基于LF-NMR分析蠶蛹在不同干燥過程中的水分遷移規(guī)律

吳釗龍，林芳，唐小閑，陳振林*

（1.賀州學(xué)院食品科學(xué)與工程技術(shù)研究院，廣西賀州 542899）（2.廣西科學(xué)院，國家非糧生物質(zhì)能源工程技術(shù)研究中心，非糧生物質(zhì)酶解國家重點實驗室，廣西生物煉制重點實驗室，廣西南寧 530007）

蠶蛹（Silkworm Pupa）是2004年衛(wèi)生部批準的作為普通食品管理的食品新資源中唯一的昆蟲類食品，富含大量的蛋白質(zhì)、脂肪酸、甲殼素、糖類和豐富的微量元素等[1,2]。蠶蛹不僅僅是一種具有較高營養(yǎng)價值的美食，也是一種具有較強功能活性的中藥[3,4]。目前，我國的蠶蛹大多進行粗加工后當(dāng)飼料和肥料處理，在其他應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)利用較少，且手段和途徑有限，產(chǎn)品種類不多，限制了蠶桑產(chǎn)業(yè)收入增長[5]。將蠶蛹干燥加工成即食干制品，可以降低其水分含量和水分活度，延長貯藏期和提高其附加值，是未來蠶蛹深加工發(fā)展的主要方向[6]。因此，研究干燥過程中蠶蛹內(nèi)水分遷移規(guī)律對干燥工藝和產(chǎn)品品質(zhì)的提高具有重要意義。

物料水分含量與狀態(tài)是影響物料干燥的關(guān)鍵因素，物料中水分含量的多少以及其結(jié)合狀態(tài)直接影響產(chǎn)品的外觀、品質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)和易腐爛程度[7]。但是常規(guī)測定水分方法存在測定時間長、測定結(jié)果不精準等問題，并且只能測定總體的水分含量，無法實時測定物料中水分的變化，限制食品加工的進一步研究[7,8]。低場核磁共振技術(shù)（low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）是一種無損快速的檢測技術(shù)，包括低場核磁共振波譜及氫質(zhì)子核磁成像技術(shù)[9]，可以通過橫向弛豫時間T2的變化實時跟蹤樣品干燥過程中水分狀態(tài)變化情況，能快速、直觀地得到水分變化規(guī)律，隨著核磁技術(shù)的不斷發(fā)展，LF-NMR技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品的干燥、貯藏、加工和質(zhì)量評價等領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用[10,11]。迄今，未見有關(guān)LF-NMR應(yīng)用于蠶蛹在干燥過程中水分遷移變化規(guī)律的研究報道。

本文以新鮮蠶蛹為對象，采用低場核磁共振技術(shù)（LF-NMR）研究熱泵干燥（heat pump drying，HPD）和變溫壓差膨化干燥（explosion puffing drying，EPD）兩種干燥方式下蠶蛹的水分分布和遷移規(guī)律，結(jié)合干燥特性曲線及干燥過程中內(nèi)部水分狀態(tài)等參數(shù)，建立蠶蛹熱泵干燥（HPD）和變溫壓差膨化干燥（EPD）過程干基含水量和總峰面積A總之間的關(guān)系方程，以期為蠶蛹熱泵干燥和變溫壓差膨化干燥提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料

新鮮蠶蛹，蛋白質(zhì)含量20.67%，初始干基含水量3.24 g/g，取自廣西平樂國弘繭絲綢有限公司。

1.2 主要儀器設(shè)備

WRH-100AB型環(huán)閉除濕熱泵干燥機，正旭新能源設(shè)備科技有限公司；KAAE型變溫壓差膨化干燥機，江蘇楷益智能科技有限公司；JJ1000型電子天平，常熟市雙杰測試儀器廠；NMI20型核磁共振成像分析儀，蘇州（上海）紐邁電子科技有限公司；PH-070A型干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 原料處理

挑選大小均勻，新鮮的蠶蛹，采用熱泵干燥和變溫壓差膨化干燥方式對其進行干燥。

1.3.2 干燥方法

熱泵干燥：在恒定風(fēng)速，溫度為 80 ℃，裝載量為15 kg/m2，相對濕度為25%條件下進行干燥，每隔30 min取樣，進行LF-NMR測定，直至蠶蛹干基含水量降到0.05 g/g以下停止干燥。

