利用低场核磁共振及其成像技术分析水稻浸种过程水分传递

为研究水稻种子浸种过程中内部水分流动情况,可视化内部水分传递过程,利用低场核磁共振及其成像技术,监测沈农9816号、七山占及秀子糯3个品种水稻种子48 h浸种过程。每6 h时间间隔利用自旋回波（spin echo,SE）脉冲序列获取样品的质子密度加权像,利用硬脉冲自旋回波（carr-purcell-meiboomgill sequence,CPMG）序列获取样品的横向弛豫时间T2反演谱,从而分析浸种过程对水稻种子内部水分分布的影响。试验结果表明：核磁共振是一种有效的水分检测技术,可以实现浸种过程中种子内部水分的快速、准确、无损的检测。利用水稻种子的质子密度加权像,能够直观检测到种子内部水分分布情况,动态的监测到种子内部水分流动过程,分析发现水分最初是从胚进入种子内部,继而通过种皮的渗透,最后到达胚乳部分。根据T2反演谱信号幅值计算得到的水稻种子吸水率,发现3个品种在相同浸种时间的各个监测点均反映出秀子糯吸水率最高,沈农9816号吸水率最低,试验结果验证了支链淀粉的吸水性优于直链淀粉。研究结果可以为水稻种子浸种过程中水分传递的理论模型构建提供数据支持。     

银杏种子萌发过程低场核磁T2反演谱解译初探

随着科学技术的发展，低场核磁共振（Low Field Nuclear Magnetic Resonance, LF-NMR）横向弛豫时间（Transverse Relaxation Time, T2）反演谱检测技术越来越多的被应用于农业，但当前对T2反演谱的解译尚停留在水分相态分布层面。为探索从物质成分角度对种子T2反演谱进行解译的新方法，该研究以银杏种子为对象，利用低场核磁共振技术检测并对比银杏鲜种、种子粉末及其主要成分试样的T2反演谱，分析各信号峰的形成机理，并以此为依据对其在种子萌发过程中的变化进行解译。研究结果表明：淀粉与蛋白质混合试样T2反演谱的峰T21、T22、T23以及淀粉与油脂混合试样的峰T24在峰顶时间上和种子粉末试样相对应信号峰完全一致；在物质成分及配比完全相同的情况下，种子粉末试样T2反演谱的峰T21～T24的峰顶时间较鲜种分别相差12.98%、32.21%、13.02%、0%，T21、T22峰比例较鲜种分别偏少41.72%、29.33%，T23峰比例偏多92.26%，T24峰比例偏少91.71%，说明种子组织结构会对其内部水分的弛豫时间和相态分布比例造成一定影响。仅从物质成分角度考虑，种子内水分的弛豫时间主要在淀粉、蛋白质的影响下表现为T21、T22、T23，在淀粉和油脂的影响下表现为T24。由此认为峰T21、T22主要为吸附在淀粉和蛋白质上相态不同的结合水的信号，峰T23为主要被淀粉和蛋白质束缚后产生的半结合水的信号，峰T24主要为种子中自由水的信号（少量源自油脂）。此外，种子即将裂壳时将形成T2a（峰顶时间在10 ms左右）、T2b（峰顶时间＞1 000 ms）2个新信号峰，可作为预示种子萌发状态即将发生重要变化的"预兆峰"。提出的从化学组分及核磁检测原理角度对银杏种子萌发过程T2反演谱进行解译的新途径，可为基于LF-NMR方法对种子萌发过程中化学组分变化进行活体分析提供参考。     

