一种鲜切花水分测定方法
阅读说明：本技术 一种鲜切花水分测定方法 (Fresh cut flower moisture determination method ) 是由 李秀梅 黎洪波 张卫娜 周慧 刘军 于 2020-12-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种鲜切花水分测定方法。本发明提供了低场核磁成像和T2弛豫方法相结合的鲜切花衰老过程中水分测定方法,为研究鲜切花衰老的生理机制,研发保鲜技术和延缓其衰老提供了标准化的方法。本方法所需样本量少、步骤简洁,克服了利用传统烘干法检测耗时长,不能满足生产过程实时反馈、即时调整的要求；而且测定速度快,信噪比好,预测结果稳定准确,适用于鲜切花保鲜技术鉴定、优化、研究和应用。(The invention discloses a fresh cut flower water content determination method. The invention provides a water content determination method in a fresh cut flower senescence process by combining a low-field nuclear magnetic imaging method and a T2 relaxation method, and provides a standardized method for researching the physiological mechanism of fresh cut flower senescence, developing a preservation technology and delaying senescence. The method has the advantages of small sample amount and simple steps, and overcomes the defects that the detection by using the traditional drying method consumes long time and cannot meet the requirements of real-time feedback and real-time adjustment in the production process; and the method has the advantages of high determination speed, good signal-to-noise ratio and stable and accurate prediction result, and is suitable for identification, optimization, research and application of the fresh cut flower preservation technology.)
技术领域
本发明属于鲜切花检测技术领域，具体涉及一种鲜切花水分测定方法。
背景技术
鲜切花是花卉产业花生产的重要产品类型之一。国内外送往迎来的礼仪活动中离不开切花，对于装饰环境、美化生活、传递情感也起着重要的作用，因此随着经济发展，全球鲜切花产业得到了快速发展。鲜切花细胞需要保持一定的膨压，才能维持正常的生理代谢，保持鲜艳外观。切花采收后，得不到来自母体根系的水分和营养供应，所处环境的大气相对湿度加速水分蒸腾作用。当水分亏缺，各种可溶性盐离子、营养物质、酶活性等随之流失或降低，就会导致切花开放率低、鲜艳度低和萎蔫衰老。因此，含水量是切花保鲜最重要的生理指标，也是切花保鲜技术中必不可少的衡量指标。然而，切花的保鲜取决于吸水与失水之间平衡的关系以及由此受到影响的正常代谢过程，而非单纯含水量的大小。因此，水分状况是决定切花衰老进程的重要因素，比较不同组分之间的水分状况往往更具有实际意义。
目前鲜切花行业内测定含水量的方法主要是传统的烘干法。该方法往往需要70℃以上的温度和数小时以上，还需冷却至室温，检测耗时长，不能满足生产过程实时反馈、即时调整的要求。而且鲜切花含挥发性芳香物质，在高温下所失去的是热不稳定的挥发性物质总量而不完全是水，导致得到的含水量有偏差。
核磁共振作为一种实时、无损、无侵入的定量测量技术，能够从微观的角度反映物料的含水量、水分赋存状态等指标。但对鲜切花含水量、水分状态及其动态变化进行测定的报道尚未见到。此外，鲜切花的花器官包含苞片、花瓣、雌雄蕊等不同的组织，由于各个组织间的水分含量和理化性质不尽相同，而低场核磁共振检测特异性质子，在测量过程中不受表面性质的影响，因此，低场核磁共振技术更具优势。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中鲜切花水分检测方法的上述不足，提供一种鲜切花水分测定方法。
本发明方法基于核磁共振成像技术，采用NMR信号幅值反演计算含水量，并通过信号谱图分析鲜切花中的水分状态及变化；该方法信噪比高，检测速度快，步骤简洁。
