低場核磁共振研究肌肉保水性的研究進展

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低場核磁共振研究肌肉保水性的研究進展

張佳瑩1，郭兆斌1，韓 玲1,*，余群力1，韓廣星2，張巨會3

(1.甘肅農業(yè)大學食品科學與工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.山東綠潤食品有限公司，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領域研究的熱點之一，肌肉宰后成熟過程中發(fā)生復雜的生物化學變化，其對肉品保水性機制仍存在爭議。低場核磁共振檢測技術是一種快速、無損、精確的光譜檢測技術，其在食品科學的研究中得到了廣泛應用。文中介紹了低場核磁共振技術的基本原理，并詳細綜述了肌肉水分變化規(guī)律對宰后成熟及其加工過程中保水性影響的研究進展。

關鍵詞：低場核磁共振；肌肉水分變化；保水性

張佳瑩, 郭兆斌, 韓玲, 等. 低場核磁共振研究肌肉保水性的研究進展[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組分，其存在形態(tài)及流動規(guī)律直接影響到肉與肉制品的食用品質，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方法十分必要。

目前，我國對牛肉品質指標的檢測仍然屬于傳統(tǒng)保水性（water holding capacity，WHC）評價的方法，缺點是費力、費時，很難進行大批量的快速檢測[3]。近年來，低場核磁共振技術作為一門迅速發(fā)展起來的新型分析檢測技術，能夠用于分析肉品中水分的流動及分布狀態(tài)[4]，同時還能進行成像分析，并可獲取樣品內部的水分分布信息，從而分析并探究肉品中的水分與其他品質特性之間的相互關系[5]。而且，它具有快速、高效、靈敏、對樣品無損的特點[6]。因此近年來也被廣泛應用于測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核磁共振技術研究肌肉水分變化規(guī)律對其宰后成熟及加工過程中保水性的影響，以期為相關工作者提供理論參考。

1　低場核磁共振技術概述

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，在交變磁場與恒定磁場的相互作用下，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，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和低場兩種類型。高場主要探測的是樣品的化學性質，磁場強度在0.5 T以下的核磁共振稱為低場核磁共振（low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR），檢測對象主要針對的是樣品的物理性質[10]。1H核，尤其是其質子在LF-NMR技術中的應用尤為廣泛，原因在于該質子在自然界中的豐度甚高，其產(chǎn)生的核磁共振檢測信號，便于檢測，易于觀察。

LF-NMR測定的指標是弛豫時間。1H核以非輻射方式從高能態(tài)轉化為低能態(tài)的過程稱為弛豫。它能夠提供核的內部物化環(huán)境等十分有用的信息[11]。LF-NMR的測定結果用于反映質子的運動特性，其主要是對橫向弛豫時間T2和縱向弛豫時間T1進行測定。在肉類科學研究中，由于T2的變化范圍廣且更加敏感，因此通常用來表征質子的運動特性。T2的測定結果能夠區(qū)分3 種不同水分群，即結合水、不易流動水和自由水，還能夠反映三者之間相互遷移轉換的關系[12]。因此，LF-NMR能夠很好地應用于肉與肉制品體系，進行多種品質和理化指標的測定。

2　肌肉水分變化規(guī)律對肉品保水性的影響

2.1 肌肉結構對肌肉水分變化的影響

水是肉類中最主要的成分。對于肉與肉制品而言，其質的優(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和食用品質，而且嚴重影響到其經(jīng)濟效益。傳統(tǒng)方法如離心法、加壓損失、滴水損失、蒸煮損失與貯藏損失等，都不能表征肉品中的水分存在形態(tài)及其變化的過程[14]。Pearce等[15]對屠宰前后豬肉中水分分布及變化特征進行LF-NMR技術的研究，研究表明，肌原纖維內部水分分布及其流動性與肌肉結構密切相關。Micklander等[16]利用LF-NMR技術對豬背最長肌進行測定，研究發(fā)現(xiàn)，豬肉背最長肌結構的變化主要是發(fā)生在宰后2～24 h之間，此時肌肉中的水分發(fā)生了極其劇烈的變化。

