生鲜肉品持水性的核磁共振研究_姜晓文

ScienceandTechnologyofFoodIndustry专题综述

生鲜肉品持水性的核磁共振研究

姜晓文,韩剑众

(浙江工商大学食品质量与安全系,浙江省食品安全重点实验室,浙江杭州310035)

摘󰀁要:低场核磁共振(LF-NMR)技术在地矿、石油及粮油食品等领域已得到了广泛的应用,但在肉品特别是宰后生鲜肉品水分研究中的应用国内还很少。本文主要介绍低场核磁共振的基本原理及近年来国外利用其在宰后生鲜肉品持水性方面的研究进展。

关键词:NMR,持水力,横向驰豫时间,肌原纤维,水分

*

Researchprogressofwater-holdingcapacityoffreshmeatbyLF-NMR

JIANGXiao-wen,HANJian-zhong

*

(DepartmentofFoodQualityandSafety,KeyLaboratoryofFoodSafetyofZhejiangProvince,

ZhejiangGongshangUniversity,Hangzhou310035,China)

Abstrac:tLow-fieldnuclearmagneticresonance(LF-NMR)hasbeenappliedwidelyinmanyfieldsincludingmineralsources,petroleumengineering,cerealsandoilsandsoon󰀁However,noinvestigationshaveconsideredtheapplicationofLF-NMRinmeatproductespeciallyinwater-holdingcapacityofpostmortemfreshmeat󰀁Therefore,thisreviewattemptedtointroducetherecentdevelopmentofLF-NMRonwater-holdingcapacity󰀁Furthermore,thebasicprincipleofLF-NMRwasalsodiscussedinthepresentreview󰀁Keywords:NMR;water-holdingcapacity;transverserelaxation;myofibrils;water中图分类号:TS251󰀁1󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁󰀁文章编号:1002-0306(2009)01-0322-04󰀁󰀁水是保持食品感官质量和食用品质的基本条件,对食品的质量、风味和保质期有着十分重要的作用。水是肉品中最主要的成分(约占75%),宰后肉品持水力的改变,不仅影响肉品的感官和食用品质,[1]

而且严重影响其经济价值。肉与肉制品的系水力(持水力)即保水性,是指宰后肉品在自然状态下或在加工过程中,对肉品本身的水分及外加水分的保面积)法、离心持能力。传统方法如压力(重量、[3]

法、滴水损失、贮藏损失和蒸煮损失等虽能判定肉类不同品质之间持水性的差异(如PSE肉等),但不能表征肉中水分存在的状态以及变化过程和机理。核磁共振利用氢原子核在磁场中的自旋驰豫特性,通过弛豫时间的变化分析研究物质的含水量、水分分布、水分迁移以及与之相关的其他性质,并且具有迅速、准确,测定样品时不需要侵入样品内部,对样品不产生污染和破坏,一般不受样品状态、形状和大[4]

小的限制等特点。影响肉品系水力的因素很多,如何认识肉品中水分存在状态及变化规律(水分动力学),从而重新认识和控制宰后生鲜肉品品质的变化和新鲜度是肉品科学相关研究的焦点,低场核磁共[2]

振技术为我们提供了对此研究的有效方法。1󰀁低场核磁共振原理及其应用

应用于肉品品质研究的核磁共振仪主要是低场氢质子核磁共振成像分析仪(肉中水分的分布)和磷质子核磁共振仪(宰后代谢及肉质变化)。生物组织含有很多水和有机化合物,而构成水和有机物的氢原子在有电荷绕核旋转的同时又不停地自转,与线圈通过电流时会产生磁场一样,所以把氢原子核看做是小磁铁,把生物组织的试样看成是由无数微小的氢原子核磁铁构成的。这些微小的原子核磁铁在磁场中有的处于高能态,有的处于低能态,比例符合玻尔兹曼平衡。对样品施加射频脉冲,使氢质子发生共振,低能态氢质子就可能跃迁到高能态。停止射频脉冲后,质子以非辐射的方式回到基态而达到玻尔兹曼平衡的时间就是弛豫时间。通过分析纵向弛豫时间T1和横向弛豫时间T2,可以得到很多样品内部的信息。肉品水分的研究主要利用横向弛豫时间T2。弛豫时间越短说明水与底物结合越紧密,弛豫时间越长说明水分越自由。一般地,T2可分~10ms)、T22(10~100ms)、T23(>100ms)。所为T21(0以弛豫时间可以间接的表明水分的自由度,从而可以用核磁共振研究肉品中水分的分布和流动,进而研究肉品品质变化的机理。[7~9]

