利用低场核磁共振技术研究调味山药片真空微波干燥过程中水分的变化规律

李定金，段振华,*，刘 艳，段秋霞，叶寿林，朱香澔，杨玉霞

（1.贺州学院食品与生物工程学院，广西 贺州 542899；2.大连工业大学食品学院，辽宁 大连 116034；3.苍梧县农产品质量安全检测中心，广西 梧州 543100）

山药（Dioscorea opposita）本名薯蓣，别名山珍、山芋、淮山、怀山药，为薯蓣科多年生缠绕草本植物，块茎、珠芽、藤可作药用，块茎可作食用，果期为7～12 月，主要产地有河南、湖南、广西等[1]。山药地下块茎的化学成分非常丰富，包括淀粉、多糖、蛋白质、氨基酸、皂苷、尿囊素、多种微量元素（包括钙、磷、铁、镁、钾、钠等）等物质[2]。其淀粉酶、胆碱、山药素、粗纤维、果胶、抗坏血酸、烟酸、多酚氧化酶等对人和动物有特殊的生物活性功能[3-4]。山药以鲜食为主，但新鲜山药水分质量分数高达80%以上，贮藏存在一定的困难，易引起腐败变质，造成一定的经济损失。而干燥具有延长贮藏期，便于产品流通等优点，是食品保藏和加工的常见方式[5]。

真空微波干燥技术是将真空技术和微波干燥技术相结合，运用于食品干燥的一种新型干燥技术[6]，其具有加热均匀、加热速度快、干净卫生、温度较低、高效节能、易于操作等优点，可以使最终的干制品具有较好的品质。任广跃等[7]通过真空微波干燥技术，对怀山药进行干燥特性研究，建立了物料从干燥开始到水分质量分数降到50%之间连续干燥的动力学模型；李婧怡等[8]研究了黄秋葵果实真空微波干燥特性及其动力学，发现黄秋葵真空微波干燥过程符合Page模型。目前，许多学者分析山药干燥特性时主要采用干燥曲线以及干燥数学模型。但干燥曲线所描述的过程为山药中整体水分含量的变化，无法区分不同结合状态水（自由水、结合水、弱结合水）的变化规律；而干燥动力学模型主要是对山药干燥曲线的数学模拟，虽然也能够为实际生产提供理论依据，但对实际生产的指导具有一定的局限性。而采用低场核磁共振（low-field nuclear magneticresonance，LF-NMR）分析山药干燥过程水分状态的变化，特别是以调味山药脆片作为实验对象，采用LF-NMR分析调味山药片干燥过程水分状态的变化鲜有报道。

在果蔬干燥过程中，物料内部水分的变化直接影响物料的干燥速率和干制品的品质，对研究物料干燥特性具有重要意义[9-10]。LF-NMR是近年来分析水分状态的新兴技术，通过低场质子核磁共振中的弛豫时间的测定，可以描述水分子的运动情况及其存在状态[11-13]。NMR技术具有非侵入、无破坏性等特点，因此广泛应用于食品领域。郭婷等[14]采用LF-NMR技术研究了冻融后甘薯中水分存在形式和各组分含量，研究发现冻融后甘薯LF-NMR自旋-自旋弛豫时间T2谱中出4 个水分峰，分别代表甘薯中存在4 种组分的水，即结合水、吸附在淀粉颗粒外面的薄层水、不易流动水和自由水。孙传祝等[15]以胡萝卜为实验对象，采用LF-NMR技术探究了单片物料厚度对胡萝卜红外薄层干燥水分迁移的影响规律。因此，NMR技术可以有效地分析干燥过程中物料内部水分状态的变化。

本实验以调味山药片为对象，采用LF-NMR及成像技术，从微观的角度解释和检测真空微波干燥调味山药片干燥过程中水分的流动性以及在物料中水的分布状态，定性和定量描述物料干燥过程中其内部水分变化规律；并且分析在不同微波功率条件下，调味山药片在干燥过程中内部水分的状态及分布变化。以期为调味山药片的真空微波脆化工艺设计、优化干燥参数、控制干燥过程以及提高产品品质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

山药、食盐、青柠果粉、味精、五香粉、白砂糖购于贺州市泰兴超市；柠檬酸（分析纯） 成都市科龙化工试剂厂；抗坏血酸（分析纯） 广州化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

