食用菌恒溫干燥過程中MRI成像及水分遷移變化

石芳，肖星凝，李瑤，楊雅軒，郭曉暉，吳素蕊，明建,3*

1(西南大學食品科學學院，重慶,400715)2(中華全國供銷合作總社昆明食用菌研究所，云南 昆明, 650223) 3(重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶,400715)

食用菌恒溫干燥過程中MRI成像及水分遷移變化

石芳1，肖星凝1，李瑤1，楊雅軒1，郭曉暉1，吳素蕊2，明建1,3*

1(西南大學食品科學學院，重慶,400715)2(中華全國供銷合作總社昆明食用菌研究所，云南 昆明, 650223) 3(重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶,400715)

利用低場核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance, LF-NMR)技術研究了7種食用菌(茶樹菇、杏鮑菇、金針菇、雙孢蘑菇、蟹味菇、香菇、花菇)在恒溫干燥過程中內部水分分布和遷移規律。自旋-自旋弛豫測定結果顯示，食用菌中主要存在3種組成水：自由水、不易流動水和結合水，干燥主要脫除了自由水和不易流動水，結合水無明顯變化。通過核磁共振成像(nuclear magnetic resonance imaging, MRI)進一步發現，7種食用菌內部水分分布都不均勻，且不同食用菌水在同一階段水分流失速度不盡相同。LF-NMR技術成功實現了食用菌干燥過程中內部水分的在線監測，為食用菌干燥工藝提供了理論依據。

食用菌；低場核磁共振；核磁共振成像；水分遷移；干燥

食用菌是指可供人們食用的多種真菌的統稱，含有豐富的蛋白質，維生素，和礦物質等，不僅味道鮮美，還具有抗腫瘤、抗氧化、降血脂、增強免疫等[1-6]生理功能，聯合國糧農組織指出21世紀最為合理均衡的膳食結構為一葷一素一菌，可見食用菌具有極大的市場前景。中國是食用菌生產大國，占全球產量比例超過70%，其中蘑菇、金針菇、黑木耳等產品的產量均居世界第一位[7]。近年來我國食用菌一直處于出口霸主地位[8]。但是新鮮食用菌含水量在70%～95%之間[9]。常溫下不耐貯存，易腐敗變質，嚴重阻礙了食用菌的銷售，降低其商業價值[10]。干燥是有效控制水分，延長食用菌貨架期的重要手段。目前，熱風干燥是食用菌最常用的干燥工藝[11]，具有操作性強，成本低等優點。但干燥是一種高能耗的操作，我國干燥操作的能耗占總能耗的10%，且溫度過高易導致物料表面硬化，感官品質降低。因此，需要選擇適當的方法研究干燥過程中物料理化性質的變化規律，如水分的分布、轉移與干燥條件的關系，進而調整干燥過程中相關的工藝參數，提高食用菌干制品品質。

核磁共振是利用磁性原子核在外加磁場中吸收射頻脈沖能量，在相鄰能級發生躍遷，產生共振，從而捕捉信號并加以分析檢測的一種新興技術[12]。通過低場核磁共振中弛豫時間T2的變化從而分析水分子的存在狀態及遷移規律[13-14]，同時利用核磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)可以直觀的了解物料內部水分分布情況，觀察物料內部水分廓線特征和變化規律[15]。核磁共振技術因具有測量迅速、準確、無損樣品、多角度獲取信息等[16]優點，越來越受到食品領域學者的重視，目前，NMR技術已成功用于肉類的反復凍融過程[17-18]，果蔬貯藏過程[19-20]，肉類[21-22]、谷物[23-24]、果蔬[25-26]、奶酪[27]等干燥過程中水分存在形式、分布及變化規律的研究。但將LF-NMR技術應用于食用菌干燥過程的研究還少有報道。

本實驗利用低場核磁共振CPMG序列得到弛豫時間及相應的質子密度，分析了7種常見食用菌(茶樹菇、杏鮑菇、金針菇、雙孢蘑菇、蟹味菇、香菇、花菇)在干燥過程中水分的分布及遷移規律，為準確掌握恒溫干燥過程中食用菌內部水分傳遞提提供了可能，以期為指導食用菌干燥工藝以及實際生產控制提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1材料

茶樹菇、杏鮑菇、金針菇、雙孢蘑菇、蟹味菇、香菇及花菇，購于農貿市場。要求新鮮、無損傷。

1.2儀器與設備

電熱恒溫鼓風干燥箱(DHG-9140A型),上海齊欣科學儀器有限公司；核磁共振成像分析儀(MinniMR-60),上海紐邁電子科技有限公司；電子天平FA2004,上海恒豐科學儀器有限公司。

