基于LF-NMR 及其成像技术探究冬枣贮藏过程中的水分变化

黄国中，王 琴,2,*，刘东杰,2,*

（1.仲恺农业工程学院轻工食品学院，广东广州 510225；2.仲恺广梅研究院，广东梅州 514000）

冬枣是鼠李科枣属植物，外观呈现出青绿色和暗红色，成熟季节大约在冬季，因此称之为冬枣[1]。冬枣含有丰富的糖类、脂肪、蛋白质和无机盐等人体必需的营养素[2]，除此之外，它还富含维生素群以及钙铁磷等微量元素，实为养生水果之佳品。然而冬枣采摘后容易失水，使得果实表皮皱缩，品质也随之下降[3]。

低场核磁及其成像技术是一种无损检测方法[4]，它是基于质子的自旋运动，在磁场的作用下，射频脉冲对样品质子进行激发从而产生共振信号，可对样品的水分存在状态、变化及其分布进行连续性的测量和分析[5]，结果具有可靠性；Lv 等[6]利用低场核磁设备实时监测蔬菜干燥过程中的水分含量变化，从而达到更加准确地把握干燥效率的目的。低场核磁设备不仅可以作为蔬菜干制过程的监测手段，还可以应用于各种果蔬的贮藏保鲜实验中，探究其贮藏期间的水分迁移规律[7]，从基础层面探究水分迁移与品质变化之间的联系。朱丹实等[8]借助低场核磁技术，获得了秋红李子在贮藏过程中的水分变化规律，发现它与果实的组织结构变化存在一定程度上的相关性。目前低场核磁技术已大量应用于食品中的水分[9]和油脂[10]分析，可以更加清晰直观地看出食品中的水分以及油脂的分布情况和含量，将低场核磁技术与食品品质指标变化相结合，或许可以用水分的迁移规律表征品质的变化情况，这在食品品质实时监测中将具有重大意义。

本研究利用低场核磁及其成像技术，探究冬枣在低温贮藏期间的水分迁移规律[11]，同时对相关品质指标进行监测，结合相关数据分析水分变化与品质变化是否存在一定的联系，以期为冬枣的保鲜手段[12]研发提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

冬枣 购于广州市荔塱农副产品综合批发市场，挑选形状大小均一、无机械性损伤、表皮红斑覆盖率在5%以下的新鲜冬枣备用；氢氧化钠、氯化钡、草酸、酚酞等试剂 均为分析纯，天津市福晨化学试剂厂。

MesoMR23-040H-I 核磁共振成像分析仪 苏州纽迈分析仪器股份有限公司；质构仪(TA.XTPlus)英国Stable Micro System 公司；ZD-2 型酸碱滴定仪 上海仪电科技股份有限公司；CR-10 plus 色差仪东莞市航程电子科技有限公司。

1.2 实验方法

温度稳定在（32±0.1）℃，将标准水样放入直径60 mm的磁体线圈中进行单次采样，仪器将自动调整好中心频率和射频频率。把冬枣样品放入磁场中心位置，采用CPMG 序列采集样品的信号，经调试之后确定具体参数设置如下：

射频 (MHz)=21； 频率偏移 (Hz)=26452.83；90°脉宽(μs) =8.00；180°脉宽(μs)=20.00；采样频率(kHz)=200；射频延时(ms)=0.02；采样点数=40028；等待时间(ms)=8000；时延(ms)=0.45；回波个数=18000；前置放大增益=1；模拟增益=3；重复采样次数=4。每个处理重复测定3 次。选择迭代次数十万次进行数据反演。

1.2.3 冬枣的MRI 成像 分别于第1、16、32 和60 d从冷藏库取同样的10 颗冬枣进行核磁成像实验。

参数设置：Z 方向线圈梯度值=5，Y 方向线圈梯度值=1，X 方向线圈梯度值=1，重复等待时间=1000 ms，回波时间=19 ms，频率编码视野大小=80 mm，相位编码视野大小=80 mm，累加4 次，K 空间大小256×196；层厚为2 mm。

1.2.4 冬枣外观色泽的观察 每隔5 d 取样，直至果实表面完全变红为止。随机取出3 颗冬枣，擦干表面水分，拍照记录。使用色差仪[13]测量冬枣三处不同的表面，记录L*和a*值。重复测定三次，结果取平均值。

1.2.5 失重率的测定 每隔5 d 单独取出10 颗冬枣，称量并记录样品初始重量，往后每次取样时，计算两者的质量差值与初始样品质量的比值即为冬枣样品在这段时间内的失重率[14]。计算公式：

