利用LF-NMR研究杏鮑菇熱風干燥過程中的水分遷移

周先民

（湖北航天化學技術(shù)研究所，湖北 襄陽 441003）

杏鮑菇為側(cè)耳科側(cè)耳屬真菌，因菌柄組織致密、結(jié)實，肉質(zhì)肥厚，具獨特的杏仁香味和如鮑魚的爽滑口感，且富含蛋白質(zhì)、多糖、多種維生素及礦物質(zhì)，集營養(yǎng)、保健于一體，深受消費者的喜愛。隨著食用菌產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進程的加快，各類食用菌的產(chǎn)量逐年增長，杏鮑菇從初級加工往精深加工的發(fā)展勢在必行。但杏鮑菇水分含量高，后熟性強，極易腐爛變質(zhì)，干制是解決杏鮑菇貯藏和深加工問題的關(guān)鍵手段。目前，杏鮑菇的干制工藝主要有熱風干燥、［1］熱泵干燥、［2］微波真空干燥、［3］真空冷凍干燥、［4］熱風—微波真空聯(lián)合干燥［5］等。其中，熱風干燥因熱空氣與待干燥物料直接接觸面積大、熱源穩(wěn)定、成本低，在農(nóng)產(chǎn)品干燥加工中應(yīng)用廣泛。

物料內(nèi)的水分含量及物料與水分的結(jié)合狀態(tài)是影響干燥效率的重要因素。［6］對物料內(nèi)水分存在狀態(tài)及干燥過程中水分遷移規(guī)律的了解有助于更好地優(yōu)化干燥工藝。［7～9］目前，LF-NMR無損檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域，是研究食品內(nèi)水分存在狀態(tài)的有效手段之一。［10～12］其原理是根據(jù)物料內(nèi)的氫核被一定頻率的射頻脈沖激發(fā)后與交變磁場發(fā)生能量交換，氫核將吸收的能量釋放出來，氫核的弛豫時間T2隨干燥時間和溫度的變化而變化，通過核磁共振T2及相關(guān)信號的檢測間接得知物料內(nèi)部水分分布的信息。［13］本文主要利用LF-NMR無損檢測技術(shù)測定杏鮑菇在熱風干燥過程中隨干燥時間和干燥溫度變化水分遷移的規(guī)律，為杏鮑菇深加工技術(shù)的開發(fā)和利用提供理論參考。

一、材料與方法

（一）材料與儀器

1.材料。杏鮑菇購自襄陽市檀溪湖菜市場，選擇新鮮、菌柄肥厚、乳白色的杏鮑菇。

2.儀器。101-3型電熱鼓風恒溫干燥箱，上海恒幸儀器設(shè)備廠；NMI-20型低場核磁共振儀，上海紐邁電子科技有限公司。

（二）測試方法

1.杏鮑菇熱風干燥試驗。將杏鮑菇的菌柄切成長、寬、厚分別為3 cm×3 cm×3 mm的薄片，干燥箱的溫度先設(shè)置為90℃，將杏鮑菇薄片干燥至含水量為13%（每隔5 min取出稱重），此水分含量視為干燥終止時的既定含水量。再分別在80℃、70℃、60℃和50℃條件下按照90℃時的干燥方式將杏鮑菇干燥至該水分含量。每個溫度梯度設(shè)3個重復(fù)，取平均值。

2.LF-NMR測定杏鮑菇水分遷移規(guī)律。每個溫度梯度下，間隔15 min取出杏鮑菇薄片稱重，再將薄片放入核磁管中置于核磁線圈中利用自由感應(yīng)衰減序列（free induction decay，F(xiàn)ID）尋找中心頻率和硬脈沖脈寬。杏鮑菇橫向弛豫時間T2采用硬脈沖回波CPMG（carr-purcell-meiboom-gill）序列測定，設(shè)置的CPMG序列的主要參數(shù)為：主頻SF=20 MHz，偏移頻率O1=532.733 3 KHz，90°脈沖和180°脈沖時間分別為：P90=4.48 μs，P180=10.8 μs，累加次數(shù)NS=16，回波個數(shù)NECH=10 000。［14］

3.杏鮑菇干燥特性曲線的繪制。干燥期間，每隔5 min測定待測物料的含水率，繪制干基含水率與干燥時間之間的關(guān)系曲線，即為干燥特性曲線。絕對干料的質(zhì)量為Mg（g），物料干燥至t時刻測得的質(zhì)量為Mt（g），物料在t時刻對應(yīng)的干基含水率為Wt（%），Wt計算公式如下：［15］

式中，Mg=M0×（1-W濕），M0Gt為濕物料的起始質(zhì)量（g）；W濕為物料的濕基含水率（%），其測定方法依照GB/T 5009.3-2016《食品安全國家標準食品中水分的測定方法》。［16］

（三）數(shù)據(jù)處理

用Origin8.5軟件進行數(shù)據(jù)處理，利用核磁共振自帶的反演軟件對數(shù)據(jù)進行反演得杏鮑菇橫向弛豫時間（T2）反演圖譜。

二、結(jié)果與分析

（一）干燥溫度對杏鮑菇干燥特性的影響

杏鮑菇在50～90℃條件下的干燥特性曲線見圖1。在干燥初期，杏鮑菇在各溫度下的干基含水率均急劇降低，隨著干燥時間的延續(xù)降速逐漸平緩。50℃條件下干燥時，杏鮑菇的干基含水率隨干燥時間的延長降速最為平緩，其次為60℃和70℃。80℃條件下，干燥特性曲線逐漸變陡，90℃溫度下曲線最陡。干燥特性曲線越陡，干燥達到既定水分（本實驗中樣品的濕基含水率統(tǒng)一設(shè)為13%）時所需要的時間越短，90℃條件下僅需35 min，而在80℃、70℃、60℃和50℃時則分別需要55 min、75 min、90和140 min。可見，溫度越高，樣品的干燥曲線越陡，達到既定干燥水分時所花的時間越短。

