基于低場核磁共振技術(shù)研究不同熱風(fēng)干燥工藝條件下香菇復(fù)水過程中的水分傳遞特性

石芳，肖星凝，楊雅軒，郭曉暉，吳素蕊，明建,3*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)2(中華全國供銷合作總社昆明食用菌研究所，云南 昆明，650223)3(重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶，400715)

基于低場核磁共振技術(shù)研究不同熱風(fēng)干燥工藝條件下香菇復(fù)水過程中的水分傳遞特性

石芳1，肖星凝1，楊雅軒1，郭曉暉1，吳素蕊2，明建1,3*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)2(中華全國供銷合作總社昆明食用菌研究所，云南 昆明，650223)3(重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶，400715)

以6種不同熱風(fēng)干燥工藝制備的干香菇為研究對象，利用低場核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance, LF-NMR)與核磁共振成像(nuclear magnetic resonance imaging, MRI)技術(shù)研究干香菇復(fù)水過程中水分變化規(guī)律。結(jié)果表明，根據(jù)T2弛豫時間顯示，伴隨復(fù)水時間的延長，香菇體內(nèi)水分的主要狀態(tài)是不易流動水而并非自由水。非均勻間歇干燥(non-uniform intermittent drying, NUID)組水分信號明顯強于其他各組，復(fù)水能力較強，均勻間歇干燥(uniform intermittent drying, UID)組復(fù)水能力相對較弱。因此，提升復(fù)水效率的關(guān)鍵在于保證干燥過程中香菇水分的均勻轉(zhuǎn)移，以便復(fù)水時具有良好的保持不易流動水的能力。

香菇；復(fù)水；低場核磁共振；核磁共振成像；水分

香菇(Lentinusedodes)是一種生長在木材上的真菌，是世界第二大食用菌，也是我國特產(chǎn)之一。新鮮香菇含水量高，不耐儲存，目前市場上的香菇多為香菇干制品，需經(jīng)過復(fù)水后才可烹調(diào)食用，在復(fù)水過程中，隨著水分逐漸向香菇內(nèi)部滲透，水分分布和狀態(tài)變化對香菇物化特性的改變有著重要影響。

低場核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)是一種新興的分析檢測技術(shù)，通過低場核磁共振中T2弛豫時間的變化可以獲得樣品中水分狀態(tài)的遷移規(guī)律[1-2]，通過核磁共振成像(nuclear magnetic resonance imaging,MRI)技術(shù)可以獲得物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可視化圖像信息，進(jìn)而對樣品中水分的分布和流動進(jìn)行在線監(jiān)測[3-5]。NMR技術(shù)因其無損、非侵入性的特點已被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)[6-11]。但借助NMR和MRI技術(shù)研究干香菇復(fù)水過程中水分傳遞特性的研究還未見報道。

1 材料與方法

1.1 材料

干香菇：鮮香菇“808”購于重慶市北碚區(qū)農(nóng)貿(mào)市場，干燥前清理香菇表面灰塵并按直徑[(6±0.5)cm]篩選香菇，將香菇柄沿香菇傘1 cm處切分去除。選取500 g香菇均勻放置于干燥箱載物中央，制備香菇干品，備用。

1.2 儀器與設(shè)備

數(shù)顯恒溫水浴鍋 HH-6金壇市富華儀器有限公司；核磁共振成像分析儀 MinniMR-60 上海紐邁電子科技有限公司；電子天平 FA2004 上海恒豐科學(xué)儀器有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 DHG-9140A型上海齊欣科學(xué)儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 六種不同干燥工藝[12]制備香菇干品

(1) 恒溫干燥(isothermal drying, ID)：初始溫度為55 ℃，保持恒溫至干燥結(jié)束。

(2) 均勻變溫干燥(uniform raise drying, URD)：初始溫度為40 ℃，每干燥1 h，溫度提升2 ℃，直至干燥終點。

(3) 非均勻變溫干燥(non-uniform raise drying, NURD)：初始溫度為40 ℃，前5 h每干燥1 h溫度提升2.5 ℃；之后7 h內(nèi)每干燥1 h，溫度提升2 ℃；之后每干燥1 h，溫度提升1℃，直至干燥終點。

