基于低场核磁成像技术研究稻谷缓苏的机理

夏宝林 丁 超 章志华 严秋钫 杨 娜

(江阴市食品安全检测中心1，无锡 214434) (南京财经大学食品科学与工程学院2，南京 210046) (江苏大学理学院3，镇江 212013)

收获后的稻谷水分普遍较高，一般高达20%。高水分稻谷需干燥至安全水分才能长期储藏。热风干燥可快速、有效地降低稻谷的水分含量，不合理的干燥工艺容易导致裂纹粒的出现，降低其整精米率，严重影响其商业价值[1]。由于水分在颗粒表面蒸发速率远大于内部水分的扩散速率，在干燥过程中，颗粒内部容易形成水分梯度[2]。传统的爆腰理论认为，由于水分分布的不均，颗粒内部产生应力，当该应力超过了谷物自身的抗拉强度极限时导致裂纹的出现[3-5]。

缓苏过程可有效地保证稻谷的干燥后的品质[6-7]。颗粒内部水分在水分梯度的作用下继续向外扩散，最终达到内部水分趋于均匀化的目的。缓苏时间的选择一直凭借经验或对数学模型进行模拟并分析最佳的缓苏时间[6,8-9]。但是，对于稻谷颗粒这种外形尺寸较小的物料来说，检测颗粒内部水分分布及迁移尚存难度。

近年来，核磁共振技术的发展为量化稻谷颗粒内部的水分分布及迁移过程的变化提供了可能。它是一种非破坏性的检测技术，不具有侵略性、破坏性，且对样品限制较小。以氢核为研究对象的Nuclear Magnetic Resonance(NMR)和Magnetic Resonance Imaging(MRI)技术可直观地反应样品中水分结合形式和水分分布与迁移[10-12]。因此,本文应用低场核磁成像技术，结合MATLAB图像处理软件，研究了干燥后的单粒稻谷在缓苏过程中的水分分布情况及迁移的规律，以期为干燥后稻谷缓苏时间的选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

新收获的稻谷购于江苏省淮安，稻谷品种为镇稻99，初始水分为18.5%(105 ℃烘干法，干基)。为了增加稻谷的信号强度(S)，给稻谷进行增湿处理并将稻谷置于人工气候箱中平衡72 h，稻谷最终水分为26.3%。

1.2 主要仪器及设备

NMI20型核磁共振成像仪：磁体强度0.5 T，线圈直径5 mm，磁体温度为32 ℃。

1.3 试验方法

1.3.1 样品处理

将高水分稻谷置于60 ℃的鼓风干燥箱中进行薄层干燥，干燥时间为30 min，高温快速干燥使颗粒内部产生一定的水分梯度。干燥结束之后，选择一粒饱满的颗粒进行成像，成像前先去壳，并用不锈钢刀片从胚芽底部削平。处理好的稻谷颗粒水平放置于5 mm(o.d.)的石英试管中，其后置于磁体中心，平衡5分钟后，进行横截面成像试验，得到干燥后稻谷横截面像。将该粒稻谷连续成像，获得不同缓苏时间的稻谷横截面像。

1.3.2 低场核磁成像

成像面为稻谷的横截面，检测稻谷横向方向的信号强度的变化，如图2所示。采用自旋回波成像序列(SE)对样品进行质子密度的成像，检测参数为：重复时间D0=100 ms；回波时间TE=4.002 ms；视野大小FOV=4.7×4.7 mm2；累加次数NS=128；K空间大小为200×128，经傅里叶重建后成为256×256像素，然后每个图像转换为BMP格式图像。

1.3.3 图像处理及数据的分析

运用MATLAB软件对图像进行处理、信号提取、图像减法计算、数据的拟合； Excel 2003用于颗粒内部信号强度动态变化的分析。

2 结果与分析

2.1 核磁共振成像

所谓的成像，就是根据核磁共振产生的条件，利用三个相互垂直的的可控线性梯度磁场进行空间定位，将编码后的NMR信号存储在K空间中，并对这些原始数据进行傅里叶变化即可得到灰度图像。灰度图像由像素组成，每个像素具有两个参数，即位置信息和像素灰度值。在磁共振氢质子密度成像中，单位体积氢质子密度大，则信号强；质子密度小，则信号较弱。通过质子密度权重图像可看到单位单位体积自旋质子的分布情况，以及自旋质子数量的多少，可直观地显示水分的分布及迁移[13]。

原始的灰度图像经MATLAB转换为伪彩图，图1a与图1b分别为稻谷的剖面与截面伪彩图。颜色条可反应信号强度的强弱，其中红色越深，表示信号强度越大；蓝色越深，表示信号越弱。每个单位面积上的信号强度为单个颗粒在成像方向上的平均信号强度。由图1a、图1b中可看出，稻谷的胚芽及糊粉层的信号强度明显强于胚乳。可见，稻谷胚芽及糊粉层单位面积上的氢质子密度均大于胚乳，主要是因为稻谷胚芽及糊粉层上的脂肪含量较高，分别约为20%、18%，而胚乳中脂肪含量仅为0.3%左右[14]。单位质量脂肪的质子数远大于水的氢质子数。故脂肪含量高的部位，信号越强，对应的伪彩图上的颜色越靠近深红色。

