低场核磁共振在肉与肉制品水分测定与分析中的应用研究进展

孙文彬，罗 欣，张一敏，左惠心，牛乐宝*，毛衍伟*

（山东农业大学食品科学与工程学院，山东 泰安 271018）

核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）现象自1939年发现以来，其理论和实践基础不断发展，并被广泛应用到地质、医学、化工和工农业等领域。随着研究的深入，各种特殊用途的核磁共振新技术应运而生。其中低场核磁共振（lowfield NMR，LF-NMR）是一种快速、无损的分析检测技术，可以通过测定肉品中氢原子核在磁场中的弛豫特性来确定肉品中水分的不同状态，因而在肉品领域已有诸多研究，主要集中在以下3 个方面：1）测定肉与肉制品中不同状态水分的分布和迁移；2）结合其他指标判断肉的食用品质和加工品质；3）进行注水、注胶肉的鉴伪，异质肉的鉴别和肉品新鲜度检测。本文将LF-NMR在肉品水分检测与分析中的最新研究结果按上述研究类别进行总结分析，以期为LF-NMR技术在肉品领域的应用提供新的研究切入点，并为相关研究提供理论指导。

1 LF-NMR技术的原理及其在肉与肉制品加工中应用的基础

LF-NMR测定水分的基本原理是对处于恒定磁场中的样品施加一个射频脉冲，使氢质子发生共振，导致部分低能态氢质子吸收能量跃迁到高能态，当关闭射频脉冲后这些质子就以非辐射的形式释放所吸收的射频波，能量返回到基态而达到玻尔兹曼平衡，此过程称为弛豫过程，完成弛豫过程的时间常数称为弛豫时间[1]。相对于纵向弛豫时间T1，横向弛豫时间T2有变化范围大、对多相态敏感等优点，因此在肉品科学中被广泛采用。依据样品中水分子的横向弛豫时间T2不同，可以对肉与肉制品中水分的不同状态进行区分[2]。

横向弛豫时间T2的大小可以表示水分的自由度，T2越大，水分的自由度越高[3]。LF-NMR的弛豫信号曲线通常被分为3 个区域（图1），其中T2在0～10 ms的部分（T2b）被认为是与大分子物质紧密结合的那部分水，含量稳定且不受蛋白质结构或净电荷变化的影响，也被称作结合水；T2在30～50 ms（T21）和100～1 000 ms（T22）的两部分区域分别被认为是分布在肌原纤维内部和肌原纤维网络外的那部分水[4]。在有些学者测定的T2图谱中，T2在0～10 ms的区域存在两个峰，分别是水分子中与肉中非水组分结合最紧密的化合水和处于非水组分亲水性基团附近的多层水及邻近水[5-6]。不同横向弛豫时间（T2b、T21、T22）相对应的指数面积比（P2b、P21、P22）则被定义为3 种不同状态水分的相对含量。

图1 新鲜牛肉横向弛豫时间（T2）谱图Fig. 1 Transverse relaxation time (T2) spectrum of fresh beef

在肉品科学中，Bertram等应用LF-NMR技术进行了大量基础研究，结果表明LF-NMR测定的肉中横向弛豫时间T2与传统指标（如汁液损失率、离心损失率[7]、蒸煮损失率、拿破仑率[8]）衡量的保水性有较强的相关性。其他学者则验证了肉糜的离心损失率[9]、蒸煮损失率[10]与T2、P2均显著相关。Zhu Han等[11]研究则进一步表明相比于近红外技术和X射线光谱，LF-NMR技术能更加精确测定猪肉的保水性。因此LF-NMR技术可对肉与肉制品保水性进行快速精确检测。除此之外，由于肉品中水分状态与多汁性、嫩度、表观等食用品质和加工品质存在联系，所以许多学者在LF-NMR的T2分布图谱的理论基础上进行了大量关于水分状态与肉品品质的研究，从水分角度解释肉品在成熟、冷却、加工、贮藏等过程中品质变化，并实现通过LF-NMR技术检测肉与肉制品的食用品质和加工品质，以及肉制品掺假判定和安全检测的目的。

