基于低場核磁共振檢測海南瑞今黑豬肉

楊芳，許建梅，王瑞軍，林卿

基于低場核磁共振檢測海南瑞今黑豬肉

楊芳，*許建梅，王瑞軍，林卿

（海南醫(yī)學院信息技術部，海南?？?71199）

基于低場核磁共振檢測海南瑞今黑豬肉的水分性質(zhì)和含量，并討論了核磁共振分析儀檢測肉品的參數(shù)設定。橫向弛豫時間圖譜可以表明肉品內(nèi)水分的分布及其狀態(tài)改變，從分子水平探討海南瑞今黑豬肉與普通瘦肉型豬肉的差別。關鍵詞：低場核磁共振；海南瑞今黑豬肉；橫向弛豫時間圖譜

海南瑞今黑豬是依靠海南當?shù)睾谪i母豬與外來品種杜洛克雜交后所生的后代，生長在富含微量硒元素水質(zhì)的海南省澄邁縣，采用生物飼料喂養(yǎng)、生態(tài)放養(yǎng)的養(yǎng)殖。對屠宰后的生豬采用冷鏈物流體系，使肉品始終處于0～4℃的冷鏈之下，整個過程能有效抑制微生物和細菌的生長繁殖。

海南瘦肉型豬養(yǎng)殖大都是圈養(yǎng)，用飯店剩菜和玉米、麩皮、豆粕等作為飼料喂養(yǎng)，前一天晚上或凌晨宰殺，早晨上市，在這期間并沒有經(jīng)過任何降溫處理。在加工、運輸和銷售過程中，容易受到空氣中細菌和病毒、車輛、包裝等的污染。因為肉品處于溫度相對較高環(huán)境中，細菌會大量繁殖，存在著安全隱患[1]。

水分占肉品的75%以上，肉品中的物理和化學變化都與水分有關[2]。因此，水分的分布和狀態(tài)改變是肉品品質(zhì)變化的重要影響因素。核磁共振是指具有磁性的原子核在靜磁場的作用下，核能級發(fā)生分裂。當滿足一定能量條件的外加射頻電磁波作用于原子核系統(tǒng)時，原子核吸收入射電磁波能量，從低能級躍遷到相鄰高能級的現(xiàn)象。關閉射頻脈沖后，氫核由激發(fā)態(tài)恢復到平衡狀態(tài)的時間與氫核的狀態(tài)及所處的物理環(huán)境、化學環(huán)境有關[3-4]。因此，可以用橫向弛豫圖譜體現(xiàn)肉品中水分的性質(zhì)、分布及其動態(tài)信息。低場核磁共振檢測技術，具有檢測迅速、對操作人員要求低、對樣品無損等優(yōu)點[5]。

海南瑞今黑豬肉是綠色有機豬肉，其價格比普通豬肉高1倍，其對生豬的養(yǎng)殖、屠宰、運輸、銷售等環(huán)節(jié)實施全程監(jiān)控，有利于確保豬肉食品的質(zhì)量安全。然而質(zhì)量檢測部門缺少有效的手段區(qū)分綠色有機豬肉和普通豬肉，供應商也有認證難的問題。試驗用低場核磁共振技術檢測2種豬肉水分分布及其狀態(tài)的差別，為海南瑞今黑豬肉作為品牌豬肉提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品

海南瑞今黑豬的豬后腿肉，海南瑞今投資控股有限公司提供；普通瘦肉型豬后腿肉，?？谵r(nóng)工貿(mào)股份有限公司提供。

1.2 儀器與設備

1.3 低場核磁共振檢測

采用CPMG（硬脈沖回波）序列檢測肉品的橫向弛豫圖譜，由于設置不同的序列參數(shù)，對采樣信號的信號強度和信噪比有很大影響，設置合適的序列參數(shù)[6]，可得到幅值大、信噪比高的信號，且有利于提高檢測效率，可保證采樣信號的準確性、穩(wěn)定性和重復性[7]。因此，這里有必要說明試驗對序列參數(shù)的設置。