1.2.6 硬度值测定 每隔5 d 随机取出10 颗冬枣，使用TA.XTPlus 型质构仪测定[15]，探头直径为3.0 mm，测定深度为4.0 mm，测定速度为1.0 mm/s，每个样品测定三个点，结果取平均值。

1.2.7 呼吸强度测定 采用静置法[16]测定冬枣的呼吸强度。将10 mL 0.2 mol/L NaOH 标准溶液置于玻璃干燥皿的底部，再每隔5 d 放入单独取样的10 颗待测样品冬枣，密封，在4 ℃下静置1 h 后取出，加入过饱和的BaCl2和两滴酚酞试剂后，用0.05 mol/L草酸标准溶液滴定，记录草酸的用量，同时用同种方式做空白对照。计算公式：

1.2.1 样品贮藏方式 10 斤新鲜冬枣于4 ℃、湿度90%的冷藏库中储存待测。

1.2.2 水分横向弛豫时间（T2）的测定 每12 d 从冷藏库中取同样的10 颗冬枣进行水分横向弛豫时间的测定。启动低场核磁共振成像分析仪，待磁场中心

式中，c 为草酸浓度（mol/L）；V1为空白组草酸用量（mL）；V2为实验组草酸用量（mL）；w 为冬枣样品质量（kg）；t 为放置时间（h）。

1.3 数据处理

使用Origin 2018 和Excel 2013 进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 冬枣低温贮藏过程中水分的存在状态及迁移规律

2.1.1 冬枣低温贮藏过程中的弛豫时间变化 由图1可见，样品的T2图谱中包含多个峰[17]，即说明冬枣内部含有多组水分[18]，其中顶点时间在0.1～10 ms 区间内的峰代表结合水，这种水分主要存在于冬枣内部组织结构（液泡）当中，与细胞结合十分紧密，外加磁场难以对其进行激发，因此横向弛豫时间非常短暂，在贮藏的第1 d，其峰顶点时间为4.6 ms；10～100 ms内为不易流动水，该水分主要为细胞间质水，与冬枣内部组织的结合程度不如结合水那么紧密，其贮藏第1 d 的峰顶点时间是57.2 ms；而100～1000 ms 范围内是自由水，大多是细胞外的游离水，相对于前两种水分，自由水较容易受到激发而产生共振信号，它的横向弛豫时间也是最长的[19]，首日峰顶点时间达到1072.2 ms。当冬枣样品贮藏到60 d，自由水的信号幅度值为147，相较于贮藏第1 d 的信号幅度值158 明显下降，而不易流动水和结合水的信号强度上升，这是由于随着贮藏时间的推移，冬枣会发生干耗和腐败变质，表皮皱缩，结构疏松，果实外层的一部分水挣脱束缚散发到外界环境中，而另一部分水则逐步向内层渗透迁移，即自由水逐步转化为不易流动水且发生一定量的损失的过程[20]。

图1 冬枣横向弛豫时间（T2）反演图Fig.1 Inversion diagram of relaxation time(T2) of winter jujube

2.1.2 冬枣低温贮藏过程中三种水分的峰面积变化经T2反演图得知冬枣内部含有结合水、不易流动水和自由水三种水分，它们会随着贮藏天数的增加而不断地发生转化和损失，经质子归一化处理后，峰面积的变化即代表水分含量的变化[21]。由图2 可知，在贮藏初期，冬枣新鲜程度最高，果实内部的结合水与自由水含量高，峰面积值分别达到23.22 和765.927，而不易流动水含量较低，面积值为7.152。待储藏接近一个月时，冬枣发生了一定程度上的腐败变质，自由水含量因转化和损失[22]而呈现出波动趋势；储存两个月后，果实的腐败程度越来越高，持水能力严重下降，自由水含量下降了3.2%，是三种水分中下降幅度最大的；结合水与不易流动水则是虽有一定程度上的波动，但总体变化甚微，推测其原因是这两种水分存在于冬枣果核附近，与果实组织结合紧密，受到较强的束缚力，不容易流失到果实外部。

图2 三种水分的峰面积变化Fig.2 Peak area variation of three kinds of water

2.1.3 冬枣低温贮藏的MRI 成像 对冬枣样品进行核磁成像[23]，由图3 可见，在贮藏初期，图像较为光亮[24]，果实边缘形状圆润，说明水分含量充足且分布均匀；而随着储藏时间的延长，冬枣MRI 成像越发暗淡[25]，与此同时果实图像出现斑点，是发生霉变的迹象[26]；同时冬枣果实边缘呈现出锯齿状，这主要是由于果实逐渐发生腐败变质，内部水分大量流失，水分分布的均匀性下降。

