海马Hippocampus始载于《本草经集注》，为中国名贵中药材，历版《中国药典》均有收载。海马具有增强体质、疏通经络、缓解疼痛、镇定安神、健脾胃等药用价值[1]。海马在中国分布于东海和南海等海域，主产于福建、广东、台湾和海南，全年均可捕获，但以8—9月产量最大[2]，目前海马在中国多以干制品被消费，被加工成药物或者制成保健药酒等，被广泛用于医药保健行业。海马中的水分主要包括结合水、不易流动水和自由水。采用干燥方式主要去除的是海马中自由水和不易流动水，而结合水主要与大分子物质结合束缚性较强，利用干燥方式较难去除[3]。海马干制品制备工艺的关键在于干燥技术，传统的干燥方式有日晒风干和热风干燥2种，日晒风干主要依靠自然条件控制，温度难以控制，干燥效率较低，批次间产品品质不稳定，易受空气污染，产品质量参差不齐；而热风干燥主要依靠周围热空气传热，热流密度低，传热效率低，干燥温度虽然能得到一定的控制，但是产品内外干燥不均一，表面结痂现象严重，内部水分散失较慢[4]：二者均对产品的营养损失有较大的影响。近年来，不断涌现出许多新型的干燥技术，如冷风干燥[5]、真空冷冻干燥[6]、真空干燥、微波干燥等[7]，新型的干燥技术不仅加速了产品的干燥过程，且减少了经济损失，但不同的干燥方式会使海马干制品具有不同的物性特性，从而影响最终产品的品质。
海马干制品的品质主要取决于海马干燥过程中的水分状态，传统的水分检测技术为红外光谱技术、光谱成像技术等，但新型低场核磁共振技术(low field nuclear magnetic resonance, LF-NMR)的应用，使水分的测定变得高效便利，已成为食品品质检验的一项快速、无损检测技术。LF-NMR是利用磁场中共振特性采集样品组织中的氢质子信号，能够快速检测及分析样品中含氢物质的分布情况及含量，核磁共振(NMR)的信号强弱与样品中氢质子的数量紧密相关[8]，因此，LF-NMR能够通过NMR信号强度测定诸如细胞或组织这些生物样品中含水量的变化[9]，以及利用核磁共振成像(MRI)观察食品内部品质的变化情况，该技术具有穿透能力强、操作简便、灵敏度高、快速无损且能多次检测等优点，已被广泛用于食品品质检测，如黄瓜与樱桃番茄新鲜度的智能检测[10]，以及干虾仁[11]、大豆抗氧化肽粉[12]、改良香肠[13]等的水分分布与品质变化的相关性研究。
目前，不同干燥方式对银耳[14]、红枣[15]、莲藕[16]等农产品及沙丁鱼[17]、封鳊鱼[18]等水产品品质与微观结构等的影响已有较多报道，而关于海马的相关研究仍是空白，海马的研究主要集中在资源[19]、养殖[20-21]和活性物质[22-25]、生药学[26]等方面。本研究中,以海马为原料，从干燥耗时、耗能及产品收缩率的变化研究热风干燥、冷风干燥、真空冷冻干燥与真空干燥4种工艺对干燥性能的影响,并借助低磁场共振技术，探讨了不同干燥工艺下产品的水分迁移规律和复水过程水分分布及其成像，分析了不同干燥方式对海马品质的影响，以期为海马干的干燥工艺筛选和应用提供理论基础。
1 材料与方法
1.1 材料
试验用三斑海马Hippocampus trimaculatus Leach捕捞于福建省东山县海域，体质量为2.5～3.0 g，体长为9～10 cm。
试验仪器：MesoMR核磁共振分析与成像系统(上海纽迈电子科技有限公司)；BGZ-240电热鼓风干燥箱、BZF-50真空干燥箱(上海博迅实业有限公司医疗设备厂)；HFD-2冷风干燥箱(杭州欧易电器有限公司)；SCIENTZ-10N真空冷冻干燥机(宁波新芝生物科技股份有限公司)。
1.2 方法
1.2.1 样品处理 试验选用规格均匀、大小一致的海马，设置热风干燥、冷风干燥、真空冷冻干燥和真空干燥4组，每组30只，分别采用不同干燥方式制备海马干样品。
1.2.2 干燥试验 在前期干燥试验的基础上，选择热风干燥参数：干燥温度为100 ℃，热空气对流循环。冷风干燥参数：干燥温度为40 ℃，风速为1.5 m/s。真空冷冻干燥参数：干燥温度为-26～-30 ℃，真空度为0.1 kPa。真空干燥参数：干燥温度为70 ℃，真空度为133 Pa。待产品达恒质量，干燥结束。
1.2.3 含水率测定 参照恒温干燥法(GB/T 9695.15—2008)测定海马的含水率。
1.2.4 收缩率测定 采用体积置换法测定海马的收缩率，置换介质为洁净小米[3]。计算公式为
Rs=(V0-Vt)/V0×100%。