2.2pH值對肌肉水分變化的影響

肌原纖維蛋白在肉類加工過程中起到十分重要的作用，其中一個極為重要的性質是加熱之后形成凝膠，凝膠的形成與肉品優(yōu)良的質構特性及其黏聚性相關[17]。此外，其對產(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，pH值影響肉品的保水性[19-20]。Han Minyi等[21]利用LF-NMR技術測定了不同pH值條件下豬肉肌原纖維蛋白熱誘導凝膠的弛豫時間T2。實驗表明，隨著pH值偏離肌原纖維蛋白的等電點（pI）,不易流動水的弛豫時間T2顯著性增加，其所占峰面積和凝膠的WHC也隨之增加，WHC最大時對應的pH值為7.0。Liu等[22]研究結果同樣表明，肌球蛋白熱誘導凝膠的WHC處于最大時所對應的pH值在7.0～9.0之間。吳燁等[23]對兔骨骼肌肌球蛋白熱誘導凝膠保水及水分遷移變化的影響進行研究。結果表明，與自由水相對應的弛豫時間T2隨pH值升高而呈現(xiàn)降低的趨勢。

2.3 添加劑對肌肉水分變化的影響

在肌肉制品當中添加不同的物理化學成分，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]對經(jīng)過多聚磷酸鹽（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行LF-NMR測定。研究認為，磷酸鹽對魚肉保水性的影響主次順序為焦磷酸鈉＞三聚磷酸鈉＞六偏磷酸鈉。對應到低場核磁共振，即以核磁共振得到的T22積分峰面積作為保水性的指標，建立磷酸鹽濃度與保水性指標之間的數(shù)學模型，峰面積越大，則說明保水性越好。呂玉等[25]研究認為,不同的磷酸鹽濃度與肉品保水性的各項指標存在顯著的相關性（P＜0.05）。一般情況下，當磷酸鹽添加量≤0.4%時，肉的保水性能最好。Han Minyi等[26]利用LF-NMR對豬肉肌原纖維凝膠的保水性進行了研究，處理組樣品中加入谷氨酰胺轉胺酶（transglutaminase，TG）。NMR結果表明，對照組樣品的弛豫時間T2為226 ms，而處理組為188 ms，因此，處理組樣品的弛豫時間更低，保水性能更好。此外，Sun Jian等[27]利用LF-NMR技術研究了添加亞麻籽膠（linseed gum，LG）對肌肉保水性的影響，研究認為，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)狀空間結構變大，暴露出更多與周圍水分子結合的位點，水分的移動性顯著降低。寧年英等[28]利用LF-NMR技術，對不同食鹽、TG的添加量對鮮豬肉糜系水力的影響進行研究。認為，食鹽添加量為2.5%時，結合水弛豫時間（T23）最大，隨后減小，說明在此添加量下水分的流動性最強。當TG的添加量為0.75%時，肉糜水分含量最大，其從高弛豫組向低弛豫組進行遷移，利于水分的保持。

2.4 冷卻和冷凍對肌肉水分變化的影響

LF-NMR橫向弛豫時間T2也用于研究不同冷卻條件對豬肉和海產(chǎn)品的水分分布影響。李春等[29]對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行研究。結果表明，與常規(guī)冷卻相比，快速冷卻具有較低的T2值。Hambrecht等[30]對三段式快速冷卻和常規(guī)冷卻條件下貯存的肌肉進行保水性研究，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]對快速冷卻和常規(guī)冷卻條件下貯存的豬肉進行保水性研究。結果表明，快速冷卻方式減緩了背最長肌pH值的降低，從而提高了肉品保水性能。此外，Sanchez-Alonso等[32]研究認為，與高溫環(huán)境下長時間存放的未冷藏鱈魚相比，10 ℃條件下存放的鱈魚，其弛豫時間T2值更低，且峰面積更寬。李偉妮等[33]利用LF-NMR技術研究了山羊肉在冷藏過程中一系列的水分分布變化情況。結果表明，冷藏山羊肉中不易流動水的弛豫時間、結合水的弛豫時間與水分總量的相對含量隨著冷藏時間的變化呈現(xiàn)顯著的下降趨勢。并且，兩個弛豫時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性。原琦等[34]利用LF-NMR研究了凍融過程中犢牛肉的品質變化。結果顯示，不易流動水弛豫時間（T21）與凍融的次數(shù)、加壓損失及解凍損失率呈現(xiàn)顯著相關性。因此，弛豫時間T21可用來快速檢測犢牛肉的品質。戚軍等[35]利用LF-NMR研究了凍融過程中羊肉持水力的變化。研究表明，結合水的弛豫時間（T21）與蒸煮損失、加壓損失及凍融次數(shù)顯著相關，自由水弛豫時間（T22）與保水性趨勢一致。凍融后的羊肉保水性能顯著下降。