2 LF-NMR测定生鲜肉成熟和保鲜过程中水分迁移

畜禽屠宰后，鲜肉仍保持细胞结构，其水分主要分布在肌原纤维内、肌原纤维与细胞膜之间、肌细胞之间以及肌束之间。肌肉组织的自身结构和鲜肉的处理方法会对肉中水分分布产生影响，并最终影响鲜肉的保水性[12]，因而生鲜肉在成熟、保鲜贮藏过程中的水分变化受到广泛关注。

成熟是提高肉品品质的常见方式，成熟过程中水分的迁移对肉的保水性具有重要影响。甄少波等[13]的研究结果表明，宰后24 h冷却过程中猪肉的T2b变化不大，T21和T22先上升后下降；成熟时间对P2b影响不大，但对P21和P22影响显著（P＜0.05），P21越高，P22越低，汁液损失率越低。该研究表明动物宰后初期，猪肉保水性变化主要是自由水与不易流动水相互转化迁移的结果。Gudjónsdóttir等[14]将壳聚糖薄膜覆盖在牛排表面进行干法成熟，结果表明横向弛豫时间T2b、T22受成熟方式和成熟时间的影响不大，未覆盖壳聚糖薄膜的牛肉干法成熟21 d内由于肌肉蛋白的变性和降解，T21呈现下降趋势，而覆盖壳聚糖薄膜的牛肉T21虽然在成熟7～14 d显著降低（P＜0.05），但在成熟21 d时逐渐提高；另外，相比于传统干法成熟和湿法成熟，成熟14 d后，壳聚糖覆盖牛排中的自由水含量（P22）显著下降。以上研究认为正常肉在成熟过程主要是自由水与不易流动水发生改变，并且因成熟方式的不同而存在差异，目前DFD（dark, fi rm and dry）、PSE（pale, soft and exudative）肉等异质肉在成熟过程中，特别是宰后初期的水分变化仍缺乏研究。

为延长生鲜肉货架期，常采用低温条件进行保鲜，其中冷藏和冷冻是最常见的方式。朱迎春等[15]研究表明，在2 ℃条件下，随着冷藏时间的延长，蛋白质空间结构发生改变，使得T22逐渐提高，P21先升高后降低。冷冻温度对横向弛豫时间T2影响显著[16]。马莹等[17]使用LFNMR仪研究了在－14、－18、－22 ℃条件下贮藏的牛肉中水分状态的变化，同样发现了随着冷藏时间的延长，不易流动水逐渐转变为自由水；在高于玻璃化转化温度条件下贮藏的牛肉，肉的水分含量显著下降，保水性降低。Zhang Mingcheng等[18]研究表明，使用180 W超声辅助浸渍式冻结可以缩短横向弛豫时间T21和T22，降低水分的自由度，减少猪肉的解冻损失。Ali等[19]研究表明，反复冻融2～6 次的鸡胸肉横向弛豫时间T21缩短显著。Zhang Mingcheng等[20]的研究则表明随着冻融次数（1～5 次）的增加，猪肉的横向弛豫时间（T2b、T21和T22）逐渐延长，这可能是由于反复冻融增加了肌肉中可自由移动的水分含量或者降低了水分与蛋白质的结合程度。Jia Guolian等[21]的研究则表明，冷冻过程中高压静电场处理对横向弛豫时间T2的影响很小，但对P21和P22有显著影响，经过10 kV处理的冷冻样品P21与新鲜肉最为接近，肉的品质最好。另外该学者还研究了高压静电场条件下解冻过程中兔肉的水分变化，结果表明新鲜兔肉和解冻兔肉的T2没有显著差异，但是P2却有显著差异，并认为这主要是冷冻解冻的过程引起的，受高压静电场处理影响不大，该技术主要作用是提高了解冻速率[22]。冷冻解冻过程中冰晶对肌细胞结构造成损害，因而造成的水分迁移可被LFNMR技术敏感检测到，因此LF-NMR技术辅助冷冻解冻的研究，有助于更好地降低肉品的解冻损失，提高品质及出产率。

