基于低場核磁的紫薯片真空冷凍干燥過程中水分變化

孫江麗，李 瑞，朱洪梅

（山西師范大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，山西臨汾 041004）

紫薯果肉呈紫色至黑紫色，它除了具有普通紅薯含有的營養(yǎng)物質(zhì)外，還富含有大量的花青素[1]，可被用做提取天然花青素的原料。紫薯花青素還具有多種保健功能，能夠防癌[2]、抗氧化[3]、降低血壓[4]、抑制膽固醇生成[5]等作用。目前，市場上的紫薯加工產(chǎn)品種類繁多，開發(fā)出來的產(chǎn)品有紫薯脆片、紫薯粉、紫薯餅、紫薯清酒等[6-7]。

干燥是紫薯的重要加工方式。真空低溫油炸的產(chǎn)品色澤金黃、質(zhì)地優(yōu)良，但會對營養(yǎng)物質(zhì)造成破壞[8]。常壓冷凍干燥速率低[9]，產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)組織塌陷、變色、加快有效成分降解等現(xiàn)象[10]。真空冷凍干燥技術(shù)對保持凍干材料外觀形狀有著很好的作用，還能使食品色、香、味和營養(yǎng)成分完好的保留下來，脫水徹底，干制品重量輕、體積小、復(fù)水快、食用方便[11]，克服真空低溫油炸和常壓冷凍干燥加工工藝帶來的缺陷，本研究利用真空冷凍干燥技術(shù)加工紫薯片。

在干燥過程中，物質(zhì)內(nèi)部水分變化及其遷移規(guī)律是現(xiàn)代科學(xué)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)，低場核磁的引用使得水分變化遷移研究變得容易，低場核磁共振（LFNMR）技術(shù)是一種快速無損、無需侵入的檢測技術(shù)[12]，它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域[13-14]。低場核磁信號強(qiáng)度與氫質(zhì)子含量成正比，可以通過檢測樣品中的氫質(zhì)子檢測對應(yīng)水分含量，氫質(zhì)子先吸收射頻能量，隨后釋放能量，對于性質(zhì)不同的樣品，能量釋放的快慢是不相同的，通過檢測出的信號差別就可以尋找規(guī)律[15-16]。本實(shí)驗(yàn)采用低場核磁共振技術(shù)分析真空凍干燥過程中紫薯片的水分變化，以期為紫薯脆片的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮紫薯 采購于臨汾萬佳福五一路超市，挑選個體完整，直徑大小均勻一致，無蟲害、無腐爛、無機(jī)械損傷的紫薯作為實(shí)驗(yàn)原料。

SCIENTZ-10N型冷凍干燥機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司；XB 220A型電子天平 上海天平儀器技術(shù)有限公司；NMI20-040V-型I低場核磁儀

上海紐邁電子科技有限公司；LEICA EZ4D型體視顯微鏡 北京中顯恒業(yè)儀器儀表有限公司；CR-10型色差計(jì) 柯尼卡美能達(dá)公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品制備與處理 將紫薯清洗干凈，沿圓形橫截面切為5 mm的厚度，用于低場核磁共振測定的薄片再切為1 cm寬的條狀，在-37 ℃條件下進(jìn)行干燥，真空度設(shè)置為100 Pa，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，真空冷凍干燥時間分別設(shè)定為0、1.5、3.0、4.5、6.0、7.5和9.0 h，每個處理樣品設(shè)置十個重復(fù)。

1.2.2 低場核磁共振檢測 將處理好的七組樣品進(jìn)行核磁共振掃描（NMR）分析。把條狀樣品以垂直于試管底面的方向放置，選用低場核磁NMR專用試管直徑為10 mm，然后將裝有待測樣品的試管置于永磁場中心位置的射頻線圈，機(jī)器的溫度穩(wěn)定在32 ℃左右時，利用FID矯正分析軟件的初始參數(shù)，先確定中心頻率（SF）和90 °脈寬，再進(jìn)行單次采樣[17]。用Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）脈沖序列進(jìn)行掃描。參數(shù)設(shè)置：RE=1，NECH=5000，NS=64，SW=100 kHz，RFD=0.05 ms，RGI=20 db，PRG=2，DRGI=3。經(jīng)過10 000次迭代擬合，采集到T2弛豫信息。

