基于LF-NMR 及其成像技術探究冬棗貯藏過程中的水分變化

黃國中，王 琴,2,*，劉東杰,2,*

（1.仲愷農業(yè)工程學院輕工食品學院，廣東廣州 510225；2.仲愷廣梅研究院，廣東梅州 514000）

冬棗是鼠李科棗屬植物，外觀呈現(xiàn)出青綠色和暗紅色，成熟季節(jié)大約在冬季，因此稱之為冬棗[1]。冬棗含有豐富的糖類、脂肪、蛋白質和無機鹽等人體必需的營養(yǎng)素[2]，除此之外，它還富含維生素群以及鈣鐵磷等微量元素，實為養(yǎng)生水果之佳品。然而冬棗采摘后容易失水，使得果實表皮皺縮，品質也隨之下降[3]。

低場核磁及其成像技術是一種無損檢測方法[4]，它是基于質子的自旋運動，在磁場的作用下，射頻脈沖對樣品質子進行激發(fā)從而產生共振信號，可對樣品的水分存在狀態(tài)、變化及其分布進行連續(xù)性的測量和分析[5]，結果具有可靠性；Lv 等[6]利用低場核磁設備實時監(jiān)測蔬菜干燥過程中的水分含量變化，從而達到更加準確地把握干燥效率的目的。低場核磁設備不僅可以作為蔬菜干制過程的監(jiān)測手段，還可以應用于各種果蔬的貯藏保鮮實驗中，探究其貯藏期間的水分遷移規(guī)律[7]，從基礎層面探究水分遷移與品質變化之間的聯(lián)系。朱丹實等[8]借助低場核磁技術，獲得了秋紅李子在貯藏過程中的水分變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)它與果實的組織結構變化存在一定程度上的相關性。目前低場核磁技術已大量應用于食品中的水分[9]和油脂[10]分析，可以更加清晰直觀地看出食品中的水分以及油脂的分布情況和含量，將低場核磁技術與食品品質指標變化相結合，或許可以用水分的遷移規(guī)律表征品質的變化情況，這在食品品質實時監(jiān)測中將具有重大意義。

本研究利用低場核磁及其成像技術，探究冬棗在低溫貯藏期間的水分遷移規(guī)律[11]，同時對相關品質指標進行監(jiān)測，結合相關數(shù)據(jù)分析水分變化與品質變化是否存在一定的聯(lián)系，以期為冬棗的保鮮手段[12]研發(fā)提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

冬棗 購于廣州市荔塱農副產品綜合批發(fā)市場，挑選形狀大小均一、無機械性損傷、表皮紅斑覆蓋率在5%以下的新鮮冬棗備用；氫氧化鈉、氯化鋇、草酸、酚酞等試劑 均為分析純，天津市福晨化學試劑廠。

MesoMR23-040H-I 核磁共振成像分析儀 蘇州紐邁分析儀器股份有限公司；質構儀(TA.XTPlus)英國Stable Micro System 公司；ZD-2 型酸堿滴定儀 上海儀電科技股份有限公司；CR-10 plus 色差儀東莞市航程電子科技有限公司。

1.2 實驗方法

溫度穩(wěn)定在（32±0.1）℃，將標準水樣放入直徑60 mm的磁體線圈中進行單次采樣，儀器將自動調整好中心頻率和射頻頻率。把冬棗樣品放入磁場中心位置，采用CPMG 序列采集樣品的信號，經調試之后確定具體參數(shù)設置如下：

射頻 (MHz)=21； 頻率偏移 (Hz)=26452.83；90°脈寬(μs) =8.00；180°脈寬(μs)=20.00；采樣頻率(kHz)=200；射頻延時(ms)=0.02；采樣點數(shù)=40028；等待時間(ms)=8000；時延(ms)=0.45；回波個數(shù)=18000；前置放大增益=1；模擬增益=3；重復采樣次數(shù)=4。每個處理重復測定3 次。選擇迭代次數(shù)十萬次進行數(shù)據(jù)反演。

1.2.3 冬棗的MRI 成像 分別于第1、16、32 和60 d從冷藏庫取同樣的10 顆冬棗進行核磁成像實驗。

參數(shù)設置：Z 方向線圈梯度值=5，Y 方向線圈梯度值=1，X 方向線圈梯度值=1，重復等待時間=1000 ms，回波時間=19 ms，頻率編碼視野大小=80 mm，相位編碼視野大小=80 mm，累加4 次，K 空間大小256×196；層厚為2 mm。

1.2.4 冬棗外觀色澤的觀察 每隔5 d 取樣，直至果實表面完全變紅為止。隨機取出3 顆冬棗，擦干表面水分，拍照記錄。使用色差儀[13]測量冬棗三處不同的表面，記錄L*和a*值。重復測定三次，結果取平均值。

1.2.5 失重率的測定 每隔5 d 單獨取出10 顆冬棗，稱量并記錄樣品初始重量，往后每次取樣時，計算兩者的質量差值與初始樣品質量的比值即為冬棗樣品在這段時間內的失重率[14]。計算公式：

