基于低場(chǎng)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(dòng)聽(tīng)，任愛(ài)清

（1.麗水市農(nóng)林科學(xué)研究院，浙江 麗水 323000；2.賀州學(xué)院 食品與生物工程學(xué)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(guó)有長(zhǎng)期廣泛的食用習(xí)慣。黑木耳采收后一般通過(guò)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(shí)值冬春季，此時(shí)常有連續(xù)降雨，氣候溫?zé)岢睗瘢缬龃颂鞖猓匀涣罆耠y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(duì)人工干燥技術(shù)需求強(qiáng)烈。李文麗等人[3]對(duì)黑木耳進(jìn)行變溫調(diào)濕干燥試驗(yàn)，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(yíng)蓬等人[4]對(duì)黃背木耳進(jìn)行變溫?zé)犸L(fēng)干燥工藝比較，以達(dá)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(chǎng)核磁研究木耳的干燥特性未見(jiàn)報(bào)道。以南方木耳為試驗(yàn)對(duì)象，觀察木耳在差異較大的高低溫?zé)犸L(fēng)及日曬環(huán)境中的干燥過(guò)程，采用低場(chǎng)核磁共振（LF-NMR）和成像技術(shù)（MRI）探索黑木耳在熱力干燥過(guò)程中水分變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(fēng)干燥箱，常州丹瑞實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品；MA150 型高精度快速水分測(cè)定儀，賽多利斯產(chǎn)品；JA31002 型電子天平，上海光學(xué)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(yàn)方法

1.3.1 樣品處理

選擇5～7 cm 大小勻整、單碗狀、無(wú)破損的耳片進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3.2 試驗(yàn)方法

（1）試驗(yàn)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(jìn)行干燥，同批次木耳以同樣攤晾方式放至室外晴天晾曬（當(dāng)天氣溫23 ℃，濕度50%RH）。干燥前先測(cè)得黑木耳的初始濕基含水量，試驗(yàn)過(guò)程中每隔1 h 測(cè)量樣品質(zhì)量，直至濕基含水率≤10.0%為止，測(cè)定終點(diǎn)木耳片的濕基含水率。試驗(yàn)平行3 組重復(fù)，取其平均值，確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確率和嚴(yán)謹(jǐn)性。

取以上試驗(yàn)步驟同步進(jìn)行中的固定耳片，每隔1 h 用低場(chǎng)核磁測(cè)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(qiáng)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(jī)寬帶SW=200 kHz，重復(fù)采樣間隔時(shí)間TW=2 000 ms，射頻延時(shí)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(shí)間TE=0.3 ms，回波個(gè)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(jìn)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(biāo)測(cè)定。濕基含水量采用MX150 水分測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定，記錄為濕基含水量Wt。

黑木耳干基含水量Wt 的計(jì)算見(jiàn)公式（1）[5]：

黑木耳干燥速率的計(jì)算見(jiàn)公式（2）[6]：

式中：DR——干燥速率，gH2O/g·h；

dt——2 次相鄰時(shí)間之差，h；

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

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥過(guò)程水分變化

不同溫度下黑木耳熱泵干燥曲線見(jiàn)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(shí)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(shì)，黑木耳含水量下降得更快，可見(jiàn)溫度升高讓黑木耳的表面水分和內(nèi)部傳熱過(guò)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(dāng)增加干燥溫度可以有效降低干燥時(shí)間。在試驗(yàn)中，利用40 ℃的熱風(fēng)干燥的干燥曲線更為平坦，干燥更溫和，所需的干燥時(shí)間較日曬更長(zhǎng)，分析其原因主要為日曬當(dāng)天天氣晴好、空氣濕度低、風(fēng)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(guò)程干燥速率變化

試驗(yàn)中，當(dāng)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(jiàn)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(yàn)中黑木耳干燥過(guò)程以降速階段為主，結(jié)合后期試驗(yàn)，在縮短測(cè)量時(shí)間增加稱重頻率時(shí)結(jié)果較為明顯，顯示主要有加速期和降速期2 個(gè)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(méi)有明顯的恒速期，考慮原因?yàn)楹谀径鷥?nèi)部存在系水性強(qiáng)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(kuò)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(shí)間T2 圖譜

