基于低场核磁的黑木耳干燥失水规律研究

2022-06-17李伟荣路新彦杨动听任爱清

农产品加工 2022年9期

李伟荣，路新彦，黄莎，杨动听，任爱清

（1.丽水市农林科学研究院，浙江丽水 323000；2.贺州学院食品与生物工程学院，广西贺州 542899）

0 引言

黑木耳（Auricularia auricular）是世界上四大栽培食用菌之一，富含铁、钙、钾等矿物质，热量低，膳食纤维含量高，必需氨基酸含量亦非常丰富[1-2]，在我国有长期广泛的食用习惯。黑木耳采收后一般通过自然晾晒干制，但不同于北方木耳产出季干燥的易干环境，南方木耳的产出时值冬春季，此时常有连续降雨，气候温热潮湿，如遇此天气，自然晾晒难度大，木耳容易出现发霉、自溶等现象，耳农收益受损，因此在南方，对人工干燥技术需求强烈。李文丽等人[3]对黑木耳进行变温调湿干燥试验，获得在外形、多糖含量和干湿比上更接近自然晾晒品质的产品。卢营蓬等人[4]对黄背木耳进行变温热风干燥工艺比较，以达到降低能耗的目的，以上研究均表明了热力干燥木耳的可行性，但使用低场核磁研究木耳的干燥特性未见报道。以南方木耳为试验对象，观察木耳在差异较大的高低温热风及日晒环境中的干燥过程，采用低场核磁共振（LF-NMR）和成像技术（MRI）探索黑木耳在热力干燥过程中水分变化规律。

1 材料与方法

1.1 试验材料

浙江省丽水龙泉八都黑木耳栽培基地，1 月份采摘，平均含水率（湿基）为89%±3%。

1.2 设备与仪器

DR101.2AA 型鼓风干燥箱，常州丹瑞实验仪器设备有限公司产品；MA150 型高精度快速水分测定仪，赛多利斯产品；JA31002 型电子天平，上海光学仪器一厂产品；NMI20-060H-I 型核磁共振分析仪，苏州纽迈分析仪器股份有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 样品处理

选择5～7 cm 大小匀整、单碗状、无破损的耳片进行试验。

1.3.2 试验方法

（1）试验步骤。精确称取1.3.1 样品处理好的木耳样品1 500.00 g，摊平，尽量不重叠，烘箱温度分别于40，60 ℃下进行干燥，同批次木耳以同样摊晾方式放至室外晴天晾晒（当天气温23 ℃，湿度50%RH）。干燥前先测得黑木耳的初始湿基含水量，试验过程中每隔1 h 测量样品质量，直至湿基含水率≤10.0%为止，测定终点木耳片的湿基含水率。试验平行3 组重复，取其平均值，确保试验的准确率和严谨性。

取以上试验步骤同步进行中的固定耳片，每隔1 h 用低场核磁测定水分分布和成像处理。

核磁共振分析仪设置：共振频率21 MHz，磁体强度0.5 T，线圈直径40 mm，磁体温度32±0.01 ℃。CPMG 序列：射频频率的主值SF=21 MHz，射频频率的偏移量O1=245 869.1 Hz，硬脉冲90 度脉宽P1=10.52 μs，硬脉冲180 度脉宽P2=20 μs，接收机宽带SW=200 kHz，重复采样间隔时间TW=2 000 ms，射频延时RFD=0.08 ms，模拟增益RG1=20 dB，数字增益DRG1=1，前置放大增益PRG=1，累加采样次数NS=8，回波时间TE=0.3 ms，回波个数NECH=15 000。

成像由相隔15 min 使用核磁成像分析软件中的多层自旋回波（SE）序列进行。SE 序列：SF=21 MHz，O1=245 869.1 Hz，GxOffset=100，GyOfftset=20，GzOfftset=40，TR=1 000 ms，TE=5.89 ms，RG1=20 dB，DRG1=5，PRG=1，NS=4，Slice Width=60 mm，Slice Size=1，FOVRead=100 mm，FOVPhase=100 mm。

（2）指标测定。湿基含水量采用MX150 水分测定仪进行测定，记录为湿基含水量Wt。

黑木耳干基含水量Wt 的计算见公式（1）[5]：

黑木耳干燥速率的计算见公式（2）[6]：

式中：DR——干燥速率，gH2O/g·h；

dt——2 次相邻时间之差，h；

（3）数据处理。试验数据采用Excel 处理，用Origin 2018 软件对图形绘制进行平滑、去基线等处理。

2 结果与分析

2.1 干燥过程水分变化

不同温度下黑木耳热泵干燥曲线见图1。

图1 不同温度下黑木耳热泵干燥曲线

由图1 可知，3 种干燥方式中干基含水量随着黑木耳的干燥时间减少，60 ℃环境中干基含水量干燥曲线变化呈现陡峭趋势，黑木耳含水量下降得更快，可见温度升高让黑木耳的表面水分和内部传热过程加快[4]。因此，在同样摊料密度的情况下，在不影响最终木耳耳片外观的前提下，适当增加干燥温度可以有效降低干燥时间。在试验中，利用40 ℃的热风干燥的干燥曲线更为平坦，干燥更温和，所需的干燥时间较日晒更长，分析其原因主要为日晒当天天气晴好、空气湿度低、风速较大、排湿效果极好，而烘箱内湿度排出缓慢，温湿度记录仪显示箱里前4 h 的湿度均大于70%RH。

