基于低場核磁共振分析與成像探究貯藏過程中板栗水分遷移對其質構變化的影響

宋珊珊,耿陽陽,馮濤池,胡伯凱,劉亞娜,王紀輝,何佳麗,梁 美,譚化美

(1.遵義醫藥高等專科學校,貴州遵義 563000;2.貴州省核桃研究所,貴州貴陽 550005;3.貴州省林業科學研究院,貴州貴陽 550005;4.國網濟南供電公司,山東濟南 250000)

低場(<0.5T)核磁共振(Low field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)因其快速、無損、穩定性好、設備成本低、設備體積小等優勢被廣泛運用于農產品檢測分析領域[1]。目前LF-NMR研究、運用最廣的是1HLF-NMR。1HLF-NMR檢測到的信號T2(橫向弛豫時間)能反應樣品水分子含量和活躍程度[2],同時T2信號幅度具有變化范圍大、對多相態敏感、檢測時間短等優勢[3];1HLF-NMR信號二維分布(MRI)通過圖像顏色、明暗的變化直觀反映樣品內部水分遷移過程。質地描述分析是一種食品感官分析方法,它能對食品質地、結構體系進行全面分析,質地多方面分析儀(TPA)是其有效手段,目的在于模擬人類牙齒的咀嚼過程,代替人體感官評價,使感官評定更具客觀性、準確性,TPA通過力量感元記錄擠壓過程中板栗的受力情況,由計算公式求得食品質地參數,反應當下食品品質[4]。

板栗(CastaneamollissimaBlume)又稱栗子,原產于我國,是殼斗科栗屬植物[5],其營養豐富,風味獨特,市場需求大。而貴州黔西南州地處黔、滇、桂三省交界處,屬典型的低緯度高海拔山區,是板栗的良好種植基地。但因當地板栗成熟時氣溫較高,采后板栗易發生生理失調和品質劣變,目前做好當地采后板栗保鮮是亟待解決的問題。采后板栗保鮮的研究或關注貯藏環境溫度、濕度、氣體成分調節,或采用二氧化氯、茶多酚、檸檬酸、山梨酸鉀等食品保鮮劑處理板栗達到保鮮效果,同時以板栗中水分、淀粉、水溶性蛋白、酶活性的變化作為衡量板栗貯藏保鮮效果好壞的指標[6-10]。而作為板栗主要化學成分之一的水分在板栗貯藏過程中的動態遷移過程及水分遷移對板栗品質、新鮮度的影響鮮見報道。

因此,本文以黔產倉更板栗為原料,運用LF-NMR技術,分析板栗貯藏過程中橫向弛豫時間(T2)及圖像(MRI),了解貯藏期間板栗水分含量、狀態、活躍程度及水分遷移動態過程;運用TPA檢測技術,分析貯藏過程中板栗質地特性硬度、彈性、內聚性、咀嚼性、膠黏性、粘附性,了解貯藏期間板栗品質狀態;運用統計學軟件分析板栗貯藏過程中水分遷移對板栗品質的影響,為板栗保鮮及新型板栗產品研發提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

板栗 貴州省板栗主產區望謨、興義等地的黔產倉更板栗,待板栗開裂脫殼時,選擇大小均勻、成熟度一致并剔除病果、蟲果的種子進行采收,采后及時運送到貴州省核桃研究所實驗室,置于智能人工氣候箱下貯藏(相對濕度70%,溫度25 ℃)進行貯藏。

TMS-PRO食品物性分析儀 北京盈盛恒泰科技有限責任公司;NMI20-040V-I低場核磁共振分析儀 紐邁電子科技有限公司;101-2AB電熱鼓風干燥箱 北京科偉永興儀器有限公司;萬分之一電子天平 上海佑科儀器。

