食用菌恒溫干燥過(guò)程中MRI成像及水分遷移變化

石芳，肖星凝，李瑤，楊雅軒，郭曉暉，吳素蕊，明建,3*

1(西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶,400715)2(中華全國(guó)供銷(xiāo)合作總社昆明食用菌研究所，云南 昆明, 650223) 3(重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶,400715)

食用菌恒溫干燥過(guò)程中MRI成像及水分遷移變化

石芳1，肖星凝1，李瑤1，楊雅軒1，郭曉暉1，吳素蕊2，明建1,3*

1(西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶,400715)2(中華全國(guó)供銷(xiāo)合作總社昆明食用菌研究所，云南 昆明, 650223) 3(重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶,400715)

利用低場(chǎng)核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance, LF-NMR)技術(shù)研究了7種食用菌(茶樹(shù)菇、杏鮑菇、金針菇、雙孢蘑菇、蟹味菇、香菇、花菇)在恒溫干燥過(guò)程中內(nèi)部水分分布和遷移規(guī)律。自旋-自旋弛豫測(cè)定結(jié)果顯示，食用菌中主要存在3種組成水：自由水、不易流動(dòng)水和結(jié)合水，干燥主要脫除了自由水和不易流動(dòng)水，結(jié)合水無(wú)明顯變化。通過(guò)核磁共振成像(nuclear magnetic resonance imaging, MRI)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，7種食用菌內(nèi)部水分分布都不均勻，且不同食用菌水在同一階段水分流失速度不盡相同。LF-NMR技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了食用菌干燥過(guò)程中內(nèi)部水分的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，為食用菌干燥工藝提供了理論依據(jù)。

食用菌；低場(chǎng)核磁共振；核磁共振成像；水分遷移；干燥

食用菌是指可供人們食用的多種真菌的統(tǒng)稱(chēng)，含有豐富的蛋白質(zhì)，維生素，和礦物質(zhì)等，不僅味道鮮美，還具有抗腫瘤、抗氧化、降血脂、增強(qiáng)免疫等[1-6]生理功能，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織指出21世紀(jì)最為合理均衡的膳食結(jié)構(gòu)為一葷一素一菌，可見(jiàn)食用菌具有極大的市場(chǎng)前景。中國(guó)是食用菌生產(chǎn)大國(guó)，占全球產(chǎn)量比例超過(guò)70%，其中蘑菇、金針菇、黑木耳等產(chǎn)品的產(chǎn)量均居世界第一位[7]。近年來(lái)我國(guó)食用菌一直處于出口霸主地位[8]。但是新鮮食用菌含水量在70%～95%之間[9]。常溫下不耐貯存，易腐敗變質(zhì)，嚴(yán)重阻礙了食用菌的銷(xiāo)售，降低其商業(yè)價(jià)值[10]。干燥是有效控制水分，延長(zhǎng)食用菌貨架期的重要手段。目前，熱風(fēng)干燥是食用菌最常用的干燥工藝[11]，具有操作性強(qiáng)，成本低等優(yōu)點(diǎn)。但干燥是一種高能耗的操作，我國(guó)干燥操作的能耗占總能耗的10%，且溫度過(guò)高易導(dǎo)致物料表面硬化，感官品質(zhì)降低。因此，需要選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄑ芯扛稍镞^(guò)程中物料理化性質(zhì)的變化規(guī)律，如水分的分布、轉(zhuǎn)移與干燥條件的關(guān)系，進(jìn)而調(diào)整干燥過(guò)程中相關(guān)的工藝參數(shù)，提高食用菌干制品品質(zhì)。

