低场核磁共振技术在肉制品加工工艺中的应用

屈兰兰，吴 月，何 珊

（蚌埠学院食品与生物工程学院，安徽 蚌埠 233030）

0 引言

低场核磁共振（Low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR） 技术具有出色的快速性、无损性和精准性，在诸多方面被广泛应用[1]。该技术通过测量氢核在磁场中的松弛特性来确定研究对象的不同水分状态，因此在食品加工、检测等领域有诸多研究空间。详细介绍了LF-NMR 技术的基本原理，并根据现阶段相关研究成果，综述了LF-NMR 技术近年来在肉制品腌制、干制、熟制、发酵、冷冻、品质优化等加工工艺中的最新研究结果，为LF-NMR技术在肉制品方面的应用提供新的思路和理论依据。

1 低场核磁共振原理概述

核磁共振（Nuclear magnetic resonance，NMR）光谱学是最强大和最通用的分析技术之一。核磁共振成像的基本原理是利用氢原子产生磁共振现象。（H） 用某一频率的RF 脉冲在强磁场中激发该原子。利用空间编码技术，获取氢原子射出的RF 能量，并将RF 能量与质子密度和弛豫时间等参数相结合，经计算机处理、变换后，得到最终RF 图像[2]。可应用于液体或固体材料，在食品科学领域越来越受欢迎。核磁共振按其空间分辨能力可划分为高空间分辨（高场） 与低空间分辨（低场） 两大类。高场主要是研究样本的化学属性，而低场核磁共振则是研究在0.5 T 以下磁场的样品，其研究对象一般是样品的物理性质[3]。以氢核（1H） 为研究对象的低场核磁共振技术是当前最常用的。因此，LF-NMR 可以很好地应用于肉制品多种指数的测定中[4]。

低场核磁共振仪技术原理示意图见图1。

图1 低场核磁共振仪技术原理示意图

2 LF-NMR 在肉制品加工工艺中的具体应用

2.1 LF-NMR 在肉制品腌制加工工艺中的应用

腌制作为肉制品加工的一个重要工艺，具有保鲜和提高肉类产品质量的作用[5]。通过检测腌制肉制品中水分的变化，对于提高腌制肉制品品质、改良其风味特性及延长货架期具有重要意义。佟荟全等人[6]采用低场核磁共振和组织切片技术，研究了滚揉机辅助腌制和超声与滚揉机联合腌制对淘汰鸡胸肉的嫩度和水结合能力的影响。结果表明，超声和滚揉机联合腌制可以促进腌制效果，提高肌肉的水结合能力和嫩度。谢思芸等人[7]采用LF-NMR、电子显微镜等技术，系统地分析真空腌渍处理前后鱼肉水分迁移及组织结构的变化。结果表明，真空腌制处理后，鱼肉中水分的运移、组织结构的改变在鱼的腌渍处理中，与凝胶化表现出良好的相关性。Mcdonnell C K 等人[8]通过LF-NMR 研究腌制猪肉表明，随着NaCl 腌制液浓度的增加，猪肌肉纤维内的含水量（P21） 逐步增加，肌肉纤维外部的含水量（P22）逐步减少，LF-NMR 能够准确判定腌制肉制品保水能力。

2.2 LF-NMR 在肉制品干制加工工艺中的应用

干制是肉类产品的一种重要加工方法，而干制即为水分的挥发，直接关系到产品的最终品质。梁钻好等人[9]通过低场核磁共振研究了在干燥和复水过程中虾肉中的水分分配和运移规律，LF-NMR 分析显示，在复合干燥的虾肉中，不易流动水的下降速度比较慢，并促进了一些不易流动水向结合水的方向移动，从核磁共振成像图像可以看出，整个虾肉中的信号值变化很小，这是一种轻度的脱水。卞瑞姣等人[10]采用低场核磁共振技术，对腌制工艺中的试样进行了水分存在状态的研究。MRI 图像及假彩色图像显示，干燥后的秋刀鱼油水平衡发生了变化。李欣等人[11]、谢小雷等人[12]通过微波干燥的方式发现，T21 的缩短使得非流动水的流动性减弱，而变形的结合水则拥有更长的横向驰豫时间及更大的自由度。此外，通过将中红外线与热风结合干燥的牛肉干，其T21 和T22 的延伸也得到了证实，最终这些水被吸附到牛肉干的表面，并且被迅速地消散。通过对肉制品熟制和干燥过程的研究，可以清楚地看出蛋白质变性、肌肉结构变化及水分变化等多种复杂变化，而且这种变化呈现出逐步性、多样性。为了更加准确地观测干燥过程中水分在肉中的运动及其变化，核磁共振成像技术可以提供一种有效的方法，从而实现对肉制品更精准的干燥把控。

2.3 LF-NMR 在肉制品熟制加工工艺中的应用

在肉制品加工工艺中，熟化处理是确保肉制品卫生美味的重要手段[13]。随着温度的上升及加热时间的增加，会产生大量的水分迁移。王雪等人[14]的试验结果显示，随着煎炸温度的提高，牛柳条干的T21、T22 逐渐变短，而P21、P22 则明显下降（p＜0.05），其原因很可能是因为煎炸时，肉中的蛋白质发生了退化，或是油脂的渗入限制了牛柳条干纤维中的水分。T2b，T21，T22 随煎煮温度的升高而增加，T22随煎煮温度的变化最明显[15]。孙红霞等人[16]却发现，同样的加热时间，牛肉的T21 随加热温度的升高而变短，这很有可能是因为牛肉在加热过程中，肌肉中的一些水分被挤压出来，而水分中保留的水分氢键能变大，从而导致了T21 缩短。王永瑞等人[17]研究表明，随着烘烤时间的延长，各羊肉的T2 驰豫时间明显变化，各羊肉的水分流动性下降。刘丽美等人[18]的研究表明，牛肉的T21 和T22 弛豫时间在较高的焙烧温度下明显下降，这是由于水在肌肉纤维内的结合及水在较高焙烧温度下与蛋白质的紧密结合。因此，结合LF-NMR 分析水分分布、肌纤维结构和脂肪定量来评估咀嚼性，表明了LF-NMR 方法的多功能性。通过应用LF-NMR 技术，能够更加精细、全面、客观地分析肉类产品的结构特征，从而提高其质量。

