香菇脆片加工技術的研究進展

劉增強,丁文平,莊 坤,王國珍

(武漢輕工大學食品科學與工程學院,湖北武漢 430023)

香菇[Lentinusedodes(Berk)Sing]又名香覃、香信、花菇、厚菇、冬菇[1],屬于真菌門,擔子菌綱傘菌目側耳科香菇屬[2]，在我國的栽培歷史已有800多年,我國資源豐富,已成為世界上香菇生產的第一大國。香菇具有豐富的營養及藥用價值。據測定分析,通常鮮香菇中除含有85%～90%的水分外,固形物中含粗蛋白19.9%,粗脂肪4%,可溶性無氮物質67%,粗纖維7%,灰分3%[3]。另外香菇中不僅含有豐富的維生素D,而且還含有香菇多糖、香菇嘌呤和麥角固醇等多種有利于身體健康的生理活性成分。因此香菇享有“天然的保健食品”、“上帝的食品”、“菇中皇后”、“菇中之王”的美譽[3]。

隨著社會的發展和人們生活水平的提高,人們對營養休閑食品的要求越來越高。由于其豐富、健康的營養價值逐漸受到人們的青睞,香菇產品也慢慢向環保化、天然化、營養化、功能化發展。基于此,香菇脆片這種天然脫水干制休閑食品便應運而生。香菇脆片是香菇經挑選、護色之后經過各種干制技術生產的一種營養休閑食品,它不僅保持了香菇原有的營養成分,而且因具有酥脆的口感、濃郁的香氣,獨特的味道,得到消費者的普遍認同。

目前食品工業中香菇脆片的主要生產技術有:真空油炸膨化、真空冷凍干燥、真空微波干燥、氣流膨化干燥等。

1 真空油炸膨化

1.1 真空油炸膨化技術

真空油炸技術始于上世紀60～70年代,該技術將油炸和真空脫水進行有機結合,主要用于油炸馬鈴薯片。油炸膨化是指將物料放入較高溫度的油脂中,使其表面溫度迅速升高,水分汽化,物料表面形成一層干燥層,并逐漸向內部遷移,是物料熟化和脫水干制的重要手段之一,包括常壓油炸和真空油炸。常壓油炸溫度較高,對食品營養成分破壞較為嚴重,同時反復油炸產生的不飽和脂肪酸的過氧化物會直接阻礙食品對油脂和蛋白的吸收。真空油炸又稱為減壓油炸,其工作原理為在負壓條件下,以油為介質,當油的溫度加熱到該壓力條件下水的沸點以后,原料中的水分快速變為水蒸汽大量逸出,從而實現物料的干燥[45]。

近年來,伴隨著真空油炸膨化的興起,香菇脆片的加工也得到逐步的深入。M.Mohebbat[6]應用人工遺傳網絡和神經算法對油炸香菇的含油量以及水分含量進行模型分析,將經過NaCl滲透脫水以及甲基纖維素涂膠涂抹的鮮香菇分別在150、170和190 ℃下油炸0.5、1、2、3、4 min。結果表明,經過處理的油炸香菇含油量顯著降低,并以此為依據,開發了一種以人工神經網絡估算油炸香菇脆片的水分與含油量,同時用遺傳算法進行優化的GAANN模型,對香菇脆片含油量的研究具有很強的指導意義。Sonja Grosshauser[7]通過對白蘑菇油炸前后的揮發性物質進行研究,首次查明了油炸香菇脆片中的36種揮發性成分,然后通過穩定同位素稀釋測定法對其中的25種化合物進行研究,發現油炸蘑菇中3甲基丁醛,3(甲硫基)丙酮和2乙酰基1吡咯啉具有最高的OAV(香氣活性值，>100),其次為1辛烯3-酮、2-丙酰基1吡咯啉、4羥基2,5二甲基呋喃3(2H)酮、苯乙醛、2,3二乙基5甲基吡嗪和3羥基4,5二甲基呋喃2(5H)酮(OVA>10),還有13種氣味劑(OAV>1)。

