低場核磁研究食品干燥過程中水分遷移規(guī)律

紐邁分析

2019.12.24

導讀

干燥是食品、藥材等材料的重要加工方式，能延長保質期，保持原有品質及口感的現(xiàn)代食品加工手段，干燥過程中不同相態(tài)水分含量、遷移轉化、空間分布規(guī)律等影響干燥食品的品質、口感、營養(yǎng)等，而低場核磁共振技術是研究水分運動、相態(tài)的利器，本篇推文總結低場核磁共振技術在食品干燥研究中的最新應用，分析核磁共振智能干燥技術在當前產(chǎn)業(yè)的應用，結合2019年新發(fā)表的2篇文獻，一起來學習吧！

什么是核磁?

核磁共振（nuclearmagnetic resonance，NMR）是原子核系統(tǒng)在磁場中形成能級，在電磁波的激勵下部分低能態(tài)的氫質子躍遷到高能態(tài)而產(chǎn)生的共振。NMR 現(xiàn)象是 1946 年由美國斯坦福大學珀賽爾和哈佛大學的布洛赫等人分別發(fā)現(xiàn)的，并因此獲得了 1952 年諾貝爾物理學獎。1973 年紐約州立大學的勞特保教授對磁場信號進行空間編碼，獲得了核磁共振圖像（magnetic resonanceimaging，MRI）。

低場核磁:

隨著磁體技術的發(fā)展，核磁共振技術向著高場（1.5~3T）和低場（0.2~0.5 T）兩個方向發(fā)展，其中低場核磁共振分析與成像（low-field? nuclear magneticresonance analysis and imaging，LF-NMR/MRI）設備體積小、穩(wěn)定性好，設備成本低，在分辨率要求不苛刻的農(nóng)產(chǎn)品和食品安全分析檢測領域得到越來越廣泛的關注。

“低場核磁技術，水分狀態(tài)及運動軌跡研究的有效手段”

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詳情請

低場核磁技術：讓食品中水分研究可視化

核磁應用

▲LF-NMR/MRI 在果蔬干燥中的主要應用

水分遷移過程是提升干燥效率和干燥品質的重要環(huán)節(jié)。通過取樣稱量和模型預測法，一般可以推斷物料整體水分含量，但不能反映水分的均勻性，測量結果也根據(jù)具體工況有很大誤差。

低場核磁共振技術是研究水分子的含量、狀態(tài)、分布、遷移、擴散及與其他分子的相互作用的有力手段，而水分這些特性正是影響食品品質的關鍵因素，因此以水分子為探針的核磁共振技術在食品干燥中得以廣泛應用。

李冰等利用 NMR 技術研究了熱風微波流態(tài)化干燥香菇過程中，物料水分組成的變化，發(fā)現(xiàn)物料水分狀態(tài)向與有機質結合力更緊密的方向發(fā)展。

Jin Xin 等通過 MRI 發(fā)現(xiàn)西藍花干燥過程的水分散失過程與 Fick 定律不符，并通過預處理驗證了自己的假想。

江昊等通過 NMR 研究了香蕉的微波凍干過程，得到各階段的水分組成，認為6h物料達到良好干燥效果。

Castell-Palou 等人應用 NMR 技術對奶酪干燥過程中水分遷移過程進行研究，建立了傳質數(shù)學模型。

▲核磁共振成像技術研究香菇干燥過程水分分布變化

徐建國等利用 MRI 技術研究了熱風干燥胡蘿卜過程中，物料的水分輪廓特征和變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)胡蘿卜的水分輪廓線沿徑向、軸向同時向中心不均勻收縮。

▲獼猴桃MRI三維重構（NMI20-060H-I）

LF-NMR/MRI技術不僅能提供水分總的信號強度，還有力地分析水分的組成和分布，能在三維空間上反映果蔬物料的干燥狀態(tài)。目前，通過 LF-NMR/MRI 技術研究果蔬物料干燥過程的報道越來越多。

智能干燥技術——微波干燥與核磁共振聯(lián)用技術

▲NMI20-025-I型核磁共振食品分析儀器

▲微波干燥箱示意圖

水分在線監(jiān)控的智能干燥設備由江南大學團隊自主研發(fā)設計，LF-NMR/MRI分析部分由蘇州紐邁分析儀器股份有限公司提供。

實驗設備由上下兩部分組成，上部為微波真空干燥機，微波功率在 0~1200W之間連續(xù)可調，下部為LF-NMR/MRI分析系統(tǒng)，用來在線分析各階段的水分狀態(tài)。兩個設備聯(lián)用，食品經(jīng)歷微波干燥后直接自動進入核磁中監(jiān)測，無需人工放入，減少實驗誤差。

▲LF-NMR/MRI 與微波真空干燥的協(xié)同應用原理

上圖是LF-NMR/MRI 與微波真空裝備能實現(xiàn)在線采集物料微波真空干燥中的 NMR 信號采集信號與對應的含水率之間建立關系模型，形成對物料水分信息的立體監(jiān)控的工作流程圖。

快速檢測水分含量，智能監(jiān)測干燥終點

文章中研究了香菇、胡蘿卜、馬鈴薯、蓮藕、毛豆、

菜用玉米在微波真空干燥的不同階段，物料的各狀態(tài)水分總信號量 A2 與對應干燥階段的含水率均成高度相關的線性關系，由信號量 A2 和干基含水率之間建立的線性關系模型,可以實時得到香菇、胡蘿卜、馬鈴薯、蓮藕、毛豆、菜用玉米的水分含量。和對照組試驗的實際水分含量比較, 預測的準確率在 95.0% 以上。有效地實現(xiàn)了果蔬物料干燥終點的智能監(jiān)控。