低場核磁共振方法下熱泵干燥過程中蠶蛹的品質(zhì)變化

吳釗龍，黃紀(jì)民，林芳，李秉正，陳振林，黃志民*

1(廣西科學(xué)院 非糧生物質(zhì)酶解國家重點實驗室，廣西 南寧，530007)2(廣西科學(xué)院 廣西生物煉制重點實驗室，廣西 南寧，530007)3(南寧市中科微波先進制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣西 南寧，530007) 4(賀州學(xué)院 食品科學(xué)與工程技術(shù)研究院，廣西 賀州，542899)

蠶蛹(silkworm pupa)又稱小蜂兒，是蠶發(fā)育到一定階段的產(chǎn)物[1]，其是2004年中國衛(wèi)生部批準(zhǔn)的作為普通食品管理的食品新資源中唯一的昆蟲類食品，富含蛋白質(zhì)、脂肪酸、甲殼素、糖類和微量元素等[2]。蠶蛹不僅僅是一種具有較高營養(yǎng)價值的美食，也是一種具有較強功能活性的中藥[3-4]。我國每年生產(chǎn)新鮮蠶蛹30萬t以上，約占全世界總產(chǎn)量的4/5[5]。目前，我國的新鮮蠶蛹大多用來進行粗加工，然后當(dāng)飼料和肥料處理，在其他應(yīng)用領(lǐng)域特別是精加工的開發(fā)利用較少，且技術(shù)手段有限，產(chǎn)品種類不多，限制了蠶桑產(chǎn)業(yè)收入的增長[6-7]。將蠶蛹干燥加工成即食干制品，既能延長貯藏期，又能提高蠶蛹附加值，目前，已有將熱泵干燥[8]、變溫壓差膨化干燥[9]、微波-熱風(fēng)聯(lián)合干燥[10]和真空冷凍[11]等干燥技術(shù)應(yīng)用于蠶蛹干燥的報道。其中，熱泵干燥高效、節(jié)能、處理量大，是較理想的蠶蛹干燥技術(shù)之一。熱泵干燥是以熱空氣為干燥介質(zhì)，將熱量傳遞給新鮮的蠶蛹，使其表面的水分汽化，內(nèi)部和表面之間產(chǎn)生水分梯度差，內(nèi)部的水分以氣態(tài)或液態(tài)的形式向表面擴散，蠶蛹在熱泵干燥過程中色澤、質(zhì)構(gòu)等品質(zhì)會發(fā)生一系列的變化，因此，研究蠶蛹在熱泵干燥過程中的水分狀態(tài)和品質(zhì)具有重要意義。

低場核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR)是一種快速無損的檢測技術(shù)，可從微觀的角度闡明樣品中水分的變化，具有無損傷、高效率、準(zhǔn)確等優(yōu)點[12]。目前LF-NMR技術(shù)在食品貯藏、干燥及摻假檢測等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，并取得了很好的效果[13-16]。因此，LF-NMR及其成像技術(shù)有望用于熱泵干燥過程中蠶蛹含水量和其他品質(zhì)指標(biāo)的快速檢測。

本研究以新鮮蠶蛹為原料，利用LF-NMR確定新鮮蠶蛹的水分分布狀態(tài)，研究在65 ℃的熱泵干燥過程中的水分分布和遷移，并測定蠶蛹含水量、硬度、脆度和亮度(L*)等品質(zhì)指標(biāo)以監(jiān)測干燥程度和品質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，建立橫向弛豫時間(T2)反演譜的總峰面積(A2)與含水量、脆度和硬度之間的關(guān)系方程，以期評價LF-NMR作為一種快速、準(zhǔn)確和無損的方法監(jiān)測蠶蛹熱泵干燥的潛力。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

新鮮蠶蛹：廣西平樂國弘繭絲綢有限公司。

1.2 實驗設(shè)備

WRH-100AB型環(huán)閉除濕熱泵干燥機，正旭新能源設(shè)備科技有限公司；JJ1000型電子天平，常熟市雙杰測試儀器廠；MB90型水分測定儀，奧豪斯儀器常州有限公司；CR-400型色彩色差計，柯尼卡美能達(中國)投資有限公司；S-081型物性測定儀，英國SMS公司；NMI20型核磁共振成像分析儀，蘇州(上海)紐邁電子科技有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品干燥

選用個體完整、大小均勻的新鮮蠶蛹，將蠶蛹放入90 ℃熱水中漂燙滅酶3 min[17]，將其撈出瀝干表面水分，均勻擺在熱泵干燥設(shè)備托盤上。參照前期研究[8]結(jié)果，設(shè)恒定風(fēng)速并在濕度25%、溫度65 ℃條件下進行干燥，在干燥過程中，相隔30 min取1次樣，直至干基含水量<9%為止。每次取3份平行樣品，樣品的形狀和質(zhì)量盡可能保持一致。

