利用NMR研究赤蘚糖醇對糙米面包貯藏期間保水性的影響

楊 柳，陳宇飛，張 一

（吉林工商學院食品工程學院，吉林 長春 130062）

利用NMR研究赤蘚糖醇對糙米面包貯藏期間保水性的影響

楊 柳，陳宇飛，張 一

（吉林工商學院食品工程學院，吉林 長春 130062）

利用低場核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）及成像技術，研究赤蘚糖醇和蔗糖對糙米面包貯藏期間保水性的影響。通過檢測面包1H NMR弛豫時間、峰面積、核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）以及水分活度，得出貯藏期間面包結合水（弛豫時間T21）相對穩定，不易流動水（弛豫時間T22）和自由水（弛豫時間T23）逐漸減少，與蔗糖面包相比，添加赤蘚糖醇的面包具有高水分含量和低水分活度的特點，MRI同樣體現出添加赤蘚糖醇的面包具有良好的保水性。

低場核磁共振；赤蘚糖醇；核磁共振成像；弛豫時間；糙米面包；保水性

糙米（稻谷脫去稻殼后加工而成）作為一種極具發展潛力和食用價值的全谷食物成為各國營養專家向民眾推薦的健康食品[1]。糙米面包是以糙米和面粉混合作為主要原料加工而成的，與單純以面粉為主要原料加工的面包相比，具有更高營養價值。20世紀20年代，在面粉中摻入3%～5%糙米粉的糙米面包已經問世，但產品容易老化、比容小、食感發黏、易掉渣，加工過程中面包的吸水性差、延展性差[2]，使得糙米面包難以推廣。譚斌等[3]研究指出，糙米食品加工與推廣需要攻克利用現代食品科技手段在糙米食品口感與營養之間尋求一種最佳平衡，應用穩定化處理技術解決糙米產品貨架期等難題。

赤蘚糖醇即1′2′3′4-丁四醇，分子式為C4H10O4[4]，是一種采用生物技術生產的新型發酵型低熱量甜味劑，為白色結晶多醇類化合物。1999年6月國際食品添加劑專家委員會批準赤蘚糖醇作為食品甜味劑，根據肖素榮等[5]的研究，無需規定每日允許攝入量。龐明利等[6]研究發現，赤蘚糖醇溶點低、吸濕性低的特點，應用于焙烤食品，可防潮，延長食品貨架壽命。楊海軍等[7]研究指出，在蛋糕和餅干加工中，和蔗糖類產品比較，使用赤蘚糖醇的產品可以延長貨架期。赤蘚糖醇不僅可以抑制焙烤產品微生物增長，還可以較好地保持產品新鮮度和柔軟性。

測定食品中水分含量方法有很多，魏決等[8]采用常壓干燥法對面包水分進行了測定。趙俊芳等[9]采用紅外水分測定儀研究了面包在發酵、烘烤和冷卻過程中各層水分的變化規律。蔣耀庭等[10]研究了現代近紅外光譜分析在食品檢測中的應用。常壓干燥法[11]的測定結果經常與物質的實際含水量不符，紅外線加熱干燥[11]的缺點是受到樣品顆粒大小和形狀的限制，近紅外技術[12]受樣品厚度、形狀、顏色、大小的影響，而核磁共振（nuclermagnetic resonance，NMR）技術不受這些因素影響，在測量準確度和靈敏度上占有一定的優勢。

NMR是指具有固定磁矩的原子核，在恒定磁場與交變磁場作用下，與交變磁場發生能量交換的現象[13]。NMR技術是應用于食品領域的一項新技術，可以從微觀上研究食品內部水分分布和遷移情況，具有快速、無損、準確的特點[14]。NMR技術通常利用兩相體系來解釋弛豫現象，即假設體系中存在“束縛相”和“自由相”[15]。食品中大部分水處于自由狀態，弛豫性質類似于純水，另外還有一部分水與一些親水性基團結合而被束縛，運動受到限制。利用NMR技術測定反映水分子流動性的氫核的自旋-晶格弛豫時間T1和自旋-自旋弛豫時間T2，就可以測定食品中水分與一些親水性物質結合程度[16]。

本實驗以糙米面包為研究對象，采用NMR橫向弛豫時間（T2）的NMR圖譜和核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）圖譜，分析添加蔗糖和添加赤蘚糖醇的糙米面包貯藏期間保水性的變化，以期為糙米面包的開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

