香菇中短波紅外干燥的試驗

王洪彩， 張 慜*， 王兆進

（1.江南大學 食品學院，江蘇 無錫214122；2.圣泰科紅外科技有限公司，江蘇 泰州225300）

香菇是一種營養豐富、高蛋白、低脂肪、多氨基酸和大量微量元素的食用菌，素稱“菇中之王”。香菇在采摘后會進行一系列的生理變化，如呼吸作用使其散失水分；糖代謝、氮代謝等降低鮮度。通常食用的香菇大多為干制品。干制工藝是否合理，對香菇的營養成分、香味和外觀質量有較大的影響。我國香菇在國際上缺乏競爭力，如在法國，中國干香菇售價200～250 FRF/kg，而日本生產的可達300～500 FRF/kg[1]，主要原因是質量問題。

目前，大多數果蔬都是采用熱風干燥方法（AD）脫水，但存在干燥速度慢，脫水時間長、產品品質差的普遍問題[2]。紅外干燥技術是利用紅外輻射元件發出的紅外線被物料吸收后將光能轉變為熱能而達到干燥目的的一種方法。紅外線使物料內部水分得到加熱，形成內高外低的溫度梯度；水分梯度方向是由水分較多的內部到水分少的外部。因此，物料內部水分遷移方向和熱擴散方向是一致的，這將加速干速過程。紅外干燥技術是基于水分吸收紅外輻射的特性。紅外線（IR）波長范圍是 0.75～100 μm，其中可以細分為短波 IR（0.75～2 μm），中波 IR（2～4 μm）和長波 IR（4～100 μm）。短波穿透性比長波有大優勢[3]。此外，紅外干燥的熱效率高，熱損失小，加熱引起食物材料的變化損失小，最終產品品質較好，具有廣闊的發展前景。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

原料香菇:購于江蘇省無錫市濱湖區雪浪菜市場，香菇在長軸方向的直徑為（6.87±1.45）cm，短軸方向的直徑為（5.97±1.23） cm，平均質量為（8.86±1.43）g。并在4℃低溫下保藏。

試劑:磷酸二氫鉀，磷酸氫二鈉，水合茚三酮，L-半胱氨酸，氯化亞錫:國藥集團化學試劑有限公司產品。

1.2 儀器與設備

中短波紅外干燥設備:泰州的圣泰科紅外科技有限公司提供。該設備主要由干燥室、風機、紅外燈管、載料板、顯示屏等組成，見圖1。干燥室的容積為0.26 m×0.35 m×0.40 m，中短波長紅外燈管共6只，其中3只功率為450 W，波長為3.0 μm；另3只功率為225 W，波長為2.3 μm，兩種不同波長的燈管平行且相互交錯懸放。紅外輻射燈管在料板上方，距料板的距離有10，14，18 cm。每次干燥試驗開始前，先將干燥箱運行30 min，以達到試驗所需要的溫度條件。

圖1 中短波紅外干燥箱示意圖Fig.1 Apparatus of intermediate wave infrared drying oven

電熱恒溫鼓風干燥箱:101-1-BS，上海躍進醫療器械廠產品；固相微萃取頭:CAR/PDMS涂層；1200L氣相色譜串聯質譜聯用儀，美國瓦里安公司產品；電子天平:JM20002，余姚紀銘稱重校驗設備有限公司產品；高速多功能粉碎機:Q-250A3，上海冰都電器有限公司產品；紫外分光光度計:UV2600，上海天美科學儀器有限公司產品。

1.3 試驗方法

取大小一致，無病蟲害的香菇，去蒂，僅留1～2 cm蒂根，單層均勻平鋪于紅外干燥箱的料板上，分別采用不同放置方式、溫度（40，50，60，70 ℃）、輻射距離（10，14，18 cm）、風速（0.8，1.4，2.0 m/s）和裝載系數（2.0，4.0，6.0 kg/m2）條件下干燥，每隔 20 min記錄樣品質量，直至樣品達到安全含水率12%為止，比較中短波紅外干燥和熱風干燥對香菇品質的影響，包括感官品質、氨基酸含量及揮發性成分的變化。兩種干燥方式比較時的干燥條件如下:

