基于低場核磁成像技術(shù)研究稻谷緩蘇的機理

夏寶林 丁 超 章志華 嚴秋鈁 楊 娜

(江陰市食品安全檢測中心1，無錫 214434) (南京財經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院2，南京 210046) (江蘇大學(xué)理學(xué)院3，鎮(zhèn)江 212013)

收獲后的稻谷水分普遍較高，一般高達20%。高水分稻谷需干燥至安全水分才能長期儲藏。熱風(fēng)干燥可快速、有效地降低稻谷的水分含量，不合理的干燥工藝容易導(dǎo)致裂紋粒的出現(xiàn)，降低其整精米率，嚴重影響其商業(yè)價值[1]。由于水分在顆粒表面蒸發(fā)速率遠大于內(nèi)部水分的擴散速率，在干燥過程中，顆粒內(nèi)部容易形成水分梯度[2]。傳統(tǒng)的爆腰理論認為，由于水分分布的不均，顆粒內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力超過了谷物自身的抗拉強度極限時導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)[3-5]。

緩蘇過程可有效地保證稻谷的干燥后的品質(zhì)[6-7]。顆粒內(nèi)部水分在水分梯度的作用下繼續(xù)向外擴散，最終達到內(nèi)部水分趨于均勻化的目的。緩蘇時間的選擇一直憑借經(jīng)驗或?qū)?shù)學(xué)模型進行模擬并分析最佳的緩蘇時間[6,8-9]。但是，對于稻谷顆粒這種外形尺寸較小的物料來說，檢測顆粒內(nèi)部水分分布及遷移尚存難度。

近年來，核磁共振技術(shù)的發(fā)展為量化稻谷顆粒內(nèi)部的水分分布及遷移過程的變化提供了可能。它是一種非破壞性的檢測技術(shù)，不具有侵略性、破壞性，且對樣品限制較小。以氫核為研究對象的Nuclear Magnetic Resonance(NMR)和Magnetic Resonance Imaging(MRI)技術(shù)可直觀地反應(yīng)樣品中水分結(jié)合形式和水分分布與遷移[10-12]。因此,本文應(yīng)用低場核磁成像技術(shù)，結(jié)合MATLAB圖像處理軟件，研究了干燥后的單粒稻谷在緩蘇過程中的水分分布情況及遷移的規(guī)律，以期為干燥后稻谷緩蘇時間的選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

新收獲的稻谷購于江蘇省淮安，稻谷品種為鎮(zhèn)稻99，初始水分為18.5%(105 ℃烘干法，干基)。為了增加稻谷的信號強度(S)，給稻谷進行增濕處理并將稻谷置于人工氣候箱中平衡72 h，稻谷最終水分為26.3%。

1.2 主要儀器及設(shè)備

NMI20型核磁共振成像儀：磁體強度0.5 T，線圈直徑5 mm，磁體溫度為32 ℃。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品處理

將高水分稻谷置于60 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中進行薄層干燥，干燥時間為30 min，高溫快速干燥使顆粒內(nèi)部產(chǎn)生一定的水分梯度。干燥結(jié)束之后，選擇一粒飽滿的顆粒進行成像，成像前先去殼，并用不銹鋼刀片從胚芽底部削平。處理好的稻谷顆粒水平放置于5 mm(o.d.)的石英試管中，其后置于磁體中心，平衡5分鐘后，進行橫截面成像試驗，得到干燥后稻谷橫截面像。將該粒稻谷連續(xù)成像，獲得不同緩蘇時間的稻谷橫截面像。

1.3.2 低場核磁成像

成像面為稻谷的橫截面，檢測稻谷橫向方向的信號強度的變化，如圖2所示。采用自旋回波成像序列(SE)對樣品進行質(zhì)子密度的成像，檢測參數(shù)為：重復(fù)時間D0=100 ms；回波時間TE=4.002 ms；視野大小FOV=4.7×4.7 mm2；累加次數(shù)NS=128；K空間大小為200×128，經(jīng)傅里葉重建后成為256×256像素，然后每個圖像轉(zhuǎn)換為BMP格式圖像。

1.3.3 圖像處理及數(shù)據(jù)的分析

運用MATLAB軟件對圖像進行處理、信號提取、圖像減法計算、數(shù)據(jù)的擬合； Excel 2003用于顆粒內(nèi)部信號強度動態(tài)變化的分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 核磁共振成像