玉米种子萌发过程内部水分流动规律的低场核磁共振检测

为研究玉米种子萌发过程中内部水分的流动规律,分析其内部生理代谢状态,该文利用低场核磁共振技术,连续60 h对3个品种玉米种子的吸胀、萌动和发芽3个阶段的萌发过程进行动态监测。分别在萌发时间为0、12、36和60 h这4个典型的萌发时刻,对处于25和31℃的2个恒温萌发环境中的玉米种子进行核磁共振横向弛豫时间信号采集,并通过反演运算得到其横向弛豫时间T_2反演谱。试验结果表明:通过横向弛豫时间可以将玉米种子内部水分划分为结合水(0.1T_210 ms)、半结合水(10T_2100 ms)及自由水(100T_21 000 ms)3种水分相态;随着萌发时间的延长,3个品种玉米种子在2个不同温度的萌发环境中,结合水均呈现先迅速增加后逐渐降低的趋势,自由水均反映为先降低后不断增加的态势,而半结合水和总体水分含量则表现为持续增加的现象;外界温度对3种相态水分含量的影响不尽相同,但提高萌发温度可以明显促进玉米种子吸水,同时提高玉米种子的发芽率。本试验快速并直接揭示了玉米种子在萌发过程中的水分分布情况,可为玉米种子萌发过程的机理研究提供重要参考。     

用核磁共振研究浸种方法对水稻种子吸水量的影响

为寻求较佳浸种方法,该文应用低场核磁共振检测技术,研究了不同的浸种方式及浸种溶剂对水稻种子吸水量的影响。试验利用横向弛豫时间 T2反演谱分析了水稻种子的水分状态变化及吸水特性,发现浸种过程改变了水稻种子内部的水分分布情况,水稻种子吸水量对初始含水率差异不显著(P>0.05),但对各种浸种方法差异显著(P<0.05)。研究表明,采用连续浸种4 h、浸种3 h-晾干1 h-浸种1 h、浸种2 h-晾干1 h-浸种2 h及浸种2 h-晾干2 h-浸种2 h这4种不同的浸种方式时,浸种2 h-晾干1 h-浸种2 h的间歇浸种方式吸水率较高;采用清水、强氯精300倍液、饱和澄清石灰水、质量分数为40%福尔马林的50倍液、100倍液及200倍液6种不同的浸种溶液时,应用质量分数为40%福尔马林50倍液药剂时吸水率较高。低场核磁共振检测技术揭示了水稻种子含水量的影响因素,为浸种过程中吸水量的测定提供了一种有效的方法。     

利用低场核磁共振分析水稻种子浸泡过程中的水分变化

为研究水稻种子在浸泡过程中的水分变化情况,应用核磁共振无损、非侵入的技术优势,根据弛豫时间呈现的多组份特征,通过弛豫谱分析水稻种子不同相态水分的变化和流动过程,确定弛豫谱峰值总面积与水稻种子吸水率的回归方程,研究了水稻品种(沈农9816号、沈农9903号)及浸种温度(18、24、32℃)对水稻种子吸水量的影响。试验结果表明:通过弛豫谱峰值总面积可以合理估测水稻种子的吸水率;水稻种子在6h浸种过程中,随着浸泡时间的增加结合水及总水含量变化趋势为不断上升,自由水则呈现不规则的反复变化态势;水稻种子吸水量在2个水稻品种间差异不明显,对浸种温度高度敏感。该试验提出了一种无损的水分检测方法,能够更加直接准确的揭示水稻种子在浸泡过程中的水分变化规律,为探求种子的最佳浸泡条件提供数据支持和理论依据。     

用核磁共振研究浸种方法对水稻种子吸水量的影响（英文）

为寻求较佳浸种方法,该文应用低场核磁共振检测技术,研究了不同的浸种方式及浸种溶剂对水稻种子吸水量的影响。试验利用横向弛豫时间T2反演谱分析了水稻种子的水分状态变化及吸水特性,发现浸种过程改变了水稻种子内部的水分分布情况,水稻种子吸水量对初始含水率差异不显著(P0.05),但对各种浸种方法差异显著(P0.05)。研究表明,采用连续浸种4 h、浸种3 h-晾干1 h-浸种1 h、浸种2 h-晾干1 h-浸种2 h及浸种2 h-晾干2 h-浸种2 h这4种不同的浸种方式时,浸种2 h-晾干1 h-浸种2 h的间歇浸种方式吸水率较高;采用清水、强氯精300倍液、饱和澄清石灰水、质量分数为40%福尔马林的50倍液、100倍液及200倍液6种不同的浸种溶液时,应用质量分数为40%福尔马林50倍液药剂时吸水率较高。低场核磁共振检测技术揭示了水稻种子含水量的影响因素,为浸种过程中吸水量的测定提供了一种有效的方法。     

