基于低场核磁共振检测海南瑞今黑猪肉

杨芳，许建梅，王瑞军，林卿

基于低场核磁共振检测海南瑞今黑猪肉

杨芳，*许建梅，王瑞军，林卿

（海南医学院信息技术部，海南海口571199）

基于低场核磁共振检测海南瑞今黑猪肉的水分性质和含量，并讨论了核磁共振分析仪检测肉品的参数设定。横向弛豫时间图谱可以表明肉品内水分的分布及其状态改变，从分子水平探讨海南瑞今黑猪肉与普通瘦肉型猪肉的差别。关键词：低场核磁共振；海南瑞今黑猪肉；横向弛豫时间图谱

海南瑞今黑猪是依靠海南当地黑猪母猪与外来品种杜洛克杂交后所生的后代，生长在富含微量硒元素水质的海南省澄迈县，采用生物饲料喂养、生态放养的养殖。对屠宰后的生猪采用冷链物流体系，使肉品始终处于0～4℃的冷链之下，整个过程能有效抑制微生物和细菌的生长繁殖。

海南瘦肉型猪养殖大都是圈养，用饭店剩菜和玉米、麸皮、豆粕等作为饲料喂养，前一天晚上或凌晨宰杀，早晨上市，在这期间并没有经过任何降温处理。在加工、运输和销售过程中，容易受到空气中细菌和病毒、车辆、包装等的污染。因为肉品处于温度相对较高环境中，细菌会大量繁殖，存在着安全隐患[1]。

水分占肉品的75%以上，肉品中的物理和化学变化都与水分有关[2]。因此，水分的分布和状态改变是肉品品质变化的重要影响因素。核磁共振是指具有磁性的原子核在静磁场的作用下，核能级发生分裂。当满足一定能量条件的外加射频电磁波作用于原子核系统时，原子核吸收入射电磁波能量，从低能级跃迁到相邻高能级的现象。关闭射频脉冲后，氢核由激发态恢复到平衡状态的时间与氢核的状态及所处的物理环境、化学环境有关[3-4]。因此，可以用横向弛豫图谱体现肉品中水分的性质、分布及其动态信息。低场核磁共振检测技术，具有检测迅速、对操作人员要求低、对样品无损等优点[5]。

海南瑞今黑猪肉是绿色有机猪肉，其价格比普通猪肉高1倍，其对生猪的养殖、屠宰、运输、销售等环节实施全程监控，有利于确保猪肉食品的质量安全。然而质量检测部门缺少有效的手段区分绿色有机猪肉和普通猪肉，供应商也有认证难的问题。试验用低场核磁共振技术检测2种猪肉水分分布及其状态的差别，为海南瑞今黑猪肉作为品牌猪肉提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 样品

海南瑞今黑猪的猪后腿肉，海南瑞今投资控股有限公司提供；普通瘦肉型猪后腿肉，海口农工贸股份有限公司提供。

1.2 仪器与设备

1.3 低场核磁共振检测

采用CPMG（硬脉冲回波）序列检测肉品的横向弛豫图谱，由于设置不同的序列参数，对采样信号的信号强度和信噪比有很大影响，设置合适的序列参数[6]，可得到幅值大、信噪比高的信号，且有利于提高检测效率，可保证采样信号的准确性、稳定性和重复性[7]。因此，这里有必要说明试验对序列参数的设置。

（1）肉品质量。肉品质量越大，所含氢核的数量也就越多，核磁共振的信号强度越大，试验采用仪器的口径为60 mm。为了得到一个较强的采样信号，把肉品放置在磁场均匀性较好的磁共振中心位置，因此选择质量为15±0.02 g的猪肉。

（2）磁体温度。磁体温度在32±0.02℃时，磁场稳定，均匀性好；超过磁体温度范围，检测到的磁共振信号非常差。

（3）P1，P2。肉品放入恒温水浴锅至32℃（使肉品与磁体温度一致）后置于核磁共振分析仪的磁场中心，寻找中心频率后，用FID序列寻找合适的90°脉宽P1和180°脉宽P2。测量得到P1（μS）=16，P2（μS）=34。

（4）RG1，DRG1，PRG。由于核磁共振本身的信号很小，所以需要通过硬件来放大信号，而信号放大倍数太大，又会使信号失真。因此，设置RG1（dB）=20，DRG1=3，PRG=1。

（5）RFD。射频延迟RFD，即采样开始时间，是指通过延迟90°脉冲的施加时间用来控制第1个采样点的采样时间。由于信号接收的时间是固定的，可以通过设置合适的RFD来控制接收机采样时间。若RFD过大，90°脉冲施加的时间在接收机开始采集信号之前，采样信号会包括一段未发生核磁共振的信号；若RFD过小，接收机开始采样的信号就包括了90°脉冲的信号和零荡信号。通常选择90°零荡结束的第1个不受零荡干扰的幅值最高点作为起始点。设置RFD=0.01。

