鮑春輝，徐 杰，劉 哲

（1.豐益（上海）生物技術(shù)研發(fā)中心有限公司，上海 200137；2.吉林大學(xué)，吉林 長春 130022）

0 前言

水分指物質(zhì)中所含水的質(zhì)量與總質(zhì)量的比值，通常表示為百分?jǐn)?shù)，常用于物料的化驗(yàn)指標(biāo)，為生產(chǎn)、處理等提供依據(jù)[1]。稻谷在收購、儲(chǔ)存、加工和銷售等環(huán)節(jié)中，水分指標(biāo)具有重要意義，尤其是出入庫作業(yè)中糧食的水分直接關(guān)系到糧食增扣量，準(zhǔn)確的水分檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)公平、公正交易，保證買賣雙方的權(quán)益[2-5]。

國家糧食和物資儲(chǔ)備局于2021 年11 月13 日發(fā)布《關(guān)于印發(fā)優(yōu)質(zhì)糧食工程“六大提升”行動(dòng)方案的通知》，其中“糧食綠色倉儲(chǔ)提升行動(dòng)方案”“糧食品質(zhì)品牌提升行動(dòng)方案”“糧食節(jié)約減損健康消費(fèi)提升行動(dòng)方案”均與糧食水分密切相關(guān)。準(zhǔn)確的水分測(cè)定能夠?qū)崿F(xiàn)稻谷在合適的時(shí)期收獲以減少隱性損失，保證糧食儲(chǔ)藏過程中的安全水分范圍，同時(shí)還能夠保持大米良好的食味品質(zhì)[6]。

然而現(xiàn)階段稻谷含水量有多種測(cè)試方法，其存在效率與精度的矛盾，對(duì)收割階段的“高水分”糧食尤為突出。不同水分測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)[7-13]如表1所示。

表1 不同水分測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)

續(xù)表

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)上世紀(jì)70 年代最早應(yīng)用于油井勘測(cè)，目前應(yīng)用范圍遍布能源、材料、食品、生命科學(xué)等領(lǐng)域[33]，在我國食品、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用尤其廣泛，從國家標(biāo)準(zhǔn)的油料種子含油率、水分的測(cè)定及固體脂肪含量SFC 的測(cè)定，再到農(nóng)產(chǎn)品、果蔬、畜肉、海產(chǎn)品、乳制品等，低場(chǎng)核磁共振技術(shù)都有涉及。與表1 所示水分測(cè)試方法相比，低場(chǎng)核磁共振法作為新興的種子水分檢測(cè)方法，具有簡便、快速、無損等優(yōu)點(diǎn)，還可實(shí)現(xiàn)單粒種子成像，在得到單粒種子水分的同時(shí)，直接顯示水分分布情況[14-22]。張垚等[23]利用低場(chǎng)核磁共振實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米單子粒水分的快速、準(zhǔn)確、無損檢測(cè)?；谙嚓P(guān)方法，結(jié)合玉米子粒灌漿不同時(shí)期，可在果穗發(fā)育至成熟收獲期對(duì)單子粒進(jìn)行選擇，也可在籽粒播種前了解分離后代籽粒水分情況，從而為快速脫水種子的選育提供直接證據(jù)，克服傳統(tǒng)育種的盲目性。

對(duì)于高水分稻谷籽粒來說，尤其是水分超過28%時(shí)，若利用粉碎烘箱法測(cè)定，在粉碎過程中破壞了籽粒原有的結(jié)構(gòu)，同時(shí)粉碎物殘留附著在機(jī)器內(nèi)部，水分損失較大，測(cè)定水分誤差偏高。低場(chǎng)核磁共振法能夠在不破壞樣品的條件下進(jìn)行水分測(cè)定，且精確度高，適合作為稻谷收割實(shí)驗(yàn)、原糧驗(yàn)收、原糧儲(chǔ)藏過程中的水分檢測(cè)手段[24-26]。

