低場核磁共振技術(shù)在稻谷水分測定中的應(yīng)用

鮑春輝，徐 杰，劉 哲

（1.豐益（上海）生物技術(shù)研發(fā)中心有限公司，上海 200137；2.吉林大學(xué)，吉林 長春 130022）

0 前言

水分指物質(zhì)中所含水的質(zhì)量與總質(zhì)量的比值，通常表示為百分數(shù)，常用于物料的化驗指標，為生產(chǎn)、處理等提供依據(jù)[1]。稻谷在收購、儲存、加工和銷售等環(huán)節(jié)中，水分指標具有重要意義，尤其是出入庫作業(yè)中糧食的水分直接關(guān)系到糧食增扣量，準確的水分檢測可以實現(xiàn)公平、公正交易，保證買賣雙方的權(quán)益[2-5]。

國家糧食和物資儲備局于2021 年11 月13 日發(fā)布《關(guān)于印發(fā)優(yōu)質(zhì)糧食工程“六大提升”行動方案的通知》，其中“糧食綠色倉儲提升行動方案”“糧食品質(zhì)品牌提升行動方案”“糧食節(jié)約減損健康消費提升行動方案”均與糧食水分密切相關(guān)。準確的水分測定能夠?qū)崿F(xiàn)稻谷在合適的時期收獲以減少隱性損失，保證糧食儲藏過程中的安全水分范圍，同時還能夠保持大米良好的食味品質(zhì)[6]。

然而現(xiàn)階段稻谷含水量有多種測試方法，其存在效率與精度的矛盾，對收割階段的“高水分”糧食尤為突出。不同水分測試方法的優(yōu)缺點[7-13]如表1所示。

表1 不同水分測試方法的優(yōu)缺點

續(xù)表

低場核磁共振技術(shù)上世紀70 年代最早應(yīng)用于油井勘測，目前應(yīng)用范圍遍布能源、材料、食品、生命科學(xué)等領(lǐng)域[33]，在我國食品、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用尤其廣泛，從國家標準的油料種子含油率、水分的測定及固體脂肪含量SFC 的測定，再到農(nóng)產(chǎn)品、果蔬、畜肉、海產(chǎn)品、乳制品等，低場核磁共振技術(shù)都有涉及。與表1 所示水分測試方法相比，低場核磁共振法作為新興的種子水分檢測方法，具有簡便、快速、無損等優(yōu)點，還可實現(xiàn)單粒種子成像，在得到單粒種子水分的同時，直接顯示水分分布情況[14-22]。張垚等[23]利用低場核磁共振實現(xiàn)對玉米單子粒水分的快速、準確、無損檢測。基于相關(guān)方法，結(jié)合玉米子粒灌漿不同時期，可在果穗發(fā)育至成熟收獲期對單子粒進行選擇，也可在籽粒播種前了解分離后代籽粒水分情況，從而為快速脫水種子的選育提供直接證據(jù)，克服傳統(tǒng)育種的盲目性。

對于高水分稻谷籽粒來說，尤其是水分超過28%時，若利用粉碎烘箱法測定，在粉碎過程中破壞了籽粒原有的結(jié)構(gòu)，同時粉碎物殘留附著在機器內(nèi)部，水分損失較大，測定水分誤差偏高。低場核磁共振法能夠在不破壞樣品的條件下進行水分測定，且精確度高，適合作為稻谷收割實驗、原糧驗收、原糧儲藏過程中的水分檢測手段[24-26]。

為開發(fā)低場核磁共振技術(shù)在稻谷水分測定中的應(yīng)用，本文首先建立并驗證了低場核磁測定稻谷水分標準曲線，其次對稻谷真值水分進行探索，包括整粒方式和不同粉碎方式、立式粉碎時間、整粒烘干時間對水分測定的影響。稻谷真值水分的探索也為低場核磁共振技術(shù)更加合理準確的水分測定和驗證提供指導(dǎo)，利于后期進一步的開發(fā)應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗用的稻谷均為2021 年秋季收獲的稻谷。產(chǎn)地、品種和試驗期間分別為：黑龍江省佳木斯市燎原鄉(xiāng)種植的新峰6 號香和龍粳40，試驗期間為8 月25日至10 月12 日；吉林省吉林市烏拉街鎮(zhèn)種植的吉宏6 號和超級稻，試驗期間為9 月8 日至10 月27 日；遼寧省盤錦市太平鄉(xiāng)種植的鹽豐和橋育，試驗期間為9 月15 日至10 月30 日。

1.2 儀器與設(shè)備

本實驗選用的儀器設(shè)備有：低場核磁共振分析儀PQ001-20-025V（蘇州紐邁分析儀器股份有限公司）；臥式粉碎機JFSD-100-II（上海嘉定糧油儀器有限公司）；美的WBL2521H 料理機；得力DL5002 鐵錘；鋁盒；DHG-9240A 烘箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；梅特勒-托利多分析天平；比克曼生物科技有限公司干燥器。