冰温保鲜作为继冷藏保鲜和气调保鲜之后的第三代保鲜技术，已逐渐应用在牛羊肉类的保鲜贮藏中。自由水对冰温贮藏牛肉的品质影响很大，许倩等[23]通过LF-NMR测定冰温条件下无包装牛肉的水分变化，结果表明在贮藏前期T22显著延长，从第9天起显著缩短，从第19天起在100～1 000 ms范围内已没有峰，即无包装的牛肉在贮藏前期，肉中自由水的自由度越来越高，后期自由水的移动性开始慢慢下降直至完全消失。朱迎春等[15]的研究表明，与低温贮藏结合托盘包装相比，冰温贮藏结合气调包装条件下，随着贮藏时间的延长，横向弛豫时间T22缩短，P21增加，说明冰温贮藏与气调包装结合能降低肉中自由水的自由度，减少不易流动水的损耗，提高肉的保水性。目前包装方式对水分迁移影响的相关报道较少，可进行深入研究。

3 LF-NMR测定肉制品加工贮藏过程中的水分迁移

为满足生产需要，常对原料肉进行斩拌处理，与整块肉不同，经过粉碎的肉糜除了保留少量肌纤维碎片外，大部分肌原纤维结构遭到破坏，其保水原理主要是不溶性蛋白将水分束缚在网络结构中。任小青等[24]的研究结果表明，4 ℃条件下贮藏的猪肉糜随着贮藏时间的延长，P21逐渐降低，而P22增加，这表明贮藏过程中肉糜的不易流动水转变成自由水。此外，为提高肉糜产品的品质，常在加工过程中添加外源添加物来进行改善。张骏龙等[25]研究淀粉添加量对猪肉糜保水性和质构的影响，结果表明，随着淀粉添加量的增加，横向弛豫时间T21和T22明显缩短，而自由水含量（P22）则随着淀粉添加量的增加而逐渐降低，这说明随着肉糜中淀粉含量的增加，水分受到的束缚逐渐增强，使得肉糜的保水性提高。有研究表明，在肉糜中仅添加磷酸盐缩短了横向弛豫时间T21，即降低了不易流动水的流动性，仅添加NaCl则会延长横向弛豫时间T21，并增加结合水含量（P2b），使得肉糜中的水分总量提高，因此肉糜中添加磷酸盐和NaCl可以提高其保水性[26]。超高压处理可以使肉与肉制品分子间距增加，并导致极性区域的暴露，因而其可改善肉制品保水性，提高产品的出品率和嫩度。Zheng Haibo等[9]使用200 MPa超高压处理鸡肉糜，结果表明加压和加热都能增加不易流动水的含量（P21），提高肉糜的保水性，这可能是由于高压处理使得鸡肉糜微观结构中的蛋白质降解形成了更好的凝胶结构。Zheng Haibo等[27]的研究则表明在300～400 MPa的压力下，鸡肉糜的保水性得到了改善，但在更大的压力下保水性降低；与只进行加热处理的鸡肉糜相比，使用高压处理的鸡肉糜随着处理压力的增加，肉糜中的结合水（P2b）和自由水（P22）含量增多，而不易流动水含量（P21）减少。以上研究说明，不易流动水含量和自由度对肉糜的保水性起主要影响，适当的高压处理可以改善肉糜凝胶结构，加强对水分的束缚，提高不易流动水含量，改善保水性，从而提高肉品品质。

粉碎后的原料肉与辅料混合后制成的香肠制品是肉制品中的重要分类[28]，在香肠生产过程中通过LF-NMR技术检测其水分变化也受到了学者的广泛关注。Yang Huijuan等[29]将超高压技术应用于香肠的生产，结果表明在10 ℃下200 MPa处理2 min可以显著增加结合水（P2b）和不易流动水（P21）含量，降低自由水含量（P22），这被认为是改善最终产品肉色和剪切力的原因，另外该研究还发现香肠中脂肪含量会干扰水分的信号。Xue Siwen等[30]的研究则表明在25 ℃条件下，200 MPa处理兔肉香肠3 min，可以提高其不易流动水的含量（P21），并在一定程度上减少蒸煮损失。还有学者对发酵香肠进行LF-NMR测定，结果表明在发酵过程中不易流动水（T21）和自由水（T22）的自由度逐渐降低，且这两个水分峰随着发酵的进行逐渐合并，最终使得不易流动水含量（P21）增加，而自由水含量（P22）减少[31]。