1.3.2 干基含水量測定

蠶蛹干基含水量采用GB 5009.3—2016《食品中水分的測定》中規(guī)定的直接干燥法測定，蠶蛹初始干基含水量為323.55%。干燥過程中，蠶蛹干基含水量根據(jù)公式(1)計算：

(1)

式中：M，干燥到t時刻的蠶蛹干基含水量，%；mt，干燥到t時刻的蠶蛹質(zhì)量，g；m，絕干蠶蛹的質(zhì)量，g[18]。

1.3.3 色澤測定

本實驗主要考查蠶蛹色澤的亮度。以儀器白板的色澤為標(biāo)準(zhǔn)，測定蠶蛹的亮度L*值，L*表示明暗，其值越大，產(chǎn)品的亮度越好，可以間接反應(yīng)產(chǎn)品色澤的好壞[19]。

1.3.4 脆度和硬度測定

參照吳釗龍等[20]的方法測定蠶蛹的脆度和硬度。脆度采用測試產(chǎn)生峰個數(shù)來表示，峰個數(shù)越多，產(chǎn)品酥脆度越好，反之，產(chǎn)品酥脆度越差。硬度值等于曲線中力的峰值，即樣品斷裂所需要的最大力以g表示，數(shù)值越大，產(chǎn)品越硬。

1.3.5 核磁共振成像測定

參照盤喻顏[21]的方法并稍作修改，每隔30 min收集1次樣品并稱重，將樣品放入磁體線圈中心位置，進行信號采集和成像試驗，主要參數(shù)：頻率編碼方向1，采集次數(shù)4，相位編碼步數(shù)128，采集點數(shù)256。對映射后的圖片進行偽彩處理。

1.3.6T2的采集及反演

參照盤喻顏[21]的方法并作適當(dāng)修改，CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脈沖序列主要參數(shù)：質(zhì)子共振頻率18 MHz，90°脈沖時間10 μs，180°脈沖時間20 μs，回波次數(shù)4 000次，采樣點數(shù)240 008。

1.3.7 數(shù)據(jù)分析

每個試驗重復(fù)3次，試驗結(jié)果以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。采用JMP Pro 13.0和SPSS 19.0進行單因素方差分析，不同字母表示P<0.05水平下具有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱泵干燥過程中蠶蛹含水量、硬度、脆度和L*的變化

干燥時間是控制干制品含水量和其他品質(zhì)指標(biāo)最重要的參數(shù)之一，因此對不同干燥時間的蠶蛹含水量、硬度、脆度和L*進行了分析，結(jié)果見表1。

表1 不同干燥時間對蠶蛹含水量、硬度、脆度、L*值的影響Table 1 Influence of different drying time on water content, hardness and brittleness of silkworm pupa

由表1可知，蠶蛹含水量隨著熱泵干燥時間的增加而顯著降低(P<0.05)，當(dāng)干燥時間為240 min時，含水量<9%，為7.79%；蠶蛹的硬度隨著干燥時間的延長呈下降的趨勢(P<0.05)，在240 min時達到最小值(57.38 g)；相反，脆度隨著干燥時間的延長而顯著增加(P<0.05)，在240 min時脆度最大，為12.67個。在所考察的干燥時間范圍內(nèi)，L*值在67.00～69.00范圍內(nèi)小幅波動，且并無顯著差異(P>0.05)。

2.2 熱泵干燥對蠶蛹水分遷移規(guī)律的影響

2.2.1 熱泵干燥過程中蠶蛹的核磁共振成像

核磁共振成像可以直觀地觀察水分分布以及加工過程中的結(jié)構(gòu)變化，圖像亮度越高，說明氫質(zhì)子的活躍程度越強，水分含量越高[22]。

由圖1可知，蠶蛹在干燥過程中氫質(zhì)子密度成像圖的亮度逐漸減弱，面積收縮，表明干基水分含量逐漸減少。干燥時間為240 min時，自由水和不易流動水信號均較弱，水分僅殘存于內(nèi)層且含量很低，圖像外部接近背景色(藍)，說明蠶蛹己經(jīng)達到了干燥終點，這與孫江麗等[23]研究真空冷凍干燥過程中紫薯氫質(zhì)子密度圖像變化趨勢一致。

圖1 不同干燥時間蠶蛹的氫質(zhì)子成像圖Fig.1 Hydrogen proton imaging of silkworm pupa with different drying times

2.2.2 CPMG序列衰減特性

蠶蛹中水分狀態(tài)、含量以及分布情況會直接影響CPMG序列的衰減變化趨勢，由圖2可知，CPMG序列的衰減曲線的曲率趨勢是一致的，隨著干燥時間的延長，蠶蛹水分中氫質(zhì)子的信號幅值迅速下降，衰減速率加快，T2也越來越短，說明水分持續(xù)減少且與干制品結(jié)合越來越緊密[21]。

