邵小龍,徐文,王瀟,楊曉靜,沈飛,劉琴
南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院/江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210023
【研究意義】稻谷是中國乃至亞洲生產(chǎn)、儲(chǔ)備、加工和消費(fèi)的主要糧種之一。在生長、運(yùn)輸、加工和倉儲(chǔ)等過程中,稻谷籽粒內(nèi)部、內(nèi)部與外界之間在不斷地進(jìn)行濕熱交換,導(dǎo)致稻谷水分吸附解吸行為循環(huán)發(fā)生[1]。水分的吸附解吸是促使稻谷裂紋變化的關(guān)鍵因素,而稻谷裂紋被認(rèn)為是導(dǎo)致碎米產(chǎn)生的最主要因素[2-5]。據(jù)調(diào)查,碎米市場價(jià)格不到整米的一半[3]。因此,研究水分吸附解吸對(duì)稻谷裂紋的影響規(guī)律,能為降低碎米率、減少糧食損失提供重要參考依據(jù)?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】稻谷裂紋產(chǎn)生的機(jī)理有多種說法,主要有應(yīng)力理論、“楔壓力”理論、水合作用力和玻璃化轉(zhuǎn)變理論等[6]。前 3種理論都認(rèn)為稻谷吸濕過程受力的作用導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生,第4種理論認(rèn)為是干燥過程中溫度變化所引起。由于稻谷及其裂紋尺寸微小、受力和溫度量化研究受限,稻谷裂紋產(chǎn)生理論學(xué)說尚不完善。稻谷籽粒裂紋與自身水分變化密切相關(guān),吸附水分會(huì)導(dǎo)致籽粒膨脹變形、內(nèi)部出現(xiàn)裂縫[7-8];低場核磁共振(LF-NMR)是一項(xiàng)研究稻谷籽粒水分狀態(tài)及遷移的有效手段,常被用于水稻籽粒灌漿、稻谷干燥及水分吸附解吸等過程中的水分狀態(tài)及其變化[9-13]。干燥稻谷的初始含水量、水分變化幅度及干燥速率也會(huì)影響籽粒裂紋率[14-18]。HOGAN等[19]首次使用X射線成像手段對(duì)未脫殼稻谷進(jìn)行裂紋檢測研究,并證實(shí)圖像上的黑線為稻谷裂紋。該技術(shù)隨后被用于研究稻谷裂紋率及裂紋與其他品質(zhì)之間的聯(lián)系[20-21]。掃描電鏡被用于分析稻谷籽粒裂紋斷裂面微觀結(jié)構(gòu)[2]。【本研究切入點(diǎn)】以往研究集中關(guān)注干燥過程中稻谷裂紋率與水分含量之間的關(guān)系[17-18],既沒有對(duì)稻谷裂紋進(jìn)行分類,又沒有對(duì)裂紋粒的水分分布進(jìn)行分析,因此缺乏裂紋變化與不同狀態(tài)水分間聯(lián)系的深入研究。【擬解決的關(guān)鍵問題】由于稻谷在田間生長過程中經(jīng)歷過多次以解吸為主的水分解吸吸附循環(huán)后,部分裂紋已經(jīng)產(chǎn)生。因此,本研究著重于探究收割后粳稻籽粒裂紋發(fā)展變化過程,而非裂紋產(chǎn)生過程。本試驗(yàn)使用X射線、電子掃描成像和LF-NMR技術(shù)測定并比較粳稻籽粒水分解吸過程中水分分布及內(nèi)部裂紋的變化,深入分析籽粒水分解吸對(duì)裂紋變化的影響。
本試驗(yàn)采用品種名為‘軟玉’‘淮稻5號(hào)’和‘南粳5055’3種粳稻。其中‘淮稻5號(hào)’為穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)品種,‘南粳5055’為穩(wěn)產(chǎn)較低產(chǎn)量品種,兩者在長江中下游地區(qū)種植面積廣?!浻瘛癁榻昱嘤缕贩N,處于試種階段,產(chǎn)量暫不穩(wěn)定,種植面積小,但具有口感軟糯的食味特性?!吹?號(hào)’通常作為普通大米產(chǎn)品的主要加工原料,而‘南粳5055’和‘軟玉’為優(yōu)質(zhì)大米產(chǎn)品的主要加工原料。本次選用的3種粳稻是長江中下游地區(qū)在種植供給和需求消費(fèi)上具有一定代表性的品種。