程沙沙，唐英強(qiáng)，章 坦，王小薈，王慧慧，譚明乾

(1.大連工業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，遼寧 大連 116034；2.國(guó)家海洋食品工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116034)

LF-NMR和MRI對(duì)干制蝦仁復(fù)水過程水分狀態(tài)及品質(zhì)變化的研究

程沙沙1,2*，唐英強(qiáng)1,2，章 坦1,2，王小薈1,2，王慧慧2，譚明乾1,2*

(1.大連工業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，遼寧 大連 116034；2.國(guó)家海洋食品工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116034)

采用低場(chǎng)核磁(LF-NMR)及其成像技術(shù)(MRI)研究干制蝦仁在25 ℃復(fù)水過程中的水分含量、分布及狀態(tài)變化，并通過線性回歸分析不同復(fù)水時(shí)間干制蝦仁的LF-NMR參數(shù)與質(zhì)構(gòu)特性及復(fù)水率的相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，干制蝦仁復(fù)水過程中存在結(jié)合水、不可移動(dòng)水和自由水3個(gè)組分峰，隨著復(fù)水時(shí)間的增加，結(jié)合水無明顯變化，而自由水、不易流動(dòng)水含量增加，且自由度增加，流動(dòng)性增大。LF-NMR參數(shù)(T22、T23、A22、A23和ATotal)和硬度、咀嚼性、彈性、凝聚性以及復(fù)水率有極顯著的相關(guān)性(R2≥0.613)，為干制蝦仁復(fù)水過程中品質(zhì)的快速無損預(yù)測(cè)提供了一種新方法。

低場(chǎng)核磁共振；磁共振成像；干制蝦仁；復(fù)水；水分狀態(tài)；品質(zhì)

蝦由于低脂肪、高蛋白、富含人體所需各種氨基酸、味道鮮美等特點(diǎn),深得消費(fèi)者喜愛[1-3]。但由于蝦收獲具有明顯的季節(jié)性和地域性，其體表黏附著多種細(xì)菌，肌肉組織水分含量高、組織柔嫩、結(jié)締組織少，體內(nèi)酶類在常溫下活性強(qiáng)，很適合腐敗微生物的生長(zhǎng)繁殖，蝦體極易腐敗變質(zhì)，貯藏期較短[4-5]，所以，必須采取有效手段對(duì)原料進(jìn)行及時(shí)保鮮或加工處理。其中干制品以其營(yíng)養(yǎng)豐富、風(fēng)味獨(dú)特、耐貯存、攜帶方便、生產(chǎn)和消費(fèi)過程中無需冷鏈等特點(diǎn)，成為蝦的一種重要產(chǎn)品形式[6]。干制品需經(jīng)過復(fù)水后才能烹飪食用。在復(fù)水過程中，隨著水分向蝦內(nèi)部滲透，水的分布和狀態(tài)變化對(duì)蝦的物化特性的改變有重要作用。目前，傳統(tǒng)的水分研究方法無法對(duì)水分的流動(dòng)性以及在食品中的分布狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)[7]。因此，探索一種快速無損的監(jiān)測(cè)蝦復(fù)水過程中水分分布及狀態(tài)變化的方法具有重要意義。