NMI20X型NMR成像分析仪 上海纽迈电子科技有限公司；WBZ10型智能化静态微波真空干燥机贵阳新奇微波工业有限公司；C21SK2103型多功能电磁炉广州美的生活电器制造有限公司；MB23型水分测定仪奥豪斯奥豪斯仪器（常州）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品制备及处理

取新鲜、无破损、大小相对一致的山药，经清洗后切成厚度为3 mm的山药片，进行护色、漂烫处理；再以食盐、青柠果粉、五香粉、味精和白砂糖组成的调味液进行调味处理，调味完毕，捞出沥干，均匀平铺于干燥箱的物料盒内，设真空度恒定为-90 kPa，分别在微波功率1.0、1.5、2.0 kW下进行干燥，直至干基水分质量分数不大于13%为止[16]。

1.3.2 T2的采集及反演

实验每隔2 min采集一次样品，每次取3 份平行样品，将样品置于样品管中，而后将样品管置于NMR探头中，使用NMR成像分析仪软件中的CPMG脉冲序列测样品中的横向弛豫时间T2，将调味山药片放于永磁场中心位置射频线圈的中心进行T2采集，每份样品重复采集3 次信号，结果取平均值。序列参数设置为：主频SF1＝23 MHz、偏移频率O1＝159.609 131 KHz、90°脉冲时间P90＝10 μs、180°脉冲时间P180＝20 μs、采样点数TD＝384 120、重复时间TR＝5 000 ms、累加次数4 次、回波时间TE＝300 ms、回波数＝12 000。对所得图谱进行反演，得到弛豫时间T2和质子密度M2。弛豫时间T2表征水分的流动性大小，而质子密度M2表征在某个相应的弛豫时间下水分的含量[17]。

1.3.3 NMR成像实验及参数设定

用NMR成像软件中SE脉冲序列对样品进行成像实验，将调味山药片放于永磁场中心位置射频线圈的中心进行信号采集。成像参数设置为：主频SF1＝18 MHz、偏移频率O1＝159.609 131 kHz、采样点数TD＝256、采样频率SW＝20 kHz、采样时间DW＝50 μs、信号采样总时间ACQ＝12.8 ms、接收机死时间DT2＝1.4 ms、模拟增益RG1＝20 dB、数字增益DRG1＝5 dB、选层方向GsliceY＝1、相位编码方向GphaseZ＝1、频率编码方向GreadX＝1、90°脉冲宽度P1＝1 200 μs、180°脉冲宽度P2＝1 200 μs、90°脉冲幅度RFA1＝3%、180°脉冲幅度RFA2＝6%、射频脉冲形状RFSH1为5sinc256、重复采样次数NS＝4、累加次数RP1count＝4、相位编码步数RP2count＝128。每隔2 min进行一次NMR成像[11]。为提高数据分析精确性，对实验数据进行标准化处理，得到每单位质量样品（忽略干物质影响）对应的测试信号量。横向弛豫时间T2标准化处理可按式（1）[18]描述。

式中：Tx为软件反演后的横向弛豫时间/ms；T2为标准化处理后的横向弛豫时间/ms；m为对应调味山药片的质量/g。

峰面积A2标准化处理可按式（2）[18]描述。

式中：Ax为软件反演后的峰面积；A2为标准化处理后的峰面积；m为对应调味山药片的质量。

1.3.4 初始水分质量分数测定

使用MB23型水分测定仪测定调味山药片初始水分质量分数。测定平均初始水分质量分数为（80±1）%。

1.3.5 干基含水率计算

干基含水率根据式（3）[19-20]计算。

式中：Mt为干基含水率/（g/g）；mt为调味山药片在任意干燥时刻的总质量/g；m为绝干物料质量/g。

1.4 数据统计分析

实验所得数据应用SPSS 19.0软件处理，应用Origin 8.5软件进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 调味山药片不同微波功率条件下T2反演谱随干燥时间的变化

