基于LF-NMR探究凍融對壓差膨化扇貝柱水分分布與品質影響

隋笑樂，朱智壯，張欣，趙亞，朱蘭蘭，石啟龍

(山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博，255000)

凍融分為凍結和解凍，可用于改善胡蘿卜[1-2]、蘋果[3-4]、甘薯[5-6]等干制品品質。凍融可縮短羅非魚熱泵干燥時間，提高干制品品質[7]。因此，凍融是提高干燥效率、改善干制品品質的有效前處理方式。扇貝含有豐富的營養成分和生物活性物質，具有較高的營養價值和保健功能[8]。然而，扇貝含水率高、內源酶種類多且活性高，極易受微生物及化學因素影響，使其貨架期顯著降低[8-9]。因此，將扇貝柱水分活度降低至臨界安全值是十分必要的。干燥是降低水分活度、延長生鮮食品貨架期的有效方式。水產品干燥方式主要有熱風干燥和日光干燥，但二者均存在干燥時間長、能耗高、產品品質差等缺點[10]。變溫壓差膨化是一種新型干燥技術，主要用于胡蘿卜[1]、甘薯[5-6]、蘋果[4,11]、黃桃[12]、芒果[13]、菠蘿蜜[14]等膨化脆片的加工。但是，變溫壓差膨化在水產品干燥中未見報道。

低頻核磁共振(low frequency-nuclear magnetic resonance, LF-NMR)通過測定水分子存在狀態的橫向弛豫時間T2分析水分子與食品組織的相互作用。利用LF-NMR，基于水分分布與流動性，可揭示食品品質變化規律[15-16]。本實驗基于LF-NMR，探究凍融對扇貝柱壓差膨化干燥過程中水分分布狀態的影響規律，并將干制品品質與T2關聯，為水產品尤其扇貝柱變溫壓差膨化技術的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鮮活扇貝，淄博市水產批發市場；檸檬酸(分析純)，天津市恒興化學試劑有限公司。

1HP-5熱泵除濕干燥設備，青島歐美亞科技有限公司；PHK600-1果蔬低溫氣流膨化設備，天津市勤德新材料科技有限公司；PQ001核磁共振分析儀，上海紐邁電子科技有限公司；TA.XT PLU物性測試儀，英國Stable Micro Systems公司；WSC-C測色色差計，上海儀電物理光學儀器有限公司；AL204分析天平，梅特勒-托利多儀器有限公司；DW-FL253、DW-HL100冰箱，中科美菱低溫科技有限責任公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品處理

扇貝清洗、取扇貝柱[直徑(2.18±0.22) cm、高(1.47±0.06) cm]。將扇貝柱置于檸檬酸溶液(質量分數1%)中，5 ℃浸泡3 h[17]。將扇貝柱分3組，2組分別置于-15、-35 ℃冷凍12 h，然后室溫下解凍3 h；另一組不凍融(CK)。將扇貝柱置于熱泵干燥機中，溫度和風速分別為35 ℃、2.0 m/s，直至扇貝柱濕基含水率(35.0±1.0)%(質量分數)。預干燥后的扇貝柱用聚乙烯袋密封，5 ℃放置1 d，使其水分均勻一致。然后進行變溫壓差膨化干燥，參數為：膨化溫度90 ℃，停滯時間10 min，真空干燥溫度70 ℃[18]，直至樣品濕基含水率為7.0%(質量分數)。

1.2.2 汁液損失率

汁液損失率按公式(1)計算。

(1)

式中：m1,凍結前扇貝柱質量，g；m2,解凍后扇貝柱質量，g。

1.2.3 平均干燥速率

(2)

1.2.4 膨化度

采用比容法[19]，計算如公式(3)所示：

(3)

式中：V,壓差膨化扇貝柱體積，mL；V0,預干燥后扇貝柱體積，mL。

1.2.5 色差

樣品色澤采用色差計測定。干燥前后扇貝柱的色差(ΔE)計算如公式(4)所示[8]：

(4)

式中：L*、a*、b*,新鮮扇貝柱色澤；L、a、b,壓差膨化后扇貝柱色澤。

1.2.6 復水率

采用稱量法[20]，復水率(Rf)計算如公式(5)所示：

(5)

式中：mf,復水后扇貝柱質量，g；mg,扇貝柱干制品質量，g。

1.2.7 硬度與脆度

采用物性測試儀測定扇貝柱質構特性[5,8]。測定條件：測試前速度2.0 mm/s；測試速度1.0 mm/s；測試后速度2.0 mm/s；測試距離50%；數據采集速率500 次/s；探頭P/2 s。硬度為測試過程中應力曲線的最大值，g。脆度用曲線達到最大力時所用的時間表示，s；脆度越小，脆性越高。

