低场核磁共振技术在稻谷水分测定中的应用

鲍春辉，徐 杰，刘 哲

（1.丰益（上海）生物技术研发中心有限公司，上海 200137；2.吉林大学，吉林 长春 130022）

0 前言

水分指物质中所含水的质量与总质量的比值，通常表示为百分数，常用于物料的化验指标，为生产、处理等提供依据[1]。稻谷在收购、储存、加工和销售等环节中，水分指标具有重要意义，尤其是出入库作业中粮食的水分直接关系到粮食增扣量，准确的水分检测可以实现公平、公正交易，保证买卖双方的权益[2-5]。

国家粮食和物资储备局于2021 年11 月13 日发布《关于印发优质粮食工程“六大提升”行动方案的通知》，其中“粮食绿色仓储提升行动方案”“粮食品质品牌提升行动方案”“粮食节约减损健康消费提升行动方案”均与粮食水分密切相关。准确的水分测定能够实现稻谷在合适的时期收获以减少隐性损失，保证粮食储藏过程中的安全水分范围，同时还能够保持大米良好的食味品质[6]。

然而现阶段稻谷含水量有多种测试方法，其存在效率与精度的矛盾，对收割阶段的“高水分”粮食尤为突出。不同水分测试方法的优缺点[7-13]如表1所示。

表1 不同水分测试方法的优缺点

续表

低场核磁共振技术上世纪70 年代最早应用于油井勘测，目前应用范围遍布能源、材料、食品、生命科学等领域[33]，在我国食品、农业领域应用尤其广泛，从国家标准的油料种子含油率、水分的测定及固体脂肪含量SFC 的测定，再到农产品、果蔬、畜肉、海产品、乳制品等，低场核磁共振技术都有涉及。与表1 所示水分测试方法相比，低场核磁共振法作为新兴的种子水分检测方法，具有简便、快速、无损等优点，还可实现单粒种子成像，在得到单粒种子水分的同时，直接显示水分分布情况[14-22]。张垚等[23]利用低场核磁共振实现对玉米单子粒水分的快速、准确、无损检测。基于相关方法，结合玉米子粒灌浆不同时期，可在果穗发育至成熟收获期对单子粒进行选择，也可在籽粒播种前了解分离后代籽粒水分情况，从而为快速脱水种子的选育提供直接证据，克服传统育种的盲目性。

对于高水分稻谷籽粒来说，尤其是水分超过28%时，若利用粉碎烘箱法测定，在粉碎过程中破坏了籽粒原有的结构，同时粉碎物残留附着在机器内部，水分损失较大，测定水分误差偏高。低场核磁共振法能够在不破坏样品的条件下进行水分测定，且精确度高，适合作为稻谷收割实验、原粮验收、原粮储藏过程中的水分检测手段[24-26]。

为开发低场核磁共振技术在稻谷水分测定中的应用，本文首先建立并验证了低场核磁测定稻谷水分标准曲线，其次对稻谷真值水分进行探索，包括整粒方式和不同粉碎方式、立式粉碎时间、整粒烘干时间对水分测定的影响。稻谷真值水分的探索也为低场核磁共振技术更加合理准确的水分测定和验证提供指导，利于后期进一步的开发应用。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

试验用的稻谷均为2021 年秋季收获的稻谷。产地、品种和试验期间分别为：黑龙江省佳木斯市燎原乡种植的新峰6 号香和龙粳40，试验期间为8 月25日至10 月12 日；吉林省吉林市乌拉街镇种植的吉宏6 号和超级稻，试验期间为9 月8 日至10 月27 日；辽宁省盘锦市太平乡种植的盐丰和桥育，试验期间为9 月15 日至10 月30 日。

1.2 仪器与设备

本实验选用的仪器设备有：低场核磁共振分析仪PQ001-20-025V（苏州纽迈分析仪器股份有限公司）；卧式粉碎机JFSD-100-II（上海嘉定粮油仪器有限公司）；美的WBL2521H 料理机；得力DL5002 铁锤；铝盒；DHG-9240A 烘箱（上海一恒科学仪器有限公司）；梅特勒-托利多分析天平；比克曼生物科技有限公司干燥器。