腌制作为肉制品加工中的重要环节，具有防腐保鲜、提高肉制品品质的作用。McDonnell等[32]的研究则表明，使用NaCl腌制猪肉，随着腌制液浓度的提高，肌原纤维内部的水分含量（P21）增加，而肌原纤维外部的水分含量（P22）减少，因此产品的保水性提高。超声波技术具有空化作用，可在肉中形成空腔加速腌制液渗入[33]，因而被广泛应用到肉制品腌制的研究中，Kang Dacheng等[34]的研究表明，NaCl腌制牛肉过程中辅助超声波处理对T2b无显著影响，但是随着处理时间的延长和超声波频率的提高，T21显著延长。McDonnell等[35]同样发现在19 W/cm2频率超声波下分别处理10、25、40 min，腌制猪肉的T21均显著延长，这可能是由于超声波处理有助于肉中肌原纤维肿胀和盐溶性蛋白的提取。高频率超声波能有效提高传质速度，但是过高的频率会导致肉品质量损失和产生不良风味[36]。因此针对不同种类肉制品，优选合适的超声波频率和加工时间来满足工业需求具有重要意义。

在肉制品的熟制过程中，伴随着温度的升高和加热时间的延长，水分也会发生相应的迁移。王雪等[37]的研究表明，油炸温度的升高会逐步缩短牛柳的T21和T22，同时P21和P22显著降低（P＜0.05），这可能是由于高温导致肌肉蛋白变性或者油脂浸入使得纤维内水分受到限制。随着煎制温度的升高和时间的延长，T2b、T21、T22均相应延长，即牛排内水分的自由度不断提高，而且随着牛排成熟度的提高，T22的变化最为明显[38]。而孙红霞等[39]研究发现，牛肉在相同加热时间下，随着加热温度的升高，T21反而缩短，这可能是由于牛肉受热收缩挤出肌原纤维内部分水分，而滞留的水分氢键键能较大，使得T21缩短。

LF-NMR技术还应用于肉制品干制过程中水分变化的研究中。Li Miaoyun等研究发现，鸡胸肉在干燥过程中T21缩短、P21和总水分含量显著降低（P＜0.05），其中不易流动水含量（P21）的变化决定了某一时间点肉干的总水分含量[40]。李欣等[41]的研究表明，在微波干燥牛肉粒的过程中，T21逐渐缩短，不易流动水逐步转移为结合水，转化而来的结合水与原组织结合水相比，横向弛豫时间更长，自由度更高。谢小雷等[42]研究发现，中红外-热风组合干燥牛肉干过程中，T21和T22显著延长，不易流动水转换为自由水，最后自由水扩散至肉干表面并散失达到干制目的。以上研究说明肉制品熟制和干制过程伴随着蛋白质变性和肌肉结构的剧烈改变，这是一个渐进且不均匀的过程，影响着肉制品中水分的变化，因此结合核磁成像有利于更加直观地说明干制过程中肉中水分迁移和散失。

4 LF-NMR在检测和预测肉品食用和加工品质中的应用

肉中水分的分布和迁移对保水性、嫩度、多汁性、表观等指标都有重要的影响。保水性是肉品的重要食用品质，衡量肉制品保水性的方法有很多，甄少波[43]对此进行了详细综述，目前通过LF-NMR技术实现对肉品保水性预测以及分级成为新的研究方向。Zhu Han等[44]通过对宰后1 d的猪肉进行LF-NMR测定，在一定程度上实现了预测真空包装9 d后猪肉的汁液损失率。T21与压榨损失率呈正相关，且LF-NMR分析结合肉色评价，可以区分不同保水能力的猪肉[45]。因此通过整合大数据，实现通过LF-NMR技术预测保水性并实现肉制品的分级具有研究前景。

嫩度是消费者评判肉质优劣的最常用指标之一。水分是肉和肉制品中蛋白质的增塑剂，熟肉中水分含量的变化影响产品嫩度的变化[46]。马天兰等[6]使用LF-NMR技术测定冷鲜滩羊肉，发现横向弛豫时间T2、总峰面积与剪切力极显著相关，使用回归方程拟合分析，表明总峰面积、横向弛豫时间T2与剪切力有较好的回归拟合效果，因此可以通过LF-NMR技术对滩羊肉的嫩度进行预测。还有学者将LF-NMR用于探究鸡肉干干燥过程中水分迁移与剪切力变化的关系，结果表明总水分含量、不易流动水含量（P22）与剪切力呈极显著相关（P＜0.01），因此可以通过LF-NMR探究肉干干制过程中的干制程度和产品质量[40]。