如今智能仓储机器人是采用地贴码进行运作的，如若能够研发出红外线式或者雷达式机器人，通过红外或是雷达感应来自动寻找最短路径，既能省去人工规划路线的步骤，又能避免因避让其他机器人而绕远路。这样就能大大节省机器人搬运时间，提高拣货效率。

（6）TW。TW是重复采样等待时间，是前一次采样结束后，等待一定的时间，氢核的纵向磁化强度才能恢复到平衡状态。等待时间足够长，纵向磁化强度完全恢复到磁化强度矢量最大值M0；若等待时间短，纵向磁化强度没有恢复至M0，则下一次采样得到的信号幅度会减小。TW长，纵向弛豫恢复越完全，信号强、信噪比大，但采样时间长，影响检测效率；TW短，纵向弛豫没有完全恢复，采样信号幅值较小。一般情况，TW大于等于纵向弛豫时间T1的5倍。因此，设置TW=4 500 ms。

（7）TE。回波时间TE不仅会影响CPMG序列回波幅值的最大值，还会影响信号的总弛豫时间大小。TE越长，氢核的自扩散作用越强，弛豫时间越长；TE越短，横向磁化强度的衰减越不明显，能得到较强信号，有较好的信噪比。系统要求回波时间TE大于6倍的P1值。因此，设置TE=0.22 ms。

（8）SW。若采样频率SW过小，很可能会丢失样品中的有效信息；SW越大，采样时间越短，较大的样品频率有利于获得完整的样品信息。样品的弛豫时间越短，需要设置的SW越大。设置SW=100KHz。

（9）NECH。随着回波个数NECH的增加，CPMG回波曲线的横向弛豫区间变大。一般而言，回波个数应设置的足够大以使信号完全衰减。但NECH过大，则会延长测定时间、降低试验检测效率、降低采样信号信噪比；过小则会丢失样品中的有效信息。理论上，NECH是使样品弛豫的最小回波数，在图像上使得信号占窗口的1/3。设置NECH=5 000。

猪肉的采样信号见图1。

图1 猪肉的采样信号

（10）TD。采样点数TD，在CPMG试验中，软件根据设置的SW和NECH，自动计算TD。

（11）NS。重复采样次数NS一般为2的倍数，NS大，采样信号的信噪比高，但扫描时间长；NS小，数据信噪比差。设定NS=8。

2 结果与分析

2.1 海南瑞今黑猪肉和普通瘦肉型猪肉低场核磁共振分析

海南瑞今黑猪肉T2弛豫图谱见图2，普通瘦肉型猪肉T2弛豫图谱见图3。

图2 海南瑞今黑猪肉T2弛豫图谱

图3 普通瘦肉型猪肉T2弛豫图谱

图2 和图3给出的2种猪肉质量都为15±0.02 g，其变化趋势大致相同。图中都有3个峰，这3个峰分别代表结合水T21（0～10 ms）、不易流动水T22（10～100 ms）、自由水T23（100～1 000 ms），其中T21表示蛋白质分子表面的极性基团与水分子紧密结合的水分子层；T22表示存在于肌纤丝、肌原纤维及膜之间的不易流动水，容易受蛋白质结构和电荷变化的影响；T23表示存在于细胞外间隙中能自由流动的水，依靠毛细管作用力而保持[8-9]。从图中可以看出随弛豫时间的延长，T21的峰面积变化不大，T22峰和T23峰都逐渐左移，T22的峰面积逐步减小，而T23的峰面积逐步增大。这是由于随着贮藏时间的延长，肉中的肌纤维逐渐由松散变得紧密，不能吸附更多的水分，肉品中存在于肌原纤维及膜之间的不易流动水流动到细胞外的间隙，转变为自由水，从而使得不易流动水减少、自由水增多。而总峰面积逐渐减小，是由于随着时间的延长，肉品中微生物的生长消耗了部分水分，导致猪肉的总水分含量降低。

2.2 海南瑞今黑猪肉与普通瘦肉型猪肉横向弛豫比较

海南瑞今黑猪肉与普通瘦肉型猪肉的T2比较见图4。

图4海南瑞今黑猪肉与普通瘦肉型猪肉的T2比较

图4 给出相同质量的海南瑞今黑猪肉和普通瘦肉型猪肉在同一时间的横向弛豫T2反演结果比较，从图4中可以看出，质量相同的2种猪肉，海南瑞今黑猪肉的T22峰面积比普通瘦肉型猪肉T22峰面积大，说明海南瑞今黑猪肉存在于肌原纤维及膜之间的不易流动水较多，因此肉质较嫩。海南瑞今黑猪肉与普通瘦肉型猪肉的T21和T23峰面积相差较小，但海南瑞今黑猪肉的T23峰顶点时间比普通瘦肉型猪肉T23峰顶点时间小。弛豫时间越短说明水分与底物结合越紧密，弛豫时间越长说明水分越自由[10]。也就是说普通瘦肉型猪肉的自由水与底物的结合较松，其自由水流动性稍大一些。