1.2 實驗方法

1.2.1 板栗表型性狀分析 板栗殼厚、仁重測定方法:《中國果樹志·板栗·榛子卷》[11],板栗數:80 個(>30 個)。

出仁率(%)=(仁果重/單栗重)×100

1.2.2 板栗水分遷移動態分析 板栗水分含量測定:GB 5009.3-2016第一法。

板栗水分相態分布及遷移變化:在貯藏0、7、14、21、28 d時取樣[12],將板栗去殼、去紅衣后,置于核磁共振儀中測定水分含量和成像。實驗參數:共振頻率23.3127 MHz,磁體強度0.5 T,線圈直徑為60 mm,磁體溫度為32±0.01 ℃。成像:FOV Read=100 mm,FOV Phase=100 mm,TR=1500 ms,TE=20 ms,Slices=7;Slice Width=3 mm,Averages=4,K空間大小192×256。弛豫分析——CPMG序列:SW=100 kHz,TW=2000 ms,P1=12.52 us,P2=25.04 us,RFD=0.3 ms,RG1=20,DRG1=1,PRG=1,NS=4,TE=0.10 ms,NECH=5000。

1.2.3 板栗質地分析 在貯藏0、7、14、21、28 d時另取同一批次板栗[12],將板栗去殼、去紅衣后,置于TMS-PRO食品物性分析儀的載物臺上進行質構分析試驗,每次試驗,板栗排放位置、朝向一致,重復試驗取平均值。參照范新光等[12]的方法,并根據試驗需要調整,具體參數設置如下:圓盤到零點的距離為30 mm,圓盤直徑50 mm,下壓速度為60 mm/min,當下壓力反饋為0.5 N時記錄,測試深度(形變量)為30%。通過TPA軟件計算,由測得的質構特征曲線上得到TPA參數:

硬度:以第一循環的壓力最大值表示,反映了果肉的致密程度和堅實程度[13-14]],單位N。

彈性:變性樣品除去壓力后,變形前后高度或體積比率[1],反映果實經壓縮變形后,去除壓力后能恢復的程度[14]。

表1 板栗表型性狀分析

內聚性:兩次循環峰面積之比,反映果實組織細胞間結合力的大小,觀察果實保持完整性的指標[15]。

咀嚼性:咀嚼性=硬度×彈性×內聚性,將固體樣品咀嚼成能吞咽時所需能力[16],反映果實在口腔中被咀嚼的抵抗能力,單位N。

膠黏性:膠黏性=硬度×內聚力,反映果實擠壓過程中的黏性程度,單位N。果實內部的黏性程度。

粘附性:探頭與樣品接觸時用以擺脫兩者表面間吸引力所必需的力[17]。果實與接觸物的黏性程度。

1.3 數據處理

每個指標做9次重復,用Microsoft Office Excel 2007統計分析所有試驗數據,計算標準誤并作圖;用IBM SPSS Statistics 22.0 進行多重比較(LSD)和相關性分析。

表2 板栗失水過程弛豫時間及峰面積信息

2 結果與分析

2.1 板栗表型性狀分析

對黔產倉更板栗樣品進行表型性狀分析,結果如表1:黔產倉更板栗單栗重為17.600±4.981 g,仁果重為14.701±4.360 g,出仁率為83.168%,出殼厚(邊)為0.654±0.056 mm,殼厚(底)為1.360±0.072 mm。與徐陽等[18]研究構建的板栗-鐵皮石斛、板栗-覆盆子、板栗-白芨、板栗-三葉青4 種新型栗藥種植模式及純林板栗中單栗重(10.720±2.940 g)、仁果重(7.360±1.740 g),出仁率(68.657%)，劉國彬等[19]采于北京懷柔、房山和密云的‘懷豐’、‘慕田峪6 號’、‘北莊8 號’、‘良鄉1 號’和‘高嶺1 號’板栗品種仁果重(10.030±0.980 g)以及曹均等[20]研究的北京市密云縣等地區本土農家板栗仁果重(12.930±1.890 g)相比,黔產倉更板栗具有單栗重、仁果重、出仁率高的特點。

2.2 板栗水分遷移動態分析

2.2.1 板栗貯藏過程中水分含量變化分析 由圖1可知:新鮮板栗含水量為46.09%,此時紅衣和栗仁緊密貼合,難以剝落,板栗脆性好;隨著貯藏時間的延長,水分含量呈顯著性降低(P<0.05),縮水使得紅衣和板栗仁間出現空隙,便于紅衣剝落,板栗由脆變為硬;貯藏時間超過21 d后水分含量變化不顯著(P>0.05)。

