吳靖娜，陳曉婷，蘇永昌，喬琨，陳貝，劉智禹*

(1.廈門醫(yī)學院 廈門市海洋藥用天然產(chǎn)物資源重點實驗室，福建 廈門 361023； 2.廈門醫(yī)學院 海洋生物醫(yī)藥資源福建省高校工程研究中心，福建 廈門 361023； 3.福建省水產(chǎn)研究所，福建 廈門 361013)

海馬Hippocampus始載于《本草經(jīng)集注》，為中國名貴中藥材，歷版《中國藥典》均有收載。海馬具有增強體質、疏通經(jīng)絡、緩解疼痛、鎮(zhèn)定安神、健脾胃等藥用價值[1]。海馬在中國分布于東海和南海等海域，主產(chǎn)于福建、廣東、臺灣和海南，全年均可捕獲，但以8—9月產(chǎn)量最大[2]，目前海馬在中國多以干制品被消費，被加工成藥物或者制成保健藥酒等，被廣泛用于醫(yī)藥保健行業(yè)。海馬中的水分主要包括結合水、不易流動水和自由水。采用干燥方式主要去除的是海馬中自由水和不易流動水，而結合水主要與大分子物質結合束縛性較強，利用干燥方式較難去除[3]。海馬干制品制備工藝的關鍵在于干燥技術，傳統(tǒng)的干燥方式有日曬風干和熱風干燥2種，日曬風干主要依靠自然條件控制，溫度難以控制，干燥效率較低，批次間產(chǎn)品品質不穩(wěn)定，易受空氣污染，產(chǎn)品質量參差不齊；而熱風干燥主要依靠周圍熱空氣傳熱，熱流密度低，傳熱效率低，干燥溫度雖然能得到一定的控制，但是產(chǎn)品內外干燥不均一，表面結痂現(xiàn)象嚴重，內部水分散失較慢[4]：二者均對產(chǎn)品的營養(yǎng)損失有較大的影響。近年來，不斷涌現(xiàn)出許多新型的干燥技術，如冷風干燥[5]、真空冷凍干燥[6]、真空干燥、微波干燥等[7]，新型的干燥技術不僅加速了產(chǎn)品的干燥過程，且減少了經(jīng)濟損失，但不同的干燥方式會使海馬干制品具有不同的物性特性，從而影響最終產(chǎn)品的品質。

海馬干制品的品質主要取決于海馬干燥過程中的水分狀態(tài)，傳統(tǒng)的水分檢測技術為紅外光譜技術、光譜成像技術等，但新型低場核磁共振技術(low field nuclear magnetic resonance, LF-NMR)的應用，使水分的測定變得高效便利，已成為食品品質檢驗的一項快速、無損檢測技術。LF-NMR是利用磁場中共振特性采集樣品組織中的氫質子信號，能夠快速檢測及分析樣品中含氫物質的分布情況及含量，核磁共振(NMR)的信號強弱與樣品中氫質子的數(shù)量緊密相關[8]，因此，LF-NMR能夠通過NMR信號強度測定諸如細胞或組織這些生物樣品中含水量的變化[9]，以及利用核磁共振成像(MRI)觀察食品內部品質的變化情況，該技術具有穿透能力強、操作簡便、靈敏度高、快速無損且能多次檢測等優(yōu)點，已被廣泛用于食品品質檢測，如黃瓜與櫻桃番茄新鮮度的智能檢測[10]，以及干蝦仁[11]、大豆抗氧化肽粉[12]、改良香腸[13]等的水分分布與品質變化的相關性研究。

