基于LF-NMR技術(shù)鑒別不同干燥方式牛肉干產(chǎn)品

朱瑩瑩，張中會(huì)，張麗，耿景秋，楊世燕

1. 蘇州市職業(yè)大學(xué)食品營養(yǎng)與檢測系，食品營養(yǎng)與安全中心，蘇州市大學(xué)生營養(yǎng)與健康促進(jìn)基地（蘇州 215104）；2. 蘇州紐邁分析儀器股份有限公司（蘇州 215151）

牛肉干以牛肉為主要加工原料，經(jīng)腌制、熟制、干燥等工藝加工而成，牛肉干中富含蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、維生素等多種營養(yǎng)成分，是大眾普遍喜愛的產(chǎn)品之一[1]。干燥是牛肉干生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，可以降低牛肉干內(nèi)部水分活度，減緩生化反應(yīng)，延長貨架期。不同的干燥方法對(duì)牛肉干物性特性有不同影響，從而影響牛肉干品質(zhì)。工廠常用的干燥方法有風(fēng)干、熱風(fēng)干燥、烘房干燥[2-3]，其中風(fēng)干主要依靠自然條件控制，溫度難以調(diào)節(jié)，干燥效率較低，且不同批次間產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定，易受空氣等環(huán)境污染。熱風(fēng)干燥和烘房干燥可以控制干燥溫度，減少空氣對(duì)產(chǎn)品的污染，制得的牛肉干產(chǎn)品品質(zhì)較優(yōu)，但受傳熱效率影響，產(chǎn)品內(nèi)外干燥程度不均一，表面結(jié)痂變硬現(xiàn)象嚴(yán)重[4]。研究表明，不同干燥方式加工的牛肉干產(chǎn)品其品質(zhì)間存在顯著差異，如何快速檢測不同干燥方式牛肉干產(chǎn)品對(duì)檢測部門和消費(fèi)者快速了解該批次牛肉干的品質(zhì)有指導(dǎo)意義。

低場核磁技術(shù)（low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）是一種無損、快速的檢測方法，被廣泛應(yīng)用于食品安全檢測領(lǐng)域[5]。研究表明干制品內(nèi)部水分組成和產(chǎn)品品質(zhì)間存在相關(guān)性。Du等[6]研究不同酶對(duì)去除馬鈴薯果肉中的果膠及干燥特性的影響，同時(shí)使用LF-NMR技術(shù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)核磁數(shù)據(jù)與干燥特性結(jié)果可以一一對(duì)應(yīng)。Kamal等[7]研究蘋果干燥過程中水分的動(dòng)態(tài)變化及遷移規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)LFNMR技術(shù)可以真實(shí)反映出蘋果干燥過程中水分及其制品品質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化。Li等[8]利用LF-NMR技術(shù)研究了山藥干燥過程中水分遷移機(jī)制和品質(zhì)變化間的關(guān)系，結(jié)果顯示山藥的介電特性與LF-NMR參數(shù)之間存在明顯的相關(guān)性。Wu等[9]研究發(fā)現(xiàn)蛹蟲草干燥過程中收縮率與核磁各部分水的峰面積及總的峰面積存在顯著相關(guān)性。通過核磁數(shù)據(jù)可以確定干燥過程中產(chǎn)品品質(zhì)變化的重要水分控制點(diǎn)，預(yù)測食物脫水中的水?dāng)U散，同時(shí)與質(zhì)構(gòu)、品質(zhì)指標(biāo)存在一定的相關(guān)性，說明低場核磁共振技術(shù)應(yīng)用到食品品質(zhì)的快速檢測上具有可行性。

試驗(yàn)采用低場核磁共振技術(shù)并結(jié)合主成分分析方法建立自然風(fēng)干燥、熱風(fēng)干燥、烘烤干燥3種干燥方式的低場核磁共振弛豫譜特征鑒定方法，以期為牛肉干品質(zhì)的快速鑒別提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮牛后腿肉（市售）；核磁共振成像分析儀NMI20-040V-I（蘇州紐邁分析儀器股份有限公司）。

1.2 牛肉干干燥加工流程

牛后腿肉去筋膜后切成5 cm×1 cm×1 cm的柱狀，添加1.5%食鹽，于4 ℃冰箱腌制12 h后，分別置于空氣中（配置風(fēng)扇）、熱風(fēng)干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）中和烘箱中，溫度分別設(shè)置為20，50和160 ℃，質(zhì)量減少至40%視為干燥結(jié)束。

