利用低場核磁共振技術無損檢測澳洲堅果含水率

陳文玉，穆宏磊，吳偉杰，房祥軍，韓延超，陳杭君，郜海燕※，金 龍

（1. 浙江省農(nóng)業(yè)科學院食品科學研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部果品采后處理重點試驗室，浙江省果蔬保鮮與加工技術研究重點試驗室，中國輕工業(yè)果蔬保鮮與加工重點試驗室，杭州 310021；2.洽洽食品股份有限公司，合肥 260301）

0 引 言

澳洲堅果（Macadamia ternifoliaF. Muell.）是一種產(chǎn)于澳大利亞昆土蘭與新南威爾士熱帶雨林果，又名夏威夷果、昆士蘭栗、巴布果、澳洲胡桃等，是山龍眼科（Proteaceae）夏威夷果屬（MacadamiaF. Muell.）植物[1]。目前在中國境內(nèi)的種植地區(qū)有廣東、廣西、云南、福建、四川、重慶及貴州等[2]。澳洲堅果果仁因其細膩的口感被人們廣泛喜愛，特別是烤制加工之后，更加酥脆，且?guī)в歇毺氐哪逃颓逑?，風味極佳。澳洲堅果果仁中含有78%以上的脂肪，其中大部分是不飽和脂肪酸[3]。這些不飽和脂肪酸具有調(diào)節(jié)免疫、預防心血管疾病等功能[4]。新鮮的澳洲堅果在收獲時含水率高，容易變質(zhì)，貨架期短且發(fā)芽率較高[5]。因此，采摘后及時脫水干燥是澳洲堅果貯藏過程中最重要的步驟之一。研究澳洲堅果原料在干燥過程中水分的變化對提高干燥效率、保持澳洲堅果原料的品質(zhì)有重要的意義。

果蔬中的水分一般分為自由水、半結(jié)合水、結(jié)合水。干燥過程中3 種狀態(tài)的水分不斷變化。如孔旭等[6]發(fā)現(xiàn)銀杏白果干燥過程中自由水的含量發(fā)生明顯變化，干燥處理改變了銀杏白果中水的結(jié)合狀態(tài)和水分分布；任廣躍等[7]發(fā)現(xiàn)干燥改變了玉米內(nèi)部水分的遷移特性，玉米內(nèi)部水分逐漸向外遷移。目前用于檢測樣品在干燥過程中水分分布狀態(tài)及含量變化的方法有很多，主要有近紅外光譜法[8-10]、微波法[11-12]、核磁共振法[13-14]及高光譜成像法[15-17]等。

低場核磁技術（Low-Field Nuclear Magnetic Resonance，LF-NMR）是一種水分測定技術，具有快速、無損、準確等優(yōu)點[18]。其原理是不同存在狀態(tài)的氫質(zhì)子在磁場中的弛豫時間不同，通過分析樣品中氫質(zhì)子的弛豫時間能夠得到樣品中水分的分布情況與水分遷移的相關信息[19]。目前該技術廣泛用于豬肉[20]、面條[21]及常見的果蔬[22-24]等食品加工過程中水分分布狀態(tài)與變化的研究中。目前澳洲堅果含水率的測定以GB 5009.3-2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》為標準方法，但是此方法不僅耗時較長，且對于果仁含水率需要破殼才能測定，較為麻煩。本研究通過測定澳洲堅果的核磁共振橫向弛豫時間以及核磁共振成像，分析其在干燥過程中自由水、半結(jié)合水、結(jié)合水的變化情況，找到含水率與橫向弛豫峰之間的關系，以期快速無損預測澳洲堅果干燥過程中的含水率。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

材料：試驗所用材料為澳洲堅果鮮果，購于廣西百色洽洽食品有限公司澳洲堅果種植基地。選擇個體完整、大小均勻、果殼無蟲蛀損傷的帶青皮澳洲堅果，初始含水率在25%左右。

儀器：DGG-9070A 電熱恒溫鼓風干燥箱，上海森信試驗儀器有限公司；ME103E 型電子天平，梅特勒-托利多（上海）儀器有限公司；NMI20-060H-I 低場核磁共振分析儀，蘇州紐邁分析儀器股份有限公司；RE-52AA 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海亞榮生化儀器廠；A11 型IKA 通用研磨機，德國IKA 儀器設備有限公司；SHZ-D（Ⅲ）型循環(huán)水式真空泵，鞏義市予華儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品干燥

根據(jù)預試驗結(jié)果及實際生產(chǎn)工藝選定4 種干燥工藝，即：40、50、60 ℃恒溫干燥及變溫干燥（30 ℃ 2 d→38 ℃ 2 d→45 ℃至結(jié)束）。