為開發(fā)低場(chǎng)核磁共振技術(shù)在稻谷水分測(cè)定中的應(yīng)用，本文首先建立并驗(yàn)證了低場(chǎng)核磁測(cè)定稻谷水分標(biāo)準(zhǔn)曲線，其次對(duì)稻谷真值水分進(jìn)行探索，包括整粒方式和不同粉碎方式、立式粉碎時(shí)間、整粒烘干時(shí)間對(duì)水分測(cè)定的影響。稻谷真值水分的探索也為低場(chǎng)核磁共振技術(shù)更加合理準(zhǔn)確的水分測(cè)定和驗(yàn)證提供指導(dǎo)，利于后期進(jìn)一步的開發(fā)應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗(yàn)用的稻谷均為2021 年秋季收獲的稻谷。產(chǎn)地、品種和試驗(yàn)期間分別為：黑龍江省佳木斯市燎原鄉(xiāng)種植的新峰6 號(hào)香和龍粳40，試驗(yàn)期間為8 月25日至10 月12 日；吉林省吉林市烏拉街鎮(zhèn)種植的吉宏6 號(hào)和超級(jí)稻，試驗(yàn)期間為9 月8 日至10 月27 日；遼寧省盤錦市太平鄉(xiāng)種植的鹽豐和橋育，試驗(yàn)期間為9 月15 日至10 月30 日。

1.2 儀器與設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)選用的儀器設(shè)備有：低場(chǎng)核磁共振分析儀PQ001-20-025V（蘇州紐邁分析儀器股份有限公司）；臥式粉碎機(jī)JFSD-100-II（上海嘉定糧油儀器有限公司）；美的WBL2521H 料理機(jī)；得力DL5002 鐵錘；鋁盒；DHG-9240A 烘箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；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 測(cè)試方法

1.3.1 水分測(cè)定

水分測(cè)定采用烘箱法和低場(chǎng)核磁法，具體方法如下：

烘箱法：參照GB 5009.3—2016 食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定[27]。

低場(chǎng)核磁法：準(zhǔn)確稱取整粒稻谷樣品5.0±0.1 g置于潔凈低場(chǎng)核磁試管中，用橡膠塞塞緊管口，然后放入低場(chǎng)核磁儀器中進(jìn)行測(cè)試；采樣參數(shù)：低場(chǎng)核磁共振種子含有水分測(cè)量軟件，SE 序列，SW=200 KHz，TW=1 000 ms，RFD=0.02 ms，DRG1=3，RG1=10，PRG=3，時(shí)延=0.1，TE=100 ms，NS=8。

1.3.2 樣品粉碎

采用3 種粉碎方式進(jìn)行粉碎，分別為臥式粉碎、立式粉碎、錘碎，具體操作如下：

臥式粉碎：取20 g 稻谷樣品，使用臥式粉碎機(jī)粉碎1 min，關(guān)閉電源。迅速將樣品盒取出，樣品收集于自封袋中并攪拌均勻。

立式粉碎：取25 g 稻谷樣品，使用料理機(jī)粉碎40 s，注意粉碎10 s 后停20 s，防止過熱，粉碎過程中同時(shí)注意搖晃均勻，粉碎結(jié)束關(guān)閉電源，迅速取出樣品收集于自封袋中混合均勻。

錘碎：取20 g 稻谷樣品，將樣品置于鋁蓋上，每次放1 粒稻谷，每粒稻谷錘1 次，錘后破碎程度為稻谷整體扁平并有淀粉漏出，每錘完1 粒立即置于自封袋保存。錘完20 g 稻谷樣品后，將收集于自封袋中的所有稻谷樣品混合均勻。

1.3.3 定時(shí)定溫水分測(cè)定

在GB 5009.3—2016 食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，水分烘干過程中不取出樣品，固定烘干時(shí)間，一次性取出稱重，按照國標(biāo)方法進(jìn)行水分計(jì)算。

