雙孢菇遠紅外干燥過程中內部水分的變化規律

劉宗博，張鐘元，李大婧，*，李德海，江 寧，劉春泉

（1.東北林業大學林學院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.江蘇省農業科學院農產品加工研究所，國家農業科技華東（江蘇）創新中心，農產品加工工程技術研究中心，江蘇 南京 210014）

雙孢菇遠紅外干燥過程中內部水分的變化規律

劉宗博1，張鐘元2，李大婧2，*，李德海1，江 寧2，劉春泉2

（1.東北林業大學林學院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.江蘇省農業科學院農產品加工研究所，國家農業科技華東（江蘇）創新中心，農產品加工工程技術研究中心，江蘇 南京 210014）

利用低場核磁共振技術分析遠紅外干燥雙孢菇內部水分分布及變化規律，研究在50、60、70 ℃條件下，切片厚度為3、5、7 mm雙孢菇切片干燥過程中內部水分變化。結果表明：雙孢菇中主要存在自由水、弱結合水和結合水3 種狀態水，其中切片厚度為3、5、7 mm雙孢菇片自由水含量（M23值）分別為9 048.26、12 038.71、17 532.27，在3 種狀態水中所占比例最大。在相同干燥溫度條件下，切片厚度為3 mm的雙孢菇自由水和弱結合水去除所需的時間最短；隨著干燥溫度的升高，3、5、7 mm雙孢菇片中自由水和弱結合水含量逐漸降低。3 種切片厚度的雙孢菇在不同溫度干燥過程中結合水含量無明顯下降趨勢，說明干燥過程中脫去的主要是自由水和部分弱結合水，結合水基本不會去除，因此結合水含量對雙孢菇遠紅外干燥效果無明顯影響。

核磁共振；干燥；雙孢菇；水分變化

雙孢菇肉質肥厚、營養豐富，素有“山珍”之稱，并具有抗癌、降血壓、減少膽固醇、滋補強身等藥理作用［1］，是一種理想的高蛋白低脂肪的保健營養食物。鮮蘑菇質地細嫩，采收后鮮度迅速下降，從而會引起開傘，菌褶褐變，菇體萎縮等，影響風味和商品價值。因此，通過干燥加工將其制成干制品有利于延長雙孢菇的貯藏時間。

遠紅外輻射作為干燥方式具有熱效率高、溫度均勻等優點，可以使最終的干制品具有較好的品質。林喜娜等［2］采用遠紅外干燥雙孢菇，確定了輻射強度、物料溫度、物料厚度、干燥時間等因素對干燥速率的影響，并基于BP（back propagation）神經網絡建立了含水率與各因素之間的網絡模型結構。遇龍［3］對遠紅外干燥設備進行改進，探討了環境溫度、物料厚度、輻射距離對雙孢菇干燥特性的影響，并對傳統干燥模型進行非線性擬合，建立適用于雙孢菇切片遠紅外干燥動力學模型。在果蔬干燥過程中，物料內部水分的變化直接影響物料的干燥速率和干制品的品質，對研究物料干燥特性具有重要意義［4-5］。分析物料干燥曲線并將實驗數據與干燥數學模型相擬合是目前被廣泛應用的用于闡述物料干燥過程水分變化規律的方法。該類方法被用于分析金針菇［6］、銀耳［7］、龍眼果肉［8］等。但干燥曲線所描述的過程為物料中整體水分含量的變化，無法區分不同結合狀態水即自由水、結合水、弱結合水的變化規律；而干燥動力學模型主要是對物料干燥曲線的數學模擬，雖可為實際生產提供理論依據，但對實際生產的指導具有一定的局限性。

低場核磁共振（low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）是近年作為分析水分狀態的新興技術，通過低場質子核磁共振中的弛豫時間的測定，可以描述水分子的運動情況及其存在狀態［9-12］，因此廣泛應用于食品領域［13-17］。Garnczarska等［18］用核磁共振成像和核磁共振光譜研究羽扇豆種子在成熟過程中水分分布和水分狀態的變化，通過T2橫向弛豫時間的分析得出羽扇豆種子在成熟期存在3 種水分，即自由水、結合水和毛細管水。Pitombo等［19］應用NMR光譜研究表明大西洋馬鮫樣品中存在3 種具有不同弛豫時間T2的水質子，其中冷凍干燥樣品的水分含量增加時T2增加。因此，核磁共振技術可以有效地分析干燥過程中物料內部水分狀態的變化。應用核磁共振技術對遠紅外干燥雙孢菇過程的水分變化進行研究，可以更加詳細、直觀地分析雙孢菇中不同狀態水的分布和變化，所得的結果更加接近實際生產，有利于干燥設備及工藝參數的選擇。

本實驗旨在利用低場核磁共振技術分析雙孢菇遠紅外干燥過程中內部水分變化規律，為雙孢菇干燥工藝的研究以及實際生產控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

雙孢菇，購于農貿市場，要求新鮮、完整。

1.2 儀器與設備

766B-3型遠紅外輻射干燥箱 上海浦東榮豐科學儀器有限公司；MP2002電子天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司；MesoMR23-060H-I型核磁共振分析儀 上海紐邁電子科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