變溫壓差膨化干燥：將裝載量為15 kg/m2的蠶蛹均勻平鋪于變溫壓差膨化機組膨化罐的鋼絲篩上，關(guān)閉罐門，打開蒸汽發(fā)生器，待罐內(nèi)溫度（膨化溫度）為80 ℃，膨化壓力達到0.3 MPa時保持10 min（停滯時間），打開泄壓閥，同時關(guān)閉蒸汽發(fā)生器，打開冷凝水，以抽空溫度達到80 ℃（干燥溫度），真空罐真空度為0.098 MPa，每保持30 min（干燥時間）取一次樣品，進行LF-NMR測定，直至蠶蛹干基含水量降到0.05 g/g以下停止干燥。

1.3.3 干基含水量

蠶蛹干基含水量采用GB 5009.3-2016《食品中水分的測定》中規(guī)定的直接干燥法測定，經(jīng)測定，蠶蛹初始干基含水量為3.24 g/g。干燥過程中，蠶蛹干基含水量根據(jù)式（1）計算：

式中：

M——干燥到t時刻的蠶蛹干基含水量，g/g；

mt——干燥到t時刻的蠶蛹質(zhì)量，g；

m——絕干蠶蛹的質(zhì)量，g[12]。

1.3.4 干燥速率

蠶蛹熱泵干燥和變溫壓差膨化干燥過程的干燥速率按式（2）計算。

式中：

DR——干燥速率，g/g·min；

Δt——相鄰2次測定的時間間隔，min；

Mt+Δt——干燥至t+Δt時刻的蠶蛹干基含水量，g/g；

Mt——干燥至t時刻的蠶蛹干基含水量，g/g[13]。

1.3.5 T2的采集及反演

參照盤喻顏等[7]的方法并作適當(dāng)修改，每隔 30 min取出樣品稱量后，置于核磁管中并放入磁體線圈中心，先用FID序列獲得樣品的中心頻率，再用CPMG脈沖序列測樣品中的橫向弛豫時間T2，每份樣品重復(fù)采集三次信號，并將結(jié)果取平均值。序列參數(shù)設(shè)置為：主頻SF1=18 MHz、偏移頻率O1=418100.47 kHz、90 °脈沖時間 P90=10 μs、180 °脈沖時間 P180=20 μs、采樣點數(shù)TD=240008、累加次數(shù)4次、回波時間TE=600 ms、回波次數(shù)=4000。

1.3.6 NMR成像實驗及參數(shù)設(shè)定

參照盤喻顏等[7]的方法并作適當(dāng)修改。將樣品放入磁體線圈中心進行信號采集，用核磁共振成像軟件中的SE序列來獲得可視化信息表，每隔20 min進行一次NMR成像，成像參數(shù)設(shè)置為：主頻SF1=18 MHz、偏移頻率O1=159.609 131 kHz、采樣點數(shù)TD=256、采樣頻率SW=20 kHz、采樣時間DW=50 μs、信號采樣總時間ACQ=12.8 ms、接收機死時間DT2=1.4 ms、模擬增益RG1=20 dB、數(shù)字增益DRG1=3 dB、選層方向 GsliceY=1、相位編碼方向 GphaseZ=1、頻率編碼方向 GreadX=1、90 °脈沖寬度 P1=1200 μs、180 °脈沖寬度 P2=1200 μs、90 °脈沖幅度 RFA1=3%、180 °脈沖幅度RFA2=6%、射頻脈沖形狀RFSH1為5sinc256、重復(fù)采樣次數(shù)NS=4、累加次數(shù)RP1count=4、相位編碼步數(shù)RP2count=128。

為保證數(shù)據(jù)的高精準性，對所得的峰面積和橫向弛豫時間進行標準化處理，得到每單位質(zhì)量樣品對應(yīng)的峰面積和橫向弛豫時間，峰面積A2和橫向弛豫時間T2標準化處理可分別表示為式（3）和式（4）：

式中：

At和Tt——分別為t時刻反演后的峰面積和橫向弛豫時間，ms；

A2和T2——分別為t時刻標準化處理后的峰面積和橫向弛豫時間，ms；

M2——對應(yīng)蠶蛹的質(zhì)量，g[7]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 19.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析處理，采用Duncan法進行多重比較，顯著性水平為p＜0.05，Origin 8.0繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 干燥方式對蠶蛹水分遷移規(guī)律的影響

2.1.1 干燥方式對干燥特性的影響

在“1.3.2干燥方法”規(guī)定的條件下，分別對蠶蛹進行熱泵干燥和變溫壓差膨化干燥，干燥過程的干燥曲線和干燥速率曲線見圖1a和1b。

由圖1a可知，從蠶蛹的干基含水量變化趨勢看，隨著干燥時間的延長，EPD和 HPD兩種干燥方式的蠶蛹干基含水量均持續(xù)降低，其中EPD蠶蛹干基含水量下降更明顯，水分遷移更快。在EPD和HPD兩種干燥方式下，蠶蛹干基含水量由3.24 g/g降至0.05 g/g以下所需時間分別為160和280 min，時間相差1.75倍。