核磁共振是利用磁性原子核在外加磁場(chǎng)中吸收射頻脈沖能量，在相鄰能級(jí)發(fā)生躍遷，產(chǎn)生共振，從而捕捉信號(hào)并加以分析檢測(cè)的一種新興技術(shù)[12]。通過(guò)低場(chǎng)核磁共振中弛豫時(shí)間T2的變化從而分析水分子的存在狀態(tài)及遷移規(guī)律[13-14]，同時(shí)利用核磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)可以直觀(guān)的了解物料內(nèi)部水分分布情況，觀(guān)察物料內(nèi)部水分廓線(xiàn)特征和變化規(guī)律[15]。核磁共振技術(shù)因具有測(cè)量迅速、準(zhǔn)確、無(wú)損樣品、多角度獲取信息等[16]優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到食品領(lǐng)域?qū)W者的重視，目前，NMR技術(shù)已成功用于肉類(lèi)的反復(fù)凍融過(guò)程[17-18]，果蔬貯藏過(guò)程[19-20]，肉類(lèi)[21-22]、谷物[23-24]、果蔬[25-26]、奶酪[27]等干燥過(guò)程中水分存在形式、分布及變化規(guī)律的研究。但將LF-NMR技術(shù)應(yīng)用于食用菌干燥過(guò)程的研究還少有報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)利用低場(chǎng)核磁共振CPMG序列得到弛豫時(shí)間及相應(yīng)的質(zhì)子密度，分析了7種常見(jiàn)食用菌(茶樹(shù)菇、杏鮑菇、金針菇、雙孢蘑菇、蟹味菇、香菇、花菇)在干燥過(guò)程中水分的分布及遷移規(guī)律，為準(zhǔn)確掌握恒溫干燥過(guò)程中食用菌內(nèi)部水分傳遞提提供了可能，以期為指導(dǎo)食用菌干燥工藝以及實(shí)際生產(chǎn)控制提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1材料

茶樹(shù)菇、杏鮑菇、金針菇、雙孢蘑菇、蟹味菇、香菇及花菇，購(gòu)于農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。要求新鮮、無(wú)損傷。

1.2儀器與設(shè)備

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9140A型),上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；核磁共振成像分析儀(MinniMR-60),上海紐邁電子科技有限公司；電子天平FA2004,上海恒豐科學(xué)儀器有限公司。

1.3方法

1.3.1 樣品處理

選取完整、無(wú)損傷的食用菌(茶樹(shù)菇：15.84 g；杏鮑菇：9.90 g；金針菇：25.35 g；雙孢蘑菇：6.33 g；蟹味菇：11.87 g；香菇：11.75 g；花菇：13.02 g)，除去表面灰塵，放入恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，60℃條件下干燥至水分含量為3%，每2h取樣進(jìn)行T2弛豫時(shí)間和MRI成像檢測(cè)，每種樣品重復(fù)測(cè)定3次。

1.3.2 水分含量的測(cè)定

直接干燥法(GB-5009.3—2010)

1.3.3 干燥過(guò)程中NMR核磁共振測(cè)試

利用CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脈沖序列測(cè)量樣品的T2橫向弛豫時(shí)間，將干燥過(guò)程中的樣品置于磁場(chǎng)中心位置的射頻線(xiàn)圈的中心，利用FID信號(hào)調(diào)節(jié)共振中心頻率，然后進(jìn)行CPMG脈沖序列掃描試驗(yàn)。其中共振頻率為23.309MHz，磁體強(qiáng)度0.55T，線(xiàn)圈直徑為60mm，磁體溫度為32℃。試驗(yàn)參數(shù)為CPMG：P90(us)=15；P180(us)=30；TD=480160；SW(KHz)=200；D3(us)=80；TR(ms)=3000；RG1=20；RG2=3；NS=4；Echo Time(us)=200；Echo Count=6000；掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)束后利用T2Fit軟件擬合出T2值。

1.3.4 干燥過(guò)程中MRI核磁共振成像測(cè)定

當(dāng)干燥樣品進(jìn)行完CPMG序列試驗(yàn)后，立即進(jìn)行MSE成像序列實(shí)驗(yàn)，即質(zhì)子密度成像。樣品置于線(xiàn)圈中央，選取3個(gè)不同層面進(jìn)行成像，成像間距離差為4.8mm，試驗(yàn)參數(shù)為P1=P2=1200；RFA1(%) =4.8；RFA2(%)=9.2；GxOffest=10；GyOffest=50；GzOffest=-100；GSliceY=1；GPhaseX=1；GReadZ=1；RG1=25；DRG1=25；NS=4；RP2CounT=128；D0=2500us；D4=1us；D5=0.5us，圖像大小200×128。利用OsiriS 6.0軟件處理樣品的質(zhì)子密度像。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel軟件，Origin 8.0軟件，OsiriS 6.0軟件，T2Fit軟件分析。

2 結(jié)果與分析

表1列出了7種食用菌最終的水分含量，從表1可以看出，7種食用菌干制品水分含量約為3%，7種食用菌干重差異不顯著，但不同食用菌干燥所需時(shí)間不同，這主要與其本身組織結(jié)構(gòu)相關(guān)。

