基于低場核磁共振分析與成像探究貯藏過程中板栗水分遷移對(duì)其質(zhì)構(gòu)變化的影響

宋珊珊,耿陽陽,馮濤池,胡伯凱,劉亞娜,王紀(jì)輝,何佳麗,梁 美,譚化美

(1.遵義醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校,貴州遵義 563000;2.貴州省核桃研究所,貴州貴陽 550005;3.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院,貴州貴陽 550005;4.國網(wǎng)濟(jì)南供電公司,山東濟(jì)南 250000)

低場(<0.5T)核磁共振(Low field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)因其快速、無損、穩(wěn)定性好、設(shè)備成本低、設(shè)備體積小等優(yōu)勢被廣泛運(yùn)用于農(nóng)產(chǎn)品檢測分析領(lǐng)域[1]。目前LF-NMR研究、運(yùn)用最廣的是1HLF-NMR。1HLF-NMR檢測到的信號(hào)T2(橫向弛豫時(shí)間)能反應(yīng)樣品水分子含量和活躍程度[2],同時(shí)T2信號(hào)幅度具有變化范圍大、對(duì)多相態(tài)敏感、檢測時(shí)間短等優(yōu)勢[3];1HLF-NMR信號(hào)二維分布(MRI)通過圖像顏色、明暗的變化直觀反映樣品內(nèi)部水分遷移過程。質(zhì)地描述分析是一種食品感官分析方法,它能對(duì)食品質(zhì)地、結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行全面分析,質(zhì)地多方面分析儀(TPA)是其有效手段,目的在于模擬人類牙齒的咀嚼過程,代替人體感官評(píng)價(jià),使感官評(píng)定更具客觀性、準(zhǔn)確性,TPA通過力量感元記錄擠壓過程中板栗的受力情況,由計(jì)算公式求得食品質(zhì)地參數(shù),反應(yīng)當(dāng)下食品品質(zhì)[4]。

板栗(CastaneamollissimaBlume)又稱栗子,原產(chǎn)于我國,是殼斗科栗屬植物[5],其營養(yǎng)豐富,風(fēng)味獨(dú)特,市場需求大。而貴州黔西南州地處黔、滇、桂三省交界處,屬典型的低緯度高海拔山區(qū),是板栗的良好種植基地。但因當(dāng)?shù)匕謇醭墒鞎r(shí)氣溫較高,采后板栗易發(fā)生生理失調(diào)和品質(zhì)劣變,目前做好當(dāng)?shù)夭珊蟀謇醣ｕr是亟待解決的問題。采后板栗保鮮的研究或關(guān)注貯藏環(huán)境溫度、濕度、氣體成分調(diào)節(jié),或采用二氧化氯、茶多酚、檸檬酸、山梨酸鉀等食品保鮮劑處理板栗達(dá)到保鮮效果,同時(shí)以板栗中水分、淀粉、水溶性蛋白、酶活性的變化作為衡量板栗貯藏保鮮效果好壞的指標(biāo)[6-10]。而作為板栗主要化學(xué)成分之一的水分在板栗貯藏過程中的動(dòng)態(tài)遷移過程及水分遷移對(duì)板栗品質(zhì)、新鮮度的影響鮮見報(bào)道。

因此,本文以黔產(chǎn)倉更板栗為原料,運(yùn)用LF-NMR技術(shù),分析板栗貯藏過程中橫向弛豫時(shí)間(T2)及圖像(MRI),了解貯藏期間板栗水分含量、狀態(tài)、活躍程度及水分遷移動(dòng)態(tài)過程;運(yùn)用TPA檢測技術(shù),分析貯藏過程中板栗質(zhì)地特性硬度、彈性、內(nèi)聚性、咀嚼性、膠黏性、粘附性,了解貯藏期間板栗品質(zhì)狀態(tài);運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件分析板栗貯藏過程中水分遷移對(duì)板栗品質(zhì)的影響,為板栗保鮮及新型板栗產(chǎn)品研發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

板栗 貴州省板栗主產(chǎn)區(qū)望謨、興義等地的黔產(chǎn)倉更板栗,待板栗開裂脫殼時(shí),選擇大小均勻、成熟度一致并剔除病果、蟲果的種子進(jìn)行采收,采后及時(shí)運(yùn)送到貴州省核桃研究所實(shí)驗(yàn)室,置于智能人工氣候箱下貯藏(相對(duì)濕度70%,溫度25 ℃)進(jìn)行貯藏。