普通瘦肉型猪肉与海南瑞今黑猪肉T21峰顶点时间随时间的变化见图5，普通瘦肉型猪肉与海南瑞今黑猪肉T22峰顶点时间随时间的变化见图6，普通瘦肉型猪肉与海南瑞今黑猪肉T23峰顶点时间随时间的变化见图7。

图5 普通瘦肉型猪肉与海南瑞今黑猪肉T21峰顶点时间随时间的变化

图6 普通瘦肉型猪肉与海南瑞今黑猪肉T22峰顶点时间随时间的变化

图7普通瘦肉型猪肉与海南瑞今黑猪肉T23峰顶点时间随时间的变化

图5 ～图7分别给出普通瘦肉型猪肉与海南瑞今黑猪肉T21，T22，T23峰顶点时间随时间的变化，从图中可以看出海南瑞今黑猪肉的峰顶点时间T21比普通瘦肉型猪肉的低，说明海南瑞今黑猪肉的大分子蛋白与水分的结合较紧密，随着时间的延长，T21的峰顶点时间都逐渐增大，水分与大分子的结合逐渐松散；T22和T23的峰顶点时间都随时间呈阶段性减小的变化，是由于自由水和不易流动水的含量变少，氢核的数量减少，由激发态到平衡态所需的时间短，所以弛豫时间变短。

普通瘦肉型猪肉与海南瑞今黑猪肉T22峰面积比例随时间的变化见图8，普通瘦肉型猪肉与海南瑞今黑猪肉T23峰面积比例随时间的变化见图9。

图8 普通瘦肉型猪肉与海南瑞今黑猪肉T22峰面积比例随时间的变化

图9普通瘦肉型猪肉与海南瑞今黑猪肉T23峰面积比例随时间的变化

图8 和图9分别给出普通瘦肉型猪肉与海南瑞今黑猪肉T22，T23峰面积比例随时间的变化。从图中可以看出，不易流动水所占的比例高，占80%以上，其次为自由水、结合水，随着贮藏时间的延长，海南瑞今黑猪肉和普通瘦肉型猪肉的T23峰面积比例都随时间逐步增大，T22峰面积比例都随时间逐步减小，是由于不易流动水转变为自由水。海南瑞今黑猪肉比普通瘦肉型猪肉的T23峰面积比例高，说明其自由水含量较多，但其与底物的结合较紧。

3 结论

从结合水、不易流动水、自由水的峰顶点时间和峰面积比例中可以看出2种猪肉的差别，相对普通瘦肉型猪肉，海南瑞今黑猪肉的不易流动水含量较高，因此肉质较嫩。随着贮藏时间的延长，不易流动水转化为自由水，使得不易流动水的含量减小而自由水的含量增大。海南瑞今黑猪肉比普通瘦肉型猪肉的自由水T23顶点时间低，但T23峰面积比例高，说明海南瑞今黑猪肉细胞膜间隙与水之间的结合紧密而且水含量高。用低场核磁共振技术，可以区分海南瑞今黑猪肉和普通瘦肉型猪肉。

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[6]吉强，洪洋.医学影像物理学[M].北京：人民卫生出版社，2016：156-186.

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Detection ofHainan Ruijin Black Pork Based on Low-field Nuclear Magnetic Resonance

YANG Fang，*XU Jianmei，WANG Ruijun，LIN Qing
（Department of Medical Information，Hainan Medical College，Haikou，Hainan 571199，China）

This study is based on low field nuclear magnetic resonance（LF-NMR）to detect water content in Hainan Ruijin black pork，and discuss with parameter setting of LF-NMR analyzer in meat.Transverse relaxation time spectrum can show the distribution and state of water change in meat，and to explore the Hainan Ruijin black pork and common lean pork differences at the molecular level.

LF-NMR；Hainan Ruijin black pork；transverse relaxation time spectrum

TS251.1

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.07.011

1671-9646（2017）07a-0035-04

2017-05-13

海南医学院教育科研项目（HYZX201603）。

杨芳（1983—），女，硕士，讲师，研究方向为核磁共振成像与分析。

*通讯作者：许建梅（1962—），女，硕士，副教授，研究方向为医学影像物理成像。