LF-NMR和MRI对干制虾仁复水过程水分状态及品质变化的研究

程沙沙，唐英强，章 坦，王小荟，王慧慧，谭明乾

(1.大连工业大学 食品学院，辽宁 大连 116034；2.国家海洋食品工程技术研究中心，辽宁 大连 116034)

LF-NMR和MRI对干制虾仁复水过程水分状态及品质变化的研究

程沙沙1,2*，唐英强1,2，章 坦1,2，王小荟1,2，王慧慧2，谭明乾1,2*

(1.大连工业大学 食品学院，辽宁 大连 116034；2.国家海洋食品工程技术研究中心，辽宁 大连 116034)

采用低场核磁(LF-NMR)及其成像技术(MRI)研究干制虾仁在25 ℃复水过程中的水分含量、分布及状态变化，并通过线性回归分析不同复水时间干制虾仁的LF-NMR参数与质构特性及复水率的相关性。实验结果表明，干制虾仁复水过程中存在结合水、不可移动水和自由水3个组分峰，随着复水时间的增加，结合水无明显变化，而自由水、不易流动水含量增加，且自由度增加，流动性增大。LF-NMR参数(T22、T23、A22、A23和ATotal)和硬度、咀嚼性、弹性、凝聚性以及复水率有极显著的相关性(R2≥0.613)，为干制虾仁复水过程中品质的快速无损预测提供了一种新方法。

低场核磁共振；磁共振成像；干制虾仁；复水；水分状态；品质

虾由于低脂肪、高蛋白、富含人体所需各种氨基酸、味道鲜美等特点,深得消费者喜爱[1-3]。但由于虾收获具有明显的季节性和地域性，其体表黏附着多种细菌，肌肉组织水分含量高、组织柔嫩、结缔组织少，体内酶类在常温下活性强，很适合腐败微生物的生长繁殖，虾体极易腐败变质，贮藏期较短[4-5]，所以，必须采取有效手段对原料进行及时保鲜或加工处理。其中干制品以其营养丰富、风味独特、耐贮存、携带方便、生产和消费过程中无需冷链等特点，成为虾的一种重要产品形式[6]。干制品需经过复水后才能烹饪食用。在复水过程中，随着水分向虾内部渗透，水的分布和状态变化对虾的物化特性的改变有重要作用。目前，传统的水分研究方法无法对水分的流动性以及在食品中的分布状态进行检测[7]。因此，探索一种快速无损的监测虾复水过程中水分分布及状态变化的方法具有重要意义。

低场核磁共振(Low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR)及成像技术(Magnetic resonance imaging，MRI)作为近年来兴起的研究方法，该技术主要根据处于不同微环境中质子弛豫时间和幅度的差异反映体系中水分、油脂等物质存在状态和分布情况的变化，以快速、准确、非侵入性、可视化等优点在农业、材料、石油化工、食品等诸多领域得到广泛应用[8-10]。LF-NMR及MRI可从分子水平研究食品在加工贮藏过程中水分分布及状态变化，直观地显示食品材料中水的流动性以及迁移过程，结合由生化、物理以及化学变化所引起的品质变化，实现对其品质的跟踪和预测[11-12]。李然等[13]应用LF-NMR及MRI技术对绿豆浸泡过程进行研究，从一种新的角度解释了绿豆种子内部吸水的动态过程。Dong等[14]采用LF-NMR研究了糯米在浸泡、蒸制和固态发酵过程中水分的动态变化，实验结果表明LF-NMR技术可实现淀粉系统固态发酵的实时监测。张文杰等[15]采用LF-NMR及MRI研究了海参复水过程中的水分分布及状态变化，为海参复水加工过程中物性参数的研究提供了一种有效方法。Geng等[16]采用LF-NMR和MRI对干制海参的复水过程进行研究，结合主成分分析法处理海参样品CPMG序列回波峰点数据，建立了淡干海参和盐干海参的鉴别模型，通过线性回归分析构建了NMR参数与硬度、咀嚼性和复水率等品质参数的相关性模型。

本文采用低场核磁及成像技术，对干制的南美白对虾虾仁复水过程中的水分分布及状态变化进行研究，结合水分含量、质构等参数的变化构建相关性模型，为干制虾仁复水过程中品质变化的快速无损监测提供理论依据。

