基于LF-NMR 及其成像技術(shù)探究冬棗貯藏過程中的水分變化

黃國(guó)中，王 琴,2,*，劉東杰,2,*

（1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院輕工食品學(xué)院，廣東廣州 510225；2.仲愷廣梅研究院，廣東梅州 514000）

冬棗是鼠李科棗屬植物，外觀呈現(xiàn)出青綠色和暗紅色，成熟季節(jié)大約在冬季，因此稱之為冬棗[1]。冬棗含有豐富的糖類、脂肪、蛋白質(zhì)和無機(jī)鹽等人體必需的營(yíng)養(yǎng)素[2]，除此之外，它還富含維生素群以及鈣鐵磷等微量元素，實(shí)為養(yǎng)生水果之佳品。然而冬棗采摘后容易失水，使得果實(shí)表皮皺縮，品質(zhì)也隨之下降[3]。

低場(chǎng)核磁及其成像技術(shù)是一種無損檢測(cè)方法[4]，它是基于質(zhì)子的自旋運(yùn)動(dòng)，在磁場(chǎng)的作用下，射頻脈沖對(duì)樣品質(zhì)子進(jìn)行激發(fā)從而產(chǎn)生共振信號(hào)，可對(duì)樣品的水分存在狀態(tài)、變化及其分布進(jìn)行連續(xù)性的測(cè)量和分析[5]，結(jié)果具有可靠性；Lv 等[6]利用低場(chǎng)核磁設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蔬菜干燥過程中的水分含量變化，從而達(dá)到更加準(zhǔn)確地把握干燥效率的目的。低場(chǎng)核磁設(shè)備不僅可以作為蔬菜干制過程的監(jiān)測(cè)手段，還可以應(yīng)用于各種果蔬的貯藏保鮮實(shí)驗(yàn)中，探究其貯藏期間的水分遷移規(guī)律[7]，從基礎(chǔ)層面探究水分遷移與品質(zhì)變化之間的聯(lián)系。朱丹實(shí)等[8]借助低場(chǎng)核磁技術(shù)，獲得了秋紅李子在貯藏過程中的水分變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)它與果實(shí)的組織結(jié)構(gòu)變化存在一定程度上的相關(guān)性。目前低場(chǎng)核磁技術(shù)已大量應(yīng)用于食品中的水分[9]和油脂[10]分析，可以更加清晰直觀地看出食品中的水分以及油脂的分布情況和含量，將低場(chǎng)核磁技術(shù)與食品品質(zhì)指標(biāo)變化相結(jié)合，或許可以用水分的遷移規(guī)律表征品質(zhì)的變化情況，這在食品品質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中將具有重大意義。

本研究利用低場(chǎng)核磁及其成像技術(shù)，探究冬棗在低溫貯藏期間的水分遷移規(guī)律[11]，同時(shí)對(duì)相關(guān)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)分析水分變化與品質(zhì)變化是否存在一定的聯(lián)系，以期為冬棗的保鮮手段[12]研發(fā)提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

冬棗 購(gòu)于廣州市荔塱農(nóng)副產(chǎn)品綜合批發(fā)市場(chǎng)，挑選形狀大小均一、無機(jī)械性損傷、表皮紅斑覆蓋率在5%以下的新鮮冬棗備用；氫氧化鈉、氯化鋇、草酸、酚酞等試劑 均為分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠。

MesoMR23-040H-I 核磁共振成像分析儀 蘇州紐邁分析儀器股份有限公司；質(zhì)構(gòu)儀(TA.XTPlus)英國(guó)Stable Micro System 公司；ZD-2 型酸堿滴定儀 上海儀電科技股份有限公司；CR-10 plus 色差儀東莞市航程電子科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

溫度穩(wěn)定在（32±0.1）℃，將標(biāo)準(zhǔn)水樣放入直徑60 mm的磁體線圈中進(jìn)行單次采樣，儀器將自動(dòng)調(diào)整好中心頻率和射頻頻率。把冬棗樣品放入磁場(chǎng)中心位置，采用CPMG 序列采集樣品的信號(hào)，經(jīng)調(diào)試之后確定具體參數(shù)設(shè)置如下：

射頻 (MHz)=21； 頻率偏移 (Hz)=26452.83；90°脈寬(μs) =8.00；180°脈寬(μs)=20.00；采樣頻率(kHz)=200；射頻延時(shí)(ms)=0.02；采樣點(diǎn)數(shù)=40028；等待時(shí)間(ms)=8000；時(shí)延(ms)=0.45；回波個(gè)數(shù)=18000；前置放大增益=1；模擬增益=3；重復(fù)采樣次數(shù)=4。每個(gè)處理重復(fù)測(cè)定3 次。選擇迭代次數(shù)十萬次進(jìn)行數(shù)據(jù)反演。