低场核磁共振分析聚乙二醇对萌发期水稻种子水分吸收的影响

为研究聚乙二醇(PEG,polyethylene glycol)处理下水稻种子萌发过程中内部水分分布和变化规律,进而揭示水稻耐旱性在水分吸收规律上的重要特征。应用低场核磁共振的T2弛豫谱和质子密度加权成像分析了PEG处理下水稻种子萌发过程中的水分变化,研究了利用蒸馏水(对照)和质量分数分别为10%、20%PEG6000处理对两个水稻品种旱9710、辽星1发芽指标的影响,以及对两个水稻品种萌发0、6、22、48、72 h吸水量的影响,确定单位质量核磁信号幅值与水稻种子湿基含水率的回归函数关系。发芽指标检测结果显示:旱9710耐旱性高于辽星1。质子密度加权成像结果显示:在水分吸收初期,水分子直接通过种子表面裂缝进入种子体内,胚乳中的淀粉粒等物质开始吸水膨胀,种子体积增大。24 h后,种子内营养物质向种胚流动。PEG处理下,水稻种子吸水量明显减少,发芽速度明显降低,且PEG质量分数越高,发芽速度越慢。基于核磁共振理论及T2弛豫谱的多组分特征,当反演频率为10 000时,水稻种子萌发过程中的水分分为束缚水与自由水两部分。T2弛豫谱结果表明:在蒸馏水和质量分数分别为10%、20%PEG处理下,种子湿基含水率和核磁信号幅值均逐渐增长。PEG处理下,核磁信号幅值增长相比对照处理显著降低(P0.05)。PEG处理抑制了两个水稻品种种子对水分的吸收,PEG质量分数越高,抑制作用越强。PEG处理24 h后,耐旱性强的水稻品种吸水率相比对照处理的降低幅度小于耐旱性弱的品种。回归分析表明,3种处理下,核磁信号幅值和湿基含水率具有一致的线性关系(R2=0.983),由回归方程可以求得水稻种子萌发过程中各状态水分的含量。试验为研究水稻种子萌发过程对干旱胁迫的反应机制,开发种子水分微观活体无损检测技术等方面的研究提供理论支持和数据参考。     

用低场核磁分析胡萝卜切片干燥过程的内部水分变化

为研究胡萝卜切片在干燥过程中内部水分变化的特征,采用电热恒温干燥箱在40、50、60、70和80℃的条件下对胡萝卜切片进行热风干燥试验,应用低场核磁共振(low field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)的横向弛豫时间(T2)反演谱分析胡萝卜切片在干燥过程中内部水分的变化。试验结果表明:干燥过程改变了胡萝卜样品中水的结合状态,自由度高的水分向自由度低的迁移;随着干燥温度升高,干燥速率加快,但温度为80℃时,由于物料表面结壳阻碍了水分的外迁从而影响干燥速率。试验数据为果疏变温联合干燥工艺和干燥转换点的确定提供参考。     

利用低场核磁共振研究冷却条件对猪肉保水性的影响

为了通过水分分布信息,深入了解冷却条件对猪肉保水性的影响,以三元杂交猪为对象,利用低场核磁共振(LF-NMR)技术研究了不同冷却条件下猪肉的水分分布及流动规律。结果表明:冷却猪肉低场核磁共振自旋-自旋弛豫时间T2谱中出现4个水分峰,其横向弛豫时间分别为T20(150～500μs),T21(1～3ms),T22(40～50ms),T23(150～400ms)。滴水损失、蒸煮损失与T22,T23呈现显著正相关(P<0.01),自由水含量(pT23)与滴水损失的相关系数为0.858。冷却过程中不易流动水(pT22)先增加后减少,自由水(pT23)先减少后逐渐增加。与常规常湿冷却相比,两段式快速冷却使胴体的冷却失重降低了0.3%,高湿冷却使胴体的冷却失重降低了约0.5%,显著提高了保水性(P<0.05)。核磁成像显示,相对湿度95%处理组冷却猪肉表面的自由水比相对湿度80%处理组多。该研究结果对猪肉冷却工艺确定具有一定的指导作用。     