2.4 LF-NMR 在肉制品发酵加工工艺中的应用

发酵肉制品是一种历史悠久的食品，具有独特的风味和较长的货架期，从而受到广泛的好评[19]。将新鲜肉类磨碎后与辅助物混合制作而成的腊肠是一种重要的肉制品分类[20]。目前，LF-NMR 技术已被用于腊肠加工中水分的测定。为了更好地了解这一过程，郇延军等人[21]采用低场核磁共振方法，探究山梨糖醇对发酵香肠加工过程中3 种不同水分变化的影响，以及其对肉制品酵香肠保水性的影响。通过LF-NMR 弛豫时间的研究，通过LF-NMR 技术，Zhang J 等人[22]通过对去骨架腌火腿的风味代谢组学进行了深入的研究，发现了包含28 种化合物，其中以氨基酸、有机酸和核苷酸衍生物为主。另外，Zhang J 等人[23]还对发酵香肠中的代谢产物进行了细致的分析，结果表明，谷氨酸、赖氨酸、丙氨酸和亮氨酸等氨基酸代谢产物是火腿味的主要组成，这些氨基酸代谢产物的组合为发酵香肠带来了特殊的风味。

2.5 LF-NMR 在肉制品品质冷冻加工工艺中的应用

通过LF-NMR 技术，可以有效地检测冰晶对肌肉细胞结构的影响，从而为冻融研究提供有力支持，有效降低解冻损失，提升肉类质量和产量[24]。马莹等人[25]采用低场核磁共振技术，对-14，-18，-22 ℃3 种温度条件下，肉品水分状态的变化进行了分析。结果显示，在一定的降温过程中，结合水将逐步向游离水转化。当温度超过玻璃化转变温度时，牛肉的含水量明显减少，保水率明显降低。沈秋霞等人[26]进行了低场核磁共振和电子鼻技术对冷藏虹鳟鱼片品质的影响研究，研究发现，经LF-NMR 技术处理后，2 组鱼片的T21 振幅在贮存过程中均呈递减趋势，但在贮藏后期（12～14 d)，采用保鲜剂组的自由水百分数较对照组显著下降（p＜0.05）。在调查中，2 个小组中的自由水所占的比率都明显超过了初始值。

2.6 LF-NMR 在肉类品品质优化过程中的应用

由于生产原因，未加工肉类经常被切碎和加工，以改善未加工肉类组织结构柔软性，并由此提高未加工肉类的柔韧性[27]。有研究发现，与整块肉不同，随着时间的推移，大多数肌肉纤维结构已经被破坏，但仍有少量的肌肉纤维碎片保留下来。这种现象的形成，主要是由于不溶性蛋白质通过网状结构与水结合，从而形成了一种保水机制。林晶晶等人[28]采用NMR 技术，对墨鱼丸和花枝丸2 种鱼糜制品进行了分析，结果表明2 种鱼糜制品中有4 种具有流动性不同的水，即T21，T22，T23，T24。Han G 等人[29]在研究高静水压力和水分调节剂对牛肉干质量的影响时发现，随着高静水压力的增加，P21 增加，P22减少，而且当加入水分调节剂（甘油、凝乳酶、玉米蛋白水解物） 时，T21 的弛豫时间更短，这表明加入水分调节剂进一步增加了水分和蛋白质的结合程度。经过研究发现，在肉糜中添加磷酸酯可以有效地缩短横向弛豫时间T21，使得原本不易流动的水变得易于流动；相比之下，仅添加氯化钠可以提高横向弛豫时间T21，同时也会提升肉糜中的结合水（P2b） 及总水的含量，这表明磷酸盐和氯化钠的添加可以有效地提升肉糜的保水性能[30]。

3 结语

通过低场核磁共振（LF-NMR） 技术在肉制品腌制、干制、熟制、发酵、冷冻、品质优化等加工工艺方面的相关研发，实现肉类产品品质的快速动态预测与调控。同时，由于其能迅速检测出样品中的水分状态、含水量，具有价格低廉、操作方便等优点，在肉制品检测中得到了应用。该方法既能测定不同条件下肉制品中水的分布，又能展现肉制品加工、贮藏、成熟等各阶段中水的动态变化规律。尽管低场核磁共振技术在肉制品中的应用取得了一定的成果，但是仍然存在一些挑战。①LF-NMR 只能对肉制品中的水分分布及移动进行直观描述，对其变化机理还需与其他指标进行综合分析，因此研究人员需要进行大量研究来解释这一问题；②由于不同生物材料的自然异质性及仪器模型和设置参数的差异，研究人员必须确保LF-NMR 测定的准确性。研究人员正在努力深入探索水分在肉类保质期中的作用，以及不同阶段水分含量对微生物生长的影响。尽管目前已经有大量研究，以检测肉中水分的分布和迁移，并利用LF-NMR 技术确定肉的质量，但是肉和肉制品中水分的存在和性质仍需深入，与肌肉蛋白相比，水分的影响更加复杂。因此，研究人员仍需要进行深入研究，更好地理解水分在肉类保质期中的作用，以及其对微生物生长的影响。研究肉类和肉制品中水分的变化仍然是一个挑战。