[5,6]

收稿日期:2008-03-27󰀁*通讯联系人

作者简介:姜晓文(1982-),男,硕士研究生,研究方向:食品质量与

安全。

基金项目:浙江省高校󰀁重中之重学科󰀁建设项目(ZZ05-07)。

2󰀁低场核磁共振在肉品持水性研究中的应用

宰后生鲜肉品中H质子的弛豫时间的分布,可󰀁3222009年第01期专题综述

Vol.30,No.01,2009以用来表明在肌肉组织中存在多个水分群,而且用LF-NMR研究方法可以成功地探测宰后肌肉内水分的移动和分配。T1和T2会随着肉品储藏温度、时间、水分分布变化等因素的变化而变化。这两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。用CPMG序列测定猪肉样品的横向弛豫时间,通过反演程序拟合可以得到多个不同的横向弛豫时间(T2S)。1969年C󰀁F󰀁Hzlewood发现核磁共振非常适合研究肉组织中的水分情况,因为核磁共振信号是由肉品中的水分子的自由运动产生的,并且认为[10]

肌肉中有两种完全不同形式的水。1974年C󰀁F󰀁Hazlewood等用核磁共振对肉品进行了大量的研究得出结论:肉组织中至少含有三种不同形式的[11]

moeller的实验结果得出,肉中三水。1980年Pee种水分的横向弛豫时间和百分含量分别为I-T2=,P=70%~1~5ms,P=5%~10%;II-T2=35~45ms80%;III-T2=150~200ms,P=5%~15%。目前低场核磁共振应用于肉品持水性的研究主要有以下几个方面。[12]

食品工业科技

了较高的相关系数。因此可以用核磁共振法检测肉品持水性进而对肉品品质进行评价。HanneChristineBertram(2006)用低场核磁共振T2弛豫时间研究PSE肉与DFD肉品品质,将两种肉在-20󰀁与-80󰀁下冷藏10个月,每隔1~2个月用核磁共振检测其水分活度与水分分布。研究发现,肉中自由水(T2>100ms)的含量对鲜肉的品质有重要的影响(P<0󰀁0001),采用蒸煮的方法判断鲜肉的得率发现,PSE肉比DFD的蒸煮得率明显要低(P<0󰀁0001)。但是增加冷藏时间不会对蒸煮得率有明显的改变。NMRT2测定表明,随着冷藏时间的增加肉中的自由水的含量也明显增多。这表明NMRT2检测对冷冻引起的肉结构变化以及结构变化所产生的水分迁移非常敏感。另外,实验检测到鲜肉品质与冷冻时间对肉滴水的量的相互关系,表明PSE肉比DFD肉更容易在冷冻条件下由于肉结构变化引起的水分迁移[16]

而变质。2󰀁3󰀁宰后肉品pH、肌原纤维的变化与持水性关系的研究

pH对肉品持水性的影响实质上是蛋白质的静电荷效应。蛋白质分子所带的静电荷对持水性有双重意义:一是静电荷是蛋白质分子吸引水分的强有力的中心;二是由于静电荷增加蛋白质分子间的静电排斥力,使其网络结构松弛,持水力提高。当静电荷减少,蛋白质分子间发生凝聚紧缩,使持水性降低。肌肉pH接近等电点时(pH5󰀁0~5󰀁4),静电荷数达到最低,这时蛋白质相互吸引,降低了对水分的吸引,同时肌原纤维之间距离减小。低pH,尤其是伴有高温会使肌球蛋白头部变性使肉品丧失持水性。宰后肉品的pH经历了一个先下降后上升的过程,其极限pH越低,越接近蛋白质等电点,其持水性越差。肌原纤维对对肉品的持水性具有重要作用,肌原纤[17]

维的膨胀和收缩能增大或减小肉的持水力。肌原纤维收缩的原因有两个:一个是由于死后pH下降,+

H浓度增大,降低了粗丝和细丝的阴性电荷,从而减弱了粗丝和细丝之间的斥力,引起两者之间的纵向收缩;一个是由于ATP的减少,肌质网崩裂,内部保存的Ca2+被释放出来,肌球蛋白和肌动蛋白产生相对滑动,引起收缩。HanneChristineBertram(2004)用74块宰后24h的背最长肌样品进行核磁共振测定,得到T2弛豫数据,分析发现弛豫时间最长的T23会随着细胞外水分含量的增加而增加;核磁共振测量宰后猪的背最长肌水分迁移率和分布研究结果表[18]