1.2.3 冬棗的MRI 成像 分別于第1、16、32 和60 d從冷藏庫(kù)取同樣的10 顆冬棗進(jìn)行核磁成像實(shí)驗(yàn)。

參數(shù)設(shè)置：Z 方向線圈梯度值=5，Y 方向線圈梯度值=1，X 方向線圈梯度值=1，重復(fù)等待時(shí)間=1000 ms，回波時(shí)間=19 ms，頻率編碼視野大小=80 mm，相位編碼視野大小=80 mm，累加4 次，K 空間大小256×196；層厚為2 mm。

1.2.4 冬棗外觀色澤的觀察 每隔5 d 取樣，直至果實(shí)表面完全變紅為止。隨機(jī)取出3 顆冬棗，擦干表面水分，拍照記錄。使用色差儀[13]測(cè)量冬棗三處不同的表面，記錄L*和a*值。重復(fù)測(cè)定三次，結(jié)果取平均值。

1.2.5 失重率的測(cè)定 每隔5 d 單獨(dú)取出10 顆冬棗，稱量并記錄樣品初始重量，往后每次取樣時(shí)，計(jì)算兩者的質(zhì)量差值與初始樣品質(zhì)量的比值即為冬棗樣品在這段時(shí)間內(nèi)的失重率[14]。計(jì)算公式：

1.2.6 硬度值測(cè)定 每隔5 d 隨機(jī)取出10 顆冬棗，使用TA.XTPlus 型質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定[15]，探頭直徑為3.0 mm，測(cè)定深度為4.0 mm，測(cè)定速度為1.0 mm/s，每個(gè)樣品測(cè)定三個(gè)點(diǎn)，結(jié)果取平均值。

1.2.7 呼吸強(qiáng)度測(cè)定 采用靜置法[16]測(cè)定冬棗的呼吸強(qiáng)度。將10 mL 0.2 mol/L NaOH 標(biāo)準(zhǔn)溶液置于玻璃干燥皿的底部，再每隔5 d 放入單獨(dú)取樣的10 顆待測(cè)樣品冬棗，密封，在4 ℃下靜置1 h 后取出，加入過飽和的BaCl2和兩滴酚酞試劑后，用0.05 mol/L草酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，記錄草酸的用量，同時(shí)用同種方式做空白對(duì)照。計(jì)算公式：

1.2.1 樣品貯藏方式 10 斤新鮮冬棗于4 ℃、濕度90%的冷藏庫(kù)中儲(chǔ)存待測(cè)。

1.2.2 水分橫向弛豫時(shí)間（T2）的測(cè)定 每12 d 從冷藏庫(kù)中取同樣的10 顆冬棗進(jìn)行水分橫向弛豫時(shí)間的測(cè)定。啟動(dòng)低場(chǎng)核磁共振成像分析儀，待磁場(chǎng)中心

式中，c 為草酸濃度（mol/L）；V1為空白組草酸用量（mL）；V2為實(shí)驗(yàn)組草酸用量（mL）；w 為冬棗樣品質(zhì)量（kg）；t 為放置時(shí)間（h）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Origin 2018 和Excel 2013 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬棗低溫貯藏過程中水分的存在狀態(tài)及遷移規(guī)律

2.1.1 冬棗低溫貯藏過程中的弛豫時(shí)間變化 由圖1可見，樣品的T2圖譜中包含多個(gè)峰[17]，即說明冬棗內(nèi)部含有多組水分[18]，其中頂點(diǎn)時(shí)間在0.1～10 ms 區(qū)間內(nèi)的峰代表結(jié)合水，這種水分主要存在于冬棗內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)（液泡）當(dāng)中，與細(xì)胞結(jié)合十分緊密，外加磁場(chǎng)難以對(duì)其進(jìn)行激發(fā)，因此橫向弛豫時(shí)間非常短暫，在貯藏的第1 d，其峰頂點(diǎn)時(shí)間為4.6 ms；10～100 ms內(nèi)為不易流動(dòng)水，該水分主要為細(xì)胞間質(zhì)水，與冬棗內(nèi)部組織的結(jié)合程度不如結(jié)合水那么緊密，其貯藏第1 d 的峰頂點(diǎn)時(shí)間是57.2 ms；而100～1000 ms 范圍內(nèi)是自由水，大多是細(xì)胞外的游離水，相對(duì)于前兩種水分，自由水較容易受到激發(fā)而產(chǎn)生共振信號(hào)，它的橫向弛豫時(shí)間也是最長(zhǎng)的[19]，首日峰頂點(diǎn)時(shí)間達(dá)到1072.2 ms。當(dāng)冬棗樣品貯藏到60 d，自由水的信號(hào)幅度值為147，相較于貯藏第1 d 的信號(hào)幅度值158 明顯下降，而不易流動(dòng)水和結(jié)合水的信號(hào)強(qiáng)度上升，這是由于隨著貯藏時(shí)間的推移，冬棗會(huì)發(fā)生干耗和腐敗變質(zhì)，表皮皺縮，結(jié)構(gòu)疏松，果實(shí)外層的一部分水掙脫束縛散發(fā)到外界環(huán)境中，而另一部分水則逐步向內(nèi)層滲透遷移，即自由水逐步轉(zhuǎn)化為不易流動(dòng)水且發(fā)生一定量的損失的過程[20]。