所謂的成像，就是根據(jù)核磁共振產(chǎn)生的條件，利用三個相互垂直的的可控線性梯度磁場進行空間定位，將編碼后的NMR信號存儲在K空間中，并對這些原始數(shù)據(jù)進行傅里葉變化即可得到灰度圖像。灰度圖像由像素組成，每個像素具有兩個參數(shù)，即位置信息和像素灰度值。在磁共振氫質(zhì)子密度成像中，單位體積氫質(zhì)子密度大，則信號強；質(zhì)子密度小，則信號較弱。通過質(zhì)子密度權(quán)重圖像可看到單位單位體積自旋質(zhì)子的分布情況，以及自旋質(zhì)子數(shù)量的多少，可直觀地顯示水分的分布及遷移[13]。

原始的灰度圖像經(jīng)MATLAB轉(zhuǎn)換為偽彩圖，圖1a與圖1b分別為稻谷的剖面與截面?zhèn)尾蕡D。顏色條可反應(yīng)信號強度的強弱，其中紅色越深，表示信號強度越大；藍色越深，表示信號越弱。每個單位面積上的信號強度為單個顆粒在成像方向上的平均信號強度。由圖1a、圖1b中可看出，稻谷的胚芽及糊粉層的信號強度明顯強于胚乳。可見，稻谷胚芽及糊粉層單位面積上的氫質(zhì)子密度均大于胚乳，主要是因為稻谷胚芽及糊粉層上的脂肪含量較高，分別約為20%、18%，而胚乳中脂肪含量僅為0.3%左右[14]。單位質(zhì)量脂肪的質(zhì)子數(shù)遠大于水的氫質(zhì)子數(shù)。故脂肪含量高的部位，信號越強，對應(yīng)的偽彩圖上的顏色越靠近深紅色。

注：1 胚芽，2 糊粉層，3 外圍，4 中間層，5 中心層，箭頭表示稻谷顆粒的位置, 右邊的顏色條指示信號的強度。圖1 灰色圖像經(jīng)轉(zhuǎn)變得到的偽彩圖

2.2 干燥后顆粒內(nèi)部水分分布

干燥后水分為22.8%，選取一粒飽滿的稻谷顆粒進行橫截面成像。圖1c為干燥后稻谷截面像的偽彩圖。由圖1c可以看出，中心部位(5區(qū))信號強度較高，水分含量較高；中間部位(4區(qū))信號強度較低，反應(yīng)水分含量較低；而外圍(3區(qū))的信號強度高于中間部位(4區(qū))，主要是糊粉層的存在增加了外圍的信號強度?？梢?，干燥過程中顆粒內(nèi)部水分呈不均勻分布。

由于水分分布的不均勻?qū)е骂w粒內(nèi)部產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，外層失水收縮產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，靠近中心部位存在較大的壓應(yīng)力。外層區(qū)(拉應(yīng)力區(qū))在干燥過程易受到力學(xué)損傷，可能進一步擴展成裂紋。Jia等用高速顯微鏡攝影觀察到裂紋生成于靠近表面處，同時采用有限元法干燥過程中稻谷內(nèi)部應(yīng)力分布的情況，模擬結(jié)果也顯示：在接近稻谷表面處存在拉應(yīng)力區(qū)，尤其是軸向拉應(yīng)力始終處于較高水平；在接近中心部位存在壓應(yīng)力區(qū)[15]。綜上所述，在干燥過程中，稻谷顆粒的外圍是裂紋形成的高危位置，應(yīng)盡量避免干燥速率過快，稻谷顆粒的表面過干，或停機緩蘇。

2.3 緩蘇過程中水分的遷移

2.3.1 圖像分析

試驗的過程中，對薄層干燥后的同一粒稻谷連續(xù)成像，每次成像耗時約32 min，共得到7副稻谷橫截面像，用于分析緩蘇過程中稻谷顆粒截面上各點水分動態(tài)變化。圖2列出了緩蘇不同時間后，同粒稻谷的橫截面的質(zhì)子密度像。圖2中第一幅圖被視為干燥后稻谷的截面像，由圖可見，靠近中心部位明顯亮于周邊。比較這一系列的圖像，得出隨著緩蘇時間的延長，中間部位水信號逐漸減弱，而周邊水信號逐漸增強，說明緩蘇過程中中間的水分不斷向四周擴散，使稻谷顆粒內(nèi)部的水分梯度不斷降低。緩蘇到2.21 h后，顆粒內(nèi)部亮度分布趨于穩(wěn)定，可見水分梯度的減少主要集中發(fā)生緩蘇的前1～2 h內(nèi)。