低場(chǎng)核磁共振(Low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR)及成像技術(shù)(Magnetic resonance imaging，MRI)作為近年來興起的研究方法，該技術(shù)主要根據(jù)處于不同微環(huán)境中質(zhì)子弛豫時(shí)間和幅度的差異反映體系中水分、油脂等物質(zhì)存在狀態(tài)和分布情況的變化，以快速、準(zhǔn)確、非侵入性、可視化等優(yōu)點(diǎn)在農(nóng)業(yè)、材料、石油化工、食品等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8-10]。LF-NMR及MRI可從分子水平研究食品在加工貯藏過程中水分分布及狀態(tài)變化，直觀地顯示食品材料中水的流動(dòng)性以及遷移過程，結(jié)合由生化、物理以及化學(xué)變化所引起的品質(zhì)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)其品質(zhì)的跟蹤和預(yù)測(cè)[11-12]。李然等[13]應(yīng)用LF-NMR及MRI技術(shù)對(duì)綠豆浸泡過程進(jìn)行研究，從一種新的角度解釋了綠豆種子內(nèi)部吸水的動(dòng)態(tài)過程。Dong等[14]采用LF-NMR研究了糯米在浸泡、蒸制和固態(tài)發(fā)酵過程中水分的動(dòng)態(tài)變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明LF-NMR技術(shù)可實(shí)現(xiàn)淀粉系統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。張文杰等[15]采用LF-NMR及MRI研究了海參復(fù)水過程中的水分分布及狀態(tài)變化，為海參復(fù)水加工過程中物性參數(shù)的研究提供了一種有效方法。Geng等[16]采用LF-NMR和MRI對(duì)干制海參的復(fù)水過程進(jìn)行研究，結(jié)合主成分分析法處理海參樣品CPMG序列回波峰點(diǎn)數(shù)據(jù)，建立了淡干海參和鹽干海參的鑒別模型，通過線性回歸分析構(gòu)建了NMR參數(shù)與硬度、咀嚼性和復(fù)水率等品質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性模型。

本文采用低場(chǎng)核磁及成像技術(shù)，對(duì)干制的南美白對(duì)蝦蝦仁復(fù)水過程中的水分分布及狀態(tài)變化進(jìn)行研究，結(jié)合水分含量、質(zhì)構(gòu)等參數(shù)的變化構(gòu)建相關(guān)性模型，為干制蝦仁復(fù)水過程中品質(zhì)變化的快速無損監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與材料

NMI20-030H-1型核磁共振成像分析儀(蘇州紐邁分析儀器股份有限公司)，MultiExp Inv Analysis反演擬合軟件，30 mm核磁共振專用測(cè)試管。DHG-9070A型電熱鼓風(fēng)干燥箱、HWS24型電熱恒溫水浴鍋(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)；ME-104型電子天平(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)；TA.XT.plus型物性測(cè)試儀(英國(guó)SMS)。

冷凍南美白對(duì)蝦，購(gòu)于大連市新長(zhǎng)興市場(chǎng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1樣品的制備與處理從市場(chǎng)購(gòu)得的南美白對(duì)蝦用冷藏箱運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，選取外形、體型相似，每尾質(zhì)量為(7.68±0.14) g的南美白對(duì)蝦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得初始含水量約為74%。每次實(shí)驗(yàn)前放入4 ℃的冰箱內(nèi)解凍24 h，經(jīng)去頭、去殼、去線、清洗步驟后，放入添加2%的鹽溶液中2 min，在室溫下冷卻5 min。然后將樣品放入60 ℃的干燥箱內(nèi)熱風(fēng)干燥10 h，制得干制蝦仁樣品。干制蝦仁的含水量在20%左右。

干制蝦仁在室溫(25 ℃)條件下用去離子水進(jìn)行復(fù)水實(shí)驗(yàn)，分別在復(fù)水時(shí)間為2、4、6、8、10、20、40、60、80、100、120 min時(shí)取樣進(jìn)行LF-NMR及MRI、質(zhì)構(gòu)特性和水分含量測(cè)定。

1.2.2低場(chǎng)核磁共振測(cè)定首先將裝有標(biāo)準(zhǔn)硫酸銅溶液的樣品瓶放入30 mm的核磁管內(nèi)，將其置于0.5 T磁體線圈中心區(qū)域。在FID序列下確定中心頻率以及尋找90°和180°脈沖寬度。