1.3 测试方法

1.3.1 水分测定

水分测定采用烘箱法和低场核磁法，具体方法如下：

烘箱法：参照GB 5009.3—2016 食品安全国家标准 食品中水分的测定[27]。

低场核磁法：准确称取整粒稻谷样品5.0±0.1 g置于洁净低场核磁试管中，用橡胶塞塞紧管口，然后放入低场核磁仪器中进行测试；采样参数：低场核磁共振种子含有水分测量软件，SE 序列，SW=200 KHz，TW=1 000 ms，RFD=0.02 ms，DRG1=3，RG1=10，PRG=3，时延=0.1，TE=100 ms，NS=8。

1.3.2 样品粉碎

采用3 种粉碎方式进行粉碎，分别为卧式粉碎、立式粉碎、锤碎，具体操作如下：

卧式粉碎：取20 g 稻谷样品，使用卧式粉碎机粉碎1 min，关闭电源。迅速将样品盒取出，样品收集于自封袋中并搅拌均匀。

立式粉碎：取25 g 稻谷样品，使用料理机粉碎40 s，注意粉碎10 s 后停20 s，防止过热，粉碎过程中同时注意摇晃均匀，粉碎结束关闭电源，迅速取出样品收集于自封袋中混合均匀。

锤碎：取20 g 稻谷样品，将样品置于铝盖上，每次放1 粒稻谷，每粒稻谷锤1 次，锤后破碎程度为稻谷整体扁平并有淀粉漏出，每锤完1 粒立即置于自封袋保存。锤完20 g 稻谷样品后，将收集于自封袋中的所有稻谷样品混合均匀。

1.3.3 定时定温水分测定

在GB 5009.3—2016 食品安全国家标准 食品中水分的测定的基础上进行修改，水分烘干过程中不取出样品，固定烘干时间，一次性取出称重，按照国标方法进行水分计算。

1.3.4 低场核磁水分标准曲线建立

挑选新鲜饱满高水分稻谷颗粒100 g 左右（去掉青粒、瘪谷和秸秆），混合均匀，并分成5 份，每份20 g 左右，编号1～5#；将2～5#样品放入105 ℃烘箱中干燥不同时间，然后取出样品，放入干燥器中冷却30 min，制备出不同水分的稻谷定标样品。分别取1～5#样品5.0±0.1 g 放入低场核磁仪器中进行低场核磁信号采集。将剩余样品按照GB 5009.3—2016 食品安全国家标准 食品中水分的测定测定其水分，将标样烘箱法水分与其低场核磁信号进行线性拟合，得到稻谷低场核磁水分标准曲线。

2 结果与分析

2.1 低场核磁法测定稻谷水分

低场核磁法测定稻谷水分，首先需要建立稻谷水分标准曲线，然后对标准曲线进行验证，标准曲线建立良好，可用于测定稻谷水分。

2.1.1 低场核磁标准曲线建立结果

稻谷整粒和粉碎后稻谷样品使用烘箱法测定初始水分，并进行低场核磁信号扫描，收集低场核磁信号。将剩余样品分4 份，分别烘干不同时间，烘箱法测定水分，并收集低场核磁信号。颗粒和粉碎后稻谷各5 个样品，将水重量与低场核磁信号强度对应起来，建立低场核磁测定水分标准曲线，如图1所示。

图1 低场核磁测定水分标准曲线

由图1 得到拟合方程y=15 418x+517.62，R2=0.995 9，标线线性度＞0.99，说明稻谷水分与其低场核磁信号强度高度相关，该标线可用。

2.1.2 低场核磁标准曲线验证结果分析

表2 和表3 为低场核磁标准曲线验证结果，选择2 个品种新峰6 号香和龙粳40 样品对标准曲线进行验证，低水分稻谷验证结果：低场核磁测定与国标法测定结果差值在0.2%以内，因此低场核磁测定水分标准曲线建立结果良好，准确度和国标法接近，可用于测定低水分稻谷样品。高水分稻谷验证结果中有2 组样品低场核磁测定与国标法测定结果差值超过0.2%，其余7 组测定结果差值在0.2%以内。经分析发现2 组异常结果稻谷，水分测定当天温度较低，超过仪器理想工作温度范围。温度降低会改变弛豫时间，同时会使信号量增大，导致测定结果偏差增大。因此可得出在仪器理想工作环境温度范围内，低场核磁测定水分标准曲线建立结果良好，可用于测定稻谷样品水分。从标准差角度分析，低场核磁法水分标准差略大于国标法，推测样品的均匀性对测定结果的误差影响较大。

