基于低場核磁的紫薯片真空冷凍干燥過程中水分變化

孫江麗，李 瑞，朱洪梅

（山西師范大學食品科學學院，山西臨汾 041004）

紫薯果肉呈紫色至黑紫色，它除了具有普通紅薯含有的營養物質外，還富含有大量的花青素[1]，可被用做提取天然花青素的原料。紫薯花青素還具有多種保健功能，能夠防癌[2]、抗氧化[3]、降低血壓[4]、抑制膽固醇生成[5]等作用。目前，市場上的紫薯加工產品種類繁多，開發出來的產品有紫薯脆片、紫薯粉、紫薯餅、紫薯清酒等[6-7]。

干燥是紫薯的重要加工方式。真空低溫油炸的產品色澤金黃、質地優良，但會對營養物質造成破壞[8]。常壓冷凍干燥速率低[9]，產品品質不穩定，經常出現組織塌陷、變色、加快有效成分降解等現象[10]。真空冷凍干燥技術對保持凍干材料外觀形狀有著很好的作用，還能使食品色、香、味和營養成分完好的保留下來，脫水徹底，干制品重量輕、體積小、復水快、食用方便[11]，克服真空低溫油炸和常壓冷凍干燥加工工藝帶來的缺陷，本研究利用真空冷凍干燥技術加工紫薯片。

在干燥過程中，物質內部水分變化及其遷移規律是現代科學研究的難點和熱點，低場核磁的引用使得水分變化遷移研究變得容易，低場核磁共振（LFNMR）技術是一種快速無損、無需侵入的檢測技術[12]，它已經被廣泛應用于各個領域[13-14]。低場核磁信號強度與氫質子含量成正比，可以通過檢測樣品中的氫質子檢測對應水分含量，氫質子先吸收射頻能量，隨后釋放能量，對于性質不同的樣品，能量釋放的快慢是不相同的，通過檢測出的信號差別就可以尋找規律[15-16]。本實驗采用低場核磁共振技術分析真空凍干燥過程中紫薯片的水分變化，以期為紫薯脆片的開發利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮紫薯 采購于臨汾萬佳福五一路超市，挑選個體完整，直徑大小均勻一致，無蟲害、無腐爛、無機械損傷的紫薯作為實驗原料。

SCIENTZ-10N型冷凍干燥機 寧波新芝生物科技股份有限公司；XB 220A型電子天平 上海天平儀器技術有限公司；NMI20-040V-型I低場核磁儀

上海紐邁電子科技有限公司；LEICA EZ4D型體視顯微鏡 北京中顯恒業儀器儀表有限公司；CR-10型色差計 柯尼卡美能達公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備與處理 將紫薯清洗干凈，沿圓形橫截面切為5 mm的厚度，用于低場核磁共振測定的薄片再切為1 cm寬的條狀，在-37 ℃條件下進行干燥，真空度設置為100 Pa，根據預試驗結果，真空冷凍干燥時間分別設定為0、1.5、3.0、4.5、6.0、7.5和9.0 h，每個處理樣品設置十個重復。

1.2.2 低場核磁共振檢測 將處理好的七組樣品進行核磁共振掃描（NMR）分析。把條狀樣品以垂直于試管底面的方向放置，選用低場核磁NMR專用試管直徑為10 mm，然后將裝有待測樣品的試管置于永磁場中心位置的射頻線圈，機器的溫度穩定在32 ℃左右時，利用FID矯正分析軟件的初始參數，先確定中心頻率（SF）和90 °脈寬，再進行單次采樣[17]。用Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）脈沖序列進行掃描。參數設置：RE=1，NECH=5000，NS=64，SW=100 kHz，RFD=0.05 ms，RGI=20 db，PRG=2，DRGI=3。經過10 000次迭代擬合，采集到T2弛豫信息。

低場核磁共振成像（MRI）需要先預掃描標樣，再成像確定層數，將樣品置于磁場中心并保證每個樣品放在同一位置和方向，最后掃描樣品進行成像，將MRI得到的黑白圖片，通過調節黑白色和不同灰度處理為偽彩圖[18]，以便更清晰地觀察不同部位的水分含量。參數設置：FP=80 mm，TR=300 ms，TE=18.125，S=6，W=2 mm，NS=16。

1.2.3 體視顯微鏡觀察 將冷凍干燥處理過的六組樣品和新鮮紫薯片在凍結的狀態下，沿橫斷面切成薄片，放在樣品臺上，使用連續變倍體視顯微鏡（萊卡EZ4D）放大倍數分別為16、20、25、30和35倍，按照從低到高的順序觀察其內部水分移動的情況和微孔結構，在清晰的倍數20倍下拍照。

