利用低场核磁共振技术无损检测澳洲坚果含水率

陈文玉，穆宏磊，吴伟杰，房祥军，韩延超，陈杭君，郜海燕※，金 龙

（1. 浙江省农业科学院食品科学研究所，农业农村部果品采后处理重点试验室，浙江省果蔬保鲜与加工技术研究重点试验室，中国轻工业果蔬保鲜与加工重点试验室，杭州 310021；2.洽洽食品股份有限公司，合肥 260301）

0 引 言

澳洲坚果（Macadamia ternifoliaF. Muell.）是一种产于澳大利亚昆土兰与新南威尔士热带雨林果，又名夏威夷果、昆士兰栗、巴布果、澳洲胡桃等，是山龙眼科（Proteaceae）夏威夷果属（MacadamiaF. Muell.）植物[1]。目前在中国境内的种植地区有广东、广西、云南、福建、四川、重庆及贵州等[2]。澳洲坚果果仁因其细腻的口感被人们广泛喜爱，特别是烤制加工之后，更加酥脆，且带有独特的奶油清香，风味极佳。澳洲坚果果仁中含有78%以上的脂肪，其中大部分是不饱和脂肪酸[3]。这些不饱和脂肪酸具有调节免疫、预防心血管疾病等功能[4]。新鲜的澳洲坚果在收获时含水率高，容易变质，货架期短且发芽率较高[5]。因此，采摘后及时脱水干燥是澳洲坚果贮藏过程中最重要的步骤之一。研究澳洲坚果原料在干燥过程中水分的变化对提高干燥效率、保持澳洲坚果原料的品质有重要的意义。

果蔬中的水分一般分为自由水、半结合水、结合水。干燥过程中3 种状态的水分不断变化。如孔旭等[6]发现银杏白果干燥过程中自由水的含量发生明显变化，干燥处理改变了银杏白果中水的结合状态和水分分布；任广跃等[7]发现干燥改变了玉米内部水分的迁移特性，玉米内部水分逐渐向外迁移。目前用于检测样品在干燥过程中水分分布状态及含量变化的方法有很多，主要有近红外光谱法[8-10]、微波法[11-12]、核磁共振法[13-14]及高光谱成像法[15-17]等。

低场核磁技术（Low-Field Nuclear Magnetic Resonance，LF-NMR）是一种水分测定技术，具有快速、无损、准确等优点[18]。其原理是不同存在状态的氢质子在磁场中的弛豫时间不同，通过分析样品中氢质子的弛豫时间能够得到样品中水分的分布情况与水分迁移的相关信息[19]。目前该技术广泛用于猪肉[20]、面条[21]及常见的果蔬[22-24]等食品加工过程中水分分布状态与变化的研究中。目前澳洲坚果含水率的测定以GB 5009.3-2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》为标准方法，但是此方法不仅耗时较长，且对于果仁含水率需要破壳才能测定，较为麻烦。本研究通过测定澳洲坚果的核磁共振横向弛豫时间以及核磁共振成像，分析其在干燥过程中自由水、半结合水、结合水的变化情况，找到含水率与横向弛豫峰之间的关系，以期快速无损预测澳洲坚果干燥过程中的含水率。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

材料：试验所用材料为澳洲坚果鲜果，购于广西百色洽洽食品有限公司澳洲坚果种植基地。选择个体完整、大小均匀、果壳无虫蛀损伤的带青皮澳洲坚果，初始含水率在25%左右。

仪器：DGG-9070A 电热恒温鼓风干燥箱，上海森信试验仪器有限公司；ME103E 型电子天平，梅特勒-托利多（上海）仪器有限公司；NMI20-060H-I 低场核磁共振分析仪，苏州纽迈分析仪器股份有限公司；RE-52AA 型旋转蒸发器，上海亚荣生化仪器厂；A11 型IKA 通用研磨机，德国IKA 仪器设备有限公司；SHZ-D（Ⅲ）型循环水式真空泵，巩义市予华仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 样品干燥