試驗(yàn)材料均為常州常金米業(yè)種植基地2020年種植生產(chǎn)。該基地位于江蘇省常州市新北區(qū)孟河鎮(zhèn)萬綏村,亞熱帶季風(fēng)氣候。在當(dāng)年10月中旬,稻谷穎殼90%以上變黃,籽粒堅(jiān)硬。隨機(jī)在田塊多點(diǎn)用剪刀將帶穗稻谷手工取下并收集,當(dāng)天運(yùn)送至糧食儲(chǔ)運(yùn)國家工程實(shí)驗(yàn)室(稻谷平臺(tái))于防潮墊上攤平自然通風(fēng)。經(jīng)手工脫粒,去除雜質(zhì)及霉粒后,用去離子水進(jìn)行分段加濕,3個(gè)品種稻谷的初始濕基含水率分別為20.10%、15.21%和 17.36%。每段加濕結(jié)束后置于 4℃人工氣候箱中,其間取出搖晃,使水分被均勻吸收,將粳稻調(diào)至25.00%目標(biāo)水分后冷藏備用。
TP-214型分析天平,丹佛儀器(北京)有限公司;PQX-1000A型分段可編程人工氣候箱,寧波東南儀器有限公司;101-34S型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;FW100型高速萬能磨粉機(jī),波通瑞華科學(xué)儀器有限公司;NMI-20 Analyst型核磁共振分析儀,上海紐邁電子科技有限公司;ZXFLASEE U型微焦點(diǎn) X光檢測儀,丹東市中訊科技有限公司;TM-3000型掃描電子顯微鏡,日本日立公司。
1.3.1 樣品準(zhǔn)備 采用電熱鼓風(fēng)干燥箱熱風(fēng)恒溫干燥處理樣品。干燥溫度為60℃,預(yù)熱時(shí)間為20 min。干燥期間將每個(gè)品種樣品進(jìn)行24等分劃分,每份樣品20 g。預(yù)熱結(jié)束后,取其中21份樣品,將單份樣品平鋪于單個(gè)托盤中,置于干燥箱中進(jìn)行薄層干燥。每隔10 min取出3份樣品,分別倒入干燥至恒重的稱量皿中后稱重并記錄。計(jì)算樣品的水分含量,直至3份樣品平均水分含量約為22.00%,混合并密封于自封袋中自然冷卻24 h后進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。采用相同處理方法得到目標(biāo)水分約為20%、18%、15%、12%、10%和8%的樣品。
1.3.2 水分含量測定 參考 GB 5009.3—2016中的方法測定籽粒初始水分含量。
1.3.3 裂紋測定 采用 X射線成像設(shè)備對(duì)粳稻裂紋進(jìn)行測定。該設(shè)備由采集系統(tǒng)和成像系統(tǒng)組成,其中采集系統(tǒng)包括光源、可移動(dòng)載物臺(tái)和信號(hào)接收板,軟件系統(tǒng)為ZXVISPRO V2.0。參考ODEK等[21]的方法,隨機(jī)抽取300粒外觀完整的籽粒樣品,使用X射線成像系統(tǒng)進(jìn)行裂紋率的測定。其中,X射線儀的參數(shù)設(shè)置為:電壓30 kV,電流100 μA,窗寬10712,窗高9919,亮度 5,對(duì)比度 5。參考鄭華東等[22]的方法,根據(jù)X射線圖像中籽粒裂紋程度劃分為4種:完整粒、輕度裂紋粒、中度裂紋粒和重度裂紋粒,如圖1所示。圖中無裂紋的籽粒為完整粒(intact kernel,IK)(圖1-A),單裂紋的籽粒為輕度裂紋粒(slightly fissure kernel,SL-FK)(圖1-B),含雙裂紋的籽粒為中度裂紋粒(moderately fissure kernel,MO-FK)(圖 1-C),含3條及以上裂紋及龜裂紋(即同時(shí)出現(xiàn)橫向裂紋和縱向裂紋)的籽粒為重度裂紋粒(severe fissure kernel,SE-FK)(圖 1-D)。統(tǒng)計(jì)抽樣樣品中輕度、中度和重度裂紋籽粒的比例,分別記為 SL-PFK、MO-PFK和SE-PFK。
圖1 4種裂紋類型的稻谷籽粒X射線成像圖Fig.1 Four types of fissure in paddy rice kernels by X-ray images