低場核磁共振成像（MRI）需要先預(yù)掃描標(biāo)樣，再成像確定層數(shù)，將樣品置于磁場中心并保證每個樣品放在同一位置和方向，最后掃描樣品進(jìn)行成像，將MRI得到的黑白圖片，通過調(diào)節(jié)黑白色和不同灰度處理為偽彩圖[18]，以便更清晰地觀察不同部位的水分含量。參數(shù)設(shè)置：FP=80 mm，TR=300 ms，TE=18.125，S=6，W=2 mm，NS=16。

1.2.3 體視顯微鏡觀察 將冷凍干燥處理過的六組樣品和新鮮紫薯片在凍結(jié)的狀態(tài)下，沿橫斷面切成薄片，放在樣品臺上，使用連續(xù)變倍體視顯微鏡（萊卡EZ4D）放大倍數(shù)分別為16、20、25、30和35倍，按照從低到高的順序觀察其內(nèi)部水分移動的情況和微孔結(jié)構(gòu)，在清晰的倍數(shù)20倍下拍照。

1.2.4 含水量測定 真空冷凍干燥的紫薯片，含水量的測定參照GB 5009.3-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測定》[19]。每個樣品組放置三個相同的紫薯片，分別對0、1.5、3.0、4.5、6.0、7.5和9.0 h干燥時間的樣品稱重，含水量的計(jì)算公式為：

式中：Xt表示t時刻物料的含水量，g/g；mt表示t時刻物料的重量，g；mg表示物料完全干燥后的重量，g。

1.2.5 色差測定 利用CR-10型色差計(jì)測定不同冷凍干燥時間條件下的紫薯片色差，每組放置三個樣品。L*代表明暗度（黑白色），閾值為0～100，0表示黑色，100表示白色；a*代表紅綠色，b*代表黃藍(lán)色，閾值都為-128～+127，-a*表示接近綠色，+a*表示接近紅色，-b*表示接近藍(lán)色，+b*表示接近黃色；ΔE為兩點(diǎn)之間顏色的變化值[20]。色差的計(jì)算公式為：

式中：L0*、a0*、b0*表示新鮮紫薯片的測定值；L*、a*、b*表示凍干處理過的紫薯片測定值。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)采用Office Excel 2019進(jìn)行處理，運(yùn)用SPSS 20對數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較，使用Origin 8.0和Adobe Photoshop CS6進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同冷凍干燥時間條件下NMR分析水分存在形式變化

真空冷凍干燥的紫薯片有三種形態(tài)的水分，其與物料結(jié)合的緊密程度不一樣，橫向馳豫時間T2越短，說明水分的自由度越小且與物料結(jié)合得越緊密，其在干燥過程中越難被脫除，反之則越容易[21]。結(jié)合水的橫向馳豫時間最短，半結(jié)合水次之，自由水最長。根據(jù)T2把水分分為：T21（0.01～0.5 ms）為結(jié)合水，T22（0.5～5 ms）為半結(jié)合水，T23（5～1000 ms）為自由水，且分別由T2反演譜曲線上的3～5個波峰表示，根據(jù)不同弛豫時間信號幅值變化來反映樣品真空冷凍干燥過程中水分變化的情況[22]。不同形態(tài)水分含量由不同峰面積表示，因?yàn)榈蛨龊舜殴舱裥盘柫看砦锪现械臍滟|(zhì)子的數(shù)量，所以曲線上各個峰覆蓋的信號量間接表示對應(yīng)的三種狀態(tài)水分的相對含量，總信號量表示總水分的相對含量。

在圖1中，紫薯片干燥過程中0～3 h，水分變化較大，水分的組成形式也發(fā)生變化，自由水減少較多，隨著干燥進(jìn)行，T23峰顯著變小，T21峰也向T22轉(zhuǎn)移，整個T2反演圖譜逐漸向T22峰移去。

圖1 真空冷凍干燥過程中紫薯片橫向馳豫時間T2反演譜Fig.1 Inversion spectra of lateral relaxation time of purple sweet potato slices during vacuum freeze drying

