低场核磁研究食品干燥过程中水分迁移规律

2019-12-26 03:22:32, Mjiahui 苏州纽迈分析仪器股份有限公司

导读

干燥是食品、药材等材料的重要加工方式，能延长保质期，保持原有品质及口感的现代食品加工手段，干燥过程中不同相态水分含量、迁移转化、空间分布规律等影响干燥食品的品质、口感、营养等，而低场核磁共振技术是研究水分运动、相态的利器，本篇推文总结低场核磁共振技术在食品干燥研究中的最新应用，分析核磁共振智能干燥技术在当前产业的应用，结合2019年新发表的2篇文献，一起来学习吧！

什么是核磁

核磁共振（nuclearmagnetic resonance，NMR）是原子核系统在磁场中形成能级，在电磁波的激励下部分低能态的氢质子跃迁到高能态而产生的共振。NMR 现象是 1946 年由美国斯坦福大学珀赛尔和哈佛大学的布洛赫等人分别发现的，并因此获得了 1952 年诺贝尔物理学奖。1973 年纽约州立大学的劳特保教授对磁场信号进行空间编码，获得了核磁共振图像（magnetic resonanceimaging，MRI）。

低场核磁:

随着磁体技术的发展，核磁共振技术向着高场（1.5~3T）和低场（0.2~0.5 T）两个方向发展，其中低场核磁共振分析与成像（low-field nuclear magneticresonance analysis and imaging，LF-NMR/MRI）设备体积小、稳定性好，设备成本低，在分辨率要求不苛刻的农产品和食品安全分析检测领域得到越来越广泛的关注。

“低场核磁技术，水分状态及运动轨迹研究的有效手段”

——魏益民教授

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低场核磁技术：让食品中水分研究可视化

核磁应用

▲LF-NMR/MRI 在果蔬干燥中的主要应用

水分迁移过程是提升干燥效率和干燥品质的重要环节。通过取样称量和模型预测法，一般可以推断物料整体水分含量，但不能反映水分的均匀性，测量结果也根据具体工况有很大误差。

低场核磁共振技术是研究水分子的含量、状态、分布、迁移、扩散及与其他分子的相互作用的有力手段，而水分这些特性正是影响食品品质的关键因素，因此以水分子为探针的核磁共振技术在食品干燥中得以广泛应用。

李冰等利用 NMR 技术研究了热风微波流态化干燥香菇过程中，物料水分组成的变化，发现物料水分状态向与有机质结合力更紧密的方向发展。

Jin Xin 等通过 MRI 发现西蓝花干燥过程的水分散失过程与 Fick 定律不符，并通过预处理验证了自己的假想。

江昊等通过 NMR 研究了香蕉的微波冻干过程，得到各阶段的水分组成，认为6h物料达到良好干燥效果。

Castell-Palou 等人应用 NMR 技术对奶酪干燥过程中水分迁移过程进行研究，建立了传质数学模型。

▲核磁共振成像技术研究香菇干燥过程水分分布变化

徐建国等利用 MRI 技术研究了热风干燥胡萝卜过程中，物料的水分轮廓特征和变化规律，发现胡萝卜的水分轮廓线沿径向、轴向同时向中心不均匀收缩。

▲猕猴桃MRI三维重构（NMI20-060H-I）

LF-NMR/MRI技术不仅能提供水分总的信号强度，还有力地分析水分的组成和分布，能在三维空间上反映果蔬物料的干燥状态。目前，通过 LF-NMR/MRI 技术研究果蔬物料干燥过程的报道越来越多。

智能干燥技术——微波干燥与核磁共振联用技术

▲NMI20-025-I型核磁共振食品分析仪器

▲微波干燥箱示意图

水分在线监控的智能干燥设备由江南大学团队自主研发设计，LF-NMR/MRI分析部分由苏州纽迈分析仪器股份有限公司提供。

实验设备由上下两部分组成，上部为微波真空干燥机，微波功率在 0~1200W之间连续可调，下部为LF-NMR/MRI分析系统，用来在线分析各阶段的水分状态。两个设备联用，食品经历微波干燥后直接自动进入核磁中监测，无需人工放入，减少实验误差。

▲LF-NMR/MRI 与微波真空干燥的协同应用原理

上图是LF-NMR/MRI 与微波真空装备能实现在线采集物料微波真空干燥中的 NMR 信号采集信号与对应的含水率之间建立关系模型，形成对物料水分信息的立体监控的工作流程图。

快速检测水分含量，智能监测干燥终点

文章中研究了香菇、胡萝卜、马铃薯、莲藕、毛豆、

菜用玉米在微波真空干燥的不同阶段，物料的各状态水分总信号量 A2 与对应干燥阶段的含水率均成高度相关的线性关系，由信号量 A2 和干基含水率之间建立的线性关系模型,可以实时得到香菇、胡萝卜、马铃薯、莲藕、毛豆、菜用玉米的水分含量。和对照组试验的实际水分含量比较, 预测的准确率在 95.0% 以上。有效地实现了果蔬物料干燥终点的智能监控。