真空油炸香菇脆片等溫吸濕規(guī)律的研究

摘要：研究了真空油炸香菇（Lentinus edodes）脆片在10、25、40 ℃ 3種溫度下，水分活度為0.06～0.982條件下的吸濕等溫線。根據(jù)5種常用的等溫吸附模型對香菇脆片的水分活度（aw）、平衡相對濕度（ERH）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以模型的確定系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)誤差以及平均相對預(yù)測誤差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行模擬比較，得出模型Peleg為香菇脆片最適用的吸濕模型，并確定了模型系數(shù)。

關(guān)鍵詞：香菇（Lentinus edodes）脆片；等溫吸濕線；吸濕模型

中圖分類號(hào)：S646.1+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）22-5918-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.22.047

Study on Isothermal Moisture Absorption of Vacuum Fried Mushroom Chips

WANG Xiao-li1，XUE Shu-jing1，2，YANG De1，2，GUAN Jian1，2，GAO Hong1，2，F(xiàn)AN Xiu-zhi1，2，SHI De-fang1，2，LI Lu1，2

（1.Institute for Processing of Farm Products and Nuclear-Agricultural Technology，Hubei Academy of Agricultural Sciences，Wuhan 430064，China；2.Farm Products Processing Research Sub-center of Hubei Innovation Center of Agricultural Science and Technology，Wuhan 430064，China）

Abstract： The moisture sorption isotherm curve of vacuum fried mushroom chips under 10 ℃， 25 ℃， 40 ℃ and water activities from 0.06 to 0.982 were studied. According to 5 widely used isothermal adsorption models， the fit tests were performed on the experimental data of water activity and EMC of vacuum fried mushroom chips. The models were compared with the coefficient of determination， standard errors of model and the average relative predictive errors as evaluating indicators. The Peleg model can be most suitable for the moisture absorption of mushroom chips and the model coefficients were determined.

Key words： mushroom（Lentinus edodes） chips； isothermal absorption curve； moisture absorption model

香菇（Lentinus edodes）脆片是一種即食休閑膨化食品，是鮮香菇經(jīng)真空低溫油炸得到，其口感酥脆、外形飽滿、營養(yǎng)健康、食用方便，較鮮香菇營養(yǎng)成分損失少且保留有香菇固有的香味，深受廣大消費(fèi)者的喜愛，且香菇脆片可增加香菇食品的種類，延伸香菇的產(chǎn)業(yè)鏈條，提高香菇附加值，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。但香菇脆片具有多孔酥松性，易吸濕受潮，從而影響產(chǎn)品的品質(zhì)，因此研究香菇脆片的吸濕性對其加工工藝流程和產(chǎn)品的包裝以及貯藏工藝具有重要的意義。

水分是食品的重要組成成分，適宜的水分含量對于保持食品的感官性質(zhì)，維持食品中其他組分的平衡關(guān)系，保證食品的穩(wěn)定性，均具有重要的作用，此外，食品原料中水分含量的高低，對于它們的品質(zhì)和保存，進(jìn)行成本核算，提高生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和計(jì)算生產(chǎn)中的物料平衡、生產(chǎn)工藝控制與監(jiān)督等方面均具有重大意義[2]。據(jù)研究，食品的穩(wěn)定性與水分關(guān)系的物理量有水分含量、溶液濃度、平衡相對濕度以及水分活度等，其中，食品物料中水分含量與水分活度關(guān)系的等溫吸附理論是大家研究的重點(diǎn)[3]。根據(jù)等溫吸附理論而做出的吸濕等溫線是指在恒定的溫度下，吸濕平衡含水率與相應(yīng)水分活度之間的關(guān)系曲線，研究食品的吸濕等溫線有重要意義[4]：①掌握食品在濃縮和干燥過程中除去水分的難易程度；②預(yù)測食品的物理及化學(xué)穩(wěn)定性與含水率的關(guān)系；③可以確定抑制微生物生長的水分活度；④配置混合食品須避免水分在配料之間的轉(zhuǎn)移；⑤可測定包裝材料的阻濕性。目前，國內(nèi)外學(xué)者對固體蜂蜜[4]、辣椒[5]、莧菜、谷物[6]、胡蘿卜脆片[7]、方便面[8]等各類食品的等溫吸濕規(guī)律都有所研究，但對香菇脆片的等溫吸濕規(guī)律還鮮有研究報(bào)道，因此本試驗(yàn)采用研究食品吸濕規(guī)律中常用的5種模型對在不同溫度條件下的香菇脆片吸濕情況進(jìn)行模擬比較，為建立合理的香菇脆片加工、包裝以及貯藏工藝條件提供重要的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮香菇，武漢市武商量販超市購買；麥芽糊精、麥芽糖、檸檬酸、食用鹽均為食用級(jí)，武漢市金瑞成試劑公司購買；大豆油，武漢市長江沙鷗植物油有限公司出品；氫氧化鈉、六水合氯化鎂、碳酸鉀、溴化鈉、氯化鈉、氯化鉀、硝酸鉀、硫酸鉀，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，均為分析純。

