基于低場核磁的黑木耳干燥失水規(guī)律研究

李偉榮，路新彥，黃 莎，楊動聽，任愛清

（1.麗水市農(nóng)林科學研究院，浙江 麗水 323000；2.賀州學院 食品與生物工程學院，廣西 賀州 542899）

0 引言

黑木耳（Auricularia auricular）是世界上四大栽培食用菌之一，富含鐵、鈣、鉀等礦物質(zhì)，熱量低，膳食纖維含量高，必需氨基酸含量亦非常豐富[1-2]，在我國有長期廣泛的食用習慣。黑木耳采收后一般通過自然晾曬干制，但不同于北方木耳產(chǎn)出季干燥的易干環(huán)境，南方木耳的產(chǎn)出時值冬春季，此時常有連續(xù)降雨，氣候溫熱潮濕，如遇此天氣，自然晾曬難度大，木耳容易出現(xiàn)發(fā)霉、自溶等現(xiàn)象，耳農(nóng)收益受損，因此在南方，對人工干燥技術(shù)需求強烈。李文麗等人[3]對黑木耳進行變溫調(diào)濕干燥試驗，獲得在外形、多糖含量和干濕比上更接近自然晾曬品質(zhì)的產(chǎn)品。盧營蓬等人[4]對黃背木耳進行變溫熱風干燥工藝比較，以達到降低能耗的目的，以上研究均表明了熱力干燥木耳的可行性，但使用低場核磁研究木耳的干燥特性未見報道。以南方木耳為試驗對象，觀察木耳在差異較大的高低溫熱風及日曬環(huán)境中的干燥過程，采用低場核磁共振（LF-NMR）和成像技術(shù)（MRI）探索黑木耳在熱力干燥過程中水分變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

浙江省麗水龍泉八都黑木耳栽培基地，1 月份采摘，平均含水率（濕基）為89%±3%。

1.2 設(shè)備與儀器

DR101.2AA 型鼓風干燥箱，常州丹瑞實驗儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品；MA150 型高精度快速水分測定儀，賽多利斯產(chǎn)品；JA31002 型電子天平，上海光學儀器一廠產(chǎn)品；NMI20-060H-I 型核磁共振分析儀，蘇州紐邁分析儀器股份有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品處理

選擇5～7 cm 大小勻整、單碗狀、無破損的耳片進行試驗。

1.3.2 試驗方法

（1）試驗步驟。精確稱取1.3.1 樣品處理好的木耳樣品1 500.00 g，攤平，盡量不重疊，烘箱溫度分別于40，60 ℃下進行干燥，同批次木耳以同樣攤晾方式放至室外晴天晾曬（當天氣溫23 ℃，濕度50%RH）。干燥前先測得黑木耳的初始濕基含水量，試驗過程中每隔1 h 測量樣品質(zhì)量，直至濕基含水率≤10.0%為止，測定終點木耳片的濕基含水率。試驗平行3 組重復(fù)，取其平均值，確保試驗的準確率和嚴謹性。

取以上試驗步驟同步進行中的固定耳片，每隔1 h 用低場核磁測定水分分布和成像處理。

核磁共振分析儀設(shè)置：共振頻率21 MHz，磁體強度0.5 T，線圈直徑40 mm，磁體溫度32±0.01 ℃。CPMG 序列：射頻頻率的主值SF=21 MHz，射頻頻率的偏移量O1=245 869.1 Hz，硬脈沖90 度脈寬P1=10.52 μs，硬脈沖180 度脈寬P2=20 μs，接收機寬帶SW=200 kHz，重復(fù)采樣間隔時間TW=2 000 ms，射頻延時RFD=0.08 ms，模擬增益RG1=20 dB，數(shù)字增益DRG1=1，前置放大增益PRG=1，累加采樣次數(shù)NS=8，回波時間TE=0.3 ms，回波個數(shù)NECH=15 000。

成像由相隔15 min 使用核磁成像分析軟件中的多層自旋回波（SE）序列進行。SE 序列：SF=21 MHz，O1=245 869.1 Hz，GxOffset=100，GyOfftset=20，GzOfftset=40，TR=1 000 ms，TE=5.89 ms，RG1=20 dB，DRG1=5，PRG=1，NS=4，Slice Width=60 mm，Slice Size=1，F(xiàn)OVRead=100 mm，F(xiàn)OVPhase=100 mm。