從圖1和圖2得出，在整個真空冷凍干燥的過程中，紫薯片中三種形態(tài)的水分均被脫除了一部分，自由水占主體，約是總含水量的2/3，因而最容易被脫去，且在干燥開始的前1.5 h內(nèi)自由水變化很大，干燥除去的主要是自由水，結(jié)合水也減少了一部分，而半結(jié)合水卻呈增長的趨勢，可能由于在干燥過程中自由水水分持續(xù)減少，部分結(jié)合水向半結(jié)合水轉(zhuǎn)化[23]使半結(jié)合水增多。1.5～3.0 h，結(jié)合水和自由水有一定量的減少且失水速度較1.5 h前有所減緩，半結(jié)合水仍繼續(xù)增加并達(dá)到最大值。干燥至4.5 h時，結(jié)合水和自由水均有少量減少，半結(jié)合水也開始下降且為三種形態(tài)的水分中減少速度最快的，是因?yàn)橐咽ゴ罅孔杂伤?，紫薯片?nèi)部結(jié)合水向半結(jié)合水轉(zhuǎn)化速率也減慢，干燥過程中，半結(jié)合水量升華速率大于轉(zhuǎn)化率，半結(jié)合水也開始下降，在馬鈴薯切片干燥過程中半結(jié)合水量也呈先增大后減小的變化趨勢[24]。結(jié)合水在4.5～6.0 h時基本保持不變，直到9.0 h，紅薯片微波干燥360 s后T2圖譜結(jié)合水量也很少[25]；因?yàn)槠浜亢苌?，并與物料結(jié)合緊密，很難被干燥脫除，并且減少了微量的自由水；而半結(jié)合水減少了一大部分。7.5 h時，減少了少量的半結(jié)合水，自由水失水速度又開始加快，因?yàn)榘虢Y(jié)合水與結(jié)合水含量基本降至最低，且與物料結(jié)合緊密很難再被脫除，而自由水與物料結(jié)合疏松，因此，自由水脫除較多。在干燥最后的產(chǎn)品中，自由水含量最多，半結(jié)合水含量次之，結(jié)合水含量最少，因?yàn)檎麄€紫薯片干燥過程中，結(jié)合形態(tài)水分向半結(jié)合水轉(zhuǎn)化且與物料結(jié)合較為緊密，導(dǎo)致干燥最后，半結(jié)合水比結(jié)合水含量多。

圖2 真空冷凍干燥過程中紫薯片不同形態(tài)水峰面積變化曲線Fig.2 The change curve of different shapes water peak area of purple sweet potato slices during vacuum freeze drying

2.2 不同冷凍干燥時間條件下MRI分析水分移動情況

低場核磁共振成像（MRI）得到的偽彩圖可以進(jìn)一步直觀地觀察真空冷凍干燥紫薯片內(nèi)部水分變化的情況，在紫薯片脫水過程中，不同顏色表示各區(qū)域相對含水量高低情況[26]，圖像清晰度表現(xiàn)為含水量的多少，圖像亮度表現(xiàn)為氫質(zhì)子活躍度。

從七個時間梯度的MRI偽彩圖3可以觀察到，紫薯片各個區(qū)域中水分信號強(qiáng)弱顯著不同，與對照相比，干燥1.5 h的樣品，水分含量減少較大，紫薯片圖像綠色減弱明顯，水分主要移動至甘薯表皮，表皮水分含量明顯提高，表皮部分呈紅色。而3.0 h時，甘薯片輪廓雖很清晰地呈現(xiàn)，但圖片的背景藍(lán)色與0 h相比亮度變差，圖像亮度表現(xiàn)為氫質(zhì)子活躍度[23]，說明紫甘薯片總體水分減少明顯，紫甘薯表皮水分含量仍是整個甘薯片水分含量最高的部位，說明水分干燥過程不僅涉及水分存在形式變化，而且還有水分遷移過程，紫甘薯片干燥時水分很容易遷移至紫甘薯周皮，這與甘薯塊根結(jié)構(gòu)有關(guān)，植物韌皮部中含有大量纖維成分[27]，纖維與水分的結(jié)合較為緊密，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與NMR分析結(jié)果一致，半結(jié)合水含量在該時間段達(dá)到最多。甘薯干燥4.5 h后，偽彩圖片紫甘薯周邊形狀越來越模糊，各部位水分含量均有下降，此時，自由水大量減少，結(jié)合水含量基本降至最低，半結(jié)合水開始被脫除。在6.0 h時，水分進(jìn)一步減少，整個圖片的清晰度有所降低且亮度也逐漸變差；圖片亮度越差的區(qū)域說明氫質(zhì)子的活躍度越低[28]，圖像亮度低但可以大致分辨出紫薯片的形狀，隨著干燥的進(jìn)行，半結(jié)合水量進(jìn)一步被脫除。7.5 h時，紫薯片輪廓周圍已經(jīng)有部分消失，消失部分與圖片混為一體，而紫薯表皮紅色部分又變得很清晰，該時間段自由水又減少了一部分，半結(jié)合水基本不變，使綠色部分進(jìn)一步模糊，紅色部分突出。干燥9.0 h時，圖片模糊紫薯片的形狀難以分辨，只留下邊緣的一小部分模糊的綠色區(qū)域和周皮部位的一點(diǎn)紅色，這時NMR分析不同形態(tài)水分降至最低。干燥的天花粉MRI圖，同樣以藍(lán)色作為背景，隨著水分的擴(kuò)散，圖片亮度、清晰度逐漸下降且代表不同形態(tài)水分的顏色也在消失[26]。