圖1 冬棗橫向弛豫時(shí)間（T2）反演圖Fig.1 Inversion diagram of relaxation time(T2) of winter jujube

2.1.2 冬棗低溫貯藏過程中三種水分的峰面積變化經(jīng)T2反演圖得知冬棗內(nèi)部含有結(jié)合水、不易流動(dòng)水和自由水三種水分，它們會(huì)隨著貯藏天數(shù)的增加而不斷地發(fā)生轉(zhuǎn)化和損失，經(jīng)質(zhì)子歸一化處理后，峰面積的變化即代表水分含量的變化[21]。由圖2 可知，在貯藏初期，冬棗新鮮程度最高，果實(shí)內(nèi)部的結(jié)合水與自由水含量高，峰面積值分別達(dá)到23.22 和765.927，而不易流動(dòng)水含量較低，面積值為7.152。待儲(chǔ)藏接近一個(gè)月時(shí)，冬棗發(fā)生了一定程度上的腐敗變質(zhì)，自由水含量因轉(zhuǎn)化和損失[22]而呈現(xiàn)出波動(dòng)趨勢(shì)；儲(chǔ)存兩個(gè)月后，果實(shí)的腐敗程度越來越高，持水能力嚴(yán)重下降，自由水含量下降了3.2%，是三種水分中下降幅度最大的；結(jié)合水與不易流動(dòng)水則是雖有一定程度上的波動(dòng)，但總體變化甚微，推測(cè)其原因是這兩種水分存在于冬棗果核附近，與果實(shí)組織結(jié)合緊密，受到較強(qiáng)的束縛力，不容易流失到果實(shí)外部。

圖2 三種水分的峰面積變化Fig.2 Peak area variation of three kinds of water

2.1.3 冬棗低溫貯藏的MRI 成像 對(duì)冬棗樣品進(jìn)行核磁成像[23]，由圖3 可見，在貯藏初期，圖像較為光亮[24]，果實(shí)邊緣形狀圓潤(rùn)，說明水分含量充足且分布均勻；而隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，冬棗MRI 成像越發(fā)暗淡[25]，與此同時(shí)果實(shí)圖像出現(xiàn)斑點(diǎn)，是發(fā)生霉變的跡象[26]；同時(shí)冬棗果實(shí)邊緣呈現(xiàn)出鋸齒狀，這主要是由于果實(shí)逐漸發(fā)生腐敗變質(zhì)，內(nèi)部水分大量流失，水分分布的均勻性下降。

圖3 冬棗MRI 成像Fig.3 MRI of winter jujube

2.2 冬棗外觀的變化

新鮮冬棗從外觀上看，果實(shí)圓滑完整，表皮整體呈現(xiàn)出青綠色；隨著貯藏時(shí)間的推移，冬棗果皮會(huì)出現(xiàn)一個(gè)逐漸變紅[27]的過程，這是由于冬棗的成熟度越來越高，內(nèi)部的一系列酶促反應(yīng)[28]使得冬棗表皮從一開始的零星紅點(diǎn)到出現(xiàn)大面積紅斑，最后整個(gè)果實(shí)表皮都呈現(xiàn)出暗紅色；貯藏60 d 的冬棗樣品表面干癟、皺縮，甚至出現(xiàn)龜裂以及發(fā)霉的情況，明顯是流失了大量的水分，而這些都在MRI 圖像上有所反映（圖4）。

圖4 冬棗外觀變化Fig.4 Appearance changes of winter jujube

2.3 冬棗低溫貯藏過程中的品質(zhì)變化

通過觀察冬棗樣品的色澤、硬度、失重率以及呼吸強(qiáng)度的變化，從理化層面進(jìn)一步體現(xiàn)冬棗低溫貯藏期間水分的變化規(guī)律對(duì)其品質(zhì)造成的影響。