（2）指標測定。濕基含水量采用MX150 水分測定儀進行測定，記錄為濕基含水量Wt。

黑木耳干基含水量Wt 的計算見公式（1）[5]：

黑木耳干燥速率的計算見公式（2）[6]：

式中：DR——干燥速率，gH2O/g·h；

dt——2 次相鄰時間之差，h；

（3）數(shù)據(jù)處理。試驗數(shù)據(jù)采用Excel 處理，用Origin 2018 軟件對圖形繪制進行平滑、去基線等處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥過程水分變化

不同溫度下黑木耳熱泵干燥曲線見圖1。

圖1 不同溫度下黑木耳熱泵干燥曲線

由圖1 可知，3 種干燥方式中干基含水量隨著黑木耳的干燥時間減少，60 ℃環(huán)境中干基含水量干燥曲線變化呈現(xiàn)陡峭趨勢，黑木耳含水量下降得更快，可見溫度升高讓黑木耳的表面水分和內(nèi)部傳熱過程加快[4]。因此，在同樣攤料密度的情況下，在不影響最終木耳耳片外觀的前提下，適當增加干燥溫度可以有效降低干燥時間。在試驗中，利用40 ℃的熱風干燥的干燥曲線更為平坦，干燥更溫和，所需的干燥時間較日曬更長，分析其原因主要為日曬當天天氣晴好、空氣濕度低、風速較大、排濕效果極好，而烘箱內(nèi)濕度排出緩慢，溫濕度記錄儀顯示箱里前4 h 的濕度均大于70%RH。

2.2 干燥過程干燥速率變化

試驗中，當木耳在40，60 ℃的烘箱烘干及日曬至濕基含水約10%的狀態(tài)，平均干燥速率分別為0.914，1.489，1.156 gH2O/g·h。

不同溫度下黑木耳熱泵干燥速率曲線見圖2。

圖2 不同溫度下黑木耳熱泵干燥速率曲線

由圖2 可知，試驗中黑木耳干燥過程以降速階段為主，結(jié)合后期試驗，在縮短測量時間增加稱重頻率時結(jié)果較為明顯，顯示主要有加速期和降速期2 個階段，與劉清斌等人[7]的研究結(jié)果相似，與其他菌類相比，黑木耳沒有明顯的恒速期，考慮原因為黑木耳內(nèi)部存在系水性強的膠質(zhì)類物質(zhì)[8]，導(dǎo)致其黑木耳表面的水分汽化速率高于內(nèi)部水分向外擴散的速度。溫度變高或表面的濕度降低有益于增加水分傳遞的速率。

2.3 干燥橫向弛豫時間T2 圖譜

黑木耳不同干燥環(huán)境中T2反演圖譜隨干燥時間的變化見圖3。

圖3 黑木耳不同干燥環(huán)境中T2 反演圖譜隨干燥時間的變化

利用低場核磁共振技術(shù)可獲取復(fù)水黑木耳的T2反演圖譜，當中的弛豫時間反映了水分狀態(tài)，峰面積顯示了不同溫度下水分的含量[9]。黑木耳在干燥過程中，通過圖3 反演圖譜可知，主要存在2～3 個波峰，每一個波峰對應(yīng)著一種水分狀態(tài)，每一個狀態(tài)的水與物料緊密結(jié)合的程度是不一樣，橫向馳豫時間T2越短，說明與物料結(jié)合越緊密，即T21（0.2～5.0 ms）代表結(jié)合水，T22（5～75 ms）代表被一定束縛力約束的不易流動水，T23（75～305 ms）表示流動性較強的自由水，與此相呼應(yīng)的是黑木耳中的膠體結(jié)合水在干燥過程中較難去除，反之越容易[10]。

