低場核磁共振及成像技術(shù)對海參復(fù)水過程水分狀態(tài)變化的研究

張文杰，薛長湖，叢?；ǎZ 敏，王兆琦

(中國海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266003)

海參(Acaudina molpadioidea)為棘皮動物門(Echinodermata)海參綱(Hothuridea)循手目(Aspidochirota)的軟體動物，全世界約有1000多種，我國海域有100多種，為傳統(tǒng)的滋補(bǔ)佳肴，明代以后收入本草，具有補(bǔ)腎陰、生脈血、壯陽健體、延緩衰老的功效?，F(xiàn)代藥理證明，海參具有抗疲勞、抗凝血、抗腫瘤、調(diào)節(jié)免疫等諸多確鑿功效。由于鮮活海參不易保存，大多被加工成淡干海參、鹽漬海參、鹽干海參、凍干海參、高壓海參、即食海參、海參膠囊、液體海參等［1］。目前國內(nèi)外市場海參制品以干海參為主，約有90%的海參被加工成干制品［2］。干海參要經(jīng)過復(fù)水后才能烹飪食用。在復(fù)水過程中，隨著水分向海參內(nèi)部滲透，水的分布和狀態(tài)變化對海參的物化特性的改變有重要作用。水分按與組織中底物的結(jié)合程度可分為三種類型:結(jié)合水、不易流動水、自由水［3］，結(jié)合水可以表示蛋白質(zhì)分子表面的極性基團(tuán)與水分子緊密結(jié)合的水分子層，不易流動水可能表示存在于肌纖絲、肌原纖維及膜之間的不易流動的水分子，自由水表示存在于細(xì)胞外的間隙中能自由流動的水［4］。低場核磁及成像技術(shù)，作為近年來興起的研究方法，在直接測量水含量，間接測量凍結(jié)水比例、水分活度、玻璃化轉(zhuǎn)變等很多重要物理指標(biāo)和不同成分分布成像研究中顯示出獨特的優(yōu)越性［5］。目前，核磁共振技術(shù)應(yīng)用廣泛，它被用于研究大米復(fù)水過程水分狀態(tài)的變化，揭示了水分進(jìn)入糯米中心所需復(fù)水時間及不同品種大米復(fù)水過程中水分狀態(tài)呈現(xiàn)明顯差異等［6］，李然等［7］應(yīng)用低場核磁研究了綠豆復(fù)水過程，了解了綠豆吸水這一動態(tài)過程，觀測到綠豆內(nèi)部吸水狀況，李偉妮等［8］利用核磁共振研究了冷藏山羊肉品質(zhì)變化，很好地表征了冷藏山羊肉的不同水分含量及分布遷移情況，以用于快速評價山羊肉品質(zhì)、預(yù)測山羊肉冷藏期等。目前人們對干海參復(fù)水的大量研究主要集中于其復(fù)水效果和營養(yǎng)成分的分析方面［2］，而關(guān)于水分分布和狀態(tài)變化對海參物化特性影響的研究很少。本實驗采用低場核磁及成像技術(shù)，對海參水分分布及狀態(tài)變化進(jìn)行研究，為海參加工過程中質(zhì)構(gòu)參數(shù)的變化提供理論依據(jù)。

表1 復(fù)水海參含水率(±S)Table 1Water content of rehydration sea cucumber(±S)

表1 復(fù)水海參含水率(±S)Table 1Water content of rehydration sea cucumber(±S)

P1 P2 P3 Z ZF1 ZF2含水率(%) 70.78±0.25 80.58±0.31 85.42±0.14 88.69±0.2編號1 92.73±0.28 95.66±0.28

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

硫酸銅及純水配制濃度為0.2g/L的水溶液標(biāo)樣;獐子島淡干海參復(fù)水參 在4℃蒸餾水中復(fù)水1d，編號為P1;復(fù)水2d，編號為P2;復(fù)水3d，編號P3;100℃高溫蒸煮1h，編號Z;100℃高溫蒸煮1h后復(fù)水1d，編號 ZF1;100℃ 高溫蒸煮 1h后復(fù)水 2d，編號ZF2。

MiniMR 上海紐邁電子科技有限公司生產(chǎn)，共振頻率 23.309MHz，磁體強(qiáng)度 0.55T，線圈直徑為60mm，磁體溫度為32℃ 。

1.2 實驗方法

1.2.1 海參含水率測量方法 采用新的測定含水率的方法——LF－NMR的信號量定標(biāo)直接測定海參含水率。核磁共振儀的信號來源主要是氫質(zhì)子，氫質(zhì)子越多，說明含水率越高;反之則越低。

使用含油含水率測試軟件，測試參數(shù)如下:P90(us)=15，P180(us)=30.00，TD=67320，SW(kHz)=200，D3(us)=80，TR(ms)=500，RG1=20，RG2=3，NS=16，EchoTime(us)=100，EchoCount=2500。

