干制金針菜復(fù)水前后水分狀態(tài)的變化

王毓寧　劉紅錦　李鵬霞　胡花麗　李志強(qiáng)

摘要：采用低場(chǎng)核磁（NMR） 及其成像技術(shù)（MRI）研究熱風(fēng)干燥處理后的金針菜干制品在復(fù)水前后水分分布與狀態(tài)變化，測(cè)量金針菜干制品復(fù)水前后的弛豫時(shí)間T2值和質(zhì)子密度像，根據(jù)弛豫時(shí)間及其對(duì)應(yīng)的信號(hào)分量，觀察金針菜干制品復(fù)水前后自由水、不易流動(dòng)水和結(jié)合水分布的變化情況。結(jié)果表明，金針菜干制品復(fù)水后，自由水含量增加，不易流動(dòng)水和結(jié)合水含量也有所增加，但結(jié)合水變化不明顯。低場(chǎng)核磁技術(shù)為金針菜復(fù)水加工過(guò)程中物性參數(shù)的研究提供了一種有效方法。

關(guān)鍵詞：金針菜；干制品；低場(chǎng)核磁技術(shù)；復(fù)水；水分

中圖分類(lèi)號(hào)： TS255.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2015）10-0343-05

金針菜別稱(chēng)黃花菜，與冬筍、香菇、木耳齊名，被譽(yù)為“山珍海味”中的山珍之一，具有極高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，歷來(lái)是我國(guó)人們普遍喜愛(ài)的食品。中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生研究所曾對(duì)其營(yíng)養(yǎng)成分作出分析，每100 g含蛋白質(zhì)14.1 g、各種維生素8 g、脂肪0.5 g、粗纖維6.7 g，此外還富含人體必需的糖、核黃素、胡蘿卜素、尼克酸、鐵、磷等物質(zhì)。國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明，金針菜具有顯著降低動(dòng)物血清膽固醇的作用，是預(yù)防中老年人疾病、延緩機(jī)體和智力衰老的佳蔬[1-2]。然而，由于金針菜開(kāi)花正值6—8月高溫季節(jié)，采摘后的呼吸強(qiáng)度非常旺盛，在常溫下一般3～4 d開(kāi)始腐爛，不宜貯藏[3]，因此目前市場(chǎng)上金針菜制品以干金針菜為主，約有90%以上的鮮金針菜被加工成干制品，所以對(duì)金針菜干燥工藝以及如何提高干制品復(fù)水后的特性研究尤為必要。在復(fù)水過(guò)程中，隨著水分向金針菜內(nèi)部滲透，水分的分布和狀態(tài)變化對(duì)金針菜物化特性的改變有重要作用。水分按與組織中底物的結(jié)合程度可分為結(jié)合水、不易流動(dòng)水、自由水3種類(lèi)型[4]，結(jié)合水主要是依靠氫鍵與蛋白質(zhì)的極性基（羧基和氨基）相結(jié)合形成的水分子層，不易流動(dòng)水可能表示存在于肌纖絲、肌原纖維及膜之間的不易流動(dòng)的水分子，自由水表示存在于細(xì)胞外的間隙中能自由流動(dòng)的水[5]。低場(chǎng)核磁及成像技術(shù)作為近年來(lái)興起的研究方法，在直接測(cè)量水含量，間接測(cè)量?jī)鼋Y(jié)水比例、水分活度、玻璃化轉(zhuǎn)變等很多重要物理指標(biāo)和不同成分分布成像研究中顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性[6]。目前，核磁共振技術(shù)應(yīng)用廣泛，它被用于研究大米復(fù)水過(guò)程水分狀態(tài)的變化，揭示水分進(jìn)入糯米中心所需復(fù)水時(shí)間及不同品種大米復(fù)水過(guò)程中水分狀態(tài)呈現(xiàn)明顯差異等[7]。李然等應(yīng)用低場(chǎng)核磁研究綠豆復(fù)水過(guò)程，了解綠豆吸水這一動(dòng)態(tài)過(guò)程，觀測(cè)到綠豆內(nèi)部吸水狀況[8]；張緒坤等利用低場(chǎng)核磁共振的橫向馳豫時(shí)間分析胡蘿卜切片在干燥過(guò)程中不同形態(tài)水分的變化[9]。目前，人們對(duì)金針菜干制品的大量研究主要集中于其干燥工藝和復(fù)水效果的分析方面，而關(guān)于水分分布和狀態(tài)變化對(duì)金針菜物化特性影響的研究很少。本試驗(yàn)采用低場(chǎng)核磁（NMR） 及其成像技術(shù)（MRI）研究熱風(fēng)干燥處理后的金針菜干制品在復(fù)水前后水分狀態(tài)變化及持水性能，為金針菜干燥加工中質(zhì)構(gòu)參數(shù)的變化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮金針菜為大烏嘴品種，采自江蘇宿遷丁莊金針菜種植基地。