陳集元等[8]以鮮香菇為原料,通過護色,漂燙浸漬,冷凍及真空油炸膨化,開發出一種香氣濃郁、油脂含量低、口味獨特、酥脆可口的香菇脆片。任愛青等[910]通過對香菇脆片真空油炸預處理工藝以及真空油炸熱風聯合干燥工藝的研究,得出其最佳工藝條件為切片厚度7 mm,漂燙時間6 min,漂燙溫度95 ℃,風速1.0 m/s,預干燥水分35%,熱風溫度65 ℃,真空油炸溫度90 ℃,最終能將香菇的含油率降低1.78%。

1.2 真空油炸膨化在香菇脆片應用中的優勢及存在的問題

由于真空油炸設備本身的優勢以及香菇的營養價值,使真空油炸香菇脆片具有以下特點:

a.投資少,產出大。真空油炸膨化香菇脆片工藝流程相對比較簡單,投資成本較小,回報率較高。

b.營養價值高。真空油炸膨化溫度一般為80～90 ℃,避免了高溫氧化等因素對香菇營養成分的破壞,能較好的保持香菇自身的營養價值。

c.色澤良好。真空油炸中低溫可以減少香菇的褐變反應,最大限度的保持其原來的顏色,同時油炸香菇會使其表面產生一種誘人的焦黃色表皮,進一步增加消費者對香菇脆片的接受程度。

d.口感酥脆。由于在真空油炸過程中香菇細胞間隙的水分急劇汽化,使組織產生疏松多孔的結構,從而賦予產品酥脆、可口的味道。

真空油炸膨化香菇脆片有色澤良好,香氣濃郁,口感酥脆等優勢,但在香菇脆片的加工過程中,仍然存在著一些不可忽視的問題。例如相比于常壓油炸,真空油炸雖然含油量有比較明顯的下降,但是其含油量仍然較高,如何使含油量降低到10%以下,使沒有油膩感還需要進一步研究[4],同時由于含油量引發的酸敗,嚴重影響其保質期。另外現在的真空油炸設備普遍采用間歇式生產,嚴重影響了香菇脆片的連續化大規模生產,對香菇產業的發展造成很大的制約。

2 真空冷凍干燥

2.1 真空冷凍干燥技術

真空冷凍干燥技術,也稱“凍干”,其工作原理為:先將經過預處理的新鮮物料或濕物料的溫度降到共晶點以下,使物料內部的水分凍結成固態的冰,然后適當抽取干燥倉內的空氣使其達到一定的真空度,對加熱板進行加熱以達到適當的溫度,使冰升華為水蒸氣,利用真空系統的補水器或者制冷系統的水氣凝結器將水蒸氣冷凝,從而獲得干制品的技術。干燥過程是物料內部水分的物理狀態的變化及其移動的過程,由于這種變化和移動是發生在低溫低壓下,因此,真空冷凍干燥的基本原理就是低溫低壓下傳熱傳質的機理[11]。

JinHong Zhao[12]通過對香菇冷凍干燥過程中冷凍曲線、玻璃化轉變線和最大凍結濃度條件的研究,利用克勞斯克拉珀龍模型和戈登泰勒模型分別擬合冷凍曲線和玻璃化轉變線,得出香菇的最大凍結條件為香菇水分含量0.81 g/g樣品,玻璃轉化溫度為53.2 ℃,凍結終點的特征溫度為33.4 ℃,另一種玻璃轉化溫度為42.4 ℃。其研究結果進一步優化了香菇的冷凍干燥過程,對香菇脆片的生產具有很強的指導意義。ChingChing Lau[13]對冷凍干燥香菇過程中血管緊張素I轉換素酶(ACE)肽抑制劑性質的影響進行研究,發現冷凍干燥的香菇脆片中保留了廣泛的蛋白質,包括含有ACE抑制劑的低豐度蛋白,從而表明蛋白質的ACE活性并未通過冷凍干燥而喪失,由此可見冷凍干燥香菇脆片是一種使營養保存完好的干燥技術。