1.2 儀器

真空油炸機(jī)（ZK-1500C），廣東旭眾食品機(jī)械有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9123A），上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；生化培養(yǎng)箱（SPX-250B-Z），上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；電子天平（FA1104N），上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備 鮮香菇在流動(dòng)水中洗去表面雜質(zhì)，去除菇柄，加入到含0.1%檸檬酸、1.5%食用鹽的溶液中進(jìn)行護(hù)色漂燙7 min，取出在流動(dòng)水中沖洗，瀝干水分，在溫度為30 ℃、濃度為40%的麥芽糖與麥芽糊精的混合溶液浸泡4 h（香菇條與糖液投放比例為1∶7）取出，瀝干糖液，放入超低溫冰箱中冷凍18 h，將香菇置于真空油炸框內(nèi)進(jìn)行真空油炸，油炸時(shí)間70 min，油炸溫度90 ℃，油炸運(yùn)行頻率2 Hz，油炸真空度為-0.1 MPa，脫油運(yùn)行頻率30 Hz，脫油時(shí)間7 min，樣品取出、冷卻，在干燥環(huán)境中保存，待測。

1.3.2 香菇脆片吸濕平衡含水率測定 香菇脆片是多孔酥松性物質(zhì)，且含豐富的多糖類物質(zhì)，具有吸濕性，所以能在空氣中吸收水分，質(zhì)量增加；同時(shí)，若將潮濕的樣品放在干燥的環(huán)境中，樣品水分散發(fā)，質(zhì)量減輕。此吸濕和放濕現(xiàn)象，在不變的溫度和濕度條件下，經(jīng)過一定時(shí)間平衡，香菇脆片含水量趨于一個(gè)穩(wěn)定值，即為其吸濕平衡含水率。

本試驗(yàn)采用靜態(tài)稱重測試法來確定香菇脆片的吸濕平衡含水率[9]。將香菇脆片用粉碎機(jī)粉碎，過80目篩，在預(yù)先恒重的稱量瓶中分別放入約2 g備用樣品，稱重后打開稱量瓶蓋子，放入預(yù)先置有300 mL不同飽和鹽溶液的干燥器中，使其水分達(dá)到平衡。把浸有少量福爾馬林的棉球放到干燥器隔板上以抑制霉菌生長[3]。干燥器中的不同飽和鹽溶液用以維持不同的平衡相對濕度（表1）[3-7]。

將干燥器密封，放入調(diào)定溫度的電熱恒溫培養(yǎng)箱中，開始平衡試驗(yàn)，每隔2 h稱一次重量，直到2 h內(nèi)樣品的重量變化小于2 mg，即認(rèn)為其含水率達(dá)到平衡。將被測樣品從干燥器中取出，用直接干燥法[10]測含水率，即為平衡含水率。物料的干基平衡含水率為：

Xe=■×100%

式中，Gt為物料在t時(shí)刻的重量；Gg為物料的干物質(zhì)重量。

試驗(yàn)過程中，物料的水分活度（aw）與平衡時(shí)空氣相對濕度（ERH）的關(guān)系可以表示為aw=ERH/100。

1.3.3 溫度對香菇脆片平衡含水率的影響 為考察不同溫度和水分活度對鮮香菇脆片等溫吸濕特性的影響，試驗(yàn)分別測定10、25、40 ℃條件下樣品在不同水分活度條件下的平衡含水率。

