LF-NMR和DSC技术在小麦仓储品质劣变分析中的应用

梁筱妍，张爱琳*，杨薇，樊秀花

（1.天津农学院食品科学与生物工程学院，天津300384；2.天津农学院基础科学学院，天津 300384）

小麦是我国第二大粮食作物，是重要的商品粮和储备粮。品质优良是小麦育种、生产和仓储的重要目标性状[1]，品质优劣直接影响着小麦粉加工成品的质量好坏，也关乎粮食企业的生存问题[2]。小麦生理生化指标数据的获取是准确评价其品质的前提和基础，虽然国内对小麦品质的检测关键指标已基本明确，检测技术日趋成熟[3]，但仍存在检测时间长、样品损失大、耗费成本多等问题，粮食的无损检测技术相对匮乏。不同小麦指标测取的工序、难度有差异，若每项指标都进行精确试验，会增加小麦品质评价工作的整体时间与成本，带来诸多不便[4]。低场核磁共振技术（lowfield nuclear magnetic resonance，LF-NMR）可以从微观的角度监测小麦中水分的分布变化和迁移情况，具有快速、准确、无损、无侵入等优点[5]。差示扫描量热法（differential scanning calorimetry，DSC）可以直接检测小麦的热转变温度和发生转变时的焓变，由于其测定过程中样品用量少且测试速度快，已成为研究淀粉结构及糊化性质的简便、有效的技术手段[6]。

本研究根据硬质白小麦粮食仓储在北方仓储粮库的环境条件，通过常规检测技术结合无损检测技术探究长期仓储过程中小麦表征性指标的变化指数和变化规律，揭示小麦品质劣变的过程，旨在为监测仓储小麦品质提供理论参考，降低小麦仓储损失，提高品质安全。

1 材料与方法

1.1 小麦样品采集

小麦品种为河北省沧州市南皮县种植的冀麦26号，存于天津市静海县某直属粮库同库仓储，小麦基本情况见表1。

表1 供试小麦基本情况Table 1 Basic information of the tested wheat

供试小麦于2020年12月进行采集，针对不同仓储年份的硬质白小麦分上、中、下层取样，上层取样点为距储粮表层1 m，中层取样点为距储粮表层3 m，下层取样点为距粮库表层5 m。夏季的试验粮库取样时室内相对湿度维持在（50±5）%，温度维持在（20±5）℃；冬季的试验粮库取样时室内相对湿度维持在（50±5）%，温度维持在（0±5）℃。取样方法参照 GB/T5491—1985《粮食、油料检验扦样、分样法》。

1.2 仪器与设备

CM-5分光测色计：日本柯尼卡美能达有限公司；DSC差示扫描量热仪：瑞士梅特勒-托利多仪器有限公司；25 μL铝坩埚、YP-1铝坩埚压片机：德国耐驰仪器制造有限公司；JFSD-100型粉碎机：上海嘉定粮油仪器有限公司；DK-S24型恒温水浴锅：上海森信实验仪器有限公司；NMI20-040H-I核磁共振成像分析仪（共振频率23.309 MHz，磁体强度0.55 T，线圈直径25 mm，磁体温度32℃）：上海纽迈电子科技有限公司；BAS124S型分析天平：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司。

1.3 样品检测方法

1.3.1 理化指标检测

色差：利用色差仪测定样品色值，记录L*、a*、b*值。脂肪：按照GB/T 5009.6—2016《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》第一法测定。脂肪酸：按照GB/T 5009.168—2016《食品安全国家标准食品中脂肪酸的测定》第一法测定。水分：总水分含量按照GB/T 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》第一法测定。淀粉：按照GB/T 5009.9—2016《食品安全国家标准食品中淀粉的测定》第一法测定。

