杜美红，孙永军

(北京市理化分析测试中心，北京市食品安全分析测试工程技术研究中心，北京100089)

随着核磁共振仪的问世，核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)技术就成为物理、化学、生物和医药分析中不可缺少的重要手段［1－6］。1962年制备出第一台220兆周的超导核磁共振仪(Varian)，高分辨核磁共振及其成像技术就在医学领域、食品工业的分析检测中发挥巨大作用［7－11］。低分辨核磁共振仪早于高分辨核磁共振仪，于二十世纪五十年代，第一台30、60MHz商品核磁共振仪相继出现，低分辨核磁共振技术在实验室分析检测中也开始得到应用，尤其在塑料工业和食品工业中更为突出［12－15］，其设备体积小，操作简易、分析结果精确度高、重复性好、成本低，大大弥补和完善了高分辨核磁共振以及其它分析方法与检测技术的不足。近年来国内外食品安全事故频频发生，各国政府对食品安全监管力度不断加大，低分辨核磁共振及其技术以其便携、低场强、无损检测、快速等优势在食品安全分析测试领域中被关注并逐渐发挥作用。本文就低分辨核磁共振检测技术在食品安全检测分析中的应用作一探讨，为食品安全分析检测行业的科技工作者提供新技术与新思路，最终推动低分辨核磁共振检测技术更长远、广泛的发展。

1 核磁共振技术原理

核磁共振分为两个技术，一个是连续波NMR技术，即用射频场连续不断地作用原子核系统，观察核对射频能量的吸收或核磁化强度矢量的共振感应信号，也称稳态NMR;另一个是脉冲NMR技术，把射频场以窄脉冲的方式作用到核系统上，观察核系统对射频脉冲的响应信号—自由感应衰减信号，也称暂态NMR，只有脉冲NMR可以用于快速和实时的测试。氢原子具有固定磁矩，而且广泛存在于脂肪、水、天然产物以及碳氢化合物等食品原料及成品中，在场与交变磁场的作用下，以电磁波的形式吸收或释放能量，发生原子核的跃迁，同时产生核磁共振信号，通过得到的核磁共振谱检测食品中1H的存在状况及其量的变化，进而得到水分、脂肪或糖等分子在食品内部变化的信息，这为食品安全分析检测提供了分析检测的理论依据［2］。

低分辨核磁共振磁场强度一般为0.4700T(20MHz)、0.7100T(30MHz)和 1.4092T(60MHz)，低分辨核磁共振技术主要对检测对象的纵向弛豫时间(T1)、横向弛豫时间(T2)、扩散系数(D)三个参数进行分析，主要反映分子的动态信息［16］。在食品安全分析检测中，以T2横向弛豫时间应用较为广泛。

2 在食品水分分析与检测中的应用

低分辨核磁共振仪及其技术在水分分析与检测中应用尤为广泛。水分是构成食品的主要元素之一，它的迁移、变化影响着食品的品质与风味，因此，检测食品中水分对食品加工、储藏以及食品质量安全具有非常重要的指导意义［17－18］。传统的食品水分检测方法采用干燥法、蒸馏法、卡尔·费休法［19－22］，在检测过程中可能会导致一些蛋白质变化或淀粉糊化等物理或化学变化，破坏了被检样品的完整性以及成分结构，不能反映食品中水分的物理状态的直接信息;新的技术如红外［23］、近红外分析技术［24］等来测定食品水分，只反映的是被检样品中水分的部分信息，其应用也有一定的局限性。而低分辨核磁共振技术无损检测，能够有效获取水分分布的全部信息，当水与底物结合稳固时，T2值降低;当水流动性好时，T2值较高。氢核的弛豫时间会随着食品的组成成分、保存温度、储藏时间、水分流动性等因素的变化而变化，这个参数能够提供与水分子的结合力和移动相关的重要信息，应用于食品水分检测具有明显的优势。近年来，科研工作者利用低分辨核磁共振技术对肉质水分分析作了大量的研究。韩剑众［18］基于低分辨核磁共振技术，研究了不同品种(中国金华猪和杜长大猪)生鲜猪肉的水分存在状态和变化规律，得到了宰后生鲜猪肉中水的存在状态及分布情况，为低场核磁共振技术在评价宰后肉质的持水性能及变化方面的应用奠定了基础。戚军［25］等通过低分辨核磁共振技术研究肌肉中水T2的变化，考察了冻融过程中羊肉持水力的变化规律，指出肌肉中不易流动水的弛豫时间可以作为考察冻融后肉品质持水力的一个重要指标，为快速无损检测肉类水分提供了一种新方法。姜晓文［25］也利用LF－NMR技术对猪肉持水性进行了研究，通过T2的积分面积反映宰后猪肉水分含量的变化，特别是国内注水猪肉问题严重的情况下，为食品安全猪肉的检测与监管提供了一种切实可行有效的方法与手段。