澳洲堅果去掉外部青皮，分成4 份，每份500 g，分別放在40、50、60 ℃及變溫（30 ℃ 2 d→38 ℃ 2 d→45 ℃至結(jié)束）環(huán)境下進行干燥，每隔12 h 取出稱量，直至澳洲堅果恒質(zhì)量。每隔60 h 取樣測定其對應的酸價及過氧化值。

1.2.2 含水率測定

澳洲堅果樣品含水率按照渠琛玲等[25]的方法進行測定。樣品的干基含水率、水分比（Moisture Ratio，MR）、干燥速率（Drying Rate，DR）按照式（1）～（3）計算。

式中Mi為干基含水率，%；mg為絕干時的物料質(zhì)量，g；mi為物料在 ti時刻所對應的質(zhì)量，g。

式中MR 為水分比；Mt為t 時刻的干基含水率，%；Me為干燥平衡時的干基含水率，%；M0為初始時刻的干基含水率，%。

式中DR 為干燥速率，g/(g·h)；M1為干燥到t1時刻的干基含水率，%；M2為干燥到t2時刻的干基含水率，%。

1.2.3 品質(zhì)指標測定

澳洲堅果樣品過氧化值、酸價的測定參照羅凡等[26]的方法。

1.2.4 LF-NMR 研究水分變化

去掉澳洲堅果外部青皮，稱量后按1.2.1 節(jié)中條件進行干燥，每隔24 h 取出稱量，并利用低場核磁共振分析儀測定樣品的橫向弛豫時間T2及核磁共振成像，直至試驗結(jié)束。

低場核磁CPMG 序列參數(shù)設置：主頻SF=21 MHz，偏移頻率O1=260 134.4 Hz，采樣硬脈沖90°，脈寬P2=18 s，采樣點數(shù)TD =200 060，重復采樣等待時間TW =2 000 ms，回波時間 TE =0.1 ms，回波個數(shù)NECH =10 000，累加次數(shù)NS =4。

核磁共振成像參數(shù)設置：SFO1=21.26 MHz，RFA90(%)=1.0，RFA180(%)=1.7，TR=500 ms，TE=20 ms，Averages=4，層厚=3.0 mm，層間距=2.0 mm，F(xiàn)OV Read=150 mm，F(xiàn)OV Phase=150 mm。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

本研究數(shù)據(jù)獨立重復3 次，采用平均值±標準差的方式表示。采用Excel 2019、Origin 2018 軟件進行數(shù)據(jù)處理、作圖。采用SPSS 25.0 進行ANOVA 差異顯著性分析（P <0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品干燥特性

2.1.1 干燥曲線與干燥速率曲線

4 種干燥方式的的干燥曲線如圖1a 所示，從圖中可以看出，4 種干燥溫度下澳洲堅果水分比呈下降趨勢，且下降趨勢大體相同；干燥結(jié)束時50 ℃、60 ℃ 2 種恒溫干燥方式干燥的澳洲堅果的水分比從1 下降到0.18 左右，40 ℃恒溫干燥及變溫干燥方式干燥的澳洲堅果的水分比從1 下降到0.2 左右，出現(xiàn)這種差異的原因可能是溫度越高，干燥過程中水分散失越完全。到干燥結(jié)束時，不同溫度干燥的澳洲堅果含水率略有不同，其原因是澳洲堅果的平衡含水率與溫度相關，溫度越高，平衡含水率越低[5]。

從圖1b 中可以看出，溫度對干燥速率有一定的影響，同一時刻，干燥溫度越大，干燥速率越大，變溫干燥方式中溫度升高時干燥速率會有一個小幅度的上升。在0～36 h 干燥速率較大，并且干燥速率快速下降，到36～72 h干燥速率緩慢下降，72 h 之后干燥速率開始恒定，逐漸趨近于0，這與干燥曲線的變化相吻合。干燥前期，空氣溫度與澳洲堅果表面溫度差值較大，內(nèi)部傳熱傳質(zhì)阻力較小，因而干燥速率較快[27]；干燥中后期速率較慢的原因可能有以下兩點：一是隨著干燥程度加大，澳洲堅果殼與果仁分離，兩者中間形成的空氣層阻礙澳洲堅果的傳熱傳質(zhì)[25]；二是干燥中后期澳洲堅果中的較容易散失的自由水含水量已經(jīng)處于較低水平，故干燥速率逐漸變慢。