1.3.4 稻谷裂紋處的微觀結(jié)構(gòu)成像 采用掃描電鏡對(duì)粳稻籽粒裂紋斷裂面進(jìn)行細(xì)胞和淀粉粒結(jié)構(gòu)的成像觀察。選擇檢測有裂紋的籽粒,手工剝殼并沿裂紋方向輕輕折斷后,放入離子濺射儀噴金室對(duì)斷裂面進(jìn)行噴金,濺射電流為1.5 A,加速電壓為15 kV,時(shí)間 90 s。
1.3.5 水分分布和狀態(tài)的測定 采用核磁共振分析儀測定粳稻籽粒水分分布和狀態(tài)。試驗(yàn)前,先用核磁共振波譜分析軟件中的FID(free induction decay)脈沖序列校準(zhǔn)中心頻率;然后稱?。?.00±0.01)g帶殼的籽粒置于直徑 15 mm 的核磁管中,采用 CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脈沖序列測定樣品的橫向弛豫參數(shù),每組5個(gè)平行,取平均值。脈沖序列參數(shù)設(shè)置為:主頻 SF1=19 MHz,采樣頻率 SW=200 kHz,90°硬脈沖射頻脈寬P1=13 μs,180°硬脈沖射頻脈寬P2=25 μs,信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù) TD=300 150,重復(fù)采樣等待時(shí)間TW=1 500 ms,重復(fù)采樣次數(shù)NS=32,回波個(gè)數(shù)NECH=7 500。測定結(jié)束后將水分含量與單位質(zhì)量籽粒信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行線性擬合。使用CONTIN算法對(duì)核磁數(shù)據(jù)進(jìn)行反演得到橫向弛豫時(shí)間和峰面積。由于稻谷中的脂肪含量極低,僅2%—3%,信號(hào)非常弱,此處未作探討[11]。
用微軟Office 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖形繪制。使用 SPSS 24.0進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)和 Pearson相關(guān)性檢驗(yàn),均值采用最小顯著性差異法(LSD)和鄧肯分析(Duncan)進(jìn)行多重比較(P<0.05)。
由圖2可知,水分解吸導(dǎo)致3種粳稻的裂紋率總體呈現(xiàn)上升的趨勢?!浻瘛▓D2-A)裂紋率從14.67%上升至 89.67%,水分含量在 14.96%—25.16%的籽粒裂紋率較少且變化不明顯,裂紋率僅增加了 9.66%,水分含量在11.94%—14.96%的籽粒裂紋率差異巨大,總增加量為 55.67%。由于 11.49%的‘軟玉’籽粒裂紋率已高達(dá)80.00%,因此當(dāng)水分含量低于11.94%后,籽粒的裂紋率變化明顯減小?!吹?號(hào)’(圖2-B)的裂紋率變化情況與‘軟玉’不同,高水 分的籽粒裂紋差異十分明顯,在水分含量為19.78%時(shí),其裂紋率就已高達(dá) 41.67%;而水分含量在 15.21%— 19.78%的籽粒裂紋率基本沒有變化,且穩(wěn)定在45.00%以下;水分含量低于 15.21%后,裂紋率大量增加至80.00%后趨于穩(wěn)定。高水分的‘南粳5055’(圖2-C)籽粒裂紋率維持在 25.00%以下,當(dāng)水分含量低于17.84%后,裂紋率隨水分的解吸而明顯增加。表明不同品種粳稻籽粒水分解吸過程中裂紋率的變化存在差異。
圖2 粳稻籽粒水分解吸過程中裂紋變化Fig.2 Changes of fissure in paddy rice kernels during moisture desorption