其中： Rs为体积收缩率(%)；V0为干燥前海马的体积(mL)；Vt为干燥后海马的体积(mL)。
1.2.5 耗能测定[27] 计算公式为
W=P×t/m。
其中： W为耗能(kW·h/kg)；P为额定功率(kW)；t为干燥消耗的时间(h)；m为物料干燥前的质量(kg)。
1.2.6 横向弛豫时间反演谱采集 对不同干燥时间的海马样品直接进行检测，在Li等[28]的试验方法上稍做调整，利用低场核磁共振技术(LF-NMR)中的CPMG(carr-purcell-meiboom-gill)脉冲序列对样品的横向弛豫时间(t2)进行检测。将样品放入线圈的中心位置后，进行t2采集，通过核磁共振t2反演软件对采集的信息值反演成t2反演谱。CPMG脉冲序列参数为：主频(SF)20 MHz，偏移频率(SW)200 kHz，90°脉冲时间(P1)10.48 μs，180°脉冲时间(P2)22 μs，采样点数(TD)640 006，重复时间(TW)4 000 ms，累加次数(NS)32次，回波数(NECH)16 000。
1.2.7 核磁共振t1加权成像检测 对不同干燥时间的海马样品直接进行检测，将海马干制品置于水中，常温条件下复水，每隔15 min取出样品沥干水分，置于磁场中心位置的射频线圈中心进行检测，线圈直径为40 mm。参数设置为：层数(slices)1，视野FOV为100 mm×100 mm，层厚(slice width)5 mm，层间隙(slice gap)2 mm，read size为256，phase size为192，扫描次数(average)8，t1加权成像的重复时间(TR)500 ms，回波时间(TE)18.125 ms。所获数据经纽迈核磁共振成像应用软件进行图像处理。
1.2.8 复水率测定 将海马干制品置于水中，常温条件下复水，每隔15 min取出样品沥干水分，称其质量，计算其复水率。每个试验重复测定3个平行，取其平均值。复水率计算公式为
Rf=(mg-m0)/m0×100%。
其中：Rf为复水率(%)；mg为复水后样品质量(g)；m0为复水前样品质量(g)。
1.3 数据处理
试验结果均以平均值±标准差(mean± S.D.)表示。所有数据测量均为30个重复(n=30)，采用 SPSS Statistic 17.0 软件进行单因素方差分析，采用Duncan 法进行组间多重比较，显著性水平设为0.05。
2 结果与分析
2.1 不同干燥方式下海马干的干燥耗时、耗能和收缩率
图1为不同干燥方式对海马干干燥耗时的影响，经单因素方差分析，各种干燥方式下的耗时具有显著差异性(P<0.05)，将海马干燥至恒质量，热风干燥、冷风干燥、真空冷冻干燥和真空干燥处理所需的时间分别为15、18、35、10 h。
图1 不同干燥方式下海马干的干燥耗时
Fig.1 Time consumption of sea horse dried by different methods
从表1可见：不同干燥方式的耗能也存在显著性差异(P<0.05)，其中，真空干燥处理耗能最低(2.46 kW·h/kg)，冷风干燥耗能最高(7.79 kW·h/kg)，约是真空干燥的3.2倍，而真空冷冻干燥的耗能显著高于热风干燥(P<0.05)；与鲜样相比，经热风干燥、冷风干燥、真空冷冻干燥和真空干燥处理的海马收缩率分别为36.18%、29.21%、17.47%、33.12%，其中,真空冷冻干燥的收缩率最少，而热风干燥的收缩率最高，均与其他干燥方式具有显著性差异(P<0.05)。
表1 不同干燥方式下海马干的干燥耗能和收缩率
Tab.1 Energy consumption and shrinkage rate of sea horse dried by different methods
注：同列中标有不同字母者表示组间有显著性差异(P<0.05)，标有相同字母者表示组间无显著性差异(P>0.05)。
Note: The means with different letters within the same column are significantly different in the groups at the 0.05 probability level, and the means with the same letter within the same column are not significant differences.
