LF-NMR和DSC技術(shù)在小麥倉(cāng)儲(chǔ)品質(zhì)劣變分析中的應(yīng)用

梁筱妍，張愛(ài)琳*，楊薇，樊秀花

（1.天津農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)與生物工程學(xué)院，天津300384；2.天津農(nóng)學(xué)院基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院，天津 300384）

小麥?zhǔn)俏覈?guó)第二大糧食作物，是重要的商品糧和儲(chǔ)備糧。品質(zhì)優(yōu)良是小麥育種、生產(chǎn)和倉(cāng)儲(chǔ)的重要目標(biāo)性狀[1]，品質(zhì)優(yōu)劣直接影響著小麥粉加工成品的質(zhì)量好壞，也關(guān)乎糧食企業(yè)的生存問(wèn)題[2]。小麥生理生化指標(biāo)數(shù)據(jù)的獲取是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其品質(zhì)的前提和基礎(chǔ)，雖然國(guó)內(nèi)對(duì)小麥品質(zhì)的檢測(cè)關(guān)鍵指標(biāo)已基本明確，檢測(cè)技術(shù)日趨成熟[3]，但仍存在檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、樣品損失大、耗費(fèi)成本多等問(wèn)題，糧食的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相對(duì)匱乏。不同小麥指標(biāo)測(cè)取的工序、難度有差異，若每項(xiàng)指標(biāo)都進(jìn)行精確試驗(yàn)，會(huì)增加小麥品質(zhì)評(píng)價(jià)工作的整體時(shí)間與成本，帶來(lái)諸多不便[4]。低場(chǎng)核磁共振技術(shù)（lowfield nuclear magnetic resonance，LF-NMR）可以從微觀(guān)的角度監(jiān)測(cè)小麥中水分的分布變化和遷移情況，具有快速、準(zhǔn)確、無(wú)損、無(wú)侵入等優(yōu)點(diǎn)[5]。差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry，DSC）可以直接檢測(cè)小麥的熱轉(zhuǎn)變溫度和發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)的焓變，由于其測(cè)定過(guò)程中樣品用量少且測(cè)試速度快，已成為研究淀粉結(jié)構(gòu)及糊化性質(zhì)的簡(jiǎn)便、有效的技術(shù)手段[6]。

本研究根據(jù)硬質(zhì)白小麥糧食倉(cāng)儲(chǔ)在北方倉(cāng)儲(chǔ)糧庫(kù)的環(huán)境條件，通過(guò)常規(guī)檢測(cè)技術(shù)結(jié)合無(wú)損檢測(cè)技術(shù)探究長(zhǎng)期倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中小麥表征性指標(biāo)的變化指數(shù)和變化規(guī)律，揭示小麥品質(zhì)劣變的過(guò)程，旨在為監(jiān)測(cè)倉(cāng)儲(chǔ)小麥品質(zhì)提供理論參考，降低小麥倉(cāng)儲(chǔ)損失，提高品質(zhì)安全。

1 材料與方法

1.1 小麥樣品采集

小麥品種為河北省滄州市南皮縣種植的冀麥26號(hào)，存于天津市靜海縣某直屬糧庫(kù)同庫(kù)倉(cāng)儲(chǔ)，小麥基本情況見(jiàn)表1。

表1 供試小麥基本情況Table 1 Basic information of the tested wheat

供試小麥于2020年12月進(jìn)行采集，針對(duì)不同倉(cāng)儲(chǔ)年份的硬質(zhì)白小麥分上、中、下層取樣，上層取樣點(diǎn)為距儲(chǔ)糧表層1 m，中層取樣點(diǎn)為距儲(chǔ)糧表層3 m，下層取樣點(diǎn)為距糧庫(kù)表層5 m。夏季的試驗(yàn)糧庫(kù)取樣時(shí)室內(nèi)相對(duì)濕度維持在（50±5）%，溫度維持在（20±5）℃；冬季的試驗(yàn)糧庫(kù)取樣時(shí)室內(nèi)相對(duì)濕度維持在（50±5）%，溫度維持在（0±5）℃。取樣方法參照 GB/T5491—1985《糧食、油料檢驗(yàn)扦樣、分樣法》。

