基于低場核磁共振技術的注膠肉快速檢測

吳藝影 章倩汝 韓劍眾 曲道峰

摘 要：目的：探索并建立一種新的注膠豬肉快速檢測方法。方法：以正常豬肉及注射不同種類膠（黃原膠、卡拉膠、明膠、瓊脂）的注膠肉為對象，利用低場核磁共振并結(jié)合主成分分析法分析處理的檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)肉品中的水分存在狀態(tài)及分布結(jié)果，對豬肉進行快速檢測。結(jié)果：正常肉與注膠肉之間、各類注膠肉及不同注膠量之間在主成分得分圖上具有很好的區(qū)分效果。結(jié)論：低場核磁共振技術結(jié)合主成分分析法可以快速區(qū)分正常肉與注膠肉。

關鍵詞：注膠肉；低場核磁共振；主成分分析法；CPMG序列；快速檢測

Rapid Detection of Gum-Injected Meat by Low-Field Nuclear Magnetic Resonance

Wu Yi-ying，Zhang Qian-ru，Han Jian-zhong*，Qu Dao-feng

（Key Laboratory of Food Safety of Zhejiang Province， Department of Food Quality and Safety，

Zhejiang Gongshang University， Hangzhou 310035， China）

Abstract：A new method was developed for the rapid detection of gum-injected meat. Authentic pork and adulterated pork samples injected with different types of gums such as xanthan gum， carrageenagn， gelatin and agar were detected by LF-NMR （low-filed magnetic resonance） and the data were processed by principal component analysis （PCA）. Rapid detection was based on the existing water distribution of meat samples. The PCA plots obtained showed clear discrimination between authentic pork and adulterated pork， among the different investigated gums and among different adulteration levels. In conclusion， LF-NMR combined with PCA enables rapid discrimination between authentic pork and adulterated pork.

Key words：gum-injected meat；LF-NMR；principal component analysis （PCA）；CPMG sequence；rapid detection

中圖分類號：TS201.6 文獻標志碼：A 文章編號：1001-8123（2013）03-0026-04

如何快速有效檢測“注膠肉”是生鮮肉品質(zhì)量與安全監(jiān)管控制的關鍵。利用膠的凝固性將水分“鎖”住，提高經(jīng)濟效益是不法分子生產(chǎn)注膠肉的根本原因，注膠后，豬肉吸水量可增加20%以上，這不僅導致肉的品質(zhì)下降，更嚴重的是給生鮮肉品的安全帶來很大隱患。食品膠的主要成分為易形成多糖凝膠的半乳糖、脫水半乳糖，含有大量的氫鍵，吸水率高，能很好地保持食品體系中的水分，普通檢測方法很難鑒別“注膠肉”[1]。低場核磁共振（low field-nuclear magnetic resonance，LF-NMR）技術在研究很多與水分密切相關的食品性質(zhì)上具有特殊的優(yōu)勢，利用氫原子核在磁場中的活動特性，可以追蹤待測物質(zhì)（食品）中的氫原子特別是水，包括結(jié)合水、不易流動水和自由水，觀察水分分布狀況及其隨著時間的變化而產(chǎn)生的改變。筆者所在實驗室已經(jīng)在摻假牛乳、生鮮豬肉等進行探索并取得許多有意義的結(jié)果[2-6]。不同的生鮮肉品其水分分布有其相對固定的存在模式，因此通過比較可以快速方便地區(qū)分[7-10]。本實驗利用低場核磁共振分析儀，以不同種類注膠肉為對象，結(jié)合PCA法分析處理CPMG序列回波峰點數(shù)據(jù)，為探索利用低場核磁共振技術檢測注膠肉提供實驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

取第5～7腰椎的背最長肌（俗稱大排肉，25g） 市售；食品膠（黃原膠、卡拉膠、明膠、瓊脂） 浙江工商學院食品工藝教研室。

1.2 儀器與設備

NMI20型核磁共振分析儀 海紐邁電子科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 注膠肉制備

注射卡拉膠肉樣品的配制：分別稱取0.1、0.4、0.7、1.0、1.3g卡拉膠，溶于20mL水中，以豬肉自身質(zhì)量的10%的量注射到豬肉中，放置30min。

