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低場(chǎng)核磁共振研究肌肉保水性的研究進(jìn)展

張佳瑩1，郭兆斌1，韓 玲1,*，余群力1，韓廣星2，張巨會(huì)3

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.山東綠潤(rùn)食品有限公司，山東 臨沂 276600；3.甘肅天瑪生態(tài)食品科技股份有限公司，甘肅 瑪曲 747300）

摘 要：肌肉保水性的變化是肉品科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，肌肉宰后成熟過(guò)程中發(fā)生復(fù)雜的生物化學(xué)變化，其對(duì)肉品保水性機(jī)制仍存在爭(zhēng)議。低場(chǎng)核磁共振檢測(cè)技術(shù)是一種快速、無(wú)損、精確的光譜檢測(cè)技術(shù)，其在食品科學(xué)的研究中得到了廣泛應(yīng)用。文中介紹了低場(chǎng)核磁共振技術(shù)的基本原理，并詳細(xì)綜述了肌肉水分變化規(guī)律對(duì)宰后成熟及其加工過(guò)程中保水性影響的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：低場(chǎng)核磁共振；肌肉水分變化；保水性

張佳瑩, 郭兆斌, 韓玲, 等. 低場(chǎng)核磁共振研究肌肉保水性的研究進(jìn)展[J]. 肉類研究, 2016, 30(1): 36-39. DOI:10.15922/ j.cnki.rlyj.2016.01.008. http://rlyj.cbpt.cnki.net

Progress in the Application of Low-Field Nuclear Magnetic Resonance to Evaluate Water-Holding Capacity of Muscle

ZHANG Jiaying1, GUO Zhaobin1, HAN Ling1,*, YU Qunli1, HAN Guangxing2, ZHANG Juhui3
（1.College of Food Science and Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2.Shandong Lorain Corporation Co. Ltd., Linyi 276600, China; 3.Gansu Tianma Shengtai Food Technology Co. Ltd., Maqu 747300, China)

Abstract:The change of water holding capacity of meat is one of the focuses in the field of meat science. But there is considerable disagreement among scientists about the mechanism of water-holding capacity of meat due to the complex biochemical changes of muscle during postmortem aging. Low-field nuclear magnetic resonance (LF-NMR) technology has been applied widely in food science research for its characteristics of quick, nondestructive and accurate detection. In this paper, the principle of LF-NMR has been introduced and its use in meat science has also been discussed. Moreover, the effect of changes in muscle water content on postmortem aging and processing is outlined.

Key words:low-fi eld nuclear magnetic resonance (LF-NMR); variations in muscle water content; water-holding capacity

水分作為肉與肉制品中含量最高且十分重要的化學(xué)組分，其存在形態(tài)及流動(dòng)規(guī)律直接影響到肉與肉制品的食用品質(zhì)，并影響其加工特性[1]。此外，水分含量和分布形態(tài)是決定肉與肉制品質(zhì)量和貨架期的重要因素[2]。因此，探究一種能夠精確快速地反映肉品水分信息的檢測(cè)方法十分必要。

目前，我國(guó)對(duì)牛肉品質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)仍然屬于傳統(tǒng)保水性（water holding capacity，WHC）評(píng)價(jià)的方法，缺點(diǎn)是費(fèi)力、費(fèi)時(shí)，很難進(jìn)行大批量的快速檢測(cè)[3]。近年來(lái)，低場(chǎng)核磁共振技術(shù)作為一門迅速發(fā)展起來(lái)的新型分析檢測(cè)技術(shù)，能夠用于分析肉品中水分的流動(dòng)及分布狀態(tài)[4]，同時(shí)還能進(jìn)行成像分析，并可獲取樣品內(nèi)部的水分分布信息，從而分析并探究肉品中的水分與其他品質(zhì)特性之間的相互關(guān)系[5]。而且，它具有快速、高效、靈敏、對(duì)樣品無(wú)損的特點(diǎn)[6]。因此近年來(lái)也被廣泛應(yīng)用于測(cè)定大豆和去皮甜玉米等植物組織狀態(tài)中的水分狀態(tài)及分布[7-8]，是一種良好的水分研究方法。本文主要綜述了低場(chǎng)核磁共振技術(shù)研究肌肉水分變化規(guī)律對(duì)其宰后成熟及加工過(guò)程中保水性的影響，以期為相關(guān)工作者提供理論參考。