目前，不同干燥方式對銀耳[14]、紅棗[15]、蓮藕[16]等農(nóng)產(chǎn)品及沙丁魚[17]、封鳊魚[18]等水產(chǎn)品品質與微觀結構等的影響已有較多報道，而關于海馬的相關研究仍是空白，海馬的研究主要集中在資源[19]、養(yǎng)殖[20-21]和活性物質[22-25]、生藥學[26]等方面。本研究中,以海馬為原料，從干燥耗時、耗能及產(chǎn)品收縮率的變化研究熱風干燥、冷風干燥、真空冷凍干燥與真空干燥4種工藝對干燥性能的影響,并借助低磁場共振技術，探討了不同干燥工藝下產(chǎn)品的水分遷移規(guī)律和復水過程水分分布及其成像，分析了不同干燥方式對海馬品質的影響，以期為海馬干的干燥工藝篩選和應用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用三斑海馬HippocampustrimaculatusLeach捕撈于福建省東山縣海域，體質量為2.5～3.0 g，體長為9～10 cm。

試驗儀器：MesoMR核磁共振分析與成像系統(tǒng)(上海紐邁電子科技有限公司)；BGZ-240電熱鼓風干燥箱、BZF-50真空干燥箱(上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠)；HFD-2冷風干燥箱(杭州歐易電器有限公司)；SCIENTZ-10N真空冷凍干燥機(寧波新芝生物科技股份有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 樣品處理 試驗選用規(guī)格均勻、大小一致的海馬，設置熱風干燥、冷風干燥、真空冷凍干燥和真空干燥4組，每組30只，分別采用不同干燥方式制備海馬干樣品。

1.2.2 干燥試驗 在前期干燥試驗的基礎上，選擇熱風干燥參數(shù)：干燥溫度為100 ℃，熱空氣對流循環(huán)。冷風干燥參數(shù)：干燥溫度為40 ℃，風速為1.5 m/s。真空冷凍干燥參數(shù)：干燥溫度為-26～-30 ℃，真空度為0.1 kPa。真空干燥參數(shù)：干燥溫度為70 ℃，真空度為133 Pa。待產(chǎn)品達恒質量，干燥結束。

1.2.3 含水率測定 參照恒溫干燥法(GB/T 9695.15—2008)測定海馬的含水率。

1.2.4 收縮率測定 采用體積置換法測定海馬的收縮率，置換介質為潔凈小米[3]。計算公式為

Rs=(V0-Vt)/V0×100%。

其中：Rs為體積收縮率(%)；V0為干燥前海馬的體積(mL)；Vt為干燥后海馬的體積(mL)。

1.2.5 耗能測定[27]計算公式為

W=P×t/m。

其中：W為耗能(kW·h/kg)；P為額定功率(kW)；t為干燥消耗的時間(h)；m為物料干燥前的質量(kg)。

1.2.6 橫向弛豫時間反演譜采集 對不同干燥時間的海馬樣品直接進行檢測，在Li等[28]的試驗方法上稍做調整，利用低場核磁共振技術(LF-NMR)中的CPMG(carr-purcell-meiboom-gill)脈沖序列對樣品的橫向弛豫時間(t2)進行檢測。將樣品放入線圈的中心位置后，進行t2采集，通過核磁共振t2反演軟件對采集的信息值反演成t2反演譜。CPMG脈沖序列參數(shù)為：主頻(SF)20 MHz，偏移頻率(SW)200 kHz，90°脈沖時間(P1)10.48 μs，180°脈沖時間(P2)22 μs，采樣點數(shù)(TD)640 006，重復時間(TW)4 000 ms，累加次數(shù)(NS)32次，回波數(shù)(NECH)16 000。

1.2.7 核磁共振t1加權成像檢測 對不同干燥時間的海馬樣品直接進行檢測，將海馬干制品置于水中，常溫條件下復水，每隔15 min取出樣品瀝干水分，置于磁場中心位置的射頻線圈中心進行檢測，線圈直徑為40 mm。參數(shù)設置為：層數(shù)(slices)1，視野FOV為100 mm×100 mm，層厚(slice width)5 mm，層間隙(slice gap)2 mm，read size為256，phase size為192，掃描次數(shù)(average)8，t1加權成像的重復時間(TR)500 ms，回波時間(TE)18.125 ms。所獲數(shù)據(jù)經(jīng)紐邁核磁共振成像應用軟件進行圖像處理。

