低场核磁共振技术在食品加工中的应用

低场核磁共振（LF-NMR）技术原理概述：

NMR是交变磁场与静止强磁场中物质相互作用的一种物理现象。低能态的原子核磁矩在恒定场强和交变场强的相互作用下吸收了由交变场强提供的能量后，不断跃迁至高能态，从而产生核磁共振信号。目前研究应用比较广泛的是1H的核磁共振，13C的核磁共振近年也有较大的发展。由于NMR技术快速、高效、准确、有效、无损、无污染、样品制备简单和对操作人员的健康无影响等优点，NMR技术不断替代传统检测方法，应用在多个领域。目前核磁共振已形成液体核磁共振、固体核磁共振、核磁共振成像三足鼎立的应用局面。

根据场强可以将核磁共振分为3类：恒定场强大于1.0T的为高场核磁共振；恒定场强在0.5~1.0T之间的为中场核磁共振；恒定场强低于0.5T的为低场核磁共振。低场核磁共振又称低分辨率核磁共振，常用于物质的物理性质测定，在食品科学领域主要用于食品中脂质含量、水分含量及其存在状态的检测。

低场核磁共振（LF-NMR）技术在食品加工中的应用：

1、在食品焙烤中的应用 

焙烤，又称为烘烤、烘焙，是指在物料燃点之下通过干热的方式使物料脱水变干变硬的过程。焙烤食品品种多样，按生产工艺特点可分为面包类、饼干类、糕点类和松饼类。随着我国经济的进一步发展和人民消费水平日益提高，消费者对烘焙食品的需求呈现出高品位化、高质量化的趋势。焙烤食品中水分含量、水分的分布状态以及水分活度是确定焙烤工艺的重要因素，对产品的口感、色泽以及保质期有较大的影响，是焙烤食品品质的重要评判指标。在焙烤过程中，食品中的水分会发生流动迁移及流失，利用LF-NMR可以研究食品焙烤前后水分的分布状态、迁移特性以及水与内部分子间相互作用，分析影响产品烘焙品质的原因。

目前LF-NMR在焙烤食品加工中的应用相对较少。李东森等利用不同裹粉制备油炸平菇产品，应用LF-NMR研究了其在烘烤复热过程中水分分布、迁移情况及产品的保水性能。李娟利用LF-NMR技术对添加有不同水平内切木聚糖酶和阿拉伯胶的全麦面团进行了研究，探索导致全谷产品烘焙品质差的内在原因。相反，LF-NMR在烟草烘烤加工中的应用研究较多。魏硕等和梁国海等利用LF-NMR和烘箱法两种方法检测了烟叶在烘烤过程中的含水率，结果表明LF-NMR技术的重复性、精密度和稳定性更好。目前LF-NMR在焙烤加工过程中的应用有待进一步的探索。可利用LF-NMR无损伤、无侵入以及可重复测试的特点，进行在线监测设备的开发，在产品焙烤过程中实现动态可视化的监测。

2、在食品油炸中的应用 

油炸是食品熟制和干制的一种加工方法，即将食品置于较高温度的油脂中，使其加热快速熟化的过程。油炸可以杀灭食品中的微生物，延长食品的货架期，改善食品风味，提高食品营养价值，赋予食品特有的金黄色泽以及香酥脆嫩的特点。食品经过油炸后会发生较大的品质改变，对食品的色泽、硬度、口感和贮藏品质等都有一定影响。因此，通过一定的方法探寻较优的工艺参数至关重要。利用LF-NMR可对食品油炸过程中的相关理化性质进行检测，可研究不同油炸温度对产品品质的影响。丁援园等利用LF-NMR对油炸糯米糕进行了检测，并发现糯米糕油炸后各部位自由水及油脂呈规律性变化，得到了油炸糯米糕最佳食用的油炸温度。Chen等利用LF-NMR研究了普鲁兰多糖对油炸过程中淀粉颗粒吸油性能的影响，并说明了LF-NMR分析法能准确地测定油炸淀粉体系的含油量。