糙米購于黑龍江五常農家鮮米店；雞蛋、蔗糖、鹽、奶粉購于長春歐亞超市；改良劑、香精、奶油購于長春食品添加劑商店。

赤蘚糖醇（食品級） 山東三元生物科技股份有限公司；面包粉 山東鵬泰食品有限公司；酵母 安琪酵母股份有限公司。

1.2 儀器與設備

HWT-50型和面機 廣東穗華機械設備有限公司；FX-20醒發箱 廣東恒聯有限公司；SK-924G食品電烤爐 無錫新麥機械有限公司；CP214電子天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；XTY5102779水分活度測定儀 軒泰儀（北京）科技有限公司；20-Analyst MRI分析儀 蘇州紐曼電子科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 糙米面包配方

蔗糖糙米面包（以下簡稱蔗糖面包）配方：面粉800 g、糙米粉200 g、蔗糖200 g、奶粉40 g、鹽8 g、雞蛋1 個、水550 g、酵母35 g、改良劑5 g、香精5 g、奶油40 g。

赤蘚糖醇糙米面包（以下簡稱糖醇面包）配方：面粉800 g、糙米粉200 g、赤蘚糖醇200 g、，奶粉40 g、鹽8 g、雞蛋1 個、水550 g、酵母35 g、改良劑5 g、香精5 g、奶油40 g。

1.3.2 糙米面包制作工藝流程和操作要點

[17-18]的工藝流程和操作要點。

原輔料處理→面團調制→松弛→分塊、搓圓→醒發→烘烤→刷油→冷卻→成品

1.3.3 NMR檢測

1.3.3.1 樣品制備

選取同一批次加工的糙米面包，于室溫（20±1）℃條件下用塑料袋密封貯存。貯存期間，每隔24 h選取一個面包在中心部位切出長10～15 mm、寬5～10 mm、厚5～10 mm的長方形塊，置于玻璃試管中，用于NMR實驗。為最大程度減少樣品水分散失，樣品制備過程要迅速，待檢測樣品盡量保持形狀一致。為保證數據可靠，每次測定均固定在相同時間段，采用3 個平行樣品進行測試。

1.3.3.2 脈沖序列實驗

利用CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）脈沖序列實驗[19-20]測定樣品自旋-自旋弛豫時間（T2）。將處理好的樣品放入試管中，置于磁場中心位置，進行CPMG實驗。檢測結合水、不易流動水、自由水量的變化和運動性[21]。

實驗采用參數為：主頻23 MHz、偏移頻率75.487 4 kHz、90?脈沖時間15 μs、采樣點數172 620、重復時間1 500 ms、累加次數8、回波時間200 ms、回波數7 500。采用CPMG序列檢測樣品，利用擬合軟件得到橫向弛豫時間T2，通過反演軟件對T2數據進行反演計算，得到T21、T22、T23值。

1.3.3.3 MRI

自旋回波（spinecho，SE）實驗：采用SE成像序列對樣品進行質子密度的成像[22]。實驗參數為：主頻率23 MHz、偏移頻率75.487 4 kHz、重復時間300 ms、累加次數8、相位編碼頻數128、對灰度進行統一處理，像素平均值和基底像素平均值均統一，圖像最終以標準BMP的格式保存[23]。

1.3.4 水分活度

面包貯藏期間，每隔24 h用水分活度儀進行檢測[24]。

2 結果與分析

2.1 面包貯藏0 h的NMR圖譜

圖1 蔗糖面包貯藏0 h的NMR圖譜Fig.1 NMR profile of sugar bread stored for 0 h

由圖1可知，通過CPMG檢測，弛豫時間表示各種水的運動性，峰面積表示各種水含量。其中弛豫時間T21（0.1～1 ms）代表與蛋白質結合緊密的水分子層，即結合水[25]，A21代表結合水量；T22（4～15 ms）代表存在于肌纖維、肌原纖維及膜之間的相對穩定的水分，即不易流動水[25]，A22代表不易流動水量；T23（40～110 ms）代表細胞間隙可以自由流動的水分，即自由水[25]，A23代表自由水量；A24代表總水量。

2.2 面包貯藏期間弛豫時間、峰面積的檢測結果

2.2.1 貯藏期間結合水含量A21的變化

圖2 面包貯藏期間結合水含量A2121的變化Fig.2 Changes in bound water content (A2121) during storage

