白鬼筆熱風干燥特性與干燥動力學模型

康 超， 王 芳， 楊 玲， 林 靜， 向 準， 張 林

(貴州省生物研究所，貴州貴陽 550009)

白鬼筆(Phallusinpudicus)，俗稱冬蓀，別稱竹下菌、竹菌、無裙蓀，屬于鬼筆目(Phallales)鬼筆科(Phallaceae)鬼筆屬(Phallus)，是云貴等地山林中的一種珍稀食藥用真菌。白鬼筆味道鮮美，口感松脆，且具有極高的營養(yǎng)價值。其菌柄、菌托和子實體均可入藥，藥性為甘、淡、溫，有活血止痛、祛風除濕的功效，可用于治療風濕痛等疾病，同時還具有抗癌活性[1]。食用菌產(chǎn)品有鮮品、干品、腌制品、飲品及調(diào)味品等，但因鮮品不易保存和運輸，所以它們通常被加工成干品和腌制品，而飲品和調(diào)味品為最近幾年發(fā)展起來產(chǎn)品[2]。市場上銷售的產(chǎn)品大多為干制品，食用菌干制技術(shù)簡單，實用有效，是食用菌加工普遍采用的技術(shù)方法。目前，食用菌干制方法有熱風干燥、微波干燥、冷凍干燥、真空干燥、遠紅外干燥等[3-5]，其中常用的為熱風干燥。本試驗采用熱風干燥方法探討恒溫熱風干燥和持續(xù)增溫熱風干燥對白鬼筆質(zhì)量、感官指標和評價指標的影響，以期為白鬼筆干燥提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

白鬼筆，收集于貴州省畢節(jié)市大方縣白鬼筆種植基地。選擇新鮮、表面無明顯水分、無病蟲害、形態(tài)完整的標本進行試驗。

1.2 儀器設備

01-2A型鼓風干燥箱(天津市泰斯特儀器有限公司)；JA2003電子天平(上海天平儀器廠)；DZ-300A多功能真空封裝機(深圳市晟楓包裝機械有限公司)；其他為一般常規(guī)儀器。

1.3 方法

1.3.1 恒溫熱風干燥 將4個鼓風干燥箱的干燥溫度分別設置為45、55、65、75 ℃，進行預熱。稱取54 g左右的新鮮白鬼筆標本，待干燥箱溫度恒定后，分別迅速置于4個鼓風干燥箱中，每隔2 h稱量1次白鬼筆質(zhì)量并觀察感官指標，直至樣品達到恒定質(zhì)量，計算評價指標。

1.3.2 持續(xù)增溫熱風干燥 將鼓風干燥箱干燥溫度設置為40 ℃，進行預熱。稱取54 g左右的新鮮白鬼筆標本，待干燥箱溫度恒定后，迅速置于鼓風干燥箱中，每隔1 h稱量1次白鬼筆質(zhì)量并觀察感官指標，稱量完畢后，將標本重新置于鼓風干燥箱中，同時將鼓風干燥箱溫度上調(diào)5 ℃，直至樣品達到恒定質(zhì)量，計算評價指標。

1.4 評價指標

1.4.1 水分散失率 水分散失率指樣品干燥過程中水分的揮發(fā)量，不同干燥時刻白鬼筆水分散失率的計算公式為

(1)

式中：St表示t時刻樣品的水分散失率，%；m0表示樣品的初始質(zhì)量，g；mt表示樣品干燥至t時刻時的質(zhì)量，g。

1.4.2 干基含水量 干基含水量指一定質(zhì)量樣品中的水分質(zhì)量與樣品絕對干物質(zhì)質(zhì)量之比，不同干燥時刻白鬼筆的干基含水量計算公式為

(2)

式中：Mt表示t時刻樣品的干基含水量，g/g；md表示樣品干燥至恒質(zhì)量時的質(zhì)量，g。

1.4.3 濕基含水量 濕基含水量指樣品干燥過程中，水分質(zhì)量與含水樣品初始質(zhì)量之比，即樣品中含水量。不同干燥時刻冬蓀的濕基含水量計算公式為

(3)

式中：Gt表示t時刻樣品的濕基含水率，%。

1.4.4 實時含水量 實時含水量指干燥過程中樣品中實際含水量，不同干燥時刻白鬼筆實時含水量的計算公式為

(4)

式中：Ht表示t時刻樣品的實時含水量，%。

1.4.5 水分比 干燥過程中物料的水分比(moisture ratio，簡稱MR)可用來表示物料還有多少水分未被干燥去除，可以反映物料干燥速率的快慢，白鬼筆干燥過程的干燥曲線采用水分比隨干燥時間變化的曲線表示，計算公式為