圖3 真空冷凍干燥過程中紫薯片MRI圖Fig.3 MRI images of purple sweet potato slices during vacuum freeze drying

2.3 不同冷凍干燥時間條件下紫薯片微觀結(jié)構(gòu)分析

真空冷凍干燥把含有水分的物料，預(yù)先凍成固體，然后在真空條件下使其直接升華為氣體，而物質(zhì)本身留在凍結(jié)時的冰架子中，因而干燥前后保持了原來的形態(tài)結(jié)構(gòu)[29]。

圖4 真空冷凍干燥過程中紫薯片微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Microstructure images of purple sweet potato slices during vacuum freeze drying

使用連續(xù)變倍體視顯微鏡分別對七個時間梯度的凍干紫薯片橫截面進(jìn)行了觀察。如圖4為20倍顯微鏡下紫薯片的顯微結(jié)構(gòu)，可以看到新鮮的紫薯片含水量很大，整體結(jié)構(gòu)均勻一致，呈水漬狀，隨著冷凍干燥時間增加至3.0 h時，甘薯物料水分蒸發(fā)，甘薯片總體積變小，甘薯物料水分蒸發(fā)時水分先向表皮移動，甘薯內(nèi)部干物質(zhì)也隨水分向表皮靠攏，真空冷凍干燥處理的胡蘿卜片表面也存在升華前沿，而內(nèi)部的水分仍呈凍結(jié)狀態(tài)[30]，因?yàn)樗譁p少體積變小，表皮致密，表皮結(jié)構(gòu)比甘薯內(nèi)部致密。4.5 h后，隨干燥去除水分越多，紫甘薯片體積越小，甘薯組織向兩側(cè)表皮移動，因?yàn)槠陂g水分升華了，干物質(zhì)聚集表皮附近，這時水分含量越來越少，水分揮發(fā)時動力不能帶動干物質(zhì)移動，水分升華后干物質(zhì)出現(xiàn)疏松多孔的結(jié)構(gòu)且逐漸增加。干燥至7.5 h時，出現(xiàn)了較大的孔隙，由于紫薯片中不同形態(tài)水分分布不均勻，出現(xiàn)較大孔隙的區(qū)域自由水含量高且很容易被除去，隨著凍干的進(jìn)行，失去的自由水增多，從而形成較大的孔隙。9.0 h時，大范圍組織已經(jīng)被干燥完畢并布滿許多大小不均一的孔徑，此時三種形態(tài)水分含量降至最低，殘留的結(jié)合水和半結(jié)合水與物料緊密結(jié)合很難被除去。同時，紫甘薯片的疏松多孔結(jié)構(gòu)也賦予冷凍甘薯片良好的口感。