由圖2可知，貯藏期間兩種面包結合水量A21值差別較大。對于蔗糖面包，72 h內A21值相對穩定，略有下降，從72 h開始下降顯著，說明隨著貯藏時間延長，水分子逐漸脫離蛋白質分子的束縛而解離出來，尤其96 h之后，結合水下降幅度很大；糖醇面包A21值總體平穩，稍有降低，因為赤蘚糖醇是一種多羥基化合物[26]，可以氫鍵形式與水結合，既使在貯藏后期，結合水的水分脫離蛋白質的束縛，仍能與赤蘚糖醇相結合，體現出結合水量的相對穩定性。

2.2.2 貯藏期間不易流動水含量A22的變化

圖3 面包貯藏期間不易流動水含量A2222的變化Fig.3 Changes in immobilized water content A2222during storage

由圖3可知，貯藏期間面包不易流動水含量A22值呈下降趨勢。蔗糖面包48 h內水分下降明顯，48 h后下降趨勢稍緩，說明在貯藏初期，水分散失較快，不易流動水以較快速度遷移補充到自由水中，因此水分下降較快，后期不易流動水量減少，致使水分遷移減緩；糖醇面包A22值總體緩慢下降，并且在貯藏初期水分含量就高于蔗糖面包，這與赤蘚糖醇的多羥基具有保水性有關，48 h后，2 種面包水分含量差別更大。

2.2.3 貯藏期間自由水含量A23的變化

圖4 面包貯藏期間自由水含量A2323的變化Fig.4 Changes in free water content (A2323) during storage

由圖4可知，貯藏期間面包自由水含量A23值皆呈下降趨勢。蔗糖面包48 h內水分下降較少，是因為不易流動水遷移較快，補充了自由水，致使曲線相對平穩，48 h后水分下降明顯，因為水分遷移趨緩，失去了不易流動水的補充，96 h后，曲線再次平穩，說明自由水含量已經很低；糖醇面包水分亦呈下降趨勢，由于水分遷移及保水性，前期水分下降稍緩，96 h后水分下降明顯，接近蔗糖面包含水量，分析原因，可能是因為自由水運動性較強，赤蘚糖醇對于自由水的保水性低于不易流動水。

2.2.4 貯藏期間總水量A24的變化

圖5 面包貯藏期間總水量A2424的變化Fig.5 Changes in total water moisture (A2424) during storage

由圖5可知，貯藏期間面包總水量呈下降趨勢。糖醇面包比蔗糖面包水分含量高，并且隨著貯藏時間延長，更加明顯體現出在保質期后期，糖醇面包比蔗糖面包具有更好的品質，說明赤蘚糖醇具有良好的保水性能。

2.2.5 貯藏期間結合水運動性T21的變化

由圖6可知，貯藏期間面包結合水運動性T21相對穩定。蔗糖面包前期穩定，72 h后曲線上升明顯，說明結合水運動性增強，弛豫時間延長，結合水與蛋白質等大分子脫離，向外釋放，導致結合水向不易流動水轉化，這與面包貯藏后期結合水含量降低吻合，與郇延軍等[25]研究所得出的隨大分子降解，結合水量減少的觀點一致；糖醇面包曲線波動較小，弛豫時間較為穩定，且低于蔗糖面包，說明赤蘚糖醇具有降低水分運動性的作用，這與其具有保水性相一致。

圖6 面包貯藏期間結合水運動性T2121的變化Fig.6 Changes in bound water motility (T2121) during storage

2.2.6 貯藏期間不易流動水運動性T22的變化

圖7 面包貯藏期間不易流動水運動性T2222的變化Fig.7 Changes in immobilized water motility (T2222) during storage

由圖7可知，貯藏期間面包不易流動水運動性T22變化較為復雜。蔗糖面包運動性呈先上升再下降趨勢，說明貯藏開始的24 h內，不易流動水運動性增強，逐漸向自由水轉化，表現為弛豫時間延長，24 h后水分遷移減緩，流動性降低，弛豫時間開始下降；糖醇面包弛豫時間明顯小于蔗糖面包，且48 h內相對穩定，以后逐漸下降，弛豫時間變小，水的運動性減弱，說明赤蘚糖醇具有降低水分運動性的功能。

2.2.7 貯藏期間自由水運動性T23的變化

圖8 面包貯藏期間自由水運動性T2323的變化Fig.8 Changes in free water motility (T2323) during storage

由圖8可知，貯藏期間面包自由水運動性T23呈下降趨勢。在相同貯藏時間內，糖醇面包弛豫時間明顯低于蔗糖面包，96 h后，趨勢更加明顯，到120 h，弛豫時間為14.6 ms，已經進入T22范圍內，說明自由水已經基本蒸發，這與A23自由水含量后期急劇下降相吻合，之后水分不易再減少，說明自由水運動性的降低，主要是自由水含量下降引起的，體現了赤蘚糖醇的保水性；蔗糖面包弛豫時間下降緩慢，即使在水分含量較低的情況下，仍在蒸發水分。