1　低場(chǎng)核磁共振技術(shù)概述

核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）是指具有固定磁矩的原子核，如1H、13C、15N、31P、19F等，在交變磁場(chǎng)與恒定磁場(chǎng)的相互作用下，能夠以電磁波的形式吸收或者釋放出能量，發(fā)生原子核的躍遷并且產(chǎn)生核磁共振的信號(hào)，即原子核與射頻區(qū)電磁波發(fā)生的能量交換現(xiàn)象[9]。NMR依照分辨率的差異可分為高場(chǎng)和低場(chǎng)兩種類型。高場(chǎng)主要探測(cè)的是樣品的化學(xué)性質(zhì)，磁場(chǎng)強(qiáng)度在0.5 T以下的核磁共振稱為低場(chǎng)核磁共振（low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR），檢測(cè)對(duì)象主要針對(duì)的是樣品的物理性質(zhì)[10]。1H核，尤其是其質(zhì)子在LF-NMR技術(shù)中的應(yīng)用尤為廣泛，原因在于該質(zhì)子在自然界中的豐度甚高，其產(chǎn)生的核磁共振檢測(cè)信號(hào)，便于檢測(cè)，易于觀察。

LF-NMR測(cè)定的指標(biāo)是弛豫時(shí)間。1H核以非輻射方式從高能態(tài)轉(zhuǎn)化為低能態(tài)的過(guò)程稱為弛豫。它能夠提供核的內(nèi)部物化環(huán)境等十分有用的信息[11]。LF-NMR的測(cè)定結(jié)果用于反映質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)特性，其主要是對(duì)橫向弛豫時(shí)間T2和縱向弛豫時(shí)間T1進(jìn)行測(cè)定。在肉類科學(xué)研究中，由于T2的變化范圍廣且更加敏感，因此通常用來(lái)表征質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)特性。T2的測(cè)定結(jié)果能夠區(qū)分3 種不同水分群，即結(jié)合水、不易流動(dòng)水和自由水，還能夠反映三者之間相互遷移轉(zhuǎn)換的關(guān)系[12]。因此，LF-NMR能夠很好地應(yīng)用于肉與肉制品體系，進(jìn)行多種品質(zhì)和理化指標(biāo)的測(cè)定。

2　肌肉水分變化規(guī)律對(duì)肉品保水性的影響

2.1 肌肉結(jié)構(gòu)對(duì)肌肉水分變化的影響

水是肉類中最主要的成分。對(duì)于肉與肉制品而言，其質(zhì)的優(yōu)劣在很大程度上取決于肉品持水力的能力[13]。宰后肉品持水力的變化，既影響肉品的感官品質(zhì)和食用品質(zhì)，而且嚴(yán)重影響到其經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)方法如離心法、加壓損失、滴水損失、蒸煮損失與貯藏?fù)p失等，都不能表征肉品中的水分存在形態(tài)及其變化的過(guò)程[14]。Pearce等[15]對(duì)屠宰前后豬肉中水分分布及變化特征進(jìn)行LF-NMR技術(shù)的研究，研究表明，肌原纖維內(nèi)部水分分布及其流動(dòng)性與肌肉結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。Micklander等[16]利用LF-NMR技術(shù)對(duì)豬背最長(zhǎng)肌進(jìn)行測(cè)定，研究發(fā)現(xiàn)，豬肉背最長(zhǎng)肌結(jié)構(gòu)的變化主要是發(fā)生在宰后2～24 h之間，此時(shí)肌肉中的水分發(fā)生了極其劇烈的變化。