圖1 不同干燥溫度下澳洲堅果干燥曲線與干燥速率曲線 Fig.1 Drying curve and drying rate curve of macadamia nuts at different drying temperatures

2.1.2 不同干燥溫度對品質(zhì)的影響

4 種干燥方式的的酸價如圖2a 所示，4 種干燥溫度下澳洲堅果的酸價略有所上升，其中40 ℃干燥澳洲堅果酸價上升幅度最小，60 ℃干燥組上升幅度最大，但最大不超過0.4 mg/g。參考國標[28]中對干制堅果酸價的要求（≤ 3 mg/g），經(jīng)過4 種方式干燥的澳洲堅果酸價遠遠低于國標，說明干燥過程對澳洲堅果的品質(zhì)影響較小。

如圖2b 所示，經(jīng)4 種工藝干燥結(jié)束后澳洲堅果的過氧化值略有上升，但4 種干燥溫度下澳洲堅果過氧化值非常低，最大不超過0.009 g/100 g，直至干燥結(jié)束澳洲堅果的過氧化值都在國標[28]要求范圍（≤0.08 g/100 g）之內(nèi)，品質(zhì)穩(wěn)定。

圖2 不同干燥溫度下澳洲堅果酸價與過氧化值 Fig.2 Acid value and peroxide value of macadamia nuts at different drying temperatures

如表1 所示，初始干燥溫度越高，澳洲堅果的裂果率也越高。60 ℃干燥的澳洲堅果在12 h 內(nèi)已經(jīng)全部開裂，且隨著干燥時間的延長其裂縫寬度越大。40 ℃與50 ℃干燥的澳洲堅果也分別在48 h 與36 h 后全部開裂，但其裂縫寬度較60 ℃中的稍小。而變溫干燥的澳洲堅果直到干燥結(jié)束時其裂果率只有5.26%，且裂縫極?。▓D3）。

表1 干燥過程中澳洲堅果裂果率 Table 1 Cracking rate of macadamia nuts during the drying process

干燥溫度越高，干燥后的澳洲堅果酸價與過氧化值也相對較高。但是4 種干燥方式干燥后的澳洲堅果酸價及過氧化值一直保持在較低水平，說明澳洲堅果在干燥過程中品質(zhì)較為穩(wěn)定，干燥方式并沒有引起澳洲堅果果仁品質(zhì)劣變。但是初始干燥溫度過高會帶來果殼開裂的問題，這嚴重影響澳洲堅果后期的貯藏品質(zhì)及商品價值。所以，綜合干燥過程中品質(zhì)指標的變化、果殼的變化等因素來看，變溫干燥方式是4 種干燥方式中比較好的一種。

圖3 澳洲堅果干燥前后對比 Fig.3 Comparison of macadamia nuts before and after drying

2.2 水分狀態(tài)及分布

2.2.1 核磁共振成像分析

低場核磁共振成像反映了H 質(zhì)子的空間分布，一般而言，含水率越高，圖像中藍色越明顯[29]，因此，通過低場核磁共振成像可以直觀地看出樣品中水分的變化。試驗測定了變溫干燥條件下不同干燥程度的澳洲堅果低場核磁共振成像，由圖4 可知，同一干燥時間的澳洲堅果第二層的藍色略強于第一、三層，水分分布并不均勻，原因可能是物料表面的水分更容易透過表面氣膜向空氣中擴散，使得越靠近外層澳洲堅果干燥的越快；隨著干燥時間的增加，成像圖中的藍色越來越小，澳洲堅果表面水分汽化導致表面水分含量低，內(nèi)部水分含量高，水分梯度差的存在使得內(nèi)部水分向表面擴散，整體水分含量降低，達到干燥的目的[30]。

圖4 變溫干燥條件下不同干燥時間澳洲堅果低場核磁共振成像 Fig.4 LF-NMR imaging of macadamia nuts during different drying time under variable temperature

2.2.2 干燥對水分的影響

澳洲堅果的核磁共振橫向弛豫時間圖譜中共出現(xiàn)3個峰T21、T22、T23，分別對應的是結(jié)合水、半結(jié)合水、自由水。自由水（T23）的弛豫時間一般在100 ms 左右，這是因為自由水相較于其他兩種形態(tài)的水更容易吸收磁場中的能量而產(chǎn)生振動，在磁場消失后需要更長的時間恢復到基態(tài)；結(jié)合水（T21）與自由水相反，不容易吸收磁場中的能量，恢復到基態(tài)的時間也更短，一般在1 ms 左右；半結(jié)合水（T22）介于兩者之間，一般在10 ms 左右[31]。