2.3 MRI圖譜

MRI是一種無損檢測的新方法，能得到樣品內部的質子密度圖，反映樣品中氫質子的分布，通常氫質子越密集的區域，質子密度圖譜越亮，表明該區域水分含量越高，因此通過測定圖譜的灰度值可以反映樣品的水分含量[27]。

圖9 糙米面包貯藏期間MRI圖MRIFig.9 MRI profiles of brown bread during storage

由圖9可知，隨貯藏時間延長，圖像逐漸變暗，即貯藏期間水分含量呈下降趨勢。48 h內變暗較為緩慢，48 h后變暗明顯，說明前期自由水下降較少，后期下降較快，這與不易流動水水分遷移變化相一致；相同貯藏時間，糖醇面包比蔗糖面包亮度高，說明水分含量多，體現了赤蘚糖醇的保水性，后期亮度差別更加明顯，這與總水量A24的變化相符。

2.4 水分活度檢測結果

圖10 貯藏期間面包水分活度的變化Fig.10 Changes in water activity during storage

由圖10可知，貯藏期間面包水分活度呈下降趨勢，這與面包總水分含量變化具有相關性。在相同貯藏時間，糖醇面包比蔗糖面包水分活度低，說明具有更長的貨架期。因為糖醇面包具有高水分含量、低水分活度的特點，因此在保證糙米面包具有較好口感和較低硬度的同時，延長了貨架期，保證了面包的品質。

3 結 論

本實驗通過利用NMR及其成像技術，對添加赤蘚糖醇糙米面包和添加蔗糖糙米面包在貯存期間水分含量、水分運動性進行了研究，并與水分活度檢測結果進行對比。研究發現：

1）貯藏期間，糖醇面包結合水含量A21相對穩定，蔗糖面包的結合水含量A21逐漸下降，后期下降明顯；蔗糖面包的不易流動水含量A22呈下降趨勢，且先急后緩，糖醇面包緩慢下降；自由水含量A23都呈下降趨勢，蔗糖面包先緩后急；總水量A24都呈下降趨勢，相同貯藏時間，糖醇面包水分含量均高于蔗糖面包。

2）弛豫時間T21表明，蔗糖面包后期運動性升高，說明結合水與大分子發生分離，而糖醇面包相對穩定；弛豫時間T22表明2種面包的不易流動水運動性皆呈下降趨勢，而蔗糖面包先升高，后下降；弛豫時間T23表明2種面包的自由水運動性呈下降趨勢，糖醇面包下降明顯，120 h時弛豫時間達14.6 ms。

3）利用MRI技術研究了水分的變化，水分含量隨貯藏時間延長逐漸下降，貯藏時間相同時，糖醇面包比蔗糖面包具有更多的水分。水分活度的檢測得出了糖醇面包比蔗糖面包水分含量高、水分活度低。

通過以上實驗數據得出，赤蘚糖醇具有較好的保水性，并能降低水分的運動性，添加在糙米面包中，在保證面包具有較好的口感和較低硬度的同時能延長貨架期，具有更優良的品質。但是赤蘚糖醇添加量對糙米面包貯藏期間保水性的影響需要進行后續的深入研究。

參考文獻：

[1] 李瑞貞′劉玉環′韓東平′等. 糙米主食和糙米休閑食品開發現狀[J]. 食品科學′2008′29(8): 676-679.

[2] SIVARAMAKRISHNANA H SENGEB B CHATTOPADHYAY P Rheological properties of rise dough for making rice bread[J]. Food Engineering′2004′62(1): 37-45.

[3] 譚斌′劉明′吳娜娜′等. 發展糙米全谷物食品改善國民健康狀況[J]. 食品與機械′2012′28(5): 2-5.

[4] 蔡威′張建志′江正強′等. 梅利斯叢梗孢酵母發酵生產赤蘚糖醇的條件優化[J]. 食品科學′2013′34(21): 259-263. doi: 10.7506/ spkx1002-6630-201321052.

[5] 肖素榮′李京東. 赤蘚糖醇的特性及應用[J]. 中國食物與營養′2008′5(5): 26-28.

[6] 龐明利′楊海軍. 赤蘚糖醇的功能研究及應用分析[J]. 食品安全導刊′2011′6(6): 64-65.