干燥方式drying method耗能/(kW·h·kg-1)energy consumption收缩率/%shrinkage rate热风干燥hot air drying4.03±0.07b36.18±2.00c冷风干燥cold air drying7.79±0.12d29.21±1.50b真空冷冻干燥vacuum freeze drying4.46±0.05c17.47±1.30a真空干燥vacuum drying2.46±0.04a33.12±1.25b
2.2 不同干燥方式下海马干的水分状态
横向弛豫时间反演谱中，t2值越小表示该部分水的流动性较小，t2值越大表示流动性较大，其中水分子和糖类或其他低分子量化合物组成的稀溶液是质子的主要化学交换方式[29-31]。从图2(a)中可以看出，反演后的海马NMR t2反演谱存在4个峰，分别为t21(0.2～1.5 ms)、t22(1.5～10 ms)、t23(10～100 ms)和t24(100～1 500 ms)，t2组分的水大部分与细胞骨架、酶和高浓度的细胞溶质结合，分布于细胞质中，较短t21和t22组分可看作是海马内部物质结合最紧密的结合水，t23组分为水自由度介于结合水与自由水间且容易发生转化的不易流动水，t24组分为具有流动性的自由水。从图2(b)～(f)可知，随着海马含水率的减少，t2和信号幅度均降低，干燥初期，海马不易流动水和自由水的含量较高，干燥一段时间后，二者的含量明显降低，以结合水为主。
图2 不同干燥方式中海马干的横向弛豫时间反演谱
Fig.2 Inversion spectra of transverse relaxation time of sea horse dried by different methods
2.3 不同干燥方式的海马干复水过程
2.3.1 复水过程中水分状态的变化 不同干燥方式下的海马干复水过程的横向弛豫图谱如图3所示，不同复水时间的海马干中基本都存在3个组分峰，从左到右分别代表结合水、结合相对较弱的不易移动水和以游离状态存在的自由水。从图3可见：随着复水时间的延长，整个图谱向右迁移，往长弛豫时间移动，这说明不易流动水和自由水的自由度持续上升，水分的流动性增加；结合水和自由水含量的变化较小，而不易流动水的含量随着复水时间的延长不断升高，说明总的相对水分含量的增加主要是由不易流动水引起的。
图3 不同干燥方式海马干复水的横向弛豫时间t2图谱
Fig.3 t2 relaxation spectra of the sea horse dried by different drying methods
2.3.2 复水过程中MRI核磁共振成像 由“2.3.1节”分析发现，海马复水过程中水分含量的增加主要是不易流动水引起的，所以本研究中采用t1加权成像进行分析。不同干燥方式的海马干制品复水过程中的t1加权成像的相对信号量如图4所示，t1加权成像呈现的是短弛豫时间的组分，图像冷暖表示氢质子信号量的强弱。从图4可见：随着复水时间的延长，不同干燥方式下海马干制品的t1信号强度随着复水时间的延长而逐渐增强，均未出现大面积的高氢质子信号量，t1加权成像主要向头部和腹部扩增，而尾部和背部的信号量较少；冷风干燥、热风干燥、真空干燥和真空冷冻干燥处理的海马干制品分别在复水210、120、135、120 min后信号强度趋于稳定，其中，热风干燥和真空冷冻干燥的复水速度明显优于其他2种干燥方式。
图4 不同干燥方式海马干复水的t1加权成像图
Fig.4 t1 weighted images of the drying sea horse during rehydration process by different drying methods
2.3.3 复水率的变化 不同干燥方式下海马干的复水率变化如图5所示，随着复水时间的延长，复水率随之增大；复水240 min时，热风干燥得到的海马复水率(95.87%)最高，其次是真空冷冻干燥(89.98%)，而真空干燥和冷风干燥处理组复水能力最较差，分别为71.81%和70.94%。
图5 干燥海马的复水曲线
Fig.5 Rehydration ratio of drying sea horse