圖1 不同溫度下杏鮑菇干基含水率隨干燥時間的變化

（二）不同干燥時間和溫度下杏鮑菇水分的遷移規(guī)律

1.干燥時間對杏鮑菇低場核磁共振反演圖譜的影響。干燥時間對杏鮑菇低場核磁橫向弛豫時間（T2）的影響如圖2所示。實驗過程中，各溫度均間隔15 min進行一次低場核磁圖譜的測定，干燥時間對杏鮑菇低場核磁共振圖譜的影響在各溫度下均有相似的變化趨勢。在杏鮑菇干燥過程中，以60℃條件下每隔15 min測得的低場核磁T2圖譜予以說明。杏鮑菇T2反演后在各時間段均出現(xiàn)3個明顯的波峰，代表杏鮑菇菌柄內(nèi)3種不同狀態(tài)的水：分別標記為T21（0.01-10 ms，結(jié)合水）、T22（10-100 ms，半結(jié)合水）和T23（100-1 000 ms，自由水）。其中，T23橫向弛豫時間最長，水的自由度最大。隨著干燥時間的增加，波峰均向左遷移，自由度最大的自由水降幅最大。表明在干燥過程中，杏鮑菇散失的自由水最多，水分子的自由度和流動性變差，逐漸向半結(jié)合水和結(jié)合水遷移。

圖2 干燥時間對杏鮑菇橫向弛豫時間T2反演圖譜的影響

2.干燥溫度對杏鮑菇低場核磁共振反演圖譜的影響。為了顯示溫度對杏鮑菇低場核磁共振反演圖譜的影響，我們從5個溫度中挑選50℃、70℃和90℃共3個溫度，在這3個溫度下均干燥30 min予以說明（圖3）。各溫度下干燥時均出現(xiàn)3個明顯的波峰，50℃下自由水對應(yīng)的峰值最大（310.707 61），70℃次之（64.446 162），90℃下對應(yīng)的峰值最小（40.986 58）。半結(jié)合水對應(yīng)的峰值有類似的表現(xiàn)，而結(jié)合水對應(yīng)的峰值基本相近。另外，隨著溫度的升高，自由水和半結(jié)合水對應(yīng)的吸收峰逐漸回落。表明溫度升高可加快水分散失，其中自由水散失最為明顯。

圖3 干燥溫度對杏鮑菇橫向弛豫時間T2反演圖譜的影響

3.干燥時間對杏鮑菇低場核磁鋒面積總和的影響。低場核磁鋒面積總和指的是自由水、半結(jié)合水和結(jié)合水所對應(yīng)的三個吸收峰的面積之和。我們從5個溫度中挑選50℃間隔15 min為例說明干燥時間對杏鮑菇低場核磁鋒面積總和的影響（圖4，其他溫度類似）。可見，核磁鋒面積總和與物料內(nèi)的水分含量具有對應(yīng)關(guān)系，隨干燥時間的延續(xù)，核磁鋒面積總和呈顯著降低趨勢，說明干燥時間越長，水分含量越低。

圖4 干燥時間對杏鮑菇LF-NMR鋒面積總和的影響

4.低場核磁共振總信號幅值與杏鮑菇薄片干基含水率相關(guān)性分析。為了分析杏鮑菇LF-NMR總信號幅值與其干燥特性參數(shù)干基含水率之間的相關(guān)性，我們以50℃下干燥165 min為例，對干基含水率和核磁共振檢測出的總峰面積進行擬合（圖5）。擬合后，LF-NMR總峰面積與杏鮑菇的干基含水率之間呈明顯的線性關(guān)系（相關(guān)系數(shù)R2=0.981），得出的線性方程為y=8.213 1x+1 043.1。因此，可以根據(jù)LF-NMR檢測出的信號幅值找出所對應(yīng)的干基含水率，證明在生產(chǎn)實踐中利用LF-NMR進行水分含量的無損檢測是可行的。

圖5 杏鮑菇LF-NMR峰面積總和與其干基含水率之間的相關(guān)性

三、結(jié)論

文章采用LF-NMR探討了杏鮑菇在熱風干燥過程中水分的遷移規(guī)律。結(jié)果表明，T2反演后在各時間段均出現(xiàn)3個明顯的波峰，代表杏鮑菇菌柄內(nèi)3種不同狀態(tài)的水：結(jié)合水、半結(jié)合水和自由水。隨著干燥時間的增加，波峰均向左遷移，自由度最大的自由水降幅最大；隨著溫度的升高，自由水和半結(jié)合水對應(yīng)的吸收峰逐漸回落且向左移動。表明干燥時間的增加和溫度的升高可加快水分的散失，其中自由水的散失最明顯，這與以前的研究結(jié)論相一致。［15，17］而且，隨干燥時間的延續(xù)，核磁鋒面積總和呈顯著降低趨勢，說明干燥時間越長，水分含量越低。另外，杏鮑菇在干燥過程中的干基含水率與其低場核磁總信號面積之間存在顯著的線性關(guān)系，因此，在生產(chǎn)實踐中，可利用LF-NMR對杏鮑菇的水分含量進行無損檢測。