由圖2樣品裂紋程度可知,低水分粳稻籽粒不僅裂紋率高于高水分的籽粒,其中度、重度裂紋比例也比高水分籽粒要高。高水分裂紋粒幾乎不含重度裂紋粒,且中度裂紋粒的比例也極少。中度裂紋率和重度裂紋率隨著水分解吸開始明顯增加,特別是當(dāng)籽粒的總裂紋率大于40.00%后,中度裂紋粒和重度裂紋粒的占比明顯增加?!浻瘛吹?號(hào)’和‘南粳5055’籽粒的輕度裂紋粒比例分別從14.67%、8.67%和8.33%上升至50.67%、52.67%和50.33%?!浻瘛吹?號(hào)’和‘南粳5055’籽粒的中度裂紋粒比例從0.00%分別上升至18.00%、14.67%和18.00%?!吹?號(hào)’重度裂紋粒比例一直增加,從0.00%上升至21.67%;而‘軟玉’和‘南粳5055’重度裂紋粒比例在水分含量為10.00%左右時(shí)達(dá)到最大值,隨后有所下降。‘軟玉’和‘南粳5055’在含水率為8%左右時(shí),其中度裂紋率和重度裂紋率下降而輕度裂紋率上升。這可能是由于單次X射線成像僅得到某一角度的二維成像,部分裂紋的輕重程度無法被正確劃分所造成。如果調(diào)整籽粒放置,進(jìn)行多次成像并觀察,則可以降低這種隨機(jī)誤差。
由于3種粳稻水分解吸過程中的裂紋變化規(guī)律較為一致,因此選擇其中一個(gè)品種進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)研究。圖3為放大60倍的‘南粳5055’裂紋處細(xì)胞結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像。由圖可知,在水分解吸過程中,細(xì)胞間界面和細(xì)胞斷裂面差異明顯。在裂紋斷裂面存在兩個(gè)典型的區(qū)域:一個(gè)是較為“粗糙”的淀粉間斷裂面,另一個(gè)則是較為“平滑”的細(xì)胞間斷面。隨著水分含量的降低,淀粉間斷裂面的比例減小,細(xì)胞間斷裂面的比例增加。因此,呈現(xiàn)出裂紋處斷裂面變光滑的趨勢,且由淀粉間斷裂面主導(dǎo)變?yōu)榧?xì)胞間斷裂面主導(dǎo),此結(jié)果和ZHANG等[2]報(bào)道結(jié)果十分相似。圖4為放大2 000倍的‘南粳5055’籽粒裂紋斷裂面淀粉粒結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像,不同水分含量的粳稻籽粒裂紋在淀粉粒層次上差異明顯。籽粒的橫斷面微觀結(jié)構(gòu)主要由單粒淀粉粒、復(fù)合淀粉粒、脂肪滴和蛋白膜等結(jié)構(gòu)組成。籽粒在水分解吸過程中裂紋斷裂面的單粒淀粉粒數(shù)量增加,復(fù)合淀粉粒內(nèi)部出現(xiàn)間隙,這些間隙逐漸增加,并最終導(dǎo)致復(fù)合淀粉粒崩解成單粒淀粉粒。
圖3 ‘南粳5055’籽粒水分解吸過程中裂紋處細(xì)胞層次微觀結(jié)構(gòu)Fig.3 Microstructure of fissure in Nanjing 5055 during moisture desorption at the cell level
圖4 ‘南粳5055’籽粒水分解吸過程中裂紋處淀粉粒層次微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructure of fissure in Nanjing 5055 during moisture desorption at the starch granule level
將‘軟玉’‘淮稻5號(hào)’和‘南粳5055’單位質(zhì)量樣品的初始橫向弛豫強(qiáng)度分別與水分含量進(jìn)行線性擬合,決定系數(shù)(R2)分別為0.994、0.995和0.995。表明3品種粳稻籽粒初始橫向弛豫強(qiáng)度和水分含量之間都存在極顯著(P<0.01)的線性關(guān)系。圖5為所有樣品的初始橫向弛豫強(qiáng)度與水分含量的線性擬合 R2為0.992。盡管與單一樣品線性模型的決定系數(shù)相比有所減小,但R2仍大于0.990。因此,可通過初始橫向弛豫信號(hào)強(qiáng)度來準(zhǔn)確地預(yù)測不同品種粳稻籽粒中的含水率。另外,3種粳稻水分分布特征一致,在水分解吸過程中沒有發(fā)生改變。
圖5 單位質(zhì)量粳稻籽粒的初始橫向弛豫強(qiáng)度與水分含量線性擬合Fig.5 Weighed initial transverse relaxation strength for paddy rice kernels as a function of moisture content