（1）肉品質(zhì)量。肉品質(zhì)量越大，所含氫核的數(shù)量也就越多，核磁共振的信號強度越大，試驗采用儀器的口徑為60 mm。為了得到一個較強的采樣信號，把肉品放置在磁場均勻性較好的磁共振中心位置，因此選擇質(zhì)量為15±0.02 g的豬肉。

（2）磁體溫度。磁體溫度在32±0.02℃時，磁場穩(wěn)定，均勻性好；超過磁體溫度范圍，檢測到的磁共振信號非常差。

（3）P1，P2。肉品放入恒溫水浴鍋至32℃（使肉品與磁體溫度一致）后置于核磁共振分析儀的磁場中心，尋找中心頻率后，用FID序列尋找合適的90°脈寬P1和180°脈寬P2。測量得到P1（μS）=16，P2（μS）=34。

（4）RG1，DRG1，PRG。由于核磁共振本身的信號很小，所以需要通過硬件來放大信號，而信號放大倍數(shù)太大，又會使信號失真。因此，設置RG1（dB）=20，DRG1=3，PRG=1。

（5）RFD。射頻延遲RFD，即采樣開始時間，是指通過延遲90°脈沖的施加時間用來控制第1個采樣點的采樣時間。由于信號接收的時間是固定的，可以通過設置合適的RFD來控制接收機采樣時間。若RFD過大，90°脈沖施加的時間在接收機開始采集信號之前，采樣信號會包括一段未發(fā)生核磁共振的信號；若RFD過小，接收機開始采樣的信號就包括了90°脈沖的信號和零蕩信號。通常選擇90°零蕩結(jié)束的第1個不受零蕩干擾的幅值最高點作為起始點。設置RFD=0.01。

如今智能倉儲機器人是采用地貼碼進行運作的，如若能夠研發(fā)出紅外線式或者雷達式機器人，通過紅外或是雷達感應來自動尋找最短路徑，既能省去人工規(guī)劃路線的步驟，又能避免因避讓其他機器人而繞遠路。這樣就能大大節(jié)省機器人搬運時間，提高揀貨效率。

（6）TW。TW是重復采樣等待時間，是前一次采樣結(jié)束后，等待一定的時間，氫核的縱向磁化強度才能恢復到平衡狀態(tài)。等待時間足夠長，縱向磁化強度完全恢復到磁化強度矢量最大值M0；若等待時間短，縱向磁化強度沒有恢復至M0，則下一次采樣得到的信號幅度會減小。TW長，縱向弛豫恢復越完全，信號強、信噪比大，但采樣時間長，影響檢測效率；TW短，縱向弛豫沒有完全恢復，采樣信號幅值較小。一般情況，TW大于等于縱向弛豫時間T1的5倍。因此，設置TW=4 500 ms。

（7）TE?；夭〞r間TE不僅會影響CPMG序列回波幅值的最大值，還會影響信號的總弛豫時間大小。TE越長，氫核的自擴散作用越強，弛豫時間越長；TE越短，橫向磁化強度的衰減越不明顯，能得到較強信號，有較好的信噪比。系統(tǒng)要求回波時間TE大于6倍的P1值。因此，設置TE=0.22 ms。

（8）SW。若采樣頻率SW過小，很可能會丟失樣品中的有效信息；SW越大，采樣時間越短，較大的樣品頻率有利于獲得完整的樣品信息。樣品的弛豫時間越短，需要設置的SW越大。設置SW=100KHz。

（9）NECH。隨著回波個數(shù)NECH的增加，CPMG回波曲線的橫向弛豫區(qū)間變大。一般而言，回波個數(shù)應設置的足夠大以使信號完全衰減。但NECH過大，則會延長測定時間、降低試驗檢測效率、降低采樣信號信噪比；過小則會丟失樣品中的有效信息。理論上，NECH是使樣品弛豫的最小回波數(shù)，在圖像上使得信號占窗口的1/3。設置NECH=5 000。

