低场核磁共振方法下热泵干燥过程中蚕蛹的品质变化

吴钊龙，黄纪民，林芳，李秉正，陈振林，黄志民*

1(广西科学院 非粮生物质酶解国家重点实验室，广西 南宁，530007)2(广西科学院 广西生物炼制重点实验室，广西 南宁，530007)3(南宁市中科微波先进制造产业技术研究院，广西 南宁，530007) 4(贺州学院 食品科学与工程技术研究院，广西 贺州，542899)

蚕蛹(silkworm pupa)又称小蜂儿，是蚕发育到一定阶段的产物[1]，其是2004年中国卫生部批准的作为普通食品管理的食品新资源中唯一的昆虫类食品，富含蛋白质、脂肪酸、甲壳素、糖类和微量元素等[2]。蚕蛹不仅仅是一种具有较高营养价值的美食，也是一种具有较强功能活性的中药[3-4]。我国每年生产新鲜蚕蛹30万t以上，约占全世界总产量的4/5[5]。目前，我国的新鲜蚕蛹大多用来进行粗加工，然后当饲料和肥料处理，在其他应用领域特别是精加工的开发利用较少，且技术手段有限，产品种类不多，限制了蚕桑产业收入的增长[6-7]。将蚕蛹干燥加工成即食干制品，既能延长贮藏期，又能提高蚕蛹附加值，目前，已有将热泵干燥[8]、变温压差膨化干燥[9]、微波-热风联合干燥[10]和真空冷冻[11]等干燥技术应用于蚕蛹干燥的报道。其中，热泵干燥高效、节能、处理量大，是较理想的蚕蛹干燥技术之一。热泵干燥是以热空气为干燥介质，将热量传递给新鲜的蚕蛹，使其表面的水分汽化，内部和表面之间产生水分梯度差，内部的水分以气态或液态的形式向表面扩散，蚕蛹在热泵干燥过程中色泽、质构等品质会发生一系列的变化，因此，研究蚕蛹在热泵干燥过程中的水分状态和品质具有重要意义。

低场核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR)是一种快速无损的检测技术，可从微观的角度阐明样品中水分的变化，具有无损伤、高效率、准确等优点[12]。目前LF-NMR技术在食品贮藏、干燥及掺假检测等方面已经有了广泛的应用，并取得了很好的效果[13-16]。因此，LF-NMR及其成像技术有望用于热泵干燥过程中蚕蛹含水量和其他品质指标的快速检测。

本研究以新鲜蚕蛹为原料，利用LF-NMR确定新鲜蚕蛹的水分分布状态，研究在65 ℃的热泵干燥过程中的水分分布和迁移，并测定蚕蛹含水量、硬度、脆度和亮度(L*)等品质指标以监测干燥程度和品质。在此基础上，建立横向弛豫时间(T2)反演谱的总峰面积(A2)与含水量、脆度和硬度之间的关系方程，以期评价LF-NMR作为一种快速、准确和无损的方法监测蚕蛹热泵干燥的潜力。

1 材料与方法

1.1 实验材料

新鲜蚕蛹：广西平乐国弘茧丝绸有限公司。

1.2 实验设备

WRH-100AB型环闭除湿热泵干燥机，正旭新能源设备科技有限公司；JJ1000型电子天平，常熟市双杰测试仪器厂；MB90型水分测定仪，奥豪斯仪器常州有限公司；CR-400型色彩色差计，柯尼卡美能达(中国)投资有限公司；S-081型物性测定仪，英国SMS公司；NMI20型核磁共振成像分析仪，苏州(上海)纽迈电子科技有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 样品干燥

选用个体完整、大小均匀的新鲜蚕蛹，将蚕蛹放入90 ℃热水中漂烫灭酶3 min[17]，将其捞出沥干表面水分，均匀摆在热泵干燥设备托盘上。参照前期研究[8]结果，设恒定风速并在湿度25%、温度65 ℃条件下进行干燥，在干燥过程中，相隔30 min取1次样，直至干基含水量<9%为止。每次取3份平行样品，样品的形状和质量尽可能保持一致。

1.3.2 干基含水量测定

蚕蛹干基含水量采用GB 5009.3—2016《食品中水分的测定》中规定的直接干燥法测定，蚕蛹初始干基含水量为323.55%。干燥过程中，蚕蛹干基含水量根据公式(1)计算：