TMS-PRO食品物性分析儀 北京盈盛恒泰科技有限責(zé)任公司;NMI20-040V-I低場核磁共振分析儀 紐邁電子科技有限公司;101-2AB電熱鼓風(fēng)干燥箱 北京科偉永興儀器有限公司;萬分之一電子天平 上海佑科儀器。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 板栗表型性狀分析 板栗殼厚、仁重測定方法:《中國果樹志·板栗·榛子卷》[11],板栗數(shù):80 個(gè)(>30 個(gè))。

出仁率(%)=(仁果重/單栗重)×100

1.2.2 板栗水分遷移動(dòng)態(tài)分析 板栗水分含量測定:GB 5009.3-2016第一法。

板栗水分相態(tài)分布及遷移變化:在貯藏0、7、14、21、28 d時(shí)取樣[12],將板栗去殼、去紅衣后,置于核磁共振儀中測定水分含量和成像。實(shí)驗(yàn)參數(shù):共振頻率23.3127 MHz,磁體強(qiáng)度0.5 T,線圈直徑為60 mm,磁體溫度為32±0.01 ℃。成像:FOV Read=100 mm,FOV Phase=100 mm,TR=1500 ms,TE=20 ms,Slices=7;Slice Width=3 mm,Averages=4,K空間大小192×256。弛豫分析——CPMG序列:SW=100 kHz,TW=2000 ms,P1=12.52 us,P2=25.04 us,RFD=0.3 ms,RG1=20,DRG1=1,PRG=1,NS=4,TE=0.10 ms,NECH=5000。

1.2.3 板栗質(zhì)地分析 在貯藏0、7、14、21、28 d時(shí)另取同一批次板栗[12],將板栗去殼、去紅衣后,置于TMS-PRO食品物性分析儀的載物臺(tái)上進(jìn)行質(zhì)構(gòu)分析試驗(yàn),每次試驗(yàn),板栗排放位置、朝向一致,重復(fù)試驗(yàn)取平均值。參照范新光等[12]的方法,并根據(jù)試驗(yàn)需要調(diào)整,具體參數(shù)設(shè)置如下:圓盤到零點(diǎn)的距離為30 mm,圓盤直徑50 mm,下壓速度為60 mm/min,當(dāng)下壓力反饋為0.5 N時(shí)記錄,測試深度(形變量)為30%。通過TPA軟件計(jì)算,由測得的質(zhì)構(gòu)特征曲線上得到TPA參數(shù):

硬度:以第一循環(huán)的壓力最大值表示,反映了果肉的致密程度和堅(jiān)實(shí)程度[13-14]],單位N。

彈性:變性樣品除去壓力后,變形前后高度或體積比率[1],反映果實(shí)經(jīng)壓縮變形后,去除壓力后能恢復(fù)的程度[14]。

表1 板栗表型性狀分析

內(nèi)聚性:兩次循環(huán)峰面積之比,反映果實(shí)組織細(xì)胞間結(jié)合力的大小,觀察果實(shí)保持完整性的指標(biāo)[15]。

咀嚼性:咀嚼性=硬度×彈性×內(nèi)聚性,將固體樣品咀嚼成能吞咽時(shí)所需能力[16],反映果實(shí)在口腔中被咀嚼的抵抗能力,單位N。

膠黏性:膠黏性=硬度×內(nèi)聚力,反映果實(shí)擠壓過程中的黏性程度,單位N。果實(shí)內(nèi)部的黏性程度。

粘附性:探頭與樣品接觸時(shí)用以擺脫兩者表面間吸引力所必需的力[17]。果實(shí)與接觸物的黏性程度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每個(gè)指標(biāo)做9次重復(fù),用Microsoft Office Excel 2007統(tǒng)計(jì)分析所有試驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)誤并作圖;用IBM SPSS Statistics 22.0 進(jìn)行多重比較(LSD)和相關(guān)性分析。