將新鮮雙孢菇清洗并去除菇柄，縱向（沿著生長方向）切成厚度為3、5、7 mm的薄片，放入遠紅外干燥箱內，調節紅外干燥功率為1 200 W，分別在50、60、70 ℃條件下進行干燥實驗。

1.3.2 水分含量測定

采用GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》方法。干基含水率按下式計算。

式中：mt為樣品t時刻對應的質量/g；ms為樣品干物質質量/g。

1.3.3 橫向弛豫時間反演譜采集

將雙孢菇切片放置在永久磁場的射頻線圈的中心，應用CPMG脈沖序列測樣品中的橫向弛豫時間T2。設備參數設置為：主頻SF=23 MHz，偏移頻率Ol= 425 557.6 Hz，硬脈沖90°脈寬P90=14 μs，硬脈沖180°脈寬P180=30 μs，譜寬SW=200 kHz，采樣點數TD=828 016，重復掃描次數NS=8，重復采樣時間TW=5 000 ms，回波個數NECH=18 000。

1.4 統計分析

實驗所得數據應用SPSS13.0軟件處理，Origin 8.5軟件進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 不同溫度條件下雙孢菇片干燥曲線

圖1為3 種不同切片厚度的雙孢菇片分別在50、60、70 ℃條件下的干燥特性曲線。隨著干燥溫度的增加，物料含水量下降所需的時間逐漸減少。在相同干燥溫度條件下，7 mm雙孢菇片含水率變化最為緩慢，說明其干燥速率最低，5 mm雙孢菇片次之，3 mm雙孢菇片干燥速率最快。就干燥時間而言，7 mm雙孢菇所需時間最長，3 mm所需時間最短。說明干燥溫度越高，物料厚度越薄，越有利于水分的脫除，所需干燥時間越短。

2.2 NMR分析雙孢菇中水分狀態

T2（橫向弛豫時間）常被用來檢測物料中水分與干物質結合的強度，T2的大小代表了水分流動性的強弱，可以表示物料中水分的自由度。T2值越小，代表水與干物質結合的越緊密；T2值越大，代表水分的自由度大，越容易排出。核磁共振信號幅值與樣品中氫質子的數量成正比，因此在T2反演譜上的峰面積可間接表示出對應的狀態水的含量。

由圖2可知，在T2反演譜上出現3 個較為明顯的波峰，分別代表3 種不同相態的水，根據弛豫時間可劃分為結合水T21（1～3 ms）、弱結合水T22（5～25 ms）和自由水T23（25～850 ms）。T21、T22、T23對應的核磁共振幅值分別為M21、M22、M23。

2.3 干燥溫度對不同厚度雙孢菇片水分狀態的影響

2.3.1 不同干燥溫度條件下自由水分狀態變化

由圖3可知，雙孢菇切片中自由水含量（M23）隨干燥時間的延長而逐漸減少。這是因為自由水主要存在于液泡、原生質和細胞間隙中，距離膠粒較遠可以自由移動，因此在干燥過程中最容易被脫除［20］。相同干燥溫度條件下，3 mm雙孢菇片自由水損失最快、7 mm最慢。說明切片越薄，樣品中自由水越容易去除，去除所需的時間越短。對比50、60、70 ℃干燥條件，溫度為70 ℃時3 種厚度樣品的自由水含量減少的最快，說明干燥溫度越高自由水脫除越迅速。雙孢菇中自由水在3 種狀態水中含量最高，且變化趨勢與圖1干燥特性曲線相似，因此干燥過程中自由水含量的變化將直接影響干燥效果。

2.3.2 不同干燥溫度條件下弱結合水分狀態變化

弱結合水存在于細胞質和細胞外隙中，隨著干燥過程中自由水含量的減少，弱結合水的含量也發生相應的變化，并且比自由水的變化更為復雜。圖4a、b中，在干燥開始的前10 min，3 種切片厚度雙孢菇中的弱結合水含量均減少，這可能是因為在干燥初期，溫度升高，大部分弱結合水隨著自由水的除去而向外遷移為自由水，繼而被脫除。而圖4c中3 mm雙孢菇片在最初的10 min內弱結合水含量有所增加，這可能是因為其厚度相對較薄，在70 ℃條件下，自由水去除較快，雙孢菇內部營養物質以及酶分解出的結合水遷移為弱結合水［21］，因此短時間內弱結合水含量增加。

隨著干燥過程繼續進行，在不同溫度條件下，3 種切片厚度雙孢菇中的弱結合水曲線均呈現減少、增加交替出現的現象。分析原因，減少可能是因為在干燥過程中，一部分弱結合水與細胞壁接觸，而細胞壁中多糖具有的親水基團結構可以減少周圍流動的動態水，因此弱結合水向結合水遷移［22］；另一部分弱結合水在自由水被去除后，向自由水遷移，繼而被脫除。增加可能是因為隨著弱結合水的減少，雙孢菇中碳水化合物濃度升高，而水分子進出細胞取決與細胞內外溶液的濃度差，濃度差的形成導致部分自由水向弱結合水遷移。另外，酶或者其他物質分解釋放的結合水遷移為弱結合水。因此可認為在雙孢菇干燥中，不同狀態水之間存在相互遷移、轉化的過程。