2.2pH值對(duì)肌肉水分變化的影響

肌原纖維蛋白在肉類加工過(guò)程中起到十分重要的作用，其中一個(gè)極為重要的性質(zhì)是加熱之后形成凝膠，凝膠的形成與肉品優(yōu)良的質(zhì)構(gòu)特性及其黏聚性相關(guān)[17]。此外，其對(duì)產(chǎn)品的賦形、保留產(chǎn)品水分也起到尤為重要的作用[18]。研究證實(shí)，pH值影響肉品的保水性[19-20]。Han Minyi等[21]利用LF-NMR技術(shù)測(cè)定了不同pH值條件下豬肉肌原纖維蛋白熱誘導(dǎo)凝膠的弛豫時(shí)間T2。實(shí)驗(yàn)表明，隨著pH值偏離肌原纖維蛋白的等電點(diǎn)（pI）,不易流動(dòng)水的弛豫時(shí)間T2顯著性增加，其所占峰面積和凝膠的WHC也隨之增加，WHC最大時(shí)對(duì)應(yīng)的pH值為7.0。Liu等[22]研究結(jié)果同樣表明，肌球蛋白熱誘導(dǎo)凝膠的WHC處于最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的pH值在7.0～9.0之間。吳燁等[23]對(duì)兔骨骼肌肌球蛋白熱誘導(dǎo)凝膠保水及水分遷移變化的影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明，與自由水相對(duì)應(yīng)的弛豫時(shí)間T2隨pH值升高而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

2.3 添加劑對(duì)肌肉水分變化的影響

在肌肉制品當(dāng)中添加不同的物理化學(xué)成分，影響了肌原纖維的凝膠特性，從而影響肉制品的保水性能。許雯雯等[24]對(duì)經(jīng)過(guò)多聚磷酸鹽（焦磷酸鈉、三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉）浸漬并蒸煮處理后的鱸魚進(jìn)行LF-NMR測(cè)定。研究認(rèn)為，磷酸鹽對(duì)魚肉保水性的影響主次順序?yàn)榻沽姿徕c＞三聚磷酸鈉＞六偏磷酸鈉。對(duì)應(yīng)到低場(chǎng)核磁共振，即以核磁共振得到的T22積分峰面積作為保水性的指標(biāo)，建立磷酸鹽濃度與保水性指標(biāo)之間的數(shù)學(xué)模型，峰面積越大，則說(shuō)明保水性越好。呂玉等[25]研究認(rèn)為,不同的磷酸鹽濃度與肉品保水性的各項(xiàng)指標(biāo)存在顯著的相關(guān)性（P＜0.05）。一般情況下，當(dāng)磷酸鹽添加量≤0.4%時(shí)，肉的保水性能最好。Han Minyi等[26]利用LF-NMR對(duì)豬肉肌原纖維凝膠的保水性進(jìn)行了研究，處理組樣品中加入谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶（transglutaminase，TG）。NMR結(jié)果表明，對(duì)照組樣品的弛豫時(shí)間T2為226 ms，而處理組為188 ms，因此，處理組樣品的弛豫時(shí)間更低，保水性能更好。此外，Sun Jian等[27]利用LF-NMR技術(shù)研究了添加亞麻籽膠（linseed gum，LG）對(duì)肌肉保水性的影響，研究認(rèn)為，亞麻籽膠添加量越大，肌肉保水性越好?？赡苁怯捎趤喡樽涯z的作用使得肌原纖維網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)變大，暴露出更多與周圍水分子結(jié)合的位點(diǎn)，水分的移動(dòng)性顯著降低。寧年英等[28]利用LF-NMR技術(shù)，對(duì)不同食鹽、TG的添加量對(duì)鮮豬肉糜系水力的影響進(jìn)行研究。認(rèn)為，食鹽添加量為2.5%時(shí)，結(jié)合水弛豫時(shí)間（T23）最大，隨后減小，說(shuō)明在此添加量下水分的流動(dòng)性最強(qiáng)。當(dāng)TG的添加量為0.75%時(shí)，肉糜水分含量最大，其從高弛豫組向低弛豫組進(jìn)行遷移，利于水分的保持。