MATLAB具有很出色的圖像處理能力，可對圖像進行減運算，即將圖像格式文件讀入為MATLAB圖像對象數(shù)組數(shù)據(jù)，求出兩個圖像矩陣對應(yīng)像素值的差，再以像素值差為參數(shù)通過顯示命令獲得新的圖像。為了更清楚展現(xiàn)緩蘇過程中顆粒內(nèi)部水分梯度的減少，運用MATLAB軟件對圖像進行減法運算。將干燥后的稻谷質(zhì)子密度像分別減去緩蘇不同時間所得到的像，可得到緩蘇不同時間后顆粒內(nèi)部水分分布的變化。圖3列出了緩蘇前后質(zhì)子密度像經(jīng)減法運算后得到的新像，中心與表面像素值較大，而中間的像素值為0(圖像減運算中，小于0的像素值會自動設(shè)置為0)，由此可反應(yīng)了緩蘇過程中顆粒內(nèi)部水分遷移過程，即顆粒中心與表面部位不斷地有水分轉(zhuǎn)出，而中間部位不斷地有水分轉(zhuǎn)入。可見，緩蘇過程主要存在兩個傳質(zhì)過程，即：靠近中心部位的水分不斷向中間擴散(導(dǎo)致中間氫質(zhì)子密度增加)與表面水分不斷向空氣中對流。從圖3可以看出，隨著緩蘇進行，顆粒表面及中心部位越來越亮，且面積不斷擴大，說明緩蘇過程中這兩個部位水分不斷散失，且隨著緩蘇時間的延長，散失的水量不斷增加，120 min后趨于穩(wěn)定。以上圖像分析說明緩蘇過程中，顆粒中心水分不斷地向周邊擴散，緩蘇可有效地減少了顆粒內(nèi)部水分梯度。

圖2 緩蘇過程中，同一粒稻谷緩蘇不同時間后的核磁共振圖像

圖3 不同緩蘇時間得到的核磁共振像與干燥后的圖像比較

2.3.2 信號強度分析

研究各像素點信號強度的變化，可量化顆粒內(nèi)部水分分布及遷移過程。K空間是數(shù)字化后的NMR原始數(shù)據(jù)的存儲空間，原始數(shù)據(jù)包括空間編碼信息及信號量。MATLAB軟件中fread函數(shù)可直接讀取FID文件，獲得對應(yīng)于各點的信號強度。圖4顯示緩蘇過程中，顆粒長軸方向上各點信號強度的變化趨勢。可見，顆粒內(nèi)部的水分分布不均勻，靠近中心部分的信號強度始終高于外圍。中心部位的信號強度始終最高，靠近外層則較低。緩蘇過程中，胚乳中心部位的信號強度的變化更加明顯，且信號強度的衰減主要集中在緩蘇的前期，隨著緩蘇時間的延長，衰減速率減慢，主要是因為內(nèi)部水分梯度逐漸減小，水分擴散的驅(qū)動力逐漸消失。圖5顯示了顆粒內(nèi)部長軸方向上各位置的信號強度隨緩蘇時間的變化趨勢。胚乳中心部位的信號強度遞減最快，主要是因為中心部位的水分梯度最大，驅(qū)動力也最大?？拷鈬盘柦档退俾瘦^慢。整個緩蘇過程中，節(jié)點1的信號從1 149.33下降至759.02，而節(jié)點3的信號下降并不明顯，僅從701.65下降至565.79。各點的平均信號的下降也說明了在緩蘇過程中顆粒內(nèi)部的總體水分含量是下降的。

圖4 緩蘇過程中顆粒長軸方向上各點平均信號的動態(tài)變化

圖5 緩蘇過程中顆粒內(nèi)部不同位置的平均信號強度的動態(tài)變化

2.3.3 數(shù)學(xué)模型的分析

干燥過程中，稻谷顆粒中心部位的信號強度始終最大，研究中心部位的信號強度變化規(guī)律具有重要的意義。數(shù)學(xué)模型對中心點的信號強度進行擬合，可有效地描述緩蘇的動力學(xué)過程，還可以為緩蘇時間的確定提供理論指導(dǎo)。常見的農(nóng)產(chǎn)品干燥模型主要有Newton、Page、Henderson Ve Papis、Logarithmic、Two-term exponential等模型(見表1)。平均信號強度與稻谷顆粒的水分呈一一對應(yīng)關(guān)系，故可用信號比代替水分比[16，17]。