注：1 胚芽，2 糊粉层，3 外围，4 中间层，5 中心层，箭头表示稻谷颗粒的位置, 右边的颜色条指示信号的强度。图1 灰色图像经转变得到的伪彩图

2.2 干燥后颗粒内部水分分布

干燥后水分为22.8%，选取一粒饱满的稻谷颗粒进行横截面成像。图1c为干燥后稻谷截面像的伪彩图。由图1c可以看出，中心部位(5区)信号强度较高，水分含量较高；中间部位(4区)信号强度较低，反应水分含量较低；而外围(3区)的信号强度高于中间部位(4区)，主要是糊粉层的存在增加了外围的信号强度。可见，干燥过程中颗粒内部水分呈不均匀分布。

由于水分分布的不均匀导致颗粒内部产生很大的内应力，外层失水收缩产生较大的拉应力，靠近中心部位存在较大的压应力。外层区(拉应力区)在干燥过程易受到力学损伤，可能进一步扩展成裂纹。Jia等用高速显微镜摄影观察到裂纹生成于靠近表面处，同时采用有限元法干燥过程中稻谷内部应力分布的情况，模拟结果也显示：在接近稻谷表面处存在拉应力区，尤其是轴向拉应力始终处于较高水平；在接近中心部位存在压应力区[15]。综上所述，在干燥过程中，稻谷颗粒的外围是裂纹形成的高危位置，应尽量避免干燥速率过快，稻谷颗粒的表面过干，或停机缓苏。

2.3 缓苏过程中水分的迁移

2.3.1 图像分析

试验的过程中，对薄层干燥后的同一粒稻谷连续成像，每次成像耗时约32 min，共得到7副稻谷横截面像，用于分析缓苏过程中稻谷颗粒截面上各点水分动态变化。图2列出了缓苏不同时间后，同粒稻谷的横截面的质子密度像。图2中第一幅图被视为干燥后稻谷的截面像，由图可见，靠近中心部位明显亮于周边。比较这一系列的图像，得出随着缓苏时间的延长，中间部位水信号逐渐减弱，而周边水信号逐渐增强，说明缓苏过程中中间的水分不断向四周扩散，使稻谷颗粒内部的水分梯度不断降低。缓苏到2.21 h后，颗粒内部亮度分布趋于稳定，可见水分梯度的减少主要集中发生缓苏的前1～2 h内。

MATLAB具有很出色的图像处理能力，可对图像进行减运算，即将图像格式文件读入为MATLAB图像对象数组数据，求出两个图像矩阵对应像素值的差，再以像素值差为参数通过显示命令获得新的图像。为了更清楚展现缓苏过程中颗粒内部水分梯度的减少，运用MATLAB软件对图像进行减法运算。将干燥后的稻谷质子密度像分别减去缓苏不同时间所得到的像，可得到缓苏不同时间后颗粒内部水分分布的变化。图3列出了缓苏前后质子密度像经减法运算后得到的新像，中心与表面像素值较大，而中间的像素值为0(图像减运算中，小于0的像素值会自动设置为0)，由此可反应了缓苏过程中颗粒内部水分迁移过程，即颗粒中心与表面部位不断地有水分转出，而中间部位不断地有水分转入。可见，缓苏过程主要存在两个传质过程，即：靠近中心部位的水分不断向中间扩散(导致中间氢质子密度增加)与表面水分不断向空气中对流。从图3可以看出，随着缓苏进行，颗粒表面及中心部位越来越亮，且面积不断扩大，说明缓苏过程中这两个部位水分不断散失，且随着缓苏时间的延长，散失的水量不断增加，120 min后趋于稳定。以上图像分析说明缓苏过程中，颗粒中心水分不断地向周边扩散，缓苏可有效地减少了颗粒内部水分梯度。

图2 缓苏过程中，同一粒稻谷缓苏不同时间后的核磁共振图像

图3 不同缓苏时间得到的核磁共振像与干燥后的图像比较

2.3.2 信号强度分析

研究各像素点信号强度的变化，可量化颗粒内部水分分布及迁移过程。K空间是数字化后的NMR原始数据的存储空间，原始数据包括空间编码信息及信号量。MATLAB软件中fread函数可直接读取FID文件，获得对应于各点的信号强度。图4显示缓苏过程中，颗粒长轴方向上各点信号强度的变化趋势。可见，颗粒内部的水分分布不均匀，靠近中心部分的信号强度始终高于外围。中心部位的信号强度始终最高，靠近外层则较低。缓苏过程中，胚乳中心部位的信号强度的变化更加明显，且信号强度的衰减主要集中在缓苏的前期，随着缓苏时间的延长，衰减速率减慢，主要是因为内部水分梯度逐渐减小，水分扩散的驱动力逐渐消失。图5显示了颗粒内部长轴方向上各位置的信号强度随缓苏时间的变化趋势。胚乳中心部位的信号强度递减最快，主要是因为中心部位的水分梯度最大，驱动力也最大。靠近外围，信号降低速率较慢。整个缓苏过程中，节点1的信号从1 149.33下降至759.02，而节点3的信号下降并不明显，仅从701.65下降至565.79。各点的平均信号的下降也说明了在缓苏过程中颗粒内部的总体水分含量是下降的。