2.4 冷卻和冷凍對(duì)肌肉水分變化的影響

LF-NMR橫向弛豫時(shí)間T2也用于研究不同冷卻條件對(duì)豬肉和海產(chǎn)品的水分分布影響。李春等[29]對(duì)兩段式快速冷卻和常規(guī)冷卻條件下的豬肉保水性變化進(jìn)行研究。結(jié)果表明，與常規(guī)冷卻相比，快速冷卻具有較低的T2值。Hambrecht等[30]對(duì)三段式快速冷卻和常規(guī)冷卻條件下貯存的肌肉進(jìn)行保水性研究，發(fā)現(xiàn)三段式快速冷卻的汁液損失率明顯小于常規(guī)冷卻。陳韜等[31]對(duì)快速冷卻和常規(guī)冷卻條件下貯存的豬肉進(jìn)行保水性研究。結(jié)果表明，快速冷卻方式減緩了背最長(zhǎng)肌pH值的降低，從而提高了肉品保水性能。此外，Sanchez-Alonso等[32]研究認(rèn)為，與高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間存放的未冷藏鱈魚相比，10 ℃條件下存放的鱈魚，其弛豫時(shí)間T2值更低，且峰面積更寬。李偉妮等[33]利用LF-NMR技術(shù)研究了山羊肉在冷藏過(guò)程中一系列的水分分布變化情況。結(jié)果表明，冷藏山羊肉中不易流動(dòng)水的弛豫時(shí)間、結(jié)合水的弛豫時(shí)間與水分總量的相對(duì)含量隨著冷藏時(shí)間的變化呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)。并且，兩個(gè)弛豫時(shí)間的變化與山羊肉的pH值、滴水損失及蒸煮損失有顯著的相關(guān)性。原琦等[34]利用LF-NMR研究了凍融過(guò)程中犢牛肉的品質(zhì)變化。結(jié)果顯示，不易流動(dòng)水弛豫時(shí)間（T21）與凍融的次數(shù)、加壓損失及解凍損失率呈現(xiàn)顯著相關(guān)性。因此，弛豫時(shí)間T21可用來(lái)快速檢測(cè)犢牛肉的品質(zhì)。戚軍等[35]利用LF-NMR研究了凍融過(guò)程中羊肉持水力的變化。研究表明，結(jié)合水的弛豫時(shí)間（T21）與蒸煮損失、加壓損失及凍融次數(shù)顯著相關(guān)，自由水弛豫時(shí)間（T22）與保水性趨勢(shì)一致。凍融后的羊肉保水性能顯著下降。

2.5 超高壓和加熱對(duì)肌肉水分變化的影響

近年來(lái)，我國(guó)大多數(shù)廠家通過(guò)超高壓和加熱對(duì)低溫肉制品進(jìn)行二次殺菌以此來(lái)延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架期。朱曉紅等[36]對(duì)醬牛肉進(jìn)行不同的處理。結(jié)果表明，超高壓和熱處理的樣品弛豫時(shí)間明顯增強(qiáng)（說(shuō)明處理組的水分移動(dòng)性增強(qiáng)），其中結(jié)合水顯著減少，自由水顯著增加。因此超高壓和加熱均會(huì)導(dǎo)致醬牛肉保水能力的下降。但高壓處理比加熱損失小，這與M?ller[37]、于勇[38]等的研究結(jié)果一致，可能與蛋白凝膠特性及其肌原纖維結(jié)構(gòu)有關(guān)。Li Weiming等[39]研究認(rèn)為，弛豫時(shí)間隨壓力的增大而變大。較長(zhǎng)的弛豫時(shí)間T21（不易流動(dòng)水）、T2（自由水）表明水與肌肉組織間的結(jié)合能力弱化了，導(dǎo)致WHC降低。在較低的壓力（100 MPa）下，由不易斷裂的氫鍵和易被破壞的疏水相互作用造成的輕微蛋白降解和聚集對(duì)肉類的保水性有積極作用。在較高的壓力（200 MPa）下，疏水相互作用被破壞，蛋白降解程度增大，肌肉組織結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致肌肉中水分弛豫時(shí)間增大。楊慧娟等[40]對(duì)乳化腸進(jìn)行超高壓結(jié)合加熱處理，研究了其質(zhì)構(gòu)特性及其熱凝膠體系水分子的LF-NMR信息。結(jié)果表明，超高壓處理對(duì)該凝膠體系中的不易流動(dòng)水的影響最大，且隨著壓力的增大，不易流動(dòng)水的含量相對(duì)增加，樣品的硬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