1.3.4 香菇脆片吸濕平衡含水率模型 為進(jìn)一步研究香菇脆片的吸濕特性，選用目前食品吸附理論中5種普遍的模型進(jìn)行模擬比較。其5種模型分別如下[7]。

1）GAB模型。GAB模型被認(rèn)為是最廣泛應(yīng)用的模型?？梢詰?yīng)用于水分活度0.1

Me=■ （1）

m0（T）=m0exp■ （2）

C（T）=C0exp■ （3）

K（T）=K0exp■ （4）

式中，m0為單分子層水分；C、K為模型能量常數(shù)；aw為水分活度；R為摩爾氣體常數(shù)；T為溫度。

2）Henderson模型。Henderson模型可以成功地描述水分活度為0.1～0.75的食品及農(nóng)產(chǎn)品的吸濕特性。其方程如下：

Me=[-ln（1-aw）/A]■ （5）

式中，aw為水分活度；A、B為模型常數(shù)。

3）Smith模型。Smith模型可運(yùn)用于描述一些淀粉和纖維素類生物材料的吸濕特性。其方程如下：

Me=a+bln（1-aw） （6）

式中，a、b為模型常數(shù)；aw為水分活度。

4）Halsey模型。Halsey模型適用于高含油量和高蛋白質(zhì)含量的物料。其方程如下：

Me=[-A（lnaw）/A]■ （7）

式中，A、B為模型常數(shù)；aw為水分活度。

5）Peleg模型。Peleg模型可以成功的運(yùn)用于S型與非S型物料的等溫吸濕規(guī)律的研究。

Me=K1a■■+K2a■■ （8）

式中，K1、K2、n1、n2為模型常數(shù)；aw為水分活度。

1.3.5 統(tǒng)計(jì)分析 根據(jù)香菇脆片平衡含水率的實(shí)際測定值，利用DPS統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)和Excel中的非線性回歸對5種不同的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。在非線性回歸分析中，采用馬柯特迭代搜索法來確定模型的參數(shù)。用下面定量指標(biāo)來評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算值與實(shí)際測定值的擬合程度[7]。

確定系數(shù)：R2=1-Re sidual SS/Corrected SS （9）

模型的標(biāo)準(zhǔn)誤差：

S=■■ （10）

平均相對預(yù)測誤差：

E=■∑■ （11）

式中，Y為數(shù)據(jù)的測定值；y為預(yù)測值；N為數(shù)據(jù)的數(shù)目；P為參數(shù)個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 香菇脆片的等溫吸濕曲線

香菇脆片在不同溫度和水分活度的條件下，測定其吸濕平衡含水率。由測定的數(shù)據(jù)得到香菇脆片的平衡含水率與水分活度關(guān)系的等溫吸濕曲線（圖1）。

2.2 溫度對香菇脆片平衡含水率的影響

如圖1所示，在一定水分活度下，隨著溫度的升高，香菇脆片的平衡含水率降低。由于平衡相對濕度（ERH）是樣品在密閉容器中達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的水蒸氣分壓與在同一溫度下純水的飽和蒸汽壓之比的百分?jǐn)?shù)。溫度越高，純水的飽和蒸汽壓越大，所以一密閉空間的樣品相對濕度隨溫度增加而降低，即樣品的平衡含水率降低[11]。

2.3 水分活度對鮮香菇脆片平衡含水率的影響

如圖1所示，在同一溫度條件下，隨著水分活度的增加，香菇脆片的平衡含水率隨之增加。由公式aw=ERH/100可知，平衡時(shí)空氣相對濕度（ERH）與物料的水分活度（aw）呈正比關(guān)系，所以，樣品平衡含水率隨著水分活度的增加而增加。且平衡含水率的增大值明顯大于隨溫度升高所產(chǎn)生的減小值。這充分說明，水分活度比溫度對平衡含水率有更大的影響作用。