1.2.2 自旋－自旋弛豫特性分析 將樣品吸干表面的水，置于永久磁場中心位置的射頻線圈的中心，利用 CPMG(Carr－Purcell－Meiboom－Gill)脈沖序列測定樣品的自旋－自旋弛豫時間(T2)［9］。CPMG實驗采用的參數(shù):采樣點數(shù) TD=160160，P90(us)=15，P180(us)=30.00，SW(kHz)=200，D3(us)=70，TR(ms)=1000，RG1=20，RG2=3，NS=4，EchoTime(us)=200，EchoCount=2000，利用核磁共振弛豫時間反演擬合軟件得到T2圖像。

1.2.3 海參低場核磁成像(MRI)方法 采用SE成像序列實驗［10］。通過改變序列參數(shù)TR和TE改變質(zhì)子密度、T1和T2對圖像的影響程度或者加權(quán)權(quán)重。本實驗通過調(diào)整TR和TE來獲得T1加權(quán)成像，實驗參數(shù)設(shè)為:海參選層厚度為 4.9mm，MRI成像:GSliceZ=1，GPhaseY=1，GReadX=1，TR=500ms，TE=20ms，F(xiàn)OV Read=100mm，F(xiàn)OV Phase=100mm，累加8次，K空間大小200×128。

2 結(jié)果與討論

2.1 海參含水率結(jié)果與分析

2.1.1 含水率標(biāo)線 使用含油含水率專用測試軟件對配制的6個含水率標(biāo)注樣品(含水率分別為100%、77.53%、57.85%、38.58%、19.26%、0%)進(jìn)行含水率的定標(biāo)，得到圖1所示的含水率與信號量的標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)曲線，相關(guān)系數(shù)為0.9989，圖中橫坐標(biāo)為含水率，縱坐標(biāo)為信號量。

圖1 含水率標(biāo)線Fig.1 Moisture content standard curve

2.1.2 復(fù)水海參的含水率 由表1可知，同一溫度下，隨著復(fù)水時間的延長，含水率不斷增加。此外，含水率相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.5%，穩(wěn)定性及重復(fù)性較好，復(fù)水海參均體形完整，彈性好。

2.2 海參復(fù)水過程中水分狀態(tài)變化

不同復(fù)水時間的海參H質(zhì)子的弛豫時間分布可以表明在海參膠原蛋白組織結(jié)構(gòu)中存在多個水分群，復(fù)水過程是水分子與海參中的大分子物質(zhì)(如:膠原蛋白)結(jié)合的過程，它伴隨很多復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)。不同復(fù)水時間的海參H質(zhì)子用橫向弛豫時間T2可以表明水分的自由度［11］。弛豫時間越短說明水分與底物結(jié)合越緊密，弛豫時間越長說明水分越自由。應(yīng)用T2擬合軟件分析可得，自由水、不易流動水和結(jié)合水值的大小以及它們所對應(yīng)的質(zhì)子密度。

2.2.1 不同復(fù)水處理的海參T2圖譜 圖2表明，相同溫度下，海參隨著復(fù)水時間(P1～P3及ZF1～ZF2)的延長，自由水含量不斷增大，自由水的峰不斷往右移，流動性增大。

圖2 T2圖譜Fig.2 T2mapping

2.2.2 不同復(fù)水處理的海參質(zhì)子密度變化曲線 T21代表結(jié)合程度最強(qiáng)的那部分結(jié)合水的橫向弛豫時間，T22代表結(jié)合相對較弱的不易流動水的橫向弛豫時間，T23代表以游離狀態(tài)存在的自由水的橫向弛豫時間。

由圖3分析各組分信號量A22、A23變化，表明海參在復(fù)水初期自由水變化較小，外界游離水進(jìn)入海參內(nèi)部大部分轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)水(不易流動水)，不易流動水含量增大;從圖2中峰的右移及圖4中T2總變化可以看出隨著復(fù)水時間延長，海參內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷膨脹，細(xì)胞內(nèi)水分自由度不斷增加，流動性增大，不易流動水逐漸向自由水遷移。

信號量A2i與樣品中組分含量成正比，圖3中，A23在P3處發(fā)生轉(zhuǎn)折，急劇下降，這是海參復(fù)水3d后經(jīng)過100℃高溫處理后的信號量，自由水信號量減小，含量減少;不易流動水在海參復(fù)水1～2d時，含量略有上升，但變化不大，高溫蒸煮后不易流動水減少，隨著復(fù)水時間增加，含量一直處于較低含量水平，這些變化可能是因為高溫處理后膠原纖維網(wǎng)絡(luò)中膠原蛋白發(fā)生變性，緊密聚集，并且產(chǎn)生了劇烈收縮，膠原間的交聯(lián)非常緊密，組織間隙變?。?］，所以自由水含量減少。

