利用低場核磁共振技術研究山楂酒發酵過程中水分的變化規律

張文葉，張　磊，吳慶偉，吳　剛（鄭州輕工業學院 食品與生物工程學院，河南 鄭州 450001）

利用低場核磁共振技術研究山楂酒發酵過程中水分的變化規律

張文葉，張磊，吳慶偉，吳剛
（鄭州輕工業學院 食品與生物工程學院，河南 鄭州 450001）

運用低場核磁共振（LF-NMR）技術研究山楂酒發酵過程中水分的變化規律，選用弛豫時間編輯（CPMG）脈沖序列測定樣品在不同發酵時間的橫向弛豫時間T2，并通過T2反演數據的擬合結果得出自由水和結合水的變化趨勢。結果表明，在發酵0～12 d時，樣品中半結合水百分含量逐漸降低為0，自由水百分含量增加2.47%，結合水百分含量不變；發酵12 d后，自由水百分含量開始緩慢降低，結合水百分含量逐漸增加；發酵結束后，結合水百分含量增加了17.59%，半結合水降低為0，自由水百分含量增加了2.31%。

低場核磁；山楂酒；結合水；自由水

山楂為可食用薔薇科植物，又名山里紅、仙果，其質硬，果肉薄，味微酸澀，是我國特有的栽培果樹［1］。山楂酒酒質溫和爽口，果香味濃，基本保持了山楂鮮果中的天然營養成分。山楂果中水分含量較少，需要加水浸提成山楂汁后發酵，獲得成品山楂酒。目前，國內外有關果酒中水分狀態的文獻報道較少，只有關于不同地區水分對葡萄酒感官品質的研究，如DAVID L等［2］和MATTHIEU M等［3］研究了不同地區水分狀態對葡萄酒的感官特征具有不同影響，HAKIMI R等［4］也研究證明了安大略湖葡萄酒品質的不同歸因于地區水分狀態。低場核磁共振（1ow-fie1d nuc1ear magnetic resonance，NMR）是一種快速有效的研究分子擴散的方法，也是一種有效的無損、無侵入測量技術，從微觀的角度解釋樣品中水分的變化規律［5-6］，是當前食品研究熱點。特別是利用H1-核磁共振可以有效的測量食品中水分、油脂、酒精等組分的技術優勢［7-9］，目前，利用低場核磁研究最多的是水分狀態的變化，如蘋果干燥過程中水分變化［10］；面包貯藏過程中水分的遷移［11］；鮮乳變質過程中水分的變化規律［12］等，而對于果酒方面的研究較少，有李彥等［13］研究的葡萄酒的低場核磁共振弛豫譜。

山楂鮮果的保藏期較短，必須在有限時間內進行深加工；山楂酒是鮮果深加工主要途徑之一，已成為一些地區特色果酒。但是，目前大家關于山楂酒的研究熱點都集中在釀造工藝中的浸提溫度、料水比、酵母菌種的選擇等方面；果酒中含有約85%的水分，卻極少有關于酒中水分的變化規律的研究。本研究以山楂酒為對象，利用低場核磁共振技術，采用弛豫時間編輯（Carr-Purce11-Meiboom-Gi11，CPMG）脈沖序列測定樣品在不同發酵時間的橫向弛豫時間T2，并通過T2反演數據的擬合結果，初步分析在發酵過程中結合水、半結合水及自由水之間的變化規律，不僅為今后山楂酒的工藝條件控制提供指導，同時也為山楂酒品質的提高提供科學依據。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

實驗所用山楂購買于河南輝縣（2014）；果膠酶（30萬U/g）：德國Ruibio公司；葡萄酒高活性干酵母（BV 818）：安琪酵母股份有限公司；葡萄糖（分析純）：天津市德恩化學試劑有限公司；其他試劑均為國產分析純。

1.2儀器與設備

ME204E電子天平：梅特勒-托利多儀器有限公司；PE20pH計：梅特勒-托利多儀器有限公司；PAL-1手持式折光計：日本愛拓公司；MicroMR-18核磁共振成像儀：上海紐邁科技有限公司。

1.3實驗方法

1.3.1山楂酒發酵工藝流程

操作要點：山楂∶水=1∶3（g∶mL），然后100℃下微沸15 min，自然冷卻2 h，過濾，調整糖度至170 g/L，然后添加0.1g/L果膠酶在45℃條件下處理2h，加入40mg/LSO2，接種活化后的干酵母發酵，接種量1.43g/L，發酵溫度22～23℃。平行做3次重復實驗。

1.3.2主要成分檢測

總糖、還原糖（以葡萄糖計）、總酸（以酒石酸計）及酒精度測定參考按照GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》；pH：pH計測定；可溶性固形物：手持式折光計測定。