1.2 儀器與設(shè)備

CM-5分光測(cè)色計(jì)：日本柯尼卡美能達(dá)有限公司；DSC差示掃描量熱儀：瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司；25 μL鋁坩堝、YP-1鋁坩堝壓片機(jī)：德國(guó)耐馳儀器制造有限公司；JFSD-100型粉碎機(jī)：上海嘉定糧油儀器有限公司；DK-S24型恒溫水浴鍋：上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；NMI20-040H-I核磁共振成像分析儀（共振頻率23.309 MHz，磁體強(qiáng)度0.55 T，線(xiàn)圈直徑25 mm，磁體溫度32℃）：上海紐邁電子科技有限公司；BAS124S型分析天平：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司。

1.3 樣品檢測(cè)方法

1.3.1 理化指標(biāo)檢測(cè)

色差：利用色差儀測(cè)定樣品色值，記錄L*、a*、b*值。脂肪：按照GB/T 5009.6—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中脂肪的測(cè)定》第一法測(cè)定。脂肪酸：按照GB/T 5009.168—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中脂肪酸的測(cè)定》第一法測(cè)定。水分：總水分含量按照GB/T 5009.3—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測(cè)定》第一法測(cè)定。淀粉：按照GB/T 5009.9—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中淀粉的測(cè)定》第一法測(cè)定。

1.3.2 核磁共振成像檢測(cè)

樣品于（25±1）℃稱(chēng)量后放入永久磁場(chǎng)中心位置的直徑為25 mm的玻璃管中，利用硬脈沖自由感應(yīng)衰減（free induction deca，F(xiàn)ID）序列獲得樣品中心頻率，再利用多脈沖回波序列（carr-purcell-meiboom-gill，CPMG）測(cè)定樣品橫向弛豫時(shí)間T2，連續(xù)測(cè)量3次，取平均值。采用多脈沖回波序列CPMG掃描采集核磁信號(hào)，通過(guò)調(diào)整多自旋回波（multiple spin echo，MSE）序列中的選層梯度、相位編碼梯度和頻率編碼梯度，分別獲得樣品俯視、側(cè)視成像數(shù)據(jù)，然后利用sirt算法，迭代次數(shù)為10萬(wàn)次進(jìn)行反演得到T2譜圖。T2試驗(yàn)主要參數(shù)：主頻SF=20 MHz，偏移頻率O1=987 kHz，90度脈沖時(shí)間 P1=7.52 μs，180 度脈沖時(shí)間 P2=14 μs，重復(fù)采樣等待時(shí)間TW=1 000 ms，累加采樣次數(shù)NS=32，回波時(shí)間TE=0.2 ms，回波個(gè)數(shù)NECH=3 000，信號(hào)接收帶寬SW=200kHz，開(kāi)始采樣時(shí)間的控制參數(shù)RFD=0.02ms。

1.3.3 DSC差式掃描檢測(cè)

準(zhǔn)確稱(chēng)取3.00 mg樣品，加入7 μL蒸餾水，混合均勻，使樣品平鋪于坩堝底部，并保證坩堝中試樣質(zhì)量無(wú)損。用坩堝蓋子密封，并采用壓樣器對(duì)坩堝進(jìn)行壓制，保證坩堝密封良好。（25±1）℃中靜置24 h，然后放入DSC測(cè)試儀中，在氮?dú)饬髁繛?0 mL/min、壓力為0.1 MPa、升溫速率為5℃/min的條件下，從10℃程序升溫至90℃，利用電腦程序記錄DSC曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，分析淀粉的糊化性質(zhì)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用SPSS 25.0軟件通過(guò)單因素方差分析比較差異顯著性，P＜0.05為差異顯著，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，測(cè)試試驗(yàn)均重復(fù)3次。利用Excel及Origin 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中色澤的變化

不同倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間小麥L*值、a*值和b*值見(jiàn)表2。

表2 不同倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間小麥L*值、a*值和b*值Table 2 L*value，a*value and b*value of wheat in different storage time

色澤是食品的主要質(zhì)量指標(biāo)，小麥籽粒的色澤直接表明小麥品質(zhì)，優(yōu)質(zhì)小麥白度高，明亮有光澤。L*值代表亮度，a*值代表紅綠度，b*值代表黃藍(lán)度。由表2可知，倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中硬質(zhì)白小麥的L*值和a*值呈下降趨勢(shì)，L*值最低值為 84.46±0.06，最高值為 86.35±0.13，a*值最低值為1.61±0.02，最高值為2.32±0.08；b*值呈上升趨勢(shì)，最低值為 11.61±0.33，最高值為 12.61±0.08，即樣品的整體色澤加深。色值變化主要是淀粉老化、脂肪氧化及微生物生長(zhǎng)所導(dǎo)致的[7]。倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中，淀粉發(fā)生老化現(xiàn)象，水分子局部析出，從而阻礙了表面對(duì)光的反射，致使光的反射率下降，亮度降低；微生物生長(zhǎng)，霉菌在小麥的表面滋生，導(dǎo)致小麥籽粒顏色變深[8]。