(1)

式中：M，干燥到t时刻的蚕蛹干基含水量，%；mt，干燥到t时刻的蚕蛹质量，g；m，绝干蚕蛹的质量，g[18]。

1.3.3 色泽测定

本实验主要考查蚕蛹色泽的亮度。以仪器白板的色泽为标准，测定蚕蛹的亮度L*值，L*表示明暗，其值越大，产品的亮度越好，可以间接反应产品色泽的好坏[19]。

1.3.4 脆度和硬度测定

参照吴钊龙等[20]的方法测定蚕蛹的脆度和硬度。脆度采用测试产生峰个数来表示，峰个数越多，产品酥脆度越好，反之，产品酥脆度越差。硬度值等于曲线中力的峰值，即样品断裂所需要的最大力以g表示，数值越大，产品越硬。

1.3.5 核磁共振成像测定

参照盘喻颜[21]的方法并稍作修改，每隔30 min收集1次样品并称重，将样品放入磁体线圈中心位置，进行信号采集和成像试验，主要参数：频率编码方向1，采集次数4，相位编码步数128，采集点数256。对映射后的图片进行伪彩处理。

1.3.6T2的采集及反演

参照盘喻颜[21]的方法并作适当修改，CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脉冲序列主要参数：质子共振频率18 MHz，90°脉冲时间10 μs，180°脉冲时间20 μs，回波次数4 000次，采样点数240 008。

1.3.7 数据分析

每个试验重复3次，试验结果以平均数±标准偏差表示。采用JMP Pro 13.0和SPSS 19.0进行单因素方差分析，不同字母表示P<0.05水平下具有显著性差异。

2 结果与分析

2.1 热泵干燥过程中蚕蛹含水量、硬度、脆度和L*的变化

干燥时间是控制干制品含水量和其他品质指标最重要的参数之一，因此对不同干燥时间的蚕蛹含水量、硬度、脆度和L*进行了分析，结果见表1。

表1 不同干燥时间对蚕蛹含水量、硬度、脆度、L*值的影响Table 1 Influence of different drying time on water content, hardness and brittleness of silkworm pupa

由表1可知，蚕蛹含水量随着热泵干燥时间的增加而显著降低(P<0.05)，当干燥时间为240 min时，含水量<9%，为7.79%；蚕蛹的硬度随着干燥时间的延长呈下降的趋势(P<0.05)，在240 min时达到最小值(57.38 g)；相反，脆度随着干燥时间的延长而显著增加(P<0.05)，在240 min时脆度最大，为12.67个。在所考察的干燥时间范围内，L*值在67.00～69.00范围内小幅波动，且并无显著差异(P>0.05)。

2.2 热泵干燥对蚕蛹水分迁移规律的影响

2.2.1 热泵干燥过程中蚕蛹的核磁共振成像

核磁共振成像可以直观地观察水分分布以及加工过程中的结构变化，图像亮度越高，说明氢质子的活跃程度越强，水分含量越高[22]。

由图1可知，蚕蛹在干燥过程中氢质子密度成像图的亮度逐渐减弱，面积收缩，表明干基水分含量逐渐减少。干燥时间为240 min时，自由水和不易流动水信号均较弱，水分仅残存于内层且含量很低，图像外部接近背景色(蓝)，说明蚕蛹己经达到了干燥终点，这与孙江丽等[23]研究真空冷冻干燥过程中紫薯氢质子密度图像变化趋势一致。

图1 不同干燥时间蚕蛹的氢质子成像图Fig.1 Hydrogen proton imaging of silkworm pupa with different drying times

2.2.2 CPMG序列衰减特性

蚕蛹中水分状态、含量以及分布情况会直接影响CPMG序列的衰减变化趋势，由图2可知，CPMG序列的衰减曲线的曲率趋势是一致的，随着干燥时间的延长，蚕蛹水分中氢质子的信号幅值迅速下降，衰减速率加快，T2也越来越短，说明水分持续减少且与干制品结合越来越紧密[21]。

图2 蚕蛹的CPMG序列衰减曲线Fig.2 CPMG decay curves of silkworm chrysalis

2.2.3 蚕蛹中水分存在形式及相对含量变化

CPMG序列的衰减曲线仅能看出蚕蛹整体的含水量及其流动性的相对变化趋势，并不能得到内部水分状态及相对含量，需要利用傅立叶公式将CPMG信号转化为波谱信号并经过单位质量标准化处理，得到能更好地反映出蚕蛹内部水分状态、相对含量以及分布情况的T2反演谱[24]。