3、在食品蒸煮中的应用 

蒸煮食品是指通过蒸、煮等较低温度（100~200 ℃）的烹饪方式烹制的食品。在蒸煮过程中，不同的蒸煮温度和蒸煮方式会在不同程度上造成食品汁液的流失以及质地的改变，利用LF-NMR可对食品蒸煮过程的理化性质进行检测。Ling等利用LF-NMR研究了同一小麦品种的鲜面条和干面条在沸煮过程中的水分迁移率，通过沸煮时间与弛豫峰面积比例以及横向弛豫时间的相关性分析发现面条水分迁移率与面条淀粉的糊化密切相关。Wan等利用LF-NMR研究了不同蒸煮方式下大口黑鲈水分的迁移和分布，结果表明真空蒸煮（Vacuum steaming，VS和Sous-vide cooking，SV）可以更好地保持鱼的品质。

4、在食品干燥中的应用 

干燥是从湿物料中除去水分或其他湿分的各种操作，其目的是使物料在贮存、运输和使用过程中更为便利。在食品加工中，干燥是水分气化流失的过程，是生产果脯、肉干等干果制品的重要加工环节，是延长保质期的最常用方法。而热敏性较高的食品在干燥过程中易出现水分分布不均匀，导致食品表面硬化，影响食品品质。因此利用LF-NMR无损分析食品干燥过程中水分的分布及迁移，对食品中水分的变化规律进行监测，对于提高食品品质以及改善食品干制工艺具有重要意义。目前，LF-NMR技术在食品的干燥工艺中的应用相对较多，是食品领域一个重要的研究方向。

在食品的水分检测中，LF-NMR是更为简便、准确的检测方法。Li等在干燥苹果的加工中，对比了LF-NMR和差示扫描量热（Differential scanning calorimetry，DSC）法两种方法区分结合水和自由水的能力，结果表明LF-NMR能更清楚地区分这两种水。

食品干制过程中水分的迁移会对产品品质产生影响，LF-NMR参数可以作为评价干制食品品质的依据。Chen等在采用不同干燥方法对大蒜片进行干燥，探索最佳干燥方法的研究中，采用统计学方法对LF-NMR参数进行了预测，分析结果表明LF-NMR参数与质量特性有较高的相关性。 

此外，还可以为食品干燥的动态控制提供依据，为干燥产业化生产工艺提供技术支持。渠琛玲等在研究微波干燥对小麦籽粒水分迁移的影响中，应用LF-NMR对小麦籽粒的微观水分变化进行检测。柯亚婕等利用LF-NMR研究了玉米粒在不同干燥温度下的水分分布及迁移，监测其变化规律，为玉米粒干燥的动态控制提供依据。此外，通过LF-NMR的分析结果与干燥过程中其他特性的数据结合可以构建相应模型。Li等利用建立了介电特性与LF-NMR分析结果之间的关系，并表明LF-NMR能够预测山药片介电性能。

5、在食品冷冻中的应用 

食品加工及贮藏过程中常通过冷冻处理延长食品的保质期。食品冷藏期间技术参数的控制与品质息息相关，冻藏温度波动会对冻藏品品质产生两个方面的影响，一是反复冻融循环中造成的冰晶长大，二是水蒸气压力差作用下产生的干耗。利用LF-NMR可以研究温度波动、冻藏时间及蒸汽压差等对冷冻食品的品质影响，以探索最佳冷冻工艺参数。目前研究主要应用在冷冻肉类、水产品和果蔬等品质变化的研究。朱迎春等应用LF-NMR研究不同包装方式及贮藏温度下牛肉的保水性，探索最佳贮藏方式，研究表明LF-NMR可以表征牛肉的保水性。梁钻好等采用液浸速冻方式冻结牡蛎，以-18 ℃静置冷冻、气流速冻、超低温冷冻作对照，通过LF-NMR测定冻结后解冻的牡蛎水分含量和分布，表征冷冻方式对牡蛎品质的影响。Chen等应用LF-NMR技术对煮熟马铃薯在时间-温度循环过程中水分的分布变化进行测定，为马铃薯产品在工业冷链中的处理方法提供参考。此外，也用在水果保鲜活性膜的性能评价中。李洋洋等在制备保鲜樱桃的活性抗菌膜的研究中，应用LF-NMR考察樱桃内部水分状态的变化及其对品质的影响。Jiang等在开发桃保鲜活性膜的研究中，应用LF-NMR研究桃在冷藏保鲜过程中水分的状态，该方法为开发活性食品包装提供了有效参考。