由圖1b可知，EPD和HPD兩種干燥方式均有增速、降速兩個階段，在整個干燥過程中以降速干燥為主，干基含水量較高時，干燥速率大，隨著干基含水量的降低，干燥速率不斷減小。在降速階段，EPD干燥的干燥速率明顯高于 HPD干燥的干燥速率，這與吳釗龍等[4]研究不同干燥方式干燥蠶蛹的結(jié)果一致。主要是因為 EPD干燥是利用相變和氣體的熱壓效應(yīng)原理，使蠶蛹內(nèi)部的水分迅速升溫汽化，干燥速度加快[14]。

2.1.2 新鮮蠶蛹的 T2反演譜隨弛豫時間的變化

如圖2所示，反演后的新鮮蠶蛹的NMR T2反演圖譜有3個波峰，表明新鮮蠶蛹內(nèi)部存在3種不同水分狀態(tài)，3種不同水分狀態(tài)在T2反演圖譜中對應(yīng)的橫向弛豫時間T2范圍分別為結(jié)合水T21（0～2 ms）、不易流動水 T22（2～100 ms）、自由水 T23（100～1000 ms）[15]，對應(yīng)3個峰的峰面積分別為：49.531、661.651、1730.075，峰面積占比分別為2.03%、27.10%、70.87%。由此可見，新鮮蠶蛹中70%以上的水都是自由流動的水，只有不到 3%的水與蠶蛹中的大分子進行緊密的結(jié)合。

2.1.3 干燥方式對低場核磁共振圖譜的影響

蠶蛹熱泵干燥和變溫壓差膨化干燥過程的核磁共振波譜分別圖3a和3b。

T2與信號強度的關(guān)系曲線可以間接反映出蠶蛹中水分的含量、狀態(tài)和移動方式，T2越大，水分自由度越高，越容易排出；T2越小，水分與其他非水組分的結(jié)合越緊，水分自由度越小，越不容易排出；如圖3所示，隨著干燥時間延長，EPD和HPD兩種干燥方式的干燥過程中水分變化呈現(xiàn)出相似的趨勢，均發(fā)生了不同程度的遷移。一是峰位置逐漸左移，二是峰面積逐漸減小，即自由水含量不斷減少，同時水分與非水組分的結(jié)合程度越來越緊密，在干燥的前期過程中主要散失的是自由水，這與蔡路昀等[16]研究不同干燥方式對沙丁魚水分遷移規(guī)律影響的結(jié)果一致。

2.1.4 干燥方式對蠶蛹核磁信號幅度變化的影響

HPD與EPD兩種干燥方式對蠶蛹干燥過程中橫向弛豫時間 T21、T22、T23和峰面積 A21、A22、A23、A總的影響結(jié)果見表1。

橫向弛豫時間 T2反映了樣品內(nèi)部氫質(zhì)子的存在狀態(tài)和所處的化學(xué)環(huán)境，與氫質(zhì)子所受的束縛力有關(guān)，氫質(zhì)子受束縛力越小，水分越易脫去，T2弛豫時間越長，在T2圖譜上峰位置越靠右；反之氫質(zhì)子受束縛力越大，水分越難脫去，T2弛豫時間越短，在T2圖譜上峰位置越靠左[17]。

由表1可知，蠶蛹在EPD和HPD兩種干燥方式中，結(jié)合水橫向弛豫時間 T21、不易流動水橫向弛豫時間T22、自由水橫向弛豫時間T23均隨著干燥時間的延長呈下降趨勢。不同干燥時間T2反演譜中各個峰面積的大小可以表征含水量的多少（A21、A22、A23分別為峰T21、T22、T23的峰面積，A總為3個峰的總峰面積），新鮮蠶蛹中A23信號量大，占據(jù)了總水分信號量A總的主體。隨著干燥時間的延長，EPD和HPD兩種干燥過程中總峰面積A總均逐漸減小，結(jié)合水峰面積A21和不易流動水A22均呈先上升后下降的趨勢，自由水峰面積A23均呈下降趨勢，且均在蠶蛹干基含水量為0.12 g/g左右時，自由水的信號完全消失，同時不易流動水的波峰明顯左移。可見干燥破壞了蠶蛹內(nèi)部細胞結(jié)構(gòu)，對蠶蛹水分狀態(tài)的變化起明顯作用，在相同干燥時間下，EPD干燥的總峰面積低于HPD干燥，說明此干燥時間下EPD干燥的水分要低于熱泵干燥，這與干燥曲線的變化趨勢相一致，表明EPD干燥能夠有效增加樣品內(nèi)外水分梯度，加快內(nèi)部水分由內(nèi)往外遷移[15]。EPD和HPD兩種干燥最終階段，剩余總水分信號均以少量結(jié)合水和不易流動水為主，蠶蛹干制品達到安全水分，可實現(xiàn)安全儲藏。

