低分辨核磁共振技術(shù)在食品安全分析檢測中的應用

杜美紅，孫永軍

(北京市理化分析測試中心，北京市食品安全分析測試工程技術(shù)研究中心，北京100089)

隨著核磁共振儀的問世，核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)技術(shù)就成為物理、化學、生物和醫(yī)藥分析中不可缺少的重要手段［1－6］。1962年制備出第一臺220兆周的超導核磁共振儀(Varian)，高分辨核磁共振及其成像技術(shù)就在醫(yī)學領(lǐng)域、食品工業(yè)的分析檢測中發(fā)揮巨大作用［7－11］。低分辨核磁共振儀早于高分辨核磁共振儀，于二十世紀五十年代，第一臺30、60MHz商品核磁共振儀相繼出現(xiàn)，低分辨核磁共振技術(shù)在實驗室分析檢測中也開始得到應用，尤其在塑料工業(yè)和食品工業(yè)中更為突出［12－15］，其設備體積小，操作簡易、分析結(jié)果精確度高、重復性好、成本低，大大彌補和完善了高分辨核磁共振以及其它分析方法與檢測技術(shù)的不足。近年來國內(nèi)外食品安全事故頻頻發(fā)生，各國政府對食品安全監(jiān)管力度不斷加大，低分辨核磁共振及其技術(shù)以其便攜、低場強、無損檢測、快速等優(yōu)勢在食品安全分析測試領(lǐng)域中被關(guān)注并逐漸發(fā)揮作用。本文就低分辨核磁共振檢測技術(shù)在食品安全檢測分析中的應用作一探討，為食品安全分析檢測行業(yè)的科技工作者提供新技術(shù)與新思路，最終推動低分辨核磁共振檢測技術(shù)更長遠、廣泛的發(fā)展。

1 核磁共振技術(shù)原理

核磁共振分為兩個技術(shù)，一個是連續(xù)波NMR技術(shù)，即用射頻場連續(xù)不斷地作用原子核系統(tǒng)，觀察核對射頻能量的吸收或核磁化強度矢量的共振感應信號，也稱穩(wěn)態(tài)NMR;另一個是脈沖NMR技術(shù)，把射頻場以窄脈沖的方式作用到核系統(tǒng)上，觀察核系統(tǒng)對射頻脈沖的響應信號—自由感應衰減信號，也稱暫態(tài)NMR，只有脈沖NMR可以用于快速和實時的測試。氫原子具有固定磁矩，而且廣泛存在于脂肪、水、天然產(chǎn)物以及碳氫化合物等食品原料及成品中，在場與交變磁場的作用下，以電磁波的形式吸收或釋放能量，發(fā)生原子核的躍遷，同時產(chǎn)生核磁共振信號，通過得到的核磁共振譜檢測食品中1H的存在狀況及其量的變化，進而得到水分、脂肪或糖等分子在食品內(nèi)部變化的信息，這為食品安全分析檢測提供了分析檢測的理論依據(jù)［2］。

低分辨核磁共振磁場強度一般為0.4700T(20MHz)、0.7100T(30MHz)和 1.4092T(60MHz)，低分辨核磁共振技術(shù)主要對檢測對象的縱向弛豫時間(T1)、橫向弛豫時間(T2)、擴散系數(shù)(D)三個參數(shù)進行分析，主要反映分子的動態(tài)信息［16］。在食品安全分析檢測中，以T2橫向弛豫時間應用較為廣泛。