2.6 食鹽濃度對(duì)肌肉水分變化的影響

Ciara等[41]平行或垂直于肌纖維方向?qū)ωi肉背最長(zhǎng)肌用不同濃度NaCl溶液處理。結(jié)果顯示，弛豫時(shí)間隨NaCl濃度的升高而增大；增加肌原纖維內(nèi)部水分而減少胞外空隙的水分使肌肉具有最大保水力；平行于肌纖維方向處理的肌肉水分由纖維內(nèi)部空隙更快的擴(kuò)散到胞外空隙，降低了保水性。Nguyen等[42]用不同濃度的NaCl對(duì)肌肉進(jìn)行腌漬。結(jié)果表示，肌肉總水分含量隨鹽濃度的升高而降低。林婉瑜等[43]利用LF-NMR技術(shù)，研究了食鹽濃度對(duì)魚糜加工過(guò)程中水分遷移變化的影響。研究認(rèn)為，當(dāng)食鹽添加量為3%時(shí)，低弛豫時(shí)間的質(zhì)子密度增大，而高弛豫時(shí)間的質(zhì)子密度減小，水分從高弛豫組向低弛豫組進(jìn)行遷移，有利于保水。韓敏義等[44]利用LF-NMR對(duì)不同NaCl濃度肌原纖維熱誘導(dǎo)蛋白凝膠水分分布和遷移變化進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，隨著NaCl濃度的增加其保水性顯著增大，因?yàn)榧尤隢aCl后，水的流動(dòng)性降低，而不易流動(dòng)水的峰面積增大，從而增加了體系的保水性。

2.7 解凍對(duì)肌肉水分變化的影響

肉類科學(xué)研究中，冷藏和冷凍工藝能夠防止有害微生物的繁殖生長(zhǎng)，有效延緩肉品品質(zhì)的劣變。解凍過(guò)程和凍結(jié)過(guò)程同樣是肉類科學(xué)研究領(lǐng)域中極為重要的操作工序。解凍操作方法的優(yōu)劣決定了肉類汁液流失的多少，其直接關(guān)系到肉類工業(yè)的生產(chǎn)利益。龐之列等[45]對(duì)解凍豬肉的品質(zhì)進(jìn)行了LF-NMR的研究。他認(rèn)為，豬肉在冷凍的過(guò)程中產(chǎn)生的冰晶連續(xù)不斷擠壓肌肉的肌原纖維，使其中的不易流動(dòng)水穩(wěn)定性明顯增加。因此，解凍后不易流動(dòng)水的總量降低，在LF-NMR信號(hào)中表示為弛豫時(shí)間的提前。另外，解凍后由于肌肉內(nèi)部的機(jī)械損傷，導(dǎo)致保水性能降低，不易流動(dòng)水和自由水大量流失。

3　結(jié) 語(yǔ)

肉品的保水性是消費(fèi)者及肉類加工用于衡量肉品食用品質(zhì)和產(chǎn)品價(jià)格十分重要的指標(biāo)之一。我國(guó)生產(chǎn)的冷鮮肉保水性低，嚴(yán)重影響了肉制品的品質(zhì)和貨架期。因此，長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)肉品保水性的研究一直是國(guó)內(nèi)外肉品科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。目前，肉類科學(xué)研究領(lǐng)域中對(duì)低場(chǎng)核磁共振技術(shù)的研究通常聯(lián)用了紅外光譜、差示掃描量熱法和激光掃描共聚焦顯微鏡技術(shù)等分析儀器，以此對(duì)低場(chǎng)核磁共振技術(shù)進(jìn)行完善和補(bǔ)充。另一方面，低場(chǎng)核磁共振技術(shù)在肉品科學(xué)研究領(lǐng)域中的起步較晚，我國(guó)肉類工業(yè)對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用還很少。因此，在今后的研究中，需要大力開發(fā)更多的設(shè)備與其聯(lián)用來(lái)擴(kuò)大研究領(lǐng)域和范圍。此外，應(yīng)該開發(fā)出相應(yīng)的分析檢測(cè)儀器和設(shè)備，并且應(yīng)用于實(shí)際的肉類生產(chǎn)中。相信隨著研究的具體化和深入化，低場(chǎng)核磁共振技術(shù)能夠成為研究肉品保水性機(jī)制、提高肉品質(zhì)最高效普遍的手段之一。

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DOI:10.15922/j.cnki.rlyj.2016.01.008

中圖分類號(hào)：TS251.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-8123（2016）01-0036-04

*通信作者：韓玲（1963—），女，教授，博士，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)與工程。E-mail：hanling5@126.com

作者簡(jiǎn)介：張佳瑩（1992—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)與食品衛(wèi)生。E-mail：610391858@qq.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目（31460 402）；國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（CARS-38）；甘肅省科技重大專項(xiàng)（143NKDP020）

收稿日期：2015-08-01

引文格式：