表1 7種食用菌最終水分含量

2.2不同種類(lèi)食用菌樣品T2弛豫時(shí)間測(cè)定

由圖1可知，除金針菇之外，另外6種食用菌T2弛豫時(shí)間反演圖譜均含有3個(gè)峰，且T2弛豫時(shí)間都集中在0.1 ～1 000 ms之間，分別用T21、T22和T23表示，T21(0.01～10 ms)代表與蛋白質(zhì)等大分子表面極性基團(tuán)緊密結(jié)合的結(jié)合水，T22(10～100 ms)代表食用菌細(xì)胞內(nèi)與膠體相結(jié)合，不能自由運(yùn)動(dòng)的不易流動(dòng)水，T23(100～1 000 ms)代表存在于細(xì)胞毛細(xì)管中易流動(dòng)的自由水。T2分布圖譜上不同峰面積大小代表不同水分的含量，7種食用菌中自由水含量最高，其次是不易流動(dòng)水，結(jié)合水含量最低。伴隨著干燥進(jìn)行，反演譜曲線(xiàn)積分面積減少，波峰位置不斷前移，說(shuō)明樣品中的水分含量減小，自由度高的水分向自由度低的水分遷移，樣品中的水與固質(zhì)的結(jié)合程度增大。這與LU等[28]人關(guān)于不同熱風(fēng)干燥條件下香菇的水分研究結(jié)果一致。

干燥初期階段(0～2 h)，T2弛豫時(shí)間迅速下降，說(shuō)明此階段干燥動(dòng)力主要是干燥溫度，伴隨干燥的進(jìn)行(2～6 h)，干燥速率降低，T2弛豫時(shí)間緩慢減少，此階段干燥的動(dòng)力主要來(lái)源于內(nèi)部水分向外擴(kuò)散的速率。干燥6 h之后，7種食用菌T2弛豫時(shí)間均小于100 ms，說(shuō)明此時(shí)7種食用菌內(nèi)部幾乎沒(méi)有自由水存在，不同水分所占比例也在此階段發(fā)生改變。干燥后期(6～10 h)，干燥速率最慢，T2弛豫時(shí)間小于10 ms，表明樣品內(nèi)僅剩下與細(xì)胞內(nèi)大分子物質(zhì)緊密結(jié)合的結(jié)合水，這部分水通過(guò)化學(xué)鍵，氫鍵等方式與食用菌內(nèi)其他成分，如多糖，蛋白質(zhì)等緊密結(jié)合而難以通過(guò)干燥脫除掉。此時(shí)T2弛豫時(shí)間仍在繼續(xù)減小可能是由于干燥過(guò)程中部分不易流動(dòng)水向結(jié)合水遷移導(dǎo)致。

圖1 恒溫干燥過(guò)程中食用菌T2弛豫時(shí)間反演譜Fig.1 Inversion spectrum of transverse relaxation time for different edible fungi during constant temperature drying

2.3干燥過(guò)程中T21，T22，T23變化

圖2為利用低場(chǎng)核磁共振對(duì)7種食用菌在恒溫干燥過(guò)程中T21，T22，T23的對(duì)比，其目的在于比較相同干燥階段，不同種類(lèi)食用菌之間水分的差異?？傮w來(lái)看，隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，7種食用菌T23逐漸下降，說(shuō)明樣品中的自由水含量在不斷減少。這是因?yàn)樽杂伤饕嬖谟谝号?、原生質(zhì)和細(xì)胞間隙中，距離膠粒較遠(yuǎn)可以自由移動(dòng)，因此在干燥過(guò)程中最容易被脫除[29]。但不同種類(lèi)食用菌，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不同，其自由水流失速度不盡相同。干燥初期，杏鮑菇T23下降較快，表明杏鮑菇中的自由水散失速度較快，干燥8 h后，7種食用菌T23均為0，說(shuō)明此時(shí)樣品內(nèi)自由水全部散失。

不同種類(lèi)食用菌，T22的變化趨勢(shì)相對(duì)復(fù)雜，金針菇、茶樹(shù)菇和蟹味菇T22隨著干燥的進(jìn)行在穩(wěn)定下降，說(shuō)明樣品中的不易流動(dòng)水含量伴隨干燥的進(jìn)行穩(wěn)定下降；杏鮑菇T22出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，表明干燥初期，由于溫度升高，杏鮑菇中的部分不易流動(dòng)水隨著自由水的散失而向外遷移為自由水，繼而散失，4 h后，T22伴隨干燥的進(jìn)行急劇下降，此時(shí)，杏鮑菇中的不易流動(dòng)水水分移動(dòng)性減弱；而蘑菇、花菇、原木香菇T22在干燥過(guò)程均表現(xiàn)出增加-減少-增加-再減少的趨勢(shì)，這與菌體水分子之間空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化和菌體外形萎縮有關(guān)。增加一方面可能是由于食用菌中碳水化合物濃度升高，細(xì)胞內(nèi)外溶液形成濃度差，導(dǎo)致部分自由水向不易流動(dòng)水遷移，另一方面，隨著干燥的進(jìn)行，菌體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及酶等分解出的結(jié)合水遷移為不易流動(dòng)水[30]。減小可能是因?yàn)椴灰琢鲃?dòng)水與細(xì)胞壁接觸，而細(xì)胞壁中多糖具有的親水基團(tuán)結(jié)構(gòu)可以減少周?chē)鲃?dòng)的動(dòng)態(tài)水，因此不易流動(dòng)水向結(jié)合水遷移[31]。

