基于LF-NMR技术鉴别不同干燥方式牛肉干产品

朱莹莹，张中会，张丽，耿景秋，杨世燕

1. 苏州市职业大学食品营养与检测系，食品营养与安全中心，苏州市大学生营养与健康促进基地（苏州 215104）；2. 苏州纽迈分析仪器股份有限公司（苏州 215151）

牛肉干以牛肉为主要加工原料，经腌制、熟制、干燥等工艺加工而成，牛肉干中富含蛋白质、矿物质、维生素等多种营养成分，是大众普遍喜爱的产品之一[1]。干燥是牛肉干生产的关键工序，可以降低牛肉干内部水分活度，减缓生化反应，延长货架期。不同的干燥方法对牛肉干物性特性有不同影响，从而影响牛肉干品质。工厂常用的干燥方法有风干、热风干燥、烘房干燥[2-3]，其中风干主要依靠自然条件控制，温度难以调节，干燥效率较低，且不同批次间产品品质不稳定，易受空气等环境污染。热风干燥和烘房干燥可以控制干燥温度，减少空气对产品的污染，制得的牛肉干产品品质较优，但受传热效率影响，产品内外干燥程度不均一，表面结痂变硬现象严重[4]。研究表明，不同干燥方式加工的牛肉干产品其品质间存在显著差异，如何快速检测不同干燥方式牛肉干产品对检测部门和消费者快速了解该批次牛肉干的品质有指导意义。

低场核磁技术（low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）是一种无损、快速的检测方法，被广泛应用于食品安全检测领域[5]。研究表明干制品内部水分组成和产品品质间存在相关性。Du等[6]研究不同酶对去除马铃薯果肉中的果胶及干燥特性的影响，同时使用LF-NMR技术对结果进行验证，结果发现核磁数据与干燥特性结果可以一一对应。Kamal等[7]研究苹果干燥过程中水分的动态变化及迁移规律，结果发现LFNMR技术可以真实反映出苹果干燥过程中水分及其制品品质的动态变化。Li等[8]利用LF-NMR技术研究了山药干燥过程中水分迁移机制和品质变化间的关系，结果显示山药的介电特性与LF-NMR参数之间存在明显的相关性。Wu等[9]研究发现蛹虫草干燥过程中收缩率与核磁各部分水的峰面积及总的峰面积存在显著相关性。通过核磁数据可以确定干燥过程中产品品质变化的重要水分控制点，预测食物脱水中的水扩散，同时与质构、品质指标存在一定的相关性，说明低场核磁共振技术应用到食品品质的快速检测上具有可行性。

试验采用低场核磁共振技术并结合主成分分析方法建立自然风干燥、热风干燥、烘烤干燥3种干燥方式的低场核磁共振弛豫谱特征鉴定方法，以期为牛肉干品质的快速鉴别提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜牛后腿肉（市售）；核磁共振成像分析仪NMI20-040V-I（苏州纽迈分析仪器股份有限公司）。

1.2 牛肉干干燥加工流程

牛后腿肉去筋膜后切成5 cm×1 cm×1 cm的柱状，添加1.5%食盐，于4 ℃冰箱腌制12 h后，分别置于空气中（配置风扇）、热风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）中和烘箱中，温度分别设置为20，50和160 ℃，质量减少至40%视为干燥结束。

1.3 LF-NMR检测方法

环境温度23.3 ℃，环境湿度79.1%。仪器共振频率23.40 MHz，磁体强度0.55 T，线圈直径25 mm，磁体温度32 ℃，选用CPMG序列。T2测试条件：SFO1（MHz）=24.00 MHz，P1=5.8 μs，P2=9.6 μs，TE=0.08 ms，TW=3000 ms，NECH=6000，PRG=2，NS=8。使用仪器自带的核磁共振分析测量软件分析样品的横向弛豫信号，采用SIRT 100000进行反演，得到不同干燥方式牛肉干样品的横向弛豫图谱。

1.4 统计分析

用仪器自带的核磁共振分析测量分析反演软件对采集到的CPMG衰减曲线进行反演拟合，同时对CMPG序列数据及反演数据进行归一化处理，利用SIMCA-P 11.5对归一化处理后的CPMG序列数据做主成分分析（principal component analysis，PCA），使用R4.0.2软件的hclust包对归一化后的CMPG序列数据进行聚类分析，采用Origin 8.5.1软件对采集到的数据进行画图处理。

2 结果与分析

2.1 不同加工方式牛肉干样品T2弛豫特性分析

利用LF-NMR技术测定不同干燥方式牛肉干样品的T2弛豫特性，根据T2弛豫时间的不同，可以很容易地区分肉与肉制品内部不同状态的水分分布，水分分布状态会影响牛肉干产品的口感和品质。反演后的测试结果显示牛肉干样品中有3个峰，如图1所示，包括T21（0.05～1.72 ms）、T22（1.72～98.51 ms）和T23（77.53～541.59 ms），根据出峰时间可认为，3个峰代表牛肉在加热过程中水分的3种不同存在状态：结合水、不易流动水和自由水。不同干燥方式牛肉干样品的T2弛豫特性存在显著差异，自然风干和烘烤干燥的牛肉干样品中结合水占比较高，而热风干燥的牛肉干样品中不易流动水占比较高。