1.2.8 LF-NMR橫向弛豫時間(T2)測定

采用多脈沖回波序列分析自旋-自旋弛豫時間(T2)。通過預實驗，確定扇貝柱NMR測試參數為：溫度32 ℃，質子共振頻率20 MHz，采樣頻率10.0 kHz，漂移頻率678 535.16 Hz，累加次數2次，等待時間3 000 ms，90°脈寬5.5 μs，180°脈寬13.5 μs，采樣點數10 478，回波數2 000，回波時間1 ms。指數衰減曲線反演后，得到T2值和T2圖譜。

1.3 數據分析

實驗結果用平均值±標準偏差表示(n≥3)。采用SPSS 21.0進行方差分析(顯著性水平P<0.05)；采用Pearson法進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 凍融對膨化扇貝柱干燥速率的影響

由圖1可以看出，凍融顯著縮短了扇貝柱預干燥時間，這是由于扇貝柱在凍結和解凍過程中，形成了大量冰晶，導致細胞膜破壞，內部組織結構損壞[21]，進而引起扇貝柱汁液大量流失[22-23]。凍融使扇貝柱損失大量水分，縮短了熱泵干燥時間，顯著提高了平均干燥速率(表1)。但是，凍融延長了真空壓差膨化干燥時間，其原因是凍融使橫向弛豫時間T2值總體向左遷移(詳見2.3.1)，凍融提高了大分子與水結合的緊密性，降低了水分擴散系數，延長了干燥時間。此外，凍融破壞了扇貝柱組織結構，預干燥導致扇貝柱皺縮嚴重，組織緊密，不利于水分的擴散，降低了干燥速率。

圖1 凍融對扇貝柱干燥時間影響Fig.1 Effect of freeze-thaw on drying time of scallop adductors

表1 凍融對扇貝柱汁液流失與平均干燥速率的影響Table 1 Effect of freeze-thaw on drip loss and average drying rate of scallop adductors

2.2 凍融對壓差膨化扇貝柱品質特性的影響

由表2可以看出，溫度對扇貝柱膨化度影響顯著，未經過凍融的扇貝柱，膨化度顯著高于凍融組，而且溫度越低，膨化度越小，-35 ℃凍融甚至出現皺縮現象，這可能由于凍融提高了扇貝柱中水與蛋白質的結合能力，進而提高了扇貝柱的持水力[24]。扇貝柱中的水在壓差膨化過程中不易蒸發汽化，降低了扇貝柱干制品的膨化度。未經過凍融扇貝柱的色差顯著低于凍融組，這是由于凍融提高了水的結合力，加速扇貝柱的皺縮程度，從而延長了扇貝柱真空壓差膨化時間，干燥時間對蛋白質的黃度值影響顯著，溫度大于70 ℃易使肉制品褐變，導致色差增加[25]。復水率與膨化度成正比，膨化度越高，扇貝柱越疏松、多孔，扇貝柱的復水率越高。凍融顯著增加了扇貝柱的硬度，增大了扇貝柱的脆度值，且扇貝柱的硬度與脆度都隨凍結溫度的降低而減小。這是由于CK膨化度更高，扇貝柱組織更疏松，密度小；而扇貝柱經壓差膨化凍融后組織緊密，硬度及韌性較高。

表2 凍融對扇貝柱品質特性的影響Table 2 Effect of freeze-thaw on quality properties of scallop adductors

2.3 扇貝柱NMR T2分析

2.3.1 凍融對扇貝柱弛豫時間T2的影響

圖2是凍融對扇貝柱解凍和預干燥后弛豫時間分布的影響。凍融后扇貝柱T2譜存在4個主峰，即扇貝柱組織中存在4種不同狀態的水。T2分別為T21(0.60～1.72 ms)、T22(10.82～13.15 ms)、T23(27.90～78.11 ms)、T24(585.58～1 193.92 ms)。熱泵預干燥后，T2譜變成3個峰，分別為T21(0.33～0.50 ms)、T22(2.31～4.64 ms)和T23(21.54～57.22 ms)。肌肉組織中存在3種狀態水分，T2分別為1～10 ms、30～60 ms和100～400 ms[24,26]。因此，T21表示肌肉組織中大分子極性基團與水分子緊密結合的水，如單分子層結合水；T22表示與水分子結合較為緊密的水，如多分子層結合水；T23表示存在于肌纖絲、肌原纖維及膜之間的不易流動水；T24表示存在于細胞間隙能自由流動的水[27]。T2表明水分子的自由度[28]，利用肌肉組織T2分布變化，能夠揭示扇貝柱干燥過程中水分的構成、分布和流動規律。

圖2 不同凍融溫度對扇貝柱弛豫時間的影響Fig.2 Effect of different freeze-thaw temperature on transverse relaxation time of scallop adductors

扇貝肌肉組織包含T21、T22、T23、T24等4個峰，凍融后變成3個峰，即T21、T23、T24，扇貝柱各組分弛豫時間和相對含量發生改變。由表3可知，扇貝柱經過-15、-35 ℃凍融后，T21值減小，但無顯著差異。T21是與大分子緊密結合的那部分水。因此，凍融對T21的水分結構很難造成影響[29]。