稻谷籽粒本身是一種非均相體系,LF-NMR技術(shù)可以利用氫質(zhì)子在磁場中的自旋-弛豫特性,分析食品中的水分分布特征及狀態(tài)的改變[23-25]。通過反演樣品的LF-NMR橫向弛豫信號(hào),得到粳稻籽粒的弛豫強(qiáng)度分布圖(圖6)。反演圖譜都有2個(gè)峰,分別代表2種流動(dòng)性不同的水分,弛豫時(shí)間較短的T21峰(0.1—20 ms)表征籽粒內(nèi)部被淀粉、蛋白質(zhì)等大分子包圍或與其極性基團(tuán)作用緊密的“結(jié)合水”;弛豫時(shí)間較長的T22峰(24—350 ms)表征籽粒的液泡、原生質(zhì)和細(xì)胞間隙中流動(dòng)性最強(qiáng)的“自由水”。當(dāng)水與其他成分結(jié)合緊密或處于較小縫隙時(shí),氫質(zhì)子自由度低,弛豫時(shí)間T2便會(huì)縮短,因此,弛豫時(shí)間為T21的水組分自由度小于弛豫時(shí)間為T22的水組分。
粳稻籽粒水分含量的降低導(dǎo)致橫向弛豫時(shí)間 T21和T22縮短,A21峰斜度增大,A22峰斜度減?。▓D6)。其中,‘軟玉’籽粒的橫向弛豫時(shí)間T21平均由2.42 ms縮短至0.74 ms,橫向弛豫時(shí)間T22平均由138.49 ms縮短至 96.68 ms(表1);‘淮稻 5號(hào)’籽粒的 T21平均由 2.31 ms縮短至 0.66 ms,T22平均由 135.45 ms縮短至 103.08 ms;‘南粳 5055’籽粒的 T21平均由2.36 ms縮短至 0.74 ms,T22平均由 132.41 ms縮短至97.97 ms。由此可知,隨著籽粒水分解吸,含水量降低,籽粒中各狀態(tài)水分整體向左遷移,表明水分解吸使得籽粒內(nèi)氫質(zhì)子自由度降低,水分子的流動(dòng)性顯著減弱(P<0.05)。
圖6 單位質(zhì)量粳稻籽粒水分解吸過程中低場核磁信號(hào)強(qiáng)度與橫向弛豫時(shí)間T2反演圖譜Fig.6 The inversion spectrum of normalization LF-NMR signal intensity for one gram of paddy rice kernels during moisture desorption and transverse relaxation time T2
表1 粳稻籽粒水分解吸過程中的橫向弛豫時(shí)間T2Table 1 Transverse relaxation time T2 for paddy rice kernels during moisture desorption
水分解吸導(dǎo)致籽粒表征“結(jié)合水”含量的 A21峰面積顯著減?。≒<0.05)。其中,‘軟玉’的 P21峰比例平均由94.81%降低至77.72%;‘淮稻5號(hào)’的P21峰比例平均由95.38%降低至77.31%;‘南粳5055’的P21峰比例平均由94.01%降低至77.08%。而表征“自由水”的A22峰面積呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢, 但由于高水分粳稻的 A22峰面積變化差異不顯著(P>0.05),因此,P22峰比例依然隨著水分的解吸而上升。其中,‘軟玉’的P22峰比例平均由5.19%上升至22.26%;‘淮稻5號(hào)’的P22峰比例平均由4.62%上升至22.22%;‘南粳5055’的P22峰比例平均由5.99%上升至22.91%。因?yàn)榈竟茸蚜V械某谠r(shí)間較長的“自由水”流動(dòng)性大于弛豫時(shí)間較短的“結(jié)合水”,所以部分“自由水”在水分解吸過程中揮發(fā)離開籽粒,同時(shí)部分“結(jié)合水”轉(zhuǎn)化為“自由水”??傮w表現(xiàn)為“結(jié)合水”面積和相對(duì)面積比例隨水分解吸過程逐漸減小,而“自由水”的面積有增有減,但相對(duì)面積比例是上升趨勢。因此,在稻谷水分解吸過程中,除了含水量下降,各組分水分流動(dòng)性下降,“結(jié)合水”含 量降低也是水分變化的重要特征。