1.3方法

1.3.1 樣品處理

選取完整、無損傷的食用菌(茶樹菇：15.84 g；杏鮑菇：9.90 g；金針菇：25.35 g；雙孢蘑菇：6.33 g；蟹味菇：11.87 g；香菇：11.75 g；花菇：13.02 g)，除去表面灰塵，放入恒溫鼓風干燥箱中，60℃條件下干燥至水分含量為3%，每2h取樣進行T2弛豫時間和MRI成像檢測，每種樣品重復測定3次。

1.3.2 水分含量的測定

直接干燥法(GB-5009.3—2010)

1.3.3 干燥過程中NMR核磁共振測試

利用CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脈沖序列測量樣品的T2橫向弛豫時間，將干燥過程中的樣品置于磁場中心位置的射頻線圈的中心，利用FID信號調節共振中心頻率，然后進行CPMG脈沖序列掃描試驗。其中共振頻率為23.309MHz，磁體強度0.55T，線圈直徑為60mm，磁體溫度為32℃。試驗參數為CPMG：P90(us)=15；P180(us)=30；TD=480160；SW(KHz)=200；D3(us)=80；TR(ms)=3000；RG1=20；RG2=3；NS=4；Echo Time(us)=200；Echo Count=6000；掃描實驗結束后利用T2Fit軟件擬合出T2值。

1.3.4 干燥過程中MRI核磁共振成像測定

當干燥樣品進行完CPMG序列試驗后，立即進行MSE成像序列實驗，即質子密度成像。樣品置于線圈中央，選取3個不同層面進行成像，成像間距離差為4.8mm，試驗參數為P1=P2=1200；RFA1(%) =4.8；RFA2(%)=9.2；GxOffest=10；GyOffest=50；GzOffest=-100；GSliceY=1；GPhaseX=1；GReadZ=1；RG1=25；DRG1=25；NS=4；RP2CounT=128；D0=2500us；D4=1us；D5=0.5us，圖像大小200×128。利用OsiriS 6.0軟件處理樣品的質子密度像。

1.4數據統計與分析

實驗數據采用Excel軟件，Origin 8.0軟件，OsiriS 6.0軟件，T2Fit軟件分析。

2 結果與分析

表1列出了7種食用菌最終的水分含量，從表1可以看出，7種食用菌干制品水分含量約為3%，7種食用菌干重差異不顯著，但不同食用菌干燥所需時間不同，這主要與其本身組織結構相關。

表1 7種食用菌最終水分含量

2.2不同種類食用菌樣品T2弛豫時間測定

由圖1可知，除金針菇之外，另外6種食用菌T2弛豫時間反演圖譜均含有3個峰，且T2弛豫時間都集中在0.1 ～1 000 ms之間，分別用T21、T22和T23表示，T21(0.01～10 ms)代表與蛋白質等大分子表面極性基團緊密結合的結合水，T22(10～100 ms)代表食用菌細胞內與膠體相結合，不能自由運動的不易流動水，T23(100～1 000 ms)代表存在于細胞毛細管中易流動的自由水。T2分布圖譜上不同峰面積大小代表不同水分的含量，7種食用菌中自由水含量最高，其次是不易流動水，結合水含量最低。伴隨著干燥進行，反演譜曲線積分面積減少，波峰位置不斷前移，說明樣品中的水分含量減小，自由度高的水分向自由度低的水分遷移，樣品中的水與固質的結合程度增大。這與LU等[28]人關于不同熱風干燥條件下香菇的水分研究結果一致。

干燥初期階段(0～2 h)，T2弛豫時間迅速下降，說明此階段干燥動力主要是干燥溫度，伴隨干燥的進行(2～6 h)，干燥速率降低，T2弛豫時間緩慢減少，此階段干燥的動力主要來源于內部水分向外擴散的速率。干燥6 h之后，7種食用菌T2弛豫時間均小于100 ms，說明此時7種食用菌內部幾乎沒有自由水存在，不同水分所占比例也在此階段發生改變。干燥后期(6～10 h)，干燥速率最慢，T2弛豫時間小于10 ms，表明樣品內僅剩下與細胞內大分子物質緊密結合的結合水，這部分水通過化學鍵，氫鍵等方式與食用菌內其他成分，如多糖，蛋白質等緊密結合而難以通過干燥脫除掉。此時T2弛豫時間仍在繼續減小可能是由于干燥過程中部分不易流動水向結合水遷移導致。