1.3 LF-NMR檢測方法

環(huán)境溫度23.3 ℃，環(huán)境濕度79.1%。儀器共振頻率23.40 MHz，磁體強(qiáng)度0.55 T，線圈直徑25 mm，磁體溫度32 ℃，選用CPMG序列。T2測試條件：SFO1（MHz）=24.00 MHz，P1=5.8 μs，P2=9.6 μs，TE=0.08 ms，TW=3000 ms，NECH=6000，PRG=2，NS=8。使用儀器自帶的核磁共振分析測量軟件分析樣品的橫向弛豫信號(hào)，采用SIRT 100000進(jìn)行反演，得到不同干燥方式牛肉干樣品的橫向弛豫圖譜。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

用儀器自帶的核磁共振分析測量分析反演軟件對(duì)采集到的CPMG衰減曲線進(jìn)行反演擬合，同時(shí)對(duì)CMPG序列數(shù)據(jù)及反演數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，利用SIMCA-P 11.5對(duì)歸一化處理后的CPMG序列數(shù)據(jù)做主成分分析（principal component analysis，PCA），使用R4.0.2軟件的hclust包對(duì)歸一化后的CMPG序列數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，采用Origin 8.5.1軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行畫圖處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同加工方式牛肉干樣品T2弛豫特性分析

利用LF-NMR技術(shù)測定不同干燥方式牛肉干樣品的T2弛豫特性，根據(jù)T2弛豫時(shí)間的不同，可以很容易地區(qū)分肉與肉制品內(nèi)部不同狀態(tài)的水分分布，水分分布狀態(tài)會(huì)影響牛肉干產(chǎn)品的口感和品質(zhì)。反演后的測試結(jié)果顯示牛肉干樣品中有3個(gè)峰，如圖1所示，包括T21（0.05～1.72 ms）、T22（1.72～98.51 ms）和T23（77.53～541.59 ms），根據(jù)出峰時(shí)間可認(rèn)為，3個(gè)峰代表牛肉在加熱過程中水分的3種不同存在狀態(tài)：結(jié)合水、不易流動(dòng)水和自由水。不同干燥方式牛肉干樣品的T2弛豫特性存在顯著差異，自然風(fēng)干和烘烤干燥的牛肉干樣品中結(jié)合水占比較高，而熱風(fēng)干燥的牛肉干樣品中不易流動(dòng)水占比較高。

圖1 不同干燥加工方式牛肉干樣品T2橫向弛豫時(shí)間變化

圖2為不同加工方式下牛肉的CPMG序列回波峰點(diǎn)圖。牛肉干樣品，因內(nèi)部水分組成不同，產(chǎn)生的信號(hào)大小不同，衰減速度也不同。烘烤和自然風(fēng)干的牛肉樣品內(nèi)部水分自由水含量較少，產(chǎn)生的NMR信號(hào)較弱，衰減速度較快。

圖2 不同干燥加工方式牛肉干樣品的CPMG序列回波峰點(diǎn)圖

從峰的個(gè)數(shù)和峰的組成比例（如圖3所示）上看，自然風(fēng)干和烘烤干燥的牛肉干樣品中主要存在2個(gè)峰，自然風(fēng)干的牛肉干中主要存在T22和T23這2個(gè)峰，即不易流動(dòng)水和自由水，峰面積占比A22、A23分別為85.81%± 5.34%和13.36%±5.39%；而烘烤干燥的牛肉干樣品中主要存在T21和T22這2個(gè)峰，即結(jié)合水和不易流動(dòng)水，峰面積占比A21、A22分別為83.84%±1.88%和15.89%± 1.89%。熱風(fēng)干燥的牛肉干樣品中存在3個(gè)峰，包括T21、T22和T23，根據(jù)出峰時(shí)間可認(rèn)為，即結(jié)合水、不易流動(dòng)水和自由水，峰面積占比A21、A22、A23分別為11.07%±0.46%，86.51%±1.28%和2.42%±1.11%。說明不同干燥方式牛肉干樣品內(nèi)部水分組成存在顯著差異。