2.2 小麥倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中脂肪的變化

脂類(lèi)是小麥的三大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之一，主要集中在籽粒的胚部和糊粉層，只占籽粒質(zhì)量的2%，但其產(chǎn)生變化會(huì)嚴(yán)重影響小麥的倉(cāng)儲(chǔ)品質(zhì)及加工口感。長(zhǎng)期倉(cāng)儲(chǔ)的小麥脂肪值變化趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 不同倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間小麥脂肪變化情況Fig.1 Changes of wheat fat in different storage time

上、中、下3層新小麥的脂肪值分別為1.80、1.81 g/100 g和 1.85 g/100 g，倉(cāng)儲(chǔ) 36 個(gè)月后，上、中、下層小麥脂肪分別降低到1.44、1.51、1.53 g/100 g。說(shuō)明長(zhǎng)期倉(cāng)儲(chǔ)對(duì)小麥的脂肪含量有影響，在小麥儲(chǔ)藏過(guò)程中，因?yàn)檠鯕獾拇嬖冢渲|(zhì)會(huì)發(fā)生氧化分解，小麥最終酸敗變苦，倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間越長(zhǎng)，脂肪含量越低。小麥脂肪酶主要存在于麥麩中，水分含量越低越活躍，且熱穩(wěn)定[9]。小麥儲(chǔ)藏期間，低水分時(shí)脂質(zhì)易氧化，高水分時(shí)易水解，在倉(cāng)儲(chǔ)到24個(gè)月后小麥整體脂肪變化加劇，36個(gè)月后上、中、下層小麥變化差異變大，影響小麥品質(zhì)。

2.3 小麥倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中脂肪酸的變化

脂肪酸值反映了小麥脂肪的酸敗程度，是脂肪水解積累的產(chǎn)物。不同倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間小麥脂肪酸值變化情況見(jiàn)圖2。

圖2 不同倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間小麥脂肪酸值變化情況Fig.2 Changes of fatty acid values in wheat with different storage time

由圖2可知，新小麥脂肪酸約為1.26mgKOH/100g，倉(cāng)儲(chǔ)12個(gè)月后為1.29mgKOH/100g，倉(cāng)儲(chǔ)24個(gè)月后達(dá)到1.54mgKOH/100g，倉(cāng)儲(chǔ)36個(gè)月后為1.84mgKOH/100g，結(jié)果表明小麥在倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中脂肪酸值的變化是比較明顯的而且與倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間呈正相關(guān)，貯藏時(shí)間越長(zhǎng)，脂肪酸值變化越大[10-11]。小麥儲(chǔ)藏期間脂肪酸值增加原因，主要是由一些游離的脂類(lèi)即未與淀粉或蛋白結(jié)合的脂類(lèi)參與氧化水解作用，膜上的三酰甘油酯和磷脂中的結(jié)合脂肪酸在脂肪酶和磷脂酶的作用下不斷地被釋放出來(lái)，使得游離脂肪酸的含量增加，最終使脂肪酸值升高[12]。不同倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間小麥脂肪酸組分比較見(jiàn)圖3。

圖3 不同倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間小麥脂肪酸組分比較Fig.3 Comparison of fatty acid components in wheat with different storage time

如圖3所示，小麥籽粒的棕櫚酸和亞油酸含量均隨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，貯藏36個(gè)月后，上中下層的硬脂酸分別達(dá)到 0.038、0.039、0.041 g/100 g，棕櫚酸分別達(dá)到 0.460、0.409、0.402 g/100 g，油酸分別達(dá)到 0.214、0.208、0.187 g/100 g，亞油酸值分別達(dá)到1.200、1.100、1.050 g/100 g，α-亞麻酸值分別達(dá)到 0.062、0.059、0.054 g/100 g，說(shuō)明倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間對(duì)脂肪酸組分的影響隨著倉(cāng)儲(chǔ)期的延長(zhǎng)逐漸增大。通過(guò)指標(biāo)計(jì)算可得，小麥籽粒中的不飽和脂肪酸占75%，其中亞油酸為61%，亞麻酸為3%，油酸為11%；飽和脂肪酸為25%，其中棕櫚酸為22%和硬脂酸為3%。