3 讨论
3.1 干燥方式对干燥性能的影响
本试验表明，不同干燥方式的干燥性能不同，真空干燥的耗时最短为10 h，耗能最低为2.46 kW·h/kg，其次为热风干燥，耗时和耗能分别为15 h和4.03 kW·h/kg，这说明对海马进行真空干燥和热风干燥处理，不仅可以大大提高产品干燥效率，减少生产的时间成本，还具有节能减耗作用，得到的干品干燥性能优于其他干燥处理。但从海马的收缩率来看，热风干燥的收缩率最高(36.18%)，这可能与其干燥机理有关，热风干燥释放的热量通过空气传递至样品，因先接触的是样品的表面，高温加速了表面水分的流失，导致表层水分比内部水分较快散失，故形成致密的结构，造成较大的收缩率[32]，而真空冷冻干燥的收缩率最低(17.47%)，因为真空冷冻干燥是样品冻结情况下，利用低温和高真空，将冻结后的冰晶升华，该过程中不会影响样品的形状，形成疏松的多孔性结构，故只造成轻微的收缩[33]。
3.2 干燥方式对海马干水分状态的影响
横向弛豫时间t2表示在外加磁场收到射频脉冲的作用下，氢质子自旋核内部达到横向热平衡这一过程所用的时间，组织中的含水率、不同区域的水分属性，以及水分与大分子和溶质之间的相互作用均与弛豫过程相关[3]。本试验中，利用NMR t2反演谱测定海马在不同干燥方式下水分状态的变化情况，由海马NMR t2反演谱的4个峰可知，海马中存在结合水t21(0.2～1.5 ms)+t22(1.5～10 ms)、不易流动水t23(10～100 ms)和自由水t24(100～1 500 ms)。大部分食品原料为多相体系，利用NMR检测样品的t2反演谱图存在较大差异，王雪媛等[34]得到苹果片中结合水t21为1～20 ms、不易流动水t22为20～100 ms和自由水t23为100～1 000 ms；谢小雷等[3]测得牛肉干的反演图谱有3个波峰，得到结合水t21为1～10 ms、不易流动水t22>10～100 ms、自由水t23>100～1 000 ms；Mortensen等[35]检测到马铃薯中存在2种状态的水分，原生质与细胞间隙中的水t21(45～65 ms)，淀粉与细胞壁结合的水t22(350～550 ms)。与苹果片、牛肉干和马铃薯的t2相比，本试验中得出的海马结合水弛豫时间t21、t22相对较小，同时，不易流动水(t23)和自由水(t24)存在明显的重叠现象，这可能是因为海马化学组成成分较复杂，使得自由水和不易流动水之间存在交换作用。
本试验表明，不同干燥方式的海马在干燥过程中含水率逐渐减少，t2和信号幅度随之呈现下降趋势，水分子的流动性决定了水分质子t2的大小，弛豫过程主要受样品含水率的影响，此外还受到样品中大分子与水分子之间不同形式的结合能力的影响，从而可以在t2反演谱中看到不同水分分布情况，较短的t21、t22的原因是氢键与蛋白质、多糖等大分子物质密切结合而形成结合水，形成组织结构物质，不同干燥方式的干燥过程中水分均是由高自由度向低自由度转变[34]。
3.3 干燥方式对海马干复水过程的影响
复水过程是样品在吸水过程中水分子与大分子物质的结合，该过程中具有多种复杂的物理化学反应[36]。本试验中，不同干燥方式干燥后的海马干复水过程的NMR t2反演谱存在3个峰，随着复水时间的延长，海马干中不易流动水和自由水自由度不断增加，流动性增大；结合水和自由水含量的变化较小，而不易流动水的含量随着复水时间的延长不断升高，该结果与海参[36]和虾仁[37]复水过程中自由水和不易流动水含量均增加的结果不同，这可能是由于不同原料内部的肌纤维结构不同所致。
本试验中，利用t1加权像对不同干燥方式海马干的复水过程进行分析，由t1加权成像图可知，随着复水时间的延长，t1信号强度逐渐增强，均未出现大面积的高氢质子信号量，信号量的分布主要从头部和腹部开始扩增，尾部和背部则较少。程沙沙等[37]利用MRI得到了干制虾仁在复水过程中水分从虾仁的头部渗入，逐渐向体部和尾部扩散；Deng等[38]研究则表明，干制鱿鱼片复水水分是从鱿鱼片的表面向内部逐渐迁移，这些结果与本研究结果略有差异，这可能与样品的形状、大小及复水界面均一性的差异有关。本试验中，对比不同干燥方式的t1加权像和复水率发现，热风干燥和真空冷冻干燥的复水速度优于冷风干燥和真空干燥，这与鸡肉、大麦、牛肉等复水过程中热风干燥效果最差的研究结果[39-40]相反，这可能是因为海马的肌肉结构不同，体无鳞，由骨质环所包，热风干燥的干燥温度较高，海马干燥后腹部中空，肌肉组织脆度变大，肌肉结构被破坏，加速复水进程，使得复水时水分更容易渗入海马体内；而真空冷冻干燥的海马干制品形成疏松均匀的多孔结构，能有效促进干制品复水过程的水分渗入[27]。