1.3 測試方法

1.3.1 水分測定

水分測定采用烘箱法和低場核磁法，具體方法如下：

烘箱法：參照GB 5009.3—2016 食品安全國家標準 食品中水分的測定[27]。

低場核磁法：準確稱取整粒稻谷樣品5.0±0.1 g置于潔凈低場核磁試管中，用橡膠塞塞緊管口，然后放入低場核磁儀器中進行測試；采樣參數(shù)：低場核磁共振種子含有水分測量軟件，SE 序列，SW=200 KHz，TW=1 000 ms，RFD=0.02 ms，DRG1=3，RG1=10，PRG=3，時延=0.1，TE=100 ms，NS=8。

1.3.2 樣品粉碎

采用3 種粉碎方式進行粉碎，分別為臥式粉碎、立式粉碎、錘碎，具體操作如下：

臥式粉碎：取20 g 稻谷樣品，使用臥式粉碎機粉碎1 min，關(guān)閉電源。迅速將樣品盒取出，樣品收集于自封袋中并攪拌均勻。

立式粉碎：取25 g 稻谷樣品，使用料理機粉碎40 s，注意粉碎10 s 后停20 s，防止過熱，粉碎過程中同時注意搖晃均勻，粉碎結(jié)束關(guān)閉電源，迅速取出樣品收集于自封袋中混合均勻。

錘碎：取20 g 稻谷樣品，將樣品置于鋁蓋上，每次放1 粒稻谷，每粒稻谷錘1 次，錘后破碎程度為稻谷整體扁平并有淀粉漏出，每錘完1 粒立即置于自封袋保存。錘完20 g 稻谷樣品后，將收集于自封袋中的所有稻谷樣品混合均勻。

1.3.3 定時定溫水分測定

在GB 5009.3—2016 食品安全國家標準 食品中水分的測定的基礎(chǔ)上進行修改，水分烘干過程中不取出樣品，固定烘干時間，一次性取出稱重，按照國標方法進行水分計算。

1.3.4 低場核磁水分標準曲線建立

挑選新鮮飽滿高水分稻谷顆粒100 g 左右（去掉青粒、癟谷和秸稈），混合均勻，并分成5 份，每份20 g 左右，編號1～5#；將2～5#樣品放入105 ℃烘箱中干燥不同時間，然后取出樣品，放入干燥器中冷卻30 min，制備出不同水分的稻谷定標樣品。分別取1～5#樣品5.0±0.1 g 放入低場核磁儀器中進行低場核磁信號采集。將剩余樣品按照GB 5009.3—2016 食品安全國家標準 食品中水分的測定測定其水分，將標樣烘箱法水分與其低場核磁信號進行線性擬合，得到稻谷低場核磁水分標準曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 低場核磁法測定稻谷水分

低場核磁法測定稻谷水分，首先需要建立稻谷水分標準曲線，然后對標準曲線進行驗證，標準曲線建立良好，可用于測定稻谷水分。

2.1.1 低場核磁標準曲線建立結(jié)果

稻谷整粒和粉碎后稻谷樣品使用烘箱法測定初始水分，并進行低場核磁信號掃描，收集低場核磁信號。將剩余樣品分4 份，分別烘干不同時間，烘箱法測定水分，并收集低場核磁信號。顆粒和粉碎后稻谷各5 個樣品，將水重量與低場核磁信號強度對應(yīng)起來，建立低場核磁測定水分標準曲線，如圖1所示。

圖1 低場核磁測定水分標準曲線

由圖1 得到擬合方程y=15 418x+517.62，R2=0.995 9，標線線性度＞0.99，說明稻谷水分與其低場核磁信號強度高度相關(guān)，該標線可用。

2.1.2 低場核磁標準曲線驗證結(jié)果分析

表2 和表3 為低場核磁標準曲線驗證結(jié)果，選擇2 個品種新峰6 號香和龍粳40 樣品對標準曲線進行驗證，低水分稻谷驗證結(jié)果：低場核磁測定與國標法測定結(jié)果差值在0.2%以內(nèi)，因此低場核磁測定水分標準曲線建立結(jié)果良好，準確度和國標法接近，可用于測定低水分稻谷樣品。高水分稻谷驗證結(jié)果中有2 組樣品低場核磁測定與國標法測定結(jié)果差值超過0.2%，其余7 組測定結(jié)果差值在0.2%以內(nèi)。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)2 組異常結(jié)果稻谷，水分測定當天溫度較低，超過儀器理想工作溫度范圍。溫度降低會改變弛豫時間，同時會使信號量增大，導(dǎo)致測定結(jié)果偏差增大。因此可得出在儀器理想工作環(huán)境溫度范圍內(nèi)，低場核磁測定水分標準曲線建立結(jié)果良好，可用于測定稻谷樣品水分。從標準差角度分析，低場核磁法水分標準差略大于國標法，推測樣品的均勻性對測定結(jié)果的誤差影響較大。