2.4 小麥倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中水分的變化

2.4.1 小麥中水分分布的變化

倉(cāng)儲(chǔ)期內(nèi)小麥的含水量及其水分分布會(huì)發(fā)生明顯變化，從而影響小麥的倉(cāng)儲(chǔ)品質(zhì)。不同倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間小麥水分變化情況見(jiàn)圖4。

圖4 不同倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間小麥水分變化情況Fig.4 Changes of wheat moisture in different storage time

由圖4可知，長(zhǎng)期倉(cāng)儲(chǔ)使硬質(zhì)白小麥水分總量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，新倉(cāng)儲(chǔ)的小麥上、中、下層含水量分別為10.44%、10.38%和10.28%。倉(cāng)儲(chǔ)36個(gè)月后的小麥上、中、下層含水量分別為9.18%、9.00%和8.55%。不同倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間對(duì)小麥水分含量有一定影響，水分變化受倉(cāng)儲(chǔ)位置的影響，上層小麥?zhǔn)俣容^中層和下層速度慢，其原因可能為上層小麥與外部空氣直接接觸，受環(huán)境溫濕度影響較大，當(dāng)糧倉(cāng)溫度較高時(shí)水分流失加快，糧倉(cāng)小麥堆出現(xiàn)溫度變化。

2.4.2 LF-NMR技術(shù)檢測(cè)小麥中水分遷移的變化

利用核磁共振成像分析儀分析小麥籽粒水分內(nèi)部變化，弛豫時(shí)間T2越短說(shuō)明水分與底物結(jié)合越緊密或自由度越小[13]，在T2譜上峰位置較靠左；反之弛豫時(shí)間T2越長(zhǎng)說(shuō)明水分越自由，在T2譜上峰位置較靠右，縱坐標(biāo)代表質(zhì)子密度M2，表征橫向弛豫時(shí)間T2對(duì)應(yīng)的水分含量[14]。不同倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間小麥的橫向弛豫時(shí)間T2見(jiàn)圖5。不同倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間小麥弛豫時(shí)間T2和峰面積A2變化見(jiàn)表3。

圖5 不同倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間小麥的橫向弛豫時(shí)間T2Fig.5 Transverse relaxation time T2of wheat with different storage time

T2譜中的3個(gè)峰分別對(duì)應(yīng)3種狀態(tài)的水：T21（0.1ms～10 ms）代表與樣品中高分子表面極性基團(tuán)緊密結(jié)合的強(qiáng)結(jié)合水層，這種結(jié)合十分緊密，流動(dòng)性很差，對(duì)應(yīng)的是結(jié)合水[15]，占比88.19%；T22（10 ms～100 ms）代表間接與大分子結(jié)合或直接與強(qiáng)結(jié)合水結(jié)合的弱結(jié)合水層，其結(jié)合強(qiáng)度比單分子層水略差些，可凍結(jié)結(jié)合水即分布在此組分區(qū)間中，對(duì)應(yīng)的是不易流動(dòng)水，占比1.98%；T23（100 ms～1 000 ms）流動(dòng)性更強(qiáng)，代表吸附在表面自由度較大的水，對(duì)應(yīng)的是自由水，占比9.74%。結(jié)合圖5和表3可以看出倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間越長(zhǎng)，A2數(shù)值越小，圖形向左移動(dòng)，峰總面積減小，水分與底物的結(jié)合越來(lái)越緊密[16]，表明小麥內(nèi)部在倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中高自由度的水分向低自由度的水分遷移。其中物料內(nèi)自由水的自由度大，所以A21持續(xù)下降，而A22和A23存在波動(dòng)，原因是倉(cāng)儲(chǔ)初期存在溫度梯度，使自由度較高、不穩(wěn)定的水向自由度較低、相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的水移動(dòng)，所以結(jié)合水、不易流動(dòng)水含量增加；由此說(shuō)明不同狀態(tài)水之間并非一成不變，而是動(dòng)態(tài)的連續(xù)變化過(guò)程，它們之間存在著相互滲透與轉(zhuǎn)化，所以反演譜圖中出現(xiàn)峰面積不增反降的情況[17]。