2 在食品水分分析與檢測中的應用

低分辨核磁共振儀及其技術(shù)在水分分析與檢測中應用尤為廣泛。水分是構(gòu)成食品的主要元素之一，它的遷移、變化影響著食品的品質(zhì)與風味，因此，檢測食品中水分對食品加工、儲藏以及食品質(zhì)量安全具有非常重要的指導意義［17－18］。傳統(tǒng)的食品水分檢測方法采用干燥法、蒸餾法、卡爾·費休法［19－22］，在檢測過程中可能會導致一些蛋白質(zhì)變化或淀粉糊化等物理或化學變化，破壞了被檢樣品的完整性以及成分結(jié)構(gòu)，不能反映食品中水分的物理狀態(tài)的直接信息;新的技術(shù)如紅外［23］、近紅外分析技術(shù)［24］等來測定食品水分，只反映的是被檢樣品中水分的部分信息，其應用也有一定的局限性。而低分辨核磁共振技術(shù)無損檢測，能夠有效獲取水分分布的全部信息，當水與底物結(jié)合穩(wěn)固時，T2值降低;當水流動性好時，T2值較高。氫核的弛豫時間會隨著食品的組成成分、保存溫度、儲藏時間、水分流動性等因素的變化而變化，這個參數(shù)能夠提供與水分子的結(jié)合力和移動相關(guān)的重要信息，應用于食品水分檢測具有明顯的優(yōu)勢。近年來，科研工作者利用低分辨核磁共振技術(shù)對肉質(zhì)水分分析作了大量的研究。韓劍眾［18］基于低分辨核磁共振技術(shù)，研究了不同品種(中國金華豬和杜長大豬)生鮮豬肉的水分存在狀態(tài)和變化規(guī)律，得到了宰后生鮮豬肉中水的存在狀態(tài)及分布情況，為低場核磁共振技術(shù)在評價宰后肉質(zhì)的持水性能及變化方面的應用奠定了基礎。戚軍［25］等通過低分辨核磁共振技術(shù)研究肌肉中水T2的變化，考察了凍融過程中羊肉持水力的變化規(guī)律，指出肌肉中不易流動水的弛豫時間可以作為考察凍融后肉品質(zhì)持水力的一個重要指標，為快速無損檢測肉類水分提供了一種新方法。姜曉文［25］也利用LF－NMR技術(shù)對豬肉持水性進行了研究，通過T2的積分面積反映宰后豬肉水分含量的變化，特別是國內(nèi)注水豬肉問題嚴重的情況下，為食品安全豬肉的檢測與監(jiān)管提供了一種切實可行有效的方法與手段。

3 在食品摻假鑒別中的應用

由于核磁共振技術(shù)無損檢測的特點，使得其在食品摻假識別、鑒定中得到應用。牛乳的摻假、摻雜現(xiàn)象成為嚴重的食品安全問題。LF－NMR通過對乳制品中脂固液比、脂肪結(jié)晶溫度、持水量、水分結(jié)合狀態(tài)、蛋白質(zhì)變性、蛋白質(zhì)聚集狀態(tài)等方面進行分析測試，能達到鑒別真?zhèn)蔚男Ч?。姜潮等?7］人以摻假牛乳樣品(摻入水、食鹽、尿素、豆?jié){等)復原乳以及純牛乳樣品為低場核磁共振檢測對象，利用主成分分析法(PCA)分析處理 Carr－Purcell－Meiboom－Gill(CPMG)序列的檢測數(shù)據(jù)，在主成分得分圖上很好地區(qū)分出純牛乳和摻入不同物質(zhì)的摻假牛乳，純牛乳、復原乳及其混合乳也得到有效的辨識，同時各種摻假牛乳樣品隨摻假物質(zhì)的摻加比例在圖中呈規(guī)律性分布，通過低分辨核磁共振結(jié)合PCA法得到一種快速檢測與監(jiān)控牛乳品質(zhì)的有效分析方法。