粳稻品種與其籽粒的重度裂紋率呈顯著相關(guān)(P< 0.05),但與裂紋率、輕度裂紋率及中度裂紋率不相關(guān)(P>0.05),表明品種與重度裂紋有聯(lián)系。水分含量與 T21、T22、A21及 P21呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與P22呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與A22不相關(guān)(P>0.05),表明樣品橫向弛豫時(shí)間 T2隨著水分解吸,水分流動(dòng)性逐漸下降。水分含量與 裂紋率、中度裂紋率和重度裂紋率呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),表明水分解吸使籽??偭鸭y率增加和單顆籽粒中的裂紋數(shù)量顯著增加。T21、T22、A21及 P22與籽粒的裂紋率、輕度裂紋率、中度裂紋率及重度裂紋率均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),P21與裂紋數(shù)據(jù)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。這表明籽粒的橫向弛豫時(shí)間T2與內(nèi)部“結(jié)合水”含量對(duì)裂紋變化有極大的影響。裂紋率和裂紋程度呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)(表2)。
表2 粳稻籽粒裂紋數(shù)據(jù)與橫向弛豫參數(shù)相關(guān)性分析Table 2 The correlation between fissure data and transverse relaxation parameters of paddy rice kernels
袁建等[26]和汪楠等[12]利用 LF-NMR技術(shù)可以準(zhǔn)確地預(yù)測單一品種稻谷的水分含量,而本試驗(yàn)基于 3個(gè)品種粳稻也可以準(zhǔn)確地進(jìn)行水分測量(圖5)。SHAO等[27]使用初始信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)確地預(yù)測小麥含水率,但是同樣模型就不能準(zhǔn)確預(yù)測混有害蟲小麥的含水率,這是由于蟲體與小麥水分分布特征差異巨大造成的。而本試驗(yàn)中3種粳稻可以使用同一預(yù)測模型,說明3種粳稻的水分分布差異較小,具有一致性。另外,雖然水分的解吸導(dǎo)致籽?!敖Y(jié)合水”和“自由水”的橫向弛豫時(shí)間、峰面積及比例變化,但樣品的水分分布特征并沒有發(fā)生改變。因此,基于樣品單位質(zhì)量的初始 橫向弛豫強(qiáng)度,可以通過同一模型準(zhǔn)確預(yù)測3種粳稻的水分含量。另有研究使用LF-NMR技術(shù)同時(shí)測定谷物、油料種子等樣品中的水和脂肪含量[28],這是屬于同一體系的兩類氫質(zhì)子問題。
本研究提出根據(jù)一種 X射線成像的裂紋分類方法,將稻谷按裂紋程度分為4類。根據(jù)該法對(duì)稻谷裂紋程度進(jìn)行分類,有利于深入研究裂紋的發(fā)展變化。COURTIOS等[29]通過統(tǒng)計(jì)分析干燥煮熟大米的可見光圖像。按裂紋數(shù)量分為3類,即有1條和2條裂紋的認(rèn)為軟裂紋粒,3條及以上裂紋的認(rèn)為是硬裂紋粒,非貫穿裂紋或無裂紋的認(rèn)為是無裂紋粒。該分類方法對(duì)于透明的煮熟大米具有可行性,但不適合不透明的帶殼稻谷、糙米和加工大米等樣品。由于X射線能夠進(jìn)行樣品內(nèi)部成像,因此,本分類方法適用于稻谷、糙米和不同加工程度的大米。
隨著粳稻水分降低,裂紋籽粒數(shù)量比例(裂紋率)和籽粒裂紋類型(裂紋程度)與橫向弛豫參數(shù)之間的聯(lián)系被建立。結(jié)果表明,稻谷中水分流動(dòng)性降低,其中弛豫時(shí)間較短的“結(jié)合水”含量降低與裂紋增加同時(shí)發(fā)生,因此,“結(jié)合水”可能與裂紋密切相關(guān),其含量降低導(dǎo)致裂紋數(shù)量的增多。同時(shí)表明,低場核磁技術(shù)也是檢測大米內(nèi)部裂紋程度及其變化的有效間接手段。