2.5 小麥倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中淀粉的變化

2.5.1 小麥中淀粉含量變化

小麥含量最多的是淀粉，本研究比較了長(zhǎng)期倉(cāng)儲(chǔ)對(duì)直鏈淀粉和支鏈淀粉的影響，如圖6所示。

圖6 不同倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間小麥淀粉值變化情況Fig.6 Changes of wheat starch value in different storage time

新麥籽粒中的淀粉含量占69.77%，倉(cāng)儲(chǔ)36個(gè)月后淀粉含量下降至66.10%。這說(shuō)明隨倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間的延長(zhǎng)小麥籽粒中淀粉的含量逐漸減少，可能是淀粉被活化的淀粉酶水解成麥芽糖等小分子還原糖。儲(chǔ)藏于糧倉(cāng)下層的小麥籽粒中淀粉的含量較低，上層中淀粉的含量較高，同年份差異不顯著。小麥中直鏈淀粉占淀粉總量的40.17%，支鏈淀粉占淀粉總量的59.83%。直鏈淀粉的含量呈上升趨勢(shì)，由25.0%增長(zhǎng)至29.30%，支鏈淀粉含量呈波動(dòng)趨勢(shì)，基本維持在40%，小麥籽粒在倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中，內(nèi)部的酶催化反應(yīng)在α-淀粉酶、β-淀粉酶、脫支酶、異淀粉酶、糖化酶等酶作用下，通過(guò)α-1，6-糖苷鍵連接的支鏈淀粉，形成了淀粉的非定型區(qū)，α-D-1，4-糖苷鍵連接直鏈淀粉，形成了結(jié)晶區(qū)，不定形區(qū)向結(jié)晶區(qū)轉(zhuǎn)變，從而使直鏈淀粉比例上升。

2.5.2 淀粉熱力學(xué)特性的測(cè)定

運(yùn)用DSC技術(shù)可以對(duì)小麥淀粉的糊化程度進(jìn)行測(cè)定[18]。淀粉糊化指淀粉顆粒在有水存在且溫度適合的條件下吸水溶脹，伴隨著淀粉分子中晶體結(jié)構(gòu)的破壞和雙螺旋結(jié)構(gòu)的解開(kāi)[19]。不同倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間小麥熱力學(xué)參數(shù)的變化見(jiàn)表4。

表4 不同倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間小麥熱力學(xué)參數(shù)的變化Table 4 Changes of wheat thermodynamic parameters in different storage time

由表4所知，倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間對(duì)糊化淀粉的熱特性有一定影響，倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間越長(zhǎng)，小麥籽粒的糊化起始溫度t0、最高溫度tp、終止溫度tm越低[20]。焓值表示淀粉中晶體結(jié)構(gòu)被破壞或雙螺旋結(jié)構(gòu)解旋所需要吸收的熱量[21]，小麥的吸熱焓值上升的加速度剛開(kāi)始比較小，在57℃后加速度變大，倉(cāng)儲(chǔ)的新小麥焓值為1.0 J/g，倉(cāng)儲(chǔ)36個(gè)月后的小麥焓值為1.61 J/g。低溫段焓值變化緩慢，在經(jīng)歷一段快速變化之后，焓值與倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系。隨著倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間的延長(zhǎng)，小麥水分含量的減少，淀粉由非水分限制下的完全溶脹逐漸向水分限制下的吸水溶脹轉(zhuǎn)變，水分在淀粉無(wú)定性區(qū)域遷移時(shí)間變短，直鏈淀粉與脂質(zhì)形成的復(fù)合物對(duì)熱比較敏感，降低了糊化溫度[22]。

3 結(jié)論

小麥在倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中的色澤變暗、脂肪酸含量增加，水分、脂肪和淀粉總量減少，各指標(biāo)隨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)變化速率加快。采用核磁共振成像檢測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)了小麥籽粒內(nèi)部水分的變化規(guī)律，該方法簡(jiǎn)化操作過(guò)程，提高了測(cè)定效率和準(zhǔn)確性；DSC差示掃描技術(shù)驗(yàn)證了長(zhǎng)時(shí)間倉(cāng)儲(chǔ)使小麥糊化特性改變，揭示了小麥各指標(biāo)間存在復(fù)雜的多重相關(guān)性，提高了方法的適用范圍。