由NMR原理可知，质子所处的化学环境不同，其弛豫时间T2的长短便不相同，水分的自由度也不同[21-22]。弛豫时间T2越短表明水与物质结合越紧密，说明质子自由度越低，越难排出；弛豫时间T2越长说明质子自由度越高，越容易排出，因此弛豫时间T2可以间接反映水分的相态特征[23-24]。不同弛豫时间T2波峰所覆盖的信号幅值，即弛豫时间T2区间的积分面积可表示各个区间氢质子的相对含量，实现对不同相态水分的定量测定。弛豫时间T2的变化能够反映水分子的流动性，因此可以了解调味山药片干燥过程中水分的迁移规律。

由图1～3可以看出，经反演后的NMR T2谱上都有2～4 个峰，分别代表样品中存在的不同状态水组分；反演谱T2的范围分别为T21（0.02～0.5 ms）、T22（2～1 0 m s）、T23（1 7～1 6 5 m s）、T24（180～1 400 ms）。其中最短弛豫时间T21组分可以看作是调味山药片内结合程度最紧密的结合水；弛豫时间T22组分以吸附在淀粉颗粒外面的薄层水为主，因此可定义为与淀粉相结合的结合水[25-26]；弛豫时间T23组分的水自由度介于结合水与自由水之间，容易发生转化，定义为不易流动水；最长弛豫时间T24组分的水具有水溶液中水的流动性，故定义为自由水。随着干燥的进行，T2图谱整体向左移动，峰幅值逐渐减小，这是因为物料内部各组分的水被不断脱除，自身黏度的升高对水分束缚作用增大，其流动性越来越差。干燥前期，在3 种不同微波功率条件下干燥的调味山药片于第6分钟抽样时，都出现了峰融合现象，即由最初的4 个峰融合为3 个峰，出现这种情况的原因是：T22组分即与淀粉相结合的结合水，其氢键键能较强的部分转化为结合水，键能较弱的部分转化为不易流动水，王相友等[18]的研究中也出现了类似的峰融合情况。到达干燥终点时，自由水完全被除去，只剩下少量的不易流动水以及基本无变化的结合水。

图 1 微波功率1.0 kW条件下T2反演谱随干燥时间的变化Fig. 1 Variation in inverted T2 spectra of fl avored yam chips with drying time at microwave power of 1.0 kW

图 2 微波功率1.5 kW条件下T2反演谱随干燥时间的变化Fig. 2 Variation in inverted T2 spectra of fl avored yam chips with drying time at microwave power of 1.5 kW

图 3 微波功率2.0 kW条件下T2反演谱随干燥时间的变化Fig. 3 Variation in inverted T2 spectra of fl avored yam chips with drying time at microwave power of 2.0 kW

对比3 种不同微波功率条件下的T2反演谱随干燥时间的变化曲线可知，在第2分钟和第4分钟时，微波功率分别为1.0、1.5 kW的条件下，都出现了T23峰幅值比鲜样T23峰幅值大的现象，而微波功率为2.0 kW的条件下的T23峰幅值呈现一直下降的趋势。这是因为在干燥过程中，物料中不同状态的水分相互转化，而自由水先被脱除，在较低的微波功率下，自由水被脱除的速度较慢，物料内部形成浓度差，部分自由水以及键能较弱的与淀粉相结合的结合水转化为不易流动水；而微波功率为2.0 kW时，微波功率明显增高，物料吸收的微波能多，自由水被快速脱除，自由水无法发生转化，而多余的微波能被吸收，不易流动水转化为自由水被脱除，呈现T23峰幅值不断下降的趋势。微波功率分别为1.0、1.5、2.0 kW时，自由水被完全脱除相应用了18、12、10 min。由此可见，微波功率是影响水分的迁移的重要因素，微波功率越高，越有利于水分的脱除，所需干燥时间越短。

2.2 不同微波功率条件下T2反演谱总峰面积与干基含水率定标曲线

每个阶段曲线各个峰面积可以间接表示对应状态水分的相对含量，总峰面积表示样品中的相对总含水量；通过定标曲线（NMR总峰面积与对应阶段的干基含水率的线性回归曲线方程）可以定量得到样品中总水分含量和不同状态水分的含量。根据所研究的不同微波功率条件下总峰面积随干基含水率变化的规律，利用SPSS 19.0软件对数据进行拟合分析，得到定标曲线方程及其参数，如表1所示。

表 1 不同微波功率条件下总峰面积与干基含水率的定标曲线方程及其参数Table 1 Calibration curve equations and parameters of total peak area against moisture content of fl avored yam chips dried at different microwave powers