由于裂紋被認(rèn)為是稻谷加工產(chǎn)生碎米的主要原因,裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展研究備受關(guān)注。稻谷裂紋產(chǎn)生機(jī)理主要有應(yīng)力理論、“楔壓力”理論、水合作用力和玻璃化轉(zhuǎn)變理論等[6],分別從力學(xué)和溫度的角度闡釋裂紋產(chǎn)生機(jī)理。美國學(xué)者 KUNZE等[30-31]認(rèn)為裂紋形成于稻谷生長后期、收獲、運(yùn)輸、干燥和儲(chǔ)藏等環(huán)節(jié)的吸濕作用。稻谷在田間生長過程從抽穗后第 1天稻谷籽粒的水分含量從 55.34%降至后期的20%左右,而其他淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪等組分逐步增加,特別是淀粉后來成為主要成分[11]。水可視為一種粘合劑,將各組分無間隙的粘合在一起,即白色乳漿狀物。隨著水分的急劇下降,籽粒收縮,稻殼也隨籽粒一起收縮。由于淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪不具備水那樣的流動(dòng)性和粘合性,籽粒內(nèi)部細(xì)胞間、淀粉與淀粉顆粒間等由于水分的失去而出現(xiàn)斷面。因此,推測早期稻谷裂紋產(chǎn)生源于田間生長后期的籽粒失水,即水分解吸作用,而不是吸濕或水分吸附。
通過水分分布變化可知,淀粉粒“粗糙”斷面可能隨著“結(jié)合水”減少發(fā)展成為“光滑”斷面。當(dāng)“光滑”斷面增多,裂紋數(shù)量增加,裂紋類型也從輕度發(fā)展到中度以及重度。因此,推測“粗糙”淀粉間斷面是內(nèi)部結(jié)構(gòu)從完整到裂紋的過渡狀態(tài),而“光滑”細(xì)胞間斷面便是裂紋初期形態(tài)。由于過渡和初期裂紋十分微小,很難被除電鏡外的檢測技術(shù)觀察到。水分繼續(xù)解吸會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞間的斷面不斷增加,從而初期裂紋發(fā)展成為可被觀察到的裂紋。裂紋數(shù)量繼續(xù)增加,裂紋類型從輕度發(fā)展到中度以及重度。由于稻谷籽粒尺寸很小,裂紋處的力學(xué)特征和局部溫度變化難以量化,因此基于力學(xué)和溫度的稻谷裂紋產(chǎn)生理論學(xué)說難以實(shí)證。而低場核磁技術(shù),可量化與稻谷裂紋發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)的水分分布及變化。因此,低場核磁技術(shù)結(jié)合掃描電鏡和 X光成像等微觀、宏觀表征手段,為闡明裂紋產(chǎn)生和發(fā)展機(jī)理提供一種可能性。
當(dāng)然,本研究考慮的因素不夠全面、樣品也較少,具有一定的局限性。如果以此為基礎(chǔ),增加水分解吸溫度梯度、解吸速度、濕度差等考察因素,并擴(kuò)大測試樣品范圍,如其他地區(qū)的粳稻和秈稻等,用以驗(yàn)證稻谷水分解吸過程中“結(jié)合水”轉(zhuǎn)化為“自由水”、籽粒內(nèi)淀粉粒因失去“結(jié)合水”逐步結(jié)構(gòu)崩解,直至斷面發(fā)展成為肉眼可見裂紋的過程,以更好地詮釋稻谷裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展機(jī)理。
本研究提出一種基于X射線成像手段的稻谷裂紋程度分類方法,根據(jù)裂紋數(shù)量和種類,將稻谷分為完整粒、輕度、中度和重度裂紋粒等4種類型。粳稻籽粒水分解吸過程中的含水量、水分流動(dòng)性、“結(jié)合水”含量、裂紋程度和裂紋率之間的關(guān)系十分密切。水分解吸導(dǎo)致稻谷籽粒的裂紋率增加,以及裂紋程度加深。籽粒水分的遷移和轉(zhuǎn)化,特別是“結(jié)合水”下降,是籽粒裂紋發(fā)展變化的重要原因。低場核磁技術(shù),結(jié)合掃描電鏡和X光成像手段,為闡釋生物材料的裂紋產(chǎn)生及發(fā)展變化機(jī)理提供了一種可能性。