(4) 均勻間歇干燥(uniform intermittent drying, UID)：初始溫度為55 ℃，每干燥50 min，關(guān)閉電源間歇10 min后繼續(xù)干燥，保持溫度周而復(fù)始直至干燥終點。

(5) 非均勻間歇干燥(non-uniform intermittent drying, NUID)：初始溫度為55 ℃，前5 h每干燥55 min，關(guān)閉電源間歇5 min后繼續(xù)干燥；之后7 h內(nèi)每干燥50 min，關(guān)閉電源間歇10 min后繼續(xù)干燥；之后每干燥45 min，關(guān)閉電源間歇15 min后繼續(xù)干燥直至干燥終點。

(6) 非均勻變溫間歇干燥(combined drying, CD)：初始溫度為40 ℃，前5 h每干燥55 min，關(guān)閉電源間歇5 min后繼續(xù)干燥，且下一時段干燥時溫度提升2.5 ℃；之后7 h內(nèi)每干燥50 min，關(guān)閉電源間歇10 min后繼續(xù)干燥，且下一時段干燥時溫度提升2 ℃；之后每干燥45 min，關(guān)閉電源間歇15 min后繼續(xù)干燥，且下一時段干燥時溫度提升1 ℃直至干燥終點。

采用直接干燥法(GB 5009.3—2010)測定干燥后的香菇中水分含量(見表1)。干制香菇的水分控制在3.16～3.28 g/100 gDW，其不同組別之間香菇干重差異不顯著，表明干燥工藝穩(wěn)定可靠。

表1 不同熱風(fēng)干燥工藝下香菇水分含量 單位：g/100g DWTable 1 Moisture content of dried mushroom (Lentinus edodes) under different drying methods

注：不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

1.3.2 復(fù)水率的測定

將香菇干制品置于45 ℃的恒溫水浴環(huán)境中，水分與樣品質(zhì)量比為100∶1(mL∶g)。測定浸泡過程中香菇重量，計算其復(fù)水率。測定間隔時間分別為5，10，15，20，30，45，60，90 min。每個試驗重復(fù)測定3次，取平均值。

復(fù)水率計算如公式(1)：

(1)

式中：Rf為復(fù)水率，mg為復(fù)水后樣品質(zhì)量，g；m0為復(fù)水前樣品質(zhì)量，g。

1.3.3 低場核磁共振檢測

利用CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脈沖序列測定樣品的橫向弛豫時間，將復(fù)水過程中的香菇置于45℃水浴中，分別在間隔10，20，30，60，90 min時取出在空氣中瀝干水分，置于磁場中心位置的射頻線圈的中心，利用FID信號調(diào)節(jié)共振中心頻率，然后進(jìn)行CPMG脈沖序列掃描試驗。其中共振頻率為23.309 MHz，磁體強度0.55T，線圈直徑為60 mm，磁體溫度為32 ℃；其余試驗參數(shù)為CPMG：P90(μs)=15；P180(μs)=30.00；TD=480 160；SW(KHz)=200；D3(μs)=80；TR(ms)=3 000；RG1=20；RG2=3；NS=4；Echo Time(μs)=200；Echo Count=6 000，掃描試驗結(jié)束后利用T2Fit軟件擬合出T2值。

1.3.4 核磁共振成像檢測

當(dāng)復(fù)水樣品進(jìn)行完CPMG序列實驗后，立即進(jìn)行MSE成像序列實驗，即質(zhì)子密度成像。樣品置于線圈中央，選取3個層面進(jìn)行成像，層面間距離差為4.8 mm。試驗參數(shù)為P1=P2=1 200；RFA1/%=4.8；RFA2/%=9.2；GxOffest=10；GyOffest=50；GzOffest=100；GSliceY=1；GPhaseX=1；GReadZ=1；RG1=25；DRG1=5；NS=4；RP2CounT=128；D0=2500 μs；D4=1 μs；D5=0.5 μs，圖像大小200×128。利用OsiriS 6.0軟件處理樣品的質(zhì)子密度像。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