表2 板栗失水過程弛豫時(shí)間及峰面積信息

2 結(jié)果與分析

2.1 板栗表型性狀分析

對(duì)黔產(chǎn)倉更板栗樣品進(jìn)行表型性狀分析,結(jié)果如表1:黔產(chǎn)倉更板栗單栗重為17.600±4.981 g,仁果重為14.701±4.360 g,出仁率為83.168%,出殼厚(邊)為0.654±0.056 mm,殼厚(底)為1.360±0.072 mm。與徐陽等[18]研究構(gòu)建的板栗-鐵皮石斛、板栗-覆盆子、板栗-白芨、板栗-三葉青4 種新型栗藥種植模式及純林板栗中單栗重(10.720±2.940 g)、仁果重(7.360±1.740 g),出仁率(68.657%)，劉國彬等[19]采于北京懷柔、房山和密云的‘懷豐’、‘慕田峪6 號(hào)’、‘北莊8 號(hào)’、‘良鄉(xiāng)1 號(hào)’和‘高嶺1 號(hào)’板栗品種仁果重(10.030±0.980 g)以及曹均等[20]研究的北京市密云縣等地區(qū)本土農(nóng)家板栗仁果重(12.930±1.890 g)相比,黔產(chǎn)倉更板栗具有單栗重、仁果重、出仁率高的特點(diǎn)。

2.2 板栗水分遷移動(dòng)態(tài)分析

2.2.1 板栗貯藏過程中水分含量變化分析 由圖1可知:新鮮板栗含水量為46.09%,此時(shí)紅衣和栗仁緊密貼合,難以剝落,板栗脆性好;隨著貯藏時(shí)間的延長,水分含量呈顯著性降低(P<0.05),縮水使得紅衣和板栗仁間出現(xiàn)空隙,便于紅衣剝落,板栗由脆變?yōu)橛?貯藏時(shí)間超過21 d后水分含量變化不顯著(P>0.05)。

圖1 板栗在貯藏過程中含水量的變化

2.2.2 板栗貯藏過程中水分遷移動(dòng)態(tài)分析 在板栗LF-NMR測定結(jié)果圖2、表2中,橫向弛豫時(shí)間T2反映了樣品內(nèi)部氫質(zhì)子的自由度及其所受束縛力的大小,并成反比[21],即橫向弛豫時(shí)間T2越長,水分活躍度越高,流動(dòng)性越強(qiáng),但所受束縛力越小,與樣品內(nèi)部其他成分相互作用力弱。將馳豫峰進(jìn)行積分得到對(duì)應(yīng)的馳豫峰面積,馳豫峰面積越大,水分含量越高。

圖2 板栗失水過程T2弛豫譜

圖3 板栗水分成像圖

由圖2與表2可知,板栗主要含有三種水分相態(tài):T21-結(jié)合水,T22-不易流動(dòng)水,T23-自由水。通過水-離子、水-偶極、水-氫鍵等作用力與板栗中非水成分緊密締合的板栗結(jié)合水T21主要集中在板栗胚中,在貯藏前14 d,水分不斷流失,板栗胚為了保持自身活性,會(huì)與淀粉、蛋白質(zhì)等非水成分緊密結(jié)合,使結(jié)合水所受束縛力不斷增強(qiáng),水分活躍度逐漸降低,檢測到的結(jié)合水橫向弛豫時(shí)間T2不斷左移[22]。14 d后結(jié)合水T21橫向弛豫時(shí)間穩(wěn)定不變(0.011 ms),表明14 d后板栗結(jié)合水處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),無外遷趨勢;結(jié)合水T21含量變化A21先減少后增加,總體呈減少趨勢。表明板栗水分流失,組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞,結(jié)合水中結(jié)合能力相對(duì)較弱的部分鄰近水、多層水轉(zhuǎn)化為不易流動(dòng)水T22使得結(jié)合水含量降低,同時(shí)部分不易流動(dòng)水T22轉(zhuǎn)化為結(jié)合水,降低了結(jié)合水減少的幅度。不易流動(dòng)水T22在貯藏前14 d,橫向弛豫時(shí)間右移,A22大幅度降低,說明貯藏前14 d內(nèi)不易流動(dòng)水受板栗內(nèi)部束縛力小、水分活躍度高及流動(dòng)性強(qiáng),不斷轉(zhuǎn)化為結(jié)合水和自由水。主要存在于板栗肥大子葉中的自由水T23不斷流失到外部環(huán)境中,受到板栗內(nèi)部的束縛力逐漸減小,T23橫向弛豫時(shí)間T2右移,A23減少;同時(shí)部分不易流動(dòng)水向自由水區(qū)域遷移,使得A23含量增加,橫向弛豫時(shí)間T2左移。