將樣品表面的水吸干，置于32 ℃永磁場(chǎng)的射頻線圈中心，利用 CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脈沖序列測(cè)定樣品的自旋-自旋弛豫時(shí)間(T2)。 CPMG檢測(cè)參數(shù)為P1=19 μs(硬脈沖90°脈寬)，P2=38 μs(硬脈沖180°脈寬)，SW=200 kHz(采樣頻率)，Tw=5 000(重復(fù)采樣等待時(shí)間)，NECH=2 000(回波個(gè)數(shù))。利用核磁共振弛豫時(shí)間反演擬合軟件得到T2圖像。

1.2.3MRI測(cè)定采用T1和T2加權(quán)成像，通過成像軟件中的多層自旋回波(SE)序列來實(shí)現(xiàn)。參數(shù)設(shè)置為：層數(shù)=6，視野Fov=100 mm×100 mm，層厚=0.9 mm，層間隙=1.9 mm，Read size=256，Phase size=192，掃描次數(shù)Average=2，T1加權(quán)成像的重復(fù)時(shí)間TR=360 ms，回波時(shí)間TE=20 ms，T2加權(quán)成像的重復(fù)時(shí)間TR=1 800 ms，回波時(shí)間TE=50 ms。圖像均以DCM格式保存。

1.2.4質(zhì)構(gòu)測(cè)定采用TA.XT.plus型物性測(cè)試儀測(cè)定干制蝦仁復(fù)水過程中的硬度、咀嚼性、彈性、粘聚性，切取蝦仁腹部的第二、三節(jié)用于分析。參數(shù)設(shè)置為：選用P/5柱頭；測(cè)試前速度：1 mm/s；測(cè)試速度：1 mm/s；測(cè)試后速度：1 mm/s；測(cè)試形變量：30%。所有測(cè)試重復(fù)測(cè)定3次。

1.2.5水分含量與復(fù)水率的測(cè)定水分含量根據(jù)GB 5009.3-2010方法進(jìn)行測(cè)定。復(fù)水率=(mg-m0)/m0，其中mg和m0分別為干制蝦仁每次復(fù)水前后的質(zhì)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用oringe 8.5軟件進(jìn)行圖形的繪制與線性、指數(shù)曲線擬合，利用SPSS軟件對(duì)核磁數(shù)據(jù)與相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行線性回歸分析。

圖1 不同復(fù)水時(shí)間下干制蝦仁的橫向弛豫圖譜Fig.1 T2 relaxation spectra of the dried shrimp meat for different rehydration times

2 結(jié)果與討論

2.1 干制蝦仁復(fù)水過程中水分狀態(tài)變化

干制蝦仁25 ℃復(fù)水過程的橫向弛豫圖譜如圖1所示，圖中不同復(fù)水時(shí)間的干制蝦仁中存在T21、T22和T233個(gè)組分峰，分別代表結(jié)合程度最強(qiáng)的結(jié)合水、結(jié)合相對(duì)較弱的不易移動(dòng)水和以游離狀態(tài)存在的自由水[17]。對(duì)弛豫時(shí)間T2和各組分信號(hào)量A2進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到表1，從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著復(fù)水時(shí)間的增大，T21變化較小，這主要是由于結(jié)合水是蛋白質(zhì)分子表面的極性基團(tuán)與水分子緊密結(jié)合的水分子層，與蝦仁組織結(jié)合的束縛能力較其它水組分強(qiáng)，因此所對(duì)應(yīng)弛豫時(shí)間較短而且變化不大。T22和T23向長(zhǎng)弛豫方向移動(dòng)，說明不易流動(dòng)水和自由水自由度不斷增加，流動(dòng)性增大。A21在復(fù)水過程中不發(fā)生明顯變化，A22、A23和ATotal在復(fù)水過程中隨著復(fù)水時(shí)間的增大而顯著增加，說明總的相對(duì)水分含量的增加主要由不易移動(dòng)水和自由水引起。該結(jié)果與張文杰等[15]關(guān)于海參復(fù)水的結(jié)論不一致，這可能是由于蝦仁內(nèi)部的肌纖維結(jié)構(gòu)與海參的膠原結(jié)構(gòu)不同所致。