1.2.6 硬度值測定 每隔5 d 隨機取出10 顆冬棗，使用TA.XTPlus 型質構儀測定[15]，探頭直徑為3.0 mm，測定深度為4.0 mm，測定速度為1.0 mm/s，每個樣品測定三個點，結果取平均值。

1.2.7 呼吸強度測定 采用靜置法[16]測定冬棗的呼吸強度。將10 mL 0.2 mol/L NaOH 標準溶液置于玻璃干燥皿的底部，再每隔5 d 放入單獨取樣的10 顆待測樣品冬棗，密封，在4 ℃下靜置1 h 后取出，加入過飽和的BaCl2和兩滴酚酞試劑后，用0.05 mol/L草酸標準溶液滴定，記錄草酸的用量，同時用同種方式做空白對照。計算公式：

1.2.1 樣品貯藏方式 10 斤新鮮冬棗于4 ℃、濕度90%的冷藏庫中儲存待測。

1.2.2 水分橫向弛豫時間（T2）的測定 每12 d 從冷藏庫中取同樣的10 顆冬棗進行水分橫向弛豫時間的測定。啟動低場核磁共振成像分析儀，待磁場中心

式中，c 為草酸濃度（mol/L）；V1為空白組草酸用量（mL）；V2為實驗組草酸用量（mL）；w 為冬棗樣品質量（kg）；t 為放置時間（h）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Origin 2018 和Excel 2013 進行數(shù)據(jù)分析。

2 結果與分析

2.1 冬棗低溫貯藏過程中水分的存在狀態(tài)及遷移規(guī)律

2.1.1 冬棗低溫貯藏過程中的弛豫時間變化 由圖1可見，樣品的T2圖譜中包含多個峰[17]，即說明冬棗內部含有多組水分[18]，其中頂點時間在0.1～10 ms 區(qū)間內的峰代表結合水，這種水分主要存在于冬棗內部組織結構（液泡）當中，與細胞結合十分緊密，外加磁場難以對其進行激發(fā)，因此橫向弛豫時間非常短暫，在貯藏的第1 d，其峰頂點時間為4.6 ms；10～100 ms內為不易流動水，該水分主要為細胞間質水，與冬棗內部組織的結合程度不如結合水那么緊密，其貯藏第1 d 的峰頂點時間是57.2 ms；而100～1000 ms 范圍內是自由水，大多是細胞外的游離水，相對于前兩種水分，自由水較容易受到激發(fā)而產生共振信號，它的橫向弛豫時間也是最長的[19]，首日峰頂點時間達到1072.2 ms。當冬棗樣品貯藏到60 d，自由水的信號幅度值為147，相較于貯藏第1 d 的信號幅度值158 明顯下降，而不易流動水和結合水的信號強度上升，這是由于隨著貯藏時間的推移，冬棗會發(fā)生干耗和腐敗變質，表皮皺縮，結構疏松，果實外層的一部分水掙脫束縛散發(fā)到外界環(huán)境中，而另一部分水則逐步向內層滲透遷移，即自由水逐步轉化為不易流動水且發(fā)生一定量的損失的過程[20]。

圖1 冬棗橫向弛豫時間（T2）反演圖Fig.1 Inversion diagram of relaxation time(T2) of winter jujube

2.1.2 冬棗低溫貯藏過程中三種水分的峰面積變化經T2反演圖得知冬棗內部含有結合水、不易流動水和自由水三種水分，它們會隨著貯藏天數(shù)的增加而不斷地發(fā)生轉化和損失，經質子歸一化處理后，峰面積的變化即代表水分含量的變化[21]。由圖2 可知，在貯藏初期，冬棗新鮮程度最高，果實內部的結合水與自由水含量高，峰面積值分別達到23.22 和765.927，而不易流動水含量較低，面積值為7.152。待儲藏接近一個月時，冬棗發(fā)生了一定程度上的腐敗變質，自由水含量因轉化和損失[22]而呈現(xiàn)出波動趨勢；儲存兩個月后，果實的腐敗程度越來越高，持水能力嚴重下降，自由水含量下降了3.2%，是三種水分中下降幅度最大的；結合水與不易流動水則是雖有一定程度上的波動，但總體變化甚微，推測其原因是這兩種水分存在于冬棗果核附近，與果實組織結合緊密，受到較強的束縛力，不容易流失到果實外部。

圖2 三種水分的峰面積變化Fig.2 Peak area variation of three kinds of water

2.1.3 冬棗低溫貯藏的MRI 成像 對冬棗樣品進行核磁成像[23]，由圖3 可見，在貯藏初期，圖像較為光亮[24]，果實邊緣形狀圓潤，說明水分含量充足且分布均勻；而隨著儲藏時間的延長，冬棗MRI 成像越發(fā)暗淡[25]，與此同時果實圖像出現(xiàn)斑點，是發(fā)生霉變的跡象[26]；同時冬棗果實邊緣呈現(xiàn)出鋸齒狀，這主要是由于果實逐漸發(fā)生腐敗變質，內部水分大量流失，水分分布的均勻性下降。