根据预试验结果及实际生产工艺选定4 种干燥工艺，即：40、50、60 ℃恒温干燥及变温干燥（30 ℃ 2 d→38 ℃ 2 d→45 ℃至结束）。

澳洲坚果去掉外部青皮，分成4 份，每份500 g，分别放在40、50、60 ℃及变温（30 ℃ 2 d→38 ℃ 2 d→45 ℃至结束）环境下进行干燥，每隔12 h 取出称量，直至澳洲坚果恒质量。每隔60 h 取样测定其对应的酸价及过氧化值。

1.2.2 含水率测定

澳洲坚果样品含水率按照渠琛玲等[25]的方法进行测定。样品的干基含水率、水分比（Moisture Ratio，MR）、干燥速率（Drying Rate，DR）按照式（1）～（3）计算。

式中Mi为干基含水率，%；mg为绝干时的物料质量，g；mi为物料在 ti时刻所对应的质量，g。

式中MR 为水分比；Mt为t 时刻的干基含水率，%；Me为干燥平衡时的干基含水率，%；M0为初始时刻的干基含水率，%。

式中DR 为干燥速率，g/(g·h)；M1为干燥到t1时刻的干基含水率，%；M2为干燥到t2时刻的干基含水率，%。

1.2.3 品质指标测定

澳洲坚果样品过氧化值、酸价的测定参照罗凡等[26]的方法。

1.2.4 LF-NMR 研究水分变化

去掉澳洲坚果外部青皮，称量后按1.2.1 节中条件进行干燥，每隔24 h 取出称量，并利用低场核磁共振分析仪测定样品的横向弛豫时间T2及核磁共振成像，直至试验结束。

低场核磁CPMG 序列参数设置：主频SF=21 MHz，偏移频率O1=260 134.4 Hz，采样硬脉冲90°，脉宽P2=18 s，采样点数TD =200 060，重复采样等待时间TW =2 000 ms，回波时间 TE =0.1 ms，回波个数NECH =10 000，累加次数NS =4。

核磁共振成像参数设置：SFO1=21.26 MHz，RFA90(%)=1.0，RFA180(%)=1.7，TR=500 ms，TE=20 ms，Averages=4，层厚=3.0 mm，层间距=2.0 mm，FOV Read=150 mm，FOV Phase=150 mm。

1.2.5 数据处理

本研究数据独立重复3 次，采用平均值±标准差的方式表示。采用Excel 2019、Origin 2018 软件进行数据处理、作图。采用SPSS 25.0 进行ANOVA 差异显著性分析（P <0.05）。

2 结果与分析

2.1 样品干燥特性

2.1.1 干燥曲线与干燥速率曲线

4 种干燥方式的的干燥曲线如图1a 所示，从图中可以看出，4 种干燥温度下澳洲坚果水分比呈下降趋势，且下降趋势大体相同；干燥结束时50 ℃、60 ℃ 2 种恒温干燥方式干燥的澳洲坚果的水分比从1 下降到0.18 左右，40 ℃恒温干燥及变温干燥方式干燥的澳洲坚果的水分比从1 下降到0.2 左右，出现这种差异的原因可能是温度越高，干燥过程中水分散失越完全。到干燥结束时，不同温度干燥的澳洲坚果含水率略有不同，其原因是澳洲坚果的平衡含水率与温度相关，温度越高，平衡含水率越低[5]。

从图1b 中可以看出，温度对干燥速率有一定的影响，同一时刻，干燥温度越大，干燥速率越大，变温干燥方式中温度升高时干燥速率会有一个小幅度的上升。在0～36 h 干燥速率较大，并且干燥速率快速下降，到36～72 h干燥速率缓慢下降，72 h 之后干燥速率开始恒定，逐渐趋近于0，这与干燥曲线的变化相吻合。干燥前期，空气温度与澳洲坚果表面温度差值较大，内部传热传质阻力较小，因而干燥速率较快[27]；干燥中后期速率较慢的原因可能有以下两点：一是随着干燥程度加大，澳洲坚果壳与果仁分离，两者中间形成的空气层阻碍澳洲坚果的传热传质[25]；二是干燥中后期澳洲坚果中的较容易散失的自由水含水量已经处于较低水平，故干燥速率逐渐变慢。

