低場核磁共振及成像技術對海參復水過程水分狀態變化的研究

張文杰，薛長湖，叢海花，賈 敏，王兆琦

(中國海洋大學食品科學與工程學院，山東青島266003)

海參(Acaudina molpadioidea)為棘皮動物門(Echinodermata)海參綱(Hothuridea)循手目(Aspidochirota)的軟體動物，全世界約有1000多種，我國海域有100多種，為傳統的滋補佳肴，明代以后收入本草，具有補腎陰、生脈血、壯陽健體、延緩衰老的功效。現代藥理證明，海參具有抗疲勞、抗凝血、抗腫瘤、調節免疫等諸多確鑿功效。由于鮮活海參不易保存，大多被加工成淡干海參、鹽漬海參、鹽干海參、凍干海參、高壓海參、即食海參、海參膠囊、液體海參等［1］。目前國內外市場海參制品以干海參為主，約有90%的海參被加工成干制品［2］。干海參要經過復水后才能烹飪食用。在復水過程中，隨著水分向海參內部滲透，水的分布和狀態變化對海參的物化特性的改變有重要作用。水分按與組織中底物的結合程度可分為三種類型:結合水、不易流動水、自由水［3］，結合水可以表示蛋白質分子表面的極性基團與水分子緊密結合的水分子層，不易流動水可能表示存在于肌纖絲、肌原纖維及膜之間的不易流動的水分子，自由水表示存在于細胞外的間隙中能自由流動的水［4］。低場核磁及成像技術，作為近年來興起的研究方法，在直接測量水含量，間接測量凍結水比例、水分活度、玻璃化轉變等很多重要物理指標和不同成分分布成像研究中顯示出獨特的優越性［5］。目前，核磁共振技術應用廣泛，它被用于研究大米復水過程水分狀態的變化，揭示了水分進入糯米中心所需復水時間及不同品種大米復水過程中水分狀態呈現明顯差異等［6］，李然等［7］應用低場核磁研究了綠豆復水過程，了解了綠豆吸水這一動態過程，觀測到綠豆內部吸水狀況，李偉妮等［8］利用核磁共振研究了冷藏山羊肉品質變化，很好地表征了冷藏山羊肉的不同水分含量及分布遷移情況，以用于快速評價山羊肉品質、預測山羊肉冷藏期等。目前人們對干海參復水的大量研究主要集中于其復水效果和營養成分的分析方面［2］，而關于水分分布和狀態變化對海參物化特性影響的研究很少。本實驗采用低場核磁及成像技術，對海參水分分布及狀態變化進行研究，為海參加工過程中質構參數的變化提供理論依據。

表1 復水海參含水率(±S)Table 1Water content of rehydration sea cucumber(±S)

表1 復水海參含水率(±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編號1 92.73±0.28 95.66±0.28

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

硫酸銅及純水配制濃度為0.2g/L的水溶液標樣;獐子島淡干海參復水參 在4℃蒸餾水中復水1d，編號為P1;復水2d，編號為P2;復水3d，編號P3;100℃高溫蒸煮1h，編號Z;100℃高溫蒸煮1h后復水1d，編號 ZF1;100℃ 高溫蒸煮 1h后復水 2d，編號ZF2。

MiniMR 上海紐邁電子科技有限公司生產，共振頻率 23.309MHz，磁體強度 0.55T，線圈直徑為60mm，磁體溫度為32℃ 。

1.2 實驗方法

1.2.1 海參含水率測量方法 采用新的測定含水率的方法——LF－NMR的信號量定標直接測定海參含水率。核磁共振儀的信號來源主要是氫質子，氫質子越多，說明含水率越高;反之則越低。

使用含油含水率測試軟件，測試參數如下: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 將樣品吸干表面的水，置于永久磁場中心位置的射頻線圈的中心，利用 CPMG(Carr－Purcell－Meiboom－Gill)脈沖序列測定樣品的自旋－自旋弛豫時間(T2)［9］。CPMG實驗采用的參數:采樣點數 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，利用核磁共振弛豫時間反演擬合軟件得到T2圖像。

1.2.3 海參低場核磁成像(MRI)方法 采用SE成像序列實驗［10］。通過改變序列參數TR和TE改變質子密度、T1和T2對圖像的影響程度或者加權權重。本實驗通過調整TR和TE來獲得T1加權成像，實驗參數設為:海參選層厚度為 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空間大小200×128。

2 結果與討論

2.1 海參含水率結果與分析

2.1.1 含水率標線 使用含油含水率專用測試軟件對配制的6個含水率標注樣品(含水率分別為100%、77.53%、57.85%、38.58%、19.26%、0%)進行含水率的定標，得到圖1所示的含水率與信號量的標準相關曲線，相關系數為0.9989，圖中橫坐標為含水率，縱坐標為信號量。