感官品评是评价肉与肉制品品质的最直观方法。杨慧娟等[38]研究发现低温乳化肠感官特性各指标（质构、外观和整体可接受度）与T21及其峰面积P21呈显著正相关，与P22呈显著负相关（P＜0.05），可能是由于加热后自由水与不易流动水的转变导致肉糜微观结构和感官品质发生了改变。Hullberg等[47]研究发现除了嫩度与横向弛豫时间T21呈正相关之外，多汁性、肉的风味也均与T21显著相关（P＜0.05），且肉表面不被品评小组接受的小孔的数量也与T2密切相关。

5 LF-NMR在肉品安全检测中的应用

鉴于LF-NMR技术可以对肉中不同状态的水分精确测定，有学者将该技术应用于注水注胶肉的辨别上。王欣等[48]研究发现，随着注水量（注水质量分别占肉糜质量的2%～14%、16%～30%、32%～40%）的增加，肉糜的横向弛豫时间呈延长趋势（R2=0.911 8），且注水程度类似，横向弛豫时间分布也相对集中，而不同注水比例组差异明显。庞之列等[49]同样发现随着猪肉中的注水量增加，T21、T22显著延长，由于P22的增加导致P21的相对比例减少；而P22含量易受外界环境影响，且随着注水量的增大，亮度L*值不断提高，因此T21、P21与L*值相结合可用于检测注水肉。盖圣美等[50]对注水猪肉进行LF-NMR测定得到类似结果，并确定LF-NMR检测注水肉取3 g样品的检测效果最佳。羊肉注射魔芋胶后，T21、T22延长，且P22也随之增加，因此可依据弛豫特性的变化对注胶羊肉进行有效的识别[51]。吴艺影等[52]的研究表明，LF-NMR除了能区分猪肉是否注胶，还能区分注胶的种类、注胶量以及注胶时间。

DFD肉和PSE肉作为常见的异质肉，其保水性异于正常肉。Mortensen等[16]的研究结果表明，LF-NMR技术可以很好地区分冷冻-解冻后的高pH值猪肉与正常猪肉；相比于正常肉，高pH值猪肉T21更长，而T22更短。Bertram则对比了DFD猪肉与PSE猪肉在冷冻贮藏过程中的水分变化，结果表明，在弛豫图谱中，DFD肉的不易流动水与自由水波峰可以清晰区分，而PSE肉中这两个波峰则呈现相连状态，且PSE肉中松散结合水的含量更高[53]。因此基于注水肉、注胶肉、异质肉与正常肉不同的弛豫特性，LF-NMR技术能对其进行快速、无损的鉴别，但在日常应用中仍受条件和设备的限制。

挥发性盐基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）含量、硫代巴比妥酸反应产物（thiobarbituric acid reactive substances，TBARS）值可以反映肉品的新鲜程度，马天兰等[54]研究发现，羊肉中TVB-N含量与T2、T22之间可构建良好的相关性模型（R2＞0.96）。任小青等[24]的研究结果则表明贮藏过程中肉糜的T22除了与TVB-N含量相关，还与TBARS值呈显著正相关（P＜0.05）。这些研究为通过LF-NMR测定弛豫特性来检测肉制品新鲜程度提供了理论依据，但是弛豫特性与肉品中微生物生长规律的关系还缺乏相关的研究。

6 结 语

LF-NMR技术因可以快速测定样品中的水分状态和含量，且成本低、易操作，所以在肉品领域被广泛应用。该技术除了可以检测某一状态下样品中的水分分布，还可以描述肉与肉制品在加工、贮藏、熟制过程中水分的动态迁移。但是LF-NMR技术在肉品加工领域还存在以下问题：1）LF-NMR仅能描述肉品中水分分布和迁移的表象，其中的变化机理还需要与其他指标相结合来进行大量的研究说明；2）由于不同生物材料具有天然的异质性，且不同研究中LF-NMR的仪器型号、设定参数存在差异，所以要保证LF-NMR的测定具有准确性，还需科研人员进行大量的相关研究；3）水分是影响肉品货架期的重要因素，但不同状态水分含量影响微生物生长的相关研究较少，可进行深入探究。目前，已利用LF-NMR技术对检测肉品中水分分布和迁移、检测肉品品质进行了广泛研究，但肉与肉制品水分的存在形式和性质仍在探索，相比于肌肉蛋白，肉与肉制品中水分变化仍需深入研究。