粮油食品低场核磁共振检测技术研究进展

邵小龙 宋 伟 李云飞

（南京财经大学食品科学与工程学院1，南京 210023）

（粮食储运国家工程实验室2，南京 210023）

（上海交通大学农生院食品系3，上海 200240）

随着国内外消费者需求增大和食品加工技术提升，市场上粮油食品种类和数量都有了巨大增长。因食品质量和安全问题，粮油食品质量安全检测技术，特别是快速检测技术受到极大的关注。快速无损检测技术可以快速得到被检样品的理化特性及结构等信息，目前较多应用于粮油食品中的技术有机械视觉、近红外、声波检测和低场核磁等［1－5］。各检测技术依据原理的不同而有各自的侧重点，例如机械视觉技术能获得样品表面信息，但难以获得内部信息；近红外技术有一定的穿透能力，但受表面影响大，并且仅获得部分较透明或较薄样品的内部信息。这两种检测方法都受样品厚度、形状、颜色、大小等影响，而低场核磁技术不受这些因素影响，能检测较厚且不透明样品的内部信息，因此更为通用［1－5］。

基于近年来国内外的研究成果，研究综述了低场核磁共振技术在粮油食品理化指标测定、加工储藏过程品质研究以及该技术在未来应用中所面临的问题和前景，以便给研究人员提供参考，推动该技术在粮油食品领域的研究和应用。

1 低场核磁共振技术简介及原理

自1945年美国物理学家Bloch和Purcell发现核磁共振现象以来，核磁共振作为一种重要的现代分析手段已广泛应用于各领域［6］。核磁共振技术被认为是当代最成功的通用分析技术之一，它能同时检测样品的物理和化学信息，取得样品中质子／核子的唯一指纹信息［7］。核磁共振仪器按照磁体场强来分，可分为高场核磁共振（高分辨率）和低场核磁共振（低分辨率）。高场核磁共振仪常用于研究生物大分子的化学结构分析和医学成像，高场对磁体要求非常高，有些甚至需要配备昂贵复杂的低温超导系统来实现。尽管低场核磁共振技术因分辨率原因不能得到精细的分子结构信息，但能得到分子之间的相互作用引起的信号变化，并且凭借成本低廉的优势，在复杂体系中核子相互作用信息上吸引众多领域的研究。

根据核磁共振原理，采用特定的脉冲序列对样品中具有固定磁矩的原子核（如1H、13C、31P等）进行激发，然后产生一串强度衰减的可检测感应信号。该弛豫信号强度与被测样品中所含核自旋数目成正比（定量基础），信号衰减过程与被测物质的成分结构密切相关（定性基础）［8］。通过数学方法对信号进行反演分析，可获得其他手段难以得到的各种成分和微观结构信息，从而达到检测目的。因此低场核磁共振能利用各种脉冲序列获取食品体系中独特的指纹信息［7］，同时检测到物理和化学特征，具有快速、准确、无损的特点［6］。

低场核磁技术在食品科学领域有着广泛的研究和应用，为粮油食品加工和储藏研究提供了独特视角［5－8］。目前由于低场核磁配件制造技术提升和国产化仪器推广，价格不断降低，加快了低场核磁技术在国内的普及应用。但相对于其他快速检测技术，该技术在国内的应用研究仍处于初始阶段。

2 低场核磁共振在粮油检测中的应用

2.1 粮油食品理化指标的测定

2.1.1 化学成分指标测定

低场核磁目前最成熟的应用技术是直接测定食品中的水和脂肪含量［9－12］。传统测量谷物，油料种子的含水含油量一般采用烘干法和索氏提取法，步骤复杂，并且具有破坏性。使用低场核磁仪器在经过系统标定后，采用哈恩（Hahn）回波序列可以同时测量含水量低于15%的如谷物、油料种子等样品中的水分和油脂含量。对特定样品一次矫正标定后，可以方便快捷的进行大量测量，且操作简单，不需要化学试剂和化学分析人员。该方法也可以用于测量粮食谷物及其制品，动物饲料，奶粉等低含水量产品的脂肪和水分，已经发展成为多个国内标准和国际标准，如《植物油料含油量测定连续波低分辨率核磁共振测定法》（GB／T 15690—2008）、《油籽 －油和水含量的平行测定—脉冲核磁共振分光光度法》（ISO 10565—1998）和《含油种子残渣—油水含量的同时确定脉冲核磁共振光谱方法》（ISO 10632—2000）。近红外技术是比较成熟的粮食饲料成分检测技术之一，但是对于较厚和颜色较深的样品（比如棉花籽中的油脂和蛋白含量），测量结果较差，而低场核磁可以得到较精确的结果［11］。

