低场核磁共振技术分析杏鲍菇在热风-微波联合干燥过程中的水分变化.pdf

90摘要：利用低场核磁共振（LF-NMR）技术分析热风-微波联合干燥过程中杏鲍菇的横向弛豫时间（T,）反演图谱和核磁共振成像（MRI)图像，探究杏鲍菇在干燥过程中的水分状态及变化规律。结果表明：新鲜杏鲍菇片含自由水、半结合水和结合水3种状态水分，水分分布较均匀；在杏鲍菇片干燥过程中，热风干燥温度越高、微波功率越大，所需干燥时间越短，T23不断往左推移，自由水先被脱除，水分流动性不断减小，达到干燥终点时，只剩下结合水；3种状态水分之间存在互相转化和渗透现象，干燥改变了杏鲍菇内部水分的分布状态及水分含量。关键词：杏鲍菇；低场核磁共振；热风-微波联合干燥；横向弛豫时间Analysis of moisture change of Pleurotu seryngi duringhot air-microwave combined drying process by low fieldnuclear magnetic resonance techniqueTANG Xiao-xian-2,CAI Ming-jun,WEI Zhen-zhen,REN Ai-qingl2,LIU Yan-2,LAO Qi-zhen(1.College of Food and Biological Engineer/Institute of Food Science and Engineering Technology,Hezhou University,Hezhou 542899,Guangxi,China;2.Guangxi Key Laboratory of Health Care Food Science and Technology,Hezhou 542899,Guangxi,China;3.School of Food Science and Technology,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034,Liaoning,China)Abstract:Lateral relaxation time(T)inversion spectrum and magnetic resonance imaging(MRI)imageof Pleurotus eryngi during the combined drying process of hot air-microwave were analyzed using low fieldnuclear magnetic resonance(LF-NMR)technology,and the moisture state and changes of Pleurotus eryn-gii during the drying process were investigated.The results showed that fresh Pleurotus eryngi slices con-tained three states of moisture:free water,semi-bound water,and bound water,with a relatively uniformdistribution of moisture.During the drying process of the Pleurotus eryngi slices,the higher the hot airdrying temperature and microwave power,the shorter the required drying time.T2 continuously shifted tothe left,with free water being removed first and the mobility of moisture decreasing.At the end of dr-ying,only bound water remained.There were mutual conversion and penetration phenomena among thethree states of moisture,and drying changed the distribution state and moisture content of the internal收稿日期：2 0 2 2-0 4-13基金项目：国家自然科学基金项目（32 16 0 57 3）；广西自然科学基金项目（2 0 2 0 GXNSFBA297083）；广西自然科学基金(2021JJB130291)作者简介：唐小闲（19 8 4一），女，硕士，助理研究员，研究方向为农产品加工。通信作者：任爱清（19 8 4一），男，博士，副研究员，研究方向为食品加工技术。粮食与油脂低场核磁共振技术分析杏鲍菇在热风-微波联合干燥过程中的水分变化唐小闲？，蔡明君，韦珍珍”，任爱清？