圖1 恒溫干燥過程中食用菌T2弛豫時間反演譜Fig.1 Inversion spectrum of transverse relaxation time for different edible fungi during constant temperature drying

2.3干燥過程中T21，T22，T23變化

圖2為利用低場核磁共振對7種食用菌在恒溫干燥過程中T21，T22，T23的對比，其目的在于比較相同干燥階段，不同種類食用菌之間水分的差異。總體來看，隨著干燥時間的延長，7種食用菌T23逐漸下降，說明樣品中的自由水含量在不斷減少。這是因為自由水主要存在于液泡、原生質和細胞間隙中，距離膠粒較遠可以自由移動，因此在干燥過程中最容易被脫除[29]。但不同種類食用菌，內部組織結構不同，其自由水流失速度不盡相同。干燥初期，杏鮑菇T23下降較快，表明杏鮑菇中的自由水散失速度較快，干燥8 h后，7種食用菌T23均為0，說明此時樣品內自由水全部散失。

不同種類食用菌，T22的變化趨勢相對復雜，金針菇、茶樹菇和蟹味菇T22隨著干燥的進行在穩定下降，說明樣品中的不易流動水含量伴隨干燥的進行穩定下降；杏鮑菇T22出現先上升后下降的趨勢，表明干燥初期，由于溫度升高，杏鮑菇中的部分不易流動水隨著自由水的散失而向外遷移為自由水，繼而散失，4 h后，T22伴隨干燥的進行急劇下降，此時，杏鮑菇中的不易流動水水分移動性減弱；而蘑菇、花菇、原木香菇T22在干燥過程均表現出增加-減少-增加-再減少的趨勢，這與菌體水分子之間空間結構發生變化和菌體外形萎縮有關。增加一方面可能是由于食用菌中碳水化合物濃度升高，細胞內外溶液形成濃度差，導致部分自由水向不易流動水遷移，另一方面，隨著干燥的進行，菌體內的營養物質以及酶等分解出的結合水遷移為不易流動水[30]。減小可能是因為不易流動水與細胞壁接觸，而細胞壁中多糖具有的親水基團結構可以減少周圍流動的動態水，因此不易流動水向結合水遷移[31]。

圖2 不同食用菌恒溫干燥過程中T21，T22，T23的變化Fig.2 Change inT21, T22 and T23 in different edible fungi during constant temperature drying

結合水是水在生物體和細胞內的存在狀態之一，是吸附和結合在有機固體物質上的水，主要是依靠氫鍵與蛋白質的極性基(羧基和氨基)相結合形成的水膠體[32]，干燥過程中一般難以脫除。7種食用菌T21在干燥過程最終均呈下降趨勢，說明水分流動性降低，菇體內的水分與蛋白質等大分子物質結合的更緊密。這是因為，隨著干燥的進行，菌菇自身組織結構發生了變化，細胞之間空隙變小，水分流動性逐漸減小。

2.4干燥過程中MRI核磁共振成像測定

磁共振成像技術是利用氫原子在磁場內受到一定頻率的射頻脈沖激發后，產生磁共振現象，經過空間編碼技術，把在磁共振過程中氫原子向外發射的射頻能信號以及這些與射頻能有關的質子密度、弛豫時間等參數接收轉換，經過計算機處理，最后形成圖像[33]。MRI在加工過程中可以對樣品任意層面(或斜面)直接進行成像，從而獲取物料內部任意梯度水分的變化信息。PRABAL等[34]利用自旋回波(spin echo, SE)磁共振成像技術獲得了小麥種子干燥過程中水分分布圖像，并根據圖像信息研究了小麥種子的干燥動力學。圖3為通過MRI技術掃描的7種食用菌在恒溫干燥過程中的2D質子密度圖，圖像顏色的深淺表示水分的分布，紅色表示此處水分信號強，藍色表示此處水分信號弱[35]。

注：A.茶樹菇(Agrocybe aegerita)；B.杏鮑菇(Pleurotus eryngii)；C.金針菇(Flammulina velutiper)；D.雙孢蘑菇(Agaricus bisporus)；E.蟹味菇(Hypsizygus marmoreus)；F.香菇(Lentinus edodes)；G.花菇(Floral mushroom)圖3 恒溫干燥過程中不同食用菌2D質子密度圖對比Fig.3 Pseudo color of 2D Proton density images of different edible fungi during constant temperature drying