(5)

式中：MR表示t時刻樣品的水分比；Me表示樣品干燥平衡時干基含水量，g/g；M0表示樣品初始干基含水量，g/g。

因Me相對于Mt、M0來說非常小，可忽略不計，故式(5)可簡化為

(6)

1.4.6 干燥速率 按照Falade的方法[6]計算干燥速率，具體計算公式為

(7)

式中：Ut表示t時刻樣品干燥速率，g/(g·h)；Mt+dt表示dt時刻樣品干基含水量，g/g；dt表示干燥時間變化量，h。

1.4.7 干燥曲線的數(shù)學模型 根據(jù)文獻[3-5]，本研究采用表1中的4種數(shù)學模型對白鬼筆熱風干燥試驗數(shù)據(jù)進行擬合。

1.4 數(shù)據(jù)分析和圖形處理

表1 常用的薄層干燥數(shù)學模型

注：k、a、b、n為干燥常數(shù)。

采用Origin 8.5軟件對5種干燥模型進行數(shù)據(jù)擬合求解，模型的擬合精確度分析采用指標R2進行評價；采用Origin 8.5軟件對數(shù)據(jù)作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱風干燥對白鬼筆感官指標的影響

從表2、表3可以看出，隨著干燥時間的增加，白鬼筆顏色逐漸加深，表面逐漸褶皺，個體逐漸變小。以45 ℃恒溫條件進行熱風干燥時，白鬼筆的菌體顏色和形態(tài)變化較慢，保持度較好；恒溫條件為75 ℃時，菌體在干燥2 h時形態(tài)出現(xiàn)明顯的皺縮，到烘干結(jié)束時，皺縮嚴重，且顏色較深，形態(tài)保持度最差；55、65 ℃條件下的菌體形態(tài)變化處于45 ℃與75 ℃之間。在持續(xù)增溫條件下對白鬼筆進行熱風干燥時，其菌體顏色和形態(tài)變化得較慢，保持度較好。結(jié)果表明，在恒溫條件下對白鬼筆進行熱風干燥時，溫度過高會造成白鬼筆形態(tài)的急劇變化，以低溫烘干較為適宜，但低溫耗時較長，且菌體顏色變化嚴重，不能良好的保持其形態(tài)；與恒溫熱風干燥相比，持續(xù)增溫熱風干燥的效果較好。圖1為白鬼筆在生長、采摘、清洗、烘干等過程中子實體的形態(tài)。

2.2 恒溫熱風干燥對白鬼筆的影響

2.2.1 恒溫熱風干燥對白鬼筆質(zhì)量的影響 從圖2可以看出，隨著干燥時間的增加，白鬼筆質(zhì)量逐漸減少。當恒溫熱風干燥條件為45 ℃時，白鬼筆質(zhì)量變化曲線比較平穩(wěn)，烘至 12 h 時，達到恒定質(zhì)量；55 ℃時，烘干至10 h，達到恒定質(zhì)量；65、75 ℃時，烘干至6 h，達到恒定質(zhì)量，但75 ℃的質(zhì)量變化比65 ℃急劇。恒溫干燥條件為45 ℃時的烘干時間與55 ℃相差2 h，與65、75 ℃相差6 h；55 ℃時的烘干時間與65、75 ℃相差4 h。結(jié)果表明，溫度越高，質(zhì)量變化越快，達到恒定質(zhì)量時所用的時間越短。

表2 恒溫熱風干燥對白鬼筆感官指標的影響

表3 持續(xù)增溫熱風干燥對白鬼筆感官指標的影響

2.2.2 恒溫熱風干燥對白鬼筆濕基含水量和水分散失率的影響 從圖3可以看出，白鬼筆最初濕基含水量分別為 89.36%、89.13%、89.34%、86.96%。最初平均含水量(鮮菇平均含水量)為88.70%，隨著干燥時間的增加，白鬼筆濕基含水量逐漸減少。在不同恒定熱風干燥溫度下，濕基含水量隨時間的增加逐漸降低，當45 ℃干燥12 h、55 ℃干燥10 h及65、75 ℃干燥6 h之后，濕基含水量趨近于零，隨著干燥時間的增加，白鬼筆水分散失率逐漸增加。在不同恒定熱風干燥溫度下，45 ℃干燥12 h、55 ℃干燥10 h及65、75 ℃干燥6 h時，水分散失率達到最大，隨后趨于穩(wěn)定，其中最高水分散失率分別為89.36%、89.13%、89.34%、86.96%。結(jié)果表明，溫度越高，干燥時間越長，濕基含水量越低，水分散失率越大。

