低场MRI结合顺磁性离子评估植物组织渗透脱水过程的新方法

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低场MRI结合顺磁性离子评估植物组织渗透脱水过程的新方法（DOI: 10.3390/pr8080887）

摘要：
渗透脱水是一种常用于果蔬加工的技术，可同时实现脱水和浸渍。传统方法依赖质量分析，过程繁琐且缺乏空间信息。本文提出一种基于低场磁共振成像（MRI）结合顺磁性对比剂（CuSO₄）的非侵入式新方法，以西葫芦为实验对象，实时监测渗透过程中水分流失与溶质扩散的动态变化。结果显示，该方法不仅能准确计算水分与溶质扩散系数，还能提供渗透剂在组织内部空间分布的时间演化信息，显著提高了实验效率与信息丰富度，为果蔬渗透脱水机制研究提供了新工具。

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一、引言
渗透脱水（Osmotic Dehydration, OD）是一种在食品加工中广泛应用的技术，尤其适用于果蔬的预处理。该过程通过将样品浸泡在高渗透压溶液中，使水分从组织内部迁移至外部溶液，同时溶质进入组织内部，实现脱水与浸渍的双重目的。传统研究多依赖质量变化分析，虽然可获得整体传质数据，但无法揭示渗透剂在组织内部的空间分布及其随时间的演化过程。
近年来，磁共振成像（MRI）因其非破坏性、高空间分辨率等优势，逐渐应用于食品科学研究。本文提出一种新的低场MRI方法，采用CuSO₄饱和溶液既作为渗透剂，又作为MRI的负对比剂，通过T₂加权成像实现对渗透过程的实时可视化，并结合质量分析验证其准确性与有效性。

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二、材料与方法
2.1 样品与溶液制备
实验选用新鲜西葫芦（Astra Polka品种），切成直径20mm、高40mm的圆柱形样品，取自果肉中部以确保结构均匀。渗透溶液为21%（w/w）CuSO₄·5H₂O饱和溶液，既用于脱水，也作为MRI对比剂。
2.2 渗透脱水实验
样品浸泡于溶液中，分别在1、2、3、4、5、8小时取样，记录质量变化，并在50°C下烘干至恒重以测定干物质含量。每组实验设3个重复样品。
2.3 MRI成像协议
使用自制低场MRI系统（磁场强度88mT，频率3.74MHz），采用快速自旋回波（FSE）序列进行成像。成像参数包括：FOV 100×100mm，矩阵128×128，层厚16mm，TE=19ms，TR=300ms，总扫描时间约11分钟。图像用于分析渗透剂在组织中的扩散区域。
2.4 图像分析
通过ImageJ软件对图像进行处理，区分信号强度不同的区域（高浓度CuSO₄区域呈低信号），计算未被渗透剂占据的体积V(t)，进而得到相对体积分数αt = 1 − V(t)/V(0)。将αt与质量分析得到的固形物增益（SG）进行线性拟合，验证MRI数据的可靠性。

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三、结果与分析
3.1 水分流失与固形物增益
水分流失（WL）与固形物增益（SG）在前2小时内变化迅速，随后趋于平缓，符合典型的传质动力学趋势。通过Azuara模型拟合，得到水分与固形物在平衡状态下的理论值分别为28%和11%。
3.2 扩散系数计算
基于Fick第二定律，计算得到水分与溶质的有效扩散系数分别为：

• 水分扩散系数 De(WL) = (2.91 ± 0.47) × 10⁻⁹ m²/s
• 溶质扩散系数 De(SG) = (1.64 ± 0.17) × 10⁻⁹ m²/s
  

该结果与文献报道值相符，验证了模型的适用性。
3.3 MRI可视化结果
MRI图像清晰显示了渗透剂从外向内逐渐扩散的过程。初始图像中组织整体明亮，随着渗透时间延长，边缘区域逐渐变暗，表明CuSO₄进入组织并降低T₂信号。8小时后，几乎整个组织区域信号显著降低，表明渗透剂已基本覆盖整个样品。
3.4 MRI与质量分析的一致性
MRI测得的相对体积分数αt与质量分析得到的SG值呈良好线性关系（R² = 0.944），表明MRI可独立用于估算溶质扩散系数，其计算值为 (1.91 ± 0.11) × 10⁻⁹ m²/s，与质量分析结果一致。

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四、讨论与优势分析
与传统质量分析方法相比，MRI技术具有以下显著优势：

• 非破坏性： 同一样品可连续监测，避免样品间差异带来的误差；
• 高时空分辨率： 可获取渗透剂在组织内部的空间分布及其动态变化；
• 节省样品与时间： 无需多个样品和干燥称重步骤，实验效率显著提高；
• 定量分析能力强： 可用于计算扩散系数，并与传统方法结果高度一致。
  

此外，CuSO₄作为渗透剂与对比剂的双重角色，简化了实验设计，未来还可拓展为T₁加权成像中的正对比剂，实现更丰富的定量信息。

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五、结论与展望
本研究成功构建了一种基于低场MRI与顺磁性对比剂的渗透脱水过程监测新方法，实现了对西葫芦组织中水分与溶质传质过程的可视化与定量分析。该方法不仅提高了实验效率，还为深入理解渗透机制提供了新的视角。未来可拓展应用于其他果蔬品种、不同渗透剂及复合工艺（如超声、脉冲电场辅助渗透）的研究，推动食品加工技术的精细化与智能化发展。