4 结论
1) 综合考虑海马的干燥效率及干品品质要求，热风干燥和真空干燥海马具有用时短、干燥速率快、易操作控制、能耗小的优点，但收缩程度较大，可以通过调整干燥温度来降低。
2) 真空冷冻干燥能够保留鲜样的原有品质特性，在收缩率方面相比其他方式具有明显的优越性，因此，真空冷冻干燥可作为干燥海马的首选方法，但干燥性能较差，掌握好其干燥的关键控制点在于如何节能降耗和低成本生产，这也成为当前该技术领域亟待解决的问题。
[1] 洪美华.海马的药理作用研究进展[J].中国医疗前沿,2009,4(6):9-10.
[2] 陈璐.中药海马的鉴别与质量标准研究[D].上海:第二军医大学,2015.
[3] 谢小雷,李侠,张春晖,等.牛肉干中红外-热风组合干燥工艺中水分迁移规律[J].农业工程学报,2014,30(14):322-330.
[4] 谢小雷,李侠,张春晖,等.不同干燥方式对牛肉干物性特性的影响[J].农业工程学报,2015,31(sup 1):346-354.
[5] 马先英,赵世明,洪滨,等.冷风及冷风与热风联合干燥海参效果的比较研究[J].大连海洋大学学报,2015,30(5):536-539.
[6] 吴燕燕,石慧,李来好,等.水产品真空冷冻干燥技术的研究现状与展望[J].水产学报,2019,43(1):197-205.
[7] 郑烟梅,刘智禹,路海霞,等.水产品干燥技术研究进展[J].食品安全质量检测学报,2017,8(1):27-32.
[8] PEDERSEN H T,MUNCK L,ENGELSEN S B.Low-field 1H nuclear magnetic resonance and chemometrics combined for simultaneous determination of water,oil,and protein contents in oilseeds[J].Journal of the American Oil Chemists’ Society,2000,77(10):1069-1077.
R,NOWACZYK G,KRZES
OWSKA M,et al.Water status and water diffusion transport in lupine roots exposed to lead[J].Environmental and Experimental Botany,2013,87:100-109.
[10] 冯蕾.基于电子鼻及低场核磁共振的黄瓜与樱桃番茄新鲜度智能检测研究[D].无锡:江南大学,2019.
[11] 李鹏程,刘宸,王娇,等.低场核磁共振技术在食品品质分析中的研究进展[J].吉林医药学院学报,2017,38(6):465-467.
[12] LIN S Y,YANG S L,LI X F,et al.Dynamics of water mobility and distribution in soybean antioxidant peptide powders monitored by LF-NMR[J].Food Chemistry,2016,199:280-286.
[13] 王吉人.品质改良剂对香肠水分分布及品质的影响研究[D].大庆:黑龙江八一农垦大学,2017.
[14] 黄建立,黄艳,郑宝东,等.不同干燥方式对银耳品质的影响[J].中国食品学报,2010,10(2):167-173.
[15] 于静静,毕金峰,丁缓缓.不同干燥方式对红枣品质特性的影响[J].现代食品科技,2011,27(6):610-614,672.
[16] 李丽娟,刘春泉,李大婧,等.不同干燥方式对莲藕脆片品质的影响[J].核农学报,2013,27(11):1697-1703.