圖3 冬棗MRI 成像Fig.3 MRI of winter jujube

2.2 冬棗外觀的變化

新鮮冬棗從外觀上看，果實圓滑完整，表皮整體呈現(xiàn)出青綠色；隨著貯藏時間的推移，冬棗果皮會出現(xiàn)一個逐漸變紅[27]的過程，這是由于冬棗的成熟度越來越高，內部的一系列酶促反應[28]使得冬棗表皮從一開始的零星紅點到出現(xiàn)大面積紅斑，最后整個果實表皮都呈現(xiàn)出暗紅色；貯藏60 d 的冬棗樣品表面干癟、皺縮，甚至出現(xiàn)龜裂以及發(fā)霉的情況，明顯是流失了大量的水分，而這些都在MRI 圖像上有所反映（圖4）。

圖4 冬棗外觀變化Fig.4 Appearance changes of winter jujube

2.3 冬棗低溫貯藏過程中的品質變化

通過觀察冬棗樣品的色澤、硬度、失重率以及呼吸強度的變化，從理化層面進一步體現(xiàn)冬棗低溫貯藏期間水分的變化規(guī)律對其品質造成的影響。

2.3.1 色差值 色差儀中L*值代表明暗度（黑白），a*值代表紅綠色，b*值代表黃藍色。由于冬棗主要發(fā)生紅綠色的顏色變化，因此在該實驗中應注重觀察L*與a*的變化；經過數(shù)據(jù)的采集記錄，發(fā)現(xiàn)貯存從第1 d 到第45 d，L*值從71.26 不斷下降到42.28，而a*值從?7.49 上升到21.49，說明冬棗果皮從明亮的青綠色逐漸轉變?yōu)榘导t色，果實越發(fā)的成熟，表皮紅斑隨著貯藏天數(shù)的增加而增加；這是由于冬棗果實內部的一系列酶促反應，使得花青素等色素指標發(fā)生變化，而水分變化又與生理反應息息相關[29]，上文提到，冬棗在儲藏過程中，三種水分不斷地轉化和流失，這可能在一定程度上影響著果實內部的生理反應[30]（圖5）。

圖5 冬棗的色差值變化Fig.5 Variation of color difference value of winter jujube

2.3.2 失重率 與大部分其他水果情況相似，水分在冬棗果實重量中的占比最高，因冬棗內部的水分會隨著儲藏時間的延長而大量地流失，且果實附著的酵母或其他微生物也會逐步消耗掉糖和無機鹽等營養(yǎng)物質，致使冬棗果實慢慢腐化，所以重量會逐漸減小，失重率從第1 d 的0.28%上升到第40 d 的2.23%（圖6）。

圖6 冬棗的失重率變化Fig.6 Variation of weight loss rate of winter jujube

2.3.3 硬度 隨著貯藏時間的推移，冬棗果實逐漸發(fā)生腐敗，內部組織結果由一開始的緊密（硬度值13.78 N）變得疏松軟化（硬度值8.26 N），這也導致了持水能力的下降，其自由水出現(xiàn)大量地散失，難以維持果實堅挺飽滿的形態(tài)，最終體現(xiàn)為硬度值的逐漸下降（圖7）。

圖7 冬棗的硬度變化Fig.7 Hardness changes of winter jujube

2.3.4 呼吸強度 由圖8 可知，在貯藏到40 d 時，冬棗呼吸強度出現(xiàn)一個頂峰，具體數(shù)值達到0.07，由此推斷冬棗屬于呼吸躍變型果實[31]。呼吸作用越旺盛，冬棗內部的營養(yǎng)物質消耗得就越多，經歷過呼吸強度頂峰后，冬棗的品質逐步下降，最終其呼吸強度穩(wěn)定在0.02 mg/kg·h 上下，與此同時，果實在逐漸腐敗的過程中通常也伴隨著水分的大量流失。

圖8 冬棗的呼吸強度變化Fig.8 Respiratory intensity changes of winter jujube

3 結論

冬棗果實內部存在著結合水、不易流動水和自由水三種水分，它們的弛豫時間大致分布在0.1～10、10～100、100～1000 ms 這三個區(qū)間內，其中自由水的信號強度最大，結合水次之，而不易流動水的信號值最小；隨著貯藏天數(shù)的增加，三種水分的信號強度以及弛豫時間都發(fā)生一定程度的變化，當冬棗儲存到60 d，自由水信號大幅降低。與此同時，冬棗表皮由青綠色逐漸轉變成暗紅色，L*值從71.26 不斷下降到42.28，而a*值從?7.49 上升到21.49；失重率和硬度值在貯藏后期分別為2.23%和8.26 N。再者，冬棗屬于呼吸躍變型果實，其呼吸強度于40 d 時達到頂峰（0.07 mg/kg·h）。由實驗結果可知，冬棗在儲藏過程中，隨著果實內部水分的流失和遷移，冬棗品質指標也逐漸下降，最終導致發(fā)生腐敗變質，這在一定程度上說明了水分遷移規(guī)律是果蔬品質變化的關鍵點；在果蔬保鮮研究中，可以利用低場核磁技術實時監(jiān)測果蔬的水分情況，找到其變化的關鍵節(jié)點，從而判斷其品質的優(yōu)劣，也有利于保鮮手段的研發(fā)。