除了直接测定法外，低场核磁仪器结合化学计量学方法，可间接测定化学成分。Pedersen等［12］将油料种子的反转恢复序列（IR），自由弛豫扩散（FID）和 Carr－Purcell－Meiboom－Gill（CPMG）脉冲序列得到的信号和水、油脂、蛋白质含量数据关联起来，用偏最小二乘法建立两者的预测模型后，根据核磁共振数据可同时快速地算出油料种子这三种成分含量。采用混合脉冲序列得到包含横向弛豫时间及强度、纵向弛豫时间及强度和自由扩散衰减信号的信息，并将这些信息与一些样品属性用化学计量学方法关联起来，能扩大到复杂体系，并得到良好预测效果。如Guthausen等［10］使用混合弛豫信号可同时测量带包装的蛋黄酱、人造奶油、调味沙司等产品的脂肪含量（范围从9.2%到82.1%），相关系数能达到0.994。

2.1.2 物理特性和感官指标测定

传统检测食用油脂固态脂肪含量（或固脂比SFC）通常采用间接测量脂肪发生相变而引起体积的变化换算得到，即热膨胀法（SFI），然而SFI法不仅固态部分脂肪体积发生变化，液态脂肪也会体积膨胀，因此测量结果存在一定的误差，时间长且过程复杂［9］。通过低场核磁可以直接用FID序列对样品在同一温度下进行测试计算得到SFC，该法无需样品称重，不受温度影响，方便快捷，广泛应用于食用油脂、鲜肉、快餐、鱼类产品等等固态脂肪含量测定［9－10］，已经成为国际标准（AOCS cd 16－81，AOCS cd 16b－93）。Goudappel等［13］用梯度场脉冲模拟回波序列测量水包油乳化体系中乳液大小及分布，与常规方法相比具有更好的相关性；Van Duynhoven等［14］使用3台低场核磁仪器两种不同的梯度脉冲序列测量油包水或水包油体系中的水滴和油滴的大小，测量速度和精度都高于普通的测试方法。

低场核磁共振技术除了可以测定理化指标，还可以测定感官指标。如Choi等［15］发现天然和丙基羟基化小麦淀粉凝胶的横向弛豫信号和硬度之间有非常高的相关性。Engelsen等［16］将焙烤面包的CPMG脉冲序列得到的横向弛豫信号与面包的硬度参数关联起来，建立基于偏最小二乘模型（PLSR）和多元回归（MLR）的面包硬度测量模型。Thybo等［17］分别用24种生土豆化学组成成分数据、质构仪数据、近红外信号和低场核磁信号预测煮熟土豆的硬度、坚度、弹性、黏度、颗粒感、粉质感等9种感官质构属性参数。

2.2 粮油食品加工储藏过程变化分析

低场核磁技术作为一种有效的表征手段（主要利用CPMG脉冲序列），可以研究粮油食品储藏加工过程的成分和状态变化，包括淀粉糊化凝胶［18－20］、蛋白质变性、油脂融化［21］、玻璃态转变过程［22－24］等等。Tananuwong等［18］研究不同含水量，不同温度下蜡质淀粉、玉米淀粉、野生玉米淀粉和土豆淀粉的糊化程度的低场核磁表征手段和结果。Micklander等［19］连续测量了新鲜和盐腌土豆蒸煮、再加热和冷藏／冻藏过程，用低场核磁研究土豆中淀粉的糊化凝胶、老化和回生等各种状态。Ruan等［20］通过分析不同含水量的面团横向弛豫信号的离散分布和连续分布来研究小麦面团中异质性和分子状态。Le Grand等［21］研究蛋糕的焙烤过程，用低场核磁检测蛋糕不同层次中的淀粉糊化程度和脂肪在各层之间的转移情况。Lloyd等［22］将低场核磁用于测定玻璃化转变的起始温度，并结合差示扫描量热仪（DSC）研究了喷雾干燥的无定形乳糖结块的机制及与玻璃化转变温度的关系。林向阳等［23－24］使用低场核磁测量玻璃化转变温度Tg，建立了NMR状态图，用于获得食品聚合物的玻璃态转变温度以及在玻璃态转变前后理化特性的变化。