[17] 蔡路昀,台瑞瑞,周小敏,等.不同干燥方式下沙丁鱼干燥特性的比较[J].食品工业科技,2019,40(6):19-25.
[18] 陈小雷,胡王,鲍俊杰,等.不同干燥方式对封鳊鱼品质的影响[J].水产科学,2019,38(1):98-103.
[19] 韩松霖.中国海马的分类、资源、利用与保护[D].桂林:广西师范大学,2013.
[20] 罗杰,李锋,刘皓,等.饵料对大海马幼鱼生长与存活影响[J].海洋湖沼通报,2018(4):140-147.
[21] 姜芳燕,杨宁,冯慧敏,等.大海马肠炎病原菌分离、鉴定及生物防治[J].基因组学与应用生物学,2018,37(12):5317-5324.
[22] 陈莉萍.三斑海马中抗炎、抗肿瘤、抗氧化活性成分的分离及生理活性评价研究[D].海口:海南大学,2016.
[23] 林彩霞.海马的功能及其活性物质的提取研究进展[J].速读(下旬),2017(5):260-261.
[24] 陈梦,陈建真,葛宇清,等.海马化学成分及药理活性研究进展[J].中草药,2017,48(19):4089-4099.
[25] 闫珍珍,郭全友,林听听,等.海马的功用机理及开发应用研究进展[J].海洋渔业,2018,40(6):752-762.
[26] 孙思雅,来梦茹,方昀,等.基于性状鉴别与DNA条形码联用的鲍氏海马生药学研究[J].中国药学杂志,2019,54(24):2047-2054.
[27] 刘书成,张常松,吉宏武,等.不同干燥方法对罗非鱼片品质和微观结构的影响[J].农业工程学报,2012,28(15):221-227.
[28] LI X,MA L Z,TAO Y,et al.Low field-NMR in measuring water mobility and distribution in beef granules during drying process[J].Advanced Materials Research,2012,550/551/552/553:3406-3410.
[29] XIN Y,ZHANG M,ADHIKARI B.Effect of trehalose and ultrasound-assisted osmotic dehydration on the state of water and glass transition temperature of broccoli (Brassica oleracea L.var.botrytis L.)[J].Journal of Food Engineering,2013,119(3):640-647.
[30] 郭婷,何新益,邓放明,等.利用LF-NMR探讨冻融处理影响甘薯膨化产品品质的机理[J].农业工程学报,2013,29(17):279-285.
[31] SHAO X L,LI Y F.Application of low-field NMR to analyze water characteristics and predict unfrozen water in blanched sweet corn[J].Food and Bioprocess Technology,2013,6(6):1593-1599.
[32] BANOUT J,KUCEROVA I,MAREK S.Using a double-pass solar drier for jerky drying[J].Energy Procedia,2012,30:738-744.
[33] BROWN Z K,FRYER P J,NORTON I T,et al.Drying of agar gels using supercritical carbon dioxide[J].The Journal of Supercritical Fluids,2010,54(1):89-95.
[34] 王雪媛,高琨,陈芹芹,等.苹果片中短波红外干燥过程中水分扩散特性[J].农业工程学报,2015,31(12):275-281.
[35] MORTENSEN M,THYBO A K,BERTRAM H C,et al.Cooking effects on water distribution in potatoes using nuclear magnetic resonance relaxation[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2005,53(15):5976-5981.
[36] 张文杰,薛长湖,丛海花,等.低场核磁共振及成像技术对海参复水过程水分状态变化的研究[J].食品工业科技,2012,33(23):90-93.
[37] 程沙沙,唐英强,章坦,等.LF-NMR和MRI对干制虾仁复水过程水分状态及品质变化的研究[J].分析测试学报,2017,36(10):1224-1229.
[38] DENG Y,LUO Y L,WANG Y G,et al.Drying-induced protein and microstructure damages of squid fillets affected moisture distribution and rehydration ability during rehydration[J].Journal of Food Engineering,2014,123:23-31.
[39] 吴满刚,王俊山,段立昆,等.不同干燥处理方法对鸡肉丁的干燥效果[J].食品与发酵工业,2019,45(7):235-241.
[40] AFZAL T M,ABE T,HIKIDA Y.Energy and quality aspects during combined FIR-convection drying of barley[J].Journal of Food Engineering,1999,42(4):177-182.