如图3所示，新鲜蚕蛹的T2反演谱有3个波峰，表明新鲜蚕蛹内部存在3种不同水分状态，它们在T2反演谱中对应的范围分别为：结合水T21(0～2 ms)、不易流动水T22(2～100 ms)、自由水T23(100～1 000 ms)，T21所对应的波峰(A21)面积最小，表明蚕蛹中含量最少的是结合水，其次是不易流动水，最多的是自由水[25]。在干燥过程中，蚕蛹T2反演谱均有1～3个波峰，水分变化较大，水分的组成形式也发生变化，自由水减少较多。随着干燥时间的延长，T23峰显著减小，不同状态水分的T2均呈下降趋势，整个T2反演谱呈现出所有峰逐渐向左移动、总峰面积减少和峰融合的现象，与李定金等[26]研究真空微波干燥调味山药片的结果一致。

图3 不同干燥时刻的T2反演谱Fig.3 T2 inversion spectrum with different drying times

不同干燥时间T2反演谱中各个峰面积可以间接反映对应状态水分的相对含量，而总峰面积则表示样品中的相对总含水量。如图4所示，随着干燥时间的延长，T23所对应的峰面积A23呈下降趋势，说明自由水在不断减少，在干燥时间150 min时已被脱除，其中一部分自由水是因为在热泵干燥过程中被去除，而少部分自由水会转化为不易流动水和结合水。随着干燥时间的延长，不易流动水的峰面积A22先上升后下降，最后趋于稳定，可能是由于在干燥初期蚕蛹自由水大量流失，增加了物料基质细胞内容物浓度，促使部分自由水转化为不易流动水，引起峰面积A22增大[21]；在干燥后期，不易流动水峰面积没有明显的变化规律，具体原因有待进一步探讨。

图4 热泵干燥过程中蚕蛹不同形态水的T2反演谱峰面积Fig.4 Variation curve of water peak area of different forms of silkworm pupa during heat pump drying

峰面积A21的值呈现先上升后下降的趋势，可能是由于在干燥时间为150 min前自由水和部分不易流动水被先脱出，一部分不易流动水转化为结合水导致A21增大，当干燥时间为150～240 min时几乎所有自由水和大部分不易流动水被脱去，结合水峰面积A21开始下降，且在干燥时间为240 min时A21与新鲜蚕蛹的A21值基本相同，这一结果与盘喻颜[21]的研究结果一致。

2.3 LF-NMR结果与蚕蛹含水量、脆度以及硬度相关性分析

为研究蚕蛹热泵干燥过程中T2反演谱总峰面积随含水量、脆度、硬度变化的规律，建立了A2与干燥过程中的实际含水量、脆度和硬度的关系方程。由表2可知，A2与含水量、脆度和硬度均高度相关，具有较好的线性关系，拟合度较高(R2>0.9)。其中，含水量和硬度与A2的相关性最高，R2分别为0.988和0.986。所得模型可根据分析T2反演图谱结合线性方程间接计算出热泵干燥过程中任一时刻蚕蛹的含水量、脆度和硬度，可为研究蚕蛹的热泵干燥工艺设计、优化干燥参数、控制干燥过程提供参考。

表2 T2反演谱总峰面积(A2)与含水量、脆度和硬度的相关性分析Table 2 Correlation analysis of total areas of T2 inversion spectrum and moisture content, brittleness or hardness

3 结论

对蚕蛹热泵干燥过程品质、水分分布以及迁移变化规律进行研究，得到新鲜蚕蛹中主要存在3种状态的水，即自由水、不易流动水和结合水。到达干燥终点时蚕蛹中的自由水完全被脱去，只剩下不易流动水和较难脱去的结合水。蚕蛹含水量随着干燥时间的延长而降低，硬度呈一直下降的趋势，脆度呈上升的趋势，L*没有显著性差异。

蚕蛹含水量、脆度以及硬度与A2之间呈较好的线性关系，决定系数(R2)均>0.9。可通过T2反演图谱结合线性方程间接计算出热泵干燥过程中蚕蛹的含水量、脆度和硬度。