JP5294230B2 - 脂肪交雑の識別、定量方法及び脂肪交雑の非侵襲計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、農林水産業における、獣肉及び魚肉の肉質の非侵襲評価に関するものである。

従来、食肉用牛を肥育する農家は、肉牛の出荷時期で悩んでいる。高価な飼料を与えれば脂肪交雑（霜降り度）は増えるが、ある時期を境に増える量が低下する。費用対効果を考えると、ベストの出荷時期があるはずだが、それが的確に分からない。これと同様の悩みは、マグロ養殖における出荷時期の決断でも発生しているであろう。一方、牛やマグロをセリで落札する立場に立てば、はたしてこの牛やマグロは大金をはたいて購入するほど多くの霜降り部分、トロを持っているのかどうか悩むであろう。これらは一例だが、獣肉や魚肉の脂肪交雑は価格を支配する重要な要素であるが、非破壊で定量的に計測できる技術が開発されれば、生産者も落札業者も満足である。

従来より牛などの脂肪交雑を計測する手法には、以下の３つのアプローチがある。
１．超音波イメージングする手法（特許文献１参照）。
２．牛専用に製作した巨大なＸ線ＣＴスキャナーを使う手法（特許文献２参照）。
３．核磁気共鳴（ＮＭＲ）イメージングを行う手法（特許文献３参照）。

しかしながらこれらの従来の手法には次のような欠点がある。
１．の超音波イメージング法は、主観が入りやすく、画像の判断に熟練を要するうえに、脂肪付着の多い牛では鮮明な超音波画像を得ることが難しく脂肪の定量が困難である。
２．のＸ線ＣＴ法は、牛が強い放射線を被曝する上に、装置が大がかりで高価である。しかも、ＣＴ画像中のノイズが強いので、脂肪交雑の定量が困難である。
３．の核磁気共鳴法は、原理的には非侵襲で筋肉と脂肪の含有量を高精度に計測できるが、静磁場強度の脂肪と赤身のプロトン緩和時間の値（特に、互いの大小関係）への影響が不明なので、公知の計測システムでは直接脂肪組織混入割合を算出できない欠点がある。
特開平１０−１５１１３０号公報 特開平９−８９８０８号公報 特開２００４−２５７８８０号公報

本発明の課題は、測定結果から直接脂肪組織混入割合を算出できる脂肪交雑の識別、定量方法及び脂肪交雑の非侵襲計測装置を提供することである。

上記課題は次のような手段により解決される。
（１）予め脂肪及び筋肉について脂肪のプロトン縦緩和時間及び筋肉のプロトン緩和時間を核磁気共鳴シグナル強度の時間変化より算出し、獣肉又は魚肉について、脂肪と筋肉のプロトン緩和時間が相違する範囲の静磁場強度において、核磁気共鳴分光法により核磁気共鳴シグナル強度を計測し、計測した核磁気共鳴シグナル強度に基づいて獣肉又は魚肉中の脂肪と筋肉の識別、定量を行うことを特徴とする脂肪交雑の識別、定量方法。
（２）予め脂肪及び筋肉について脂肪のプロトン縦緩和時間T1fat及び筋肉のプロトン縦緩和時間T1muscleの数値を核磁気共鳴シグナル強度の時間変化より、静磁場強度に関連した数値として算出する段階、
獣肉又は魚肉について、脂肪と筋肉のプロトン緩和時間が相違する範囲の特定の静磁場強度において、核磁気共鳴分光法により下記式で表される核磁気共鳴シグナル強度Ｓを計測する段階、
計測した核磁気共鳴シグナル強度Ｓと上記特定の静磁場強度におけるプロトン縦緩和時間T1fat及び筋肉のプロトン縦緩和時間T1muscleの数値に基づいて、係数c4、c5を最小２乗法を用いてフィッティングする段階、
及び算出された係数c4、c5に基づいて獣肉又は魚肉中の脂肪と筋肉の識別、定量を行う段階を含む脂肪交雑の識別、定量方法。
Ｓ＝c3−c4×exp(-t/T1fat)−c5×exp(-t/T1muscle)
ただしc3は定数である。
（３）（１）又は（２）に記載の識別、定量方法を実施するための脂肪交雑の非侵襲計測装置。

本発明によれば、測定結果から直接脂肪組織混入割合を算出できるため、脂肪・赤身の識別、定量作業には、超音波画像診断で問題になっているような主観は入らず、またオペレーターの熟練も必要ではない。

本発明は、核磁気共鳴分光法で、プロトン緩和時間の差違による生牛等の脂肪・筋肉の非侵襲分別定量を提案するものである。この分別定量作業を実施できる装置は、核磁気共鳴表面スキャン装置である。