1.3.2 核磁共振成像检测

样品于（25±1）℃称量后放入永久磁场中心位置的直径为25 mm的玻璃管中，利用硬脉冲自由感应衰减（free induction deca，FID）序列获得样品中心频率，再利用多脉冲回波序列（carr-purcell-meiboom-gill，CPMG）测定样品横向弛豫时间T2，连续测量3次，取平均值。采用多脉冲回波序列CPMG扫描采集核磁信号，通过调整多自旋回波（multiple spin echo，MSE）序列中的选层梯度、相位编码梯度和频率编码梯度，分别获得样品俯视、侧视成像数据，然后利用sirt算法，迭代次数为10万次进行反演得到T2谱图。T2试验主要参数：主频SF=20 MHz，偏移频率O1=987 kHz，90度脉冲时间 P1=7.52 μs，180 度脉冲时间 P2=14 μs，重复采样等待时间TW=1 000 ms，累加采样次数NS=32，回波时间TE=0.2 ms，回波个数NECH=3 000，信号接收带宽SW=200kHz，开始采样时间的控制参数RFD=0.02ms。

1.3.3 DSC差式扫描检测

准确称取3.00 mg样品，加入7 μL蒸馏水，混合均匀，使样品平铺于坩埚底部，并保证坩埚中试样质量无损。用坩埚盖子密封，并采用压样器对坩埚进行压制，保证坩埚密封良好。（25±1）℃中静置24 h，然后放入DSC测试仪中，在氮气流量为60 mL/min、压力为0.1 MPa、升温速率为5℃/min的条件下，从10℃程序升温至90℃，利用电脑程序记录DSC曲线进行对比，分析淀粉的糊化性质。

1.4 数据统计分析

利用SPSS 25.0软件通过单因素方差分析比较差异显著性，P＜0.05为差异显著，数据以平均值±标准差表示，测试试验均重复3次。利用Excel及Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 小麦仓储过程中色泽的变化

不同仓储时间小麦L*值、a*值和b*值见表2。

表2 不同仓储时间小麦L*值、a*值和b*值Table 2 L*value，a*value and b*value of wheat in different storage time

色泽是食品的主要质量指标，小麦籽粒的色泽直接表明小麦品质，优质小麦白度高，明亮有光泽。L*值代表亮度，a*值代表红绿度，b*值代表黄蓝度。由表2可知，仓储过程中硬质白小麦的L*值和a*值呈下降趋势，L*值最低值为 84.46±0.06，最高值为 86.35±0.13，a*值最低值为1.61±0.02，最高值为2.32±0.08；b*值呈上升趋势，最低值为 11.61±0.33，最高值为 12.61±0.08，即样品的整体色泽加深。色值变化主要是淀粉老化、脂肪氧化及微生物生长所导致的[7]。仓储过程中，淀粉发生老化现象，水分子局部析出，从而阻碍了表面对光的反射，致使光的反射率下降，亮度降低；微生物生长，霉菌在小麦的表面滋生，导致小麦籽粒颜色变深[8]。

2.2 小麦仓储过程中脂肪的变化

脂类是小麦的三大营养物质之一，主要集中在籽粒的胚部和糊粉层，只占籽粒质量的2%，但其产生变化会严重影响小麦的仓储品质及加工口感。长期仓储的小麦脂肪值变化趋势如图1所示。

图1 不同仓储时间小麦脂肪变化情况Fig.1 Changes of wheat fat in different storage time

上、中、下3层新小麦的脂肪值分别为1.80、1.81 g/100 g和 1.85 g/100 g，仓储 36 个月后，上、中、下层小麦脂肪分别降低到1.44、1.51、1.53 g/100 g。说明长期仓储对小麦的脂肪含量有影响，在小麦储藏过程中，因为氧气的存在，其脂质会发生氧化分解，小麦最终酸败变苦，仓储时间越长，脂肪含量越低。小麦脂肪酶主要存在于麦麸中，水分含量越低越活跃，且热稳定[9]。小麦储藏期间，低水分时脂质易氧化，高水分时易水解，在仓储到24个月后小麦整体脂肪变化加剧，36个月后上、中、下层小麦变化差异变大，影响小麦品质。

2.3 小麦仓储过程中脂肪酸的变化

脂肪酸值反映了小麦脂肪的酸败程度，是脂肪水解积累的产物。不同仓储时间小麦脂肪酸值变化情况见图2。

图2 不同仓储时间小麦脂肪酸值变化情况Fig.2 Changes of fatty acid values in wheat with different storage time