[7] 楊海軍′蔡榮. 焙烤糖制食品的新型功能性配料[J]. 中外食品′2006′5(5): 56-58.

[8] 魏決′羅雯. β-葡聚糖對改善面包品質的研究[J]. 食品科技′2010′35(11): 174-178.

[9] 趙俊芳′呂銀德′豆康寧′等. 面包加工工藝中水分的變化研究[J]. 食品研究與開發′2013′34(17): 1-3.

[10] 蔣耀庭′梁承紅′陳菊娜. 現代近紅外光譜分析在食品檢測中的應用[J]. 糧食與食品工業′2010′17(1): 51-54.

[11] 陳衛江′林向陽′阮榕生′等. 核磁共振技術無損快速評價食品水分的研究[J]. 食品研究與開發′2006′27(4): 125-127.

[12] 孫通′徐惠榮′應義斌. 近紅外光譜分析技術在農產品/食品品質在線無損檢測中的應用研究進展[J]. 光譜學與光譜分析′2009′29(1): 122-126.

[13] 阮榕生′林向陽′張錦勝′等. 核磁共振技術在食品和生物體系中的應用[M]. 北京: 中國輕工業出版社′2009: 1.

[14] 林向陽′張宏′林玲′等. 利用核磁共振技術研究添加劑對面團持水性的影響[J]. 食品科學′2008′29(10): 353-356.

[15] 俎棟林. 核磁共振成像學[M]. 北京: 高等教育出版社′2004: 46-53.

[16] 林向陽′何承云′陳衛江′等. 核磁共振研究蔗糖對面團中分子流動性的影響[J]. 中國食品學報′2006′6(1): 30-34.

[17] 熊蘭′李百順′袁美蘭. 糙米面包的研制[J]. 農業機械′2012′27(9): 92-95. [18] 李次力′王茜. 發芽糙米面包的研制[J]. 食品科學′2009′30(18): 436-439.

[19] 張錦勝. 核磁共振及其成像技術在食品科學中的應用研究[D]. 南昌: 南昌大學′2007: 20-22.

[20] 王娜′陳衛江′林向陽′等. 核磁共振及成像技術中的基本序列在食品中的應用[J]. 農產品加工: 學刊′2006′39(6): 11-15.

[21] 李資玲′劉成梅′萬婕′等. 核磁共振研究膳食纖維面包制作過程的水分遷移行為[J]. 食品科學′2007′28(10): 127-130.

[22] 張錦勝′林向陽′阮榕生′等. 磁共振成像之SE序列在食品質量評估中的應用[J]. 農產品加工: 學刊′2005′38(5): 11-13.

[23] 林向陽′陳衛江′何承云′等. 核磁共振及其成像技術在面團形成過程中的研究[J]. 中國糧油學報′2006′21(6): 163-167.

[24] 劉長虹. 食品分析及實驗[M]. 北京: 化學工業出版社′2006: 84-85.

[25] 郇延軍′閆曉蕾′孫冬梅′等. 核磁共振法研究山梨糖醇對發酵香腸的保水性和質構的影響[J]. 食品科學′2013′34(1): 22-26.

[26] 谷微微. 假絲酵母發酵生產赤蘚糖醇工藝優化研究[D]. 長春: 吉林農業大學′2007: 1.

[27] 李銀′李俠′張春暉′等. 利用低場核磁共振技術測定肌原纖維蛋白凝膠的保水性及其水分含量[J]. 現代食品科技′2013′29(11): 2777-2781.

Nuclear Magnetic Resonance (NMR Studies of the Effect of Erythritol on Water-Retaining Property of Brown Rice Bread during Storag

YANG Liu CHEN Yufei ZHANG Yi
(School of Food Engineering Jilin Business and Technology College Changchun 130062′China)

The effect of erythritol on water-retaining property of brown rice bread during storage was studied by measuring relaxation time peak area and water activity using low-field nuclear magnetic resonance (NMR and magnetic resonance imaging (MRI). Results showed that the bound water (T21) of bread was stable while the immobilized water (T22) and free water (T23) were dwindling Compared with sugar bread erythritol incorporated bread had higher water content and lower water activity MRI also suggested that erythritol incorporated bread had a better water-retaining property.

nuclear magnetic resonance (NMR); erythritol magnetic resonance imaging (MRI); relaxation time brown bread water-retaining property

TS207.3

A

1002-6630（2015）06-0262-05

10.7506/spkx1002-6630-201506050

2014-05-08

楊柳（1975—），女，副教授，本科，研究方向為食品科學。E-mail：yl0313@163.com