1.3.3橫向弛豫時間T2測定

每次測定樣品用量為3 mL，平行測定3次。然后用核磁共振成像儀分析軟件中的弛豫時間編輯（CPMG）脈沖序列測樣品中的橫向弛豫時間T2，將樣品放入永磁場中心位置的射頻線圈的中心進行橫向弛豫時間T2采集。將數據文件導入核磁共振T2反演軟件進行反演得T2反演譜。磁場強度0.5 T（T是磁感應強度單位），樣品室溫度（32±0.01）℃。實驗參數設置：采樣頻率50 kHz，主頻SF=18 MHz，偏移頻率Q1=604.80997kHz，90°脈沖時間P90=13μs，180°脈沖時間P180=25μs，采樣點數TD=400792，重復時間TW=4000ms，累積次數NS=6次，90°脈沖中心到回波中心的時間間隔TE=0.501，回波個數NECH=16000。發酵樣品每4d測一次。

2　結果與分析

2.1山楂酒發酵前后水狀態的變化

圖1A和圖1B分別為發酵前和發酵12 d時樣品T2弛豫時間譜，應用聯合迭代重建反演算法（simu1taneous iteative reconstruction technique，SIRT）解得連續光譜，按照波峰所覆蓋區域界定水分狀態。反演譜T2值的范圍分別為T21（1～10 ms），T22（50～250 ms），T23（600～1 800 ms），其中最短弛豫時間T21部分代表“結合水”，這部分水與其他分子結合緊密。弛豫時間T22部分代表“半結合水”，僅次于自由水的結合水。弛豫時間T23部分代表“自由水”，主要為體積水［14-15］。由圖1A可知，發酵前樣品中含有結合水、半結合水和自由水3種狀態的水，其中自由水百分含量最多。由圖1B可知，發酵12d后樣品中只有結合水和自由水，半結合水百分含量降低為0。

圖1　發酵前（A）及發酵12天（B）樣品中橫向弛豫時間（T2）反演譜Fig.1 Inversion spectrums of transverse relaxation time of sample before fermentation（A）and fermentation for 12 d（B）

2.2山楂酒發酵過程中水狀態的變化規律

由圖2A可知，發酵過程中結合水百分含量在0～12 d時變化不大，而在12 d以后開始緩慢上升，發酵結束后仍有上升趨勢；由圖2B可知，發酵過程中半結合水百分含量在0～4 d時迅速下降，在4～12 d時緩慢下降至0，可能是發酵過程中氨基酸、糖類等（含氨基、羧基和羥基的物質）含量迅速降低，與其結合不牢固的自由水即半結合水之間氫鍵斷裂，轉化為自由水，促進新陳代謝，有利于酵母的生長發酵［16］；由圖2C可知，發酵過程中自由水百分含量在0～4 d時迅速增加，在4～12 d時增加緩慢，在12～18 d時呈緩慢下降趨勢，12 d之前自由水的增加與半結合水的降低，與半結水降低轉化為自由水的變化相符合。結果表明，發酵過程中，在0～12 d時，半結合水逐漸降低為0，而結合水百分含量沒有顯著變化，自由水百分含量逐漸增加；而在12～18 d時結合水百分含量呈緩慢上升趨勢，自由水百分含量開始下降，這可能是因為發酵后期發酵產物積累，酵母生長進入衰亡期，自由水與其他分子逐漸相結合的結果，具體機理還需進一步研究。

山楂酒發酵過程中的弛豫峰面積百分數變化，結果見表1。

圖2　發酵過程中結合水（A）、半結合水（B）及自由水（C）百分含量的變化Fig.2 The percentage content changes of bound water（A），semi-bound water（B）and free water（C）in the process of fermentation

表1　發酵過程中樣品低場核磁弛豫峰面積百分數（T2）變化Table 1 Changes of T2peak area fraction of water from samples during fermentation

由表1可知，與發酵前相比，發酵12 d結合水峰面積百分含量沒有顯著變化，而半結合水百分含量降低為0，自由水百分含量增加了2.47%；而發酵18 d時，結合水峰面積百分含量增加了17.59%，自由水增加了2.31%，相比于第12天，自由水減少了0.16%。由此可知，發酵前12 d，隨著發酵的進行半結合水百分含量降低為0，自由水百分含量逐漸增加，結合水百分含量沒有顯著變化，發酵12 d以后，自由水百分含量開始降低，結合水百分含量緩慢增加，發酵結束后結合水含量的增加，阻止微升物對山楂酒中營養成分（氨基酸、殘糖）等的利用，可能在一定程度降低微生物的生長，酵母菌逐漸停止生長并死亡，有利于山楂酒進入澄清、穩定及成熟階段。

2.3發酵結束后山楂酒中主要理化指標

以發酵原酒為基酒進行調配，得到的半干型山楂酒產品，其主要理化指標檢測結果見表2。由表2可知，山楂酒產品符合GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》中的相關規定。

表2　成品山楂酒中主要理化指標Table 2 The main physiochemical index of hawthorn wine

3　結論

本試驗利用低場核磁共振技術測定山楂酒發酵過程中橫向弛豫時間T2，初步研究了山楂酒發酵過程中水分變化規律。結果表明，山楂酒在發酵前發酵液中水分包括結合水、半結合水和自由水3部分，而在發酵過程中，在0～12 d時，半結合水百分含量逐漸降低為0，結合水百分含量不變，自由水百分含量逐漸升高；12 d以后，隨著發酵的進行，自由水百分含量開始緩慢降低，結合水逐漸增加。發酵結束后結合水百分含量比發酵前增加了17.59%，而半結合水降低為0，自由水百分含量增加了2.31%。

本試驗研究了山楂酒發酵過程中水分變化規律，為今后進一步研究山楂酒陳釀過程中水分狀態變化與酒的成熟的關系、水分狀態變化與酒的穩定性的關系以及對山楂酒感官品質的影響研究都具有重要指導意義。

［1］萬連步，楊力.山楂［M］.山東：山東科學技術出版社，2004.