注射明膠和注射瓊脂肉樣品的配制：同注射卡拉膠樣品的配制。

注射黃原膠肉樣品的配制：黃原膠由于增稠效果極佳，改為稱取0.1、0.14、0.18、0.22、0.26g黃原膠溶于20mL水中，注射量相同，放置30min。

1.3.2 低場核磁共振檢測

取0.8g約為1cm×1cm×1cm的注膠肉丁，裝入核磁管中，32℃（儀器工作溫度）水浴5min，放入儀器的樣品池中進行檢測。

CPMG序列檢測參數(shù)：D1=1200μs（D1為90°與180°脈沖間隔時間），D2=2400μs（D2為180°與180°脈沖間隔時間），D0=1000ms（D0為脈沖重復序列時間），TD=32768（TD為采樣點數(shù)），SW=100.0kHz（SW為采樣頻率），NS=32（NS為累加次數(shù)），C1=400（C1為180°脈沖的個數(shù)），DS=3（DS為過采樣倍數(shù)）。每組5個重復樣品，每個樣品重復測定3次，求平均值，作為這一樣品的檢測結(jié)果。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

圖1為典型正常肉及注膠肉的CPMG回波峰點圖，正常肉與注膠肉之間的CPMG回波峰的曲率和信號強度存在一定差異。常規(guī)處理方法為通過離散式指數(shù)非線性擬合、分布式指數(shù)擬合等方法，獲得樣品的橫向弛豫時間T2，由此得到樣品的水分分布狀態(tài)，確定其品質(zhì)[11]。但是圖1回波峰320ms之后往往還存在隨機噪音值，可能對影響T2擬合結(jié)果的穩(wěn)定性有較大的影響。因此，肉等回波峰在320ms之后有較大隨機噪聲值的復雜樣品體系，僅僅利用T2擬合無法對不同樣品進行區(qū)分。

主成分分析法（principal component analysis，PCA）是模式識別中最基本的多元統(tǒng)計分析方法[12]，是在保留原始變量主要信息的前提下，將多變量的信息進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和降維，使數(shù)據(jù)可視化。利用降維后的特征向量形成散點圖，直觀地反映樣品之間的差異。

本實驗利用主成分分析的方法，將一個樣品檢測的CPMG回波峰點數(shù)據(jù)作為多個變量列為一行，一個行向量代表一個樣品。將不同形式摻假樣品檢測的CPMG回波峰點數(shù)據(jù)放在一起，形成n×p維的原始數(shù)據(jù)矩陣D。n 為樣品數(shù)量，p為CPMG回波峰點數(shù)。然后，利用主成分分析技術，根據(jù)方差最大原理對數(shù)據(jù)矩陣D進行分析。

D =T×L

式中：T為n×m維矩陣，n為樣品數(shù)量，m為主成分數(shù)；L為m×m維矩陣。

根據(jù)主成分分析原理，T矩陣即為主成分得分矩陣，第一列為主成分1，第二列為主成分2。將T矩陣第一列和第二列進行作圖，即為主成分得分圖。利用主成分分析結(jié)果，可以將樣品的CPMG回波峰數(shù)據(jù)在主成分得分圖上以一個點代表一個樣品，5個點形成的區(qū)域面積代表樣品整體品質(zhì)差異，進行簡潔明了的表征。

實驗數(shù)據(jù)利用SPSS 13.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 注射4種膠不同質(zhì)量分數(shù)的豬肉的NMR檢測

圖2表明，主成分1和主成分2上包含了在PCA轉(zhuǎn)換中得到的主成分1和主成分2的貢獻率。主成分貢獻率越大，越能更好的反應該樣品的信息。一般情況下，總貢獻率超過 70%～85%的方法即可使用[13]。