2.2.3 板栗水分遷移核磁共振成像圖 本次實(shí)驗(yàn)采集板栗的矢狀面成像,該成像當(dāng)樣品含水量高,信號(hào)強(qiáng)時(shí),樣品成像與背景成像都很清晰,當(dāng)樣品含水少時(shí),樣品成像和背景成像同時(shí)弱化,達(dá)到樣品成像與背景成像同時(shí)呈現(xiàn)樣品含水量的效果。圖3從左到右依次為失水0、7、14、21、28 d的成像圖。

由圖3可知:中間光亮區(qū)域是板栗胚,外圍是板栗肥大的子葉。新鮮板栗胚水分成像圖較板栗子葉成像圖光亮,結(jié)合板栗失水過程T2弛豫譜,板栗子葉中主要是自由水,板栗胚中結(jié)合水和不易流動(dòng)水含量高。板栗子葉自由水含量高,自由水流失速度快,所以28 d后,板栗子葉水分信號(hào)成像只能隱約可見,而板栗胚成像清晰。符合種子對(duì)胚的自我保護(hù),便于胚來年發(fā)芽成苗的規(guī)律。

2.3 貯藏期間板栗質(zhì)構(gòu)分析

2.3.1 貯藏期間板栗硬度的變化 硬度是指板栗發(fā)生形變所需外力,反應(yīng)板栗致密堅(jiān)硬的程度。由圖4可知:新鮮板栗硬度為174.80 N,此時(shí)板栗給人硬、脆的口感;隨著貯藏時(shí)間延長,板栗硬度顯著先減少后增加(P<0.05),這可能跟板栗水分含量有關(guān),鮮見相關(guān)研究報(bào)道,后續(xù)進(jìn)行板栗水分與板栗硬度相關(guān)性分析。

圖4 板栗在貯藏過程中硬度的變化

2.3.2 貯藏期間板栗彈性的變化 彈性反映去除壓力后,板栗恢復(fù)的程度。由圖5可知:貯藏前21 d,板栗彈性顯著性降低(P<0.05),這是由于板栗在貯藏過程中嚴(yán)重失水,細(xì)胞萎縮失去原有恢復(fù)力;繼續(xù)貯藏,板栗彈性無顯著變化(P>0.05)。

圖5 板栗在貯藏過程中彈性的變化

2.3.3 貯藏期間板栗內(nèi)聚性的變化 內(nèi)聚性反映組織細(xì)胞之間結(jié)合力的大小[20]。由圖6可知:新鮮板栗內(nèi)聚性為0.71;貯藏7 d后,內(nèi)聚性顯著性降低(P<0.05),這是因?yàn)榘謇跏畬?dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)受到損傷,細(xì)胞內(nèi)部結(jié)合力降低;7～21 d板栗持續(xù)失水,板栗多糖和蛋白質(zhì)發(fā)生降解,生成小分子物質(zhì)填充水分流失區(qū)域,平衡內(nèi)部結(jié)合力，因此板栗內(nèi)聚性無顯著性變化(P>0.05);貯藏21 d之后,板栗失水嚴(yán)重,內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞,板栗內(nèi)聚性顯著性降低(P<0.05)[23]。

圖6 板栗在貯藏過程中內(nèi)聚性的變化

2.3.4 貯藏期間板栗咀嚼性的變化 咀嚼性是果實(shí)硬度、彈性和內(nèi)聚性在口中的綜合體現(xiàn),反映果實(shí)從整體到能吞咽時(shí)所需力的大小。由圖7可知:試驗(yàn)板栗咀嚼性在貯藏期間,先減小后增加;新鮮板栗和貯藏28 d板栗咀嚼性無顯著性差異(P>0.05);貯藏7 d板栗咀嚼性出現(xiàn)最小值,此時(shí)板栗失去部分水,果實(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不再完整緊密所致。