實驗數(shù)據(jù)采用Excel軟件，SPSS軟件，OsiriS 6.0軟件，Origin 8.0軟件，T2Fit軟件分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)水率測定

圖1為6種不同熱風(fēng)干燥工藝制備的香菇干品的復(fù)水曲線圖。由圖1可知，NUID組復(fù)水率最高，達(dá)到453.91%，而URD組復(fù)水率最低，僅為356.82%，其余依次是UID組> NURD組> CD組> ID組。復(fù)水過程中，隨著復(fù)水時間的延長，其復(fù)水效率下降。類似結(jié)論與GARCA-PASCUAL和GARCA-SEGOVIA等[19-20]學(xué)者相吻合。

圖1 不同熱風(fēng)干燥工藝后香菇復(fù)水曲線Fig.1 Rehydration curves of mushroom(Lentinus edodes) at different hot-air drying methods

NURD組在復(fù)水初期其復(fù)水率高于NUID組，復(fù)水20 min后NUID組復(fù)水率高于NURD組。其原因可能是在香菇干燥過程中，因干燥工藝不同，導(dǎo)致香菇內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)有所差異。NURD組表面收縮情況較NUID組較好，因而復(fù)水初期其復(fù)水率較高，而復(fù)水后期，因NUID在干燥過程中留有足夠的間歇時間，內(nèi)部組織較為松散，因此，后期復(fù)水率得以提高。

2.2 復(fù)水過程中低場核磁共振的檢測

T2弛豫時間反映了樣品中水分的自由度，T2值越大，說明水分越自由，反之，T2值越小，說明水分與底物結(jié)合越緊密，核磁共振信號幅值與樣品中氫質(zhì)子數(shù)量成正比，因此，T2反演譜上的峰面積可間接表示出對應(yīng)狀態(tài)水的含量[15]。

圖2為不同熱風(fēng)干燥工藝下香菇復(fù)水過程中的T2掃描時間圖。由圖2可知，復(fù)水香菇中含有3個峰：T21(0.01～10 ms)，T22(10～100 ms)，T23(100～1 000 ms)，分別代表結(jié)合水，不易流動水和自由水。前期干燥過程中香菇水分散失主要是自由水[12]，對比分析發(fā)現(xiàn)，復(fù)水過程中T2弛豫時間的最大差異在于，伴隨復(fù)水時間的延長，T2弛豫時間逐漸延長，但主要集中于100 ms以內(nèi)，表明復(fù)水后的香菇體內(nèi)水分主要是不易流動水而非自由水。

圖2 香菇復(fù)水過程中T2弛豫時間反演譜Fig.2 Inversion spectrum of transverse relaxation time of mushroom (Lentinus edodes) during rehydration process注：1～6分別表示0、10、20、30、60、90 min

對比6種不同干燥工藝的香菇干制品復(fù)水過程發(fā)現(xiàn)，復(fù)水初期，水分快速進(jìn)入香菇體內(nèi)并與香菇細(xì)胞組織結(jié)合，以不易流動水的形式保留在香菇體內(nèi)。伴隨復(fù)水繼續(xù)，水分含量不斷上升，復(fù)水末期則水分含量變化不大。NUID組的復(fù)水效果最好，其T2弛豫信號明顯強于其他各組；URD組復(fù)水效果最差，信號強度也相對較弱。其原因可能是在干燥過程中因缺乏間歇時間導(dǎo)致內(nèi)部組織分布不均勻，導(dǎo)致水分再進(jìn)入時無法完全進(jìn)入到香菇內(nèi)部空間，從而吸收水分能力下降；而NUID組結(jié)合不同時期的干燥特點，內(nèi)部組織較為均勻，有利于水分的再吸收和保持。其余各組中，ID組復(fù)水能力相對較弱，其原因也可能是干燥過程中由于前期干燥速率過快，水分在香菇內(nèi)無法及時轉(zhuǎn)移，因此干香菇內(nèi)各處密度不同所致。UID組的復(fù)水率僅次于NUID，盡管干燥過程中UID組耗時最長[16]，但表面適當(dāng)?shù)拈g歇時間有利于香菇的再吸水過程，并且T2弛豫時間表明，UID組具有吸收少量自由水的能力，進(jìn)一步驗證了不同熱風(fēng)干燥工藝對香菇復(fù)水品質(zhì)有不同影響。