圖1 板栗在貯藏過程中含水量的變化

2.2.2 板栗貯藏過程中水分遷移動態分析 在板栗LF-NMR測定結果圖2、表2中,橫向弛豫時間T2反映了樣品內部氫質子的自由度及其所受束縛力的大小,并成反比[21],即橫向弛豫時間T2越長,水分活躍度越高,流動性越強,但所受束縛力越小,與樣品內部其他成分相互作用力弱。將馳豫峰進行積分得到對應的馳豫峰面積,馳豫峰面積越大,水分含量越高。

圖2 板栗失水過程T2弛豫譜

圖3 板栗水分成像圖

由圖2與表2可知,板栗主要含有三種水分相態:T21-結合水,T22-不易流動水,T23-自由水。通過水-離子、水-偶極、水-氫鍵等作用力與板栗中非水成分緊密締合的板栗結合水T21主要集中在板栗胚中,在貯藏前14 d,水分不斷流失,板栗胚為了保持自身活性,會與淀粉、蛋白質等非水成分緊密結合,使結合水所受束縛力不斷增強,水分活躍度逐漸降低,檢測到的結合水橫向弛豫時間T2不斷左移[22]。14 d后結合水T21橫向弛豫時間穩定不變(0.011 ms),表明14 d后板栗結合水處于相對穩定的狀態,無外遷趨勢;結合水T21含量變化A21先減少后增加,總體呈減少趨勢。表明板栗水分流失,組織內部結構受到破壞,結合水中結合能力相對較弱的部分鄰近水、多層水轉化為不易流動水T22使得結合水含量降低,同時部分不易流動水T22轉化為結合水,降低了結合水減少的幅度。不易流動水T22在貯藏前14 d,橫向弛豫時間右移,A22大幅度降低,說明貯藏前14 d內不易流動水受板栗內部束縛力小、水分活躍度高及流動性強,不斷轉化為結合水和自由水。主要存在于板栗肥大子葉中的自由水T23不斷流失到外部環境中,受到板栗內部的束縛力逐漸減小,T23橫向弛豫時間T2右移,A23減少;同時部分不易流動水向自由水區域遷移,使得A23含量增加,橫向弛豫時間T2左移。

2.2.3 板栗水分遷移核磁共振成像圖 本次實驗采集板栗的矢狀面成像,該成像當樣品含水量高,信號強時,樣品成像與背景成像都很清晰,當樣品含水少時,樣品成像和背景成像同時弱化,達到樣品成像與背景成像同時呈現樣品含水量的效果。圖3從左到右依次為失水0、7、14、21、28 d的成像圖。

由圖3可知:中間光亮區域是板栗胚,外圍是板栗肥大的子葉。新鮮板栗胚水分成像圖較板栗子葉成像圖光亮,結合板栗失水過程T2弛豫譜,板栗子葉中主要是自由水,板栗胚中結合水和不易流動水含量高。板栗子葉自由水含量高,自由水流失速度快,所以28 d后,板栗子葉水分信號成像只能隱約可見,而板栗胚成像清晰。符合種子對胚的自我保護,便于胚來年發芽成苗的規律。

2.3 貯藏期間板栗質構分析

2.3.1 貯藏期間板栗硬度的變化 硬度是指板栗發生形變所需外力,反應板栗致密堅硬的程度。由圖4可知:新鮮板栗硬度為174.80 N,此時板栗給人硬、脆的口感;隨著貯藏時間延長,板栗硬度顯著先減少后增加(P<0.05),這可能跟板栗水分含量有關,鮮見相關研究報道,后續進行板栗水分與板栗硬度相關性分析。

圖4 板栗在貯藏過程中硬度的變化

2.3.2 貯藏期間板栗彈性的變化 彈性反映去除壓力后,板栗恢復的程度。由圖5可知:貯藏前21 d,板栗彈性顯著性降低(P<0.05),這是由于板栗在貯藏過程中嚴重失水,細胞萎縮失去原有恢復力;繼續貯藏,板栗彈性無顯著變化(P>0.05)。