表2 低場核磁標準曲線高水分稻谷驗證結(jié)果

表3 低場核磁標準曲線低水分稻谷驗證結(jié)果

續(xù)表

2.2 稻谷真值水分探索

在以上低場核磁測定水分過程中發(fā)現(xiàn)，國標法測定水分，2 次恒重后水分仍會下降，若延長恒重的間隔時間，2 次測定重量差值會超過2 mg，烘干終點很難判斷。因此推測國標法測定的水分并不是樣品水分的真值，國標法中粉碎方式、粉碎時間、烘干時間等方法均未統(tǒng)一。本文同時研究了稻谷整粒方式和不同粉碎方式對水分測定的影響和立式粉碎時間、整粒烘干時間對水分測定的影響，以期對稻谷真值水分進行探索，也為低場核磁共振技術(shù)更加合理準確的水分測定和驗證提供指導(dǎo)，利于后期進一步的開發(fā)應(yīng)用。

2.2.1 稻谷整粒方式和不同粉碎方式對水分測定的影響

選擇鹽豐、橋育、稻花香、超級稻、吉宏、新峰6 號香、龍粳40 樣品進行整粒方式和不同粉碎方式對水分測定的影響，因為有高水分樣品，選擇固定烘干時間為24 h，其余操作同國標法。同時對比1.3.4建立的低場核磁水分測定標準曲線結(jié)果。

表4 為7 種稻谷顆粒和3 種不同粉碎方式對水分測定影響的結(jié)果，從表4 中可以看出，使用國標法測定水分，立式粉碎方式下稻谷水分最高，臥式粉碎方式次之，整粒方式再次之，錘碎方式最低，符合這個規(guī)律的樣品為1#鹽豐、7#稻花香、12#龍粳40、13#吉宏、11#龍粳40 ；國標法測定水分，立式粉碎方式下最高，臥式粉碎方式次之，錘碎方式再次之，整粒方式最低的樣品為2#橋育、3#鹽豐、4#橋育、5#稻花香、6#稻花香、8#稻花香、9#稻花香、10#新峰6 號香、14#超級稻。綜上可以看出國標法測定水分，立式粉碎方式下樣品水分最高，臥式粉碎方式樣品水分次之，錘碎和整粒方式樣品水分交替最低，可能原因是立式粉碎方式粉碎效率高，容易取樣，取樣的完整性也較高，水分散失少；臥式粉碎方式機器有篩網(wǎng)，靠擠壓摩擦粉碎，不容易取樣，部分稻殼吸水粘在機器壁上，達到所需測定的樣品量需要一定時間，水分散失相對多；錘碎是樣品處理過程中耗時最長的粉碎方式，樣品水分過高會錘出水，造成水分直接散失，同時錘碎方式的樣品顆粒較立式粉碎方式、臥式粉碎方式樣品大，可能存在未完全烘干問題；整粒是樣品無損狀態(tài)，不存在粉碎過程中水分散失，理論上測定結(jié)果應(yīng)該是水分最高，而實際測定結(jié)果是水分偏低，可能原因為稻谷整粒顆粒大，105 ℃烘干24 h 仍不能完全烘干[28]。

表4 稻谷顆粒和不同粉碎方式水分測定結(jié)果

續(xù)表

為探究整粒方式和不同粉碎方式對水分測定的影響，選擇龍粳40 樣品對其進行低場核磁掃描，圖2 為顆粒和不同粉碎方式稻谷T2圖譜結(jié)果，圖3 為顆粒和不同粉碎方式稻谷結(jié)合水與自由水信號幅值。

圖2 顆粒和不同粉碎方式稻谷T2 圖譜

圖3 顆粒和不同粉碎方式稻谷結(jié)合水與自由水

對圖2 和圖3 結(jié)果進行分析，可以看出與整粒樣品比較粉碎樣品改變了結(jié)合水出峰時間、改變了自由水和結(jié)合水的比例，使部分結(jié)合水升高，自由水降低。臥式粉碎對樣品內(nèi)部結(jié)合水和自由水含量改變最大，立式粉碎次之，錘碎方式最低。推測原因為錘碎方式樣品顆粒大，狀態(tài)與整粒樣品更為接近，結(jié)合水與自由水比例更接近。