計測システムの心臓部分（永久磁石とコイルからなるセンサー部分）を牛に当てている、生牛の肉質評価作業の模式図を図１に示す。また、センサー部分の概略図を図２に示す。その表面スキャン装置は、片側開放型磁気回路と呼ばれる特殊な磁気回路とコイルを装填しているのが特徴であり、コイルを表皮に当てて、表皮から数ｃｍ内部の部位（例えばサーロインの部位）を感度領域とする。片側開放型磁石の作る磁場は不均一性が高いので、通常のＮＭＲ装置で可能な化学シフトスペクトルによる脂肪と筋肉の識別、定量は非常に困難である。そこで、本発明では、脂肪と筋肉との緩和時間の差違に着目した脂肪・筋肉識別、定量法を提案するものである。すなわち、得られた時系列データを解析して、緩和時間の違いから脂肪と筋肉をそれぞれ定量するのが原理である。その部位中の脂肪と赤身（筋肉）中の水素原子核（プロトン）をコイルから放射されるラジオ波パルスで励起して、プロトンが平衡状態に回帰する緩和過程を同じコイルで計測し、その時系列データを生データとする。

感度領域が脂肪又は赤身のどちらか１００％であれば、反転回復法という公知のパルス系列を採用すれば、核磁気共鳴シグナル強度Ｓは次のようになる。
Ｓ＝c1−c2×exp(-t/T1) （１）
（１）式において、Ｔ1は脂肪又は筋肉のプロトン縦緩和時間、c1、c2は定数、tは時間である。

プロトン共鳴周波数２０ＭＨｚ（静磁場強度は0.47 Tに相当）、４０℃における脂肪１００％及び赤身（筋肉）１００％の試料についての、反転回復法による縦緩和時系列データの例を図３に示す。この図３から分かるように、0.47Tという比較的高い静磁場強度であれば脂肪の縦緩和時間は筋肉のそれより短く、それぞれ170ms、664msという明瞭に異なる値を示す。

霜降り肉の状態では、脂肪と筋肉は機械的に混在しており、そのような混合物の核磁気共鳴シグナル強度Ｓは次のようになる。
Ｓ＝c3−c4×exp(-t/T1fat)−c5×exp(-t/T1muscle) （２）
（２）式において、T1fatは脂肪のプロトン縦緩和時間、T1muscleは筋肉のプロトン縦緩和時間、c3、c4、c5は定数、tは時間である。

ここで特にc4、c5はそれぞれ、脂肪と筋肉中の水素原子の量に関係する。したがって、例えばc4/(c4+c5)という比率は、脂肪含有量に関係する量であり、脂肪含有量が既知の標準試料による装置のキャリブレーションをあらかじめ実施しておくことにより、この比率から脂肪交雑の数値を算出することができる。
ちなみに、緩和時間が異なるＮＭＲ信号が混合された状態の観測生データ及び式（２）に基づいて、異なる縦緩和時間を持つ複数の減衰成分、exp(-t/T1fat)とexp(-t/T1muscle)とを分離するインバージョン（数学的逆問題）作業は、公知の非負最小自乗法プログラムや特異値分解法などのアルゴリズムを使えば、コンピューター上で可能である。
このように、計測・波形データ処理は自動化できるので、脂肪・赤身の識別、定量作業には、超音波画像診断で問題になっているような主観は入らず、またオペレーターの熟練も必要ではない。

このＮＭＲ緩和時間の差違を利用した脂肪交雑の定量方法において重要なのは、ＮＭＲ装置の静磁場強度における脂肪と赤身のプロトン緩和時間の大小関係である。上記インバージョンで、２つの減衰成分に分離できたとして、例えば緩和時間の長い方のシグナルを脂肪に帰属させるのか赤身に帰属させるのか、判断しなければならない。また、T1fatとT1muscleが同じ値であれば、緩和時系列データから両者を分離することはできない。ＮＭＲ装置の静磁場強度のT1fatとT1muscle値への影響は公知ではないので、下記の手法によって計測を行った。

ＥＵ産の牛肉の脂肪と赤身の４０℃（牛の体内温度）におけるプロトン縦緩和時間を、Field Cycling NMR装置（G. Ferrante, S. Sykora (2005) “Technical aspects of fast field cycling” ADVANCES IN INORGANIC CHEMISTRY 57, 405-470.参照）という、電磁石に流す電流を調整することで静磁場強度を桁違いにスキャンできる特殊な核磁気共鳴装置で計測した。赤身は、子牛・成牛について、保管温度を4℃、−20℃の２種に違えた計測を実施した（計測時には、試料を４０℃に昇温させた）。その結果を図４に示す。図４によれば赤身は、成牛・子牛、4℃・−20℃によらず、ほぼ同じ挙動を示し、脂肪とは明瞭に異なる緩和挙動トレンドを示すことが分かった。また、２０ＭＨｚのＮＭＲで国産牛の脂肪と豪州産の赤身を４０℃で計測したが、ＥＵ産の牛のデータとほぼ一致した。そのデータも図４中に示す。このように、産地・年齢・保存温度を問わず、赤身は静磁場強度依存性が脂肪と明瞭に異なるラインに従うことが分かった。