圖3 復(fù)水海參水分信號量變化趨勢圖Fig.3 Moisture signal volume trend chart of rehydration sea cucumber

圖4 復(fù)水海參的T2總變化趨勢圖Fig.4 Total transverse relaxation time trend chart of rehydration sea cucumber

2.2.3 不同復(fù)水處理的海參成像實驗結(jié)果與分析 由于海參樣品含水量很大，導(dǎo)致H質(zhì)子信號很強(qiáng)，質(zhì)子密度像中亮度較均一，無法區(qū)分不同相態(tài)的水分，所以不能采用常用的研究水分遷移的成像方法－質(zhì)子密度圖像，而采用T1加權(quán)像。圖5中海參所成的T1加權(quán)像，由于在T1加權(quán)像中，長弛豫的信號受到抑制，所以弛豫時間越短，在圖像中顯示越亮［12］。從圖像中可知，隨著復(fù)水時間的延長，外界游離水不斷進(jìn)入海參內(nèi)部，自由度不斷增大，海參內(nèi)部結(jié)構(gòu)越暗。從T1加權(quán)圖中，也可以看出短弛豫的結(jié)合水多處在海參的表皮及頭部位置，海參體內(nèi)多為長弛豫的自由水。

3 結(jié)論

圖5 復(fù)水海參水分分布圖Fig.5 Moisture distribution diagram of rehydration sea cucumber

運用低場核磁測海參含水率穩(wěn)定性高，重復(fù)性好，且具有無損、快速的優(yōu)點，可實時監(jiān)測不同加工工藝過程的水分變化，所以核磁共振技術(shù)測水分變化具有一定的可行性。復(fù)水和高溫蒸煮改變了海參組織中水分布和水的結(jié)合狀態(tài)。低場核磁成像技術(shù)對復(fù)水過程中的海參進(jìn)行成像，呈現(xiàn)了不同復(fù)水處理的海參組織中水分分布。海參在復(fù)水過程中自由水的組分比例和不易流動水的組分比例的變化有一定規(guī)律，在復(fù)水過程初期，自由水隨復(fù)水時間增長，自由水含量增大，自由度增加，高溫蒸煮處理后，自由水含量明顯下降，但隨著復(fù)水時間增加，含量不斷增加;不易流動水隨復(fù)水時間增加，含量增加，但高溫蒸煮后不易流動水含量下降，隨復(fù)水時間增長，含量幾乎不再增加，一直處于較低水平。

低場核磁技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于無損快速監(jiān)測海參復(fù)水過程中的水分分布及變化，獲得更詳盡的水分信息，為海參的精、深加工提供理論基礎(chǔ)。

［1］譚國福，劉佳仟，吳德剛，等.海參的加工及產(chǎn)品質(zhì)量［J］.食品與藥品，2007，9(10A):69－71.

［2］徐志斌，陳青，勵建榮 .水發(fā)條件對海參(Acaudina molpadioidea)質(zhì)構(gòu)特性及微觀結(jié)構(gòu)的影響研究［J］.食品科學(xué)，2010，31(7):37－41.

［3］Bertram H C，Sune D，Anders H K，et al.Continuous distribution analysis of T2relaxation in meat－an approach in the determination of water－h(huán)olding capacity［J］.Meat Science，2002，60:279－285.

［4］Bertram H C，Andersen H J，Karlsson A H.Comparative study of low－field NMR relaxation measurements and two traditional methods in the determination of water holding capacity of pork［J］.Meat Science，2001，57:125－132.

［5］Hills B P.Applications of low－field NMR to food science［R］.Annual Reports on NMR Spectroscopy，2006，58:177－230.

［6］余瑞鑫，顧振宇，韓劍眾.大米浸泡過程水分狀態(tài)變化的低場核磁共振研究［J］.食品工業(yè)，2010(1):12－15.

［7］李然，李振川，陳姍姍，等.應(yīng)用低場核磁共振研究綠豆浸泡過程［J］.食品科學(xué)，2009，30(15):137－141.

［8］李偉妮，韓劍眾.冷藏山羊肉品質(zhì)變化的核磁共振研究［J］.食品工業(yè)科技，2010，31(1):125－127.

［9］熊國欣，李立本.核磁共振成像原理［M］.北京:科學(xué)出版社，2007:111－118.

［10］王娜，陳衛(wèi)江，林向陽，等.核磁共振及成像技術(shù)中的基本序列在食品中的應(yīng)用［J］.農(nóng)產(chǎn)品加工，2006(6):11－14.

［11］Chaland B，Mariette F，Marchal P，et al.1H nuclear magnetic resonance relaxometric characterization of fat and water states in soft and hard cheese［J］.Journal of Dairy Research，2000，67(4):609－618.

［12］韓鴻賓.臨床磁共振成像序列設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京:北京大學(xué)醫(yī)學(xué)出版社，2003:50－56.