销售，或者因消费者生活环境的限制，无法实现低温贮藏。牛乳主要成分为水、蛋白质等，其营养丰富，是人们喜欢的营养佳品。但为了追求经济价值，部分养殖户常常在牛乳中掺假，目前常见的掺假形式有掺水、食盐、蔗糖、尿素等。在牛乳中掺水是最直接的方法，这只是为了增加分量不会对人体健康造成危害，但此掺假

方法容易被识破；掺入尿素是为了增加牛乳中有机氮的含量从而增加检测蛋白的含量；掺入蔗糖和食盐主要是为了增加牛乳的比重，另一方面掺入蔗糖也为了改善掺假牛乳的口感[1-3]。传统检测和评价乳制品品质的方法包括理化指标测定、微生物检测、液相色谱、气相色谱技术等，但这些方法存在操作繁琐、费时、具有一定的滞后性等缺点，不适于现场的快速检测。

低场1H-核磁共振弛豫分析，是测量物质组分的一种有效方法，目前已广泛应用于食品研究中[4-7]。酸奶中微生物和理化指标的变化，会影响到1H与底物的结合状态；纯牛乳中掺入其他物质后也会使原来1H发生变化，从而会影响样品整体的T2时间。本研究是基于监测盒装酸奶和纯牛乳中1H的变化，间接评价其品质。传统核磁共振方法，需要破坏产品包装进行抽样检测，单边核磁共振系统打破了这种形式，对带包装的产品可直接测量[8-9]，且系统轻巧，可便携到室外或现场进行实时监测。目前单边核磁共振技术在食品领域已有诸多应用，如量化油水比例[10-11]、监测植物生长状态[12]、脂肪含量测定[13-15]及在线质量控制[16-17]等。

本实验通过单边全开放式核磁共振技术评价盒装酸奶在室温（20 ℃）环境条件下的品质，对常见掺假形式的牛乳进行了快速检测，并监测了市售盒装酸奶常温条件下的品质变化，为单边核磁共振技术用于乳制品品质评价及其生产质量控制做了初步探索。

1 材料与方法

1.1 材料

市售纯牛乳若干包，超市购买；A、B两种品牌的盒装酸奶若干，超市购买，买后室温（20 ℃）条件下贮藏。

1.2 仪器与设备

非均匀场测试设备：本研究所述的单边磁体是由7 块Halbach磁铁，按一定排列组成的，磁体结构及磁体实物如图1所示，磁体尺寸68 mm×129 mm×154 mm，质量3 kg，由重庆大学研制[18]。

图1 Halbach单边磁体结构（a）及磁体实物（b）Fig.1 Halbach unilateral magnet structure and actual magnet

自行搭建单边核磁共振系统，其系统包括单边磁体，射频功放（中心频率6 MHz，100 W），前置放大器（中心频率5 MHz，最大增益56 dB），Meso-MR二代谱仪系统 苏州纽迈电子科技有限公司；均匀场测试设备：PQ-001核磁共振分析仪，主磁场强度约为0.5 T，磁场均匀性40×10-6（25 mm×25 mm×25 mm） 苏州纽迈电子科技有限公司；ML503T电子天平 梅特勒-托利多国际贸易（上海）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品处理

1.3.1.1 掺假牛乳测试样品

称取5 g尿素试剂，将其溶于95 g的牛乳中配制成尿素质量分数为5%的掺假牛乳样品，用同种方法依次配制尿素质量分数为10%、15%、20%、30%的牛乳样品，掺糖及掺食盐的测试样品与掺尿素样品的配制相同；将30 g尿素、30 g食盐和30 g糖一起混合均匀，称取5 g混合试剂，将其溶于95 g的牛乳中配制成质量分数为5%的混合掺假牛乳样品，用同种方法依次配制成质量分数分别为5%、10%、15%、20%、30%的混合掺假牛乳样品。