豬肉的采樣信號見圖1。

圖1 豬肉的采樣信號

（10）TD。采樣點數(shù)TD，在CPMG試驗中，軟件根據(jù)設置的SW和NECH，自動計算TD。

（11）NS。重復采樣次數(shù)NS一般為2的倍數(shù)，NS大，采樣信號的信噪比高，但掃描時間長；NS小，數(shù)據(jù)信噪比差。設定NS=8。

2 結(jié)果與分析

2.1 海南瑞今黑豬肉和普通瘦肉型豬肉低場核磁共振分析

海南瑞今黑豬肉T2弛豫圖譜見圖2，普通瘦肉型豬肉T2弛豫圖譜見圖3。

圖2 海南瑞今黑豬肉T2弛豫圖譜

圖3 普通瘦肉型豬肉T2弛豫圖譜

圖2 和圖3給出的2種豬肉質(zhì)量都為15±0.02 g，其變化趨勢大致相同。圖中都有3個峰，這3個峰分別代表結(jié)合水T21（0～10 ms）、不易流動水T22（10～100 ms）、自由水T23（100～1 000 ms），其中T21表示蛋白質(zhì)分子表面的極性基團與水分子緊密結(jié)合的水分子層；T22表示存在于肌纖絲、肌原纖維及膜之間的不易流動水，容易受蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和電荷變化的影響；T23表示存在于細胞外間隙中能自由流動的水，依靠毛細管作用力而保持[8-9]。從圖中可以看出隨弛豫時間的延長，T21的峰面積變化不大，T22峰和T23峰都逐漸左移，T22的峰面積逐步減小，而T23的峰面積逐步增大。這是由于隨著貯藏時間的延長，肉中的肌纖維逐漸由松散變得緊密，不能吸附更多的水分，肉品中存在于肌原纖維及膜之間的不易流動水流動到細胞外的間隙，轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤?，從而使得不易流動水減少、自由水增多。而總峰面積逐漸減小，是由于隨著時間的延長，肉品中微生物的生長消耗了部分水分，導致豬肉的總水分含量降低。

2.2 海南瑞今黑豬肉與普通瘦肉型豬肉橫向弛豫比較

海南瑞今黑豬肉與普通瘦肉型豬肉的T2比較見圖4。

圖4海南瑞今黑豬肉與普通瘦肉型豬肉的T2比較

圖4 給出相同質(zhì)量的海南瑞今黑豬肉和普通瘦肉型豬肉在同一時間的橫向弛豫T2反演結(jié)果比較，從圖4中可以看出，質(zhì)量相同的2種豬肉，海南瑞今黑豬肉的T22峰面積比普通瘦肉型豬肉T22峰面積大，說明海南瑞今黑豬肉存在于肌原纖維及膜之間的不易流動水較多，因此肉質(zhì)較嫩。海南瑞今黑豬肉與普通瘦肉型豬肉的T21和T23峰面積相差較小，但海南瑞今黑豬肉的T23峰頂點時間比普通瘦肉型豬肉T23峰頂點時間小。弛豫時間越短說明水分與底物結(jié)合越緊密，弛豫時間越長說明水分越自由[10]。也就是說普通瘦肉型豬肉的自由水與底物的結(jié)合較松，其自由水流動性稍大一些。

普通瘦肉型豬肉與海南瑞今黑豬肉T21峰頂點時間隨時間的變化見圖5，普通瘦肉型豬肉與海南瑞今黑豬肉T22峰頂點時間隨時間的變化見圖6，普通瘦肉型豬肉與海南瑞今黑豬肉T23峰頂點時間隨時間的變化見圖7。