图1 不同干燥温度下澳洲坚果干燥曲线与干燥速率曲线 Fig.1 Drying curve and drying rate curve of macadamia nuts at different drying temperatures

2.1.2 不同干燥温度对品质的影响

4 种干燥方式的的酸价如图2a 所示，4 种干燥温度下澳洲坚果的酸价略有所上升，其中40 ℃干燥澳洲坚果酸价上升幅度最小，60 ℃干燥组上升幅度最大，但最大不超过0.4 mg/g。参考国标[28]中对干制坚果酸价的要求（≤ 3 mg/g），经过4 种方式干燥的澳洲坚果酸价远远低于国标，说明干燥过程对澳洲坚果的品质影响较小。

如图2b 所示，经4 种工艺干燥结束后澳洲坚果的过氧化值略有上升，但4 种干燥温度下澳洲坚果过氧化值非常低，最大不超过0.009 g/100 g，直至干燥结束澳洲坚果的过氧化值都在国标[28]要求范围（≤0.08 g/100 g）之内，品质稳定。

图2 不同干燥温度下澳洲坚果酸价与过氧化值 Fig.2 Acid value and peroxide value of macadamia nuts at different drying temperatures

如表1 所示，初始干燥温度越高，澳洲坚果的裂果率也越高。60 ℃干燥的澳洲坚果在12 h 内已经全部开裂，且随着干燥时间的延长其裂缝宽度越大。40 ℃与50 ℃干燥的澳洲坚果也分别在48 h 与36 h 后全部开裂，但其裂缝宽度较60 ℃中的稍小。而变温干燥的澳洲坚果直到干燥结束时其裂果率只有5.26%，且裂缝极小（图3）。

表1 干燥过程中澳洲坚果裂果率 Table 1 Cracking rate of macadamia nuts during the drying process

干燥温度越高，干燥后的澳洲坚果酸价与过氧化值也相对较高。但是4 种干燥方式干燥后的澳洲坚果酸价及过氧化值一直保持在较低水平，说明澳洲坚果在干燥过程中品质较为稳定，干燥方式并没有引起澳洲坚果果仁品质劣变。但是初始干燥温度过高会带来果壳开裂的问题，这严重影响澳洲坚果后期的贮藏品质及商品价值。所以，综合干燥过程中品质指标的变化、果壳的变化等因素来看，变温干燥方式是4 种干燥方式中比较好的一种。

图3 澳洲坚果干燥前后对比 Fig.3 Comparison of macadamia nuts before and after drying

2.2 水分状态及分布

2.2.1 核磁共振成像分析

低场核磁共振成像反映了H 质子的空间分布，一般而言，含水率越高，图像中蓝色越明显[29]，因此，通过低场核磁共振成像可以直观地看出样品中水分的变化。试验测定了变温干燥条件下不同干燥程度的澳洲坚果低场核磁共振成像，由图4 可知，同一干燥时间的澳洲坚果第二层的蓝色略强于第一、三层，水分分布并不均匀，原因可能是物料表面的水分更容易透过表面气膜向空气中扩散，使得越靠近外层澳洲坚果干燥的越快；随着干燥时间的增加，成像图中的蓝色越来越小，澳洲坚果表面水分汽化导致表面水分含量低，内部水分含量高，水分梯度差的存在使得内部水分向表面扩散，整体水分含量降低，达到干燥的目的[30]。

图4 变温干燥条件下不同干燥时间澳洲坚果低场核磁共振成像 Fig.4 LF-NMR imaging of macadamia nuts during different drying time under variable temperature

2.2.2 干燥对水分的影响

澳洲坚果的核磁共振横向弛豫时间图谱中共出现3个峰T21、T22、T23，分别对应的是结合水、半结合水、自由水。自由水（T23）的弛豫时间一般在100 ms 左右，这是因为自由水相较于其他两种形态的水更容易吸收磁场中的能量而产生振动，在磁场消失后需要更长的时间恢复到基态；结合水（T21）与自由水相反，不容易吸收磁场中的能量，恢复到基态的时间也更短，一般在1 ms 左右；半结合水（T22）介于两者之间，一般在10 ms 左右[31]。