2.4 香菇脆片吸濕平衡含水率模型的模擬與比較

用上述5種等溫吸濕模型對3個(gè)溫度條件下真空油炸香菇脆片的吸濕試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，在3種溫度條件下，GAB模型和Peleg模型均具有較高的確定系數(shù)（R2）、較小的標(biāo)準(zhǔn)誤差（S）和相對預(yù)測誤差（E），其確定系數(shù)（R2）分別大于0.974 2和0.993 3；平均模型標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為3.03、3.07、2.82和0.854、1.03、1.32；平均相對預(yù)測誤差分別為11.6、12.51、14.54和3.02、2.99、4.82，且Peleg模型比GAB模型擬和效果好；Lomauro等[12]認(rèn)為在相對預(yù)測誤差廣泛模型的統(tǒng)計(jì)分析中，如果其值小于10%，那么該模型具有良好的適用性。當(dāng)水分活度在0.32～0.95時(shí)，Smith模型擬和效果較好，但從整個(gè)水分活度范圍來講，其擬合效果相對較差，且其相對預(yù)測誤差和模型標(biāo)準(zhǔn)誤差相對較高。Henderson具有較高的平均相對預(yù)測誤差，不符合3個(gè)溫度條件下的吸濕效應(yīng)。Halsey模型的平均模型標(biāo)準(zhǔn)誤差與平均相對預(yù)測誤差分別為11.28、7.78、1.11和17.54、13.81、13.91，也具有較好的模擬效果。對于真空油炸香菇脆片在3個(gè)溫度條件下的等溫吸濕性的模擬而言，盡管Peleg模型和Halsey模型均具有相對較好的模擬效果，但是它們只是經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的純數(shù)學(xué)模型，不能對物料的吸濕特性進(jìn)行深入的解釋。GAB模型可以反映干燥產(chǎn)品具有最高穩(wěn)定性時(shí)的水分含量，即單分子層水分含量（m0）以及吸附能常數(shù)，且其適合于較寬的水分活度范圍內(nèi)（0.1～0.9）平衡含水率的預(yù)測。因此，本研究按GAB模型對真空油炸鮮香菇脆片的吸濕特性作進(jìn)一步分析。

根據(jù)物理化學(xué)中多分子吸附層理論，物料表面吸附單分子層后，由于氣體（水蒸氣）分子本身的相互吸引力，還可以發(fā)生多分子層的吸附[12]。第一層吸附的氣體（水蒸氣）分子與固體表面直接發(fā)生聯(lián)系，它可以簡單地看作為固體的一部分，這部分水可看成是在干物質(zhì)可接近的強(qiáng)極性基團(tuán)周圍形成一個(gè)單分子層所需水的近似量。第二層以后水分占據(jù)固形物表面第一層的剩余位置和親水基團(tuán)周圍的另外幾層位置，形成多分子層結(jié)合水或稱為半結(jié)合水，主要靠水-水和水-溶質(zhì)的氫鍵鍵合作用與鄰近的分子締合，即第二層以后各層的吸附則是相同水分子之間的相互作用。由表2可知，GAB模型中單分子層水分含量（m0）隨著溫度的升高而下降。當(dāng)溫度升高時(shí)，水分子的活化能提高，更趨于不穩(wěn)定，一部分水分從物料的結(jié)合位點(diǎn)處脫離，從而減少了單分子層水分含量。將m0、C、K隨溫度的變化值分別帶入GAB模型中的公式（2）、（3）、（4），通過非線性回歸，得出單分子層常數(shù)、吸附能常數(shù)及其確定系數(shù)，但帶入方程后擬合結(jié)果較差或無法擬合，無法得出GAB模型的各參數(shù)，因此GAB模型并不適用。

3 結(jié)論

在香菇脆片的吸濕過程中，在同一水分活度下，平衡含水率隨著溫度的升高而下降；在同一溫度下，平衡含水率隨著水分活度的升高而增加；水分活度比溫度對平衡含水率有更大的影響作用，等溫吸濕線呈反S形狀。

根據(jù)5種模型對不同溫度條件下真空油炸鮮香菇脆片的吸濕試驗(yàn)進(jìn)行了模擬比較，得出Peleg模型為真空油炸鮮香菇脆片最適用的吸濕模型。

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