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低场核磁技术:让食品中水分研究可视化

低场核磁技术:让食品中水分研究可视化

——中国农业科学院农产品加工研究所魏益民教授

中国农业科学院农产品加工研究所魏益民教授,曾任西北农林科技大学副校长,中国农业科学院农产品加工研究所所长,主要研究方向涉及谷物化学与小麦加工关键技术;植物蛋白挤压组织化理论与技术;食品产地溯源及确证、食品加工过程安全控制等,主持多项国家科技攻关计划、现代农业(小麦)产业技术体系建设专项、国家自然科学基金等项目。
从食品水分分析技术平台,到智能物料干燥分析系统,魏益民教授开展了一系列的研究工作,不仅解了企业的“燃眉之急”,也对仪器设备开发和应用拓展起到了很大的促进作用。其中,与苏州纽迈分析仪器股份有限公司(简称:纽迈分析)以及河北金沙河面业集团有限责任公司(简称:金沙河面业)的合作就是很好的案例。日前,仪器信息网编辑特别采访了魏益民教授,听他讲一讲学术研究及其背后的精彩故事。

低场核磁技术:让食品中水分研究可视化

中国农业科学院农产品加工研究所魏益民教授

低场核磁技术:水分状态及运动轨迹研究的有效手段

水乃万物之源。在国际上水的研究是一个非常重要的领域,具体到农林产品、食品和能做成食品的所有原料,水分的研究更是必不可少。
采访伊始,魏益民教授先给我们普及了食品领域与水分有关的一些学问。“在农产品的收获、安全储藏、安全运输、加工和食品制造中,都离不了水这个命题。比如,国标规定小麦安全储藏的水分含量在12.5%以下,面粉安全储藏的水分含量在14.5%以下;另外,种子发芽需要合适的水分条件;食品制作过程中的煎、炸、炒、烩、煮、蒸都离不开水分;果品、蔬菜等的保鲜与水分息息相关;挂面制作及烘干的工业过程中,水分更是一个至关重要的因素……”
魏益民教授介绍说:“食品的含水量不仅和食品的口感、新鲜度、脆度等有关,而且在食品工业中,加水量的多少和生产成本和商业利润有着密切的关系,从这个角度来说,水分的研究在食品领域有着重要的商业意义。”

据介绍,目前关于水分的研究课题,包括含水量、水分存在状态、运动轨迹和水分活度等。现有对食品中水分的研究主要是绝对含水量的测量,一般采用加热蒸发至恒重的方法计算得出。但是必须注意的是,蒸发过程中跑掉的除了水分之外,还可能有别的挥发物质。因此,结果往往不是很准确。
“我研究的课题主要围绕水分和食品的关系。多年的研究发现,核磁分析和成像技术是研究水分存在状态和运动轨迹的有效手段。”魏益民教授介绍道,从原理上来说,根据氢原子核的弛豫时间,可以判别自由水、弱吸附水和强吸附水的比例,进而可以研究水分在食品中的存在状态。通过核磁成像,还可以把水分研究从不可视状态变成可视状态,从而可以看到水分的扩散轨迹。
其实,早在进行高水分组织化植物蛋白课题研究的时候,魏益民教授课题组就曾尝试使用纽迈分析的低场核磁设备进行测试,发现高水分和低水分含量食品中水分的存在状态和分布是不同的。魏益民教授说:“也就是从那个时候开始,我们发现,食品中的水分可以用低场核磁技术来更好地表征。这个思路一直存在我的脑子里。”而在之后研究“食品水分分析技术平台”时,魏益民教授也成功地将低场核磁技术引入其中。
“核磁技术在食品领域最大的意义就是区分水分存在的状态,看到水分的运移过程,以此来研究水分的运移规律。” 魏益民教授说,“核磁技术用于食品中水分的研究,能提供的不仅仅是含量,而且能够在分子水平上观察水分子的运动规律。这项研究非常有价值。”