熱風干燥:溫度是60℃，風速是1.8 m/s；中短波紅外干燥:溫度為60℃，輻射距離是14 cm。均采用裝載系數為4.5 kg/m2，菌褶向上放置的方式干燥。

1.3.1 含水量測定 含水量按 GB/T5009.3-2003《食品中水分的測定方法》測定。

Δm為相鄰兩次測量的失水量，g/g（以干物質計）；Δt為相鄰兩次測量的時間間隔，min。

將新鮮香菇切成碎末，在105℃的條件下干燥至恒重，得到鮮香菇的含水量為質量分數（87.5±1.23）%。

1.3.2 香菇感官評分標準 選取本實驗室的10位同學對熱風干燥和中短波紅外干燥的香菇進行感官評分，綜合考慮干制品色澤，香味和外形指標，滿分100分，結果采用綜合加權平均法計分，表1為具體的感官評分標準:

1.3.3 游離氨基酸含量測定 干香菇中游離氨基酸含量的測定是采用茚三酮法進行測定，詳請參見參照文獻[6]。

1.3.4 香菇中揮發性成分的測定 將粉碎后的樣品用固相微萃取法進行處理:取3 g經搗碎后的樣品置于15 mL頂空瓶中，將老化后的CAR/PDMS萃取頭插入樣品瓶頂空部分，于50℃吸附40 min，吸附后的萃取頭取出后插入氣相色譜進樣口，于250℃解吸3 min，同時啟動儀器采集數據。

表1 干香菇的感官評分標準Table 1 Sensory score of dried shiitake mushroom

氣相色譜條件:DB-5石英毛細管色譜柱:30 cm×0.25 mm；程序升溫:初溫 40℃，保持 3 min，以6℃/min上升到120℃，再以10℃/min上升到230℃:進樣口溫度:250℃；載氣（He）流量:1 mL/min，不分流。

2 結果與分析

2.1 香菇中短波紅外干燥失水特性的研究

2.1.1 不同放置方式對香菇中短波紅外干燥失水特性的影響 香菇子實體結構主要由菌蓋，菌褶，菌柄幾部分組成，取一定量的香菇，在溫度為60℃，輻射距離為14 cm，風速為1.4 m/s，裝載系數為4.0 kg/m2的條件下干燥，香菇在兩種不同放置方式（菌蓋向上和菌褶向上）下的中短波紅外干燥曲線和干燥速率曲線見圖2和圖3。

圖2 不同放置方式對香菇中短波紅外干燥曲線的影響Fig.2 Effects of different placement of shiitake mushroom on infrared drying curve

從圖2中可以看出，兩種不同放置方式對香菇中短波紅外干燥曲線有影響。圖3可以看出，在含水量為3.0～8.0 g/g時，菌褶向上放置比菌蓋向上放置的干燥速率大。在含水量低于3.0 g/g時，菌褶向上放置時的干燥速率比菌蓋向上放置時低。這與菌蓋和菌褶的結構有關，紅外線具有一定的穿透性，物料吸收紅外線后粒子振動加劇，內部熱量積累，表面水分蒸發，水分由內部向外部擴散[5]。香菇子實體菌蓋表面由老熟菌絲形成的黑褐色被膜構成，被膜由厚壁細胞構成，所以干燥時子實體內部的水分不易從菌蓋表面散發出來。菌褶與空氣接觸面大，且組織疏松，故水分易從菌褶散發出來。因此干燥時，菌褶迎熱風排放，以利熱風帶走菌褶表面上的水分，這在干燥前期能明顯的看出，而在干燥后期，物料中水分含量已經降到很低，此時菌蓋向上放置時的水分擴散比菌褶向上放置時高，兩種放置方式下達到安全含水量所需的時間相差不大。

圖3 不同放置方式對香菇中短波紅外干燥速率曲線的影響Fig.3 Effects of different placement of shiitake mushroom on infrared drying rate curve

2.1.2 不同溫度對香菇中短波紅外干燥失水特性的影響 取一定量的香菇，在輻射距離為14 cm，風速為 1.4 m/s，裝載系數為 4.0 kg/m2，溫度為 40，50，60，70℃，菌褶向上放置的條件下干燥，不同溫度的香菇中短波紅外干燥曲線和干燥速率曲線見圖4和圖5。