表1 蠶蛹的水分分布在不同干燥方式下隨干燥時間的變化Table 1 The moisture distribution of silkworm pupa changes with the drying time under different drying methods

2.2 蠶蛹干基含水量和 T2反演譜總峰面積相關(guān)性分析

總峰面積表示樣品中的相對總含水量，通過定標曲線可以定量得到樣品中總含水量和不同狀態(tài)水分的含量[18]。為了研究蠶蛹EPD和HPD過程中T2反演譜總峰面積隨干基含水量變化的規(guī)律，建立了蠶蛹EPD和HPD過程A2與干燥過程中的實際干基含水量的關(guān)系方程見圖4。

由圖 4可知，EPD干燥的線性擬合方程為 A總=702.01x+173.92（R2=0.9997），HPD干燥的線性擬合方程為 A總=695.94x+229.24（R2=0.9968），兩者均具有較高的擬合度，其中EPD干燥擬合度高于HPD干燥擬合度，呈顯著的線性關(guān)系（p＜0.05），表明 EPD和HPD兩種不同干燥方式，蠶蛹干基含水量對T2反演譜總峰面積有顯著影響。所得模型可通過分析 T2反演圖譜結(jié)合線性方程間接計算蠶蛹干燥過程中任一時刻的干基含水量。

2.3 干燥方式對蠶蛹干燥過程中核磁共振成像的影響

蠶蛹熱泵干燥和變溫壓差膨化干燥過程的蠶蛹氫質(zhì)子成像分別圖5a和5b。

核磁共振成像（MRI）是根據(jù)不同位置的氫質(zhì)子共振頻率不同，獲得不同的磁共振信號強度，不僅能夠高效率、高精準、無損傷測定物料水分分布情況以及加工過程中的結(jié)構(gòu)變化，而且還能夠通過圖像的清晰度和亮度直觀地提供內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視化信息[19]。圖像的亮度與氫質(zhì)子的活躍程度及密度有關(guān)，圖像越亮，說明氫質(zhì)子的活躍程度越強，密度越高[20]。由圖5可知，隨著干燥時間的延長，蠶蛹在EPD和HPD干燥方式下，氫質(zhì)子密度圖像亮度均呈下降的趨勢，表明其內(nèi)部干基含水量逐漸減少；這與謝小雷等[21]報道的用MRI技術(shù)研究牛肉干燥過程中的H質(zhì)子密度圖像變化趨勢一致。

蠶蛹在EPD過程中干燥不均現(xiàn)象明顯，相對而言HPD的MRI圖信號分布均勻性更好一些。主要是因為EPD脆度大于HPD[4]，EPD能使蠶蛹內(nèi)部有膨化作用，使孔道擴充，質(zhì)地更加酥脆，以至于出現(xiàn)干燥不均現(xiàn)象。

3 結(jié)論

變溫壓差膨化干燥（EPD）在干燥過程中水分下降較快，其干燥速率也快于熱泵干燥（HPD）。新鮮蠶蛹內(nèi)部存在3種不同水分狀態(tài)，3種不同水分狀態(tài)在T2反演圖譜中對應(yīng)的橫向弛豫時間T2范圍分別為結(jié)合水 T21（0～2 ms）、不易流動水 T22（2～100 ms）、自由水T23（100～1000 ms），對應(yīng)3個峰的峰面積分別為：49.531、661.651、1730.075，峰面積占比分別為2.03%、27.10%、70.87%。蠶蛹隨著干燥時間的延長，EPD 和HPD2種干燥方式下T2弛豫時間均呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，一方面是峰位置向左遷移，另一方面是總峰面積A總不斷減小，水分的主要狀態(tài)逐步變成不易流動水和結(jié)合水。經(jīng)擬合，蠶蛹EPD和HPD過程干基含水量x和總峰面積A總之間的關(guān)系方程（定標曲線方程）分別為 A總=702.01x+173.92及 A總=695.94x+229.24，兩者均呈顯著的線性關(guān)系（p＜0.05），決定系數(shù)（R2）分別為0.9997和09968，但熱泵干燥（HPD）過程的氫質(zhì)子密度分布相對均勻。綜合考慮，EPD能更好描述蠶蛹干燥過程中水分遷移規(guī)律。