食品水分分析技术平台:一次突发事件的启发造就的专利成果

既然低场核磁是研究水分存在状态及运动轨迹的有效手段,那么如何介入并进行系统研究呢?其实,魏益民教授一直在关注这方面的研究,包括进行高水分组织化植物蛋白研究的时候,就已经开始了初步的尝试。而金沙河面业冬季大雪降温危机事件将这件事情正式提上了日程。其中,“食品水分分析技术平台”的建立是第一步,为之后低场核磁技术的引入奠定了基础。
2004年,魏益民教授就与金沙河面业开始了接触,也曾多次被邀约去解决挂面干燥能耗的问题,迟迟未果的原因在于魏益民教授“不打无准备之仗”。魏益民教授说:“我不是学这个学科的,之前对烘房没有研究,为此做了很多准备工作,也找了很多食品干燥方面的书籍来进行基本理论的学习,并准备了在线自动温度湿度自动记录仪、微型气象工作站等进口的仪器设备。”
2012年冬天,一场突如其来的大雪导致气温骤降,金沙河面业的锅炉房温度不达标准要求,金沙河面业的生产线面临严重危机。魏益民教授第一时间赶到现场,并采取了一系列的行动:首先,关好门窗,加盖布帘,减少能耗浪费;其次,挂上温湿度仪,监测现有生产线的适宜温度湿度范围;第三,安置微型气象工作站,测排风口的环境要素。“结果显示,不同车间排风口的差异达40%。这说明烘房的操作工艺是盲目的、凭经验的,没有科学依据的。” 最终,在魏益民教授的指导下,他们研究了用能最少生产线烘房的操作参数。之后,所有车间都照此参数执行。第三天中午,锅炉温度正常了,危机解除。

“这次事件给了我们很大的启发:挂面干燥的理想模型是什么?有什么样的规律?基于什么样的机理?通俗来讲,挂面的水分是怎样从挂面里面跑出来的?是匀速的?还是梯度的?这是一个非常重要的课题,不仅是节约能源的问题,还可以节约成本、减少污染、绿色环保。而在此之前,对烘房气象要素变化及挂面内部水分动态变化的结果并没有一个微观描述,没有人对此进行过研究。”
“但是,谁来做呢?” 魏益民教授说:“这其中涉及了热能与动力工程、环境科学、气象学、食品干燥技术等学科,这些都不是我的特长。”碰巧的是,在一次国际会议上,魏益民教授偶遇了两个合适的人才,一个是做微型传感器的,一个是做粮食干燥的,并将他们引进到研究所,开始了相关的研究。
为了不造成太大的浪费,他们放弃了建造模拟烘房进行节能试验的研究,而是选择先进行微观模型研究,然后再到车间放大。基于此,该课题组为解决模拟条件,辗转寻找合适的仪器,并进行自己加工改造。具体来说,在现有的恒温恒湿箱的基础上,他们添置了风扇,配置了可以自动记录重量的天平等,最后将这些仪器组合在恒温恒湿箱里,并且集成到电脑里操作和结果显示,做成一个由电脑控制的可以自动进行水分含量在线控制的系统,取名为“食品水分分子技术平台”,并申请了发明专利。
“食品水分分析技术平台”将整个干燥过程和水分检测过程自动化,实现了过程控制、在线监测、数据记录、数据输出一体化,并为其它设备的在线(或准在线)设计了接口,为深入研究和系统地观察挂面的干燥过程提供了可能和相关实验平台。基于此平台,魏益民教授研究了挂面在不同温湿度条件下的干燥曲线,最终以最短的时间研究了什么干燥条件是最节能的干燥工艺。相对于常规方法,该平台可以自动记录,自动绘图,不仅减少了工作量,还实现了动态观察。据悉,在此平台研究的基础上,金沙河面业烘房能耗节约达22%-23%。