2.5 超高壓和加熱對肌肉水分變化的影響

近年來，我國大多數(shù)廠家通過超高壓和加熱對低溫肉制品進行二次殺菌以此來延長產(chǎn)品貨架期。朱曉紅等[36]對醬牛肉進行不同的處理。結果表明，超高壓和熱處理的樣品弛豫時間明顯增強（說明處理組的水分移動性增強），其中結合水顯著減少，自由水顯著增加。因此超高壓和加熱均會導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]等的研究結果一致，可能與蛋白凝膠特性及其肌原纖維結構有關。Li Weiming等[39]研究認為，弛豫時間隨壓力的增大而變大。較長的弛豫時間T21（不易流動水）、T2（自由水）表明水與肌肉組織間的結合能力弱化了，導致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，肌肉組織結構受到嚴重破壞，導致肌肉中水分弛豫時間增大。楊慧娟等[40]對乳化腸進行超高壓結合加熱處理，研究了其質構特性及其熱凝膠體系水分子的LF-NMR信息。結果表明，超高壓處理對該凝膠體系中的不易流動水的影響最大，且隨著壓力的增大，不易流動水的含量相對增加，樣品的硬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

2.6 食鹽濃度對肌肉水分變化的影響

Ciara等[41]平行或垂直于肌纖維方向對豬肉背最長肌用不同濃度NaCl溶液處理。結果顯示，弛豫時間隨NaCl濃度的升高而增大；增加肌原纖維內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部空隙更快的擴散到胞外空隙，降低了保水性。Nguyen等[42]用不同濃度的NaCl對肌肉進行腌漬。結果表示，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，研究了食鹽濃度對魚糜加工過程中水分遷移變化的影響。研究認為，當食鹽添加量為3%時，低弛豫時間的質子密度增大，而高弛豫時間的質子密度減小，水分從高弛豫組向低弛豫組進行遷移，有利于保水。韓敏義等[44]利用LF-NMR對不同NaCl濃度肌原纖維熱誘導蛋白凝膠水分分布和遷移變化進行了研究。結果表明，隨著NaCl濃度的增加其保水性顯著增大，因為加入NaCl后，水的流動性降低，而不易流動水的峰面積增大，從而增加了體系的保水性。

2.7 解凍對肌肉水分變化的影響

肉類科學研究中，冷藏和冷凍工藝能夠防止有害微生物的繁殖生長，有效延緩肉品品質的劣變。解凍過程和凍結過程同樣是肉類科學研究領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，其直接關系到肉類工業(yè)的生產(chǎn)利益。龐之列等[45]對解凍豬肉的品質進行了LF-NMR的研究。他認為，豬肉在冷凍的過程中產(chǎn)生的冰晶連續(xù)不斷擠壓肌肉的肌原纖維，使其中的不易流動水穩(wěn)定性明顯增加。因此，解凍后不易流動水的總量降低，在LF-NMR信號中表示為弛豫時間的提前。另外，解凍后由于肌肉內部的機械損傷，導致保水性能降低，不易流動水和自由水大量流失。

3　結 語

肉品的保水性是消費者及肉類加工用于衡量肉品食用品質和產(chǎn)品價格十分重要的指標之一。我國生產(chǎn)的冷鮮肉保水性低，嚴重影響了肉制品的品質和貨架期。因此，長期以來，對肉品保水性的研究一直是國內外肉品科學研究領域的熱點。目前，肉類科學研究領域中對低場核磁共振技術的研究通常聯(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等分析儀器，以此對低場核磁共振技術進行完善和補充。另一方面，低場核磁共振技術在肉品科學研究領域中的起步較晚，我國肉類工業(yè)對該技術的應用還很少。因此，在今后的研究中，需要大力開發(fā)更多的設備與其聯(lián)用來擴大研究領域和范圍。此外，應該開發(fā)出相應的分析檢測儀器和設備，并且應用于實際的肉類生產(chǎn)中。相信隨著研究的具體化和深入化，低場核磁共振技術能夠成為研究肉品保水性機制、提高肉品質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：TS251.5

文獻標志碼：A

文章編號：1001-8123（2016）01-0036-04

*通信作者：韓玲（1963—），女，教授，博士，研究方向為食品科學與工程。E-mail：hanling5@126.com

作者簡介：張佳瑩（1992—），女，碩士研究生，研究方向為營養(yǎng)與食品衛(wèi)生。E-mail：610391858@qq.com

基金項目：國家自然科學基金地區(qū)科學基金項目（31460 402）；國家現(xiàn)代農業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系建設專項（CARS-38）；甘肅省科技重大專項（143NKDP020）

收稿日期：2015-08-01

引文格式：