表2 低场核磁标准曲线高水分稻谷验证结果

表3 低场核磁标准曲线低水分稻谷验证结果

续表

2.2 稻谷真值水分探索

在以上低场核磁测定水分过程中发现，国标法测定水分，2 次恒重后水分仍会下降，若延长恒重的间隔时间，2 次测定重量差值会超过2 mg，烘干终点很难判断。因此推测国标法测定的水分并不是样品水分的真值，国标法中粉碎方式、粉碎时间、烘干时间等方法均未统一。本文同时研究了稻谷整粒方式和不同粉碎方式对水分测定的影响和立式粉碎时间、整粒烘干时间对水分测定的影响，以期对稻谷真值水分进行探索，也为低场核磁共振技术更加合理准确的水分测定和验证提供指导，利于后期进一步的开发应用。

2.2.1 稻谷整粒方式和不同粉碎方式对水分测定的影响

选择盐丰、桥育、稻花香、超级稻、吉宏、新峰6 号香、龙粳40 样品进行整粒方式和不同粉碎方式对水分测定的影响，因为有高水分样品，选择固定烘干时间为24 h，其余操作同国标法。同时对比1.3.4建立的低场核磁水分测定标准曲线结果。

表4 为7 种稻谷颗粒和3 种不同粉碎方式对水分测定影响的结果，从表4 中可以看出，使用国标法测定水分，立式粉碎方式下稻谷水分最高，卧式粉碎方式次之，整粒方式再次之，锤碎方式最低，符合这个规律的样品为1#盐丰、7#稻花香、12#龙粳40、13#吉宏、11#龙粳40 ；国标法测定水分，立式粉碎方式下最高，卧式粉碎方式次之，锤碎方式再次之，整粒方式最低的样品为2#桥育、3#盐丰、4#桥育、5#稻花香、6#稻花香、8#稻花香、9#稻花香、10#新峰6 号香、14#超级稻。综上可以看出国标法测定水分，立式粉碎方式下样品水分最高，卧式粉碎方式样品水分次之，锤碎和整粒方式样品水分交替最低，可能原因是立式粉碎方式粉碎效率高，容易取样，取样的完整性也较高，水分散失少；卧式粉碎方式机器有筛网，靠挤压摩擦粉碎，不容易取样，部分稻壳吸水粘在机器壁上，达到所需测定的样品量需要一定时间，水分散失相对多；锤碎是样品处理过程中耗时最长的粉碎方式，样品水分过高会锤出水，造成水分直接散失，同时锤碎方式的样品颗粒较立式粉碎方式、卧式粉碎方式样品大，可能存在未完全烘干问题；整粒是样品无损状态，不存在粉碎过程中水分散失，理论上测定结果应该是水分最高，而实际测定结果是水分偏低，可能原因为稻谷整粒颗粒大，105 ℃烘干24 h 仍不能完全烘干[28]。

表4 稻谷颗粒和不同粉碎方式水分测定结果

续表

为探究整粒方式和不同粉碎方式对水分测定的影响，选择龙粳40 样品对其进行低场核磁扫描，图2 为颗粒和不同粉碎方式稻谷T2图谱结果，图3 为颗粒和不同粉碎方式稻谷结合水与自由水信号幅值。

图2 颗粒和不同粉碎方式稻谷T2 图谱

图3 颗粒和不同粉碎方式稻谷结合水与自由水

对图2 和图3 结果进行分析，可以看出与整粒样品比较粉碎样品改变了结合水出峰时间、改变了自由水和结合水的比例，使部分结合水升高，自由水降低。卧式粉碎对样品内部结合水和自由水含量改变最大，立式粉碎次之，锤碎方式最低。推测原因为锤碎方式样品颗粒大，状态与整粒样品更为接近，结合水与自由水比例更接近。