3 在食品掺假鉴别中的应用

由于核磁共振技术无损检测的特点，使得其在食品掺假识别、鉴定中得到应用。牛乳的掺假、掺杂现象成为严重的食品安全问题。LF－NMR通过对乳制品中脂固液比、脂肪结晶温度、持水量、水分结合状态、蛋白质变性、蛋白质聚集状态等方面进行分析测试，能达到鉴别真伪的效果。姜潮等［27］人以掺假牛乳样品(掺入水、食盐、尿素、豆浆等)复原乳以及纯牛乳样品为低场核磁共振检测对象，利用主成分分析法(PCA)分析处理 Carr－Purcell－Meiboom－Gill(CPMG)序列的检测数据，在主成分得分图上很好地区分出纯牛乳和掺入不同物质的掺假牛乳，纯牛乳、复原乳及其混合乳也得到有效的辨识，同时各种掺假牛乳样品随掺假物质的掺加比例在图中呈规律性分布，通过低分辨核磁共振结合PCA法得到一种快速检测与监控牛乳品质的有效分析方法。

低分辨核磁共振技术另具吸引力的一点是它能够进行油品中的油份进行检测。利用核磁共振技术能够检测到食用油脂(肉、黄油、棕榈油、牛奶、巧克力等)中固体脂肪的含量，因此，LF－NMR还可以用于鉴定食用油的掺伪。王永巍［28］等应用低分辨核磁共振技术测定了煎炸油分别掺有3种食用植物油(橄榄油、花生油、芝麻油)油样的横向弛豫时间T2弛豫图谱，发现煎炸油在10ms处出现了一个特征峰，而其他三种纯品油中并未检出。随着掺伪量的增加，该峰的峰面积比例逐渐增大，而峰开始时间则逐渐缩短。通过测定该特征峰面积比例和峰开始时间可定量测出煎炸油，提供了一种煎炸油掺伪食用植物油的快速鉴别方法。Zhang Qing等［29］通过 LF NMR分析玉米油、花生油、油菜籽油、和大豆油与两种煎炸油的T2峰值，建立了线性方程用以检测掺假食用油。其实，鉴别油品的研究在很早就开始了，钦理力［30］用脉冲核磁共振鉴别法检测餐饮废油脂中的地沟油、泔水油及三种食用油在10℃和0℃下的SFC值，实验结果表明地沟油和泔水油的固体脂肪含量远远大于食用油，在0℃下固脂含量为0的食用油，只要其掺伪了1%以上的餐饮废油脂，就可以鉴别出来。花生油在10℃下SFC值虽达到了1.52%，但当其仅仅掺入1%的地沟油或泔水油时，SFC值明显变高，可认为只要花生油中掺入了1%以上的餐饮废油脂，即可检测出来。此外，如果煎炸老油曾煎炸过动物食品，也可用本法检出。此法操作简单，快速准确，灵敏度高，实验过程中不需要用任何化学药品，只要稍加指导一般工作人员即可完成。另外，有研究表明［31］，正常食用油脂与地沟油的弛豫反演谱有显著区别，有明显的特征峰出现。而且这种区别稳定性很高，对于同一种地沟油，这种明显特征不会随着地沟油的过滤、脱胶、脱嗅、脱色等加工过程而消失。低分辨核磁共振技术在食用油掺假鉴别检测中表现出了突出的技术优势，卫生部公布核磁共振技术成为食用油掺假识假检测的四种仪器方法之一。

4 在食品微生物检测中的应用

低分辨核磁共振技术在检测微生物方面也崭露头角。食品微生物检测是食品检测中常规、必检项目。针对食品中的病原微生物(如细菌、真菌和病毒等)以及其他有害生物(如寄生虫)，传统而有效的检测方法为分离培养法。分离培养需要增菌、生化鉴定或血清学鉴定，整个过程需要2～3d甚至5～6d的时间才能完成，劳动强度大，耗时，不能及时、快速评价食品中微生物的安全性。目前，微生物快速检测方法主要有纸片法、胶体金检测法、微孔滤膜法、光电检测法、酶底物法、酶联免疫吸附法、免疫层析法、PCR法、分子杂交法等，各种技术在食品微生物快速筛查中发挥了重要作用。低分辨核磁共振技术以其独特的检测原理被作为一项新型快速检测技术得到研究。J.Manuel Pere等人［32］通过将抗疱疹病毒多克隆抗体与直径为46nm左右的Fe3O4纳米磁珠连接制成纳米传感器，然后与病毒分子孵育，在1.5T(60MHz)核磁共振仪上检测到了病毒颗粒，检测限为5个病毒颗粒/10μL。该方法不需要生化鉴定或血清学鉴定，检测灵敏度高、特异性强、快速便捷，磁性Fe3O4纳米晶体在磁场中影响周围水分子中氢原子的弛豫时间，核磁共振技术能非常精确地记录水分子中氢原子内的原子核的行动，病原菌造成水量的1%的变动，都能被核磁共振检测到。基于相同的技术原理，建立了牛奶中分支杆菌的快速检测方法，检测限达15.5CFUs［33］，核磁共振技术检测微生物不需要增菌，整个检测时间不到1h，快速、灵敏，方法新颖，在病原微生物分析检测中表现出良好的应用前景。

5 展望

低分辨核磁共振技术是一种非常有潜力并具有优势的快速检测技术，它在食品安全领域的研究正处于萌动发展时期。随着低场核磁共振技术的快速发展以及低场核磁共振设备的不断成熟，随着对食品安全监管力度的不断加强，会吸引越来越多的科研工作者开发更多的技术与方法应用于食品安全领域，推动低分辨核磁共振技术的蓬勃发展。

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