式中：M為某時刻的含水量；Me為平衡水分；M0為初始水分。

式中：S為某時刻的平均信號強度；S0為初始平均信號強度。

MATLAB軟件中的nlinfit函數(shù)對胚乳中心信號強度隨緩蘇時間變化過程分別進行了擬合。決定系數(shù)R2、平均相對百分率誤差MRE、殘差平方和SSE、標準差SE可用于評價擬合的好壞。其中，決定系數(shù)越大，其他幾個指標越小越好。指標可由式(1)～式(4)計算。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：mi為第i次試驗值，mpi為第i次的預(yù)測值；mmi為實驗值的平均值；n為測定次數(shù)。

表2列出了數(shù)學(xué)模型的擬合結(jié)果，從表中可看出，決定系數(shù)變化范圍為0.829 16到0.996 39范圍內(nèi)，可見各個模型擬合較好，其中雙指數(shù)模型擬合的結(jié)果最好，R2值最大，SSE、SE、MRE值最小。Hwang等利用高場核磁共振成像技術(shù)研究稻谷緩蘇過程中中心點的信號強度的變化，得出了類似的結(jié)論[12]。所以，雙指數(shù)模型能更好地反應(yīng)緩蘇過程中水分遷移過程，擬合結(jié)果為：

S/S0=0.274e-1.2115t+0.725 4e-0.031 9t

式中：S為某時刻的中心信號強度；S0為初始時刻中心信號強度；t為緩蘇時間/h。

以上結(jié)果說明，緩蘇過程中水分遷移包括兩個過程，即：稻谷表面的對流與內(nèi)部水分擴散。干燥常數(shù)是反應(yīng)水分擴散速率的常數(shù)，對流的速率快于擴散過程，故兩者的干燥常數(shù)k1、k2分別為1.211 4、0.031 9。緩蘇1 h后，胚乳中心點的信號強度1 148降至901.43，完成整個緩蘇過程的63.5%。

表1 用于描述緩蘇過程的數(shù)學(xué)模型

表2 不同模型的擬合結(jié)果

綜上，核磁共振成像技術(shù)可量化緩蘇過程水分分布與遷移過程，為確定緩蘇時間提供一定的依據(jù)。事實上，干燥過程中稻谷顆粒內(nèi)部是允許一定的水分梯度存在的[22]。顆粒內(nèi)部的水分梯度的臨界值，應(yīng)與干燥后稻谷整精米率聯(lián)系起來考慮，以確定最佳的緩蘇時間。今后的研究中，可進一步利用核磁共振技術(shù)研究水分梯度與稻谷爆腰率與整精米率的關(guān)系。在實際干燥過程中，緩蘇時間受干燥溫度、干燥時間、空氣相對濕度、緩蘇溫度等因素的影響，為緩蘇時間選擇增加了難度。核磁共振成像技術(shù)分析顆粒內(nèi)部水分分布及水分遷移過程，并結(jié)合相應(yīng)的干燥模型，可以為緩蘇時間提供理論指導(dǎo)。

3 結(jié)論

利用核磁共振成像技術(shù)獲得了稻谷的剖面圖與截面圖。從剖面圖中可看出，稻谷胚乳部位明顯亮于胚部；在截面圖中，糊粉層信號較強。主要是因為稻谷的胚芽與糊粉層的脂肪含量較高。從干燥后稻谷的截面像中可看出，胚乳內(nèi)部水分分布明顯不均勻。中心部位信號較強，靠近邊緣部位信號較弱，說明干燥過程中稻谷表面水分的對流快于內(nèi)部水分擴散。

緩蘇過程中，胚乳內(nèi)的水分分布發(fā)生明顯的變化，胚乳中心部位及糊粉層有水分轉(zhuǎn)出。隨著緩蘇時間的延長，內(nèi)部水分分布趨于穩(wěn)定。胚乳中心部位信號強度衰減速率最快，并用雙指數(shù)模型進行擬合，決定系數(shù)達到0.996 39，擬合效果較好，說明稻谷緩蘇過程水分遷移主要有對流與擴散兩種方式。

利用核磁共振成像技術(shù)可直接得到緩蘇過程中單粒顆粒內(nèi)部水分分布及遷移情況，對緩蘇過程進行更全面更準確的測量分析，提高研究結(jié)論的準確性。