2.4 不同冷凍干燥時間條件下紫薯片含水量變化

由圖5可知，隨著冷凍干燥時間的增加，紫薯片含水量越來越少，重量逐漸變輕，干物質(zhì)比重增大，與NMR、MRI和微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果一致。T2反演譜中，總水分的峰面積漸漸變小，自由水、半結(jié)合水和結(jié)合水三種形態(tài)水經(jīng)過不同形式的轉(zhuǎn)化，在干燥最后，峰面積降至最低。在MRI的偽彩圖3中，隨著干燥的進(jìn)行，由于氫質(zhì)子活躍度和數(shù)量降低，各圖片亮度越來越暗，清晰度下降，表明水分含量也在下降。在6.0 h后圖片清晰度很差，水分含量分析顯示紫薯片中水分含量接近0.2 g/g，繼續(xù)干燥至9 h，水分含量降至0.1 g/g。從微觀結(jié)構(gòu)中觀察到，冷凍干燥處理的紫薯片兩側(cè)的疏松多孔結(jié)構(gòu)逐漸增多，水分不斷從內(nèi)部擴(kuò)散到紫薯片表面，引起水分減少。微波真空冷凍干燥懷山藥過程中的水分?jǐn)U散變化趨勢與本研究結(jié)果相似[17]。

圖5 真空冷凍干燥過程中紫薯片含水量曲線Fig.5 Curve of water content of purple sweet potato slices during vacuum freeze drying

2.5 不同冷凍干燥時間條件下紫薯片L*、a*、b*和ΔE值分析

圖6中可知，相對于新鮮紫薯片鮮艷的色澤，干燥9 h時，L*值最大，表明干燥后顏色亮度有所差別，水分被脫除，紫薯片顏色變亮，而在干燥前7.5 h時，紫薯片亮度變化差異不顯著，說明紫薯片在冷凍干燥后亮度顯著增大，凍干可以提高甘薯片的亮度，鄧資婧[31]對干燥紫薯全粉進(jìn)行了色差測定，與本研究有相似結(jié)果。在真空冷凍干燥過程中，紫薯片紅度值都比較高且七組樣品紅度變化差異不顯著，說明凍干處理對紫甘薯片主要色澤紅色影響不大。七組紫薯片均有低的黃度值，使樣品呈現(xiàn)出淡黃色，樣品干燥最后b*值與對照差異不大，進(jìn)一步說明凍干過程對紫薯色片澤影響較小。三種色澤計(jì)算得到ΔE值，干燥9.0 h的紫薯片ΔE值與其他六組樣品相比差異顯著（P＜0.05），因?yàn)閮龈?.0 h的紫薯片紅度值和黃度值基本無變化，而亮度明顯增大，導(dǎo)致色差變化差異。

圖6 真空冷凍干燥過程中紫薯片的L*、a*、b*和ΔE值Fig.6 Chromatic aberration (L *, a *, b*and ΔE) of purple sweet potato slices during vacuum freeze drying

3 結(jié)論

本研究對紫薯片冷凍干燥過程中水分形態(tài)和水分含量變化進(jìn)行分析，NMR結(jié)果分析表明，紫薯片自由水約占總含水量的2/3，干燥過程的變化自由水為主，結(jié)合水與半結(jié)合水含量較低且與物料結(jié)合緊密，其變化較小，部分結(jié)合水會向半結(jié)合水轉(zhuǎn)化，使T21峰向T22峰轉(zhuǎn)移，從三種形態(tài)水分的峰面積變化可以得出不同形態(tài)水分之間的相互轉(zhuǎn)化及其遷移規(guī)律。MRI得到的偽彩圖反映了不同形態(tài)的水分在紫薯片中分布的位置，隨著水分不斷地被脫除，圖片亮度和清晰度逐漸變差，紫薯片邊緣部分含水量最高并顯現(xiàn)出紅色區(qū)域，能夠直觀地看出物料中各部位的水分含量變化和氫質(zhì)子活躍度。在6.0 h后圖片清晰度很差，水分含量僅為0.2 g/g，繼續(xù)干燥至9.0 h，水分含量降至0.1 g/g。

體視顯微鏡從微觀角度觀察了紫薯片內(nèi)部水分?jǐn)U散的情況，失去水分的干物質(zhì)中形成很多大小不同的孔狀結(jié)構(gòu)，真空冷凍干燥對維持物料原來的形狀具有很好的作用，且隨干燥時間延長，對物料的色澤影響較小，可以提高紫薯片亮度，對產(chǎn)品色澤進(jìn)行改善，使物料具有更好的加工性能。本實(shí)驗(yàn)只從微觀結(jié)構(gòu)和色澤兩方面來研究真空冷凍干燥效果，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)還需對其營養(yǎng)組分、花青素、芳香物質(zhì)等方面進(jìn)行測定，來深入探究真空冷凍干燥紫薯片效果。