圖5 板栗在貯藏過程中彈性的變化

2.3.3 貯藏期間板栗內聚性的變化 內聚性反映組織細胞之間結合力的大小[20]。由圖6可知:新鮮板栗內聚性為0.71;貯藏7 d后,內聚性顯著性降低(P<0.05),這是因為板栗失水導致細胞結構受到損傷,細胞內部結合力降低;7～21 d板栗持續失水,板栗多糖和蛋白質發生降解,生成小分子物質填充水分流失區域,平衡內部結合力，因此板栗內聚性無顯著性變化(P>0.05);貯藏21 d之后,板栗失水嚴重,內部結構受到嚴重破壞,板栗內聚性顯著性降低(P<0.05)[23]。

圖6 板栗在貯藏過程中內聚性的變化

2.3.4 貯藏期間板栗咀嚼性的變化 咀嚼性是果實硬度、彈性和內聚性在口中的綜合體現,反映果實從整體到能吞咽時所需力的大小。由圖7可知:試驗板栗咀嚼性在貯藏期間,先減小后增加;新鮮板栗和貯藏28 d板栗咀嚼性無顯著性差異(P>0.05);貯藏7 d板栗咀嚼性出現最小值,此時板栗失去部分水,果實內部結構也不再完整緊密所致。

圖7 板栗在貯藏過程中咀嚼性的變化

表3 板栗水分含量與質構特性的相關性

2.3.5 貯藏期間板栗膠粘性的變化 膠粘性反映果實內部的黏性程度。由圖8可知:板栗膠粘性在貯藏期間,先減小后增加;新鮮板栗和貯藏28 d板栗膠粘性無顯著性差異(P>0.05);貯藏7 d板栗膠粘性出現最小值,這樣的變化趨勢和咀嚼性很相似,后續進行相關性分析。

圖8 板栗在貯藏過程中膠粘性的變化

2.3.6 貯藏期間板栗粘附性的變化 粘附性反映果實與接觸物的黏性程度。姚慧對板栗特性的研究結果表明:板栗粘附性與支鏈淀粉呈正相關[24]。板栗失水,使板栗淀粉呈先富集再降解的狀態,所以貯藏板栗粘附性有先增加后減少的趨勢[25-26],當貯藏天數為14 d時,板栗粘附性最強,最易與接觸物黏住。

圖9 板栗在貯藏過程中粘附性的變化

2.4 水分含量與質構特性的相關性分析

由表3可知:實驗用倉更板栗水分含量與板栗質構指標內聚性、彈性呈正顯著相關(P<0.05,相關系數為0.892、0948),說明板栗含水量對板栗品質的影響主要體現在影響板栗內聚性及彈性,而內聚性反映組織細胞內結合能力、彈性反映去除壓力后板栗的恢復程度,說明板栗含水量越高,倉更板栗內部結合越緊密,抗擠壓能力越強;隨著板栗水分流失,板栗內部組織結構受到破壞,板栗內聚性、彈性降低,板栗品質下降。而水分中結合水與板栗品質指標無顯著相關性,說明板栗中結合水的變化對板栗品質無顯著性影響。相反,板栗水分中不易流動水與板栗內聚性、彈性呈正顯著相關(P<0.05,相關系數為0.883、0.955),自由水與板栗彈性呈正顯著相關(P<0.05,相關系數為0.956),表明調控板栗不易流動水、自由水能改變板栗內聚性及彈性,其含量越高,板栗內聚性高、彈性好、新鮮度高,品質好。所以在倉更板栗保質保鮮過程中,調控板栗不易流動水與自由水的含量、比例是應該考慮的因素。

3 結果與討論

本研究結果表明,黔產倉更板栗與純林板栗、新型栗藥板栗相比,具有仁果重,出仁率高的特點。適宜區域化、規模化種植。倉更板栗貯藏期間,水分流失,水分相態發生變化,板栗中不易流動水部分轉化為結合水保護板栗胚結構,部分轉化為自由水,補充板栗自由水流失區域,穩定板栗內部結構。板栗不易流動水降低板栗內部組織細胞結合力及彈性。板栗自由水流失使板栗發生皺縮,降低板栗彈性。板栗是典型的頑拗性種子,含水量是決定其保存的重要因素[26],而本研究分析貯藏板栗含水量與質構特性相關性表明,板栗含水量對板栗內聚性及彈性有顯著性影響。因此,深入研究板栗脫水敏感性和安全含水量將是板栗保鮮、保質的關鍵因素,需要進一步研究攻關。