從圖4可以看出，隨著干燥時間的延長，香菇中的含水量呈下降趨勢，溫度越高，干燥所需要的時間越短。從圖5中可以看出，隨著溫度的升高，香菇的干燥速率逐漸升高。高溫有利于水分的擴散，但對產品的品質影響大。干燥溫度過高，菌蓋色澤加深，菌褶深黃，卷邊增加，香氣易于逸出，后期會產生焦味。此外，在整個干燥過程只存在降速階段，沒有恒速階段，這表明在干燥過程以擴散為主，降水速率的大小主要取決于香菇中水分從內部向外部的擴散[6]，但是Pal和Chakraverty等對平菇的薄層干燥研究表明:在干燥初期有短時間的恒速階段，然后是降速階段，主要是因為其初始含水量（12.0 kg/kg）比作者研究的香菇的初始含水量（8.7 kg/kg）高，且采用的是薄層干燥。由試驗分析可得干燥溫度宜選50～60℃。

圖4 不同溫度對香菇中短波紅外干燥曲線的影響Fig.4 Effects of different temperature on infrared drying curve

圖5 不同溫度對香菇中短波紅外干燥速率曲線的影響Fig.5 Effects of different temperature on infrared drying rate curve

2.1.3 不同輻照距離對香菇中短波紅外干燥失水特性的影響 取一定量的香菇，在輻射距離為10，14，18 cm，溫度為 60 ℃，風速為 1.4 m/s，裝載系數為4.0 kg/m2，菌褶向上的放置條件下干燥，不同輻照距離的香菇中短波紅外干燥曲線和干燥速率曲線見圖6和圖7。

從圖6可以看出，隨著輻射距離的增大，干燥所需要的時間越大。圖7結果表明:輻射距離為10，14 cm時，干燥速率相差不大，當輻射距離18 cm時，香菇含水量在3.0 g/g以上時，干燥速率很低；當含水量低于3.0 g/g時，輻射距離為18 cm的干燥速率比10 cm和14 cm大。這是因為輻射距離過大時，輻射不集中，干燥慢；距離小時，干燥速率加快，但會增加干燥的不均勻性，中間物料比較容易烤糊，而周邊的物料干燥比較慢。當輻射器的面積和物料的表面積相等時，在選取輻射距離時在保證輻射均勻度的原則，不影響產品品質，不妨礙操作的前提下輻射距離越近越好[7]。試驗宜選為10～18 cm。

圖6 不同輻射距離對香菇中短波紅外干燥曲線的影響Fig.6 Effects of different radiation distance on infrared drying curve

圖7 不同輻射距離對香菇中短波紅外干燥速率曲線的影響Fig.7 Effects of different radiation distance on infrared drying rate curve

2.1.4 不同風速對香菇中短波紅外干燥失水特性的影響 取一定量的香菇，在溫度為60℃，輻射距離為14 cm，裝載系數為4.0 kg/m2，風速為0.8 m/s、1.4 m/s和2 m/s，菌褶向上放置的條件下干燥，不同風速的香菇中短波紅外干燥曲線和干燥速率曲線見圖8和圖9。

從圖8和9中可以看出，在干燥溫度和輻射距離一定的情況下，隨著風速的增加，干燥速率越快，干燥所需要的時間越短。且風速為1.4和2.0 m/s時，干燥曲線和干燥速率曲線相差不大，造成這種情況的原因可能是:風速越大，能夠越快地帶走物料表面的濕份，同時帶走了香菇表面的傳質、傳熱的邊界層的膜厚。這樣就增加了物料表面與外部空間的傳質梯度，有利于物料內水分擴散及表面的水分蒸發，所以干燥速率越快。但當蒸發出來的水分被熱風全部帶走后，增加風速不僅不能加速香菇干燥速率，反而會不斷造成過多能量的消耗。通過實驗分析，干燥風速宜選為0.8～2.0 m/s。

圖8 不同風速對香菇中短波紅外干燥曲線的影響Fig.8 Effects of different wind velocity on infrared drying curve