表1 不同復(fù)水時(shí)間干制蝦仁的NMR參數(shù)Table 1 NMR parameters obtained in dried shrimp meat for different rehydration time

a-g:values with different superscripts are significantly different(P<0.05)

圖2 不同復(fù)水時(shí)間干蝦仁的T1和T2加權(quán)成像(A)和相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度(B)Fig.2 T1 and T2 weighted images(A) and the relative intensity of the T1 and T2 weighted images(B) of dried shrimp meat for different rehydration times

圖3 干制蝦仁在不同復(fù)水時(shí)間水分含量和復(fù)水率的變化Fig.3 Changes of moisture content and rehydration ratio in different rehydration times

2.2 干制蝦仁復(fù)水過程中的MRI成像

圖2為干制蝦仁在不同復(fù)水時(shí)間T1和T2加權(quán)成像的偽彩圖，其中T1加權(quán)成像體現(xiàn)短弛豫時(shí)間的組分；T2加權(quán)成像體現(xiàn)長(zhǎng)弛豫時(shí)間的組分。此外圖中的紅色區(qū)域代表高氫質(zhì)子信號(hào)量，藍(lán)色區(qū)域代表低氫質(zhì)子信號(hào)量。從圖中可以看出，在4 min時(shí)干制蝦仁開始出現(xiàn)信號(hào)量，隨著復(fù)水時(shí)間的延長(zhǎng)，T1加權(quán)成像的紅色區(qū)域面積逐漸增大，并且從頭部向體部和尾部擴(kuò)增，說明干制蝦仁在4 min時(shí)開始進(jìn)入復(fù)水階段，在復(fù)水過程中水分從干制蝦仁的頭部滲入，逐漸向體部和尾部擴(kuò)散。原因可能是解凍蝦在去頭過程中對(duì)靠近頭部的肌原纖維結(jié)構(gòu)造成了一定的破壞，導(dǎo)致其較體部和尾部容易吸水。與T1加權(quán)成像相比，T2加權(quán)成像的信號(hào)量在復(fù)水過程中變化不明顯，并且在同一復(fù)水時(shí)間下T2加權(quán)成像的氫質(zhì)子信號(hào)強(qiáng)度低于T1加權(quán)成像，說明在復(fù)水過程中吸收的水分主要是短弛豫時(shí)間的組分，與圖1的結(jié)果相對(duì)應(yīng)。圖2B為T1和T2加權(quán)成像的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度，從圖中可以看出，隨著復(fù)水時(shí)間的增大，T1信號(hào)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，復(fù)水120 min信號(hào)強(qiáng)度基本不變，T1信號(hào)強(qiáng)度高于T2信號(hào)強(qiáng)度，此結(jié)果印證了偽彩圖的結(jié)果。Deng等[18]利用MRI得到了干制魷魚片在復(fù)水60 min時(shí)信號(hào)量基本趨于穩(wěn)定，并且水分是從魷魚片的表面向內(nèi)部逐漸遷移的結(jié)論。該結(jié)論與本文結(jié)論不一致，可能是由于樣品形狀和大小的差異，以及復(fù)水界面均一性的不同。

2.3 干制蝦仁復(fù)水過程中水分含量及復(fù)水率的變化

干制蝦仁在25 ℃復(fù)水過程中的水分含量和復(fù)水率變化如圖3所示，隨著復(fù)水時(shí)間的增加，水分含量和復(fù)水率也隨之增大。干制蝦仁在復(fù)水前20 min水分含量從17%快速增至48%；在20～60 min內(nèi)水分含量增加趨緩；60 min以后，水分含量逐漸趨于穩(wěn)定。復(fù)水率的變化趨勢(shì)和水分含量相似。這是因?yàn)樵趶?fù)水的初始階段，干制蝦仁內(nèi)部與外部環(huán)境存在較大的滲透壓，水分能夠快速地滲透到蝦仁組織細(xì)胞內(nèi)，隨著復(fù)水的進(jìn)行，蝦仁內(nèi)外的滲透壓逐漸變小，水分含量和復(fù)水率的變化趨勢(shì)逐漸變緩直至趨于穩(wěn)定。