圖5 是變溫干燥條件下不同干燥時間的澳洲堅果的核磁共振橫向弛豫時間圖譜。自由水、結(jié)合水、半結(jié)合水所對應的的弛豫峰峰面積與其含量正相關[29]。從圖5可以看出，澳洲堅果中自由水的含量最多，其次是半結(jié)合水，結(jié)合水含量最低；在干燥過程中，3 種峰出現(xiàn)向左偏移的現(xiàn)象，這可能是因為隨著干燥時間的增加，澳洲堅果中結(jié)合力較弱的水分散失后余下的水分的結(jié)合力相對較強，從而出現(xiàn)吸收峰左移的現(xiàn)象。結(jié)合3 種弛豫峰面積隨時間的變化分析，隨著干燥進程的推進，自由水、半結(jié)合水所對應的的弛豫峰有較明顯的降低，說明在干燥過程中自由水和半結(jié)合水更容易散失，且0～24 h 內(nèi)隨著兩者含量快速下降，干燥速率也迅速降低；結(jié)合水所對應的的弛豫峰先出現(xiàn)一定程度的降低，后期又有一定程度的增高，推測原因可能是干燥初期結(jié)合水散失導致其所對應的峰面積減少，干燥后期干燥收縮使半結(jié)合水與大分子結(jié)合更加緊密，部分半結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合水，使得其所對應的峰面積有所增加。

圖5 變溫干燥條件下不同干燥時間澳洲堅果核磁共振橫向弛豫時間圖譜 Fig.5 NMR transverse relaxation time spectra of macadamia nuts for different drying time under variable temperature

2.2.3 低場核磁總信號幅度與含水率關系

通過圖6 可以看出，澳洲堅果含水率與低場核磁總信號幅度（結(jié)合水峰面積＋半結(jié)合水峰面積＋結(jié)合水峰面積）有明顯的線性關系，以總信號幅度為x、含水率為y（%）擬合得到的線性方程為y=0.008 6x-3.97，R2=0.904。

隨機選取在變溫干燥條件下干燥一段時間的澳洲堅果20 顆，測定其總信號幅度，并根據(jù)上文得出的預測方程對其含水率進行預測，將含水率預測值與實際值進行比較，計算兩者的相對誤差。計算得出實測值與預測值的平均相對誤差為5.89%（表2），誤差較小，預測性較好。

圖6 低場核磁總信號幅度與含水率的擬合曲線 Fig. 6 Fitting curve between total signal amplitude of LF-NMR and moisture content

表2 澳洲堅果含水率預測值與實測值比較 Table 2 Comparison of predicted and measured moisture content of macadamia nuts

3 結(jié) 論

在整個干燥過程中，前期（0～36 h）干燥速率較大，并且干燥速率快速下降，到中期（36～72 h）干燥速率緩慢下降，后期（72 h 之后）干燥速率開始恒定，逐漸趨近于0。初始干燥溫度過高會帶來果殼開裂的問題，所以，綜合干燥過程中品質(zhì)指標的變化、果殼的變化、對后期食用價值和商品價值的影響等因素來看，變溫干燥方式是4 種干燥方式中比較好的一種，其具體工藝為：30 ℃ 2 d→38 ℃ 2 d→45 ℃至結(jié)束。

澳洲堅果干燥過程中水分分布并不均勻，越靠近外層澳洲堅果干燥的越快；隨著干燥時間的增長，澳洲堅果表面水分汽化導致表面水分含量低，內(nèi)部水分含量高，水分梯度差的存在使得內(nèi)部水分向表面擴散，整體水分含量降低，達到干燥的目的。澳洲堅果的核磁共振弛豫時間圖譜中共出現(xiàn)3 個峰，分別是結(jié)合水、半結(jié)合水、自由水。在干燥過程中，自由水、半結(jié)合水更容易散失；在干燥初期結(jié)合水出現(xiàn)一定程度的散失，結(jié)合水含量減少，干燥后期干燥收縮使半結(jié)合水與大分子結(jié)合更加緊密，部分半結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合水，結(jié)合水含量有所增加；同時，隨著干燥時間的增加，澳洲堅果中結(jié)合力較弱的水分散失后余下的水分的結(jié)合力相對較強，從而出現(xiàn)吸收峰左移的現(xiàn)象。

澳洲堅果含水率與低場核磁總信號幅度有明顯的線性關系，擬合得到的線性方程R2=0.904。通過驗證發(fā)現(xiàn)此方程的預測性較好（平均相對誤差為5.89%），可以用于澳洲堅果含水率的快速無損檢測。