低场核磁共振及成像技术对海参复水过程水分状态变化的研究

张文杰，薛长湖，丛海花，贾 敏，王兆琦

(中国海洋大学食品科学与工程学院，山东青岛266003)

海参(Acaudina molpadioidea)为棘皮动物门(Echinodermata)海参纲(Hothuridea)循手目(Aspidochirota)的软体动物，全世界约有1000多种，我国海域有100多种，为传统的滋补佳肴，明代以后收入本草，具有补肾阴、生脉血、壮阳健体、延缓衰老的功效。现代药理证明，海参具有抗疲劳、抗凝血、抗肿瘤、调节免疫等诸多确凿功效。由于鲜活海参不易保存，大多被加工成淡干海参、盐渍海参、盐干海参、冻干海参、高压海参、即食海参、海参胶囊、液体海参等［1］。目前国内外市场海参制品以干海参为主，约有90%的海参被加工成干制品［2］。干海参要经过复水后才能烹饪食用。在复水过程中，随着水分向海参内部渗透，水的分布和状态变化对海参的物化特性的改变有重要作用。水分按与组织中底物的结合程度可分为三种类型:结合水、不易流动水、自由水［3］，结合水可以表示蛋白质分子表面的极性基团与水分子紧密结合的水分子层，不易流动水可能表示存在于肌纤丝、肌原纤维及膜之间的不易流动的水分子，自由水表示存在于细胞外的间隙中能自由流动的水［4］。低场核磁及成像技术，作为近年来兴起的研究方法，在直接测量水含量，间接测量冻结水比例、水分活度、玻璃化转变等很多重要物理指标和不同成分分布成像研究中显示出独特的优越性［5］。目前，核磁共振技术应用广泛，它被用于研究大米复水过程水分状态的变化，揭示了水分进入糯米中心所需复水时间及不同品种大米复水过程中水分状态呈现明显差异等［6］，李然等［7］应用低场核磁研究了绿豆复水过程，了解了绿豆吸水这一动态过程，观测到绿豆内部吸水状况，李伟妮等［8］利用核磁共振研究了冷藏山羊肉品质变化，很好地表征了冷藏山羊肉的不同水分含量及分布迁移情况，以用于快速评价山羊肉品质、预测山羊肉冷藏期等。目前人们对干海参复水的大量研究主要集中于其复水效果和营养成分的分析方面［2］，而关于水分分布和状态变化对海参物化特性影响的研究很少。本实验采用低场核磁及成像技术，对海参水分分布及状态变化进行研究，为海参加工过程中质构参数的变化提供理论依据。

表1 复水海参含水率(±S)Table 1Water content of rehydration sea cucumber(±S)

表1 复水海参含水率(±S)Table 1Water content of rehydration sea cucumber(±S)

P1 P2 P3 Z ZF1 ZF2含水率(%) 70.78±0.25 80.58±0.31 85.42±0.14 88.69±0.2编号1 92.73±0.28 95.66±0.28

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

硫酸铜及纯水配制浓度为0.2g/L的水溶液标样;獐子岛淡干海参复水参 在4℃蒸馏水中复水1d，编号为P1;复水2d，编号为P2;复水3d，编号P3;100℃高温蒸煮1h，编号Z;100℃高温蒸煮1h后复水1d，编号 ZF1;100℃ 高温蒸煮 1h后复水 2d，编号ZF2。

MiniMR 上海纽迈电子科技有限公司生产，共振频率 23.309MHz，磁体强度 0.55T，线圈直径为60mm，磁体温度为32℃ 。

1.2 实验方法

1.2.1 海参含水率测量方法 采用新的测定含水率的方法——LF－NMR的信号量定标直接测定海参含水率。核磁共振仪的信号来源主要是氢质子，氢质子越多，说明含水率越高;反之则越低。

使用含油含水率测试软件，测试参数如下:P90(us)=15，P180(us)=30.00，TD=67320，SW(kHz)=200，D3(us)=80，TR(ms)=500，RG1=20，RG2=3，NS=16，EchoTime(us)=100，EchoCount=2500。

1.2.2 自旋－自旋弛豫特性分析 将样品吸干表面的水，置于永久磁场中心位置的射频线圈的中心，利用 CPMG(Carr－Purcell－Meiboom－Gill)脉冲序列测定样品的自旋－自旋弛豫时间(T2)［9］。CPMG实验采用的参数:采样点数 TD=160160，P90(us)=15，P180(us)=30.00，SW(kHz)=200，D3(us)=70，TR(ms)=1000，RG1=20，RG2=3，NS=4，EchoTime(us)=200，EchoCount=2000，利用核磁共振弛豫时间反演拟合软件得到T2图像。

1.2.3 海参低场核磁成像(MRI)方法 采用SE成像序列实验［10］。通过改变序列参数TR和TE改变质子密度、T1和T2对图像的影响程度或者加权权重。本实验通过调整TR和TE来获得T1加权成像，实验参数设为:海参选层厚度为 4.9mm，MRI成像:GSliceZ=1，GPhaseY=1，GReadX=1，TR=500ms，TE=20ms，FOV Read=100mm，FOV Phase=100mm，累加8次，K空间大小200×128。