1.2.8 復水率測定 將海馬干制品置于水中，常溫條件下復水，每隔15 min取出樣品瀝干水分，稱其質量，計算其復水率。每個試驗重復測定3個平行，取其平均值。復水率計算公式為

Rf=(mg-m0)/m0×100%。

其中：Rf為復水率(%)；mg為復水后樣品質量(g)；m0為復水前樣品質量(g)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗結果均以平均值±標準差(mean± S.D.)表示。所有數(shù)據(jù)測量均為30個重復(n=30)，采用 SPSS Statistic 17.0 軟件進行單因素方差分析，采用Duncan 法進行組間多重比較，顯著性水平設為0.05。

2 結果與分析

2.1 不同干燥方式下海馬干的干燥耗時、耗能和收縮率

圖1為不同干燥方式對海馬干干燥耗時的影響，經(jīng)單因素方差分析，各種干燥方式下的耗時具有顯著差異性(P<0.05)，將海馬干燥至恒質量，熱風干燥、冷風干燥、真空冷凍干燥和真空干燥處理所需的時間分別為15、18、35、10 h。

圖1 不同干燥方式下海馬干的干燥耗時

從表1可見：不同干燥方式的耗能也存在顯著性差異(P<0.05)，其中，真空干燥處理耗能最低(2.46 kW·h/kg)，冷風干燥耗能最高(7.79 kW·h/kg)，約是真空干燥的3.2倍，而真空冷凍干燥的耗能顯著高于熱風干燥(P<0.05)；與鮮樣相比，經(jīng)熱風干燥、冷風干燥、真空冷凍干燥和真空干燥處理的海馬收縮率分別為36.18%、29.21%、17.47%、33.12%，其中,真空冷凍干燥的收縮率最少，而熱風干燥的收縮率最高，均與其他干燥方式具有顯著性差異(P<0.05)。

表1 不同干燥方式下海馬干的干燥耗能和收縮率

2.2 不同干燥方式下海馬干的水分狀態(tài)

橫向弛豫時間反演譜中，t2值越小表示該部分水的流動性較小，t2值越大表示流動性較大，其中水分子和糖類或其他低分子量化合物組成的稀溶液是質子的主要化學交換方式[29-31]。從圖2(a)中可以看出，反演后的海馬NMRt2反演譜存在4個峰，分別為t21(0.2～1.5 ms)、t22(1.5～10 ms)、t23(10～100 ms)和t24(100～1 500 ms)，t2組分的水大部分與細胞骨架、酶和高濃度的細胞溶質結合，分布于細胞質中，較短t21和t22組分可看作是海馬內部物質結合最緊密的結合水，t23組分為水自由度介于結合水與自由水間且容易發(fā)生轉化的不易流動水，t24組分為具有流動性的自由水。從圖2(b)～(f)可知，隨著海馬含水率的減少，t2和信號幅度均降低，干燥初期，海馬不易流動水和自由水的含量較高，干燥一段時間后，二者的含量明顯降低，以結合水為主。

圖2 不同干燥方式中海馬干的橫向弛豫時間反演譜

2.3 不同干燥方式的海馬干復水過程

2.3.1 復水過程中水分狀態(tài)的變化 不同干燥方式下的海馬干復水過程的橫向弛豫圖譜如圖3所示，不同復水時間的海馬干中基本都存在3個組分峰，從左到右分別代表結合水、結合相對較弱的不易移動水和以游離狀態(tài)存在的自由水。從圖3可見：隨著復水時間的延長，整個圖譜向右遷移，往長弛豫時間移動，這說明不易流動水和自由水的自由度持續(xù)上升，水分的流動性增加；結合水和自由水含量的變化較小，而不易流動水的含量隨著復水時間的延長不斷升高，說明總的相對水分含量的增加主要是由不易流動水引起的。