明,T22影响肌原纤维内部的水分,T23与肌肉中的胞外水分相关,宰后2~3h内T23略微降低,之后T23弛豫时间就不断增大,即对应的水分越来越自由,这可以理解水分从细胞内被挤压到肌原纤维外部空间。通过电子显微镜和X射线衍射法研究表明,死后肌肉[19]

的收缩很可能是由pH的降低引起的。伴随着结构的改变肌原纤维中的水分开始重新分配,通过电子显微镜观察纤维膜和肌束膜的网状结构发现,肌原纤维和肌肉的收缩导致胞内流体被挤到细胞外部空间。通过测定肌肉的电阻数据,发现宰后肌肉膜的性质(膜的完整性)与肉中的水分重组及肉的持水[20]

力有关,并可以由LF-NMR的T23来很好的表征。HanneChristineBertram(2004)将猪肉中的肌原纤维2009年第01期󰀁323

2󰀁1󰀁肉品新鲜度与持水性关系的研究

肉类新鲜度是指某一类动物性食品特有的标准风味、滋味、色泽、质地、口感和微生物合格卫生标准的综合状况。新鲜度可以综合地反映产品营养性、安全性和嗜好性的可靠程度。目前,市场肉类产品主要采用感官评价检测方法为主,配合各种理化检验、卫生(微生物)检验、仪器分析等快速检测方法来[13]

,这些方法费时较长,不能实综合判断其新鲜度现在线检测。核磁共振法通过分析宰后肉品弛豫时间的变化规律,并根据弛豫时间变化与新鲜度的关系成为评价肉品新鲜度的一种新的方法。HanneChristineBertram(2007)分别取9、12、12、8头屠宰时间分别为90、140、160、182d的猪的背最长肌,用核磁共振对其水分分布与水分活性进行检测,并且同时对猪肉样品进行感官评价。感官评价证明,屠宰时间对猪肉多汁性有重要的影响,并且得出90,140,160、182d屠宰猪肉的多汁性得分分别为8󰀁4、7󰀁7、7󰀁2、7󰀁8。NMR检测表明,与饲养时间长的猪相比,90d屠宰猪肉较高的多汁性得分可能归因于肌原纤维外的弛豫时间较长的流动性更强的水;而90d屠宰猪肉煮熟后较高的多汁性得分可能因为其肌原纤维的水分分布更加均匀。然而NMR检测表明,182d屠宰的猪肉的多汁性得分高于140、161d屠宰的猪肉,其原因不能很好的解释。可能与161d屠宰的猪肉相比,182d的猪肉的多汁性高是由于肌肉内脂肪[14]

含量的增加造成的。2󰀁2󰀁肉品品质与持水性关系的研究

肉品品质指的是与鲜肉或加工肉的外观、适口性和营养性等有关的一些理化特性的综合,如肉的色泽、持水性、嫩度、风味、多汁性等。物理特性决定着消费者对肉品的可接受性,肉的化学成分则与营养性关系密切。有专家将肉质特性概括为4个方面,即感官品质、食品品质、加工品质、卫生质量或安全性。肉的持水性对肉品品质具有非常重要的影响,HanneChristineBertram(2002)已经证明肌肉组织的T2弛豫时间与用袋测法得到的滴水损失之间的[15]

相关系数为0󰀁85,与肉的分步离心法比较也得出食品工业科技

ScienceandTechnologyofFoodIndustry提取出来,用低频核磁共振的横向弛豫时间研究其水分特性时发现,它的T2分布与鲜肉的非常相似,并且水分含量也很一致,这表明肌原纤维的结构对肉的持水性有重要的影响。分别将肉的pH调整为5󰀁4、6󰀁2、7󰀁0,离子强度调整为0󰀁29、0󰀁46、0󰀁71M,发现样品中的水分随pH和离子强度的增大显著增大,并且T2弛豫时间也随着pH和离子强度的增大而增大,表明肉持水力的增大是由于肌原纤维的膨胀进[21]

而增大了肌丝间的空间。专题综述

另外,通过核磁共振成像(MRI)技术即质子密度的变化,还能直观地看到肉品中水分的分布和迁移,这为构建肉品的质传和热传模型、改进肉的加工[26]