图4 缓苏过程中颗粒长轴方向上各点平均信号的动态变化

图5 缓苏过程中颗粒内部不同位置的平均信号强度的动态变化

2.3.3 数学模型的分析

干燥过程中，稻谷颗粒中心部位的信号强度始终最大，研究中心部位的信号强度变化规律具有重要的意义。数学模型对中心点的信号强度进行拟合，可有效地描述缓苏的动力学过程，还可以为缓苏时间的确定提供理论指导。常见的农产品干燥模型主要有Newton、Page、Henderson Ve Papis、Logarithmic、Two-term exponential等模型(见表1)。平均信号强度与稻谷颗粒的水分呈一一对应关系，故可用信号比代替水分比[16，17]。

式中：M为某时刻的含水量；Me为平衡水分；M0为初始水分。

式中：S为某时刻的平均信号强度；S0为初始平均信号强度。

MATLAB软件中的nlinfit函数对胚乳中心信号强度随缓苏时间变化过程分别进行了拟合。决定系数R2、平均相对百分率误差MRE、残差平方和SSE、标准差SE可用于评价拟合的好坏。其中，决定系数越大，其他几个指标越小越好。指标可由式(1)～式(4)计算。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：mi为第i次试验值，mpi为第i次的预测值；mmi为实验值的平均值；n为测定次数。

表2列出了数学模型的拟合结果，从表中可看出，决定系数变化范围为0.829 16到0.996 39范围内，可见各个模型拟合较好，其中双指数模型拟合的结果最好，R2值最大，SSE、SE、MRE值最小。Hwang等利用高场核磁共振成像技术研究稻谷缓苏过程中中心点的信号强度的变化，得出了类似的结论[12]。所以，双指数模型能更好地反应缓苏过程中水分迁移过程，拟合结果为：

S/S0=0.274e-1.2115t+0.725 4e-0.031 9t

式中：S为某时刻的中心信号强度；S0为初始时刻中心信号强度；t为缓苏时间/h。

以上结果说明，缓苏过程中水分迁移包括两个过程，即：稻谷表面的对流与内部水分扩散。干燥常数是反应水分扩散速率的常数，对流的速率快于扩散过程，故两者的干燥常数k1、k2分别为1.211 4、0.031 9。缓苏1 h后，胚乳中心点的信号强度1 148降至901.43，完成整个缓苏过程的63.5%。

表1 用于描述缓苏过程的数学模型

表2 不同模型的拟合结果

综上，核磁共振成像技术可量化缓苏过程水分分布与迁移过程，为确定缓苏时间提供一定的依据。事实上，干燥过程中稻谷颗粒内部是允许一定的水分梯度存在的[22]。颗粒内部的水分梯度的临界值，应与干燥后稻谷整精米率联系起来考虑，以确定最佳的缓苏时间。今后的研究中，可进一步利用核磁共振技术研究水分梯度与稻谷爆腰率与整精米率的关系。在实际干燥过程中，缓苏时间受干燥温度、干燥时间、空气相对湿度、缓苏温度等因素的影响，为缓苏时间选择增加了难度。核磁共振成像技术分析颗粒内部水分分布及水分迁移过程，并结合相应的干燥模型，可以为缓苏时间提供理论指导。

3 结论

利用核磁共振成像技术获得了稻谷的剖面图与截面图。从剖面图中可看出，稻谷胚乳部位明显亮于胚部；在截面图中，糊粉层信号较强。主要是因为稻谷的胚芽与糊粉层的脂肪含量较高。从干燥后稻谷的截面像中可看出，胚乳内部水分分布明显不均匀。中心部位信号较强，靠近边缘部位信号较弱，说明干燥过程中稻谷表面水分的对流快于内部水分扩散。

缓苏过程中，胚乳内的水分分布发生明显的变化，胚乳中心部位及糊粉层有水分转出。随着缓苏时间的延长，内部水分分布趋于稳定。胚乳中心部位信号强度衰减速率最快，并用双指数模型进行拟合，决定系数达到0.996 39，拟合效果较好，说明稻谷缓苏过程水分迁移主要有对流与扩散两种方式。

利用核磁共振成像技术可直接得到缓苏过程中单粒颗粒内部水分分布及迁移情况，对缓苏过程进行更全面更准确的测量分析，提高研究结论的准确性。