“紐邁杯”江南大學(xué)優(yōu)秀案例解析|低場核磁共振分析用于磁場輔助冷凍對蝦仁水分遷移的調(diào)控研究

發(fā)布時(shí)間：2025-07-18 17:24

各位關(guān)注食品科技前沿的朋友們，“紐邁杯”江南大學(xué)優(yōu)秀案例解析系列迎來了收官之作！壓軸登場的研究聚焦冷凍食品品質(zhì)提升的核心挑戰(zhàn)——水分遷移與冰晶損傷。本期，我們一同走進(jìn)江南大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用低場核磁共振技術(shù)，探索磁場輔助冷凍調(diào)控對蝦仁水分遷移的精彩研究！

研究背景：

冷凍技術(shù)是延長水產(chǎn)品貨架期（如蝦類）的關(guān)鍵手段，通過抑制生理生化過程、微生物生長來維持產(chǎn)品品質(zhì)。然而，傳統(tǒng)冷凍過程常因凍結(jié)速率不足，導(dǎo)致形成大量不規(guī)則的大冰晶。這些冰晶會嚴(yán)重?fù)p傷食品組織細(xì)胞，引發(fā)水分遷移，進(jìn)而造成產(chǎn)品風(fēng)味、營養(yǎng)價(jià)值的損失，并影響后續(xù)加工與消費(fèi)接受度，制約了水產(chǎn)品的推廣與發(fā)展。因此，調(diào)控冰晶尺寸、抑制水分遷移成為提升冷凍水產(chǎn)品品質(zhì)的核心挑戰(zhàn)。幾十年來，冷凍工藝的優(yōu)化集中在提高熱傳遞效率上。然而，這種方法的主要缺點(diǎn)（如低溫快速冷凍）是總冷卻成本高，且某些產(chǎn)品在直接暴露于極低溫度時(shí)易發(fā)生凍裂。最近，人們開始關(guān)注成核并提出了幾種成核控制技術(shù)。從調(diào)節(jié)晶體核心形成和冰晶生長的角度出發(fā)，加速冷凍速率，使熱傳遞速率大于水分滲透速率，以形成大量小體積均勻分布的細(xì)胞內(nèi)冰晶，保護(hù)食品組織。其中，磁場輔助冷凍（MF）不僅改變了冰晶的成核，而且沒有污染且能耗低。它不會在凍結(jié)過程中改變食品內(nèi)部壓力或產(chǎn)生氧化物質(zhì)，是一種新型綠色食品凍結(jié)技術(shù)。

準(zhǔn)確表征冰晶形成過程及水分狀態(tài)動態(tài)變化對優(yōu)化冷凍工藝至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)檢測方法多依賴破壞性取樣，難以實(shí)現(xiàn)冷凍過程中水分遷移與冰晶演變的實(shí)時(shí)、原位追蹤。相比之下，低場核磁共振（LF-NMR）技術(shù)憑借其非破壞性優(yōu)勢，能夠通過檢測水分子中氫質(zhì)子的弛豫特性（特別是T₂弛豫時(shí)間），有效區(qū)分并量化樣品中不同狀態(tài)水分（如自由水、結(jié)合水）的分布與遷移情況，為解決上述難題提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

研究目標(biāo)：

1、揭示磁場輔助冷凍對蝦仁水分遷移的影響機(jī)制；

2、優(yōu)化磁場強(qiáng)度參數(shù)，提升冷凍蝦仁的保水性與質(zhì)構(gòu)。

研究方法：

實(shí)驗(yàn)流程：

樣品制備：

1、活蝦預(yù)處理；

2、磁場冷凍（0-80 mT）；

3、LF-NMR與MRI檢測。

關(guān)鍵參數(shù)：

1、磁場強(qiáng)度梯度（20/40/60/80 mT）；

2、冷凍溫度曲線（預(yù)冷、相變、深冷階段）。

分析方法：

LF-NMR：橫向弛豫時(shí)間（T₂）解析水分分布；

MRI：偽彩色圖譜直觀展示水分遷移；

SEM/光學(xué)顯微鏡：冰晶形態(tài)與肌纖維損傷觀察。

該實(shí)驗(yàn)中使用核磁共振成像分析儀NMI20-060H-I（紐邁分析）進(jìn)行了LF -NMR弛豫測量。通過多層自旋回波脈沖序列成像分析了磁共振成像 (MRI)測量結(jié)果，直觀展示了樣品的水分分布情況。

關(guān)鍵結(jié)果與分析：

1、低場核磁共振（LF-NMR ）是一種非破壞性方法，通過測量樣品中水分子的弛豫時(shí)間來分析水分的分布和狀態(tài)。

圖1：LF NMR曲線

圖2：水組分P₂的相對含量（%）

圖3：橫向弛豫時(shí)間T₂（ms）（IF：浸泡凍結(jié)；MF：不同強(qiáng)度的磁場輔助凍結(jié)。）

如圖所示，在0-1 毫秒(T_2b1)、1-10毫秒(T_2b2)、10-100毫秒(T₂₁)和100-1000毫秒(T₂₂)可以觀察到四種不同的水群體。T_2b1和T_2b2分別代表強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水。T₂₁代表存在于肌原纖維蛋白致密網(wǎng)絡(luò)中的固定水，而T₂₂代表存在于纖維束之間，依賴于毛細(xì)管力的自由水?。P₂ 代表相應(yīng)組的相對含水量，P₂越大，重組組的相對含水量越高，反之亦然。（C-F）T₂代表樣品對水分子的結(jié)合能力，T₂值越小，樣品對水分子的結(jié)合能力越強(qiáng)，反之亦然。

1、冷凍處理導(dǎo)致固定水 (T₂₁) 的弛豫時(shí)間增加，表明冷凍減弱了固定水與其他成分的結(jié)合，并增加了固定水的流動性。這可能是由于冷凍導(dǎo)致肌原纖維蛋白質(zhì)變性，從而改變了水合作用，以及肌原纖維網(wǎng)絡(luò)的惡化導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子部分氫鍵和離子鍵解離。

2、MF-60 處理組的 T₂₁ 值低于其他冷凍處理組，表明 MF-60 處理有效地抑制了固定水流動性的增加，這可能歸因于 MF-60 抑制了大冰晶的形成，減少了冰晶對肌纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的損傷，抑制了蛋白質(zhì)分子的展開和變性。

2、磁共振成像(MRI) 是一種快速且無創(chuàng)的成像技術(shù)，通過測量樣品中氫原子的弛豫時(shí)間來構(gòu)建樣品內(nèi)部水分分布的圖像，可以無損地檢測食品基質(zhì)內(nèi)部的水分布。圖像中不同顏色的區(qū)域代表不同的氫質(zhì)子密度，從而反映不同區(qū)域的水分含量。