1.3.1.2 监测酸奶货架期的实验样品

市售A、B两种品牌的盒装酸奶各6 盒（均在保质期内），A酸奶的生产日期比B酸奶早5 d，产品保质期均为21 d，室温贮藏。

1.3.2 恒定梯度磁场下扩散系数D的测量及弛豫校正的方法

传统核磁共振采用脉冲梯度场来测量D，其本质就是在基本SE序列180°射频两边对称施加一对强梯度磁场，称为PGSE（pulsed gradient spin echo）序列。单边磁体具有天然恒定的梯度磁场，其除了便携，成本低的特点外，另一个优势就是易于实现扩散系数D的测量，单边磁体产生的磁场与脉冲梯度不同的是，梯度磁场一直存在，扩散弛豫导致的信号幅值衰减效应也一直存在，其CPMG回波串的衰减T2遵循以下规律[19]：

由于本研究使用的样品是容积型样品，不考虑表面弛豫，则（1）式可化简为：

式中：T2CPMG为在单边磁体下实际测得的数值；T2B为本征弛豫时间即在均匀磁场下测得的横向弛豫时间；回波时间TE为序列采集参数为已知值，因此只要磁体自然梯度

G已知，根据（2）式即可求得样品的扩散系数D（20 ℃环境条件下）。本研究中磁场梯度G是未知值，因此需要先用已知扩散系数和本征弛豫时间的去离子水，根据（2）式测得磁场梯度G。然后在均匀场下测得样品的本征弛豫T2B，样品的T2CPMG在单边磁体下可直接测得，又G已知，由（2）式即可计算出样品的扩散系数D。

测试样品弛豫校正的方法：经过上述测量，磁场梯度G已知、样品的扩散系数D已知，从而可在单边磁体系统下测样品本征弛豫，即在单边磁体下测量出样品的T2CPMG根据（2）式可求得样品的T2B。

1.3.3 磁场梯度、纯牛乳、掺假牛乳和酸奶样品本征弛豫时间及扩散系数的测定

本研究采用T2B为2 783 ms、扩散系数D为2.3×10－9m2/s （20 ℃条件下）的去离子水，在非均匀磁场下设置不同的回波时间，测得相应的T2CPMG，根据（2）式可求得单边磁体的整体梯度G。

非均匀磁场下采用SGSE-CPMG序列其主要采集参数：射频中心频率5.74 MHz，90º射频脉冲脉宽5 μs，180º射频脉冲脉宽10 μs，采样带宽100 kHz，重复时间500 ms，半回波时间125 μs，回波个数1 000 个。

均匀磁场条件下，用直径12 mm，高200 mm的玻璃试管，载2 mL纯牛乳及各掺假样品，测其本征弛豫时间T2B，每个样品平行测量3 次结果取均值。A、B两种盒装酸奶购买后，各拆封两盒，按照上述方法，分别测量两种酸奶的T2B。20 d后（两种酸奶均处于贮藏第2阶段），将A、B两种盒装酸奶各拆封两盒，按照同样的方法分别测量其T2B。这样T2B、T2CPMG（在单边磁体下可直接测）及G为已知，回波时间TE为2DL1，然后根据（2）式，即可求得各个样品的扩散系数。

均匀磁场下CPMG序列采集参数：射频中心频率22.89 MHz，90º射频脉冲宽度12.5 μs，180º射频脉冲宽度25 μs，采样带宽100 kHz，重复时间1 000 ms，半回波时间480 μs。

2 结果与分析

2.1 单边磁体恒定梯度G、纯牛乳、掺假牛乳和酸奶扩散系数D的测量数据

室内空调打开，温度设置为20 ℃，一段时间待室内温度稳定后，设置不同回波时间TE，测得的磁场梯度值如表1所示。

表1 相同水样品在不同采集参数下计算得到的G值Table1 G values of one water samples at different acquisition parameters

由表1可知，不同回波时间条件下计算的G值略有差异，误差可能是由于测量过程中射频线圈散热引起局部温度不同导致扩散的差异（测量样品直接放在磁体表面，与平面射频线圈直接接触，测量过程中射频线圈发热可能引起灵敏区域温度差异），3 种回波时间下测得的梯度取均值，得到磁体的总体梯度G为4.67 T/m。