图5 是变温干燥条件下不同干燥时间的澳洲坚果的核磁共振横向弛豫时间图谱。自由水、结合水、半结合水所对应的的弛豫峰峰面积与其含量正相关[29]。从图5可以看出，澳洲坚果中自由水的含量最多，其次是半结合水，结合水含量最低；在干燥过程中，3 种峰出现向左偏移的现象，这可能是因为随着干燥时间的增加，澳洲坚果中结合力较弱的水分散失后余下的水分的结合力相对较强，从而出现吸收峰左移的现象。结合3 种弛豫峰面积随时间的变化分析，随着干燥进程的推进，自由水、半结合水所对应的的弛豫峰有较明显的降低，说明在干燥过程中自由水和半结合水更容易散失，且0～24 h 内随着两者含量快速下降，干燥速率也迅速降低；结合水所对应的的弛豫峰先出现一定程度的降低，后期又有一定程度的增高，推测原因可能是干燥初期结合水散失导致其所对应的峰面积减少，干燥后期干燥收缩使半结合水与大分子结合更加紧密，部分半结合水转变为结合水，使得其所对应的峰面积有所增加。

图5 变温干燥条件下不同干燥时间澳洲坚果核磁共振横向弛豫时间图谱 Fig.5 NMR transverse relaxation time spectra of macadamia nuts for different drying time under variable temperature

2.2.3 低场核磁总信号幅度与含水率关系

通过图6 可以看出，澳洲坚果含水率与低场核磁总信号幅度（结合水峰面积＋半结合水峰面积＋结合水峰面积）有明显的线性关系，以总信号幅度为x、含水率为y（%）拟合得到的线性方程为y=0.008 6x-3.97，R2=0.904。

随机选取在变温干燥条件下干燥一段时间的澳洲坚果20 颗，测定其总信号幅度，并根据上文得出的预测方程对其含水率进行预测，将含水率预测值与实际值进行比较，计算两者的相对误差。计算得出实测值与预测值的平均相对误差为5.89%（表2），误差较小，预测性较好。

图6 低场核磁总信号幅度与含水率的拟合曲线 Fig. 6 Fitting curve between total signal amplitude of LF-NMR and moisture content

表2 澳洲坚果含水率预测值与实测值比较 Table 2 Comparison of predicted and measured moisture content of macadamia nuts

3 结 论

在整个干燥过程中，前期（0～36 h）干燥速率较大，并且干燥速率快速下降，到中期（36～72 h）干燥速率缓慢下降，后期（72 h 之后）干燥速率开始恒定，逐渐趋近于0。初始干燥温度过高会带来果壳开裂的问题，所以，综合干燥过程中品质指标的变化、果壳的变化、对后期食用价值和商品价值的影响等因素来看，变温干燥方式是4 种干燥方式中比较好的一种，其具体工艺为：30 ℃ 2 d→38 ℃ 2 d→45 ℃至结束。

澳洲坚果干燥过程中水分分布并不均匀，越靠近外层澳洲坚果干燥的越快；随着干燥时间的增长，澳洲坚果表面水分汽化导致表面水分含量低，内部水分含量高，水分梯度差的存在使得内部水分向表面扩散，整体水分含量降低，达到干燥的目的。澳洲坚果的核磁共振弛豫时间图谱中共出现3 个峰，分别是结合水、半结合水、自由水。在干燥过程中，自由水、半结合水更容易散失；在干燥初期结合水出现一定程度的散失，结合水含量减少，干燥后期干燥收缩使半结合水与大分子结合更加紧密，部分半结合水转变为结合水，结合水含量有所增加；同时，随着干燥时间的增加，澳洲坚果中结合力较弱的水分散失后余下的水分的结合力相对较强，从而出现吸收峰左移的现象。

澳洲坚果含水率与低场核磁总信号幅度有明显的线性关系，拟合得到的线性方程R2=0.904。通过验证发现此方程的预测性较好（平均相对误差为5.89%），可以用于澳洲坚果含水率的快速无损检测。