張立偉等[11]以真空冷凍干燥技術為基礎,對冷凍干燥香菇脆片進行研究,確定了加工過程中的工藝參數為物料厚度6.78 mm、預凍速率2.58 ℃/min、干燥倉壓力61.8 Pa、加熱板溫度61.7 ℃以及凍干時間7.27 h,為冷凍干燥香菇脆片的生產提供理論依據和技術支持。高興洋等[14]通過對真空油炸和真空冷凍干燥對香菇品質及揮發性風味成分的影響分析。結果表明,真空冷凍干燥的香菇脆片其硬度、脆度較大、體積驟縮率較小、顏色較白、感官品質較好,營養成分保留也遠超真空油炸的香菇脆片。兩種產品的揮發性物質差異較大,真空冷凍產品中1辛烯3-醇占6.37%、1,2,3,5,6五硫雜環庚烷占2.02%,而油炸產品中未檢出。此外,真空油炸香菇脆片中壬醛含量為真空冷凍干燥香菇脆片的7倍,且酯類物質含量顯著升高。金煒玲等[15]將漂燙超聲浸漬、漂燙真空浸漬、漂燙調味液煮、熏蒸超聲浸漬、纖維素酶五種不同預處理運用到真空冷凍香菇脆片的生產過程中,發現經過纖維素酶處理的香菇脆片其水分含量、色差、硬度、脆度、感官評分都優于其他四種處理方式,還發現纖維素酶對于香菇脆片的多孔性結構具有積極的促進作用。

2.2 真空冷凍干燥在香菇脆片應用中的優勢及存在的問題

通過對真空冷凍香菇脆片的研究,發現真空冷凍在香菇脆片的加工中具有其自身獨有的優勢:

a.色澤天然。真空冷凍干燥是在低溫低壓下進行,生產的香菇脆片最大程度的保留了香菇的色澤,由于其在真空狀態下進行,有效的避免了加工過程中的熱敏反應和氧化作用。

b.結構狀態良好。凍干的香菇脆片是香菇中的水分在真空低溫條件下由固態直接升華為氣態,中間無對形態結構有影響的其他操作,能盡可能的保持香菇原有的結構。

c.速溶性和快速復水性。經過真空冷凍干燥的香菇脆片,具有良好的復水性能,凍干產品保持了原有香菇所特有的體積形態,同時對于多孔結構有很好的推動作用。食用時香菇脆片能迅速吸水,具有良好的復水性,對香菇脆片的口感具有很大的促進作用。

d.營養價值保持完好。微波干燥、氣流膨化、真空冷凍干燥這三種干燥方式雖然對香菇中的營養物質都有很好的保留作用,但通過研究發現,真空冷凍香菇脆片對香菇營養物質的保留最為完好,對蛋白質,脂溶性維生素幾乎沒有影響[1617]。

真空冷凍干燥由于其產品自身色澤天然、營養保持良好等優良特性,受到人們的普遍關注,但投資成本大、連續化程度低等問題嚴重限制了真空冷凍干燥在食品加工中的應用。另外真空冷凍干燥香菇脆片中干燥時間長,能耗大,操作安全要求較高等也是真空冷凍干燥在推廣中不可忽視的制約因素[1820]。

3 真空微波干燥

3.1 真空微波干燥技術

微波干燥是一種利用微波的加熱和穿透特性,將微波能量傳播到物料內部進行加熱的技術。微波使物料內部的水分迅速汽化,生成蒸汽的同時產生巨大的推動力,俗稱“泵送效應”。驅動水分以水蒸氣的形式移向表面,有時甚至產生很大的總壓梯度,使部分水分還未來得及汽化就已經排列到物料表面的干燥方式。近年來,通過人們對微波干燥的探索研究,一般將其分為四個階段:內部調整階段、液體流動階段、等干燥速率階段和下降速率階段。而真空微波干燥就是將微波干燥與真空干燥進行結合,充分利用真空干燥水分擴展速度快、物料沸點低的特點以及微波干燥中熱傳導速率快、升溫迅速的優勢對物料進行干燥的新技術[2122]。