圖2 蠶蛹的CPMG序列衰減曲線Fig.2 CPMG decay curves of silkworm chrysalis

2.2.3 蠶蛹中水分存在形式及相對含量變化

CPMG序列的衰減曲線僅能看出蠶蛹整體的含水量及其流動性的相對變化趨勢，并不能得到內(nèi)部水分狀態(tài)及相對含量，需要利用傅立葉公式將CPMG信號轉(zhuǎn)化為波譜信號并經(jīng)過單位質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到能更好地反映出蠶蛹內(nèi)部水分狀態(tài)、相對含量以及分布情況的T2反演譜[24]。

如圖3所示，新鮮蠶蛹的T2反演譜有3個波峰，表明新鮮蠶蛹內(nèi)部存在3種不同水分狀態(tài)，它們在T2反演譜中對應(yīng)的范圍分別為：結(jié)合水T21(0～2 ms)、不易流動水T22(2～100 ms)、自由水T23(100～1 000 ms)，T21所對應(yīng)的波峰(A21)面積最小，表明蠶蛹中含量最少的是結(jié)合水，其次是不易流動水，最多的是自由水[25]。在干燥過程中，蠶蛹T2反演譜均有1～3個波峰，水分變化較大，水分的組成形式也發(fā)生變化，自由水減少較多。隨著干燥時間的延長，T23峰顯著減小，不同狀態(tài)水分的T2均呈下降趨勢，整個T2反演譜呈現(xiàn)出所有峰逐漸向左移動、總峰面積減少和峰融合的現(xiàn)象，與李定金等[26]研究真空微波干燥調(diào)味山藥片的結(jié)果一致。

圖3 不同干燥時刻的T2反演譜Fig.3 T2 inversion spectrum with different drying times

不同干燥時間T2反演譜中各個峰面積可以間接反映對應(yīng)狀態(tài)水分的相對含量，而總峰面積則表示樣品中的相對總含水量。如圖4所示，隨著干燥時間的延長，T23所對應(yīng)的峰面積A23呈下降趨勢，說明自由水在不斷減少，在干燥時間150 min時已被脫除，其中一部分自由水是因為在熱泵干燥過程中被去除，而少部分自由水會轉(zhuǎn)化為不易流動水和結(jié)合水。隨著干燥時間的延長，不易流動水的峰面積A22先上升后下降，最后趨于穩(wěn)定，可能是由于在干燥初期蠶蛹自由水大量流失，增加了物料基質(zhì)細胞內(nèi)容物濃度，促使部分自由水轉(zhuǎn)化為不易流動水，引起峰面積A22增大[21]；在干燥后期，不易流動水峰面積沒有明顯的變化規(guī)律，具體原因有待進一步探討。

圖4 熱泵干燥過程中蠶蛹不同形態(tài)水的T2反演譜峰面積Fig.4 Variation curve of water peak area of different forms of silkworm pupa during heat pump drying

峰面積A21的值呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，可能是由于在干燥時間為150 min前自由水和部分不易流動水被先脫出，一部分不易流動水轉(zhuǎn)化為結(jié)合水導(dǎo)致A21增大，當(dāng)干燥時間為150～240 min時幾乎所有自由水和大部分不易流動水被脫去，結(jié)合水峰面積A21開始下降，且在干燥時間為240 min時A21與新鮮蠶蛹的A21值基本相同，這一結(jié)果與盤喻顏[21]的研究結(jié)果一致。

2.3 LF-NMR結(jié)果與蠶蛹含水量、脆度以及硬度相關(guān)性分析

為研究蠶蛹熱泵干燥過程中T2反演譜總峰面積隨含水量、脆度、硬度變化的規(guī)律，建立了A2與干燥過程中的實際含水量、脆度和硬度的關(guān)系方程。由表2可知，A2與含水量、脆度和硬度均高度相關(guān)，具有較好的線性關(guān)系，擬合度較高(R2>0.9)。其中，含水量和硬度與A2的相關(guān)性最高，R2分別為0.988和0.986。所得模型可根據(jù)分析T2反演圖譜結(jié)合線性方程間接計算出熱泵干燥過程中任一時刻蠶蛹的含水量、脆度和硬度，可為研究蠶蛹的熱泵干燥工藝設(shè)計、優(yōu)化干燥參數(shù)、控制干燥過程提供參考。

表2 T2反演譜總峰面積(A2)與含水量、脆度和硬度的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of total areas of T2 inversion spectrum and moisture content, brittleness or hardness

3 結(jié)論

對蠶蛹熱泵干燥過程品質(zhì)、水分分布以及遷移變化規(guī)律進行研究，得到新鮮蠶蛹中主要存在3種狀態(tài)的水，即自由水、不易流動水和結(jié)合水。到達干燥終點時蠶蛹中的自由水完全被脫去，只剩下不易流動水和較難脫去的結(jié)合水。蠶蛹含水量隨著干燥時間的延長而降低，硬度呈一直下降的趨勢，脆度呈上升的趨勢，L*沒有顯著性差異。

蠶蛹含水量、脆度以及硬度與A2之間呈較好的線性關(guān)系，決定系數(shù)(R2)均>0.9。可通過T2反演圖譜結(jié)合線性方程間接計算出熱泵干燥過程中蠶蛹的含水量、脆度和硬度。