圖3 不同干燥方式海馬干復水的橫向弛豫時間t2圖譜

2.3.2 復水過程中MRI核磁共振成像 由“2.3.1節(jié)”分析發(fā)現(xiàn)，海馬復水過程中水分含量的增加主要是不易流動水引起的，所以本研究中采用t1加權成像進行分析。不同干燥方式的海馬干制品復水過程中的t1加權成像的相對信號量如圖4所示，t1加權成像呈現(xiàn)的是短弛豫時間的組分，圖像冷暖表示氫質子信號量的強弱。從圖4可見：隨著復水時間的延長，不同干燥方式下海馬干制品的t1信號強度隨著復水時間的延長而逐漸增強，均未出現(xiàn)大面積的高氫質子信號量，t1加權成像主要向頭部和腹部擴增，而尾部和背部的信號量較少；冷風干燥、熱風干燥、真空干燥和真空冷凍干燥處理的海馬干制品分別在復水210、120、135、120 min后信號強度趨于穩(wěn)定，其中，熱風干燥和真空冷凍干燥的復水速度明顯優(yōu)于其他2種干燥方式。

圖4 不同干燥方式海馬干復水的t1加權成像圖

2.3.3 復水率的變化 不同干燥方式下海馬干的復水率變化如圖5所示，隨著復水時間的延長，復水率隨之增大；復水240 min時，熱風干燥得到的海馬復水率(95.87%)最高，其次是真空冷凍干燥(89.98%)，而真空干燥和冷風干燥處理組復水能力最較差，分別為71.81%和70.94%。

圖5 干燥海馬的復水曲線

3 討論

3.1 干燥方式對干燥性能的影響

本試驗表明，不同干燥方式的干燥性能不同，真空干燥的耗時最短為10 h，耗能最低為2.46 kW·h/kg，其次為熱風干燥，耗時和耗能分別為15 h和4.03 kW·h/kg，這說明對海馬進行真空干燥和熱風干燥處理，不僅可以大大提高產(chǎn)品干燥效率，減少生產(chǎn)的時間成本，還具有節(jié)能減耗作用，得到的干品干燥性能優(yōu)于其他干燥處理。但從海馬的收縮率來看，熱風干燥的收縮率最高(36.18%)，這可能與其干燥機理有關，熱風干燥釋放的熱量通過空氣傳遞至樣品，因先接觸的是樣品的表面，高溫加速了表面水分的流失，導致表層水分比內部水分較快散失，故形成致密的結構，造成較大的收縮率[32]，而真空冷凍干燥的收縮率最低(17.47%)，因為真空冷凍干燥是樣品凍結情況下，利用低溫和高真空，將凍結后的冰晶升華，該過程中不會影響樣品的形狀，形成疏松的多孔性結構，故只造成輕微的收縮[33]。

3.2 干燥方式對海馬干水分狀態(tài)的影響

橫向弛豫時間t2表示在外加磁場收到射頻脈沖的作用下，氫質子自旋核內部達到橫向熱平衡這一過程所用的時間，組織中的含水率、不同區(qū)域的水分屬性，以及水分與大分子和溶質之間的相互作用均與弛豫過程相關[3]。本試驗中，利用NMRt2反演譜測定海馬在不同干燥方式下水分狀態(tài)的變化情況，由海馬NMRt2反演譜的4個峰可知，海馬中存在結合水t21(0.2～1.5 ms)+t22(1.5～10 ms)、不易流動水t23(10～100 ms)和自由水t24(100～1 500 ms)。大部分食品原料為多相體系，利用NMR檢測樣品的t2反演譜圖存在較大差異，王雪媛等[34]得到蘋果片中結合水t21為1～20 ms、不易流動水t22為20～100 ms和自由水t23為100～1 000 ms；謝小雷等[3]測得牛肉干的反演圖譜有3個波峰，得到結合水t21為1～10 ms、不易流動水t22>10～100 ms、自由水t23>100～1 000 ms；Mortensen等[35]檢測到馬鈴薯中存在2種狀態(tài)的水分，原生質與細胞間隙中的水t21(45～65 ms)，淀粉與細胞壁結合的水t22(350～550 ms)。與蘋果片、牛肉干和馬鈴薯的t2相比，本試驗中得出的海馬結合水弛豫時間t21、t22相對較小，同時，不易流動水(t23)和自由水(t24)存在明顯的重疊現(xiàn)象，這可能是因為海馬化學組成成分較復雜，使得自由水和不易流動水之間存在交換作用。