Fei Pei 等[23]對冷凍干燥與三種不同干燥方式(冷凍+熱風干燥、冷凍+真空干燥,冷凍+真空微波干燥)進行比較,通過分析香菇的顏色、質地、結構、營養保留和能源消耗發現:四種干燥方式下香菇的顏色、密度和硬度沒有顯著差異。同時發現冷凍+真空微波干燥(FD+MVD)能有效減少35.63%的干燥時間,并且除維生素C外,其他營養元素的保留均優于其他干燥方式。S K Girl等[24]選擇真空微波干燥以及對流干燥對香菇干燥特性和復水性進行研究,表明真空微波干燥將比對流干燥節約70%～90%的干燥時間,同時真空微波干燥使香菇具有更加均勻的多孔結構,增加香菇脆片的復水特性。通過薄層干燥指數的模型分析得出,香菇的干燥速率主要受到微波功率和樣品厚度的影響,系統壓力對干燥速率的影響幾乎可以忽略不計,但對于香菇的復水性影響較為顯著。S K Girl[25]還對真空微波干燥香菇脆片進行響應面分析,確定其最佳工藝參數為微波功率202 W,系統壓力6.5 kPa,切片厚度7.7 mm。

齊琳琳等[26]以干香菇為原料,對香菇脆片的預處理工藝、真空微波干燥工藝、香菇脆片的調味以及儲藏條件進了詳細分析,為香菇脆片真空微波干燥產業提供了較為詳盡的理論和技術支持。黃姬俊等[2728]對香菇微波干燥特性及其動力學進行研究,探討了微波功率、真空度、裝載量對干燥速率的影響,得到香菇真空微波干燥的動力學模型:

MR=e-rsN,其中r=e-2.4418-0.0062X1+0.0002X2+0.5173X3,N=0.9500+0.0004X10.002X2+0.1533X3,發現微波功率與裝載量對香菇干燥速率影響較大,干燥速率隨微波功率的增大以及裝載量的減少顯著加快,真空度對香菇干燥速率的影響較小。他們還對香菇脆片的真空微波干燥工藝進行了較為全面的研究,確定了在真空度為90 kPa的條件下香菇脆片的最佳工藝條件為微波功率2650 W,裝載量171 g。

3.2 真空微波干燥在香菇脆片應用中的優勢及存在的問題

真空微波干燥工藝吸取了真空干燥及微波干燥的加工優點,使其在香菇脆片的生產中具有舉足輕重的作用,其優勢主要表現為:

a.干燥速率快。由于真空微波干燥中微波能量能夠直接深入到香菇內部而不是依靠其本身的熱傳導,所以香菇脆片的干燥時間被大大縮短。

b.節能高效。香菇中的水分極易吸收微波能量,因此在加熱過程中能量損失較少,與遠紅外相比,最高節約能量可達50%,另外,真空微波設備體積較小,設備占地面積比較經濟,真空微波干燥還可連續化生產,最大限度的增加了香菇脆片加工過程中的經濟效益。

c.營養損失少。由于真空微波干燥特有的加熱特性和干燥機理,還可以在低溫條件下對香菇脆片進行生產,故其對香菇營養損失較少,僅次于真空冷凍干燥。

真空微波干燥是香菇脆片加工的重要手段之一,但由于缺乏自動化快速水分檢測技術,很難準確判定干燥終點,產品質量無法保障,使真空微波干燥技術無法應用到香菇脆片工業化生產當中。在香菇脆片的真空微波干燥的工業化歷程中,干燥不均勻,微波泄漏,真空系統的抽真空能力不足以及整個系統的安全操作問題等也亟待解決。另外,真空微波干燥理論與食品加工的工業化生產的有機結合還處于起步階段,沒有完善的理論基礎作為依據,對于真空微波干燥技術的產業化發展造成很大的制約[2930]。

4 氣流膨化

4.1 氣流膨化技術

氣流膨化技術又稱變溫壓差膨化干燥技術、爆炸膨化干燥技術或低溫高壓膨化技術。它是一種新型的果蔬脆片加工技術。該設備主要由膨化罐、真空罐(體積約為膨化罐的5～10倍)、空氣壓縮機、真空泵(水環泵和羅茨泵)以及自控控制裝置五部分組成。氣流膨化技術的工作原理主要是將物料平鋪至膨化罐的鋼絲篩架上,同時對其進行加壓、升溫操作。當膨化罐內的溫度和壓力達到物料所需的膨化條件后,開啟真空閥門,使膨化罐與真空罐瞬間聯通,從而導致膨化罐中的壓力從0.1～0.5 MPa驟減至0.096 MPa,物料中的水分由于壓力的驟變而產生“閃蒸”現象。由于物料內部水分的瞬間相變化(水分由液相變為氣相),物料組織膨化,其內部形成均勻的網狀結構,從而導致結構疏松且呈多孔海綿狀。同時使物料在低溫真空條件下進行脫水干燥,直至水分達到物料安全含水量以下[3132]。