，刘艳，劳琪珍3（1.贺州学院食品与生物工程学院/食品科学与工程技术研究院，广西贺州542 8 9 9；2.广西康养食品科学与技术重点实验室，广西贺州542 8 9 9；3.大连工业大学食品学院，辽宁大连116 0 34)2023年第36 卷第8 期2023年第36 卷第8 期moisture of Pleurotus eryngii.Key words:Pleurotus eryngi;low field nuclear magnetic resonance;hot air-microwave combined dr-ying;lateral relaxation time中图分类号：TS201.1杏鲍菇，属于侧耳科侧耳属 ，是药食两用珍稀食用菌,具有降血脂、降血压、增强免疫力及消食等功效 2 。近年来我国杏鲍菇产量急剧增加,且新鲜杏鲍菇含水量高、生理代谢旺盛，容易腐烂造成经济损失。干燥作为食品加工重要手段之一，能够降低食品水分含量，有效提高食品贮藏稳定性和丰富食品口味 3。因此,通过干燥将新鲜杏鲍菇加工成干制品，有利于延长其贮藏时间，提高其商品价值。目前关于杏鲍菇干制品加工方法主要有热风干燥、微波真空干燥、真空冷冻干燥、红外干燥等 4-5。其中热风与微波联合干燥因具有干燥效率高、产品质量好、节能环保的优点 6 ，成为国内外干燥技术研究的热点。低场核磁共振（LF-NMR）是1种快速无损的现代检测技术,是利用氢原子核在磁场中的自旋弛豫特性,通过横向弛豫时间（T,）的变化,从微观角度解释物料内部水分的分布状态和迁移信息 7-8 ,能实时跟踪物料干燥过程中水分状态变化过程 9-10 LF-NMR技术已被应用于食物干燥、冷冻、解冻过程中监测其水分含量变化 ，以及农产品贮藏、加工和质量评价等领域。本试验以新鲜杏鲍菇为原料，在不同热风干燥温度和微波功率条件下,采用LF-NMR及其成像技术,分析杏鲍菇片在热风微波联合干燥过程中水分的变化规律，以期为杏鲍菇工业生产提供参考依据。1材料与方法1.1试验材料新鲜杏鲍菇，市售。1.2仪器与设备MB9水分测定仪，奥豪斯仪器（常州）有限公司;JJ1000电子天平，常熟市双杰测试仪器厂；WFO-520W送风定温干燥箱，东京理化机械株式会社；G70D20CN1P-D2（SO）微波炉，广东格兰仕微波生活电器制造有限公司;NMI20核磁共振成像分析仪，苏州（上海）纽迈电子科技有限公司。1.3试验方法1.3.1干燥方法挑选新鲜、大小均匀、无破损杏鲍菇，清洗干粮食与油脂文献标志码：A文章编号：10 0 8-9 57 8(2 0 2 3)0 8-0 0 9 0-0 5净,擦去表面水分，去掉菇盖，横向切段，纵向切片，切片厚度为（2.50.5)mm,每组称取2 0 0 g,均匀平铺在物料盘上，放人送风定温干燥箱中干燥。干燥温度分别为55、6 5、7 5，干燥过程中样品每2 0 min取出立即称重1次，当杏鲍菇片干燥至干基水分含量45%时，转人微波干燥（以下称转换点水分含量），微波功率分别为350、42 0、49 0 W，微波干燥过程中样品每2 min取出立即称重1次，直至样品干基水分含量13%，停止干燥。1.3.2T,反演谱采集在热风干燥过程中，样品每40 min进行低场核磁检测分析;在微波干燥过程中,样品每2 min进行低场核磁检测分析。将杏鲍菇片放置于永久磁场的射频线圈的中心,通过自由感应衰减（FID)序列获得样品的中心频率,用多脉冲回波（Carr-Purcell-Meiboom-Gill,CPMG)序列测样品中的T，每组样品重复采集3次信号，结果取平均值。序列参数设置：主频18 MHz；偏移频率42 6 8 32.38 Hz；采样点数800034；谱宽10 0 KHz;重复扫描2 次；重复采样时间350 0 ms；回波次数8 0 0 0。1.3.3低场核磁成像的测定将带有杏鲍菇片圆柱形透明玻璃管置于核磁共振成像分析仪中心位置的射频线圈中心，进行成像测定。试验主要参数：重复时间50 0 ms；回波时间2 0 ms;视野大小8 0 mm80mm;累加次数2 56。1.3.4水分含量测定参照文献 12 的方法用水分测定仪测定杏鲍菇片的干基水分含量，杏鲍菇片湿基平均初始水分含量为8 7.7 2%。杏鲍菇片干基水分含量计算见式(1)。m,-m,M.=100%ms式中：M,为杏鲍菇片干燥至t时刻的干基水分含量，%;m，为杏鲍菇片干燥至t时刻的质量，g;m，为杏鲍菇片绝干物质的质量，g。1.3.5干燥速率参照文献 13 的方法进行测定。干燥速率计算见式(2)。91(1)92式中:R,为干燥速率,%min-;M,为杏鲍菇片干燥过程中相邻干基水分含量的变化量%；t为相邻干燥时间的间隔，min。1.4数据处理采用MicrosoftOffice excel2016对试验数据进行处理采用Origin 2018绘图。2结果与分析2.1杏鲍菇片热风-微波联合干燥特性由图1可知：在相同热风干燥温度条件下，微波干燥功率越小，干燥至终点时所需时间越长。杏鲍菇片在热风干燥期和微波干燥期均有加速阶段和降速阶段。