盐胁迫下玉米种子萌发过程低场核磁共振研究

为探究盐胁迫对玉米种子萌发过程中水分的分布和种子活性的影响,以非糯性玉米郑单958种子为检测对象,对不同NaCl浓度（0 nmol/L,50 nmol/L,100 nmol/L,150 nmol/L,200 nmol/L）环境下试验样本进行低场核磁共振成像以及核磁共振波谱试验。结果表明：玉米萌发过程中,胚乳和胚部位的含水率均在0～2 d迅速增加,2 d之后胚乳水分波动增长,而胚部位水分则出现水平波动的现象。随着盐胁迫程度上升,种子发芽率从90%降至0,盐浓度在50 nmol/L及以下时,不同相态水信号幅值变化趋势受盐胁迫影响较小,达到100 nmol/L时自由水信号幅值被抑制在低水平,达到150 nmol/L时结合水和半结合水信号幅值的变化速率均被大幅延缓。T2弛豫谱图中结合水主峰左侧出现信号微弱,弛豫时间为0.1 ms～1 ms的副峰,副峰的出现和玉米种子发芽密切关联,是一种标志着种子发芽的结合水。试验为玉米种子萌发过程对盐碱胁迫的反应机制后续研究提供理论支持和数据参考。     

基于核磁共振技术的孔隙水形态及土壤渗透性分析

干湿循环过程会影响土壤孔隙水储存形态,导致土壤渗透性增大、养分流失。该文基于核磁共振技术,探究不同含水率和经历0~4次干湿循环后土壤孔隙水储存形态的变化规律,研究干湿循环对土壤渗透性的影响。结果表明:依据"饱和-吸力"联测方法可将孔隙水分为束缚水和可动水,二者的横向弛豫时间(T2)阈值为1.96 ms。土壤湿润过程中,孔隙水主要以可动水的形态存在;土壤含水率较低时,束缚水(T2<1.96 ms)和可动水(T2≥1.96 ms)占比接近;当含水率超过13%时,可动水的含量迅速增大,而束缚水量增加较少。经历多次干湿循环后,土壤束缚水含量几乎不变,而可动水含量随着循环次数增加而线性增加;将干湿循环作用引入Coope渗透率模型可知,0~4次循环内,土壤渗透率与循环次数的6次方成正比;干湿循环作用会显著增加农田土渗透性、降低土壤肥力。研究可为农田土水分、肥力保持方案的制定提供理论支持。     

用低场核磁研究烫漂对甜玉米水分布和状态影响

该文旨在用低场核磁（NMR）及其成像技术（MRI）研究甜玉米粒中的水分布和水状态,为探讨烫漂后甜玉米失重和热特性参数变化的原因提供理论依据。试验通过T2加权成像技术,观察到烫漂后的甜玉米粒出现新的水信号分布区;通过研究烫漂时间和温度对甜玉米粒横向弛豫信号的影响,发现弛豫时间为450～750 ms和50～70 ms的结合水的百分比例明显变化,并具有一定规律,这种变化是由于淀粉糊化造成的。研究表明,烫漂改变了甜玉米中水的分布和结合状态;低场核磁技术揭示了甜玉米水状态的变化规律,为食品加工过程中物性参数的研究提供了一种有效方法。     