2.2.3 恒溫熱風干燥對白鬼筆實時含水量和干燥速率的影響 從圖4可以看出，隨著干燥時間的增加，白鬼筆實時含水量逐漸減少。在不同恒定熱風干燥溫度下，實時含水量隨時間的增加逐漸降低，當45 ℃干燥12 h、55 ℃干燥10 h及65、75 ℃干燥8 h之后，實時含水量趨于零。當45 ℃干燥 10.35 h，55 ℃干燥6.6 h，65 ℃干燥3.9 h，75 ℃干燥3.6 h時，白鬼筆實時含水量降至12%。當恒定熱風干燥溫度為 45 ℃ 時，隨著干燥時間的增加，干燥速率先上升至最大值[1.51 g/(g·h)]，隨后逐漸降低；當恒定熱風干燥溫度為55、65、75 ℃時，干燥速率均隨時間的增加呈下降趨勢，然后趨于平穩(wěn)，同時發(fā)現(xiàn)，在2 h時，65 ℃的干燥速率高于55 ℃、75 ℃，在4 h時，55 ℃的干燥速率最高，隨后逐漸下降。各個溫度條件下的干燥速率表現(xiàn)出不同的變化趨勢， 其原因有待進一步研究。

2.3 持續(xù)增溫熱風干燥對白鬼筆的影響

2.3.1 持續(xù)增溫熱風干燥對白鬼筆質(zhì)量、水分散失率和濕基含水量的影響 從圖5可以看出，白鬼筆最初含水量(鮮菇含水量)為86.80%，隨著干燥時間和干燥溫度的增加，白鬼筆質(zhì)量和濕基含水量逐漸減少，水分散失率逐漸增加。當干燥至6 h，溫度達65 ℃時，白鬼筆質(zhì)量、濕基含水量和水分散失率3條曲線變化趨于平穩(wěn)，表明白鬼筆基本達到恒定質(zhì)量，濕基含水量及水分散失率趨于平衡。

2.3.2 持續(xù)增溫熱風干燥對干基含水量和實時含水量的影響 從圖6可以看出，隨著干燥時間和干燥溫度的增加，白鬼筆實時含水量和干燥速率逐漸減少。當干燥持續(xù)時間為 5.2 h，干燥溫度增加至61 ℃時，白鬼筆實時含水量降至12%。當干燥時間持續(xù)7 h，干燥溫度增加至70 ℃時，實時含水量和干燥速率降至最低(趨近于零)，隨后保持穩(wěn)定。

2.4 白鬼筆熱風干燥模型的選擇

利用表1的4種薄層干燥數(shù)據(jù)模型對不同恒溫熱風干燥和持續(xù)增溫熱風干燥條件下的白鬼筆水分比試驗數(shù)據(jù)進行擬合求解，并通過比較擬合優(yōu)度來確定最優(yōu)的干燥模型。從表4可以看出，45 ℃ 恒溫熱風干燥時，Page模型的R2值大于0.99， 其余3種模型的R2介于 0.94～0.96之間， 表明Page模型的擬合程度最優(yōu)，因此選用Page模型MR=exp(-ktn)來描述白鬼筆在 45 ℃ 恒溫熱風干燥條件下的水分比變化。55、65、75 ℃恒溫熱風干燥白鬼筆時，4種數(shù)學模型的R2值均大于0.99，表明4種模型的擬合度均較好，但在擬合過程中發(fā)現(xiàn)，Page模型的R2值雖然最大，但擬合值出現(xiàn)負值，與試驗數(shù)據(jù)明顯不符，因此選用Lewis/Newton模型MR=exp(-kt)來描述白鬼筆在55、65、75 ℃ 恒溫熱風干燥條件下的水分比變化。對不同溫度條件下選擇的數(shù)學模型預測值和試驗值進行比較，結(jié)果(圖7)表明，各數(shù)學模型的預測值與試驗值的擬合度均較高，表明各數(shù)學模型均能較準確地預測白鬼筆在恒溫熱風干燥過程中的水分變化規(guī)律，可用于描述恒溫條件下白鬼筆的熱風干燥過程。

表4 白鬼筆恒溫熱風干燥數(shù)學模型擬合參數(shù)

從表5可以看出，在持續(xù)增溫熱風干燥條件下，4種數(shù)學模型的R2值均大于0.98，表明4種模型的擬合度均較好，其中Henderson and Pabis模型的R2值最大，因此選用Henderson and Pabis模型MR=aexp(-kt)來描述白鬼筆持續(xù)增溫熱風干燥條件下的水分比變化。對模型預測值和試驗值進行比較，結(jié)果(圖8)表明，Henderson and Pabis模型的預測值與試驗值的擬合度較高，說明該模型能較準確地預測白鬼筆在持續(xù)增溫熱風干燥過程中的水分比變化規(guī)律，可用于描述持續(xù)增溫條件下白鬼筆的熱風干燥過程。