圖2 不同食用菌恒溫干燥過(guò)程中T21，T22，T23的變化Fig.2 Change inT21, T22 and T23 in different edible fungi during constant temperature drying

結(jié)合水是水在生物體和細(xì)胞內(nèi)的存在狀態(tài)之一，是吸附和結(jié)合在有機(jī)固體物質(zhì)上的水，主要是依靠氫鍵與蛋白質(zhì)的極性基(羧基和氨基)相結(jié)合形成的水膠體[32]，干燥過(guò)程中一般難以脫除。7種食用菌T21在干燥過(guò)程最終均呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明水分流動(dòng)性降低，菇體內(nèi)的水分與蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)結(jié)合的更緊密。這是因?yàn)?，隨著干燥的進(jìn)行，菌菇自身組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，細(xì)胞之間空隙變小，水分流動(dòng)性逐漸減小。

2.4干燥過(guò)程中MRI核磁共振成像測(cè)定

磁共振成像技術(shù)是利用氫原子在磁場(chǎng)內(nèi)受到一定頻率的射頻脈沖激發(fā)后，產(chǎn)生磁共振現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)空間編碼技術(shù)，把在磁共振過(guò)程中氫原子向外發(fā)射的射頻能信號(hào)以及這些與射頻能有關(guān)的質(zhì)子密度、弛豫時(shí)間等參數(shù)接收轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理，最后形成圖像[33]。MRI在加工過(guò)程中可以對(duì)樣品任意層面(或斜面)直接進(jìn)行成像，從而獲取物料內(nèi)部任意梯度水分的變化信息。PRABAL等[34]利用自旋回波(spin echo, SE)磁共振成像技術(shù)獲得了小麥種子干燥過(guò)程中水分分布圖像，并根據(jù)圖像信息研究了小麥種子的干燥動(dòng)力學(xué)。圖3為通過(guò)MRI技術(shù)掃描的7種食用菌在恒溫干燥過(guò)程中的2D質(zhì)子密度圖，圖像顏色的深淺表示水分的分布，紅色表示此處水分信號(hào)強(qiáng)，藍(lán)色表示此處水分信號(hào)弱[35]。

注：A.茶樹(shù)菇(Agrocybe aegerita)；B.杏鮑菇(Pleurotus eryngii)；C.金針菇(Flammulina velutiper)；D.雙孢蘑菇(Agaricus bisporus)；E.蟹味菇(Hypsizygus marmoreus)；F.香菇(Lentinus edodes)；G.花菇(Floral mushroom)圖3 恒溫干燥過(guò)程中不同食用菌2D質(zhì)子密度圖對(duì)比Fig.3 Pseudo color of 2D Proton density images of different edible fungi during constant temperature drying

從成像圖中可以清楚地看出，7種食用菌質(zhì)子密度圖顏色都越來(lái)越暗，說(shuō)明伴隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，7種食用菌中的水分含量在不斷降低，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)圖像面積在不斷減小，這是因?yàn)楹銣馗稍镞^(guò)程中，物料發(fā)生收縮。此外，還可以看出7種食用菌內(nèi)部水分分布都不均勻。香菇和花菇水分主要集中在傘頂部，在干燥過(guò)程中，水分由傘的中心處向外逐漸擴(kuò)散，因此，在干燥過(guò)程中應(yīng)盡量保持菌蓋表面的平展性；金針菇和茶樹(shù)菇水分主要集中在菌柄及根部，在干燥初期水分蒸出較快，由于干燥過(guò)程中金針菇表面很快出現(xiàn)皺縮現(xiàn)象，形成一層干燥膜結(jié)構(gòu)，阻礙了內(nèi)部水分的進(jìn)一步排除，因此干燥所需時(shí)間比茶樹(shù)菇長(zhǎng)。杏鮑菇子實(shí)體四周水分含量相對(duì)較高，干燥初始，水分傳遞主要在物料表面，杏鮑菇在干燥4h后無(wú)自由水存在，因此，這也解釋了為什么杏鮑菇T23下降較快。雙孢蘑菇菌蓋部分水分相對(duì)集中，干燥過(guò)程中，菌蓋水分流失速度較快，而菌蓋與菌柄接壤處較慢。蟹味菇在干燥過(guò)程中，菌柄下部水分轉(zhuǎn)移速度最慢，這可能是由于其子實(shí)體叢生，導(dǎo)致其內(nèi)部水分無(wú)法及時(shí)向外擴(kuò)散。干燥后期，水分信號(hào)極其微弱，成像圖中星星點(diǎn)點(diǎn)的顯示含少量的結(jié)合水。