为了将酸奶样品在单边磁体下测量的弛豫时间进行弛豫校正，以去掉单边磁体下扩散作用对样品弛豫时间的影响，为了研究纯奶中掺入其他物质后对其黏度的影响，按照1.3.1节所述的方法对纯牛乳、掺假牛乳及不同贮藏时间段酸奶样品的扩散系数进行了测量，测试结果如表2和表3所示。

表2 酸奶样品扩散系数的测量Table2 Measurement of diffusion coefficients ofof tyogurt

表3 纯牛乳及掺假牛乳扩散系数的测量Table3 Measurement of diffusion coefficients of pure and adulterated milk

2.2 掺假牛乳的横向弛豫率变化规律

对于纸质材质或者非金属材质包装的乳制品可带包装直接检测，由于本实验所用纯牛乳的包装含有铝箔层，其可阻挡或者屏蔽电磁信号，阻碍射频信号的激励和磁共振信号的接收，故本实验选择将掺假样品放入生物培养皿中进行检测。

不同掺假比例的牛乳，各取20 mL，分别放入内径53 mm，底厚的生物培养皿中，然后依次在单边磁体上对掺假样品进行测量（测T2CPMG），测量结果如图2所示。

图2 样品T2CPMG与其掺假物质含量关系图Fig.2 Diagram showing the rRelationship between T2CPMGrelaxation time of sample and adulterant concentration

由图2可知，在单边磁体下掺入蔗糖、尿素及混合掺假样品随掺假比例增大，掺假样品的横向弛豫时间逐渐增大。分析可能原因：从表3可看到，随着掺假质量浓度的升高，掺假样品的扩散系数逐渐减小，单边磁体恒定的梯度场对其扩散作用逐渐减弱，因此弛豫时间相应变长；纯奶中掺入糖和尿素后发生化学反应，使其黏度降低，自旋-自旋相互作用减弱，相应的横向弛豫时间变长；另一方面由于食用盐中离子成分较多，纯奶中加入食用盐后，在一定程度上削弱了样品的内部磁场，使1H进动频率在一定程度上减小，从而横向磁化衰减变慢，T2弛豫时间变长。另外一个可能原因是添加物尿素和糖在和牛乳中的蛋白质争夺与水分子的结合，从而使牛乳中的结合水降低，自由1H增多，从而横向弛豫时间变长。

2.3 酸奶的新鲜度监测

酸奶样品则带包装直接放于单边磁体上（图1），每隔24 h检测1次，每个样品平行测3次，结果取该种酸奶测试参数的均值（A酸奶两盒，每盒平行测3 次，测试结果取两盒酸奶测试参数的均值；B酸奶的测试方法同A酸奶），测量数据进行弛豫校正，结果如图3所示。A、B两种酸奶标称的保质期均为30 d，其中A酸奶的生产日期比B酸奶早5 d，图中圆点标记是两种酸奶包装上标明的保质期。

图3 随贮藏时间的延长两种市售酸奶的T2弛豫时间的变化图Fig.3 Variations in T2relaxation times of two commercial yoghurts with storage timein

酸奶的理化指标有酸度、黏度、蛋白水解度、乳清析出率、持水力等，弛豫时间的不同，反映了酸奶内部理化物质的变化。由测试数据知，A、B两种酸奶的T2弛豫时间随贮藏时间的延长可分为两个阶段，第1个阶段T2值较小，并保持稳定，间接反映此阶段酸奶的理化指标较稳定。第2个阶段，是在保质期前后的1 周时间，此阶段T2值较第一阶段增大。第2阶段酸奶T2值增大可能原因分析：酸奶在贮藏过程中，乳酸菌消耗乳糖产生乳酸，酸奶酸度逐渐升高，pH值逐渐降低[20-22]，随着酸度的升高，一方面蛋白质的亲水性降低，乳清析出，酸奶横向弛豫时间变长；另一方面酸度的升高使更多的有机钙、有机磷溶解于溶液中，使酸奶中的酪蛋白胶粒瓦解，酸奶的黏度下降[23]，T2值升高。值得一提的是，叶向库等[20]曾对常温下市售盒装酸奶的乳酸菌和pH值的变化进行研究，其研究结果表明常温下随贮藏时间延长酸奶中的乳酸菌和pH值均降低，但是在保质期内酸奶品质仍然符合国家规定的质量标准。测量数据显示，第2阶段T2值升高，酸奶品质下降在酸奶保质期之前提前来到了，原因可能是实验中射频加温，加速了其变质。