1.2.4 含水量測定 真空冷凍干燥的紫薯片，含水量的測定參照GB 5009.3-2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》[19]。每個樣品組放置三個相同的紫薯片，分別對0、1.5、3.0、4.5、6.0、7.5和9.0 h干燥時間的樣品稱重，含水量的計算公式為：

式中：Xt表示t時刻物料的含水量，g/g；mt表示t時刻物料的重量，g；mg表示物料完全干燥后的重量，g。

1.2.5 色差測定 利用CR-10型色差計測定不同冷凍干燥時間條件下的紫薯片色差，每組放置三個樣品。L*代表明暗度（黑白色），閾值為0～100，0表示黑色，100表示白色；a*代表紅綠色，b*代表黃藍色，閾值都為-128～+127，-a*表示接近綠色，+a*表示接近紅色，-b*表示接近藍色，+b*表示接近黃色；ΔE為兩點之間顏色的變化值[20]。色差的計算公式為：

式中：L0*、a0*、b0*表示新鮮紫薯片的測定值；L*、a*、b*表示凍干處理過的紫薯片測定值。

1.3 數據統計

數據采用Office Excel 2019進行處理，運用SPSS 20對數據進行多重比較，使用Origin 8.0和Adobe Photoshop CS6進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同冷凍干燥時間條件下NMR分析水分存在形式變化

真空冷凍干燥的紫薯片有三種形態的水分，其與物料結合的緊密程度不一樣，橫向馳豫時間T2越短，說明水分的自由度越小且與物料結合得越緊密，其在干燥過程中越難被脫除，反之則越容易[21]。結合水的橫向馳豫時間最短，半結合水次之，自由水最長。根據T2把水分分為：T21（0.01～0.5 ms）為結合水，T22（0.5～5 ms）為半結合水，T23（5～1000 ms）為自由水，且分別由T2反演譜曲線上的3～5個波峰表示，根據不同弛豫時間信號幅值變化來反映樣品真空冷凍干燥過程中水分變化的情況[22]。不同形態水分含量由不同峰面積表示，因為低場核磁共振信號量代表物料中的氫質子的數量，所以曲線上各個峰覆蓋的信號量間接表示對應的三種狀態水分的相對含量，總信號量表示總水分的相對含量。

在圖1中，紫薯片干燥過程中0～3 h，水分變化較大，水分的組成形式也發生變化，自由水減少較多，隨著干燥進行，T23峰顯著變小，T21峰也向T22轉移，整個T2反演圖譜逐漸向T22峰移去。

圖1 真空冷凍干燥過程中紫薯片橫向馳豫時間T2反演譜Fig.1 Inversion spectra of lateral relaxation time of purple sweet potato slices during vacuum freeze drying

從圖1和圖2得出，在整個真空冷凍干燥的過程中，紫薯片中三種形態的水分均被脫除了一部分，自由水占主體，約是總含水量的2/3，因而最容易被脫去，且在干燥開始的前1.5 h內自由水變化很大，干燥除去的主要是自由水，結合水也減少了一部分，而半結合水卻呈增長的趨勢，可能由于在干燥過程中自由水水分持續減少，部分結合水向半結合水轉化[23]使半結合水增多。1.5～3.0 h，結合水和自由水有一定量的減少且失水速度較1.5 h前有所減緩，半結合水仍繼續增加并達到最大值。干燥至4.5 h時，結合水和自由水均有少量減少，半結合水也開始下降且為三種形態的水分中減少速度最快的，是因為已失去大量自由水，紫薯片內部結合水向半結合水轉化速率也減慢，干燥過程中，半結合水量升華速率大于轉化率，半結合水也開始下降，在馬鈴薯切片干燥過程中半結合水量也呈先增大后減小的變化趨勢[24]。結合水在4.5～6.0 h時基本保持不變，直到9.0 h，紅薯片微波干燥360 s后T2圖譜結合水量也很少[25]；因為其含量很少，并與物料結合緊密，很難被干燥脫除，并且減少了微量的自由水；而半結合水減少了一大部分。7.5 h時，減少了少量的半結合水，自由水失水速度又開始加快，因為半結合水與結合水含量基本降至最低，且與物料結合緊密很難再被脫除，而自由水與物料結合疏松，因此，自由水脫除較多。在干燥最后的產品中，自由水含量最多，半結合水含量次之，結合水含量最少，因為整個紫薯片干燥過程中，結合形態水分向半結合水轉化且與物料結合較為緊密，導致干燥最后，半結合水比結合水含量多。