圖9 不同風速對香菇中短波紅外干燥速率曲線的影響Fig.9 Effects of different wind velocity on infrared drying rate curve

2.1.5 不同裝載系數對香菇中短波紅外干燥失水特性的影響 取100，200，300 g的香菇，在溫度為60℃，輻射距離為14 cm，風速為1.4 m/s的條件下平鋪在面積為25 cm×20 cm的料板上，裝載系數分別為2.0，4.0，6.0 kg/m2，菌褶向上放置的條件下干燥，不同裝載系數的香菇中短波紅外干燥曲線和干燥速率曲線見圖10和圖11。

從圖10和11中可以看出，隨著裝載系數的增加，干燥時間增加，干燥速率增加。當裝載系數為4.0 kg/m2時，物料可均勻地平鋪在料板上，當裝載系數為2.0 kg/m2時，物料不能鋪滿整個面積，干燥時間縮短，但需要的能耗增加，不可取，而當裝載系數為6.0 kg/m2時，物料呈堆積狀，干燥過程中存在不均勻性，這對干燥產品的品質有很大影響。

圖10 不同裝載系數對香菇中短波紅外干燥曲線的影響Fig.10 Effects of different loading coefficient on infrared drying curve

圖11 不同裝載系數對香菇中短波紅外干燥速率曲線的影響Fig.11 Effects of different loading coefficient on infrared drying rate curve

2.2 中短波紅外和熱風干燥對香菇感官品質的影響

通過實驗發現，香菇中短波紅外干燥達到安全含水量需要的時間是240 min，而熱風干燥所需要的時間是580 min。這可能是因為熱風干燥時，不論粗大物料或薄片物料，通過表面水汽被強制帶走來實現失水，內外濃度差是內部水分擴散的主要動力，而紅外干燥時燈管熱輻射的作用可促進水分的擴散。這就決定兩種干燥方式得到的產品的品質有一定的差距。中短波紅外和熱風干燥對香菇感官品質的影響結果見表2。

從表2中可以看出，中短波紅外干燥比熱風干燥后的香菇感官評分高。中短波紅外干燥時間比熱風干燥時間短，中短波紅外干燥時短時間內箱體中水分含量增加，同時在氧氣的作用下菌蓋表面會發生褐變，菌褶呈現輕微黃色，香菇香氣濃郁，表面有輕微的皺縮現象；熱風干燥后菌蓋顏色輕，菌褶顏色呈現深黃色，在長時間的高溫條件下香菇有輕微的香氣，呈扁平狀，表面有坍塌。

表2 中短波紅外和熱風干燥對香菇感官品質的影響Table 2 Effects of infrared and hot air drying on sensory quality of shiitake mushroom

2.3 中短波紅外和熱風干燥對香菇化學性質的影響

香菇在干燥過程中會發生很多的化學變化，從而影響產品的品質。氨基酸和糖類在加熱過程中會發生美拉德反應，導致產品褐變，降低產品品質，香菇在加熱過程中會產生濃郁的香味，主要體現在以醇類為主的八碳化合物和含硫化合物的差異上。

2.3.1 中短波紅外和熱風干燥對香菇中游離氨基酸質量分數的影響 測定以上兩種干燥方式下香菇中游離氨基酸質量分數，試驗重復測定3次，結果取其平均值，試驗結果見圖12。

圖12 中短波紅外和熱風干燥對香菇中游離氨基酸質量分數的影響Fig.12 Effects of infrared and hot air drying on amino acid content

從圖12中可以看出，中短波紅外干燥的香菇中游離氨基酸質量分數比熱風干燥的香菇高。達到相同的安全含水量時，熱風干燥所需的時間比中短波紅外干燥的時間長。氨基酸除了菇體自身含有外，還會由蛋白質經水解酶的作用水解產生。氨基酸受熱會發生裂解并與糖類發生美拉德反應、焦糖化反應等而消耗[8]。熱風干燥延長了干燥時間，雖然有部分蛋白質水解產生氨基酸。但長時間的干燥會使氨基酸與糖類發生美拉德反應而損耗更多，所以熱風干燥的游離氨基酸比中短波紅外干燥的游離氨基酸質量分數低。