1.3.4 低場(chǎng)核磁水分標(biāo)準(zhǔn)曲線建立

挑選新鮮飽滿高水分稻谷顆粒100 g 左右（去掉青粒、癟谷和秸稈），混合均勻，并分成5 份，每份20 g 左右，編號(hào)1～5#；將2～5#樣品放入105 ℃烘箱中干燥不同時(shí)間，然后取出樣品，放入干燥器中冷卻30 min，制備出不同水分的稻谷定標(biāo)樣品。分別取1～5#樣品5.0±0.1 g 放入低場(chǎng)核磁儀器中進(jìn)行低場(chǎng)核磁信號(hào)采集。將剩余樣品按照GB 5009.3—2016 食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定測(cè)定其水分，將標(biāo)樣烘箱法水分與其低場(chǎng)核磁信號(hào)進(jìn)行線性擬合，得到稻谷低場(chǎng)核磁水分標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 低場(chǎng)核磁法測(cè)定稻谷水分

低場(chǎng)核磁法測(cè)定稻谷水分，首先需要建立稻谷水分標(biāo)準(zhǔn)曲線，然后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行驗(yàn)證，標(biāo)準(zhǔn)曲線建立良好，可用于測(cè)定稻谷水分。

2.1.1 低場(chǎng)核磁標(biāo)準(zhǔn)曲線建立結(jié)果

稻谷整粒和粉碎后稻谷樣品使用烘箱法測(cè)定初始水分，并進(jìn)行低場(chǎng)核磁信號(hào)掃描，收集低場(chǎng)核磁信號(hào)。將剩余樣品分4 份，分別烘干不同時(shí)間，烘箱法測(cè)定水分，并收集低場(chǎng)核磁信號(hào)。顆粒和粉碎后稻谷各5 個(gè)樣品，將水重量與低場(chǎng)核磁信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)起來，建立低場(chǎng)核磁測(cè)定水分標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖1所示。

圖1 低場(chǎng)核磁測(cè)定水分標(biāo)準(zhǔn)曲線

由圖1 得到擬合方程y=15 418x+517.62，R2=0.995 9，標(biāo)線線性度＞0.99，說明稻谷水分與其低場(chǎng)核磁信號(hào)強(qiáng)度高度相關(guān)，該標(biāo)線可用。

2.1.2 低場(chǎng)核磁標(biāo)準(zhǔn)曲線驗(yàn)證結(jié)果分析

表2 和表3 為低場(chǎng)核磁標(biāo)準(zhǔn)曲線驗(yàn)證結(jié)果，選擇2 個(gè)品種新峰6 號(hào)香和龍粳40 樣品對(duì)標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行驗(yàn)證，低水分稻谷驗(yàn)證結(jié)果：低場(chǎng)核磁測(cè)定與國標(biāo)法測(cè)定結(jié)果差值在0.2%以內(nèi)，因此低場(chǎng)核磁測(cè)定水分標(biāo)準(zhǔn)曲線建立結(jié)果良好，準(zhǔn)確度和國標(biāo)法接近，可用于測(cè)定低水分稻谷樣品。高水分稻谷驗(yàn)證結(jié)果中有2 組樣品低場(chǎng)核磁測(cè)定與國標(biāo)法測(cè)定結(jié)果差值超過0.2%，其余7 組測(cè)定結(jié)果差值在0.2%以內(nèi)。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)2 組異常結(jié)果稻谷，水分測(cè)定當(dāng)天溫度較低，超過儀器理想工作溫度范圍。溫度降低會(huì)改變弛豫時(shí)間，同時(shí)會(huì)使信號(hào)量增大，導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果偏差增大。因此可得出在儀器理想工作環(huán)境溫度范圍內(nèi)，低場(chǎng)核磁測(cè)定水分標(biāo)準(zhǔn)曲線建立結(jié)果良好，可用于測(cè)定稻谷樣品水分。從標(biāo)準(zhǔn)差角度分析，低場(chǎng)核磁法水分標(biāo)準(zhǔn)差略大于國標(biāo)法，推測(cè)樣品的均勻性對(duì)測(cè)定結(jié)果的誤差影響較大。