圖7 板栗在貯藏過程中咀嚼性的變化

表3 板栗水分含量與質(zhì)構(gòu)特性的相關(guān)性

2.3.5 貯藏期間板栗膠粘性的變化 膠粘性反映果實(shí)內(nèi)部的黏性程度。由圖8可知:板栗膠粘性在貯藏期間,先減小后增加;新鮮板栗和貯藏28 d板栗膠粘性無顯著性差異(P>0.05);貯藏7 d板栗膠粘性出現(xiàn)最小值,這樣的變化趨勢和咀嚼性很相似,后續(xù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

圖8 板栗在貯藏過程中膠粘性的變化

2.3.6 貯藏期間板栗粘附性的變化 粘附性反映果實(shí)與接觸物的黏性程度。姚慧對(duì)板栗特性的研究結(jié)果表明:板栗粘附性與支鏈淀粉呈正相關(guān)[24]。板栗失水,使板栗淀粉呈先富集再降解的狀態(tài),所以貯藏板栗粘附性有先增加后減少的趨勢[25-26],當(dāng)貯藏天數(shù)為14 d時(shí),板栗粘附性最強(qiáng),最易與接觸物黏住。

圖9 板栗在貯藏過程中粘附性的變化

2.4 水分含量與質(zhì)構(gòu)特性的相關(guān)性分析

由表3可知:實(shí)驗(yàn)用倉更板栗水分含量與板栗質(zhì)構(gòu)指標(biāo)內(nèi)聚性、彈性呈正顯著相關(guān)(P<0.05,相關(guān)系數(shù)為0.892、0948),說明板栗含水量對(duì)板栗品質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在影響板栗內(nèi)聚性及彈性,而內(nèi)聚性反映組織細(xì)胞內(nèi)結(jié)合能力、彈性反映去除壓力后板栗的恢復(fù)程度,說明板栗含水量越高,倉更板栗內(nèi)部結(jié)合越緊密,抗擠壓能力越強(qiáng);隨著板栗水分流失,板栗內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)受到破壞,板栗內(nèi)聚性、彈性降低,板栗品質(zhì)下降。而水分中結(jié)合水與板栗品質(zhì)指標(biāo)無顯著相關(guān)性,說明板栗中結(jié)合水的變化對(duì)板栗品質(zhì)無顯著性影響。相反,板栗水分中不易流動(dòng)水與板栗內(nèi)聚性、彈性呈正顯著相關(guān)(P<0.05,相關(guān)系數(shù)為0.883、0.955),自由水與板栗彈性呈正顯著相關(guān)(P<0.05,相關(guān)系數(shù)為0.956),表明調(diào)控板栗不易流動(dòng)水、自由水能改變板栗內(nèi)聚性及彈性,其含量越高,板栗內(nèi)聚性高、彈性好、新鮮度高,品質(zhì)好。所以在倉更板栗保質(zhì)保鮮過程中,調(diào)控板栗不易流動(dòng)水與自由水的含量、比例是應(yīng)該考慮的因素。

3 結(jié)果與討論

本研究結(jié)果表明,黔產(chǎn)倉更板栗與純林板栗、新型栗藥板栗相比,具有仁果重,出仁率高的特點(diǎn)。適宜區(qū)域化、規(guī)?；N植。倉更板栗貯藏期間,水分流失,水分相態(tài)發(fā)生變化,板栗中不易流動(dòng)水部分轉(zhuǎn)化為結(jié)合水保護(hù)板栗胚結(jié)構(gòu),部分轉(zhuǎn)化為自由水,補(bǔ)充板栗自由水流失區(qū)域,穩(wěn)定板栗內(nèi)部結(jié)構(gòu)。板栗不易流動(dòng)水降低板栗內(nèi)部組織細(xì)胞結(jié)合力及彈性。板栗自由水流失使板栗發(fā)生皺縮,降低板栗彈性。板栗是典型的頑拗性種子,含水量是決定其保存的重要因素[26],而本研究分析貯藏板栗含水量與質(zhì)構(gòu)特性相關(guān)性表明,板栗含水量對(duì)板栗內(nèi)聚性及彈性有顯著性影響。因此,深入研究板栗脫水敏感性和安全含水量將是板栗保鮮、保質(zhì)的關(guān)鍵因素,需要進(jìn)一步研究攻關(guān)。