图1 不同干燥加工方式牛肉干样品T2横向弛豫时间变化

图2为不同加工方式下牛肉的CPMG序列回波峰点图。牛肉干样品，因内部水分组成不同，产生的信号大小不同，衰减速度也不同。烘烤和自然风干的牛肉样品内部水分自由水含量较少，产生的NMR信号较弱，衰减速度较快。

图2 不同干燥加工方式牛肉干样品的CPMG序列回波峰点图

从峰的个数和峰的组成比例（如图3所示）上看，自然风干和烘烤干燥的牛肉干样品中主要存在2个峰，自然风干的牛肉干中主要存在T22和T23这2个峰，即不易流动水和自由水，峰面积占比A22、A23分别为85.81%± 5.34%和13.36%±5.39%；而烘烤干燥的牛肉干样品中主要存在T21和T22这2个峰，即结合水和不易流动水，峰面积占比A21、A22分别为83.84%±1.88%和15.89%± 1.89%。热风干燥的牛肉干样品中存在3个峰，包括T21、T22和T23，根据出峰时间可认为，即结合水、不易流动水和自由水，峰面积占比A21、A22、A23分别为11.07%±0.46%，86.51%±1.28%和2.42%±1.11%。说明不同干燥方式牛肉干样品内部水分组成存在显著差异。

图3 不同干燥加工方式牛肉干样品T2峰面积组成变化

2.2 不同加工方式牛肉干样品CPMG序列数据聚类分析和主成分分析

使用R软件和SIMCA-P软件对不同干燥方式加工的牛肉干样品归一化的CPMG序列回波峰点数据进行聚类分析和主成分分析。

由图4可知，不同干燥方式的牛肉干样品CPMG序列回波峰点数据间存在较远距离，表明3组牛肉干样品间T2弛豫特性存在较大差异。自然烘干、烘烤干燥加工的牛肉干样品与热风干燥加工的牛肉干样品间存在较远距离，说明相比另外2种干燥方式，热风干燥的牛肉干样品内部水分组成差异较大。3组组内8个样品间的距离较近，说明各组组内差异较小，牛肉干内部水分组成情况主要受干燥方式影响。

图4 不同干燥加工方式牛肉样品CPMG序列聚类分析

图5为不同干燥方式的牛肉干样品CPMG序列回波峰点数据的主成分分析结果。低场核磁共振技术主要通过研究样品内部氢原子核在永磁场中的自旋弛豫特性，分析样品的T2弛豫时间变化来研究被测样品中的氢质子特性，水分子中含有大量的氢质子，因此通过核磁信号可以直观地反映待测样品内部水分组成状态。不同干燥加工方式牛肉干样品内部水分状态存在较大差异，可以直接反映到PCA得分图上。第1主成分PC1贡献率为94.31%，第2主成分PC2贡献率为5.28%，PC1和PC2的贡献率之和超过99%，说明主成分分析可以较完整地反映原来牛肉干样品中CPMG多指标的数据信息，PC1可以将3种不同干燥方式的牛肉干样品完全分开，可以用来解释干燥方式的组间差异。PC2可以用来解释不同干燥方式的组内差异，样品点之间的距离越远，说明样品间差异越大。由此得出，热风干燥牛肉干样品和烘烤干燥及自然风干牛肉干样品间存在较远距离，在PC1方向上可以得到准确区分。烘烤干燥及自然风干牛肉干样品的CPMG序列回波峰点数据间距离较近，但仍存在一定差异，可以在PC1方向上区分并在PCA得分图上很好地体现出来。低场核磁共振技术在快速鉴别产地和掺假上有较大的优势，姜潮等[10]曾提出一种基于低场核磁共振技术的快速、无损鉴别不同品种大米的方法。结合主成分分析法，低场核磁共振技术可以快速鉴别纯牛乳和掺入不同物质的掺假牛乳[11]。Ribeiro等[12]研究发现LF-NMR技术可用于区分纯蜂蜜和掺配玉米糖浆的蜂蜜。这些研究均表明低场核磁共振技术应用到食品品质的快速检测和鉴别上具有可行性。

图5 不同干燥加工方式牛肉样品主成分分析

3 结论

低场核磁共振技术在样品检测过程中无需添加任何化学试剂，制样方便，既没有复杂的前处理过程，样品也不会被污染和破坏，且检测时间短，是一种无损、快速的检测技术。结合聚类分析、主成分分析法等化学计量学分析方法，低场核磁共振技术能有效反映不同干燥加工方式牛肉干样品内部水分组成差异。试验结果为低场核磁共振技术在牛肉干品质的快速鉴别和检测的应用上提供理论依据和实践支撑。