图3 冬枣MRI 成像Fig.3 MRI of winter jujube

2.2 冬枣外观的变化

新鲜冬枣从外观上看，果实圆滑完整，表皮整体呈现出青绿色；随着贮藏时间的推移，冬枣果皮会出现一个逐渐变红[27]的过程，这是由于冬枣的成熟度越来越高，内部的一系列酶促反应[28]使得冬枣表皮从一开始的零星红点到出现大面积红斑，最后整个果实表皮都呈现出暗红色；贮藏60 d 的冬枣样品表面干瘪、皱缩，甚至出现龟裂以及发霉的情况，明显是流失了大量的水分，而这些都在MRI 图像上有所反映（图4）。

图4 冬枣外观变化Fig.4 Appearance changes of winter jujube

2.3 冬枣低温贮藏过程中的品质变化

通过观察冬枣样品的色泽、硬度、失重率以及呼吸强度的变化，从理化层面进一步体现冬枣低温贮藏期间水分的变化规律对其品质造成的影响。

2.3.1 色差值 色差仪中L*值代表明暗度（黑白），a*值代表红绿色，b*值代表黄蓝色。由于冬枣主要发生红绿色的颜色变化，因此在该实验中应注重观察L*与a*的变化；经过数据的采集记录，发现贮存从第1 d 到第45 d，L*值从71.26 不断下降到42.28，而a*值从−7.49 上升到21.49，说明冬枣果皮从明亮的青绿色逐渐转变为暗红色，果实越发的成熟，表皮红斑随着贮藏天数的增加而增加；这是由于冬枣果实内部的一系列酶促反应，使得花青素等色素指标发生变化，而水分变化又与生理反应息息相关[29]，上文提到，冬枣在储藏过程中，三种水分不断地转化和流失，这可能在一定程度上影响着果实内部的生理反应[30]（图5）。

图5 冬枣的色差值变化Fig.5 Variation of color difference value of winter jujube

2.3.2 失重率 与大部分其他水果情况相似，水分在冬枣果实重量中的占比最高，因冬枣内部的水分会随着储藏时间的延长而大量地流失，且果实附着的酵母或其他微生物也会逐步消耗掉糖和无机盐等营养物质，致使冬枣果实慢慢腐化，所以重量会逐渐减小，失重率从第1 d 的0.28%上升到第40 d 的2.23%（图6）。

图6 冬枣的失重率变化Fig.6 Variation of weight loss rate of winter jujube

2.3.3 硬度 随着贮藏时间的推移，冬枣果实逐渐发生腐败，内部组织结果由一开始的紧密（硬度值13.78 N）变得疏松软化（硬度值8.26 N），这也导致了持水能力的下降，其自由水出现大量地散失，难以维持果实坚挺饱满的形态，最终体现为硬度值的逐渐下降（图7）。

图7 冬枣的硬度变化Fig.7 Hardness changes of winter jujube

2.3.4 呼吸强度 由图8 可知，在贮藏到40 d 时，冬枣呼吸强度出现一个顶峰，具体数值达到0.07，由此推断冬枣属于呼吸跃变型果实[31]。呼吸作用越旺盛，冬枣内部的营养物质消耗得就越多，经历过呼吸强度顶峰后，冬枣的品质逐步下降，最终其呼吸强度稳定在0.02 mg/kg·h 上下，与此同时，果实在逐渐腐败的过程中通常也伴随着水分的大量流失。

图8 冬枣的呼吸强度变化Fig.8 Respiratory intensity changes of winter jujube

3 结论

冬枣果实内部存在着结合水、不易流动水和自由水三种水分，它们的弛豫时间大致分布在0.1～10、10～100、100～1000 ms 这三个区间内，其中自由水的信号强度最大，结合水次之，而不易流动水的信号值最小；随着贮藏天数的增加，三种水分的信号强度以及弛豫时间都发生一定程度的变化，当冬枣储存到60 d，自由水信号大幅降低。与此同时，冬枣表皮由青绿色逐渐转变成暗红色，L*值从71.26 不断下降到42.28，而a*值从−7.49 上升到21.49；失重率和硬度值在贮藏后期分别为2.23%和8.26 N。再者，冬枣属于呼吸跃变型果实，其呼吸强度于40 d 时达到顶峰（0.07 mg/kg·h）。由实验结果可知，冬枣在储藏过程中，随着果实内部水分的流失和迁移，冬枣品质指标也逐渐下降，最终导致发生腐败变质，这在一定程度上说明了水分迁移规律是果蔬品质变化的关键点；在果蔬保鲜研究中，可以利用低场核磁技术实时监测果蔬的水分情况，找到其变化的关键节点，从而判断其品质的优劣，也有利于保鲜手段的研发。