吳靖娜，陳曉婷，蘇永昌，喬琨，陳貝，劉智禹*

(1.廈門醫(yī)學(xué)院 廈門市海洋藥用天然產(chǎn)物資源重點實驗室，福建 廈門 361023； 2.廈門醫(yī)學(xué)院 海洋生物醫(yī)藥資源福建省高校工程研究中心，福建 廈門 361023； 3.福建省水產(chǎn)研究所，福建 廈門 361013)

海馬Hippocampus始載于《本草經(jīng)集注》，為中國名貴中藥材，歷版《中國藥典》均有收載。海馬具有增強(qiáng)體質(zhì)、疏通經(jīng)絡(luò)、緩解疼痛、鎮(zhèn)定安神、健脾胃等藥用價值[1]。海馬在中國分布于東海和南海等海域，主產(chǎn)于福建、廣東、臺灣和海南，全年均可捕獲，但以8—9月產(chǎn)量最大[2]，目前海馬在中國多以干制品被消費，被加工成藥物或者制成保健藥酒等，被廣泛用于醫(yī)藥保健行業(yè)。海馬中的水分主要包括結(jié)合水、不易流動水和自由水。采用干燥方式主要去除的是海馬中自由水和不易流動水，而結(jié)合水主要與大分子物質(zhì)結(jié)合束縛性較強(qiáng)，利用干燥方式較難去除[3]。海馬干制品制備工藝的關(guān)鍵在于干燥技術(shù)，傳統(tǒng)的干燥方式有日曬風(fēng)干和熱風(fēng)干燥2種，日曬風(fēng)干主要依靠自然條件控制，溫度難以控制，干燥效率較低，批次間產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定，易受空氣污染，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊；而熱風(fēng)干燥主要依靠周圍熱空氣傳熱，熱流密度低，傳熱效率低，干燥溫度雖然能得到一定的控制，但是產(chǎn)品內(nèi)外干燥不均一，表面結(jié)痂現(xiàn)象嚴(yán)重，內(nèi)部水分散失較慢[4]：二者均對產(chǎn)品的營養(yǎng)損失有較大的影響。近年來，不斷涌現(xiàn)出許多新型的干燥技術(shù)，如冷風(fēng)干燥[5]、真空冷凍干燥[6]、真空干燥、微波干燥等[7]，新型的干燥技術(shù)不僅加速了產(chǎn)品的干燥過程，且減少了經(jīng)濟(jì)損失，但不同的干燥方式會使海馬干制品具有不同的物性特性，從而影響最終產(chǎn)品的品質(zhì)。

海馬干制品的品質(zhì)主要取決于海馬干燥過程中的水分狀態(tài)，傳統(tǒng)的水分檢測技術(shù)為紅外光譜技術(shù)、光譜成像技術(shù)等，但新型低場核磁共振技術(shù)(low field nuclear magnetic resonance, LF-NMR)的應(yīng)用，使水分的測定變得高效便利，已成為食品品質(zhì)檢驗的一項快速、無損檢測技術(shù)。LF-NMR是利用磁場中共振特性采集樣品組織中的氫質(zhì)子信號，能夠快速檢測及分析樣品中含氫物質(zhì)的分布情況及含量，核磁共振(NMR)的信號強(qiáng)弱與樣品中氫質(zhì)子的數(shù)量緊密相關(guān)[8]，因此，LF-NMR能夠通過NMR信號強(qiáng)度測定諸如細(xì)胞或組織這些生物樣品中含水量的變化[9]，以及利用核磁共振成像(MRI)觀察食品內(nèi)部品質(zhì)的變化情況，該技術(shù)具有穿透能力強(qiáng)、操作簡便、靈敏度高、快速無損且能多次檢測等優(yōu)點，已被廣泛用于食品品質(zhì)檢測，如黃瓜與櫻桃番茄新鮮度的智能檢測[10]，以及干蝦仁[11]、大豆抗氧化肽粉[12]、改良香腸[13]等的水分分布與品質(zhì)變化的相關(guān)性研究。