2.2 干燥过程干燥速率变化

试验中，当木耳在40，60 ℃的烘箱烘干及日晒至湿基含水约10%的状态，平均干燥速率分别为0.914，1.489，1.156 gH2O/g·h。

不同温度下黑木耳热泵干燥速率曲线见图2。

图2 不同温度下黑木耳热泵干燥速率曲线

由图2 可知，试验中黑木耳干燥过程以降速阶段为主，结合后期试验，在缩短测量时间增加称重频率时结果较为明显，显示主要有加速期和降速期2 个阶段，与刘清斌等人[7]的研究结果相似，与其他菌类相比，黑木耳没有明显的恒速期，考虑原因为黑木耳内部存在系水性强的胶质类物质[8]，导致其黑木耳表面的水分汽化速率高于内部水分向外扩散的速度。温度变高或表面的湿度降低有益于增加水分传递的速率。

2.3 干燥横向弛豫时间T2 图谱

黑木耳不同干燥环境中T2反演图谱随干燥时间的变化见图3。

图3 黑木耳不同干燥环境中T2 反演图谱随干燥时间的变化

利用低场核磁共振技术可获取复水黑木耳的T2反演图谱，当中的弛豫时间反映了水分状态，峰面积显示了不同温度下水分的含量[9]。黑木耳在干燥过程中，通过图3 反演图谱可知，主要存在2～3 个波峰，每一个波峰对应着一种水分状态，每一个状态的水与物料紧密结合的程度是不一样，横向驰豫时间T2越短，说明与物料结合越紧密，即T21（0.2～5.0 ms）代表结合水，T22（5～75 ms）代表被一定束缚力约束的不易流动水，T23（75～305 ms）表示流动性较强的自由水，与此相呼应的是黑木耳中的胶体结合水在干燥过程中较难去除，反之越容易[10]。

由图3 可知，反演图谱显示出所有的峰都是逐渐向左移动，随着温度的升高，峰面积逐渐减小，失水量增加，对应的干燥时间缩短。由此可见，木耳中水的分布是一个动态过程，黑木耳没有恒速阶段，并且干燥初期自由水脱除快，后面逐渐降速，结合水存在较为稳定，结果与前面木耳的干燥速率变化相印证。3 种状态的水分会形成相互渗透的局面，所以在反演图谱中会出现2 个峰和3 个峰交相存在[11]。

3 种状态水在物料干燥过程中的变化规律见图4。

图4 3 种状态水在物料干燥过程中的变化规律

以40 ℃烘干过程为例，图4 显示了3 种状态的水分在干燥过程中的变化规律。随着物料脱水进程，整体水分含量下降，其中自由水下降速度远大于束缚水与结合水，即在脱水过程中，主要脱水以自由水为主，束缚水其次，结合水的绝对质量基本保持稳定，其间甚至有少量增加，此现象即反演图谱中几个波交相存在的体现。计算3 种状态的水实时占总水量的百分比可以明显看出，最大的自由水随着水分的减少，占比逐步减少，而结合水和束缚水占比缓慢增加，结合水只有物料含水量低于50%后有所减少，干品中结合水的含量远高于其他2 种形态的水。

2.4 干燥过程的T1 加权成像图

黑木耳不同温度干燥过程的T1加权成像图见图5。

由图5 可知，白亮色代表物料内部水分较多，黑色为背景色。通过成像图可直观地知道物料在干燥过程中不同时间段水分子的空间分布情况。对比3 种干燥过程下的成像图变化发现，黑木耳内部水分随着温度愈高，失水程度愈大，H 质子消失速度越快，流失水分的速率就越快，图像中物料亮度下降得越快，变为背景色的时间越短[12]。当烘干温度为40 ℃时，H 质子消失速率较慢，较之60 ℃时消失得更快，说明温度对于黑木耳内部水分迁移起作用。同时发现，随着干燥时间增加，黑木耳的水分都是从外向木耳根蒂方向失水，黑木耳边缘位置最先失水，干燥最快，一般来说，木耳耳片的厚度是边缘薄耳蒂厚，耳片表面为革质，中间为胶质物质，耳蒂厚含大量胶质物，内部水分脱除较困难。通过看加权成像图变为背景色，可判断干燥接近后期完成阶段。对比3 个系列的加权成像图，验证了前述物料干基含水量随时间减少的结论，结合产品外观，也可见水分子外迁产生的应力效应使菌体组织结构从外到内不断进行卷曲收缩[13]。