1.2 儀器與設(shè)備

BEL-M124A分析天平，巴拉特電子有限公司；DH6-907385型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；MesoMR，上海紐邁電子科技有限公司，共振頻率23.311 MHz，磁體強(qiáng)度0.55 T，線圈直徑為60 mm，磁體溫度為32 ℃。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 干制工藝 新鮮金針菜→挑選→燙漂（時(shí)間 2 min）→擺盤(pán)→熱風(fēng)干燥（干燥溫度70 ℃）→包裝→金針菜干制品。

1.3.2 低場(chǎng)核磁及其成像方法[10] 采用橫向弛豫時(shí)間（CPMG）序列測(cè)量金針菜的橫向弛豫特性，研究金針菜復(fù)水前后的水分遷移及水分流動(dòng)性，采用自旋回波（SE）序列成像序列試驗(yàn)來(lái)獲得金針菜的質(zhì)子密度像，直觀地觀察金針菜復(fù)水后的水分分布狀況，試驗(yàn)參數(shù)CPMG為：脈沖寬度P90=19 μs，脈沖寬度P180=33 μs，采樣點(diǎn)數(shù)TD=349 490，接受寬度SW=100 KHz，有效信號(hào)起始點(diǎn)RFD=80 μs，重復(fù)采樣等待時(shí)間TR=5 000 ms，模擬增益RG1=20，數(shù)字增益RG2=3，重復(fù)次數(shù)NS=32，回波時(shí)間EchoTime=200 μs，回波個(gè)數(shù)EchoCount=15 000；成像SE序列：選層厚度4 mm，90°軟脈沖幅度RFA90 9.9%，180°軟脈沖幅度RFA180 18.1%，電子勻場(chǎng)參數(shù)的單位為Hz，電子勻場(chǎng)控制參數(shù)（20，80，180），選層方向參數(shù)（0，0，1），相位編碼方向參數(shù)（1，0，0），頻率編碼方向參數(shù)（0，1，0）；質(zhì)子密度像：TR= 1 000 ms，回波時(shí)間TE=11.5 ms，累加4次，圖像尺寸為256×192。

1.3.3 樣品處理及測(cè)定 選擇熱風(fēng)干燥處理后的金針菜樣品如圖1所示，測(cè)試其T2值和質(zhì)子密度像；然后在室溫下水中浸泡40 min（圖2），再次測(cè)量其T2值和質(zhì)子密度像，并稱(chēng)量記錄下金針菜干制品復(fù)水前后的質(zhì)量（表1）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Contin及Matlab進(jìn)行計(jì)算處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 T2波譜

使用迭代尋優(yōu)的方法將采集到的T2衰減曲線代入弛豫模型M（t）=∑ni=1Aie-t/T2i中擬合并反演，從而得到樣品的T2弛豫信息，其中包括弛豫時(shí)間及其對(duì)應(yīng)的弛豫信號(hào)分量[11]。如圖3所示，橫坐標(biāo)是從10-2 ms到104 ms對(duì)數(shù)（以10為底數(shù)）分布的100個(gè)橫向弛豫時(shí)間分量T2，縱坐標(biāo)為各弛豫時(shí)間對(duì)應(yīng)的信號(hào)分量Ai，已知信號(hào)量與其組分含量成正比關(guān)系，積分面積A即為樣品的信號(hào)量。

T2弛豫時(shí)間反映樣品內(nèi)部氫質(zhì)子所處的化學(xué)環(huán)境，與氫質(zhì)子所受的束縛力及其自由度有關(guān)，而氫質(zhì)子的束縛程度又與樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有密不可分的關(guān)系。氫質(zhì)子受束縛越大或自由度越小，T2弛豫時(shí)間越短，在T2譜上峰位置較靠左；反之，則T2弛豫時(shí)間越長(zhǎng)，在T2譜上峰位置較靠右。圖3、圖4分別為干制金針菜復(fù)水前后的結(jié)合水、不易流動(dòng)水與自由水在NMR橫向弛豫時(shí)間的分布圖，它們分別對(duì)應(yīng)T21（0.01～3 ms）、T22（3～100 ms）、T23（100～1 000 ms）。其中，T21表示與蛋白質(zhì)分子表面極性基團(tuán)緊密結(jié)合的結(jié)合水，其對(duì)應(yīng)的峰積分面積為A21；T22表示金針菜體細(xì)胞內(nèi)與膠體相結(jié)合，不能自由運(yùn)動(dòng)的不易流動(dòng)水，其對(duì)應(yīng)的峰積分面積為A22；T23表示存在于細(xì)胞毛細(xì)管中易流動(dòng)的自由水，其對(duì)應(yīng)的峰積分面積為A23。分析熱風(fēng)干燥處理后金針菜干制品復(fù)水前后的T2波譜，可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)水后比復(fù)水前多了1個(gè)峰，這是因?yàn)榻疳槻烁芍破吩趶?fù)水前含水量極低，纖維素弛豫太快，儀器檢測(cè)不到纖維素的信號(hào)；而在復(fù)水后，金針菜干制品充分得到浸泡，組織膨脹，纖維素的弛豫時(shí)間變長(zhǎng)，儀器可以探測(cè)到纖維素的信號(hào)，在T2波譜上就能顯現(xiàn)出來(lái)，即弛豫時(shí)間為0.187 4 ms 的峰是金針菜中纖維素的信號(hào)峰（圖4）。endprint