由圖3 可知，反演圖譜顯示出所有的峰都是逐漸向左移動，隨著溫度的升高，峰面積逐漸減小，失水量增加，對應(yīng)的干燥時間縮短。由此可見，木耳中水的分布是一個動態(tài)過程，黑木耳沒有恒速階段，并且干燥初期自由水脫除快，后面逐漸降速，結(jié)合水存在較為穩(wěn)定，結(jié)果與前面木耳的干燥速率變化相印證。3 種狀態(tài)的水分會形成相互滲透的局面，所以在反演圖譜中會出現(xiàn)2 個峰和3 個峰交相存在[11]。

3 種狀態(tài)水在物料干燥過程中的變化規(guī)律見圖4。

圖4 3 種狀態(tài)水在物料干燥過程中的變化規(guī)律

以40 ℃烘干過程為例，圖4 顯示了3 種狀態(tài)的水分在干燥過程中的變化規(guī)律。隨著物料脫水進程，整體水分含量下降，其中自由水下降速度遠大于束縛水與結(jié)合水，即在脫水過程中，主要脫水以自由水為主，束縛水其次，結(jié)合水的絕對質(zhì)量基本保持穩(wěn)定，其間甚至有少量增加，此現(xiàn)象即反演圖譜中幾個波交相存在的體現(xiàn)。計算3 種狀態(tài)的水實時占總水量的百分比可以明顯看出，最大的自由水隨著水分的減少，占比逐步減少，而結(jié)合水和束縛水占比緩慢增加，結(jié)合水只有物料含水量低于50%后有所減少，干品中結(jié)合水的含量遠高于其他2 種形態(tài)的水。

2.4 干燥過程的T1 加權(quán)成像圖

黑木耳不同溫度干燥過程的T1加權(quán)成像圖見圖5。

由圖5 可知，白亮色代表物料內(nèi)部水分較多，黑色為背景色。通過成像圖可直觀地知道物料在干燥過程中不同時間段水分子的空間分布情況。對比3 種干燥過程下的成像圖變化發(fā)現(xiàn)，黑木耳內(nèi)部水分隨著溫度愈高，失水程度愈大，H 質(zhì)子消失速度越快，流失水分的速率就越快，圖像中物料亮度下降得越快，變?yōu)楸尘吧臅r間越短[12]。當烘干溫度為40 ℃時，H 質(zhì)子消失速率較慢，較之60 ℃時消失得更快，說明溫度對于黑木耳內(nèi)部水分遷移起作用。同時發(fā)現(xiàn)，隨著干燥時間增加，黑木耳的水分都是從外向木耳根蒂方向失水，黑木耳邊緣位置最先失水，干燥最快，一般來說，木耳耳片的厚度是邊緣薄耳蒂厚，耳片表面為革質(zhì)，中間為膠質(zhì)物質(zhì)，耳蒂厚含大量膠質(zhì)物，內(nèi)部水分脫除較困難。通過看加權(quán)成像圖變?yōu)楸尘吧?，可判斷干燥接近后期完成階段。對比3 個系列的加權(quán)成像圖，驗證了前述物料干基含水量隨時間減少的結(jié)論，結(jié)合產(chǎn)品外觀，也可見水分子外遷產(chǎn)生的應(yīng)力效應(yīng)使菌體組織結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)不斷進行卷曲收縮[13]。

圖5 黑木耳不同溫度干燥過程的T1 加權(quán)成像圖

3 結(jié)論

（1）隨著干燥時間延長，黑木耳含水率逐漸降低，高溫環(huán)境可使干燥進程顯著加快，當烘干環(huán)境溫度較低時，排濕成為影響干燥速率更重要的影響因素。

（2）黑木耳在干燥的過程中存在2 個階段，加速干燥和降速干燥階段，以降速階段為主。

（3）通過低場核磁圖譜橫向馳豫時間可見，黑木耳存在著自由水、結(jié)合水和不易流動水3 種狀態(tài)的水分，不同狀態(tài)的水分在干燥的過程中存在轉(zhuǎn)化。隨著脫水進程，物料整體水分含量下降，脫水以自由水為主，束縛水其次，結(jié)合水較難脫除。

（4）加權(quán)成像圖顯示，黑木耳隨干燥進行從外到內(nèi)水分逐漸失去，根蒂內(nèi)部最后失水。