氣流膨化技術的研究始于20世紀80年代,主要是美國農業部東部研究中心進行研發。在該領域的研究主要集中對蘋果脆片以及馬鈴薯脆片的工藝探索[33]。國內自引進之后,氣流膨化的主要研究對象仍大多集中在水果脆片的工藝優化,對蔬菜以及菌類產品的研究較少,尤其是對于香菇脆片的研究,還處于摸索階段,對其工藝流程并未進行具體的研究與分析。M F Kozempel等[34]在對胡蘿卜、馬鈴薯、蘋果、藍莓、蘑菇、芹菜、洋蔥、甜菜、洋芋、梨、菠蘿、甘藍等氣流膨化工藝的研究中,確定了膨化壓力、膨化溫度、干燥時間、切片厚度、含水量、品種等因素對產品的影響。張樂等[35]在不同干燥方式對香菇品質的影響中也只是對不同工藝進行了比較,最終得出氣流膨化香菇脆片具有水分含量低、結構酥脆、富水性好、香氣純正濃郁、多糖含量高等優點。

4.2 氣流膨化在香菇脆片應用中的優勢及存在的問題

在氣流膨化香菇脆片的生產中,應用氣流膨化技術生產的產品具有以下的特點:

a.營養豐富。在氣流膨化香菇脆片中不經過護色工藝,減少了香菇自身維生素D、香菇多糖以及麥角固醇等營養物質的流失,最大限度的保證了香菇的營養價值和藥用價值。

b.綠色天然。氣流膨化的香菇脆片一般都是通過少量的天然護色劑經過護色之后直接進行干燥,膨化。在生產過程中不添加其他的色素或合成護色劑,最大程度的保留了香菇原有的風味,純凈天然。

c.結構狀態優良。香菇脆片在膨化中由于膨化罐壓力的驟然降低,香菇內部的水分瞬間汽化,導致其內部形成疏松均勻的海綿狀結構,使香菇脆片更加酥脆可口。

d.保質期長。氣流膨化香菇脆片是將其水分通過工藝干燥至3%以下,同時其含糖量較高,不利于微生物生長,大大延長了香菇脆片的保質期。

在氣流膨化香菇脆片的過程中,其自身有一些不足之處仍需引起研究者的高度重視。如在香菇脆片的加工過程中由于膨化罐內的溫度較高,若膨化溫度過高,停滯時間過長,會使香菇表面發生嚴重的美拉德反應,影響產品的色澤、口感。因此應盡量將其溫度控制在褐變范圍之內,并保持恒定。其次,在氣流膨化過程中,預干燥水分的要求也至關重要。對于香菇而言,其脆片的安全加工水分應控制在15%～35%的范圍內,超出此范圍,將大大影響香菇的膨化效果。若香菇預干燥水分含量過高,一方面占香菇大部分水分含量的自由水不在香菇密閉小室內,氣流膨化過程中無法對香菇的結構進行有效膨化;另一方面膨化罐內操作溫度較低,操作時間短,水分過多會導致香菇難以定型;水分過少則會導致香菇的膨化效果不明顯[32]。

5 結論與展望

各種香菇脆片的加工工藝以及各加工手段在香菇脆片中的研究現狀中，不難發現,香菇脆片的研發在國內外食品產業中已經得到越來越多的關注,加工方式也逐漸由單一化向多元化轉變,其中各種加工方式的局限性成為香菇脆片在營養化、功能化發展中的不可忽視的制約因素。因此,各種加工方式在香菇脆片生產中的結合應用成為其產業化發展研究的重中之重,從中可以借鑒吸納各種加工方式的優點,摒棄其自身的不足,通過聯合使用[3641],使香菇脆片加工技術更上一層樓,同時為香菇脆片的產業化發展提供更多的具有指導意義的理論和技術支持,為香菇脆片的市場化、國際化道路指明方向,為香菇的功能化、營養化發展打下堅實的基礎。

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