2.2.2 立式粉碎時間

立式粉碎效率較高，同時國標法測定水分立式粉碎方式樣品水分最高，因此立式粉碎方式適合作為樣品測定水分前處理手段。由于立式粉碎方式仍有水分散失，因此又進行了立式粉碎時間對水分測定影響研究。國標法測定不同立式粉碎時間的稻谷樣品水分，結(jié)果見圖4。

圖4 不同立式粉碎時間稻谷樣品水分

由圖4 可以看出，在立式粉碎150 s 以內(nèi)，隨著粉碎時間增加，樣品測得水分增加，在200 s 時樣品水分測得值下降?？赡茉驗殡S著粉碎時間增加樣品顆粒度變細，容易烘出水分，隨著粉碎時間的進一步增加，粉碎樣品溫度上升、水分散失增加。

對立式粉碎不同時間樣品進行低場核磁掃描，立式粉碎不同時間樣品T2圖譜見圖5，立式粉碎不同時間樣品結(jié)合水與自由水含量見圖6。圖5 和圖6可以看出立式粉碎樣品較整粒樣品結(jié)合水出峰時間增加，不同立式粉碎時間樣品結(jié)合水出峰時間一致。隨著粉碎時間增加，結(jié)合水含量先增加后降低，自由水含量逐漸降低[29]。

圖5 不同立式粉碎時間樣品T2 圖譜

圖6 不同立式粉碎時間樣品結(jié)合水與自由水含量

2.2.3 烘干時間對水分測定的影響

在研究整粒方式和不同粉碎方式對水分測定的影響過程中，發(fā)現(xiàn)整粒稻谷水分較臥式粉碎方式和立式粉碎方式樣品水分低，推測原因為整粒樣品未完全烘干，而整粒稻谷為無損狀態(tài)，可以認為沒有水分散失，整粒稻谷水分為理論上的稻谷水分真值。為得到稻谷水分真值，需要先確定樣品烘干所需時間，進行了105 ℃不同烘干時間實驗，分別在22、42、66、93 h 測定水分。在樣品選擇方面，除選擇鹽豐、橋育2 個品種稻谷外，還增加了脫殼小米做為對比。脫殼小米體積小，烘干過程中內(nèi)部水分擴散出來的距離小，容易達到烘干狀態(tài)。在粉碎方式方面，由于錘碎水分散失過多，且樣品處理耗時，此部分僅研究整粒方式和立式粉碎方式、臥式粉碎方式下不同烘干時間樣品水分。由于小米樣品過小，會直接通過臥式粉碎篩，無法進行粉碎，不再研究臥式粉碎方式小米樣品水分。不同烘干時間樣品水分測定結(jié)果見圖7 和圖8。

圖7 不同烘干時間樣品水分含量

圖8 不同烘干時間脫殼小米水分含量

由圖7 和圖8 發(fā)現(xiàn)，稻谷立式粉碎方式樣品測得水分最高，整粒樣品水分仍低于2 種粉碎方式的樣品水分，而脫殼小米在93 h 時整粒樣品水分超過立式粉碎樣品水分，推測稻谷樣品仍未烘干[30-31]。而烘干93 h 情況下，稻谷樣品中揮發(fā)性油脂會部分揮發(fā)出來[32]，同時可能會有部分結(jié)構(gòu)水散失，此時測定的水分不僅僅是水分本身，但仍未找到整粒稻谷樣品水分高于粉碎樣品的烘干時間。因此單純依靠烘干測定減重去測定稻谷樣品水分真值不可行，需要借助多種分析手段去確定水分真值。

3 結(jié)語

低場核磁可用于測定稻谷中的水分，具有快速、準確、無損樣品的特點，但低場核磁儀器要求的環(huán)境溫度范圍較窄，為19～25 ℃，后期若適用于更多的測試場景，可增加溫度校正因子，同時能夠遠程自動校正低場核磁水分標準曲線，保證水分測定的準確性。

目前試驗中測定的品種均為非糯性粳米，不同亞種的秈米及具有糯性的大米是否適用于現(xiàn)有標準曲線，還未驗證。若不適用，可根據(jù)對應(yīng)的低場核磁信號重新建立低場核磁水分標準曲線。

此外，本研究嘗試了稻谷真值水分的探索，烘箱法用于測定水分，實際屬于較為粗獷的方法，目前僅靠烘干稱重方法很難確定水分烘干的終點，后期可借助多種檢測手段并結(jié)合蛋白、脂質(zhì)等成分的特點探索稻谷真值水分的測定，為低場核磁共振技術(shù)更加合理準確的水分測定和驗證提供支持，利于后期進一步的開發(fā)應(yīng)用以更大程度發(fā)揮低場核磁精確度高的優(yōu)點。目前階段使用國標法測定水分，建立低場核磁對應(yīng)標準曲線，同樣具有推廣價值，這也是低場核磁應(yīng)用在稻谷水分測定中切實可行的第一步。