從成像圖中可以清楚地看出，7種食用菌質子密度圖顏色都越來越暗，說明伴隨著干燥時間的延長，7種食用菌中的水分含量在不斷降低，同時可以發現圖像面積在不斷減小，這是因為恒溫干燥過程中，物料發生收縮。此外，還可以看出7種食用菌內部水分分布都不均勻。香菇和花菇水分主要集中在傘頂部，在干燥過程中，水分由傘的中心處向外逐漸擴散，因此，在干燥過程中應盡量保持菌蓋表面的平展性；金針菇和茶樹菇水分主要集中在菌柄及根部，在干燥初期水分蒸出較快，由于干燥過程中金針菇表面很快出現皺縮現象，形成一層干燥膜結構，阻礙了內部水分的進一步排除，因此干燥所需時間比茶樹菇長。杏鮑菇子實體四周水分含量相對較高，干燥初始，水分傳遞主要在物料表面，杏鮑菇在干燥4h后無自由水存在，因此，這也解釋了為什么杏鮑菇T23下降較快。雙孢蘑菇菌蓋部分水分相對集中，干燥過程中，菌蓋水分流失速度較快，而菌蓋與菌柄接壤處較慢。蟹味菇在干燥過程中，菌柄下部水分轉移速度最慢，這可能是由于其子實體叢生，導致其內部水分無法及時向外擴散。干燥后期，水分信號極其微弱，成像圖中星星點點的顯示含少量的結合水。

3 結論

本文從微觀和宏觀兩個角度闡述了干燥過程中食用菌內部水分的變化規律，利用核磁共振及其成像技術研究了7種食用菌(茶樹菇、杏鮑菇、金針菇、雙孢蘑菇、蟹味菇、香菇、花菇)在恒溫干燥過程中內部水分遷移規律。結果表明，7種食用菌中自由水含量最高，其次是不易流動水，結合水含量最低。不同種類食用菌，干燥結束時間不同，食用菌初始含水量和本身結構差異是影響其干燥速度的主要原因，茶樹菇組織松散，干燥速度較快，花菇和香菇組織較密集，干燥速度相對較慢。

利用核磁共振成像清晰地看出7種食用菌內部水分分布都不均勻，干燥過程中樣品表面的水分先蒸發掉，由于溫度梯度和水分梯度導致物料內部的水分逐漸向外遷移，繼而散失，圖像亮度隨著干燥時間的延長越來越暗，說明水分在不斷減少，并且由于物料皺縮導致圖像面積越來越小，因此，在干燥過程中應保持樣品表面舒展，防止表面硬化而影響干燥速度。

LF-NMR技術成功實現食用菌干燥過程中水分的在線監測，根據食用菌內部水分的分布及其變化規律調整干燥工藝參數，縮短干燥時間，有助于食用菌干燥工藝的優化，為實際生產控制提供一定的參考。

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MRIimagingandchangeofinternalmoisturetransformationindifferentediblefungiduringconstanttemperaturedrying

SHI Fang1, XIAO Xing-ning1, LI Yao1, YANG Ya-xuan1, GUO Xiao-hui1, WU Su-rui2, MING Jian1,3*

1 (College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China) 2(Kunming Edible Fungi Institute, All China Federation of Supply and MarketingCooporatives, Kunming 650223, China) 3(Chongqing Engineering Research Center for Special Foods, Chongqing 400715, China)

The moisture distribution and change in seven kinds of edible fungi (Agrocybeaegerita,Pleurotuseryngii,Flammulinavelutiper,Agaricusbisporus,Hypsizygusmarmoreus,Lentinusedodes,Floralmushroom) during constant temperature drying process was analyzed by low-field nuclear magnetic resonance technology. The spin-spin relaxation test showed that the water states in edible fungi included free water, immobilized water and bound water. The free water and immobilized water was decreased significantly during drying process, while the bound water was not significant. Further found that the internal water distribution of seven kinds of edible fungi were uneven by using nuclear magnetic resonance imaging technique. The water loss rate of different edible fungi was not the same in the same stage. LF-NMR technology successfully realized the online monitoring of internal moisture of edible fungi during drying process, which provided theoretical basis for guiding the drying process of edible fungi.

edible fungi; nuclear magnetic resonance (NMR); nuclear magnetic imaging (MRI); water migration; drying

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.013676

碩士研究生(明建教授為通訊作者,E-mail:mingjian1972@163.com)。

重慶市社會民生科技創新專項(cstc2015shmszx80019)；云南省科技廳科技創新人才計劃(2008OC008)；重慶市特色食品工程技術研究中心能力提升項目(cstc2014pt-gc8001)

2016-12-26，改回日期：2017-02-15