基于LF-NMR研究包装方式和温度对鲶鱼片保水性的影响

为了考察贮藏过程中包装方式和温度对鲶鱼片保水性的影响,该试验将新鲜鲶鱼片分别经空气包装(air-package,AP)、真空包装(vacuum package,VP)和气调包装(modified atmosphere package,MAP,60%CO_2+40%N_2)后贮藏于4℃和-0.7℃的冷库中,于贮藏第0、1、4、7、10、15、20、30天测定鲶鱼片的pH值、蒸煮损失率、离心失水率等指标变化,利用低场核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)技术测定鲶鱼片的水分弛豫时间(T22)、弛豫面积(P22)和质子密度成像(magnetic resonance imaging,MRI),并利用扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)观察鲶鱼片肌纤维结构的变化,对鲶鱼片贮藏过程中保水性变化及原因进行综合判断。结果显示,随着贮藏时间的延长,各组鲶鱼片保水性均呈下降趋势,表现为蒸煮损失率和离心失水率比新鲜鲶鱼片增加,弛豫时间T22和弛豫面积P22降低。相比较而言,冰温气调(-0.7°C-MAP)样品的保水性下降最为缓慢,是鲶鱼片品质保持的较佳贮藏方法。皮尔逊相关系数分析表明弛豫面积P22与贮藏时间、蒸煮损失率及离心失水率显著相关(P0.05);MRI结果显示,鲶鱼片的水分在贮藏过程中逐渐从肌纤维内部渗出,集聚在肌束膜上;SEM表明肌纤维细胞结构发生改变,这可能是引起保水性下降的根本原因。综上所述,该研究证明利用LF-NMR技术可快速表征鲶鱼肉保水性的变化,研究结果为选择鲶鱼片的较佳贮藏条件提供了理论依据。     

直触式超声功率对梨片超声强化热风干燥水分迁移的影响

为探讨直触式超声对梨片热风干燥过程的水分迁移强化效应,在不同超声功率下进行梨片超声强化热风干燥试验,应用低场核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)技术的自旋-自旋弛豫时间T2反演图谱及磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)技术分析超声功率对梨片干燥过程中内部水分状态与迁移变化的影响。结果表明:梨片热风干燥属于内部扩散控制,在梨片热风干燥过程中施加超声有利于增强内部传质、加快干燥进程;干燥温度为45℃时,超声功率升至12、24、36、48 W时,对应平均干燥速率比0 W时分别提高了13.1%、49.1%、83.6%、139.34%,表明提高超声功率有利于提高脱水速率。扫描电镜(scanning electron morphology,SEM)观察发现,施加超声会导致梨片组织微细孔道的增大与增多,从而有利于水分迁移。LF-NMR结果表明,超声功率越大,自由水、不易流动水和结合水的峰面积A值变化越显著,表明提高超声功率有利于提高水分流动性;结合干燥特性可以看出,干燥过程中首先除去的是自由水,超声功率由0 W升至48 W,自由水完全被脱除时间由720 min缩短至360 min,表明超声在自由水存在的情况下能实现较好的声波能量传递及内部水分湍动,进而产生显著的水分迁移强化效果;超声功率越大,不易流动水和结合水的脱除速率加快,表明提高超声功率可增强超声的高频振动和扩张作用,有利于减弱组织结构对水分的束缚力并增强水分流动性。MRI图像直观显示出梨片干燥过程中水分减少和水分空间分布变化规律,超声功率越大,H+质子密度图红度值下降越快,说明提高超声功率有利于加快水分迁移速率。研究结果可为超声强化热风干燥的理论研究及技术应用提供参考。     

利用LF-NMR探讨冻融处理影响甘薯膨化产品品质的机理

为探究冻融处理对甘薯变温压差膨化干燥产品品质影响的机理,应用低场核磁共振技术（low-field nuclear magnetic resonance,LF-NMR）研究了冻融后甘薯中水分存在形式和各组分含量,比较了冻融次数对甘薯膨化干燥产品硬度、色泽和多孔性等品质指标的影响。结果表明：冻融后甘薯LF-NMR自旋-自旋弛豫时间T2谱中出现4个水分峰,其横向弛豫时间分别为T21（0.25～0.55 ms）、T22（1～2.5 ms）、T23（5～12 ms）、T24（40～200 ms）。随着冻融次数增加,自由水含量（mT24）先增加后减少,结合最紧密的水含量（mT21）先减少后增加;干燥产品多孔性和复水性逐渐增大,ΔE逐渐变小,L*和硬度先减小后有稍许增大。相关性分析表明,多孔性与T24、mT23呈现显著正相关（P＜0.05）,相关系数分别为0.995、0.989;mT22与ΔE的相关系数为0.984。该研究为阐明冻融处理对果蔬变温压差膨化干燥品质变化机理分析提供了理论依据。