鲜切花采后常常需要通过茎干的输导组织吸收水分和养分来保持一定时间内不败。切花衰老的主要原因是由于花茎微生物堵塞、生理堵塞和物理堵塞引起花瓣组织内部失水，从而加重了切花的凋萎。因此对花茎进行核磁共振成像的检测分析，有助于研究水分迁移变化规律，这是仅靠烘干技术无法得到的。
本发明方法不仅可以测定含水量，更重要是可以检测鲜切花在衰老过程中水分状态及其动态变化；还可以适用于鲜切花保鲜技术领域，针对不同保鲜剂保持水分含量的效果进行对比，改进保鲜剂配比，优化保鲜技术。
本发明的鲜切花水分测定方法，包括以下步骤：
a.样品制备：切取适宜大小鲜切花样品并称重，放入核磁样品管中密封；
b.用低场核磁共振检测样品，获得CPMG序列的回波衰减曲线数据后，将对应样品置于70℃下，烘至恒重；烘干过程中，每隔1小时采集一次对应样品的CPMG信号；
所述的低场核磁共振检测的参数设置范围如下：
90度脉宽P1：15μs，180度脉宽P2：29μs，重复采样等待时间Tw：1000-10000ms，模拟增益RG1：10到20，均为整数；数字增益DRG1：2到5，均为整数；接收机带宽SW：100，200，300KHz；开始采样时间的控制参数RFD：0.002～0.06ms，回波个数NECH：1000～12000，重复采样等待时间Tw：2000ms，回波时间TE：0.18～0.2ms，重复采样次数NS＝4/8/16；
c.在步骤b每个时间点采集CPMG信号后立即称重对应样品，根据对应样品质量计算得到对应样品的含水量测定值；
d.处理步骤b获得的CPMG序列的T2回波衰减曲线信号，提取总水分NMR的T2首点信号值，对应步骤c获得的含水量测定值，拟合T2首点信号值和含水量测定值，建立鲜切花含水量预测模型；
e.采用与步骤b中相同的参数设置采集待测鲜切花样品的T2衰减曲线数据，获得首点信号值和不同弛豫组分的T2，将首点信号值代入所述的鲜切花含水量预测模型，得到待测鲜切花样品对应的水分含量预测值，不同弛豫组分的T2(反演谱)用于水分状态判定；
f.低场核磁成像：将鲜切花样品放入核磁样品管中，用低场核磁共振仪进行成像分析，根据图像中颜色深浅并结合横向弛豫时间T2反演谱，判定水分分布情况。
优选，所述的步骤a的切取适宜大小鲜切花样品为切取不超过1cm2大小的花瓣或不超过2cm长度的茎段。
优选，所述的步骤b中用低场核磁共振检测每次采集3-6个样品重复。
优选，所述的步骤e的不同弛豫组分的T2，T2值为1～10、10～100、100～10000ms的NMR信号依次分别解析为结合水(T21)、不易流动水(T22)和自由水(T23)。
上述的方法中，根据得到样品的特征峰，分别把T2值为1～10、10～100、100～10000ms的NMR信号解析为结合水(T21)、不易流动水(T22)和自由水(T23)，鲜切花水分对应的反演NRM信号75-90％的峰面积位于100～1000ms。调试好的参数可用于以后鲜切花的测定。所述的鲜切花水分含量预测模型采用相关系数R2进行预测模型的评价。
优选，所述的步骤f的低场核磁共振仪进行成像分析，具体为：采用MRI成像软件及SE成像序列试验，采集样品质子密度图像；MRI成像参数：GZ＝-850，GY＝-240，GX＝-100，Tw＝2000，累加采样8次。
优选，所述的步骤f的鲜切花样品为取自距离切口20～22cm处的不超过2cm长度的茎段。
优选，所述的鲜切花为唐菖蒲。
优选，所述的低场核磁共振检测所用仪器为NMI20型低场核磁共振检测仪，线圈直径为15mm，参数设置如下：90度脉宽P1＝15us，开始采样时间的控制参数RFD＝0.06ms，模拟增益RG1＝20.0db，数字增益DRG1＝3，接收机带宽SW 200KHz，重复采样等待时间Tw＝2000ms，180度脉宽P2＝29us，回波时间TE＝0.2ms，回波个数NECH＝10000，重复采样次数NS＝8。
本发明还提供所述的方法在检测鲜切花含水量和水分迁移变化中的应用。
本发明的优点：
1.通过建立含水量预测模型，可以实时、快速、准确检测鲜切花的含水量。因此本发明方法能满足生产过程实时反馈、即时调整的要求。
2.通过横向弛豫时间可以检测水分状态及其动态变化，可以对不同处理的组分之间进行比较和改进，可以针对不同保鲜剂保持水分含量的效果进行对比，改进保鲜剂配比，优化保鲜技术。
3.通过对花茎——决定鲜切花吸水的主要器官——水分迁移进行成像观察，直观而明确，这是仅靠传统的烘干技术无法得到的。对于研究鲜切花水分迁移规律以及维持寿命的内在机制具有非常积极的作用。
附图说明
图1是实施例1含水量预测模型；
图2是实施例1唐菖蒲小花开放进程中的NMR信号幅值和传统烘干法所测得的小花开放过程中的含水量；
图3是实施例1唐菖蒲不同开放程度小花T2(横向弛豫时间)的变化；
图4是实施例2唐菖蒲花瓣、茎段和苞片的NMR信号幅值及不同水分状态的相对比例；
图5是实施例2的唐菖蒲切花花茎的核磁共振成像。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