1 实验部分

1.1 仪器与材料

NMI20-030H-1型核磁共振成像分析仪(苏州纽迈分析仪器股份有限公司)，MultiExp Inv Analysis反演拟合软件，30 mm核磁共振专用测试管。DHG-9070A型电热鼓风干燥箱、HWS24型电热恒温水浴锅(上海一恒科学仪器有限公司)；ME-104型电子天平(梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司)；TA.XT.plus型物性测试仪(英国SMS)。

冷冻南美白对虾，购于大连市新长兴市场。

1.2 实验方法

1.2.1样品的制备与处理从市场购得的南美白对虾用冷藏箱运回实验室，选取外形、体型相似，每尾质量为(7.68±0.14) g的南美白对虾进行实验，测得初始含水量约为74%。每次实验前放入4 ℃的冰箱内解冻24 h，经去头、去壳、去线、清洗步骤后，放入添加2%的盐溶液中2 min，在室温下冷却5 min。然后将样品放入60 ℃的干燥箱内热风干燥10 h，制得干制虾仁样品。干制虾仁的含水量在20%左右。

干制虾仁在室温(25 ℃)条件下用去离子水进行复水实验，分别在复水时间为2、4、6、8、10、20、40、60、80、100、120 min时取样进行LF-NMR及MRI、质构特性和水分含量测定。

1.2.2低场核磁共振测定首先将装有标准硫酸铜溶液的样品瓶放入30 mm的核磁管内，将其置于0.5 T磁体线圈中心区域。在FID序列下确定中心频率以及寻找90°和180°脉冲宽度。

将样品表面的水吸干，置于32 ℃永磁场的射频线圈中心，利用 CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脉冲序列测定样品的自旋-自旋弛豫时间(T2)。 CPMG检测参数为P1=19 μs(硬脉冲90°脉宽)，P2=38 μs(硬脉冲180°脉宽)，SW=200 kHz(采样频率)，Tw=5 000(重复采样等待时间)，NECH=2 000(回波个数)。利用核磁共振弛豫时间反演拟合软件得到T2图像。

1.2.3MRI测定采用T1和T2加权成像，通过成像软件中的多层自旋回波(SE)序列来实现。参数设置为：层数=6，视野Fov=100 mm×100 mm，层厚=0.9 mm，层间隙=1.9 mm，Read size=256，Phase size=192，扫描次数Average=2，T1加权成像的重复时间TR=360 ms，回波时间TE=20 ms，T2加权成像的重复时间TR=1 800 ms，回波时间TE=50 ms。图像均以DCM格式保存。

1.2.4质构测定采用TA.XT.plus型物性测试仪测定干制虾仁复水过程中的硬度、咀嚼性、弹性、粘聚性，切取虾仁腹部的第二、三节用于分析。参数设置为：选用P/5柱头；测试前速度：1 mm/s；测试速度：1 mm/s；测试后速度：1 mm/s；测试形变量：30%。所有测试重复测定3次。

1.2.5水分含量与复水率的测定水分含量根据GB 5009.3-2010方法进行测定。复水率=(mg-m0)/m0，其中mg和m0分别为干制虾仁每次复水前后的质量。

1.3 数据处理

采用oringe 8.5软件进行图形的绘制与线性、指数曲线拟合，利用SPSS软件对核磁数据与相关指标进行线性回归分析。

图1 不同复水时间下干制虾仁的横向弛豫图谱Fig.1 T2 relaxation spectra of the dried shrimp meat for different rehydration times

2 结果与讨论

2.1 干制虾仁复水过程中水分状态变化

干制虾仁25 ℃复水过程的横向弛豫图谱如图1所示，图中不同复水时间的干制虾仁中存在T21、T22和T233个组分峰，分别代表结合程度最强的结合水、结合相对较弱的不易移动水和以游离状态存在的自由水[17]。对弛豫时间T2和各组分信号量A2进行统计分析得到表1，从表中数据可以看出，随着复水时间的增大，T21变化较小，这主要是由于结合水是蛋白质分子表面的极性基团与水分子紧密结合的水分子层，与虾仁组织结合的束缚能力较其它水组分强，因此所对应弛豫时间较短而且变化不大。T22和T23向长弛豫方向移动，说明不易流动水和自由水自由度不断增加，流动性增大。A21在复水过程中不发生明显变化，A22、A23和ATotal在复水过程中随着复水时间的增大而显著增加，说明总的相对水分含量的增加主要由不易移动水和自由水引起。该结果与张文杰等[15]关于海参复水的结论不一致，这可能是由于虾仁内部的肌纤维结构与海参的胶原结构不同所致。

表1 不同复水时间干制虾仁的NMR参数Table 1 NMR parameters obtained in dried shrimp meat for different rehydration time

a-g:values with different superscripts are significantly different(P<0.05)