目前，不同干燥方式對銀耳[14]、紅棗[15]、蓮藕[16]等農(nóng)產(chǎn)品及沙丁魚[17]、封鳊魚[18]等水產(chǎn)品品質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)等的影響已有較多報道，而關(guān)于海馬的相關(guān)研究仍是空白，海馬的研究主要集中在資源[19]、養(yǎng)殖[20-21]和活性物質(zhì)[22-25]、生藥學(xué)[26]等方面。本研究中,以海馬為原料，從干燥耗時、耗能及產(chǎn)品收縮率的變化研究熱風(fēng)干燥、冷風(fēng)干燥、真空冷凍干燥與真空干燥4種工藝對干燥性能的影響,并借助低磁場共振技術(shù)，探討了不同干燥工藝下產(chǎn)品的水分遷移規(guī)律和復(fù)水過程水分分布及其成像，分析了不同干燥方式對海馬品質(zhì)的影響，以期為海馬干的干燥工藝篩選和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用三斑海馬HippocampustrimaculatusLeach捕撈于福建省東山縣海域，體質(zhì)量為2.5～3.0 g，體長為9～10 cm。

試驗儀器：MesoMR核磁共振分析與成像系統(tǒng)(上海紐邁電子科技有限公司)；BGZ-240電熱鼓風(fēng)干燥箱、BZF-50真空干燥箱(上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)；HFD-2冷風(fēng)干燥箱(杭州歐易電器有限公司)；SCIENTZ-10N真空冷凍干燥機(jī)(寧波新芝生物科技股份有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 樣品處理 試驗選用規(guī)格均勻、大小一致的海馬，設(shè)置熱風(fēng)干燥、冷風(fēng)干燥、真空冷凍干燥和真空干燥4組，每組30只，分別采用不同干燥方式制備海馬干樣品。

1.2.2 干燥試驗 在前期干燥試驗的基礎(chǔ)上，選擇熱風(fēng)干燥參數(shù)：干燥溫度為100 ℃，熱空氣對流循環(huán)。冷風(fēng)干燥參數(shù)：干燥溫度為40 ℃，風(fēng)速為1.5 m/s。真空冷凍干燥參數(shù)：干燥溫度為-26～-30 ℃，真空度為0.1 kPa。真空干燥參數(shù)：干燥溫度為70 ℃，真空度為133 Pa。待產(chǎn)品達(dá)恒質(zhì)量，干燥結(jié)束。

1.2.3 含水率測定 參照恒溫干燥法(GB/T 9695.15—2008)測定海馬的含水率。

1.2.4 收縮率測定 采用體積置換法測定海馬的收縮率，置換介質(zhì)為潔凈小米[3]。計算公式為

Rs=(V0-Vt)/V0×100%。

其中：Rs為體積收縮率(%)；V0為干燥前海馬的體積(mL)；Vt為干燥后海馬的體積(mL)。

1.2.5 耗能測定[27]計算公式為

W=P×t/m。

其中：W為耗能(kW·h/kg)；P為額定功率(kW)；t為干燥消耗的時間(h)；m為物料干燥前的質(zhì)量(kg)。

1.2.6 橫向弛豫時間反演譜采集 對不同干燥時間的海馬樣品直接進(jìn)行檢測，在Li等[28]的試驗方法上稍做調(diào)整，利用低場核磁共振技術(shù)(LF-NMR)中的CPMG(carr-purcell-meiboom-gill)脈沖序列對樣品的橫向弛豫時間(t2)進(jìn)行檢測。將樣品放入線圈的中心位置后，進(jìn)行t2采集，通過核磁共振t2反演軟件對采集的信息值反演成t2反演譜。CPMG脈沖序列參數(shù)為：主頻(SF)20 MHz，偏移頻率(SW)200 kHz，90°脈沖時間(P1)10.48 μs，180°脈沖時間(P2)22 μs，采樣點數(shù)(TD)640 006，重復(fù)時間(TW)4 000 ms，累加次數(shù)(NS)32次，回波數(shù)(NECH)16 000。

1.2.7 核磁共振t1加權(quán)成像檢測 對不同干燥時間的海馬樣品直接進(jìn)行檢測，將海馬干制品置于水中，常溫條件下復(fù)水，每隔15 min取出樣品瀝干水分，置于磁場中心位置的射頻線圈中心進(jìn)行檢測，線圈直徑為40 mm。參數(shù)設(shè)置為：層數(shù)(slices)1，視野FOV為100 mm×100 mm，層厚(slice width)5 mm，層間隙(slice gap)2 mm，read size為256，phase size為192，掃描次數(shù)(average)8，t1加權(quán)成像的重復(fù)時間(TR)500 ms，回波時間(TE)18.125 ms。所獲數(shù)據(jù)經(jīng)紐邁核磁共振成像應(yīng)用軟件進(jìn)行圖像處理。