圖中每一個大圈代表一種膠中的不同質(zhì)量分數(shù)的注膠肉樣品的整體特性，5個記號點分別代表此樣品的5個重復樣品。不同質(zhì)量分數(shù)的樣品之間有一定的距離，說明注射不同質(zhì)量分數(shù)的同種膠的豬肉，可以區(qū)分開。距離越大，說明不同樣品間的品質(zhì)差異越大，區(qū)分性就越好。

圖2A中主成分1和主成分2保留了75.99%的原始數(shù)據(jù)信息，其中主成分1的貢獻率為41.26%，由于制備的黃原膠不同濃度本身就很接近，梯度設置不明顯，因此在主成分分析圖中區(qū)域之間距離較小，但也都各自分區(qū)，具有一定的區(qū)分性。圖2B中，主成分1和主成分2保留了97.48%的原始數(shù)據(jù)信息，主成分1包含的信息量為81.32%，各大圈之間距離很大，具有很好的區(qū)分性。圖2C中，主成分1和主成分2保留了86.67%的原始數(shù)據(jù)信息，主成分1包含了76.66%信息，且注射了不同質(zhì)量分數(shù)的明膠的樣品在主成分1軸上就可以得到很好地區(qū)分，具有一定的規(guī)律性排布。圖2D中，主成分1和主成分2保留了80.80%的原始數(shù)據(jù)信息，主成分1貢獻了63.49%，但是正常肉和注射2.0%、5.0%瓊脂的樣品之間距離極小，區(qū)分性不好。

總體說來，通過低場核磁共振檢測結(jié)合主成分分析法，注膠肉與正常肉之間能很好地區(qū)分開，注射不同質(zhì)量分數(shù)的注膠肉之間相互也有很好地區(qū)分，可以達到注膠肉的快速檢測目的。

2.2 注射不同質(zhì)量分數(shù)的4種膠的豬肉的NMR檢測

由于黃原膠增稠效果極佳，與卡拉膠、明膠、瓊脂不能在同一質(zhì)量分數(shù)下進行比較，故只做質(zhì)量分數(shù)為0.5%情況下的比較。其他3種膠在同種添加量下，將核磁共振數(shù)據(jù)進行整合，做主成分分析比較。結(jié)果見圖3。

圖3A中，主成分1和主成分2保留了89.32%的原始信息，主成分1的貢獻率為73.44%，可以看出各種樣品在主成分1軸上即能有一定的區(qū)分，其中黃原膠樣品與正常肉有一些重疊，卡拉膠樣品的區(qū)分性最好。圖3B中，主成分1和主成分2保留了91.82%的原始數(shù)據(jù)信息，主成分1的貢獻率為78.51%，各樣品具有明顯的區(qū)分性，在主成分1軸上即能區(qū)分開。圖3C、3D、3E表示，主成分1和主成分2的總貢獻率分別為96.13%、94.57%、90.34%，都能很好地反映原始數(shù)據(jù)信息，且區(qū)分情況與圖3B所反映的情況基本相同。

利用低場核磁共振技術并結(jié)合主成分分析法，可以很好地區(qū)分同種濃度下的注射不同膠的豬肉。且在主成分1軸上，基本呈現(xiàn)黃原膠樣品→正常肉→瓊脂樣品→明膠樣品→卡拉膠樣品的排列規(guī)律，這說明各種樣品之間存在一定的品質(zhì)差異，低場核磁共振不僅能區(qū)分他們，還能表征注射不同膠對豬肉品質(zhì)特性變化的影響。

2.3 注射3.5%不同種類膠的豬肉的時間分布的NMR檢測

宰后的豬肉隨著放置時間長度的增加，其中的水分分布狀況也會發(fā)生改變。按照2.2.4節(jié)方法檢測放置不同時間下的注膠肉的水分分布情況，結(jié)果見圖4。