在杏鲍菇片热风干燥过程中，干燥温度越高，干燥速率上升越快，达到最高干燥速率值越大，干燥至转换点水分含量所需要时间也越短。杏鲍菇片干燥至转换点水分含量所需干燥时间大小为 ts5 =140 mi n t 6 s =12 0 mi n t r s =10 0 mi n;在后期微波干燥阶段，杏鲍菇片干燥至终点所需要时间大小为 P350 w=8 min P420 w=6 min P490 w=4min。热风加速阶段是从热风干燥开始至干燥速率达到最大值的过程。在热风干燥前期，杏鲍菇片内水分以自由水为主，这部分水能较容易迁移出去。随着热风干燥进行，杏鲍菇片表面水分快速蒸发,空气中相对湿度降低，表面湿度与空气介质湿度相差较大，内部水分向表面补充和蒸失，当干燥温度越大时，内部水分快速向外扩散动力越大，水分散失速度越快，进而达到最大干燥速率越大，干燥时间越短；在热风降速阶段，由于杏鲍菇片中水分含量减少，杏鲍菇片水分由内部迁移到表面速度小于表面水分蒸发速度，所以干燥速率降低。在微波干燥加速阶段，微波加热使得杏鲍菇片中心温度快速升高并大于表面温度，增加杏鲍菇片内水分扩散速率，使干燥速率迅速升高至最大值。微波干燥降速阶段是热风-微波联合干燥后期，一方面，杏鲍菇片中的干物质向表面迁移，表面会变得越来越致密,逐渐形成硬膜层，对水分散失起到阻碍作用；另一方面,杏鲍菇片内部基本以半结合水和结合水为主，这部分水难以冲破束缚层迁移散失，干燥速率呈下降趋势，直至干燥停止。因此，热风-微波联合干燥的干燥温度和微波功率越大，干燥时间越短。在一定条件下,适当提高干燥温度可以有效减少物粮食与油脂MAM.A:-M,R=t2023年第36 卷第8 期料干燥时间；在不同功率且所需干燥时间差异不大(2)t的情况下,考虑到节能环保等因素，可选择使用较低功率350 W进行干燥。3(,uu.%)/率200876(,uu%)/率谢5432100（b）55热风干燥后不同微波功率1098(,uu.%)/率单谢765432100（c）6 5热风干燥后不同微波功率987(,uu.%)/率谢65432100（d）7 5热风干燥后不同微波功率图1杏鲍菇片热风-微波联合干燥速率曲线55657520406080100120140干燥时间/min（a）不同温度热风-350W-420W490W24干燥时间/min-350W420W490W24干燥时间/min-350W420W490W24干燥时间/min6668882023年第36 卷第8 期2.2LF-NMR分析杏鲍菇片中的水分状态由图2 可知：新鲜杏鲍菇片LF-NMR的T,反演图谱有3个波峰，根据图中出峰时间及所占比例，表明杏鲍菇片存在3种不同水分状态,3种水分状态在T,反演图谱中对应的T,分别是结合水T21、半结合水T22和自由水T23。结合水T2i峰值和弛豫时间最小,是通过氢键与细胞内部蛋白质、多糖等大分子物质紧密结合的水分 14,束缚力强,流动性差，脱除困难；半结合水T2峰为中间峰,是存在于细胞新鲜杏鲍菇片热风40 min热风8 0 min热风12 0 min1654321热风140 min+微波2 min热风140 min+微波4min热风140 min+微波6 min热风140 min+微波8 min0.1110100100010000T,/ms（a）热风55微波350 WT0.1粮食与油脂质的水分，受到束缚，流动性较小；自由水T23峰为最高峰,存在于原生质、液泡内和细胞间隙 15，自由度高，流动性好。新鲜杏鲍菇片中自由水占比例最大,LF-NMR信号强度大,在干燥过程较容易除去。杏鲍菇片热风-微波联合干燥过程中的T反演图谱均有14个波峰，随着杏鲍菇片干燥的进行，代表自由水的T23不断往左推移,NMR信号强度明显减小。说明随着干燥进行，物料中自由水流动性好,在热风干燥初期就被除去，同时也有少部分自由水向半结合水转化，导致自由水T23逐渐减小；另外,热风干燥温度越大，物料自由水T23往左边推移得越快,NMR信号强度减小越快，说明自由水脱除越快。随着干燥进行，自由水T23对应NMR信号强度持续下降，而半结合水T2对应NMR信号强度先增加后减小，原因是物料自由水不断流失,除了大部分自由水蒸发除去外，小部分自由水转化为半结合水,使得T2的NMR信号强度增加，但随着干燥继续进行，大部分半结合水又转化为自由水并向外迁移脱除,T23的NMR信号强度变弱,峰面积减小。干燥后期,剩下少量半结合水,结合水所占比例变大，部分半结合水与结合水相互转化渗透，部分半结合水继续向自由水转化和迁移，水分含量越来越小，脱除越来越缓慢,对应NMR信号越来越微弱，直至新鲜杏鲍菇片热风40 min热风8 0 min热风12 0 min热风140 min+微波2 min热风140 min+微波4min热风140 min+微波6 min热风140 min+微波8 min110100100010.000T,/ms（b）热风6 5微波350 W93最后只剩下少量结合水，紧密结合于物料中。因此,杏鲍菇片在干燥过程中，不同状态的水分之间存在互相转化和渗透，部分水分向内迁移与底物联系更紧密，部分水分向外迁移被脱除。