1.2.8 復(fù)水率測定 將海馬干制品置于水中，常溫條件下復(fù)水，每隔15 min取出樣品瀝干水分，稱其質(zhì)量，計算其復(fù)水率。每個試驗重復(fù)測定3個平行，取其平均值。復(fù)水率計算公式為

Rf=(mg-m0)/m0×100%。

其中：Rf為復(fù)水率(%)；mg為復(fù)水后樣品質(zhì)量(g)；m0為復(fù)水前樣品質(zhì)量(g)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗結(jié)果均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean± S.D.)表示。所有數(shù)據(jù)測量均為30個重復(fù)(n=30)，采用 SPSS Statistic 17.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析，采用Duncan 法進(jìn)行組間多重比較，顯著性水平設(shè)為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥方式下海馬干的干燥耗時、耗能和收縮率

圖1為不同干燥方式對海馬干干燥耗時的影響，經(jīng)單因素方差分析，各種干燥方式下的耗時具有顯著差異性(P<0.05)，將海馬干燥至恒質(zhì)量，熱風(fēng)干燥、冷風(fēng)干燥、真空冷凍干燥和真空干燥處理所需的時間分別為15、18、35、10 h。

圖1 不同干燥方式下海馬干的干燥耗時

從表1可見：不同干燥方式的耗能也存在顯著性差異(P<0.05)，其中，真空干燥處理耗能最低(2.46 kW·h/kg)，冷風(fēng)干燥耗能最高(7.79 kW·h/kg)，約是真空干燥的3.2倍，而真空冷凍干燥的耗能顯著高于熱風(fēng)干燥(P<0.05)；與鮮樣相比，經(jīng)熱風(fēng)干燥、冷風(fēng)干燥、真空冷凍干燥和真空干燥處理的海馬收縮率分別為36.18%、29.21%、17.47%、33.12%，其中,真空冷凍干燥的收縮率最少，而熱風(fēng)干燥的收縮率最高，均與其他干燥方式具有顯著性差異(P<0.05)。

表1 不同干燥方式下海馬干的干燥耗能和收縮率

2.2 不同干燥方式下海馬干的水分狀態(tài)

橫向弛豫時間反演譜中，t2值越小表示該部分水的流動性較小，t2值越大表示流動性較大，其中水分子和糖類或其他低分子量化合物組成的稀溶液是質(zhì)子的主要化學(xué)交換方式[29-31]。從圖2(a)中可以看出，反演后的海馬NMRt2反演譜存在4個峰，分別為t21(0.2～1.5 ms)、t22(1.5～10 ms)、t23(10～100 ms)和t24(100～1 500 ms)，t2組分的水大部分與細(xì)胞骨架、酶和高濃度的細(xì)胞溶質(zhì)結(jié)合，分布于細(xì)胞質(zhì)中，較短t21和t22組分可看作是海馬內(nèi)部物質(zhì)結(jié)合最緊密的結(jié)合水，t23組分為水自由度介于結(jié)合水與自由水間且容易發(fā)生轉(zhuǎn)化的不易流動水，t24組分為具有流動性的自由水。從圖2(b)～(f)可知，隨著海馬含水率的減少，t2和信號幅度均降低，干燥初期，海馬不易流動水和自由水的含量較高，干燥一段時間后，二者的含量明顯降低，以結(jié)合水為主。

圖2 不同干燥方式中海馬干的橫向弛豫時間反演譜

2.3 不同干燥方式的海馬干復(fù)水過程

2.3.1 復(fù)水過程中水分狀態(tài)的變化 不同干燥方式下的海馬干復(fù)水過程的橫向弛豫圖譜如圖3所示，不同復(fù)水時間的海馬干中基本都存在3個組分峰，從左到右分別代表結(jié)合水、結(jié)合相對較弱的不易移動水和以游離狀態(tài)存在的自由水。從圖3可見：隨著復(fù)水時間的延長，整個圖譜向右遷移，往長弛豫時間移動，這說明不易流動水和自由水的自由度持續(xù)上升，水分的流動性增加；結(jié)合水和自由水含量的變化較小，而不易流動水的含量隨著復(fù)水時間的延長不斷升高，說明總的相對水分含量的增加主要是由不易流動水引起的。