图2 不同复水时间干虾仁的T1和T2加权成像(A)和相对信号强度(B)Fig.2 T1 and T2 weighted images(A) and the relative intensity of the T1 and T2 weighted images(B) of dried shrimp meat for different rehydration times

图3 干制虾仁在不同复水时间水分含量和复水率的变化Fig.3 Changes of moisture content and rehydration ratio in different rehydration times

2.2 干制虾仁复水过程中的MRI成像

图2为干制虾仁在不同复水时间T1和T2加权成像的伪彩图，其中T1加权成像体现短弛豫时间的组分；T2加权成像体现长弛豫时间的组分。此外图中的红色区域代表高氢质子信号量，蓝色区域代表低氢质子信号量。从图中可以看出，在4 min时干制虾仁开始出现信号量，随着复水时间的延长，T1加权成像的红色区域面积逐渐增大，并且从头部向体部和尾部扩增，说明干制虾仁在4 min时开始进入复水阶段，在复水过程中水分从干制虾仁的头部渗入，逐渐向体部和尾部扩散。原因可能是解冻虾在去头过程中对靠近头部的肌原纤维结构造成了一定的破坏，导致其较体部和尾部容易吸水。与T1加权成像相比，T2加权成像的信号量在复水过程中变化不明显，并且在同一复水时间下T2加权成像的氢质子信号强度低于T1加权成像，说明在复水过程中吸收的水分主要是短弛豫时间的组分，与图1的结果相对应。图2B为T1和T2加权成像的相对信号强度，从图中可以看出，随着复水时间的增大，T1信号强度逐渐增强，复水120 min信号强度基本不变，T1信号强度高于T2信号强度，此结果印证了伪彩图的结果。Deng等[18]利用MRI得到了干制鱿鱼片在复水60 min时信号量基本趋于稳定，并且水分是从鱿鱼片的表面向内部逐渐迁移的结论。该结论与本文结论不一致，可能是由于样品形状和大小的差异，以及复水界面均一性的不同。

2.3 干制虾仁复水过程中水分含量及复水率的变化

干制虾仁在25 ℃复水过程中的水分含量和复水率变化如图3所示，随着复水时间的增加，水分含量和复水率也随之增大。干制虾仁在复水前20 min水分含量从17%快速增至48%；在20～60 min内水分含量增加趋缓；60 min以后，水分含量逐渐趋于稳定。复水率的变化趋势和水分含量相似。这是因为在复水的初始阶段，干制虾仁内部与外部环境存在较大的渗透压，水分能够快速地渗透到虾仁组织细胞内，随着复水的进行，虾仁内外的渗透压逐渐变小，水分含量和复水率的变化趋势逐渐变缓直至趋于稳定。

2.4 干制虾仁复水过程中质构的变化

质构是评价干制虾仁复水品质的重要指标，表2为干制虾仁在不同复水时间的硬度、咀嚼性、弹性和凝聚性参数。从表中可以看出，随着复水时间的增加，干制虾仁的硬度逐渐下降。这可能是由于在复水的过程中，干制虾仁的肌肉组织中的肌原纤维越来越疏松，肌纤维之间的空隙逐渐变大，形成了致密的网络结构，导致干制虾仁的硬度逐渐降低[19]。咀嚼性的变化趋势与硬度的变化规律相似，这是由于咀嚼性受硬度和弹性的影响[16]。弹性随着复水的进行总体呈上升趋势，这是因为复水过程中水分含量逐渐增多，肌纤维可能会逐渐形成立体的网络结构，导致肌肉变软，弹性增大。凝聚性随着复水时间的增加变化不大。

表2 干制虾仁在不同复水时间的TPA参数 Table 2 TPA parameters of dried shrimp meat in different rehydration times

(续表2)

Rehydrationtime/minHardness/g(硬度)Chewiness(咀嚼性)Springiness(弹性)Cohesiveness(凝聚性)101512.81±87.23e1101.79±17.15d0.91±0.02bc0.77±0.03ab201355.02±29.02e968.48±56.80c0.87±0.03ab0.77±0.03ab401117.89±105.56d882.68±82.04bc0.91±0.01bc0.78±0.02ab60966.80±18.92cd793.47±49.11b0.94±0.01c0.78±0.02ab80819.90±57.12bc648.93±41.46a0.96±0.01c0.81±0.01b100752.15±103.78b506.93±45.62a0.95±0.02c0.80±0.01ab120545.75±64.49a515.74±112.00a0.95±0.01c0.79±0.01ab

a-h:values with different superscripts are significantly different (P<0.05)