工艺提供了强有力依据。3󰀁展望

低场核磁共振作为无损、快速的测量技术已经在地矿、石油及粮油食品等领域得到了广泛的应用。与其它测量方法比较,由于其不仅能够在线测量,而且还能同时获得样品在时间和空间上的信号信息,因此对宰后肉品在不同层面的含水量、水分分布及其变化的动力学研究提供了十分有效的工具。2󰀁4󰀁蛋白质变性与持水性关系的研究

蛋白质变性与持水性关系目前还没有统一的看法,Monin等(1985)认为,肌浆蛋白在决定猪肉的持水性上有重要作用,肌浆蛋白的沉淀是引起PSE肉高汁液流失的原因。Joo等(1999)对四种不同肉质的样品研究显示,肌浆蛋白溶解性、肌原纤维蛋白和总蛋白溶解性与汁液流失的相关系数分别达到-0󰀁72、-0󰀁52、-0󰀁64,结合四种不同肉质的样品各种蛋白溶解性的差异,认为肉的持水性在很大程度上受肌浆蛋白的影响。还有一些研究(hamm等1986;morissey等1987;wismer-Pedersen等1987)显示,肌球蛋白、肌动蛋白、原肌球蛋白也能显著影响肉的持水性,持水性的变化可用肌浆蛋白和肌原纤维蛋白的变性来解释。陈韬,周光宏(2006)认为,DSC方法测定蛋白质变性程度比用其他方法更灵敏,并且得出结论持水性与肌球蛋白和肌浆的变性程度呈显著负相关。HanneChristineBertram(2006)用核磁共振弛豫时间与差示扫描量热共同研究肉蒸煮过程中水的变化,这两种方法同时检测25~75󰀁9个不同蒸煮温度水平的猪肉样本蛋白质变形与持水性的关系。应用首成分分析H质子的NMRT2发现,加热过程中肉中水分性质变化主要发生在40~50󰀁,这可能是由肌浆球蛋白头的变性导致的,然而这却不能在DSC的温谱图上得出。但DSC温谱图却显示了54、65、77󰀁时的吸热转变。温谱图上的三个吸热转变可能分别反应了肌浆球蛋白杆与轻链、肌浆蛋白与胶原质和肌动蛋白的变性。DSC与NMR数据模型用偏最小二乘法分析表明,53~58󰀁之间肌浆球蛋白杆与轻链变性与加热导致的肌原纤维水分变化(T2弛豫时间10~60ms)具有相关性,同时也表明,80~82󰀁肌动蛋白的变性与肉的脱水具有相关性。因此,研究证明肉加热过程中特定蛋白的热变性与结构变化与[22]

加热导致的肉中水分活度的变化具有直接关系。本实验室的实验数据显示,宰后肉品在不同的时间,T21值基本不变,并且其占肌肉中总水分的百分含量也不变,表明宰后鲜肉结合水比较稳定,基本不发生变化。T22和T23的值和百分含量不断变化,结合常规实验发现,T22对应的不易流动水的百分比不断变小,T23对应的自由水百分比则不断变大。从弛豫时间上看,T21在5~10ms间不变,T22在30~100ms间则不断变化,T23则逐渐增大。可以理解为小部分的结合水一直没有发生变化,占肌肉中80%的不易流动水在变化中逐渐转为自由水,自由水弛豫时间越来越大,表明肉中的不易流动水越来越自由,逐渐由不易流动转变为自由水,从而不断渗出,滴水不断增[23,24]大。这与J󰀁P󰀁Rionny用核磁共振做的肉中水分[25]

相互作用文章得出的结论类似。󰀁3242009年第01期参考文献:

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专题综述

Vol.30,No.01,2009[17]陈韬󰀁宰后肌肉蛋白质和组织结构变化与冷却猪肉持

水性的关系研究[D]󰀁南京农业大学,2005,11󰀁[18]LaurentW,BonnyJM,RenouJP󰀁MusclecharacterizationbyNMRimagingandspectroscopictechniques[J]󰀁FoodChemistry,2000,69:419~426󰀁[19]HanneCB,AndersenHJ,KarlssonAH󰀁Comparativestudyoflow-fieldNMRrelaxationmeasurementsandtwotraditionalmethodsinthedeterminationofwaterholdingcapacityofpork[J]󰀁MeatScience,2001,57:125~132󰀁