黑木耳不同干燥環(huán)境中T2反演圖譜隨干燥時(shí)間的變化見(jiàn)圖3。

圖3 黑木耳不同干燥環(huán)境中T2 反演圖譜隨干燥時(shí)間的變化

利用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)可獲取復(fù)水黑木耳的T2反演圖譜，當(dāng)中的弛豫時(shí)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(guò)程中，通過(guò)圖3 反演圖譜可知，主要存在2～3 個(gè)波峰，每一個(gè)波峰對(duì)應(yīng)著一種水分狀態(tài)，每一個(gè)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(shí)間T2越短，說(shuō)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(dòng)水，T23（75～305 ms）表示流動(dòng)性較強(qiáng)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(guò)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(dòng)，隨著溫度的升高，峰面積逐漸減小，失水量增加，對(duì)應(yīng)的干燥時(shí)間縮短。由此可見(jiàn)，木耳中水的分布是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，黑木耳沒(méi)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(huì)形成相互滲透的局面，所以在反演圖譜中會(huì)出現(xiàn)2 個(gè)峰和3 個(gè)峰交相存在[11]。

3 種狀態(tài)水在物料干燥過(guò)程中的變化規(guī)律見(jiàn)圖4。

圖4 3 種狀態(tài)水在物料干燥過(guò)程中的變化規(guī)律

以40 ℃烘干過(guò)程為例，圖4 顯示了3 種狀態(tài)的水分在干燥過(guò)程中的變化規(guī)律。隨著物料脫水進(jìn)程，整體水分含量下降，其中自由水下降速度遠(yuǎn)大于束縛水與結(jié)合水，即在脫水過(guò)程中，主要脫水以自由水為主，束縛水其次，結(jié)合水的絕對(duì)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(gè)波交相存在的體現(xiàn)。計(jì)算3 種狀態(tài)的水實(shí)時(shí)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(yuǎn)高于其他2 種形態(tài)的水。

2.4 干燥過(guò)程的T1 加權(quán)成像圖

黑木耳不同溫度干燥過(guò)程的T1加權(quán)成像圖見(jiàn)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(guò)成像圖可直觀地知道物料在干燥過(guò)程中不同時(shí)間段水分子的空間分布情況。對(duì)比3 種干燥過(guò)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(shí)間越短[12]。當(dāng)烘干溫度為40 ℃時(shí)，H 質(zhì)子消失速率較慢，較之60 ℃時(shí)消失得更快，說(shuō)明溫度對(duì)于黑木耳內(nèi)部水分遷移起作用。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著干燥時(shí)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(lái)說(shuō)，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(guò)看加權(quán)成像圖變?yōu)楸尘吧膳袛喔稍锝咏笃谕瓿呻A段。對(duì)比3 個(gè)系列的加權(quán)成像圖，驗(yàn)證了前述物料干基含水量隨時(shí)間減少的結(jié)論，結(jié)合產(chǎn)品外觀，也可見(jiàn)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(jìn)行卷曲收縮[13]。

圖5 黑木耳不同溫度干燥過(guò)程的T1 加權(quán)成像圖

3 結(jié)論

（1）隨著干燥時(shí)間延長(zhǎng)，黑木耳含水率逐漸降低，高溫環(huán)境可使干燥進(jìn)程顯著加快，當(dāng)烘干環(huán)境溫度較低時(shí)，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(guò)程中存在2 個(gè)階段，加速干燥和降速干燥階段，以降速階段為主。

（3）通過(guò)低場(chǎng)核磁圖譜橫向馳豫時(shí)間可見(jiàn)，黑木耳存在著自由水、結(jié)合水和不易流動(dòng)水3 種狀態(tài)的水分，不同狀態(tài)的水分在干燥的過(guò)程中存在轉(zhuǎn)化。隨著脫水進(jìn)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(jìn)行從外到內(nèi)水分逐漸失去，根蒂內(nèi)部最后失水。