2.2 水分遷移

信號(hào)量Ai可以用來(lái)衡量水分含量。從圖5可知，干制金針菜復(fù)水前結(jié)合水占92.8%，是干制金針菜中的水分主要存在狀態(tài)，而不易流動(dòng)水和自由水僅占7.2%，因?yàn)椴灰琢鲃?dòng)水和自由水是微生物生存容易利用的水分狀態(tài)，所以在加工干燥金針菜時(shí)主要是除去不易流動(dòng)水和自由水，使水分含量達(dá)到某一安全值，利于干制金針菜的貯存；干制金針菜在水中浸泡40 min后，外界的游離水不斷進(jìn)入金針菜內(nèi)部，所以自由水、不易流動(dòng)水含量增加，同時(shí)水分的進(jìn)入會(huì)導(dǎo)致金針菜組織結(jié)構(gòu)被破壞，結(jié)合水就會(huì)脫離蛋白質(zhì)等大分子結(jié)構(gòu)向外遷移，結(jié)合水含量則有所下降，此時(shí)樣品中結(jié)合水、不易流動(dòng)水、自由水分別變?yōu)?6.1%、64.2%、9.7%，水分主要以不易流動(dòng)水狀態(tài)存在，而不易流動(dòng)水通常被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)水，能夠反映食品的持水性能[12]，所以可以根據(jù)干制金針菜復(fù)水后水分狀態(tài)及含量的變化來(lái)探索優(yōu)化金針菜的干燥工藝，即為金針菜干制加工中質(zhì)構(gòu)參數(shù)的變化提供理論依據(jù)。

2.3 水分流動(dòng)性

通過(guò)T2加權(quán)公式T21=∑A21i× T21iA21i總、 T22=∑A22i× T22iA22i總、 T23=∑A23i× T23iA23i總，分別求出金針菜干制品復(fù)水前后T21、T22、T23值，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，復(fù)水后自由水迅速增加，不易流動(dòng)水和結(jié)合水也有所增加，而結(jié)合水變化不明顯，這正印證了在復(fù)水后，外界游離水進(jìn)入干制金針菜內(nèi)部，使原先緊密的結(jié)構(gòu)脹大，組織內(nèi)各相態(tài)水的弛豫時(shí)間變化較大，水分流動(dòng)性增強(qiáng)，所以水分的弛豫時(shí)間整體右移，即是T2波譜右移，結(jié)果如圖7所示（把纖維素信號(hào)置0，纖維素峰已屏蔽掉）。

2.4 MRI成像

圖8是金針菜復(fù)水前后質(zhì)子密度像，同時(shí)筆者選取了金針菜菜葉的一部分（見(jiàn)圖9-a中方框區(qū)域），用Matlab進(jìn)行計(jì)算，繪出復(fù)水速度曲線，結(jié)果如圖9-b所示。由圖8可見(jiàn)，復(fù)水前由于干制金針菜含水較少，儀器檢測(cè)不到信號(hào)，所以得不到成像；而復(fù)水后，樣品中含水量增加，表現(xiàn)出的核磁共振成像圖變亮，它能直觀地反映金針菜中的水分分布，且金針菜花尖部分復(fù)水效果好，花梗部分復(fù)水均勻性較差。從圖9-b可以看出，隨著復(fù)水時(shí)間的延長(zhǎng)，樣品水分含量先增加后降低。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)干制金針菜復(fù)水前后T2弛豫譜的分析及MRI成像，研究金針菜干制品復(fù)水前后水分分布及內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的影響，直觀地觀察金針菜內(nèi)部的一個(gè)水分分布情況，干制金針菜復(fù)水前內(nèi)部水分主要存在自由水、不易流動(dòng)水、結(jié)合水3種

狀態(tài)，復(fù)水后改變干制金針菜組織中水的結(jié)合狀態(tài)和水分分布，不同狀態(tài)的水分發(fā)生了復(fù)雜的物理變化，這些變化反映了金針菜干制品的復(fù)水性能，與成像觀察結(jié)果一致，所以可以根據(jù)干制金針菜復(fù)水后水分狀態(tài)及含量的變化探索優(yōu)化金針菜的干燥工藝，即為金針菜干制加工中質(zhì)構(gòu)參數(shù)的變化提供理論依據(jù)。

限于試驗(yàn)的工作量，本研究?jī)H對(duì)干制金針菜復(fù)水前后進(jìn)行測(cè)定試驗(yàn)，本試驗(yàn)結(jié)果作為初步的探索，今后尚須對(duì)不同干燥工藝金針菜復(fù)水過(guò)程中水分傳遞及變化進(jìn)一步研究。

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