基于低场NMR的胡萝卜干燥过程水分状态及其分布的研究

发布时间：2020-06-11 06:26

【摘要】：近年来，各种联合干燥技术以其干燥时间短，能耗低，产品质量高等优势而被广泛应用。果蔬中的水分主要以结合水，半结合水和自由水的状态存在，大部分的自由水和半结合水在干燥过程中脱除，而结合水因与物料到固质结合的非常紧密一般不能在干燥中去除。联合干燥技术融合各种干燥技术的优点，在物料干燥的不同的阶段采用不同的干燥技术，脱除物料中大部分的自由水和半结合水。对物料干燥过程中的水分状态及其水分分布的研究有利于为变温联合干燥过程干燥工艺、转换点的确定以及数学模型的建立提供理论依据。目前，国内外学者已经利用无损检测技术，如H核磁共振技术(HNMR)、计算机断层技术(CT)以及γ射线等获得物料水分的分布图，而HNMR法测量速度快，结果精度高，携带信息多的特点使其应用于果蔬干燥过程研究具有显著优势。论文应用核磁共振及其成像技术研究胡萝卜不同恒温热风温度干燥过程中物料内部水分的变化规律，试验采用电热恒温干燥箱设备，分别在40℃、50℃、60℃、70℃和80℃的条件下对胡萝卜切片进行热风恒温干燥。论文第一部分研究了核磁共振总信号幅值与干基含水率的相关系数，并拟合出定标曲线。借助SPSS13.0软件进行回归分析，胡萝卜样品核磁共振总信号幅值与样品干基含水率的相关系数R=0.999(R2=0.9991)，显著性水平为α0.01，干基含水率在5.10%~90.71%之间，因此干基含水率与核磁共振信号幅值存在十分显著的线性关系。定标曲线方程为y=3.1784x+107.97，x代表干基含水率，y代表信号幅值，通过定标曲线可以得到胡萝卜未知样品的含水率以及干燥过程中物料内部各状态水分的含量。论文第二部分研究胡萝卜不同温度热风干燥对物料内部水分状态及其分布的影响。制作胡萝卜切片直径为25mm，厚度10mm五个，分别在不同的热风温度下干燥，，至湿基含水率≤10%为止。通过T2反演谱分析得出：谱中包含三个波峰(即三种状态的水分)，证实胡萝卜片中水分以结合水、半结合水和自由水状态存在；干燥过程改变了胡萝卜样品中水的分布和结合状态，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。论文第三部分对样品在40℃和70℃的条件下干燥过程中不同时段的成像研究。通过成像可视化物料内部水分的分布，样品内部水分分布不均匀。从成像的伪彩图我们清晰看到，随着干燥时间的延长，图像的亮度变弱，由于温度梯度和水分梯度的分布，外层的水分先被蒸发。干燥后期使物料收缩严重阻碍了水分的外迁，另外，此时的水分与固质的结合更紧密，干燥速率处于降速段，但是70℃干燥条件下温度相对较高，破坏了样品的组织，从图像上看亮度变弱速率相对更快。论文第四部分研究反演软件算法对不同信噪比(SNR)的适应性，通过仿真我们得出当SNR40时，联合迭代重建算法(SIRT)反演的结果稳定，论文中第三部分试验采集的信号的SNR都大于40，所以反演的结果可信；而当SNR40时，反演谱出现假峰或者峰变的尖锐，短弛豫组分的信噪比低于长弛豫组分的信噪比，所以短弛豫组分受干扰更大。低场核磁技术揭示了胡萝卜干燥过程内部水分的变化规律，为果蔬干燥参数的研究提供了一种有效方法。
【图文】：

MRI图像,脐橙,生长时间

MRI的空间编码技术是采用梯度磁场，以达到层面选择的目的。对一个选定层面的体素进行相位编码和频率编码核磁共振信号时便具有二维空间信息，经相位编码梯度多的信号确定每一体素的空间位置和信号强度，经二维傅立图像。现状，2004年，Bertram et al[29]等利用低场强的NMR研究了动性，发现与额外的肌原纤维蛋白水分子数目相关的NMR特性是有联系的，并且纵肌的收缩与横肌缩水是肌原纤维动力。2007年，Prabal.K.Ghosh.et al[30]利用自旋回波序列磁种子干燥过程中的水分分布图像，通过分析利用该图像研数学模型为谷物的干燥提供理论基础。而Lodi.et al[31]利用包储存过程中水分分布和移动进行研究，得出水分的均匀和杏仁面包的变质发挥着基础作用的结论。Sally G. Hardin术测量木板干燥过程中的水分分布，证明了在含有纤维素共振可以提供有用的可视化和定量的水分分布数据。

外加磁场,磁矩,质子

当自旋核不加外加磁场时，质子的排列处于无序状态，其南、北极的朝向是随机的、瞬间即变的，各瞬间不同朝向质子的磁力将互相抵消，物质不显示磁性。即生物组织的宏观磁矩M=0。如图2-1所示：图 2-1 无外加磁场时质子宏观磁矩Fig.2-1 Macro magnetic moment of protons when there is no additional magnetic field分析证明，自旋并不完全与磁场趋向一致，而是倾斜一个角度θ。当外加主磁场B0时，氢原子核自旋的同时，又沿主磁场方向作圆周运动，将质子磁矩的这种运动称为拉莫尔进动，它与陀螺在地球引力的作用下的运动类似，如图2-2所示。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：R445.2

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