3 结 论

本研究搭建了单边核磁共振系统，运用单边核磁共振技术，对掺假牛乳和市售盒装酸奶的品质做了分析探究。实验表明：恒定梯度磁场下不同掺假样品随掺假比例的不同其横向弛豫时间呈一定规律分布；酸奶实验中，T2峰位的变化可作为初步判断常温下盒装酸奶新鲜度的一个依据。同时本研究也存在一定的不足，如室温条件下的贮藏温度会有一定的波动不是绝对的严格，牛乳样品掺假比例可能比实际掺假比例重。针对不足之处，运用单边核磁共振技术对乳制品品质的监测未来会做进一步研究。本研究为单边核磁共振分析仪应用于乳产品品质评价中做了初步探索，为食品质量监管提供了一种新的检测方法，同时为消费者食用盒装酸奶提供了一个品质选择依据。

单边核磁共振系统，以其成本低、可便携、可实时快速检测，可直接测量带包装产品，无损无污染等优势，在乳制品品质监测及其质量控制中有广阔的应用前景。例如，应用在农场中可在线实时监测牛的产奶质量；又如在酸奶发酵罐中，可监测酸奶的发酵程度及产物的含量等。

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Quality Analysis of Dairy Products Based on Unilateral Nuclear Magnetic Resonance

MIAO Zhiying1, XIA Tian2, CHEN Shanshan2, WANG Hongzhi1,2,3,*, MA Junshan1,*
(1. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2. Institute of Medical Imaging, Shanghai University of Medicine and Health Sciences, Shanghai 200093, China; 3. Shanghai Key Laboratory of Magnetic Resonance, School of Physics and Materials Science, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

In this study, unilateral fully-opened nuclear magnetic resonance technique was used to detect milk adulteration and to monitor boxed yogurt stored at room temperature. Static gradient spin echo carr-purcell-meiboom-gill (SGSE-CPMG) sequence was used to measure the transverse relaxation time (T2CPMG) of each sample under inhomogeneous magnetic feld. Then the transverse relaxation time (T2) of the test sample was obtained by relaxation correction. The results showed that the T2CPMGof sadulterated samples increased with increasing adulterant concentration in static gradient feld and the changes in T2peak of boxed yogurt after relaxation correction could refect its freshness. Therefore, single sided nuclear magnetic resonance technology can allow fast and nondestructive detection of the quality of dairy products, and the hardware is simple and porTable(or installed) for real-time on-site detection.

unilateral nuclear magnetic resonance; nondestructive detection; dairy products; transverse relaxation time (T2)

10.7506/spkx1002-6630-201622023

TS207.7

A

1002-6630（2016）22-0155-05

苗志英, 夏天, 陈珊珊, 等. 基于单边核磁共振技术的乳制品品质分析[J]. 食品科学, 2016, 37(22): 155-159. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201622023. http://www.spkx.net.cn

MIAO Zhiying, XIA Tian, CHEN Shanshan, et al. Quality analysis of dairy products based on unilateral nuclear magnetic resonance[J]. Food Science, 2016, 37(22): 155-159. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201622023. http://www.spkx.net.cn

2015-11-02

苗志英（1988—），女，博士研究生，研究方向为核磁共振技术。E-mail：miaozy0120@sina.com

*通信作者：汪红志（1975—），男，教授，博士，研究方向为无线电物理。E-mail：wanghzhi2000@sina.com

马军山（1967—），男，教授，博士，研究方向为光电图像处理、光学仪器。E-mail：junshanma@163.com