3 結(jié)論

本文從微觀(guān)和宏觀(guān)兩個(gè)角度闡述了干燥過(guò)程中食用菌內(nèi)部水分的變化規(guī)律，利用核磁共振及其成像技術(shù)研究了7種食用菌(茶樹(shù)菇、杏鮑菇、金針菇、雙孢蘑菇、蟹味菇、香菇、花菇)在恒溫干燥過(guò)程中內(nèi)部水分遷移規(guī)律。結(jié)果表明，7種食用菌中自由水含量最高，其次是不易流動(dòng)水，結(jié)合水含量最低。不同種類(lèi)食用菌，干燥結(jié)束時(shí)間不同，食用菌初始含水量和本身結(jié)構(gòu)差異是影響其干燥速度的主要原因，茶樹(shù)菇組織松散，干燥速度較快，花菇和香菇組織較密集，干燥速度相對(duì)較慢。

利用核磁共振成像清晰地看出7種食用菌內(nèi)部水分分布都不均勻，干燥過(guò)程中樣品表面的水分先蒸發(fā)掉，由于溫度梯度和水分梯度導(dǎo)致物料內(nèi)部的水分逐漸向外遷移，繼而散失，圖像亮度隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)越來(lái)越暗，說(shuō)明水分在不斷減少，并且由于物料皺縮導(dǎo)致圖像面積越來(lái)越小，因此，在干燥過(guò)程中應(yīng)保持樣品表面舒展，防止表面硬化而影響干燥速度。

LF-NMR技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)食用菌干燥過(guò)程中水分的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，根據(jù)食用菌內(nèi)部水分的分布及其變化規(guī)律調(diào)整干燥工藝參數(shù)，縮短干燥時(shí)間，有助于食用菌干燥工藝的優(yōu)化，為實(shí)際生產(chǎn)控制提供一定的參考。

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MRIimagingandchangeofinternalmoisturetransformationindifferentediblefungiduringconstanttemperaturedrying

SHI Fang1, XIAO Xing-ning1, LI Yao1, YANG Ya-xuan1, GUO Xiao-hui1, WU Su-rui2, MING Jian1,3*

1 (College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China) 2(Kunming Edible Fungi Institute, All China Federation of Supply and MarketingCooporatives, Kunming 650223, China) 3(Chongqing Engineering Research Center for Special Foods, Chongqing 400715, China)

The moisture distribution and change in seven kinds of edible fungi (Agrocybeaegerita,Pleurotuseryngii,Flammulinavelutiper,Agaricusbisporus,Hypsizygusmarmoreus,Lentinusedodes,Floralmushroom) during constant temperature drying process was analyzed by low-field nuclear magnetic resonance technology. The spin-spin relaxation test showed that the water states in edible fungi included free water, immobilized water and bound water. The free water and immobilized water was decreased significantly during drying process, while the bound water was not significant. Further found that the internal water distribution of seven kinds of edible fungi were uneven by using nuclear magnetic resonance imaging technique. The water loss rate of different edible fungi was not the same in the same stage. LF-NMR technology successfully realized the online monitoring of internal moisture of edible fungi during drying process, which provided theoretical basis for guiding the drying process of edible fungi.

edible fungi; nuclear magnetic resonance (NMR); nuclear magnetic imaging (MRI); water migration; drying

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.013676

碩士研究生(明建教授為通訊作者,E-mail:mingjian1972@163.com)。

重慶市社會(huì)民生科技創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)(cstc2015shmszx80019)；云南省科技廳科技創(chuàng)新人才計(jì)劃(2008OC008)；重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心能力提升項(xiàng)目(cstc2014pt-gc8001)

2016-12-26，改回日期：2017-02-15