圖2 真空冷凍干燥過程中紫薯片不同形態水峰面積變化曲線Fig.2 The change curve of different shapes water peak area of purple sweet potato slices during vacuum freeze drying

2.2 不同冷凍干燥時間條件下MRI分析水分移動情況

低場核磁共振成像（MRI）得到的偽彩圖可以進一步直觀地觀察真空冷凍干燥紫薯片內部水分變化的情況，在紫薯片脫水過程中，不同顏色表示各區域相對含水量高低情況[26]，圖像清晰度表現為含水量的多少，圖像亮度表現為氫質子活躍度。

從七個時間梯度的MRI偽彩圖3可以觀察到，紫薯片各個區域中水分信號強弱顯著不同，與對照相比，干燥1.5 h的樣品，水分含量減少較大，紫薯片圖像綠色減弱明顯，水分主要移動至甘薯表皮，表皮水分含量明顯提高，表皮部分呈紅色。而3.0 h時，甘薯片輪廓雖很清晰地呈現，但圖片的背景藍色與0 h相比亮度變差，圖像亮度表現為氫質子活躍度[23]，說明紫甘薯片總體水分減少明顯，紫甘薯表皮水分含量仍是整個甘薯片水分含量最高的部位，說明水分干燥過程不僅涉及水分存在形式變化，而且還有水分遷移過程，紫甘薯片干燥時水分很容易遷移至紫甘薯周皮，這與甘薯塊根結構有關，植物韌皮部中含有大量纖維成分[27]，纖維與水分的結合較為緊密，該實驗結果與NMR分析結果一致，半結合水含量在該時間段達到最多。甘薯干燥4.5 h后，偽彩圖片紫甘薯周邊形狀越來越模糊，各部位水分含量均有下降，此時，自由水大量減少，結合水含量基本降至最低，半結合水開始被脫除。在6.0 h時，水分進一步減少，整個圖片的清晰度有所降低且亮度也逐漸變差；圖片亮度越差的區域說明氫質子的活躍度越低[28]，圖像亮度低但可以大致分辨出紫薯片的形狀，隨著干燥的進行，半結合水量進一步被脫除。7.5 h時，紫薯片輪廓周圍已經有部分消失，消失部分與圖片混為一體，而紫薯表皮紅色部分又變得很清晰，該時間段自由水又減少了一部分，半結合水基本不變，使綠色部分進一步模糊，紅色部分突出。干燥9.0 h時，圖片模糊紫薯片的形狀難以分辨，只留下邊緣的一小部分模糊的綠色區域和周皮部位的一點紅色，這時NMR分析不同形態水分降至最低。干燥的天花粉MRI圖，同樣以藍色作為背景，隨著水分的擴散，圖片亮度、清晰度逐漸下降且代表不同形態水分的顏色也在消失[26]。

圖3 真空冷凍干燥過程中紫薯片MRI圖Fig.3 MRI images of purple sweet potato slices during vacuum freeze drying

2.3 不同冷凍干燥時間條件下紫薯片微觀結構分析

真空冷凍干燥把含有水分的物料，預先凍成固體，然后在真空條件下使其直接升華為氣體，而物質本身留在凍結時的冰架子中，因而干燥前后保持了原來的形態結構[29]。

圖4 真空冷凍干燥過程中紫薯片微觀結構圖Fig.4 Microstructure images of purple sweet potato slices during vacuum freeze drying

使用連續變倍體視顯微鏡分別對七個時間梯度的凍干紫薯片橫截面進行了觀察。如圖4為20倍顯微鏡下紫薯片的顯微結構，可以看到新鮮的紫薯片含水量很大，整體結構均勻一致，呈水漬狀，隨著冷凍干燥時間增加至3.0 h時，甘薯物料水分蒸發，甘薯片總體積變小，甘薯物料水分蒸發時水分先向表皮移動，甘薯內部干物質也隨水分向表皮靠攏，真空冷凍干燥處理的胡蘿卜片表面也存在升華前沿，而內部的水分仍呈凍結狀態[30]，因為水分減少體積變小，表皮致密，表皮結構比甘薯內部致密。4.5 h后，隨干燥去除水分越多，紫甘薯片體積越小，甘薯組織向兩側表皮移動，因為期間水分升華了，干物質聚集表皮附近，這時水分含量越來越少，水分揮發時動力不能帶動干物質移動，水分升華后干物質出現疏松多孔的結構且逐漸增加。干燥至7.5 h時，出現了較大的孔隙，由于紫薯片中不同形態水分分布不均勻，出現較大孔隙的區域自由水含量高且很容易被除去，隨著凍干的進行，失去的自由水增多，從而形成較大的孔隙。9.0 h時，大范圍組織已經被干燥完畢并布滿許多大小不均一的孔徑，此時三種形態水分含量降至最低，殘留的結合水和半結合水與物料緊密結合很難被除去。同時，紫甘薯片的疏松多孔結構也賦予冷凍甘薯片良好的口感。