2.3.2 中短波紅外和熱風干燥對香菇揮發性成分的影響 香菇的鮮美滋味主要因其含有豐富的游離氨基酸、核苷酸、碳水化合物，尤其是5’-核苷酸和谷氨酸；香菇的風味構成卻較為復雜，鮮香菇略帶植物的清香，香味清淡，而干香菇則香味濃郁宜人。鮮香菇不易貯存，一般經熱風烘烤制成干品，在加工過程中香菇的風味成分發生變化，造成干、鮮香菇風味特征明顯不同。試驗發現，經中短波紅外和熱風干燥的香菇香氣濃度不同，熱風干燥的香氣較淡，中短波紅外干燥的香氣濃郁，明顯優于熱風干燥。圖13和14分別是香菇經熱風和中短波紅外干燥后的揮發性成分的總離子流色譜圖。

圖13 熱風干燥的香菇揮發性成分總離子流圖Fig.13 Total ion current chromatogram of volatile components in shiitake mushroom dried with hot air

圖14 中短波紅外干燥的香菇揮發性成分總離子流圖Fig.14 Total ion current chromatogram of volatile components in shiitake mushroom dried with infrared

通過質譜庫檢索，各成分及相對質量分數見表3。共鑒定出28種揮發性成分，占總峰面積的90%。熱風干燥的香菇共檢測出20種揮發成分，中短波紅外干燥的香菇共檢測出19種揮發性成分。

表3 中短波紅外和熱風干燥的香菇中揮發性成分Table 3 Volatile components and their relative contents of in the infrared and hot air drying of shiitake mushroom

熱風干燥的香菇中揮發性成分有酸類3種，醛類5種，烷類3種，醇類1種，酮類1種，含硫化合物3種，酯類1種；中短波紅外干燥的香菇中揮發性成分有酸類3種，醛類2種，烷類4種，醇類1種，含硫化合物6種。含硫化合物是香菇香味的重要組成成分，這些含硫化合物是由前體物質—香菇酸在谷氨酸轉肽酶的作用下產生二硫雜環丙烷中間體聚合而成的。尤其是1，2，4-三硫雜環戊烷、1，2，3，5，6-五硫雜環庚烷、二甲基二硫醚、二甲基三硫醚等，賦予干香菇特征風味，通常能影響菇體的整體香味。含硫化合物質量分數的這種差異導致了干香菇風味特征更加濃郁。其他一些酸、酮、酯、烷和醛類在香菇中起著調和、協同或互補的作用[10]。其中 1，2，4-三硫雜環戊烷和 1，2，4，5 四硫環己烷的產生是干燥過程中香菇氣味的主要來源，中短波紅外干燥的香菇中這兩種物質的質量分數比熱風干燥的高，且干燥后還產生了二甲基三硫醚和2，3，5-三硫雜己烷兩種新物質。在干燥后的香菇中醛類和酸類質量分數較低，其對干香菇風味有副作用。

3 結語

1）香菇在兩種不同放置方式下的干燥速率是不同的。含水量在3.0～8.0 g/g之間時，菌褶向上放置時的干燥速率比菌蓋向上放置時的干燥速率大，達到相同的含水量，兩種不同放置方式所需的時間相差不大。

2）溫度、輻射距離、風速和裝載系數對中短波紅外干燥也有一定的影響。溫度越高，香菇干燥速率越大；但70℃及以上的高溫會影響香菇的品質。距離越小，干燥速率越大，但存在物料干燥不均勻的缺點。隨著風速的增加，干燥時間短，但當達到一定程度時，再增加風速只會增加能耗。轉載系數越大，干燥時間越長，同時干燥的后的產品不均勻。

3）中短波紅外干燥后的香菇感官品質優于熱風干燥的感官品質。其香氣濃郁，經檢測，中短波紅外干燥后的香菇中含硫化合物比熱風干燥的多，這是香氣濃郁的主要原因。中短波紅外干燥的香菇中游離氨基酸質量分數比熱風干燥的多。這是中短波紅外干燥的優勢所在。

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