圖3 不同干燥方式海馬干復(fù)水的橫向弛豫時間t2圖譜

2.3.2 復(fù)水過程中MRI核磁共振成像 由“2.3.1節(jié)”分析發(fā)現(xiàn)，海馬復(fù)水過程中水分含量的增加主要是不易流動水引起的，所以本研究中采用t1加權(quán)成像進(jìn)行分析。不同干燥方式的海馬干制品復(fù)水過程中的t1加權(quán)成像的相對信號量如圖4所示，t1加權(quán)成像呈現(xiàn)的是短弛豫時間的組分，圖像冷暖表示氫質(zhì)子信號量的強(qiáng)弱。從圖4可見：隨著復(fù)水時間的延長，不同干燥方式下海馬干制品的t1信號強(qiáng)度隨著復(fù)水時間的延長而逐漸增強(qiáng)，均未出現(xiàn)大面積的高氫質(zhì)子信號量，t1加權(quán)成像主要向頭部和腹部擴(kuò)增，而尾部和背部的信號量較少；冷風(fēng)干燥、熱風(fēng)干燥、真空干燥和真空冷凍干燥處理的海馬干制品分別在復(fù)水210、120、135、120 min后信號強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，其中，熱風(fēng)干燥和真空冷凍干燥的復(fù)水速度明顯優(yōu)于其他2種干燥方式。

圖4 不同干燥方式海馬干復(fù)水的t1加權(quán)成像圖

2.3.3 復(fù)水率的變化 不同干燥方式下海馬干的復(fù)水率變化如圖5所示，隨著復(fù)水時間的延長，復(fù)水率隨之增大；復(fù)水240 min時，熱風(fēng)干燥得到的海馬復(fù)水率(95.87%)最高，其次是真空冷凍干燥(89.98%)，而真空干燥和冷風(fēng)干燥處理組復(fù)水能力最較差，分別為71.81%和70.94%。

圖5 干燥海馬的復(fù)水曲線

3 討論

3.1 干燥方式對干燥性能的影響

本試驗表明，不同干燥方式的干燥性能不同，真空干燥的耗時最短為10 h，耗能最低為2.46 kW·h/kg，其次為熱風(fēng)干燥，耗時和耗能分別為15 h和4.03 kW·h/kg，這說明對海馬進(jìn)行真空干燥和熱風(fēng)干燥處理，不僅可以大大提高產(chǎn)品干燥效率，減少生產(chǎn)的時間成本，還具有節(jié)能減耗作用，得到的干品干燥性能優(yōu)于其他干燥處理。但從海馬的收縮率來看，熱風(fēng)干燥的收縮率最高(36.18%)，這可能與其干燥機(jī)理有關(guān)，熱風(fēng)干燥釋放的熱量通過空氣傳遞至樣品，因先接觸的是樣品的表面，高溫加速了表面水分的流失，導(dǎo)致表層水分比內(nèi)部水分較快散失，故形成致密的結(jié)構(gòu)，造成較大的收縮率[32]，而真空冷凍干燥的收縮率最低(17.47%)，因為真空冷凍干燥是樣品凍結(jié)情況下，利用低溫和高真空，將凍結(jié)后的冰晶升華，該過程中不會影響樣品的形狀，形成疏松的多孔性結(jié)構(gòu)，故只造成輕微的收縮[33]。

3.2 干燥方式對海馬干水分狀態(tài)的影響

橫向弛豫時間t2表示在外加磁場收到射頻脈沖的作用下，氫質(zhì)子自旋核內(nèi)部達(dá)到橫向熱平衡這一過程所用的時間，組織中的含水率、不同區(qū)域的水分屬性，以及水分與大分子和溶質(zhì)之間的相互作用均與弛豫過程相關(guān)[3]。本試驗中，利用NMRt2反演譜測定海馬在不同干燥方式下水分狀態(tài)的變化情況，由海馬NMRt2反演譜的4個峰可知，海馬中存在結(jié)合水t21(0.2～1.5 ms)+t22(1.5～10 ms)、不易流動水t23(10～100 ms)和自由水t24(100～1 500 ms)。大部分食品原料為多相體系，利用NMR檢測樣品的t2反演譜圖存在較大差異，王雪媛等[34]得到蘋果片中結(jié)合水t21為1～20 ms、不易流動水t22為20～100 ms和自由水t23為100～1 000 ms；謝小雷等[3]測得牛肉干的反演圖譜有3個波峰，得到結(jié)合水t21為1～10 ms、不易流動水t22>10～100 ms、自由水t23>100～1 000 ms；Mortensen等[35]檢測到馬鈴薯中存在2種狀態(tài)的水分，原生質(zhì)與細(xì)胞間隙中的水t21(45～65 ms)，淀粉與細(xì)胞壁結(jié)合的水t22(350～550 ms)。與蘋果片、牛肉干和馬鈴薯的t2相比，本試驗中得出的海馬結(jié)合水弛豫時間t21、t22相對較小，同時，不易流動水(t23)和自由水(t24)存在明顯的重疊現(xiàn)象，這可能是因為海馬化學(xué)組成成分較復(fù)雜，使得自由水和不易流動水之間存在交換作用。