在圖4中，弱結合水曲線最終呈下降趨勢，說明在自由水基本被脫除后，弱結合水開始逐漸減少，這可能是干燥曲線后期趨于平緩的原因。

2.3.3 不同干燥溫度條件下結合水分狀態變化

結合水是水在生物體和細胞內的存在狀態之一，是吸附和結合在有機固體物質上的水，主要是依靠氫鍵與蛋白質的極性基（羧基和氨基）相結合形成的水膠體［23］，在干燥過程中一般不能被脫除。由圖5可知，3 種厚度的雙孢菇片在不同干燥溫度條件下的結合水含量曲線上下起伏，明顯區別于自由水，和弱結合水曲線相似，說明樣品中的結合水在干燥過程中也是不斷增減變化的。產生這種變化的原因與弱結合水的遷移有著密不可分的關系。可能是由于干燥過程中部分弱結合水與膠體結合的更緊密［24］，致使結合水含量上升；隨著干燥過程的進行，樣品內酶和營養物質分解使部分結合水向弱結合水遷移，從而導致結合水含量下降。由于結合水分子主要與蛋白質、糖類、維生素等大分子結合［25］，因此在雙孢菇干燥過程中幾乎不會對干燥效果產生影響。

3 結 論

應用低場核磁共振技術對干燥過程中雙孢菇內部水分狀態進行分析，探尋水分遷移規律。研究結果表明，在雙孢菇中主要存在3 種狀態的水，即自由水、弱結合水和結合水。其中自由水含量最高，在干燥過程中也最容易被脫除；弱結合水在干燥后期（即自由水被大量脫除后）逐漸減少；結合水因與膠體結合緊密而一般無法被去除，所以對最終干燥結果不會產生顯著影響。相同的干燥溫度，3 mm切片中自由水和弱結合水含量下降的時間最短；相同的切片厚度，70 ℃干燥溫度下3 種切片厚度雙孢菇中自由水和弱結合水含量下降的時間最短。在本實驗中，干燥溫度越高、厚度越薄，自由水和弱結合水減少所需的時間越短，其中自由水表現尤為明顯。因此在雙孢菇干制品實際生產中，一方面，可根據自由水和弱結合水脫除的時間來調整干燥工藝參數，縮短干燥時間，以達到節約能耗、提高經濟效益的目的；另一方面，可通過調整切片方式和干燥溫度來提高干燥效率。

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Analysis of Moisture Change during Far-Infrared Drying of Agaricus bisporus

LIU Zongbo1， ZHANG Zhongyuan2， LI Dajing2，*， LI Dehai1， JIANG Ning2， LIU Chunquan2
（1. College of Forestry， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China； 2. Engineering Research Centre of Agricultural Products Processing， East China （Jiangsu） Innovation Center of National Agricultural Science and Technology，Institute of Farm Product Processing， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing 210014， China）

The moisture distribution and change of Agaricus bisporus during far-infrared drying was analyzed by lowfield nuclear magnetic resonance （NMR） technology. Agaricus bisporus slices （3， 5 and 7 mm thickness） were dried at three different temperatures （50， 60 and 70 ℃）. Results showed that the water states in Agaricus bisporus included free water， immobilized water and bound water. Free water （M23） was the most dominant among the three water states， which was 9048.26， 12038.71 and 17532.27， respectively， for 3， 5 and 7 mm thick Agaricus bisporus slices. The removal of free water and immobilized water from 3 mm thick Agaricus bisporus slices was the fastest at the same drying temperature. The contents of free water and immobilized water in Agaricus bisporus slices were decreased gradually with increasing temperature， independent of the thickness of slices， while the content of bound water had no obvious downtrend at different temperatures. These findings indicated that free water and partial immobilized water were mainly removed during the drying process， and bound water was hardly removed. Thus， the content of bound water had no significant effect on Agaricus bisporus during far infrared drying.

nuclear magnetic resonance； drying； Agaricus bisporus； moisture change

10.7506/spkx1002-6630-201609016

TS255.3

A

1002-6630（2016）09-0082-05

劉宗博， 張鐘元， 李大婧， 等. 雙孢菇遠紅外干燥過程中內部水分的變化規律［J］. 食品科學， 2016， 37（9）： 82-86. DOI：10.7506/spkx1002-6630-201609016. http：//www.spkx.net.cn

LIU Zongbo， ZHANG Zhongyuan， LI Dajing， et al. Analysis of moisture change during far-infrared drying of Agaricus bisporus［J］. Food Science， 2016， 37（9）： 82-86. （in Chinese with English abstract） DOI：10.7506/spkx1002-6630-201609016. http：//www.spkx.net.cn

2015-05-20

公益性行業（農業）科研專項（201303080）

劉宗博（1990—），男，碩士研究生，研究方向為食品加工與貯藏。E-mail：laiyangdasuo@163.com

*通信作者：李大婧（1976—），女，研究員，博士，研究方向為食品營養化學。E-mail：lidajing@163.com