圖1 含水率標線Fig.1 Moisture content standard curve

2.1.2 復水海參的含水率 由表1可知，同一溫度下，隨著復水時間的延長，含水率不斷增加。此外，含水率相對標準偏差小于0.5%，穩定性及重復性較好，復水海參均體形完整，彈性好。

2.2 海參復水過程中水分狀態變化

不同復水時間的海參H質子的弛豫時間分布可以表明在海參膠原蛋白組織結構中存在多個水分群，復水過程是水分子與海參中的大分子物質(如:膠原蛋白)結合的過程，它伴隨很多復雜的物理化學反應。不同復水時間的海參H質子用橫向弛豫時間T2可以表明水分的自由度［11］。弛豫時間越短說明水分與底物結合越緊密，弛豫時間越長說明水分越自由。應用T2擬合軟件分析可得，自由水、不易流動水和結合水值的大小以及它們所對應的質子密度。

2.2.1 不同復水處理的海參T2圖譜 圖2表明，相同溫度下，海參隨著復水時間(P1～P3及ZF1～ZF2)的延長，自由水含量不斷增大，自由水的峰不斷往右移，流動性增大。

圖2 T2圖譜Fig.2 T2mapping

2.2.2 不同復水處理的海參質子密度變化曲線 T21代表結合程度最強的那部分結合水的橫向弛豫時間，T22代表結合相對較弱的不易流動水的橫向弛豫時間，T23代表以游離狀態存在的自由水的橫向弛豫時間。

由圖3分析各組分信號量A22、A23變化，表明海參在復水初期自由水變化較小，外界游離水進入海參內部大部分轉化為細胞內水(不易流動水)，不易流動水含量增大;從圖2中峰的右移及圖4中T2總變化可以看出隨著復水時間延長，海參內部結構不斷膨脹，細胞內水分自由度不斷增加，流動性增大，不易流動水逐漸向自由水遷移。

信號量A2i與樣品中組分含量成正比，圖3中，A23在P3處發生轉折，急劇下降，這是海參復水3d后經過100℃高溫處理后的信號量，自由水信號量減小，含量減少;不易流動水在海參復水1～2d時，含量略有上升，但變化不大，高溫蒸煮后不易流動水減少，隨著復水時間增加，含量一直處于較低含量水平，這些變化可能是因為高溫處理后膠原纖維網絡中膠原蛋白發生變性，緊密聚集，并且產生了劇烈收縮，膠原間的交聯非常緊密，組織間隙變小［2］，所以自由水含量減少。

圖3 復水海參水分信號量變化趨勢圖Fig.3 Moisture signal volume trend chart of rehydration sea cucumber

圖4 復水海參的T2總變化趨勢圖Fig.4 Total transverse relaxation time trend chart of rehydration sea cucumber

2.2.3 不同復水處理的海參成像實驗結果與分析 由于海參樣品含水量很大，導致H質子信號很強，質子密度像中亮度較均一，無法區分不同相態的水分，所以不能采用常用的研究水分遷移的成像方法－質子密度圖像，而采用T1加權像。圖5中海參所成的T1加權像，由于在T1加權像中，長弛豫的信號受到抑制，所以弛豫時間越短，在圖像中顯示越亮［12］。從圖像中可知，隨著復水時間的延長，外界游離水不斷進入海參內部，自由度不斷增大，海參內部結構越暗。從T1加權圖中，也可以看出短弛豫的結合水多處在海參的表皮及頭部位置，海參體內多為長弛豫的自由水。

3 結論

圖5 復水海參水分分布圖Fig.5 Moisture distribution diagram of rehydration sea cucumber

運用低場核磁測海參含水率穩定性高，重復性好，且具有無損、快速的優點，可實時監測不同加工工藝過程的水分變化，所以核磁共振技術測水分變化具有一定的可行性。復水和高溫蒸煮改變了海參組織中水分布和水的結合狀態。低場核磁成像技術對復水過程中的海參進行成像，呈現了不同復水處理的海參組織中水分分布。海參在復水過程中自由水的組分比例和不易流動水的組分比例的變化有一定規律，在復水過程初期，自由水隨復水時間增長，自由水含量增大，自由度增加，高溫蒸煮處理后，自由水含量明顯下降，但隨著復水時間增加，含量不斷增加;不易流動水隨復水時間增加，含量增加，但高溫蒸煮后不易流動水含量下降，隨復水時間增長，含量幾乎不再增加，一直處于較低水平。

低場核磁技術可以廣泛應用于無損快速監測海參復水過程中的水分分布及變化，獲得更詳盡的水分信息，為海參的精、深加工提供理論基礎。

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