低分辨核磁共振技術(shù)另具吸引力的一點是它能夠進行油品中的油份進行檢測。利用核磁共振技術(shù)能夠檢測到食用油脂(肉、黃油、棕櫚油、牛奶、巧克力等)中固體脂肪的含量，因此，LF－NMR還可以用于鑒定食用油的摻偽。王永?。?8］等應用低分辨核磁共振技術(shù)測定了煎炸油分別摻有3種食用植物油(橄欖油、花生油、芝麻油)油樣的橫向弛豫時間T2弛豫圖譜，發(fā)現(xiàn)煎炸油在10ms處出現(xiàn)了一個特征峰，而其他三種純品油中并未檢出。隨著摻偽量的增加，該峰的峰面積比例逐漸增大，而峰開始時間則逐漸縮短。通過測定該特征峰面積比例和峰開始時間可定量測出煎炸油，提供了一種煎炸油摻偽食用植物油的快速鑒別方法。Zhang Qing等［29］通過 LF NMR分析玉米油、花生油、油菜籽油、和大豆油與兩種煎炸油的T2峰值，建立了線性方程用以檢測摻假食用油。其實，鑒別油品的研究在很早就開始了，欽理力［30］用脈沖核磁共振鑒別法檢測餐飲廢油脂中的地溝油、泔水油及三種食用油在10℃和0℃下的SFC值，實驗結(jié)果表明地溝油和泔水油的固體脂肪含量遠遠大于食用油，在0℃下固脂含量為0的食用油，只要其摻偽了1%以上的餐飲廢油脂，就可以鑒別出來?；ㄉ驮?0℃下SFC值雖達到了1.52%，但當其僅僅摻入1%的地溝油或泔水油時，SFC值明顯變高，可認為只要花生油中摻入了1%以上的餐飲廢油脂，即可檢測出來。此外，如果煎炸老油曾煎炸過動物食品，也可用本法檢出。此法操作簡單，快速準確，靈敏度高，實驗過程中不需要用任何化學藥品，只要稍加指導一般工作人員即可完成。另外，有研究表明［31］，正常食用油脂與地溝油的弛豫反演譜有顯著區(qū)別，有明顯的特征峰出現(xiàn)。而且這種區(qū)別穩(wěn)定性很高，對于同一種地溝油，這種明顯特征不會隨著地溝油的過濾、脫膠、脫嗅、脫色等加工過程而消失。低分辨核磁共振技術(shù)在食用油摻假鑒別檢測中表現(xiàn)出了突出的技術(shù)優(yōu)勢，衛(wèi)生部公布核磁共振技術(shù)成為食用油摻假識假檢測的四種儀器方法之一。

4 在食品微生物檢測中的應用

低分辨核磁共振技術(shù)在檢測微生物方面也嶄露頭角。食品微生物檢測是食品檢測中常規(guī)、必檢項目。針對食品中的病原微生物(如細菌、真菌和病毒等)以及其他有害生物(如寄生蟲)，傳統(tǒng)而有效的檢測方法為分離培養(yǎng)法。分離培養(yǎng)需要增菌、生化鑒定或血清學鑒定，整個過程需要2～3d甚至5～6d的時間才能完成，勞動強度大，耗時，不能及時、快速評價食品中微生物的安全性。目前，微生物快速檢測方法主要有紙片法、膠體金檢測法、微孔濾膜法、光電檢測法、酶底物法、酶聯(lián)免疫吸附法、免疫層析法、PCR法、分子雜交法等，各種技術(shù)在食品微生物快速篩查中發(fā)揮了重要作用。低分辨核磁共振技術(shù)以其獨特的檢測原理被作為一項新型快速檢測技術(shù)得到研究。J.Manuel Pere等人［32］通過將抗皰疹病毒多克隆抗體與直徑為46nm左右的Fe3O4納米磁珠連接制成納米傳感器，然后與病毒分子孵育，在1.5T(60MHz)核磁共振儀上檢測到了病毒顆粒，檢測限為5個病毒顆粒/10μL。該方法不需要生化鑒定或血清學鑒定，檢測靈敏度高、特異性強、快速便捷，磁性Fe3O4納米晶體在磁場中影響周圍水分子中氫原子的弛豫時間，核磁共振技術(shù)能非常精確地記錄水分子中氫原子內(nèi)的原子核的行動，病原菌造成水量的1%的變動，都能被核磁共振檢測到?；谙嗤募夹g(shù)原理，建立了牛奶中分支桿菌的快速檢測方法，檢測限達15.5CFUs［33］，核磁共振技術(shù)檢測微生物不需要增菌，整個檢測時間不到1h，快速、靈敏，方法新穎，在病原微生物分析檢測中表現(xiàn)出良好的應用前景。

5 展望

低分辨核磁共振技術(shù)是一種非常有潛力并具有優(yōu)勢的快速檢測技術(shù)，它在食品安全領(lǐng)域的研究正處于萌動發(fā)展時期。隨著低場核磁共振技術(shù)的快速發(fā)展以及低場核磁共振設備的不斷成熟，隨著對食品安全監(jiān)管力度的不斷加強，會吸引越來越多的科研工作者開發(fā)更多的技術(shù)與方法應用于食品安全領(lǐng)域，推動低分辨核磁共振技術(shù)的蓬勃發(fā)展。

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