2.3 復(fù)水過程中T21，T22，T23變化

圖3為不同熱風(fēng)干燥工藝下的香菇復(fù)水過程中同一時刻不同狀態(tài)的水分比較圖，其目的在于對比分析，如何控制干燥過程以提高香菇的復(fù)水率。

圖3 香菇復(fù)水過程中T21，T22，T23的變化Fig.3 Change in T21, T22 and T23 in mushroom (Lentinus edodes) during during rehydration process

總體上看，復(fù)水過程中，香菇體內(nèi)的結(jié)合水依舊保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，幾乎不隨復(fù)水時間的延長有所改變，其弛豫時間穩(wěn)定在0.2～2.2 ms之間；香菇吸收不易流動水的差異是導(dǎo)致香菇不同復(fù)水率的主要原因，伴隨復(fù)水時間的延長，其含水量不斷增大；自由水在復(fù)水過程中無法被香菇吸收，伴隨復(fù)水時間的延長，其自由水含量有所上升，但不同熱風(fēng)干燥工藝下的香菇干制品復(fù)水過程中的自由水差異不大。

T21表示的復(fù)水過程中香菇體內(nèi)的結(jié)合水，對比干燥過程中結(jié)合水的變化[12]發(fā)現(xiàn)，無論是干燥還是復(fù)水過程，結(jié)合水都是香菇體內(nèi)最穩(wěn)定的存在狀態(tài)的水，不易受到外界環(huán)境的影響。

T22表示的復(fù)水過程中香菇體內(nèi)不易流動水，結(jié)合T2弛豫時間發(fā)現(xiàn)，NUID組不易流動水含量明顯高于其余各組，因而其復(fù)水率最高，且在復(fù)水初期，其水分轉(zhuǎn)移速度最快。其余各組T22掃描時間略低于NUID組，由此推斷，提高香菇復(fù)水率的方法在于如何快速提高香菇中不易流動水含量。

T23表示的復(fù)水過程中香菇體內(nèi)自由水變化，復(fù)水過程中香菇無法保持外界水分，雖然伴隨時間的延長，其自由水含量有所上升，但主要附著在香菇的表面，無法被香菇內(nèi)部吸收，因此復(fù)水結(jié)束后其自由水分含量差異不大。

表2為復(fù)水過程中不同干燥過后的香菇不同狀態(tài)的水分含量。由表2可知，不同干燥工藝條件下的香菇復(fù)水過程中各狀態(tài)水分的變化均存在顯著差異(p<0.05)。結(jié)合水比例在復(fù)水初期迅速下降，而自由水比例緩慢上升，不易流動水比例上升最快，所占比例最高，為復(fù)水后香菇內(nèi)水分的主要存在形式。復(fù)水結(jié)束時，NUID組中不易流動水比例為84.13%，自由水比例為13.85%；而URD組中不易流動水比例為91.58%，自由水比例為6.88%。由此推斷，復(fù)水后期，URD組中水分轉(zhuǎn)化能力弱于NUID，即自由水向不易流動水方向轉(zhuǎn)化能力下降，因而降低其復(fù)水效率。