3 討論與結(jié)論

本研究比較了4個恒定干燥溫度和持續(xù)增溫條件下，鼓風干燥對白鬼筆質(zhì)量、感官指標和評價指標的影響，并以水分比試驗數(shù)據(jù)進行模型擬合，探討和描述白鬼筆鼓風干燥的數(shù)學模型表達式。在恒溫熱風干燥條件下，溫度越高，白鬼筆干燥速度越快，同時菇體越皺縮，顏色變化越深，嚴重影響白鬼筆品質(zhì)，主要是由于在高溫烘干過程中，由于溫度過高，內(nèi)部游離水分尚未擴散至菇體表面，表面已失水干制，從而造成樣品硬殼，同時菇體內(nèi)的多糖、蛋白質(zhì)等生理活性物質(zhì)在高溫下易分解或焦化，使菇體營養(yǎng)受損，此外高溫還會使細胞液迅速膨脹，造成細胞壁破裂，胞液流出，菇體液化，顏色變黑[2]。在持續(xù)增溫熱風干燥條件下，隨時間的延長和溫度的升高，菇體皺縮和顏色變化較慢，品質(zhì)較好，且與恒溫熱風干燥相比，干燥速度較快、干燥效果好(持續(xù)增溫干燥6 h白鬼筆趨于恒定質(zhì)量，而45、55 ℃恒溫熱風干燥至恒質(zhì)量的耗時分別為12、10 h，65、75 ℃干燥品相較差)，主要是由于持續(xù)增溫可以讓菇體內(nèi)外形成溫度差，促使菇體外部水分快速揮發(fā)，菇體內(nèi)部水分向菇體表面擴散，同時干燥溫度不會過高，從而可較好地保持菇體形態(tài)[2]。

表5 白鬼筆持續(xù)增溫熱風干燥數(shù)學模型擬合參數(shù)

根據(jù)GB7096—2014《食品安全國家標準 食用菌及其制品》的規(guī)定，食用菌干制品含水量應≤12%。本研究發(fā)現(xiàn)，當45 ℃恒溫熱風干燥10.35 h、55 ℃恒溫熱風干燥6.6 h、65 ℃恒溫熱風干燥3.9 h、75 ℃恒溫熱風干燥3.6 h時，持續(xù)增溫熱風干燥5.2 h時，白鬼筆實時含水量降至12%。對比干燥溫度、干燥時間、品相認為，持續(xù)增溫干燥5.2 h為最好的烘干方法。

物料的干燥是一個復雜的過程，液相擴散理論是固體干燥過程質(zhì)量傳遞的基本機理，過程可用Fick方程描述[3-4]。常用的數(shù)學模型有Lewis、Page、Henderson and Pabis、Approximation of diffusion、Wang and Singh、Simplified Fick’s diffusion、Modified Page equation-Ⅱ、Logarithmic、Two-term等。本研究參照文獻[3-5]，選用模型Lewis/Newton、Henderson and Pabis、 Page、Logarithmic來描述白鬼筆的干燥過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，45℃恒溫熱風干燥時，Page模型的擬合度較好；55、65、75 ℃恒溫熱風干燥時，Lewis/Newton模型的擬合度較好；持續(xù)增溫干燥時，Henderson and Pabis模型的擬合度較好。陳健凱等研究表明，Two-term模型能準確地表達和預測杏鮑菇在熱風干燥過程中不同條件下任意時刻的水分含量和干燥速率[7]，與本研究有一定的區(qū)別，可能是由干燥方法的選擇導致的。

本試驗比較了4個恒定干燥溫度和持續(xù)增溫條件對白鬼筆干燥的影響。結(jié)果表明，持續(xù)增溫熱風干燥5.2 h，溫度增加至61 ℃時，白鬼筆實時含水量降至12%；干燥6 h時，溫度增至70 ℃時，白鬼筆達到恒定質(zhì)量，并測得鮮菇含水量為86.80%。持續(xù)增溫熱風干燥具有干燥時間短，菇體形態(tài)好，顏色變化小的優(yōu)點。通過對烘干過程中的水分比進行數(shù)學模型擬合發(fā)現(xiàn)，Henderson and Pabis模型可較好地反映白鬼筆的干燥過程，能較好地預測持續(xù)增溫熱風干燥過程中白鬼筆不同時刻的水分比變化。