2.3 一些专题应用研究

2.3.1 掺假快速检测技术研究

近年来，涉及人为掺假的食品安全问题发生较多，低场核磁技术在蜂蜜掺假、牛奶掺假［25］、油脂掺假［26－28］等食品安全检测研究中均有应用。其中地沟油就是非常典型食用油脂掺假问题之一，尽管目前很多机构使用了各种检测手段，但是由于地沟油来源复杂和现已成熟的炼油技术，使得油脂掺假检测成为目前没有完全解决的问题。王乐等［26］使用核磁共振法检测地沟油与食用植物油互掺后的混合油脂，通过测量和比较0℃及10℃温度下的固体脂肪含量来鉴别食用植物油掺假。周凝等［27］利用CPMG脉冲序列测量掺入米糠毛油的食用油，通过比较横向弛豫图谱，找到掺伪特征峰，并建立掺伪特征峰面积与掺入毛油量的线性回归模型。Zhang等［28］利用CPMG脉冲序列测量掺入煎炸老油的食用油，从横向弛豫图谱中找到掺伪油的特征峰。以上研究表明，低场核磁共振技术能够检测部分油脂掺假问题，因此可以作为地沟油的快速初筛检测方法之一。

2.3.2 粮油食品储藏加工过程中的成像研究

低场核磁共振仪器还有一项重要功能是进行无损成像，可以用于检测食品的内部结构和缺陷、油脂与水的分布和转移变化。低场核磁共振仪器通过专门的成像脉冲序列如自旋回波序列（SE）、反转恢复序列（IR）和梯度回波序列（GRE），然后用线性梯度磁场进行空间编码得到核磁图像（MRI）。基于低场核磁成像获得的样品剖面图纹理信息提取分析，可以得到内部结构信息，用于检测果蔬的成熟度，内部瘀伤，是否有籽粒［29－30］、组织崩溃、热／冷害、虫害或微生物腐烂、储藏软化过程等等［31－32］，还用于检测食品内部中的油脂和水分空间分布［33－34］，监控食品加工储藏过程中的水分和油脂转移情况等［35－36］。如Mariette［37］综述了低场核磁成像技术用于研究食品加工和储藏中的蛋白质、淀粉等凝胶系统的应用。还可以使用化学计量学方法，结合图像纹理信息用于测量成分含量，预测硬度等等。如Thybo［38］对生土豆进行核磁成像，得到内部结构和解剖学信息，然后将提取图像的信息参数与煮熟土豆的感官质构信息相关联，建立偏最小二乘预测模型用于定量测量土豆的感官质量参数。

低场核磁成像能得到较大尺寸样品（如面团，淀粉凝胶，玉米棒等）的内部清晰结构图，然而对于小麦、稻谷、玉米粒、大豆、芝麻等较小粒径的样品则分辨率不足，只能显示较简单的结构轮廓。核磁显微成像技术（MRM）理论上是可以达到纳米尺度显微成像，目前高场核磁显微成像的最高空间分辨率是4 μm，已经可以接近一般的光学显微镜成像的水平，广泛用于疾病和药物的动物模型研究中［39－41］。但是对于低场核磁显微成像而言，由于磁体场强较低，仍然成像质量较差，有待发展。

3 总结与展望

尽管已经在粮油领域有许多成熟的实际应用，低场核磁技术的检测能力并没有完全被开发，仍有许多研究工作值得去深入。一方面仪器本身技术有待提高，如优化硬件和算法、提高核磁信号解谱速度和稳定性、提高低场成像技术速度和清晰度、发展显微成像技术等等。另一方面低场核磁共振技术目前在粮油食品中的基础应用不够系统，有待全面深入的研究，并建立完善的核磁共振谱数据库；同时，粮油食品的在线检测技术有待开发。

核磁共振技术具有无损、快速、准确地获得样品内部信息的优点，特别是出现较为廉价的国产低场核磁仪器后，引起了国内众多领域学者的研究兴趣。由于粮油食品的储藏品质涉及到粮食质量安全，已经越来越受到了国家农业、粮食相关部门的重视。低场核磁检测技术在粮油等食品贮藏和加工中将不断地发挥越来越大的作用。

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