孔隙結(jié)構(gòu)和脂肪含量對餅干水分吸附特性的影響*

郝發(fā)義，盧立新，2

1(江南大學(xué)，江蘇無錫，214122)

2(江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫，214122)

餅干、曲奇等烘焙食品從周圍環(huán)境或食品的其他部分吸收水分以后會逐漸失去脆性，進(jìn)而失去口感和風(fēng)味。為了能更好地保護(hù)這類食品的品質(zhì)，研究其水分吸附以及水分在其內(nèi)部擴(kuò)散和傳輸?shù)奶匦跃惋@得非常重要。同時(shí)，食品水分吸附特性也是研究防潮包裝和確定食品保質(zhì)期的重要前提。

食品的水分吸附特性受多方面因素的影響，主要分為環(huán)境溫濕度以及產(chǎn)品本身特性。從產(chǎn)品本身來講，主要包括產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及組成成分［1］，其對水分吸附特性的重要影響已經(jīng)得到眾多研究者的認(rèn)同［2-4］。烘焙食品內(nèi)部大多是多孔組織結(jié)構(gòu)，內(nèi)部基本上是連續(xù)的固相組織內(nèi)分布形狀和大小各異的孔隙。水分?jǐn)U散速度主要受食品內(nèi)部孔隙所占比例的影響，因?yàn)樗衷谑称穬?nèi)部的傳輸主要有兩種不同機(jī)制:沿固相的液態(tài)擴(kuò)散和沿氣相的氣態(tài)擴(kuò)散，通常情況下，氣態(tài)擴(kuò)散速度比液態(tài)擴(kuò)散速度高104量級［5］，所以孔隙率的大小很大程度上決定水分?jǐn)U散速度的量級。孔隙率對食品水分吸附速度的影響已經(jīng)在相關(guān)的研究，如意大利面［6］和松糕［7］中得到證明。食品的水分吸附特性代表其各個(gè)組分整體的吸附性能。研究表明，食品的脂肪含量的水分?jǐn)U散系數(shù)較低，通常大約在10-12和10-13m2/s［8］。食品中的脂肪通常會阻止或延緩水分傳輸，并因其增加了食品內(nèi)部水分傳輸路徑的曲折程度而導(dǎo)致有效水分?jǐn)U散系數(shù)降低。相關(guān)的學(xué)者發(fā)現(xiàn)食品中脂肪含量影響其最終平衡水分含量，比如松糕［9］和餅干［10］。

本研究以不同孔隙率和脂肪含量的發(fā)酵餅干為研究對象，研究孔隙結(jié)構(gòu)和脂肪含量對食品的水分吸附特性和有效水分?jǐn)U散系數(shù)的影響。

1 材料與方法

1.1 發(fā)酵餅干的配方與工藝

面粉、食鹽、白砂糖、小蘇打、水和植物油等配料加入攪拌機(jī)攪拌2 min，加入用溫水活化的干酵母和餅干專用酶，中速攪拌10 min。整理好的面團(tuán)在34℃的醒發(fā)箱里醒發(fā)30 min，用壓片機(jī)壓成2 mm厚的薄片，制作成餅干胚后放在溫度34℃，相對濕度90%的醒發(fā)箱里發(fā)酵。發(fā)酵好的餅干在175℃的電烤箱里烘烤10 min，最后室溫冷卻。餅干的配方及主要參數(shù)見表1。

1.2 儀器

SU1510掃描電子顯微鏡，日本日立公司;AquaL-ab動態(tài)水分吸附儀，美國培安公司;AB204-N分析天平，梅特勒-托利多儀器有限公司;DHS20-1紅外水分測定儀，上海天平廠。

1.3 電鏡掃描

餅干的孔隙結(jié)構(gòu)通過電鏡掃描獲得。樣品首先在含有P2O5的干燥器里至少干燥5d，然后用雙面膠把樣品粘在直徑13 mm的鋁盤上，并鍍上5～10 nm的金屬鉑，掃描采用加速電壓為5 kV，放大倍數(shù)為50。

表1 發(fā)酵餅干的配方及主要參數(shù)Table 1 Composition and main parameters of fermented biscuits

1.4 餅干初始孔隙率的計(jì)算

根據(jù)掃描得到的電鏡圖片，采用 Image-pro Plus6.0軟件(Media Cybernetics公司)經(jīng)過對圖像增強(qiáng)處理，選擇合適分割閾值，可以得到餅干的初始孔隙率［11-12］。每個(gè)樣品取不同部位的掃描圖片3幅，分別計(jì)算孔隙率后取平均值。