[20]HanneCB,AnnetteS,KatjaR,etal󰀁PhysicalchangesofsignificanceforearlypostmortemwaterdistributioninporcineM󰀁longissimus[J]󰀁MeatScience,2004,66:915~924󰀁[21]HanneCB,MetteK,HenrikJ󰀁FunctionalityofmyofibrillarproteinsasaffectedbypHionicstrengthandheattreatment-alow

食品工业科技

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(上接第314页)表2󰀁平均回收率及相对标准偏差

名称柠檬黄

苋菜红胭脂红日落黄诱惑红新红偶氮玉红喹啉黄亮蓝赤藓红专利蓝

0󰀁5mg/kg

平均回收率相对标准偏差

(%)(%)87󰀁57󰀁1092󰀁05󰀁2890󰀁24󰀁1288󰀁65󰀁2991󰀁06󰀁9188󰀁58󰀁5388󰀁16󰀁8395󰀁73󰀁2291󰀁45󰀁1090󰀁66󰀁9592󰀁74󰀁04

5mg/kg

平均回收率相对标准偏差

(%)(%)91󰀁48󰀁2087󰀁76󰀁4188󰀁87󰀁8889󰀁57󰀁2295󰀁84󰀁4089󰀁47󰀁4188󰀁16󰀁9781󰀁35󰀁5486󰀁57󰀁1191󰀁91󰀁9493󰀁45󰀁27

50mg/kg

平均回收率相对标准偏差

(%)(%)95󰀁98󰀁4592󰀁44󰀁5684󰀁96󰀁1887󰀁22󰀁6490󰀁48󰀁2391󰀁85󰀁3887󰀁28󰀁6895󰀁84󰀁3892󰀁04󰀁0384󰀁44󰀁1092󰀁74󰀁04

󰀁󰀁由表1可知,11种合成着色剂线性关系良好,呈极大相关;当标样浓度大于10󰀁g/mL时,响应信号与浓度不再呈线性关系,所以确定线性范围是0󰀁1~10󰀁g/mL。色剂[J]󰀁中国公共卫生,2003,19(5):602󰀁

[4]GB/T5009󰀁35󰀁2003󰀁食品中合成着色剂的测定方法[S]󰀁北京:中国标准出版社󰀁

[5]王红梅,郭伟󰀁高效液相色谱法测定肉制品中食用合成色素的含量[J]󰀁食品研究与开发,2007,28(6):106~108󰀁[6]王春荣,张济󰀁食品中多种合成色素的反相高效液相色谱法测定[J]󰀁中国公共卫生,2005,21(3):359~360󰀁[7]张正尧󰀁高效液相色谱法测定肉禽、乳制品中合成色素的研究[J]󰀁中国卫生检验杂志,2006,16(8):928~929󰀁

[8]KunoN󰀁InfluenceofsyntheticandnaturalfooddyesonactivitiesofCYP2A6,UGT1A6,andUGT2B7[J]󰀁JournalofToxicologyandEnvironmentalHealth,2005,68(16):1431~1444󰀁

[9]DossiN󰀁Acapillaryelectrophoresismicrosystemfortherapidin-channelamperometricdetectionofsyntheticdyesinfood[J]󰀁JournalofElectroanalyticalChemistry,2007,601(1):1~7󰀁[10]JaworskaM󰀁SeparationofsyntheticfoodcolourantsinthemixedmicellarsystemApplicationtopharmaceuticalanalysis[J]󰀁JournalofChromatographyA,2005,1081(1):42~47󰀁[11]GoldmannT󰀁Analysisofdyesinillicitpills(amphetamineandderivatives)[J]󰀁JournalofForensicSciences,2004,49(4):716~722󰀁

2󰀁3󰀁添加回收率实验

回收率实验针对果汁、碳酸饮料、冰淇淋设定了3个添加浓度,每个浓度进行6次重复,结果见表2。󰀁󰀁由表2可知,该方法准确度高、精密度好,符合食品添加剂残留分析的要求。上述结果表明,该方法快速、灵敏度低、精密度好、准确度高。合成着色剂的检出限为0󰀁5mg/kg,各浓度水平的添加回收平均值为81󰀁3%~95󰀁9%,相对标准偏差为1󰀁94%~8󰀁68%。该方法不需浓缩、前处理简便、试剂用量少,采用410、520、650nm为检测波长,干扰物质少,从样品处理到上机测定仅需2h即可完成,符合现代分析技术的发展趋势。参考文献:

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2009年第01期󰀁325