2.4 干制蝦仁復(fù)水過程中質(zhì)構(gòu)的變化

質(zhì)構(gòu)是評(píng)價(jià)干制蝦仁復(fù)水品質(zhì)的重要指標(biāo)，表2為干制蝦仁在不同復(fù)水時(shí)間的硬度、咀嚼性、彈性和凝聚性參數(shù)。從表中可以看出，隨著復(fù)水時(shí)間的增加，干制蝦仁的硬度逐漸下降。這可能是由于在復(fù)水的過程中，干制蝦仁的肌肉組織中的肌原纖維越來越疏松，肌纖維之間的空隙逐漸變大，形成了致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致干制蝦仁的硬度逐漸降低[19]。咀嚼性的變化趨勢(shì)與硬度的變化規(guī)律相似，這是由于咀嚼性受硬度和彈性的影響[16]。彈性隨著復(fù)水的進(jìn)行總體呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)閺?fù)水過程中水分含量逐漸增多，肌纖維可能會(huì)逐漸形成立體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致肌肉變軟，彈性增大。凝聚性隨著復(fù)水時(shí)間的增加變化不大。

表2 干制蝦仁在不同復(fù)水時(shí)間的TPA參數(shù) Table 2 TPA parameters of dried shrimp meat in different rehydration times

(續(xù)表2)

Rehydrationtime/minHardness/g(硬度)Chewiness(咀嚼性)Springiness(彈性)Cohesiveness(凝聚性)101512.81±87.23e1101.79±17.15d0.91±0.02bc0.77±0.03ab201355.02±29.02e968.48±56.80c0.87±0.03ab0.77±0.03ab401117.89±105.56d882.68±82.04bc0.91±0.01bc0.78±0.02ab60966.80±18.92cd793.47±49.11b0.94±0.01c0.78±0.02ab80819.90±57.12bc648.93±41.46a0.96±0.01c0.81±0.01b100752.15±103.78b506.93±45.62a0.95±0.02c0.80±0.01ab120545.75±64.49a515.74±112.00a0.95±0.01c0.79±0.01ab

a-h:values with different superscripts are significantly different (P<0.05)

2.5 干制蝦仁復(fù)水過程中核磁參數(shù)與質(zhì)構(gòu)參數(shù)、復(fù)水率的相關(guān)性分析

如果低場(chǎng)核磁的參數(shù)與相關(guān)理化指標(biāo)有較強(qiáng)的相關(guān)性，低場(chǎng)核磁檢測(cè)技術(shù)可作為快速、無損的方法代替耗時(shí)、有損的檢測(cè)方法。線性回歸分析參數(shù)中的R2是評(píng)價(jià)指標(biāo)之間相關(guān)程度的重要參數(shù)。R2越大，表示指標(biāo)之間的相關(guān)程度越好。對(duì)不同復(fù)水時(shí)間下干制蝦仁的質(zhì)構(gòu)參數(shù)、復(fù)水率和LF-NMR參數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果如表3所示。從表中可以看出，硬度和核磁參數(shù)中的T22、T23、A22、A23和ATotal均具有極顯著的相關(guān)性，R2分別為0.981、0.908、0.954、0.957和0.979。咀嚼性和核磁參數(shù)中的T22、T23、A22、A23和ATotal也均具有極顯著的相關(guān)性，R2分別為0.970、0.919、0.940、0.940和0.951。彈性與T22、T23、A22、A23和ATotal均呈現(xiàn)極顯著的相關(guān)性，R2分別為0.785、0.713、0.816、0.794和0.739。凝聚性與T21呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性，R2為0.513；與T22、T23、A22、A23和ATotal均呈現(xiàn)極顯著的相關(guān)性，R2分別為0.723、0.675、0.672、0.613和0.681。復(fù)水率與核磁參數(shù)中的T21有顯著相關(guān)性，R2為0.454；與核磁參數(shù)中的T22、T23、A22、A23和ATotal均具有極顯著的相關(guān)性，R2分別為0.993、0.884、0.978、0.984和0.990。線性回歸分析表明，低場(chǎng)核磁技術(shù)能夠用于硬度、咀嚼性、彈性、凝聚性和復(fù)水率的快速無損預(yù)測(cè)(R2≥0.613)。