由表1可知，在微波功率分别为1.0、1.5、2.0 kW条件下拟合所得总峰面积A与干基含水率定标曲线方程的决定系数（R2）相应为0.995 7、0.996 1、0.998 7，P均小于0.01，这表明所得回归方程具有较高的拟合度。所得模型能较为准确地预测调味山药片微波真空干燥过程中任一时刻的水分变化规律，可为研究调味山药片的真空微波脆化工艺设计、优化干燥参数、控制干燥过程提供参考。

2.3 调味山药片不同微波功率条件下干燥对水状态的影响

2.3.1 微波功率对调味山药片内自由水迁移变化的影响

自由水是指植物体内和细胞内相对自由，具有水溶液中水流动性的水分，这部分水较容易被脱除[27]。由图4a可知，随着干燥的进行，峰面积A24不断减小，意味着自由水不断被脱除。对比不同微波功率条件下峰面积与干燥时间的曲线可知，微波功率越高，峰面积A24减小得越快，干燥所用的时间越短，在2.0 kW条件下进行干燥，自由水被完全脱去只需10 min，比在1.0 kW条件下干燥少用了8 min。但实验中发现，在微波功率为2.0 kW条件下进行干燥时，物料容易出现焦化现象，影响其感官品质。这是由于微波功率过高，物料内部的水分被快速除去所引起的。由此可见，微波功率对物料的干燥影响显著，微波功率越高自由水脱除越迅速，但并不是微波功率越高越好。由图4b可知，自由水峰面积占总峰面积比例S24呈不断下降的趋势，这是由于真空微波干燥技术具有加热速度快、高效节能等优点，自由水快速被脱除所导致的。

图 4 微波功率对自由水迁移变化的影响曲线Fig. 4 Influence of microwave power on changes in free water migration

2.3.2 微波功率对调味山药片内不易流动水迁移变化的影响

由图5a可见，干燥初期，在微波功率1.0 kW和1.5 kW条件下，不易流动水的峰面积呈上升趋势，而在微波功率2.0 kW条件下，不易流动水的峰面积呈下降趋势。这是因为在1.0 kW和1.5 kW时，干燥速率比2.0 kW时小得多，自由水被除去的速度较慢，在物料内部形成浓度差，部分自由水以及键能较弱的与淀粉相结合的结合水转化为不易流动水，以致A23增大。而在2.0 kW时，大量的微波能被吸收，自由水被快速脱除，物料内部组织结构遭到破坏，不易流动水所受束缚力降低，转化为自由水并被快速脱除，此时的A23不断减小。到达干燥终点时，微波功率为1.0、1.5、2.0 kW时的A23分别为25.02、86.02、16.84；干基含水率分别为7.1%、11.2%、3.2%。由图5b可知，干燥初期，3 种不同微波功率条件下干燥的S23都呈现上升的趋势，但导致上升的原因不同。微波功率为1.0、1.5 kW时的S23上升是由自由水转化为不易流动水引起的；而微波功率为2.0 kW时，大量的自由水被快速脱去，不易流动水的量较大，以致S23呈现上升的趋势。随着干燥的进行，大量的不易流动水被除去，到达干燥终点时，微波功率为1.0、1.5、2.0 kW时的S23分别下降至12.35%、35.58%、42.03%。由此可见，不易流动水的变化与自由水的变化密切相关，也间接影响着产品的品质。

图 5 微波功率对不易流动水迁移变化的影响曲线Fig. 5 Influence of microwave power on changes in immobilized water migration

2.3.3 微波功率对调味山药片内与淀粉相结合的结合水迁移变化的影响

山药中的淀粉含量较高，淀粉中有一定量的水，而这部分水与淀粉相结合，自由度相对较低。由图6a、b可知，随着干燥的进行，A22和S22不断下降，干燥至6 min时变为0，这是因为该部分氢键键能较强的水转化为结合水，键能较弱的部分转化为不易流动水所引起的。

图 6 微波功率对与淀粉相结合的结合水迁移变化的影响曲线Fig. 6 Effect of microwave power on changes in bound water migration