表3 凍融對扇貝柱弛豫時間的影響 單位：msTable 3 Effects of freeze-thaw on transverse relaxation time of scallop adductors

凍融后，T22消失；-15 ℃和-35 ℃凍融后，T23由73.18 ms分別降低至59.37和51.63 ms。凍融后，T23向左遷移并與T22峰結合，這可能是凍融改變了肌原纖維蛋白空間結構[30]。未凍融的扇貝柱T24為1 012.21 ms，經-15、-35 ℃凍融后，T24分別減小至762.26、742.73 ms，且溫度越低，T23、T24越小。凍融使扇貝柱T2值總體向左遷移，即凍融提高了大分子與水的緊密性，延長了壓差膨化干燥時間。預干燥后，CK存在2個峰，即T22和T23；經-15、-35 ℃凍融后，扇貝柱存在3個峰，即T21、T22和T23(表3)。3組處理的T21、T22、T23之間均無顯著差異。此外，由T21可知，凍融導致弛豫時間出現T21峰，而CK則無T21峰。這意味著凍融后，扇貝柱肌肉組織中出現與大分子極性基團緊密結合的水，水分子自由度降低，導致扇貝柱中水分在后續膨化過程中不易蒸發汽化，降低其膨化度，扇貝柱組織出現皺縮，硬度增大，脆度變小，復水能力下降；同時，壓差膨化時間延長，真空干燥速率降低，色差增加。

2.3.2 凍融對扇貝柱水分結構mT2的影響

結合水、不易流動水和自由水比例可由各自峰面積除以總峰面積得到。凍融后，扇貝柱組織與大分子緊密結合的水(mT21)的比例無顯著差異，說明凍融對結合水比例很難造成影響。與CK相比，凍融后，T23比例顯著增加至98.76%和99.06%，但2個處理間T23比例無顯著差異，這是由于凍融使T23的弛豫時間變小，曲線向左遷移與T22峰結合所致。3種處理間，自由水比例無顯著差異。這可能由于盡管凍融致使不易流動水向自由水轉化,但是，由于汁液流失，使部分自由水在解凍過程中從肌肉組織流失，肌肉總水分含量下降。熱泵預干燥后，扇貝柱水分分布如表4所示。由于T21和T22均屬于結合水，可將mT21和mT22結合，分析凍融對扇貝柱熱泵干燥后結合水的影響。盡管3組處理T2值之間無顯著差異(表3)，但是，與CK相比，凍融扇貝柱結合水顯著增加，而不易流動水顯著降低，即凍融使水分自由度降低。這與凍融對扇貝柱品質變化的結果吻合(詳見2.2)。

表4 凍融對扇貝柱弛豫特性各組分比例的影響Table 4 Effect of freeze-thaw on proportion of transverse relaxation fractions of scallop adductors

2.3.3T2與扇貝柱品質的相關性

根據凍融后各組分弛豫時間及其信號比例，將其與扇貝柱品質特性關聯，有利于闡明扇貝柱品質變化機制。由于扇貝凍融后T22消失，本文僅分析解凍后扇貝柱T21、T23、T24與其品質的相關性。熱泵預干燥后，3組處理弛豫時間無顯著差異(表3)，本文僅對mT21+mT22和mT23進行相關性分析，結果見表5。

表5 T2與扇貝柱品質特性的相關性Table 5 Correlation between T2and quality properties of scallop adductors

注：*表示顯著相關(P<0.05)，**表示極顯著相關(P<0.01)。

解凍后，T21與膨化度、復水率正相關；與硬度、脆度、平均干燥速率負相關。T23與膨化度、復水率正相關；與色差、硬度、脆度、平均干燥速率負相關，這可能由于不易流動水比例較高所致。T24與膨化度、復水率正相關，與硬度、平均干燥速率負相關。根據凍融后扇貝柱弛豫時間的信號比例，mT21、mT24與指標間相關性不顯著。mT23與膨化度、復水率負相關，但與色差、硬度、脆度、平均干燥速率正相關。熱泵預干燥后，扇貝柱mT21+mT22與膨化度、復水率負相關，但與硬度、平均干燥速率正相關。由于mT21+mT22和mT23含量成反比，mT23與指標的相關性與mT21+mT22相反。

3 結論

凍融后，扇貝柱弛豫時間T2由4個峰變成3個峰，各組分弛豫時間和相對含量改變。弛豫時間隨凍融溫度降低而顯著減少。凍融縮短了熱泵預干燥時間，降低了T23，提高了mT21比例，延長了真空干燥時間，降低了平均干燥速率。解凍后，扇貝柱T23、mT23與其品質特性密切相關。熱泵預干燥后，凍融扇貝柱出現T21峰，mT21+mT22相對含量增大，水與蛋白質的結合能力增強，對扇貝柱膨化度、色差、復水率、硬度有不利影響。本研究可為水產品尤其扇貝柱壓差膨化干燥技術提供理論依據。