表3 LF-NMR參數(shù)與質(zhì)構(gòu)參數(shù)以及復(fù)水率的線性回歸分析Table 3 Linear regression analyses between LF-NMR parameters and texture parameters,rehydration ratio

*P<0.05 correlation is significant at the 0.05 level;**P<0.01 correlation is significant at the 0.01 level

3 結(jié) 論

本文采用LF-NMR及MRI 對(duì)干制蝦仁復(fù)水過程中的水分含量、分布及狀態(tài)進(jìn)行研究，結(jié)果表明干制蝦仁在復(fù)水過程中會(huì)出現(xiàn)結(jié)合水、不可移動(dòng)水和自由水3個(gè)組分峰，隨著復(fù)水時(shí)間的增加，結(jié)合水不發(fā)生明顯變化，而自由水、不易流動(dòng)水含量增加，自由度增加，流動(dòng)性增大，并且水分從干制蝦仁的頭部滲入，逐漸向體部和尾部擴(kuò)散。線性回歸分析結(jié)果表明，LF-NMR參數(shù)T22、T23、A22、A23、ATotal和硬度、咀嚼性、彈性、凝聚性以及復(fù)水率有極顯著的相關(guān)性(R2≥0.613)，為干制蝦仁復(fù)水過程中品質(zhì)的快速無損預(yù)測(cè)提供了一種新的方法。

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Investigation on Variation of Water State and Quality of Dried Shrimp during Rehydrated Process by LF-NMR and MRI

CHENG Sha-sha1,2*，TANG Ying-qiang1,2，ZHANG Tan1,2，WANG Xiao-hui1,2，WANG Hui-hui2，TAN Ming-qian1,2*

(1.School of Food Science and Technology,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034，China;2.National Engineering Research Center of Seafood,Dalian 116034，China)

The water distribution and state change of dried shrimp meat during rehydrated process at 25 ℃ were investigated by LF-NMR and MRI,and the correlation between NMR parameters and texture,rehydration ration was analyzed to construct the predicted mode by linear regression analysis.Three water components,i.e.bound water,immobilized water and free water were observed in dried shrimp meat during the rehydrated process.The contents and mobility of immobilized water and free water increased as the extension of the rehydration time,while that of bound water did not change obviously.The results of MRI indicated that the water absorbed by the dried shrimp mainly was components with short relaxation time,and permeated from head to body and tail.Good linear correlation was observed between the NMR parameters (T22，T23，A22，A23andATotal) and texture profile analysis parameters including the hardness,chewiness,springiness,cohesiveness and rehydration ratio of dried shrimp meat(R2≥0.613),which could provide a rapid and non-destructive method to predict the quality of dried shrimp meat during rehydrated process.

LF-NMR;MRI;dried shrimp meat;rehydration;water state;quality

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.10.010

O482.53；TS254.1

A

1004-4957(2017)10-1224-06

2017-05-11；

2017-05-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31501561)

*

程沙沙，博士，講師，研究方向：水產(chǎn)品品質(zhì)控制技術(shù)，Tel：0411-86318657，E-mail： chengshasha880321@126.com 譚明乾，教授，研究方向：食品品質(zhì)檢測(cè)與控制技術(shù)，E-mail：mqtan@dlpu.edu.cn