図４から、以下のような公知ではない事実が判明した。
まず、0.1MHz以下では脂肪は筋肉より長い緩和時間を持っているが、0.1MHz以上では筋肉より短くなっている。したがって、例えば0.1MHz以下で計測システムを構築した場合、式（２）のインバージョンで得られた緩和時間の長い信号成分は脂肪に帰属し、短い緩和時間の信号成分は赤身に帰属する。0.1MHz以上では、その逆センスの帰属を行うべきである。
このように、インバージョンで得られた式（２）の２つの減衰成分のうち、どちらを脂肪又は筋肉と判定するかの作業を行う時は、静磁場強度を十分に考慮すべきである。

また、0.1MHz付近あるいは2-3MHz付近は脂肪と筋肉の緩和時間が接近している。後者は、タンパク質（筋肉）中の¹⁴Nとプロトンとの相互作用で緩和が促進されたのが原因である。この２つの周波数帯域で計測システムを組むと、脂肪と筋肉の緩和時間が接近して、識別、定量が困難になるので、注意が必要である。

価格や可搬性からみると、希土類永久磁石による片側開放型磁気回路による計測システムの構築がベストである。永久磁石は超伝導磁石より磁力が弱い上に、片側開放型という制約があり、磁石表面から例えば数ｃｍも遠く離れた空間に生じせしめた均一磁場領域を感度領域としなければならないので、その感度領域の磁束密度は、磁石の直表面に比べて桁違いに磁場が弱い。このような理由で、システムが作る感度領域の磁束密度は0.47Tより桁違いに小さくせざるを得ないが、本発明によればこのような低磁場であっても脂肪交雑の識別、定量が可能である。

片側開放型核磁気共鳴分光装置による生牛の肉質評価作業の模式図 片側開放型核磁気共鳴分光装置の概略図 ４０℃における国産牛の脂肪及び豪州産牛の筋肉（赤身、肩肉）の、0.47T（20MHz）におけるプロトン縦緩和時間波形データ ＥＵ、豪州、日本産の牛の脂肪と筋肉の４０℃におけるプロトン縦緩和時間の静磁場強度依存性

Claims (3)

1. 予め脂肪及び筋肉について脂肪のプロトン縦緩和時間及び筋肉のプロトン縦緩和時間を核磁気共鳴シグナル強度の時間変化より算出し、
   獣肉又は魚肉について、脂肪と筋肉のプロトン縦緩和時間が相違する範囲の特定の静磁場強度において、核磁気共鳴分光法により核磁気共鳴シグナル強度を計測し、
   該計測した核磁気共鳴シグナル強度の時系列データを、上記特定の静磁場強度における脂肪の上記プロトン縦緩和時間及び筋肉の上記プロトン縦緩和時間を用いて、異なる縦緩和時間を持つ複数の減衰成分に分離することにより、脂肪と筋肉の比率を算出して、獣肉又は魚肉中の脂肪と筋肉の識別、定量を行うことを特徴とする脂肪交雑の識別、定量方法。
2. 予め脂肪及び筋肉について脂肪のプロトン縦緩和時間T1fat及び筋肉のプロトン縦緩和時間T1muscleの数値を核磁気共鳴シグナル強度の時間変化より、静磁場強度に関連した数値として算出する段階、
   獣肉又は魚肉について、脂肪と筋肉のプロトン縦緩和時間が相違する範囲の特定の静磁場強度において、核磁気共鳴分光法により下記式で表される核磁気共鳴シグナル強度Ｓを計測する段階、
   該計測した核磁気共鳴シグナル強度Ｓの時系列データと、上記特定の静磁場強度における脂肪の上記プロトン縦緩和時間T1fat及び筋肉の上記プロトン縦緩和時間T1muscleの上記数値に基づいて、係数c4、c5を最小２乗法を用いて算出する段階、
   該算出された係数c4、c5に基づいて獣肉又は魚肉中の脂肪と筋肉の識別、定量を行う段階を含む脂肪交雑の識別、定量方法。
   Ｓ＝c3−c4×exp（−t／T1fat）−c5×exp（−t／T1muscle）
   ただしc3は定数である。
3. 核磁気共鳴シグナル強度を計測する核磁気共鳴表面スキャン装置と、コンピューターとを備え、
   前記核磁気共鳴表面スキャン装置及び前記コンピューターは、請求項１又は２に記載された脂肪交雑の識別、定量方法を実施することを特徴とする非侵襲計測装置。