2.5 干制虾仁复水过程中核磁参数与质构参数、复水率的相关性分析

如果低场核磁的参数与相关理化指标有较强的相关性，低场核磁检测技术可作为快速、无损的方法代替耗时、有损的检测方法。线性回归分析参数中的R2是评价指标之间相关程度的重要参数。R2越大，表示指标之间的相关程度越好。对不同复水时间下干制虾仁的质构参数、复水率和LF-NMR参数的相关性进行线性回归分析，结果如表3所示。从表中可以看出，硬度和核磁参数中的T22、T23、A22、A23和ATotal均具有极显著的相关性，R2分别为0.981、0.908、0.954、0.957和0.979。咀嚼性和核磁参数中的T22、T23、A22、A23和ATotal也均具有极显著的相关性，R2分别为0.970、0.919、0.940、0.940和0.951。弹性与T22、T23、A22、A23和ATotal均呈现极显著的相关性，R2分别为0.785、0.713、0.816、0.794和0.739。凝聚性与T21呈现显著的相关性，R2为0.513；与T22、T23、A22、A23和ATotal均呈现极显著的相关性，R2分别为0.723、0.675、0.672、0.613和0.681。复水率与核磁参数中的T21有显著相关性，R2为0.454；与核磁参数中的T22、T23、A22、A23和ATotal均具有极显著的相关性，R2分别为0.993、0.884、0.978、0.984和0.990。线性回归分析表明，低场核磁技术能够用于硬度、咀嚼性、弹性、凝聚性和复水率的快速无损预测(R2≥0.613)。

表3 LF-NMR参数与质构参数以及复水率的线性回归分析Table 3 Linear regression analyses between LF-NMR parameters and texture parameters,rehydration ratio

*P<0.05 correlation is significant at the 0.05 level;**P<0.01 correlation is significant at the 0.01 level

3 结 论

本文采用LF-NMR及MRI 对干制虾仁复水过程中的水分含量、分布及状态进行研究，结果表明干制虾仁在复水过程中会出现结合水、不可移动水和自由水3个组分峰，随着复水时间的增加，结合水不发生明显变化，而自由水、不易流动水含量增加，自由度增加，流动性增大，并且水分从干制虾仁的头部渗入，逐渐向体部和尾部扩散。线性回归分析结果表明，LF-NMR参数T22、T23、A22、A23、ATotal和硬度、咀嚼性、弹性、凝聚性以及复水率有极显著的相关性(R2≥0.613)，为干制虾仁复水过程中品质的快速无损预测提供了一种新的方法。

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Investigation on Variation of Water State and Quality of Dried Shrimp during Rehydrated Process by LF-NMR and MRI

CHENG Sha-sha1,2*，TANG Ying-qiang1,2，ZHANG Tan1,2，WANG Xiao-hui1,2，WANG Hui-hui2，TAN Ming-qian1,2*

(1.School of Food Science and Technology,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034，China;2.National Engineering Research Center of Seafood,Dalian 116034，China)

The water distribution and state change of dried shrimp meat during rehydrated process at 25 ℃ were investigated by LF-NMR and MRI,and the correlation between NMR parameters and texture,rehydration ration was analyzed to construct the predicted mode by linear regression analysis.Three water components,i.e.bound water,immobilized water and free water were observed in dried shrimp meat during the rehydrated process.The contents and mobility of immobilized water and free water increased as the extension of the rehydration time,while that of bound water did not change obviously.The results of MRI indicated that the water absorbed by the dried shrimp mainly was components with short relaxation time,and permeated from head to body and tail.Good linear correlation was observed between the NMR parameters (T22，T23，A22，A23andATotal) and texture profile analysis parameters including the hardness,chewiness,springiness,cohesiveness and rehydration ratio of dried shrimp meat(R2≥0.613),which could provide a rapid and non-destructive method to predict the quality of dried shrimp meat during rehydrated process.

LF-NMR;MRI;dried shrimp meat;rehydration;water state;quality

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.10.010

O482.53；TS254.1

A

1004-4957(2017)10-1224-06

2017-05-11；

2017-05-26

国家自然科学基金资助项目(31501561)

*

程沙沙，博士，讲师，研究方向：水产品品质控制技术，Tel：0411-86318657，E-mail： chengshasha880321@126.com 谭明乾，教授，研究方向：食品品质检测与控制技术，E-mail：mqtan@dlpu.edu.cn