2.3.1 色差值 色差儀中L*值代表明暗度（黑白），a*值代表紅綠色，b*值代表黃藍(lán)色。由于冬棗主要發(fā)生紅綠色的顏色變化，因此在該實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注重觀察L*與a*的變化；經(jīng)過數(shù)據(jù)的采集記錄，發(fā)現(xiàn)貯存從第1 d 到第45 d，L*值從71.26 不斷下降到42.28，而a*值從?7.49 上升到21.49，說明冬棗果皮從明亮的青綠色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘导t色，果實(shí)越發(fā)的成熟，表皮紅斑隨著貯藏天數(shù)的增加而增加；這是由于冬棗果實(shí)內(nèi)部的一系列酶促反應(yīng)，使得花青素等色素指標(biāo)發(fā)生變化，而水分變化又與生理反應(yīng)息息相關(guān)[29]，上文提到，冬棗在儲(chǔ)藏過程中，三種水分不斷地轉(zhuǎn)化和流失，這可能在一定程度上影響著果實(shí)內(nèi)部的生理反應(yīng)[30]（圖5）。

圖5 冬棗的色差值變化Fig.5 Variation of color difference value of winter jujube

2.3.2 失重率 與大部分其他水果情況相似，水分在冬棗果實(shí)重量中的占比最高，因冬棗內(nèi)部的水分會(huì)隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)而大量地流失，且果實(shí)附著的酵母或其他微生物也會(huì)逐步消耗掉糖和無機(jī)鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，致使冬棗果實(shí)慢慢腐化，所以重量會(huì)逐漸減小，失重率從第1 d 的0.28%上升到第40 d 的2.23%（圖6）。

圖6 冬棗的失重率變化Fig.6 Variation of weight loss rate of winter jujube

2.3.3 硬度 隨著貯藏時(shí)間的推移，冬棗果實(shí)逐漸發(fā)生腐敗，內(nèi)部組織結(jié)果由一開始的緊密（硬度值13.78 N）變得疏松軟化（硬度值8.26 N），這也導(dǎo)致了持水能力的下降，其自由水出現(xiàn)大量地散失，難以維持果實(shí)堅(jiān)挺飽滿的形態(tài)，最終體現(xiàn)為硬度值的逐漸下降（圖7）。

圖7 冬棗的硬度變化Fig.7 Hardness changes of winter jujube

2.3.4 呼吸強(qiáng)度 由圖8 可知，在貯藏到40 d 時(shí)，冬棗呼吸強(qiáng)度出現(xiàn)一個(gè)頂峰，具體數(shù)值達(dá)到0.07，由此推斷冬棗屬于呼吸躍變型果實(shí)[31]。呼吸作用越旺盛，冬棗內(nèi)部的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗得就越多，經(jīng)歷過呼吸強(qiáng)度頂峰后，冬棗的品質(zhì)逐步下降，最終其呼吸強(qiáng)度穩(wěn)定在0.02 mg/kg·h 上下，與此同時(shí)，果實(shí)在逐漸腐敗的過程中通常也伴隨著水分的大量流失。

圖8 冬棗的呼吸強(qiáng)度變化Fig.8 Respiratory intensity changes of winter jujube

3 結(jié)論

冬棗果實(shí)內(nèi)部存在著結(jié)合水、不易流動(dòng)水和自由水三種水分，它們的弛豫時(shí)間大致分布在0.1～10、10～100、100～1000 ms 這三個(gè)區(qū)間內(nèi)，其中自由水的信號(hào)強(qiáng)度最大，結(jié)合水次之，而不易流動(dòng)水的信號(hào)值最小；隨著貯藏天數(shù)的增加，三種水分的信號(hào)強(qiáng)度以及弛豫時(shí)間都發(fā)生一定程度的變化，當(dāng)冬棗儲(chǔ)存到60 d，自由水信號(hào)大幅降低。與此同時(shí)，冬棗表皮由青綠色逐漸轉(zhuǎn)變成暗紅色，L*值從71.26 不斷下降到42.28，而a*值從?7.49 上升到21.49；失重率和硬度值在貯藏后期分別為2.23%和8.26 N。再者，冬棗屬于呼吸躍變型果實(shí)，其呼吸強(qiáng)度于40 d 時(shí)達(dá)到頂峰（0.07 mg/kg·h）。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，冬棗在儲(chǔ)藏過程中，隨著果實(shí)內(nèi)部水分的流失和遷移，冬棗品質(zhì)指標(biāo)也逐漸下降，最終導(dǎo)致發(fā)生腐敗變質(zhì)，這在一定程度上說明了水分遷移規(guī)律是果蔬品質(zhì)變化的關(guān)鍵點(diǎn)；在果蔬保鮮研究中，可以利用低場(chǎng)核磁技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)果蔬的水分情況，找到其變化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，從而判斷其品質(zhì)的優(yōu)劣，也有利于保鮮手段的研發(fā)。