2 结果与讨论

2.1 海参含水率结果与分析

2.1.1 含水率标线 使用含油含水率专用测试软件对配制的6个含水率标注样品(含水率分别为100%、77.53%、57.85%、38.58%、19.26%、0%)进行含水率的定标，得到图1所示的含水率与信号量的标准相关曲线，相关系数为0.9989，图中横坐标为含水率，纵坐标为信号量。

图1 含水率标线Fig.1 Moisture content standard curve

2.1.2 复水海参的含水率 由表1可知，同一温度下，随着复水时间的延长，含水率不断增加。此外，含水率相对标准偏差小于0.5%，稳定性及重复性较好，复水海参均体形完整，弹性好。

2.2 海参复水过程中水分状态变化

不同复水时间的海参H质子的弛豫时间分布可以表明在海参胶原蛋白组织结构中存在多个水分群，复水过程是水分子与海参中的大分子物质(如:胶原蛋白)结合的过程，它伴随很多复杂的物理化学反应。不同复水时间的海参H质子用横向弛豫时间T2可以表明水分的自由度［11］。弛豫时间越短说明水分与底物结合越紧密，弛豫时间越长说明水分越自由。应用T2拟合软件分析可得，自由水、不易流动水和结合水值的大小以及它们所对应的质子密度。

2.2.1 不同复水处理的海参T2图谱 图2表明，相同温度下，海参随着复水时间(P1～P3及ZF1～ZF2)的延长，自由水含量不断增大，自由水的峰不断往右移，流动性增大。

图2 T2图谱Fig.2 T2mapping

2.2.2 不同复水处理的海参质子密度变化曲线 T21代表结合程度最强的那部分结合水的横向弛豫时间，T22代表结合相对较弱的不易流动水的横向弛豫时间，T23代表以游离状态存在的自由水的横向弛豫时间。

由图3分析各组分信号量A22、A23变化，表明海参在复水初期自由水变化较小，外界游离水进入海参内部大部分转化为细胞内水(不易流动水)，不易流动水含量增大;从图2中峰的右移及图4中T2总变化可以看出随着复水时间延长，海参内部结构不断膨胀，细胞内水分自由度不断增加，流动性增大，不易流动水逐渐向自由水迁移。

信号量A2i与样品中组分含量成正比，图3中，A23在P3处发生转折，急剧下降，这是海参复水3d后经过100℃高温处理后的信号量，自由水信号量减小，含量减少;不易流动水在海参复水1～2d时，含量略有上升，但变化不大，高温蒸煮后不易流动水减少，随着复水时间增加，含量一直处于较低含量水平，这些变化可能是因为高温处理后胶原纤维网络中胶原蛋白发生变性，紧密聚集，并且产生了剧烈收缩，胶原间的交联非常紧密，组织间隙变小［2］，所以自由水含量减少。

图3 复水海参水分信号量变化趋势图Fig.3 Moisture signal volume trend chart of rehydration sea cucumber

图4 复水海参的T2总变化趋势图Fig.4 Total transverse relaxation time trend chart of rehydration sea cucumber

2.2.3 不同复水处理的海参成像实验结果与分析 由于海参样品含水量很大，导致H质子信号很强，质子密度像中亮度较均一，无法区分不同相态的水分，所以不能采用常用的研究水分迁移的成像方法－质子密度图像，而采用T1加权像。图5中海参所成的T1加权像，由于在T1加权像中，长弛豫的信号受到抑制，所以弛豫时间越短，在图像中显示越亮［12］。从图像中可知，随着复水时间的延长，外界游离水不断进入海参内部，自由度不断增大，海参内部结构越暗。从T1加权图中，也可以看出短弛豫的结合水多处在海参的表皮及头部位置，海参体内多为长弛豫的自由水。

3 结论

图5 复水海参水分分布图Fig.5 Moisture distribution diagram of rehydration sea cucumber

运用低场核磁测海参含水率稳定性高，重复性好，且具有无损、快速的优点，可实时监测不同加工工艺过程的水分变化，所以核磁共振技术测水分变化具有一定的可行性。复水和高温蒸煮改变了海参组织中水分布和水的结合状态。低场核磁成像技术对复水过程中的海参进行成像，呈现了不同复水处理的海参组织中水分分布。海参在复水过程中自由水的组分比例和不易流动水的组分比例的变化有一定规律，在复水过程初期，自由水随复水时间增长，自由水含量增大，自由度增加，高温蒸煮处理后，自由水含量明显下降，但随着复水时间增加，含量不断增加;不易流动水随复水时间增加，含量增加，但高温蒸煮后不易流动水含量下降，随复水时间增长，含量几乎不再增加，一直处于较低水平。

低场核磁技术可以广泛应用于无损快速监测海参复水过程中的水分分布及变化，获得更详尽的水分信息，为海参的精、深加工提供理论基础。

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