2.2.2 立式粉碎时间

立式粉碎效率较高，同时国标法测定水分立式粉碎方式样品水分最高，因此立式粉碎方式适合作为样品测定水分前处理手段。由于立式粉碎方式仍有水分散失，因此又进行了立式粉碎时间对水分测定影响研究。国标法测定不同立式粉碎时间的稻谷样品水分，结果见图4。

图4 不同立式粉碎时间稻谷样品水分

由图4 可以看出，在立式粉碎150 s 以内，随着粉碎时间增加，样品测得水分增加，在200 s 时样品水分测得值下降。可能原因为随着粉碎时间增加样品颗粒度变细，容易烘出水分，随着粉碎时间的进一步增加，粉碎样品温度上升、水分散失增加。

对立式粉碎不同时间样品进行低场核磁扫描，立式粉碎不同时间样品T2图谱见图5，立式粉碎不同时间样品结合水与自由水含量见图6。图5 和图6可以看出立式粉碎样品较整粒样品结合水出峰时间增加，不同立式粉碎时间样品结合水出峰时间一致。随着粉碎时间增加，结合水含量先增加后降低，自由水含量逐渐降低[29]。

图5 不同立式粉碎时间样品T2 图谱

图6 不同立式粉碎时间样品结合水与自由水含量

2.2.3 烘干时间对水分测定的影响

在研究整粒方式和不同粉碎方式对水分测定的影响过程中，发现整粒稻谷水分较卧式粉碎方式和立式粉碎方式样品水分低，推测原因为整粒样品未完全烘干，而整粒稻谷为无损状态，可以认为没有水分散失，整粒稻谷水分为理论上的稻谷水分真值。为得到稻谷水分真值，需要先确定样品烘干所需时间，进行了105 ℃不同烘干时间实验，分别在22、42、66、93 h 测定水分。在样品选择方面，除选择盐丰、桥育2 个品种稻谷外，还增加了脱壳小米做为对比。脱壳小米体积小，烘干过程中内部水分扩散出来的距离小，容易达到烘干状态。在粉碎方式方面，由于锤碎水分散失过多，且样品处理耗时，此部分仅研究整粒方式和立式粉碎方式、卧式粉碎方式下不同烘干时间样品水分。由于小米样品过小，会直接通过卧式粉碎筛，无法进行粉碎，不再研究卧式粉碎方式小米样品水分。不同烘干时间样品水分测定结果见图7 和图8。

图7 不同烘干时间样品水分含量

图8 不同烘干时间脱壳小米水分含量

由图7 和图8 发现，稻谷立式粉碎方式样品测得水分最高，整粒样品水分仍低于2 种粉碎方式的样品水分，而脱壳小米在93 h 时整粒样品水分超过立式粉碎样品水分，推测稻谷样品仍未烘干[30-31]。而烘干93 h 情况下，稻谷样品中挥发性油脂会部分挥发出来[32]，同时可能会有部分结构水散失，此时测定的水分不仅仅是水分本身，但仍未找到整粒稻谷样品水分高于粉碎样品的烘干时间。因此单纯依靠烘干测定减重去测定稻谷样品水分真值不可行，需要借助多种分析手段去确定水分真值。

3 结语

低场核磁可用于测定稻谷中的水分，具有快速、准确、无损样品的特点，但低场核磁仪器要求的环境温度范围较窄，为19～25 ℃，后期若适用于更多的测试场景，可增加温度校正因子，同时能够远程自动校正低场核磁水分标准曲线，保证水分测定的准确性。

目前试验中测定的品种均为非糯性粳米，不同亚种的籼米及具有糯性的大米是否适用于现有标准曲线，还未验证。若不适用，可根据对应的低场核磁信号重新建立低场核磁水分标准曲线。

此外，本研究尝试了稻谷真值水分的探索，烘箱法用于测定水分，实际属于较为粗犷的方法，目前仅靠烘干称重方法很难确定水分烘干的终点，后期可借助多种检测手段并结合蛋白、脂质等成分的特点探索稻谷真值水分的测定，为低场核磁共振技术更加合理准确的水分测定和验证提供支持，利于后期进一步的开发应用以更大程度发挥低场核磁精确度高的优点。目前阶段使用国标法测定水分，建立低场核磁对应标准曲线，同样具有推广价值，这也是低场核磁应用在稻谷水分测定中切实可行的第一步。