圖3 不同干燥加工方式牛肉干樣品T2峰面積組成變化

2.2 不同加工方式牛肉干樣品CPMG序列數(shù)據(jù)聚類分析和主成分分析

使用R軟件和SIMCA-P軟件對(duì)不同干燥方式加工的牛肉干樣品歸一化的CPMG序列回波峰點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析和主成分分析。

由圖4可知，不同干燥方式的牛肉干樣品CPMG序列回波峰點(diǎn)數(shù)據(jù)間存在較遠(yuǎn)距離，表明3組牛肉干樣品間T2弛豫特性存在較大差異。自然烘干、烘烤干燥加工的牛肉干樣品與熱風(fēng)干燥加工的牛肉干樣品間存在較遠(yuǎn)距離，說明相比另外2種干燥方式，熱風(fēng)干燥的牛肉干樣品內(nèi)部水分組成差異較大。3組組內(nèi)8個(gè)樣品間的距離較近，說明各組組內(nèi)差異較小，牛肉干內(nèi)部水分組成情況主要受干燥方式影響。

圖4 不同干燥加工方式牛肉樣品CPMG序列聚類分析

圖5為不同干燥方式的牛肉干樣品CPMG序列回波峰點(diǎn)數(shù)據(jù)的主成分分析結(jié)果。低場核磁共振技術(shù)主要通過研究樣品內(nèi)部氫原子核在永磁場中的自旋弛豫特性，分析樣品的T2弛豫時(shí)間變化來研究被測樣品中的氫質(zhì)子特性，水分子中含有大量的氫質(zhì)子，因此通過核磁信號(hào)可以直觀地反映待測樣品內(nèi)部水分組成狀態(tài)。不同干燥加工方式牛肉干樣品內(nèi)部水分狀態(tài)存在較大差異，可以直接反映到PCA得分圖上。第1主成分PC1貢獻(xiàn)率為94.31%，第2主成分PC2貢獻(xiàn)率為5.28%，PC1和PC2的貢獻(xiàn)率之和超過99%，說明主成分分析可以較完整地反映原來牛肉干樣品中CPMG多指標(biāo)的數(shù)據(jù)信息，PC1可以將3種不同干燥方式的牛肉干樣品完全分開，可以用來解釋干燥方式的組間差異。PC2可以用來解釋不同干燥方式的組內(nèi)差異，樣品點(diǎn)之間的距離越遠(yuǎn)，說明樣品間差異越大。由此得出，熱風(fēng)干燥牛肉干樣品和烘烤干燥及自然風(fēng)干牛肉干樣品間存在較遠(yuǎn)距離，在PC1方向上可以得到準(zhǔn)確區(qū)分。烘烤干燥及自然風(fēng)干牛肉干樣品的CPMG序列回波峰點(diǎn)數(shù)據(jù)間距離較近，但仍存在一定差異，可以在PC1方向上區(qū)分并在PCA得分圖上很好地體現(xiàn)出來。低場核磁共振技術(shù)在快速鑒別產(chǎn)地和摻假上有較大的優(yōu)勢，姜潮等[10]曾提出一種基于低場核磁共振技術(shù)的快速、無損鑒別不同品種大米的方法。結(jié)合主成分分析法，低場核磁共振技術(shù)可以快速鑒別純牛乳和摻入不同物質(zhì)的摻假牛乳[11]。Ribeiro等[12]研究發(fā)現(xiàn)LF-NMR技術(shù)可用于區(qū)分純蜂蜜和摻配玉米糖漿的蜂蜜。這些研究均表明低場核磁共振技術(shù)應(yīng)用到食品品質(zhì)的快速檢測和鑒別上具有可行性。

圖5 不同干燥加工方式牛肉樣品主成分分析

3 結(jié)論

低場核磁共振技術(shù)在樣品檢測過程中無需添加任何化學(xué)試劑，制樣方便，既沒有復(fù)雜的前處理過程，樣品也不會(huì)被污染和破壞，且檢測時(shí)間短，是一種無損、快速的檢測技術(shù)。結(jié)合聚類分析、主成分分析法等化學(xué)計(jì)量學(xué)分析方法，低場核磁共振技術(shù)能有效反映不同干燥加工方式牛肉干樣品內(nèi)部水分組成差異。試驗(yàn)結(jié)果為低場核磁共振技術(shù)在牛肉干品質(zhì)的快速鑒別和檢測的應(yīng)用上提供理論依據(jù)和實(shí)踐支撐。