2.3.4 微波功率对调味山药片内结合程度最紧密的结合水迁移变化的影响

由图7a可知，峰面积A21都呈现先上升后下降的趋势。这是由于干燥初期，自由水和不易流动水被先脱除，调味山药片内与淀粉相结合的部分结合水以及少量的不易流动水转化为结合程度最紧密的结合水所引起的；干燥后期，大量的自由水和不易流动水基本被脱去，物料内部的结构被破坏，转化而来的那部分结合水和键能较低的结合水被脱去，导致A21下降，但和最初的A21相比较，峰幅值只减少了3～15左右，没有发生明显变化。由图7b可知，S21呈现不断上升的趋势，这说明该部分的水特别稳定，且较难被脱除。因此在调味山药干燥过程中几乎不会对干燥效果产生影响。

图 7 微波功率对调味山药片内结合程度最紧密的结合水迁移变化的影响曲线Fig. 7 Effect of microwave power on changes in most closely bound water migration

2.4 调味山药片不同微波功率条件下干燥成像

灰度图像H质子密度越大，信号越强，调味山药片的水分含量越多，在图中呈高亮状态；相反，水分含量越少，图像接近背景色（灰）。由图8～10可知，随着干燥的进行，调味山药片的水分被不断脱去，H质子由外向内逐渐消失，说明水分逐渐向内层聚集，水分是由外到内逐渐失去的，内部最后失水；干燥后期，水分集中于调味山药片的内层，由于水分含量太低，成像模糊，基本接近背景色。对比3 种不同微波功率条件下的H质子密度图变化情况发现，当微波功率为1.0 kW时，H质子消失的速度较慢；随着微波功率的升高，H质子消失的速度加快，特别是在微波功率为2.0 kW时，其消失速度明显大于1.0、1.5 kW。这也说明了微波功率对调味山药片内部水分的迁移影响显著。

图 8 微波功率为1.0 kW条件下调味山药片随干燥时间变化的氢质子成像图Fig. 8 Hydrogen proton imaging of fl avored yam chips with different drying times at microwave power of 1.0 kW

图 9 微波功率为1.5 kW条件下调味山药片随干燥时间变化的氢质子成像图Fig. 9 Hydrogen proton imaging of fl avored yam chips with different drying times at microwave power of 1.5 kW

图 10 微波功率为2.0 kW条件下调味山药片随干燥时间变化的氢质子成像图Fig. 10 Hydrogen proton imaging of fl avored yam chips with different drying times at microwave power of 2.0 kW

3 结 论

本研究利用NMR及其成像技术研究调味山药片真空干燥过程中的水分状态及其分布情况。利用CPMG脉冲序列获得样品的T2反演图谱及其相应数据，分析了不同微波功率条件下不同状态水所占比例和横向弛豫时间。研究结果表明：1）在调味山药片中主要存在4 种状态的水，即自由水、不易流动、与淀粉相结合的结合水、与调味山药片内结合程度最紧密的结合水；在真空微波干燥过程改变了样品的横向弛豫时间T2，随着干燥的进行，T2反演谱不断向左移动，即到达干燥终点时，样品中的自由水完全被脱去，只剩下少量不易流动水和较难脱去的结合水，微波功率对物料的干燥效果影响显著，微波功率越高自由水脱除越迅速，但并不是微波功率越高越好。2）调味山药片干基含水率与NMR总峰面积之间呈显著的线性关系，且拟合方程的拟合精度较高，所得模型能较为准确地预测调味山药片微波真空干燥过程中任一时刻的水分含量规律。3）通过成像技术分析可知，随着干燥的进行，调味山药片的水分被不断脱去，H质子由外向内逐渐消失，说明水分逐渐向内层聚集，水分是由外到内逐渐失去的，内部最后失水；干燥后期，水分集中于调味山药片的内层，由于水分含量过低，NMR成像模糊，基本接近背景色。由此可见，微波功率对水分的迁移影响较显著。

在本实验中，微波功率越高，自由水和不易流动水被除去所需的时间越短，其中自由水表现尤为明显，但过高的微波功率会导致物料出现焦化现象。因此在调味山药片实际生产中，一方面可以根据调味山药片干基含水率与NMR总峰面积之间的线性关系，预测调味山药片真空微波干燥达到干燥终点所需的时间；另一方面，可根据自由水和不易流动水脱除的时间，把控微波功率，来调整干燥工艺参数，以达到节约能耗、提高经济效益、提高产品品质的目的。