为了满足贮藏需要，常向冻藏食品中添加食品添加剂，利用LF-NMR可探索食品添加剂的种类和剂量对食品品质的影响。Carneiro等利用LF-NMR研究了三聚磷酸钠（Na5P3O10）处理对冷冻虾水分状态的影响，并说明了利用LF-NMR信号来表征冻虾品质的可行性。Tan等应用LF-NMR作为快速监测技术，对冻藏过程中使用聚丙烯酸钠（SP）和异硅酸钠（DSE）涂层的鱿鱼样品质量变化过程进行了监测。

6、在微胶囊中的应用 

微胶囊是指一种具有聚合物或无机物壁的微型容器或包装物。微胶囊造粒技术是一种将固体、液体或气体包埋、封存在微型胶囊内成为一种固体微粒产品的技术，具有保护芯材不受降解、减缓芯材的汽化以及掩盖芯材的味道等特点。目前，LF-NMR在微胶囊领域的应用仍处于探索阶段。暴莎莎等利用LF-NMR检测得到南极磷虾微胶囊样品的CPMG信号，并基于LF-NMR测得数据建立微胶囊产品包埋率的预测模型，实现了未知南极磷虾微胶囊样品包埋率的快速测定。

7、在3D打印中的应用 

食品3D打印是通过计算机图形数据生成所需目标形状的物体，运用3D食物打印机生产食品。凝胶的3D可印刷性与LF-NMR弛豫特性的相关性能够有效地预测凝胶的三维打印能力。Xu等利用LF-NMR分析了热诱导蛋黄糊中与蛋白质、水和脂肪有关的质子信号的分布和迁移率的变化，探索蛋黄适用于3D打印的热处理方式。Phuhongsung等在采用大豆分离蛋白进行食品3D打印的研究中，运用 LF-NMR检测打印凝胶，结果表明，LF-NMR主峰弛豫时间（T2(MP)）和峰面积（A22）与流变性能有很强的相关性，而流变性能又与印刷性能有关。因此，通过LF-NMR检测研究T2(MP)和A22之间的相关性，可以预测材料的3D打印能力。

快速检测

由于低场核磁共振技术在食用的品质鉴定上快速、准确并且无损伤，所以在食品的品质控制及评价方面具有很大的应用潜力。目前，利用LF-NMR在食品快速检测方面的应用主要包括产品的固态发酵监测、掺假鉴别和油脂氧化监测等。

Li等利用LF-NMR研究了糯米浸泡、蒸煮和淀粉颗粒固态发酵（Solid-state fermentation，SSF）过程中的水动力学和微观结构变化，研究表明LF-NMR可用于监测淀粉系统的SSF。Miaw等在葡萄花蜜掺假鉴别研究中，采用了LF-NMR和多元分类方法进行评价，结果表明两种方法在鉴定葡萄花蜜时都是有效的，多元分类方法能够提高额外的信息，而LF-NMR则更为简便，在一些情况下可作为首选方法。王胜威等应用LF-NMR结合主成分分析法对正常羊肉及注水、注胶羊肉进行检测辨别。董海胜等以月饼为分析对象，应用LF-NMR建立了月饼水分、过氧化值及酸价理化指标定量模型，以检测月饼类产品理化品质。在食品的检测中，LF-NMR技术所具有的优点使其在食品品质检测、食品掺假与鉴别领域得以广泛应用，其更进一步的发展和完善将会在食品检测领域有更加长效持久的应用。

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本文转载自微信公众号【仲园食安益农创新兴趣小组】，文章【食安知道 ll 什么是低场核磁共振？低场核磁共振技术的基本原理是什么？其在加工过程中的应用有哪些？】。