2.4 不同冷凍干燥時間條件下紫薯片含水量變化

由圖5可知，隨著冷凍干燥時間的增加，紫薯片含水量越來越少，重量逐漸變輕，干物質比重增大，與NMR、MRI和微觀結構分析結果一致。T2反演譜中，總水分的峰面積漸漸變小，自由水、半結合水和結合水三種形態水經過不同形式的轉化，在干燥最后，峰面積降至最低。在MRI的偽彩圖3中，隨著干燥的進行，由于氫質子活躍度和數量降低，各圖片亮度越來越暗，清晰度下降，表明水分含量也在下降。在6.0 h后圖片清晰度很差，水分含量分析顯示紫薯片中水分含量接近0.2 g/g，繼續干燥至9 h，水分含量降至0.1 g/g。從微觀結構中觀察到，冷凍干燥處理的紫薯片兩側的疏松多孔結構逐漸增多，水分不斷從內部擴散到紫薯片表面，引起水分減少。微波真空冷凍干燥懷山藥過程中的水分擴散變化趨勢與本研究結果相似[17]。

圖5 真空冷凍干燥過程中紫薯片含水量曲線Fig.5 Curve of water content of purple sweet potato slices during vacuum freeze drying

2.5 不同冷凍干燥時間條件下紫薯片L*、a*、b*和ΔE值分析

圖6中可知，相對于新鮮紫薯片鮮艷的色澤，干燥9 h時，L*值最大，表明干燥后顏色亮度有所差別，水分被脫除，紫薯片顏色變亮，而在干燥前7.5 h時，紫薯片亮度變化差異不顯著，說明紫薯片在冷凍干燥后亮度顯著增大，凍干可以提高甘薯片的亮度，鄧資婧[31]對干燥紫薯全粉進行了色差測定，與本研究有相似結果。在真空冷凍干燥過程中，紫薯片紅度值都比較高且七組樣品紅度變化差異不顯著，說明凍干處理對紫甘薯片主要色澤紅色影響不大。七組紫薯片均有低的黃度值，使樣品呈現出淡黃色，樣品干燥最后b*值與對照差異不大，進一步說明凍干過程對紫薯色片澤影響較小。三種色澤計算得到ΔE值，干燥9.0 h的紫薯片ΔE值與其他六組樣品相比差異顯著（P＜0.05），因為凍干9.0 h的紫薯片紅度值和黃度值基本無變化，而亮度明顯增大，導致色差變化差異。

圖6 真空冷凍干燥過程中紫薯片的L*、a*、b*和ΔE值Fig.6 Chromatic aberration (L *, a *, b*and ΔE) of purple sweet potato slices during vacuum freeze drying

3 結論

本研究對紫薯片冷凍干燥過程中水分形態和水分含量變化進行分析，NMR結果分析表明，紫薯片自由水約占總含水量的2/3，干燥過程的變化自由水為主，結合水與半結合水含量較低且與物料結合緊密，其變化較小，部分結合水會向半結合水轉化，使T21峰向T22峰轉移，從三種形態水分的峰面積變化可以得出不同形態水分之間的相互轉化及其遷移規律。MRI得到的偽彩圖反映了不同形態的水分在紫薯片中分布的位置，隨著水分不斷地被脫除，圖片亮度和清晰度逐漸變差，紫薯片邊緣部分含水量最高并顯現出紅色區域，能夠直觀地看出物料中各部位的水分含量變化和氫質子活躍度。在6.0 h后圖片清晰度很差，水分含量僅為0.2 g/g，繼續干燥至9.0 h，水分含量降至0.1 g/g。

體視顯微鏡從微觀角度觀察了紫薯片內部水分擴散的情況，失去水分的干物質中形成很多大小不同的孔狀結構，真空冷凍干燥對維持物料原來的形狀具有很好的作用，且隨干燥時間延長，對物料的色澤影響較小，可以提高紫薯片亮度，對產品色澤進行改善，使物料具有更好的加工性能。本實驗只從微觀結構和色澤兩方面來研究真空冷凍干燥效果，后續的實驗還需對其營養組分、花青素、芳香物質等方面進行測定，來深入探究真空冷凍干燥紫薯片效果。