选择唐菖蒲作为以下实施例中的样品材料。唐菖蒲(Gladiolus hvbridus Hort.)为鸢尾科唐菖蒲属的多年生草本植物，其品种繁多，花形别致，花色丰富，深受国内外广大消费者的青睐，是世界著名的四大切花之一。
实施例1：唐菖蒲小花开放进程中的含水量
⑴参数调试。
第一步：由于仪器磁场均匀性等要求，样品的高度必须小于所设定的视野Fov值。试验所用NMI20型低场核磁共振检测仪线圈直径为15mm，为保证样品检测结果的准确性，样品装样高度的范围不可超过2.5cm。实际测试过程中发现切花具有较高的填充值，在样品量高于0.6g时难以压缩到检测高度。因此将花瓣样品切成1cm2小片，取0.5g放入直径为15mm干燥洁净的核磁样品管中密封。
第二步：采用单一的90度射频脉冲激发样品，接收硬脉冲FID信号调试。累加2次采样记录Tw下的模值，将Tw增加500ms，比较当前模值和前一次的模值，重复增加Tw，直到模值变化范围小于1％，最终确定合适的Tw。
第三步：通过CPMG序列采集数据，调试回波个数NECH使样本的横向弛豫在采样时间内已经基本完成。设置累加采样为2的次幂，范围为2到4，即采样次数为4到16。根据信号衰减曲线，选择信噪比大于50的采样次数。90度脉宽P1＝15us，开始采样时间的控制参数RFD＝0.06ms，模拟增益RG1＝20.0db，数字增益DRG1＝3，接收机带宽SW 200KHz，重复采样等待时间Tw＝2000ms，180度脉宽P2＝29us，回波时间TE＝0.2ms，回波个数NECH＝10000，重复采样次数NS＝8。调试好的参数可用于以后同一种属鲜切花的测定。
⑵应用低场核磁共振检测样品，获得CPMG序列的回波衰减曲线数据后，提取首点信号值。将对应唐菖蒲小花样品置于115℃杀青，再于70℃下恒温烘干至恒重，烘干过程中，每隔1小时采集一次对应样品的CPMG信号，每个时间点6个重复。
⑶采用烘干恒重法对上述鲜切花烘干过程中每个采样点的水分含量进行测定，得到水分含量测定值；每个时间点6个重复，由此分别求出含水量的平均值为烘干恒重法含水量测定值。
⑷采用化学计量学方法处理获得的CPMG序列的T2回波衰减曲线信号，提取总水分NMR的横向弛豫时间T2首点信号值，对应烘干得到的含水量测定值，进行质量归一化后，拟合T2首点信号值和含水量测定值，建立鲜切花含水量预测模型，得到一条标准曲线y＝0.0014x-0.6118；其中x为横向弛豫时间T2衰减曲线的首点信号值，y为含水量预测值。采用相关系数R2，进行预测模型的评价。二者的相关系数R2＝0.96428(图1)。随机取待测样品，代入上述公式得到含水量预测值(预测Y)，并与烘干恒重法含水量测定值对比(表1)。
表1鲜切花水分测定含量与预测水分含量的比较
⑸样品取材和测定。对开放1～6天的小花切成约1cm2小片后各取0.5g，3份重复。放入直径为15mm干燥洁净的核磁样品管中密封。测定每一天的首点信号值和横向弛豫时间T2(图2、图3)。T2反演谱的不同波峰代表水分的不同状态，分别把T2值为1～10、10～100、100～10000ms的NMR信号解析为结合水(T21)、不易流动水(T22)和自由水(T23)。
实施例2：唐菖蒲切花不同器官和组织的水分状态及其采后分布变化
⑴样品取材和测定。将苞片、花瓣样品切成约1cm2小片，各取0.5g左右，将茎段切成不超过2cm高度，放入直径为15mm干燥洁净的核磁样品管中密封。通过CPMG序列，提取首点信号值，反演得到各个弛豫组分NMR信号幅值和横向弛豫时间T2，采集样品数据。
⑵数据分析。得到唐菖蒲切花的特征峰，分别把T2值为1～10、10～100、100～10000ms的NMR信号解析为结合水(T21)、不易流动水(T22)和自由水(T23)，根据信号幅值以及T2分析样品含水量。唐菖蒲切花不同器官和组织的NMR信号幅值存在差异，结合水、不易流动水和自由水的3个峰的大小和占比都不一(图4)，表明花瓣和茎段都有很高的自由水含量，而苞片的自由水含量则明显低于前两者，不同部位的含水量和3种状态水的比例不同。所以，鲜切花中自由水所占的比重远远大于结合水和不易流动水。按照回归分析的思想，将横向弛豫不同范围特征峰与含水量进行回归系数显著性分析，发现自由水特征峰与含水量呈显著关系。
⑶成像。对采后0，4，8天的每支花取距离切口20～22cm处不超过2cm长度的茎段(约2cm)，放入直径为15mm干燥洁净的核磁样品管中密封。基于前述参数，调梯度时，①相位编码梯度GA3＝0，便于优化其他参数，单次采样GS；②调节频率编码GA4使回波幅度最大；③调节GA3，累加采样，看成像效果。GA0`2决定选层，值越大层越薄；④调节GA5后再调节GA4，看信号值是否不再增加，同理，调GA1时先调GA0和GA2，再调GA1，看信号值是否不再增加。MRI成像参数：GZ＝-850，GY＝-240，GX＝-100，Tw＝2000，累加采样8次。利用调试好的参数通过自旋回波序列采集数据。可见花茎组织结构随着瓶插时间到第四天茎的含水量明显增加(图5)，与小花开放过程(图2)的表现一致，且茎中的维管束组织含水丰度更高，到第八天出现褐化、髓部腐烂。