表2 低場(chǎng)核磁標(biāo)準(zhǔn)曲線高水分稻谷驗(yàn)證結(jié)果

表3 低場(chǎng)核磁標(biāo)準(zhǔn)曲線低水分稻谷驗(yàn)證結(jié)果

續(xù)表

2.2 稻谷真值水分探索

在以上低場(chǎng)核磁測(cè)定水分過程中發(fā)現(xiàn)，國標(biāo)法測(cè)定水分，2 次恒重后水分仍會(huì)下降，若延長恒重的間隔時(shí)間，2 次測(cè)定重量差值會(huì)超過2 mg，烘干終點(diǎn)很難判斷。因此推測(cè)國標(biāo)法測(cè)定的水分并不是樣品水分的真值，國標(biāo)法中粉碎方式、粉碎時(shí)間、烘干時(shí)間等方法均未統(tǒng)一。本文同時(shí)研究了稻谷整粒方式和不同粉碎方式對(duì)水分測(cè)定的影響和立式粉碎時(shí)間、整粒烘干時(shí)間對(duì)水分測(cè)定的影響，以期對(duì)稻谷真值水分進(jìn)行探索，也為低場(chǎng)核磁共振技術(shù)更加合理準(zhǔn)確的水分測(cè)定和驗(yàn)證提供指導(dǎo)，利于后期進(jìn)一步的開發(fā)應(yīng)用。

2.2.1 稻谷整粒方式和不同粉碎方式對(duì)水分測(cè)定的影響

選擇鹽豐、橋育、稻花香、超級(jí)稻、吉宏、新峰6 號(hào)香、龍粳40 樣品進(jìn)行整粒方式和不同粉碎方式對(duì)水分測(cè)定的影響，因?yàn)橛懈咚謽悠罚x擇固定烘干時(shí)間為24 h，其余操作同國標(biāo)法。同時(shí)對(duì)比1.3.4建立的低場(chǎng)核磁水分測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線結(jié)果。

表4 為7 種稻谷顆粒和3 種不同粉碎方式對(duì)水分測(cè)定影響的結(jié)果，從表4 中可以看出，使用國標(biāo)法測(cè)定水分，立式粉碎方式下稻谷水分最高，臥式粉碎方式次之，整粒方式再次之，錘碎方式最低，符合這個(gè)規(guī)律的樣品為1#鹽豐、7#稻花香、12#龍粳40、13#吉宏、11#龍粳40 ；國標(biāo)法測(cè)定水分，立式粉碎方式下最高，臥式粉碎方式次之，錘碎方式再次之，整粒方式最低的樣品為2#橋育、3#鹽豐、4#橋育、5#稻花香、6#稻花香、8#稻花香、9#稻花香、10#新峰6 號(hào)香、14#超級(jí)稻。綜上可以看出國標(biāo)法測(cè)定水分，立式粉碎方式下樣品水分最高，臥式粉碎方式樣品水分次之，錘碎和整粒方式樣品水分交替最低，可能原因是立式粉碎方式粉碎效率高，容易取樣，取樣的完整性也較高，水分散失少；臥式粉碎方式機(jī)器有篩網(wǎng)，靠擠壓摩擦粉碎，不容易取樣，部分稻殼吸水粘在機(jī)器壁上，達(dá)到所需測(cè)定的樣品量需要一定時(shí)間，水分散失相對(duì)多；錘碎是樣品處理過程中耗時(shí)最長的粉碎方式，樣品水分過高會(huì)錘出水，造成水分直接散失，同時(shí)錘碎方式的樣品顆粒較立式粉碎方式、臥式粉碎方式樣品大，可能存在未完全烘干問題；整粒是樣品無損狀態(tài)，不存在粉碎過程中水分散失，理論上測(cè)定結(jié)果應(yīng)該是水分最高，而實(shí)際測(cè)定結(jié)果是水分偏低，可能原因?yàn)榈竟日ｎw粒大，105 ℃烘干24 h 仍不能完全烘干[28]。