1.5 水分吸附試驗(yàn)方法

餅干樣品在溫度25℃，相對濕度20%的恒溫恒濕箱預(yù)處理7d。實(shí)驗(yàn)時(shí)把餅干樣品放入動態(tài)水分吸附儀樣品盤上，設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度T=25℃，水分活度從0.2增加到0.9，遞增幅度為0.1;樣品在每個(gè)水分活度下逐漸達(dá)到吸濕平衡，然后遞增到下一級水分活度。樣品質(zhì)量、溫度和水分活度等數(shù)據(jù)每隔5min自動記錄1次。當(dāng)樣品質(zhì)量變化速度連續(xù)2次小于0.002%/min，或者平衡時(shí)間超過360 min則認(rèn)為樣品達(dá)到吸濕平衡［13］。輸入餅干初始水分含量，則可得到樣品在每個(gè)水分活度下的平衡含水量，并由此得到等溫吸濕曲線。

1.6 有效水分?jǐn)U散系數(shù)

本實(shí)驗(yàn)采用的AquaLab動態(tài)水分吸附儀樣品盤直徑38 mm，把餅干直徑裁切成38 mm后放入樣品盤，餅干厚度為3.5 mm，由于餅干的形狀為片狀，且餅干直徑與厚度的比值約為10，因此可將水分在餅干中的單向擴(kuò)散過程用無限大平板模型來表征。Crank［14］根據(jù)菲克第二定律得到基于平板擴(kuò)散條件的解析解即無限大平板模型。

其中，X*—瞬時(shí)水分含量，g/100g(干基);X∞—平衡水分含量，g/100g(干基);X0—初始水分含量，g/100g(干基);L—厚度，m;t—時(shí)間，s。

1.7 數(shù)據(jù)處理

描述食品水分活性和平衡水分含量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型有很多，理論模型GAB模型能在較寬的濕度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對多種食品吸濕數(shù)據(jù)的擬合，因此被研究者廣泛采用［15-16］。

式中，Me—平衡水分含量，g/100g(干基);M0—單分子層水分含量，g/100g(干基);aw—水分活度;C，K—常數(shù)。

等溫吸濕試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)由Matlab(The Mathworks Inc，Mass，USA)軟件中的 Curve Fitting工具箱，采用 Levenberg+Marquart算法進(jìn)行擬合，得到GAB模型的常數(shù)。模型擬合效果的評價(jià)指標(biāo)有誤差平方和 SSE、決定系數(shù) R-square和均方根誤差RMSE。

2 結(jié)果與討論

2.1 餅干的水分吸附等溫線

圖1 三種孔隙率餅干的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和GAB模型擬合圖Fig.1 Experimental data and fitting of GAB models of three biscuitswith different porosity

圖1和圖2分別是3種初始孔隙率和脂肪含量不同的發(fā)酵餅干的水分吸附數(shù)據(jù)與GAB模型擬合得到水分吸附等溫線。在較低的相對濕度下，餅干的水分含量增加緩慢，當(dāng)aw＞0.7后，曲線的斜率明顯增加，水分吸附速度加快。從孔隙率對餅干吸附的影響來看，3種孔隙率餅干的平衡水分含量無明顯差異。而脂肪含量對餅干的平衡含水量產(chǎn)生明顯的影響，在相對濕度90%條件下，脂肪含量8.2%和15.6%的餅干平衡水分含量相對無脂肪的餅干分別下降10.4%和13.7%。這與Kim等采用飽和鹽溶液法研究餅干水分吸附特性和Roca采用動態(tài)吸附法研究松糕的結(jié)果一致。這主要是脂肪顆粒分散在食品內(nèi)部組織中會部分包裹住淀粉和蛋白質(zhì)等顆粒，由于脂肪的疏水作用，會導(dǎo)致食品中可吸附水分的基團(tuán)減少［3］，所以脂肪含量較高會降低餅干的平衡水分含量。

通過Matlab軟件擬合得到的GAB模型常數(shù)和擬合效果評價(jià)指標(biāo)見表2。可以看出，其決定系數(shù)R-square均大于0.99，GAB模型的擬合評價(jià)指標(biāo)均達(dá)到理想的效果。

圖2 三種脂肪含量餅干的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及GAB模型擬合Fig.2 Experimental data and fitting of GAB models of three biscuits with different fat content

表2 GAB模型的常數(shù)及擬合效果評價(jià)指標(biāo)Table 2 Coefficients and evaluation index of GAB models

2.2 有效水分?jǐn)U散系數(shù)

不同孔隙率和脂肪含量的餅干采用動態(tài)水分吸附動力學(xué)計(jì)算其在25℃的有效水分?jǐn)U散系數(shù)，如圖3為采用動態(tài)吸附儀得到的脂肪含量為8.2%的FC4餅干的水分吸附動力學(xué)曲線。

圖3 采用動態(tài)水分吸附法得到的25℃時(shí)FC4餅干水分吸附動力學(xué)曲線Fig.3 Water sorption dynamics of FC4 biscuit at 25℃determined by DVS method