2.3分析杏鲍菇在干燥过程中的核磁共振成像(MRI)由图3可知：杏鲍菇片经过不同热风温度干燥40min后，其氢质子密度图像清晰度、明亮度仍较为55新鲜杏鲍菇片热风40 min热风8 0 min7热风10 0 min+微波2 min(ne)/N650.1图2不同干燥条件下杏鲍菇片的弛豫图4065热风10 0 min+微波4min40热风10 0 min+微波6 min75热风10 0 min+微波8 min1101001 00010.000T,/ms（c）热风7 5微波350 W80804080图3杏鲍菇热风-350 W微波联合干燥过程中的氢质子成像图120120120+2干燥时间/min140+2140+4140+6140+8120+2120+4120+6120+8120+4120+6120+894明显，随着热风干燥进行，氢质子密度成像的明亮度逐渐减弱，图像越来越模糊，说明新鲜杏鲍菇片水分含量较高，分布较均匀，随着干燥的进行，样品水分逐渐流失，水分含量降低；随着微波干燥进行，自由水和半结合水信号变得较为微弱，直至干燥终点，仅有结合水留存于内层，因其含量过低无法形成氢质子密度图像。杏鲍菇片在热风-微波干燥过程中，热风干燥温度越高、微波功率越大，氢质子密度图像由明亮变模糊过程所需时间越短，表明样品水分迁移速度越快。3结论为了探究杏鲍菇片在热风-微波联合干燥过程中水分状态及变化规律,利用LF-NMR技术测定并分析其在不同热风干燥温度、微波功率下样品干燥过程中T,反演图谱、MRI成像图。结果表明：新鲜杏鲍菇片含自由水、半结合水和结合水3种状态水分,水分分布较均匀；在杏鲍菇片干燥过程中,热风干燥温度越高微波功率越大，所需干燥时间越短；在杏鲍菇片干燥过程中,T23不断往左推移，自由水先被脱除，水分流动性不断减小，达到干燥终点时，只剩下结合水；自由水、半结合水以及结合水之间存在互相转化和渗透现象，干燥改变了杏鲍菇内部水分的分布状态及水分含量。本研究为杏鲍菇热风-微波联合干燥参数优化及实际工业生产上应用提供参考依据。【参考文献【1刘鑫烨，李蕴澍，马琦，等不同干燥方式对杏鲍菇滋味成分的影响研究 J食品研究与开发，2 0 2 0，41(16):8-13.【2 姚秋萍，杨琼，卫亚丽，等杏鲍菇多糖研究进展 J.食品工业科技，2 0 17，38(2 1)：347-351.【3】盘喻颜，段振华，钟静妮利用低场核磁共振技术分析月柿果片微波间歇干燥过程中的内部水分变化 J.粮食与油脂食品工业科技，2 0 2 1，42(14)：33-39.【4刘鑫烨，李蕴澍，马琦，等不同干燥方式对杏鲍菇滋味成分的影响研究 J食品研究与开发，2 0 2 0，41(16):8-13.【5赵文亚，张憨不同干燥方式对杏鲍菇品质的影响 J.北方园艺，2 0 15(2 3)：134-137.【6 李娜，修琳，张浩，等玉米重组米微波热风联合干燥工艺优化 J.食品科技，2 0 16，41(6)：8 6-9 2.7 XIAO Q,LIM L T,ZHOU Y J,et al.Drying process ofpullulan edible films forming solutions studied by low-fieldNMRJ.Food Chemistry,2017,230:611-617.【8】胡潇予，蓝蔚青，张楠楠，等低场核磁共振技术在食品领域中的研究进展 J食品工业科技，2 0 17，38(6):386 390,396.9马慧俐，王松磊，贺晓光，等.不同干燥方式下黄牛肉水分分布迁移规律研究 J核农学报，2 0 2 1，35(1)：138-146.10】吴立根，王岸娜，屈凌波，低场核磁(LFNM R/M RI)在面米制品水分分布和超微结构测定中的应用 J.粮食与油脂，2 0 2 0,33(6)：7-10.11 CHEN Y N,LI M,DHARMASIRI T S K,et al.Novelultrasonic-assisted vacuum drying technique for dehydra-ting garlic slices and predicting the quality properties bylow field nuclear magnetic resonance J.Food Chemis-try,2020,306:125625.12】吴钊龙，林芳，唐小闲，等基于LF-NMR分析蚕蛹在不同干燥过程中的水分迁移规律 J现代食品科技，2 0 2 2,38(3)：2 37-2 43,9 6.13毛志幸，孙辉，陈宗道白果微波干燥特性及干燥动力学模型研究 J：食品工业科技，2 0 17，38(2 2)：11-16,21.14曾雅，刘云宏，张嘉怡，等远红外辐射温度对猕猴桃干燥水分迁移的影响 J食品与机械，2 0 19，35(8)：143-147,188.【15覃焱婷，段振华，韦珍珍，等.微波功率对月柿果片微波间歇干燥中水分迁移及品质的影响 J食品与机械,2 0 2 1,37(10)：1-5,7 8.2023年第36 卷第8 期