表4 稻谷顆粒和不同粉碎方式水分測(cè)定結(jié)果

續(xù)表

為探究整粒方式和不同粉碎方式對(duì)水分測(cè)定的影響，選擇龍粳40 樣品對(duì)其進(jìn)行低場(chǎng)核磁掃描，圖2 為顆粒和不同粉碎方式稻谷T2圖譜結(jié)果，圖3 為顆粒和不同粉碎方式稻谷結(jié)合水與自由水信號(hào)幅值。

圖2 顆粒和不同粉碎方式稻谷T2 圖譜

圖3 顆粒和不同粉碎方式稻谷結(jié)合水與自由水

對(duì)圖2 和圖3 結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出與整粒樣品比較粉碎樣品改變了結(jié)合水出峰時(shí)間、改變了自由水和結(jié)合水的比例，使部分結(jié)合水升高，自由水降低。臥式粉碎對(duì)樣品內(nèi)部結(jié)合水和自由水含量改變最大，立式粉碎次之，錘碎方式最低。推測(cè)原因?yàn)殄N碎方式樣品顆粒大，狀態(tài)與整粒樣品更為接近，結(jié)合水與自由水比例更接近。

2.2.2 立式粉碎時(shí)間

立式粉碎效率較高，同時(shí)國標(biāo)法測(cè)定水分立式粉碎方式樣品水分最高，因此立式粉碎方式適合作為樣品測(cè)定水分前處理手段。由于立式粉碎方式仍有水分散失，因此又進(jìn)行了立式粉碎時(shí)間對(duì)水分測(cè)定影響研究。國標(biāo)法測(cè)定不同立式粉碎時(shí)間的稻谷樣品水分，結(jié)果見圖4。

圖4 不同立式粉碎時(shí)間稻谷樣品水分

由圖4 可以看出，在立式粉碎150 s 以內(nèi)，隨著粉碎時(shí)間增加，樣品測(cè)得水分增加，在200 s 時(shí)樣品水分測(cè)得值下降?？赡茉?yàn)殡S著粉碎時(shí)間增加樣品顆粒度變細(xì)，容易烘出水分，隨著粉碎時(shí)間的進(jìn)一步增加，粉碎樣品溫度上升、水分散失增加。

對(duì)立式粉碎不同時(shí)間樣品進(jìn)行低場(chǎng)核磁掃描，立式粉碎不同時(shí)間樣品T2圖譜見圖5，立式粉碎不同時(shí)間樣品結(jié)合水與自由水含量見圖6。圖5 和圖6可以看出立式粉碎樣品較整粒樣品結(jié)合水出峰時(shí)間增加，不同立式粉碎時(shí)間樣品結(jié)合水出峰時(shí)間一致。隨著粉碎時(shí)間增加，結(jié)合水含量先增加后降低，自由水含量逐漸降低[29]。