本試驗表明，不同干燥方式的海馬在干燥過程中含水率逐漸減少，t2和信號幅度隨之呈現(xiàn)下降趨勢，水分子的流動性決定了水分質(zhì)子t2的大小，弛豫過程主要受樣品含水率的影響，此外還受到樣品中大分子與水分子之間不同形式的結(jié)合能力的影響，從而可以在t2反演譜中看到不同水分分布情況，較短的t21、t22的原因是氫鍵與蛋白質(zhì)、多糖等大分子物質(zhì)密切結(jié)合而形成結(jié)合水，形成組織結(jié)構(gòu)物質(zhì)，不同干燥方式的干燥過程中水分均是由高自由度向低自由度轉(zhuǎn)變[34]。

3.3 干燥方式對海馬干復(fù)水過程的影響

復(fù)水過程是樣品在吸水過程中水分子與大分子物質(zhì)的結(jié)合，該過程中具有多種復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)[36]。本試驗中，不同干燥方式干燥后的海馬干復(fù)水過程的NMRt2反演譜存在3個峰，隨著復(fù)水時間的延長，海馬干中不易流動水和自由水自由度不斷增加，流動性增大；結(jié)合水和自由水含量的變化較小，而不易流動水的含量隨著復(fù)水時間的延長不斷升高，該結(jié)果與海參[36]和蝦仁[37]復(fù)水過程中自由水和不易流動水含量均增加的結(jié)果不同，這可能是由于不同原料內(nèi)部的肌纖維結(jié)構(gòu)不同所致。

本試驗中，利用t1加權(quán)像對不同干燥方式海馬干的復(fù)水過程進(jìn)行分析，由t1加權(quán)成像圖可知，隨著復(fù)水時間的延長，t1信號強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，均未出現(xiàn)大面積的高氫質(zhì)子信號量，信號量的分布主要從頭部和腹部開始擴(kuò)增，尾部和背部則較少。程沙沙等[37]利用MRI得到了干制蝦仁在復(fù)水過程中水分從蝦仁的頭部滲入，逐漸向體部和尾部擴(kuò)散；Deng等[38]研究則表明，干制魷魚片復(fù)水水分是從魷魚片的表面向內(nèi)部逐漸遷移，這些結(jié)果與本研究結(jié)果略有差異，這可能與樣品的形狀、大小及復(fù)水界面均一性的差異有關(guān)。本試驗中，對比不同干燥方式的t1加權(quán)像和復(fù)水率發(fā)現(xiàn)，熱風(fēng)干燥和真空冷凍干燥的復(fù)水速度優(yōu)于冷風(fēng)干燥和真空干燥，這與雞肉、大麥、牛肉等復(fù)水過程中熱風(fēng)干燥效果最差的研究結(jié)果[39-40]相反，這可能是因為海馬的肌肉結(jié)構(gòu)不同，體無鱗，由骨質(zhì)環(huán)所包，熱風(fēng)干燥的干燥溫度較高，海馬干燥后腹部中空，肌肉組織脆度變大，肌肉結(jié)構(gòu)被破壞，加速復(fù)水進(jìn)程，使得復(fù)水時水分更容易滲入海馬體內(nèi)；而真空冷凍干燥的海馬干制品形成疏松均勻的多孔結(jié)構(gòu)，能有效促進(jìn)干制品復(fù)水過程的水分滲入[27]。

4 結(jié)論

1) 綜合考慮海馬的干燥效率及干品品質(zhì)要求，熱風(fēng)干燥和真空干燥海馬具有用時短、干燥速率快、易操作控制、能耗小的優(yōu)點，但收縮程度較大，可以通過調(diào)整干燥溫度來降低。

2) 真空冷凍干燥能夠保留鮮樣的原有品質(zhì)特性，在收縮率方面相比其他方式具有明顯的優(yōu)越性，因此，真空冷凍干燥可作為干燥海馬的首選方法，但干燥性能較差，掌握好其干燥的關(guān)鍵控制點在于如何節(jié)能降耗和低成本生產(chǎn)，這也成為當(dāng)前該技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的問題。