［2］DAVID L，ANDREW G R，LUCIE M，et a1.Inf1uence of water status on sensory profi1es of Ontario Pinot noir wines［J］.Food Sci Technol，2014，57（1）:65-82.

［3］MATTHIEU M，ANDREW G R，RALPH B.Inf1uence of water status on sensory profi1es of Ontario Ries1ing wines［J］.Food Res Int，2013，54（1）: 881-891.

［4］HAKIMI R，REYNOLDS A G.Impact of vine water status on sensory eva1uation of Cabernet Franc wines in the Niagara Peninsu1a of Ontario ［J］.Journal International des Sciences de la Vigne et du Vin，2010，44（2）:61-75.

［5］SHIGEKI T，MIKA F.An app1ication of magnetic resonance imaging to the rea1 time measurement of the change of moisture profi1e in a rice grain during drying［J］.J Food Eng，1997，33（1）:181-192.

［6］張建峰，吳迪，龔向陽，等.基于核磁共振成像技術的作物根系無損檢測［J］.農業工程學報，2012，28（8）：181-185.

［7］MAZZANTI G，MUDGE E M，ANOM E Y.In situ Rheo-NMR measurementsofso1idfatcontent［J］.J Am Oil Chem Soc，2008，85（5）:405-412.

［8］RUDI T，GUTHAUSEN G，BURK W，et a1.Simu1taneous determination of fat and water content in carame1 using time domain NMR［J］.Food Chem，2008，106（4）:1375-1378.

［9］SANTANA A，FERNANDEZ X，LARRAYOZ M A，et a1.Vegetab1e fat hydrogenation in supercritica1-f1uid so1vents:Me1ting behavior ana1ysis by DSC and NMR［J］.J Supercrit Fluid，2008，46（3）:322-328.

［10］HILLS B P，REMIGEREAU B.NMR studies of changes in subce11u1ar water compartmentation in parenchyma app1e tissue during drying and freezing［J］.Int J Food Sci Tech，1997，32（1）:51-61.

［11］ALESSIAL，AMIRMA，YAELV.Characterizationofwater distribution in bread during storage using magnetic resonance imaging［J］.Magn Reson Imaging，2007，25（10）:1449-1458.

［12］劉穎，曹佳佶，章浩偉，等.低場核磁共振技術快速檢測鮮乳水分方法研究［J］.食品科學，2014，35（14）：93-96.

［13］李彥，劉青，蹇華麗，等.葡萄酒的低場核磁共振弛豫譜［J］.中山大學學報，2012，51（5）：45-49.

［14］GOETZ J，KOEHLER P.Study of the therma1 denaturation of se1ected proteins of whey and egg by 1ow reso1ution NMR［J］.Food Sci Technol，2005，38（5）:501-512.

［15］張緒坤，祝樹森，黃儉花，等.用低場核磁分析胡蘿卜切片干燥過程的內部水分變化［J］.農業工程學報，2012，28（22）：282-287.

［16］劉用成.食品化學［M］.北京：中國輕工業出版社，1996.

Moisture variation in hawthorn wine fermentation process by 1ow-fie1d nuc1ear magnetic resonance

ZHANG Wenye，ZHANG Lei，WU Qingwei，WU Gang （Co11ege of Food and Bioengineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450001，China）

Moisture variation in hawthorn wine during fermentation process was studied with 1ow-fie1d nuc1ear magnetic resonance.Transverse re1axation time T2of samp1es at different fermentation stages was determined with Carr-Purce11-Meiboom-Gi11 pu1se sequence.Furthermore，the changing trends of free water and bound water were conc1uded by fitting T2inversion data.The resu1ts showed that the percentage content of semi-bound water in the samp1es gradua11y reduced to 0，free water percentage content increased 2.47%，and bound water percentage content remained constant in 0-12 d. After 12 d，percentage content of free water decreased s1ow1y，percentage content of bound water increased gradua11y.After fermentation，the percentage content of bound water increased 17.59%，semi-bound water reduced to 0，and free water increased by 2.31%.

1ow-fie1d nuc1ear magnetic resonance；hawthorn wine；bound water；free water

TS205.5

A

0254-5071（2015）12-0137-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2015.12.030

2015-10-23

研究生科技創新基金項目（2014029）

張文葉（1965-），女，教授，碩士，研究方向為食品生物技術。