三方共合作,助力食品干燥模型的建立

由经验到理论,从现象到机理,魏益民教授的研究在不断深入。“解决怎么干燥最合理之后,下一步就要研究水分是怎样跑出来的过程问题。” 魏益民教授谈道,低场核磁技术是研究食品中水分存在状态及运动轨迹的有效手段,而要开展更进一步的研究,首先要解决的便是仪器的问题。
讲到这儿的时候,魏益民教授给我们讲述了一个非常精彩的三方合作共赢的故事。在这个故事中,纽迈分析和金沙河面业都非常积极,给予了很大的支持。据介绍,鉴于当时研究的需要,魏益民教授需要一台一百多万的低场核磁仪器,于是找到了纽迈分析的负责人杨培强。最终,魏益民教授、纽迈分析以及金沙河面业在技术、仪器及经费等方面达成合作,三方按照一定的比例共同为这台低场核磁仪器“买单”。这件事情中,令魏益民教授没想到的是,纽迈分析不仅提供了仪器,还提供了一定的研发经费。这也是他对纽迈分析特别“点赞”的地方。魏益民教授说:“我不仅筹到了仪器和科研经费,更重要的是获得了一个捷足先登的学术平台。”
将低场核磁技术引入到食品水分分析技术平台后,魏益民教授开始了系统的研究。首先,根据研究的需要,魏益民教授在纽迈分析的帮助下对仪器进行了改造。“我们要做成在线仪器,称之为‘on-line’,首先要解决的就是把环境引到探头里面,同时保证遇冷空气时不结露。此外,还要在恒湿箱侧面做了微型取样洞等。”

基于此,魏益民教授开展了多方面的研究:挂面在干燥过程不同阶段的水分状态;挂面干燥过程中的水分运移规律;还进一步研究了不同形状(圆和方)面条的水分迁移规律等。这其中,最令其自豪的一件事情就是硕士生在J. of Food Engineering上发表的文章《Study on the Water State and Distribution of Chinese Dried Noodles during the Drying Process.》。改论文投稿不到两周即被接受,一个月即发表,并被编辑点评具有数个亮点:方法学上创新,包括申请专利的食品水分分析技术平台以及核磁技术的应用;采用油脂包被的方法有效减少噪音、增加信号强度,利用低场核磁成像技术可以清楚地研究挂面的收缩界面;研究了直径2-3mm挂面中水分的迁移规律;将扫描灰度图的信号数字化,趋势和规律更清晰,更有利于工业应用等。

通过低场核磁技术的应用,魏益民教授课题组不仅揭示了挂面干燥过程中水分的迁移规律,还探究了在工业上的应用。“工业应用的前提是寻找理想的干燥曲线,而理想的干燥曲线即是在保证质量、产量、能耗三者平衡的前提下的一种干燥模型,是工业化的科学依据,且最经济、最环保、最有效。这也是我们最终的目的。”谈到这,魏益民教授还特别强调,“只有得到数学模型才能智能化。”
基于“食品中水分分析技术平台”,魏益民教授与纽迈分析的合作项目“智能物料干燥分析系统”就特别体现了智能化。据介绍,智能物料干燥分析系统由低场核磁共振成像及分析系统,温度、湿度、风速动力控制系统,自动重力测定系统,迁移观察系统,显示和运算系统组成,具有自动绘制物料干燥、挥发、吸附等过程特性曲线等功能,极大提高了研究效率。据悉,该平台也在为未来近红外监测模块开发做准备。
最后,魏益民教授还特别指出,“当前,中国大多数食品制造业的工艺考控制还停留在经验层面,我们建立的这个‘食品水分技术分析平台’不仅可以对接核磁,还可以对接气质;不只是针对食品领域,还能够进行中药材、木材、挥发物、种子等多领域的研究。”

后记:采访中我们得知,魏益民教授先后上过四所大学,专业涉及了农学、质量分析控制,甚至项目管理,其研究方向更是横跨了多个学科。为了专心科研,他毅然辞掉西北农林科技大学副校长职务,一手创建中国农业科学院农产品加工研究所。魏益民教授自定义为开拓者,他说,“我最大的功劳就是留下了近100个学生,建立了中国唯一一个小麦和小麦制品的研究的全方位平台。”
对国产仪器,魏益民教授也有着自己的情怀。在研究过程中,其课题组不仅亲自进行仪器的改造和集成,而且及时地把对仪器的建议反馈给合作伙伴。魏益民教授还特别提到,外国的仪器设备往往不是某一个仪器设备企业研究出来的,很多都是某一科学家在研究过程中的成果,只是由他们及时地产业化了。这种机制值得我们学习。

文章来源:仪器信息网

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