圖5 普通瘦肉型豬肉與海南瑞今黑豬肉T21峰頂點時間隨時間的變化

圖6 普通瘦肉型豬肉與海南瑞今黑豬肉T22峰頂點時間隨時間的變化

圖7普通瘦肉型豬肉與海南瑞今黑豬肉T23峰頂點時間隨時間的變化

圖5 ～圖7分別給出普通瘦肉型豬肉與海南瑞今黑豬肉T21，T22，T23峰頂點時間隨時間的變化，從圖中可以看出海南瑞今黑豬肉的峰頂點時間T21比普通瘦肉型豬肉的低，說明海南瑞今黑豬肉的大分子蛋白與水分的結(jié)合較緊密，隨著時間的延長，T21的峰頂點時間都逐漸增大，水分與大分子的結(jié)合逐漸松散；T22和T23的峰頂點時間都隨時間呈階段性減小的變化，是由于自由水和不易流動水的含量變少，氫核的數(shù)量減少，由激發(fā)態(tài)到平衡態(tài)所需的時間短，所以弛豫時間變短。

普通瘦肉型豬肉與海南瑞今黑豬肉T22峰面積比例隨時間的變化見圖8，普通瘦肉型豬肉與海南瑞今黑豬肉T23峰面積比例隨時間的變化見圖9。

圖8 普通瘦肉型豬肉與海南瑞今黑豬肉T22峰面積比例隨時間的變化

圖9普通瘦肉型豬肉與海南瑞今黑豬肉T23峰面積比例隨時間的變化

圖8 和圖9分別給出普通瘦肉型豬肉與海南瑞今黑豬肉T22，T23峰面積比例隨時間的變化。從圖中可以看出，不易流動水所占的比例高，占80%以上，其次為自由水、結(jié)合水，隨著貯藏時間的延長，海南瑞今黑豬肉和普通瘦肉型豬肉的T23峰面積比例都隨時間逐步增大，T22峰面積比例都隨時間逐步減小，是由于不易流動水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤?。海南瑞今黑豬肉比普通瘦肉型豬肉的T23峰面積比例高，說明其自由水含量較多，但其與底物的結(jié)合較緊。

3 結(jié)論

從結(jié)合水、不易流動水、自由水的峰頂點時間和峰面積比例中可以看出2種豬肉的差別，相對普通瘦肉型豬肉，海南瑞今黑豬肉的不易流動水含量較高，因此肉質(zhì)較嫩。隨著貯藏時間的延長，不易流動水轉(zhuǎn)化為自由水，使得不易流動水的含量減小而自由水的含量增大。海南瑞今黑豬肉比普通瘦肉型豬肉的自由水T23頂點時間低，但T23峰面積比例高，說明海南瑞今黑豬肉細胞膜間隙與水之間的結(jié)合緊密而且水含量高。用低場核磁共振技術，可以區(qū)分海南瑞今黑豬肉和普通瘦肉型豬肉。

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Detection ofHainan Ruijin Black Pork Based on Low-field Nuclear Magnetic Resonance

YANG Fang，*XU Jianmei，WANG Ruijun，LIN Qing
（Department of Medical Information，Hainan Medical College，Haikou，Hainan 571199，China）

This study is based on low field nuclear magnetic resonance（LF-NMR）to detect water content in Hainan Ruijin black pork，and discuss with parameter setting of LF-NMR analyzer in meat.Transverse relaxation time spectrum can show the distribution and state of water change in meat，and to explore the Hainan Ruijin black pork and common lean pork differences at the molecular level.

LF-NMR；Hainan Ruijin black pork；transverse relaxation time spectrum

TS251.1

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.07.011

1671-9646（2017）07a-0035-04

2017-05-13

海南醫(yī)學院教育科研項目（HYZX201603）。

楊芳（1983—），女，碩士，講師，研究方向為核磁共振成像與分析。

*通訊作者：許建梅（1962—），女，碩士，副教授，研究方向為醫(yī)學影像物理成像。