圖4A中，主成分1和主成分2保留了64.34%的原始數(shù)據(jù)信息，代表性并不好，但是可以看出各個時間段的黃原膠樣品在主成分1軸上可以很好地區(qū)分開，且呈規(guī)律性排布，其中0h和3h的區(qū)域圖稍有重疊。圖4B中，主成分1和主成分2保留了78.53%的原始數(shù)據(jù)信息，各個區(qū)域之間距離很大，注射卡拉膠的樣品在不同時間段具有很好的區(qū)分性。圖4C中，主成分1和主成分2保留了71.15%的原始數(shù)據(jù)信息，明膠樣品在不同時間段的數(shù)據(jù)在主成分1軸上就能可以很好地區(qū)分開，且隨著時間的推移，樣品從左向右排列，具有規(guī)律性，可以用作辨別不同時間段的樣品。圖4D中，主成分1和主成分2保留了69.47%的原始數(shù)據(jù)信息，代表性不好，而且除3h的樣品外，其他幾個時段的樣品檢測所得的圖都有重疊，區(qū)分性不好。

總之，注射不同種類膠的豬肉隨時間的推移呈一定規(guī)律性分布，而且不同時間段之間，除注射瓊脂的豬肉的區(qū)域圖有一定的重疊外，其他3種樣品的檢測結(jié)果都具有差異性，可以區(qū)分開。

3 結(jié) 論

利用低場核磁共振技術結(jié)合PCA法，不僅可以區(qū)分正常肉與注膠肉，還能區(qū)分不同種類膠、以及同種膠不同質(zhì)量分數(shù)和注射膠水后不同時間的豬肉。

參考文獻：

[1] 張科， 杜金平， 吳艷， 等. 食品膠對重組肉持水力和水分活度的影響[J]. 湖南農(nóng)業(yè)大學學報：自然科學版， 2011， 37（3）： 333-336.

[2] Hills B P. Applications of low-field NMR to food science[R]. Annual Reports on NMR Spectroscopy， 2006， 58： 177-230.

[3] 姜潮， 韓劍眾， 范佳利， 等. 低場核磁共振結(jié)合主成分分析法快速檢測摻假牛乳[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2010（1）： 340-343.

[4] 姜曉文， 韓劍眾. 生鮮豬肉持水性的核磁共振研究[J]. 食品工業(yè)科技， 2009， 30（7）： 12-133.

[5] 李偉妮， 韓劍眾. 冷藏山羊肉品質(zhì)變化的核磁共振研究[J]. 食品工業(yè)科技， 2010（1）： 125-127.

[6] 余瑞鑫， 顧振宇， 韓劍眾. 大米浸泡過程水分狀態(tài)變化的低場核磁共振研究[J]. 食品工業(yè)， 2010（1）： 12-14.

[7] 姜曉文. 肌肉水分分布、抗氧化性與生鮮豬肉持水性的關系[D]. 杭州： 浙江工商大學， 2009.

[8] BERTRAM H C， KARLSSON A H， ANDERSEN H J. The significance of cooling rate on water dynamics in porcine muscle from heterozygote carriers and non-carriers of the halothane gene-a low-field NMR relaxation study[J]. Meat Science， 2003， 65（4）： 1281-1291.

[9] RENOU J P， KOPP J， GATELLIER P， et al. NMR relaxation of waterprotons in normal and malignant hyperthermia-susceptible pig muscle[J]. Meat Science， 1989， 26（2）： 101-114.

[10] BERTRAM H C. Field gradient CPMG applied on postmortem muscles[J]. Magnetic Resonance Imaging， 2004， 22（4）： 557-563.

[11] BERTRAM H C， KARLSSON A H， RASMUSEN M， et al. Origin of multiexponential T2 relaxation in muscle myowater[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry， 2001， 49（6）： 3092-3100.

[12] 何曉群. 多元統(tǒng)計分析[M]. 北京： 中國人民大學出版社， 2004： 135-165.

[13] Laurent W， Bonny J M， Renou J P. Muscle characterization by NMR imaging and spectroscopic techniques[J]. Food Chemistry， 2000， 69（4）： 419-426.