圖4 三種孔隙率餅干有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨水分含量的變化趨勢Fig.4 Effective moisture diffusivity as a function of moisture content with different porosity

不同孔隙率和脂肪含量餅干的有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨含水量變化的趨勢大致相同。孔隙率不同的3種餅干的有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨含水量增加的變化趨勢如圖4。隨著含水量的增加逐漸增加，在干基含水量為10g/100g左右時(shí)，有效水分?jǐn)U散系數(shù)達(dá)到最大值，隨后開始下降。其他學(xué)者在研究食品有效水分?jǐn)U散系數(shù)時(shí)也得到類似的結(jié)果［17］。有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨含水量變化的趨勢可以反映出水分吸附過程中不同擴(kuò)散機(jī)理的作用，比如在餅干孔隙結(jié)構(gòu)中的氣態(tài)擴(kuò)散向沿固相組織的液態(tài)擴(kuò)散的轉(zhuǎn)變。在餅干含水量較低的時(shí)候，餅干孔隙組織中的氣態(tài)擴(kuò)散占主導(dǎo)地位，而隨著含水量的增加(大于10g/100g)以后，餅干組織結(jié)構(gòu)吸水膨脹，氣相結(jié)構(gòu)所占的比例下降，所以氣態(tài)擴(kuò)散逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠毓滔嘟M織的液態(tài)擴(kuò)散。隨著含水量的增加，有效水分?jǐn)U散系數(shù)逐漸趨于恒值，這表明在高相對濕度條件下，餅干結(jié)構(gòu)對有效水分?jǐn)U散系數(shù)影響不大。

脂肪含量不同的3種餅干的有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨含水量增加的變化趨勢如圖5。3種餅干有效水分?jǐn)U散系數(shù)的變化趨勢大致相同，而脂肪含量的增加會降低餅干的有效水分?jǐn)U散系數(shù)。值得注意的是，脂肪的加入同樣會改變餅干的孔隙結(jié)構(gòu)，隨著脂肪含量的增加，餅干孔隙率也出現(xiàn)略微下降。圖6為4種餅干的電鏡掃描圖片，可以看出脂肪含量增加對餅干結(jié)構(gòu)的改變。但孔隙率大致相同的餅干，脂肪含量增加會顯著降低餅干的有效水分?jǐn)U散系數(shù)，脂肪含量為8.2%和15.6%的餅干的最大有效水分?jǐn)U散系數(shù)分別為3.5×10-10m2/s和2.3×10-10m2/s，而不含脂肪的餅干最大分?jǐn)U散系數(shù)為5.6×10-10m2/s。由此可見，脂肪的加入會增加餅干組織的曲折程度，脂肪的疏水作用也會影響到水分在組織內(nèi)部的擴(kuò)散速度。

圖5 三種脂肪含量餅干有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨水分含量的變化趨勢Fig.5 Effective moisture diffusivity as a function of moisture content with different fat content

圖6 餅干內(nèi)部結(jié)構(gòu)的電鏡掃描效果Fig.6 Internal structure of different biscuits observed by SEM

4 結(jié)論

發(fā)酵餅干的水分吸附特性受到內(nèi)部結(jié)構(gòu)和脂肪含量的影響。從餅干的等溫吸濕曲線來看，孔隙率對餅干的平衡水分含量沒有明顯影響，而脂肪含量則會明顯降低餅干的平衡水分含量，由于脂肪的疏水作用，會導(dǎo)致食品中可吸附水分的基團(tuán)減少，所以脂肪含量較高會降低餅干的平衡水分含量。餅干的水分吸附數(shù)據(jù)與GAB模型能夠很好地吻合。餅干的有效水分?jǐn)U散系數(shù)會隨平衡含水量的增加逐漸增大，在平衡水分含量10/100g左右達(dá)到最大值，而后開始逐漸下降，最后達(dá)到恒值。這和餅干內(nèi)部水分?jǐn)U散的機(jī)理變化有關(guān)，在水分含量較低時(shí)，水分?jǐn)U散是以沿孔隙結(jié)構(gòu)的氣態(tài)擴(kuò)散為主，而隨著含水量的升高，水分?jǐn)U散變?yōu)檠毓虘B(tài)組織的液態(tài)擴(kuò)散。餅干的孔隙結(jié)構(gòu)和脂肪含量對有效水分?jǐn)U散系數(shù)產(chǎn)生明顯影響。孔隙率大的餅干，氣態(tài)擴(kuò)散所占的比例較高，所以其有效水分?jǐn)U散系數(shù)較大。脂肪的加入會增加餅干組織的曲折程度，脂肪的疏水作用也會影響到水分在組織內(nèi)部的擴(kuò)散速度。

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