2.4 復(fù)水過程中MRI核磁共振成像測定

核磁共振成像是一種無損、非侵入性、高效、準(zhǔn)確的現(xiàn)代分析技術(shù)，可以對食品加工過程的控制及貯藏過程的生理生化反應(yīng)等進(jìn)行跟蹤研究[16]，LIU等[17]利用 MRI 研究了魔芋葡甘聚糖對蛋清蛋白凝膠過程中水分狀態(tài)的變化，實驗發(fā)現(xiàn)不同樣品磁共振成像結(jié)果和持水力結(jié)果相一致，并且每個樣品表面和內(nèi)部水分分布有所不同。圖4為通過MRI技術(shù)掃描的6種干香菇在復(fù)水過程中2D質(zhì)子密度圖，其目的在于宏觀上觀察復(fù)水過程中水分在香菇內(nèi)的分布差異。圖中通過其灰白度表示水分的含量及分布，顏色越白表示此處水分活信號強，顏色越暗則表示水分信號弱[18]。

表2 復(fù)水過程中不同狀態(tài)水分含量 單位：%Table2 Moisture content of different water during rehydration process

注： (1)B，結(jié)合水；NF不易流動水；F，自由水。(2)同列中不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)；同一行中同一指標(biāo)不同大寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

圖4 復(fù)水過程中2D質(zhì)子密度圖對比Fig.4 Pseudo color of 2D proton density images of mushroom duringrehydration process

從圖4中可知，香菇復(fù)水過程中水分主要集中在香菇傘頂部，水分由外向中心擴散。香菇傘與香菇柄接壤處水分含量較低；對比6種香菇干制品復(fù)水情況發(fā)現(xiàn)，NUID組水分信號明顯強于其余各組，說明其復(fù)水能力最強，其次是ID組復(fù)水能力，UID組復(fù)水能力相對較差。因復(fù)水是干燥過程的逆過程，良好的干燥工藝是提高復(fù)水率的保證。

3 結(jié)論

復(fù)水是干燥的逆過程，復(fù)水率是評價干燥品質(zhì)的重要指標(biāo)。對比6種干燥工藝下的香菇干制品，NUID組復(fù)水效果最好。利用NMR和MRI技術(shù)監(jiān)測了干香菇復(fù)水過程水分的傳遞，結(jié)果表明，隨著復(fù)水時間的延長，香菇體內(nèi)不易流動水含量不斷增加，結(jié)合水無明顯變化，而自由水無法保留于復(fù)水后的香菇，因此提升復(fù)水效率的關(guān)鍵在于在保證干燥過程中香菇水分的均勻轉(zhuǎn)移，以便復(fù)水時具有良好的保持不易流動水的能力。

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Characterizationofmoisturetransferinrehydrationprocessfordriedmushroom(Lentinusedodes)bydifferentdryingmethods

SHI Fang1, XIAO Xing-ning1, YANG Ya-xuan1, GUO Xiao-hui1,WU Su-rui2, MING Jian1,3*

1(College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China)2(Kunming Edible Fungi Institute, All China Federation of Supply and Marketing Cooperatives, Kunming 650223, China)3(Chongqing Engineering Research Center for Special Foods, Chongqing 400715, China)

The objective of this study was to analysis the moisture change of dried mushroom (Lentinusedodes) by six different drying methods during rehydration process. The tests were performed by low-field nuclear magnetic resonance and nuclear magnetic resonance imaging technology. TheT2relaxation test showed that with the extension of rehydration time, the main state of water in dried mushroom was immobilized water instead of free water. The water signal of non-uniform intermittent drying (NUID) group was significantly stronger than other groups, which indicated its best rehydration capacity. The Uniform intermittent drying (UID) group had the poorest rehydration capacity. The key to improve the rehydration efficiency is to ensure the uniform transfer of water in the process of drying in order to have a good ability to maintain the immobilized water during rehydration process.

Lentinusedodes; rehydration; low-field nuclear magnetic resonance; nuclear magnetic resonance imaging; moisture

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.014277

碩士研究生(明建教授為通訊作者,E-mail:mingjian1972@163.com)。

重慶市社會民生科技創(chuàng)新專項(cstc2015shmszx80019)；云南省科技廳科技創(chuàng)新人才計劃(2008OC008)；重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心能力提升項目(cstc2014pt-gc8001)

2017-03-10，改回日期：2017-04-20