圖5 不同立式粉碎時(shí)間樣品T2 圖譜

圖6 不同立式粉碎時(shí)間樣品結(jié)合水與自由水含量

2.2.3 烘干時(shí)間對(duì)水分測(cè)定的影響

在研究整粒方式和不同粉碎方式對(duì)水分測(cè)定的影響過程中，發(fā)現(xiàn)整粒稻谷水分較臥式粉碎方式和立式粉碎方式樣品水分低，推測(cè)原因?yàn)檎悠肺赐耆娓桑５竟葹闊o損狀態(tài)，可以認(rèn)為沒有水分散失，整粒稻谷水分為理論上的稻谷水分真值。為得到稻谷水分真值，需要先確定樣品烘干所需時(shí)間，進(jìn)行了105 ℃不同烘干時(shí)間實(shí)驗(yàn)，分別在22、42、66、93 h 測(cè)定水分。在樣品選擇方面，除選擇鹽豐、橋育2 個(gè)品種稻谷外，還增加了脫殼小米做為對(duì)比。脫殼小米體積小，烘干過程中內(nèi)部水分?jǐn)U散出來的距離小，容易達(dá)到烘干狀態(tài)。在粉碎方式方面，由于錘碎水分散失過多，且樣品處理耗時(shí)，此部分僅研究整粒方式和立式粉碎方式、臥式粉碎方式下不同烘干時(shí)間樣品水分。由于小米樣品過小，會(huì)直接通過臥式粉碎篩，無法進(jìn)行粉碎，不再研究臥式粉碎方式小米樣品水分。不同烘干時(shí)間樣品水分測(cè)定結(jié)果見圖7 和圖8。

圖7 不同烘干時(shí)間樣品水分含量

圖8 不同烘干時(shí)間脫殼小米水分含量

由圖7 和圖8 發(fā)現(xiàn)，稻谷立式粉碎方式樣品測(cè)得水分最高，整粒樣品水分仍低于2 種粉碎方式的樣品水分，而脫殼小米在93 h 時(shí)整粒樣品水分超過立式粉碎樣品水分，推測(cè)稻谷樣品仍未烘干[30-31]。而烘干93 h 情況下，稻谷樣品中揮發(fā)性油脂會(huì)部分揮發(fā)出來[32]，同時(shí)可能會(huì)有部分結(jié)構(gòu)水散失，此時(shí)測(cè)定的水分不僅僅是水分本身，但仍未找到整粒稻谷樣品水分高于粉碎樣品的烘干時(shí)間。因此單純依靠烘干測(cè)定減重去測(cè)定稻谷樣品水分真值不可行，需要借助多種分析手段去確定水分真值。

3 結(jié)語

低場(chǎng)核磁可用于測(cè)定稻谷中的水分，具有快速、準(zhǔn)確、無損樣品的特點(diǎn)，但低場(chǎng)核磁儀器要求的環(huán)境溫度范圍較窄，為19～25 ℃，后期若適用于更多的測(cè)試場(chǎng)景，可增加溫度校正因子，同時(shí)能夠遠(yuǎn)程自動(dòng)校正低場(chǎng)核磁水分標(biāo)準(zhǔn)曲線，保證水分測(cè)定的準(zhǔn)確性。

目前試驗(yàn)中測(cè)定的品種均為非糯性粳米，不同亞種的秈米及具有糯性的大米是否適用于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)曲線，還未驗(yàn)證。若不適用，可根據(jù)對(duì)應(yīng)的低場(chǎng)核磁信號(hào)重新建立低場(chǎng)核磁水分標(biāo)準(zhǔn)曲線。

此外，本研究嘗試了稻谷真值水分的探索，烘箱法用于測(cè)定水分，實(shí)際屬于較為粗獷的方法，目前僅靠烘干稱重方法很難確定水分烘干的終點(diǎn)，后期可借助多種檢測(cè)手段并結(jié)合蛋白、脂質(zhì)等成分的特點(diǎn)探索稻谷真值水分的測(cè)定，為低場(chǎng)核磁共振技術(shù)更加合理準(zhǔn)確的水分測(cè)定和驗(yàn)證提供支持，利于后期進(jìn)一步的開發(fā)應(yīng)用以更大程度發(fā)揮低場(chǎng)核磁精確度高的優(yōu)點(diǎn)。目前階段使用國標(biāo)法測(cè)定水分，建立低場(chǎng)核磁對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)曲線，同樣具有推廣價(jià)值，這也是低場(chǎng)核磁應(yīng)用在稻谷水分測(cè)定中切實(shí)可行的第一步。