由图2可知，新小麦脂肪酸约为1.26mgKOH/100g，仓储12个月后为1.29mgKOH/100g，仓储24个月后达到1.54mgKOH/100g，仓储36个月后为1.84mgKOH/100g，结果表明小麦在仓储过程中脂肪酸值的变化是比较明显的而且与仓储时间呈正相关，贮藏时间越长，脂肪酸值变化越大[10-11]。小麦储藏期间脂肪酸值增加原因，主要是由一些游离的脂类即未与淀粉或蛋白结合的脂类参与氧化水解作用，膜上的三酰甘油酯和磷脂中的结合脂肪酸在脂肪酶和磷脂酶的作用下不断地被释放出来，使得游离脂肪酸的含量增加，最终使脂肪酸值升高[12]。不同仓储时间小麦脂肪酸组分比较见图3。

图3 不同仓储时间小麦脂肪酸组分比较Fig.3 Comparison of fatty acid components in wheat with different storage time

如图3所示，小麦籽粒的棕榈酸和亚油酸含量均随贮藏时间的延长而逐渐增大，贮藏36个月后，上中下层的硬脂酸分别达到 0.038、0.039、0.041 g/100 g，棕榈酸分别达到 0.460、0.409、0.402 g/100 g，油酸分别达到 0.214、0.208、0.187 g/100 g，亚油酸值分别达到1.200、1.100、1.050 g/100 g，α-亚麻酸值分别达到 0.062、0.059、0.054 g/100 g，说明仓储时间对脂肪酸组分的影响随着仓储期的延长逐渐增大。通过指标计算可得，小麦籽粒中的不饱和脂肪酸占75%，其中亚油酸为61%，亚麻酸为3%，油酸为11%；饱和脂肪酸为25%，其中棕榈酸为22%和硬脂酸为3%。

2.4 小麦仓储过程中水分的变化

2.4.1 小麦中水分分布的变化

仓储期内小麦的含水量及其水分分布会发生明显变化，从而影响小麦的仓储品质。不同仓储时间小麦水分变化情况见图4。

图4 不同仓储时间小麦水分变化情况Fig.4 Changes of wheat moisture in different storage time

由图4可知，长期仓储使硬质白小麦水分总量呈现下降趋势，新仓储的小麦上、中、下层含水量分别为10.44%、10.38%和10.28%。仓储36个月后的小麦上、中、下层含水量分别为9.18%、9.00%和8.55%。不同仓储时间对小麦水分含量有一定影响，水分变化受仓储位置的影响，上层小麦失水速度较中层和下层速度慢，其原因可能为上层小麦与外部空气直接接触，受环境温湿度影响较大，当粮仓温度较高时水分流失加快，粮仓小麦堆出现温度变化。

2.4.2 LF-NMR技术检测小麦中水分迁移的变化

利用核磁共振成像分析仪分析小麦籽粒水分内部变化，弛豫时间T2越短说明水分与底物结合越紧密或自由度越小[13]，在T2谱上峰位置较靠左；反之弛豫时间T2越长说明水分越自由，在T2谱上峰位置较靠右，纵坐标代表质子密度M2，表征横向弛豫时间T2对应的水分含量[14]。不同仓储时间小麦的横向弛豫时间T2见图5。不同仓储时间小麦弛豫时间T2和峰面积A2变化见表3。

图5 不同仓储时间小麦的横向弛豫时间T2Fig.5 Transverse relaxation time T2of wheat with different storage time