本試驗表明，不同干燥方式的海馬在干燥過程中含水率逐漸減少，t2和信號幅度隨之呈現(xiàn)下降趨勢，水分子的流動性決定了水分質子t2的大小，弛豫過程主要受樣品含水率的影響，此外還受到樣品中大分子與水分子之間不同形式的結合能力的影響，從而可以在t2反演譜中看到不同水分分布情況，較短的t21、t22的原因是氫鍵與蛋白質、多糖等大分子物質密切結合而形成結合水，形成組織結構物質，不同干燥方式的干燥過程中水分均是由高自由度向低自由度轉變[34]。

3.3 干燥方式對海馬干復水過程的影響

復水過程是樣品在吸水過程中水分子與大分子物質的結合，該過程中具有多種復雜的物理化學反應[36]。本試驗中，不同干燥方式干燥后的海馬干復水過程的NMRt2反演譜存在3個峰，隨著復水時間的延長，海馬干中不易流動水和自由水自由度不斷增加，流動性增大；結合水和自由水含量的變化較小，而不易流動水的含量隨著復水時間的延長不斷升高，該結果與海參[36]和蝦仁[37]復水過程中自由水和不易流動水含量均增加的結果不同，這可能是由于不同原料內部的肌纖維結構不同所致。

本試驗中，利用t1加權像對不同干燥方式海馬干的復水過程進行分析，由t1加權成像圖可知，隨著復水時間的延長，t1信號強度逐漸增強，均未出現(xiàn)大面積的高氫質子信號量，信號量的分布主要從頭部和腹部開始擴增，尾部和背部則較少。程沙沙等[37]利用MRI得到了干制蝦仁在復水過程中水分從蝦仁的頭部滲入，逐漸向體部和尾部擴散；Deng等[38]研究則表明，干制魷魚片復水水分是從魷魚片的表面向內部逐漸遷移，這些結果與本研究結果略有差異，這可能與樣品的形狀、大小及復水界面均一性的差異有關。本試驗中，對比不同干燥方式的t1加權像和復水率發(fā)現(xiàn)，熱風干燥和真空冷凍干燥的復水速度優(yōu)于冷風干燥和真空干燥，這與雞肉、大麥、牛肉等復水過程中熱風干燥效果最差的研究結果[39-40]相反，這可能是因為海馬的肌肉結構不同，體無鱗，由骨質環(huán)所包，熱風干燥的干燥溫度較高，海馬干燥后腹部中空，肌肉組織脆度變大，肌肉結構被破壞，加速復水進程，使得復水時水分更容易滲入海馬體內；而真空冷凍干燥的海馬干制品形成疏松均勻的多孔結構，能有效促進干制品復水過程的水分滲入[27]。

4 結論

1) 綜合考慮海馬的干燥效率及干品品質要求，熱風干燥和真空干燥海馬具有用時短、干燥速率快、易操作控制、能耗小的優(yōu)點，但收縮程度較大，可以通過調整干燥溫度來降低。

2) 真空冷凍干燥能夠保留鮮樣的原有品質特性，在收縮率方面相比其他方式具有明顯的優(yōu)越性，因此，真空冷凍干燥可作為干燥海馬的首選方法，但干燥性能較差，掌握好其干燥的關鍵控制點在于如何節(jié)能降耗和低成本生產(chǎn)，這也成為當前該技術領域亟待解決的問題。