T2谱中的3个峰分别对应3种状态的水：T21（0.1ms～10 ms）代表与样品中高分子表面极性基团紧密结合的强结合水层，这种结合十分紧密，流动性很差，对应的是结合水[15]，占比88.19%；T22（10 ms～100 ms）代表间接与大分子结合或直接与强结合水结合的弱结合水层，其结合强度比单分子层水略差些，可冻结结合水即分布在此组分区间中，对应的是不易流动水，占比1.98%；T23（100 ms～1 000 ms）流动性更强，代表吸附在表面自由度较大的水，对应的是自由水，占比9.74%。结合图5和表3可以看出仓储时间越长，A2数值越小，图形向左移动，峰总面积减小，水分与底物的结合越来越紧密[16]，表明小麦内部在仓储过程中高自由度的水分向低自由度的水分迁移。其中物料内自由水的自由度大，所以A21持续下降，而A22和A23存在波动，原因是仓储初期存在温度梯度，使自由度较高、不稳定的水向自由度较低、相对稳定状态的水移动，所以结合水、不易流动水含量增加；由此说明不同状态水之间并非一成不变，而是动态的连续变化过程，它们之间存在着相互渗透与转化，所以反演谱图中出现峰面积不增反降的情况[17]。

2.5 小麦仓储过程中淀粉的变化

2.5.1 小麦中淀粉含量变化

小麦含量最多的是淀粉，本研究比较了长期仓储对直链淀粉和支链淀粉的影响，如图6所示。

图6 不同仓储时间小麦淀粉值变化情况Fig.6 Changes of wheat starch value in different storage time

新麦籽粒中的淀粉含量占69.77%，仓储36个月后淀粉含量下降至66.10%。这说明随仓储时间的延长小麦籽粒中淀粉的含量逐渐减少，可能是淀粉被活化的淀粉酶水解成麦芽糖等小分子还原糖。储藏于粮仓下层的小麦籽粒中淀粉的含量较低，上层中淀粉的含量较高，同年份差异不显著。小麦中直链淀粉占淀粉总量的40.17%，支链淀粉占淀粉总量的59.83%。直链淀粉的含量呈上升趋势，由25.0%增长至29.30%，支链淀粉含量呈波动趋势，基本维持在40%，小麦籽粒在仓储过程中，内部的酶催化反应在α-淀粉酶、β-淀粉酶、脱支酶、异淀粉酶、糖化酶等酶作用下，通过α-1，6-糖苷键连接的支链淀粉，形成了淀粉的非定型区，α-D-1，4-糖苷键连接直链淀粉，形成了结晶区，不定形区向结晶区转变，从而使直链淀粉比例上升。

2.5.2 淀粉热力学特性的测定

运用DSC技术可以对小麦淀粉的糊化程度进行测定[18]。淀粉糊化指淀粉颗粒在有水存在且温度适合的条件下吸水溶胀，伴随着淀粉分子中晶体结构的破坏和双螺旋结构的解开[19]。不同仓储时间小麦热力学参数的变化见表4。

表4 不同仓储时间小麦热力学参数的变化Table 4 Changes of wheat thermodynamic parameters in different storage time

由表4所知，仓储时间对糊化淀粉的热特性有一定影响，仓储时间越长，小麦籽粒的糊化起始温度t0、最高温度tp、终止温度tm越低[20]。焓值表示淀粉中晶体结构被破坏或双螺旋结构解旋所需要吸收的热量[21]，小麦的吸热焓值上升的加速度刚开始比较小，在57℃后加速度变大，仓储的新小麦焓值为1.0 J/g，仓储36个月后的小麦焓值为1.61 J/g。低温段焓值变化缓慢，在经历一段快速变化之后，焓值与仓储时间呈现线性关系。随着仓储时间的延长，小麦水分含量的减少，淀粉由非水分限制下的完全溶胀逐渐向水分限制下的吸水溶胀转变，水分在淀粉无定性区域迁移时间变短，直链淀粉与脂质形成的复合物对热比较敏感，降低了糊化温度[22]。

3 结论

小麦在仓储过程中的色泽变暗、脂肪酸含量增加，水分、脂肪和淀粉总量减少，各指标随贮藏时间的延长变化速率加快。采用核磁共振成像检测技术监测了小麦籽粒内部水分的变化规律，该方法简化操作过程，提高了测定效率和准确性；DSC差示扫描技术验证了长时间仓储使小麦糊化特性改变，揭示了小麦各指标间存在复杂的多重相关性，提高了方法的适用范围。