熱蒸汽燙漂聯合熱風微波耦合干燥香菇的工藝優化

戈永慧,張 慧,彭 菁,屠 康

(南京農業大學食品科學技術學院,江蘇南京 210095)

香菇(Lentinusedodes)是一種食藥同源的食用菌,它不僅富含氨基酸、礦物質和維生素等營養成分,還含有香菇多糖、香菇嘌呤等多種生理活性物質,具有很高的營養價值和保健功效[1-4]。新鮮香菇呼吸作用強且含水量高,儲藏保鮮的難度大,需要及時進行加工處理[5],常用的加工方法有干制、罐藏、發酵等,其中干制是增強香菇儲藏特性的主要方法之一。干香菇可以有效保持香菇的品質,延長貨架期[6-7]。

燙漂是果蔬干燥前的關鍵預處理工藝,熱蒸汽燙漂是一種常用的燙漂技術,它可以有效地鈍化多酚氧化酶的活性,減少果蔬表面上微生物的總量,在軟化組織、穩定色澤、改善品質等方面具有一定作用。嚴啟梅[8]認為適度的熱蒸汽燙漂有利于杏鮑菇含水率的降低和干制品色澤、硬度的提高,當燙漂時間為90 s時,可以鈍化POD酶活,有利于更好地保持干制品品質。Galoburda等[9]研究了燙漂溫度對微波真空干燥蘑菇品質的影響,發現70～90 ℃可以得到更好的干燥特性和復水性的產品。因此,在干燥前進行熱蒸汽燙漂對香菇的快速干燥和保持品質具有重要作用[8]。

目前有多種干燥技術應用于香菇中,如熱風干燥、微波干燥、冷凍干燥和低溫真空油炸干燥等[7],其中每種干燥方法都有其優點及局限性。熱風干燥是目前最常用的干燥技術之一,其操作簡單成本低,但干燥時間長、產品質量相對較差,無法滿足消費者對優質脫水產品的需求[10-13]。微波干燥具有耗時短、效率高等優點,但存在受熱不均勻和成本高的問題[14-15]。因此,為了改進傳統的干燥方法,獲得更高品質的產品,由兩種或多種干燥方法組合的干燥技術可能取得良好的效果[16-18]。

熱風間歇微波耦合干燥(Hot Air-Intermittent Microwave Combined Drying,AD&IM)是以熱風和微波干燥為基礎發展的新型組合干燥技術,通過間歇性施加微波,可以減少能量消耗和改善產品品質;在整個過程中輔以熱風干燥,可以對物料同時內外加熱,顯著提高效率,節約時間與成本[19-25]。李維新等[26]采用微波熱風耦合對糖姜進行干燥,發現最適的微波加熱和間歇時間分別為30、90 s,并且微波加熱時間越長,糖姜干燥速率越大,干燥時間越短。彭郁等[27]認為高間歇比(ton/toff,5 s/20 s)干燥的白蘿卜樣品的內部溫差最小,并且顏色最好。Dehghannya等[28]對木瓜進行低溫熱風間歇微波干燥,發現通過增加微波功率和間歇比,樣品的收縮率、體積密度降低,在功率為900 W和間歇比為4的條件下能量消耗最低。

近年來,組合干燥在果蔬脫水加工的研究中取得了廣泛的應用,但目前關于使用熱風間歇微波耦合干燥香菇的報告較少[22]。本文采用AD&IM干燥香菇,通過探究預處理時間對香菇熱風干燥特性及色澤的影響;改變微波間歇施加的時間,探究不同間歇比對香菇干燥特性、能耗及干品品質的影響,獲得干燥耗時短且品質好的干香菇產品和AD&IM的最佳干燥工藝參數,以期為香菇的熱風間歇微波耦合干燥的應用提供參考和依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮香菇 南京衛崗菜場;無水乙醇、苯酚、濃硫酸 分析純,南京壽德生物科技有限公司。

熱風微波聯合干燥箱 由南京農業大學農產品加工實驗室改裝而成,其結構如圖1所示。包括微波爐箱體、熱風循環系統、自動稱重系統及控制系統。PLC控制器用于調控加熱器溫度和鼓風機風速,達到控溫的目的。該設備可將微波和熱風同時作用于物料,微波功率在0～1000 W內連續可調,熱風溫度在0～200 ℃內可控,風速在0.5～3.0 m/s可調,可實時監控微波爐箱體內的溫度、快速干燥和自動稱重;CR-13型色差計 日本柯尼卡美能達公司;UV-1800型紫外分光光度計 日本島津公司;PY-G8型功率計費器 紹興上虞品益電器有限公司;游標卡尺、電子秒表、刀具等 國產儀器。

圖1 熱風微波聯合干燥箱結構簡圖Fig.1 Hot air microwave combined drying box structure diagram注:1:爐門;2:微波爐箱體;3:出風口;4:稱重傳感器; 5:光纖;6:載物托盤;7:風速傳感器;8:輸氣管道; 9:PLC控制器;10:腳支架;11:熱風箱體;12:加熱器; 13:電機;14:鼓風機;15:溫度傳感器;16:進風口。

1.2 實驗方法

1.2.1 熱蒸汽燙漂預處理試驗設計 取大小均勻(半徑2.5 cm左右)、菇體完整的新鮮香菇,剪去香菇柄,清洗后瀝干水分。將樣品切片(厚度約為1.0 cm)待用。分別取100 g大小相似的香菇片,置于熱蒸汽鍋中進行不同時長(0、60、120、180、240 s)的熱蒸汽處理,燙漂溫度為95 ℃。預處理完成后拭去香菇片表面水分,稱重后迅速轉移至熱風微波聯合干燥箱中進行熱風干燥,設定熱風溫度60 ℃,風速1.0 m/s,每隔10 min記錄一次樣品質量,依據《GB7096-2014,食品安全國家標準食用菌及其制品》,當干基含水率≤0.149 g/g時(濕基含水率≤0.13 g/g),達到干燥終點。根據干燥時間和色差選擇最優的預處理方式。

1.2.2 熱風微波耦合干燥試驗設計 稱取100 g香菇片置于熱蒸汽鍋中燙漂180 s后進行熱風間歇微波耦合干燥,設定熱風溫度60 ℃,風速1.0 m/s,微波功率密度為3 W/g[29],調整微波干燥的間歇比,微波開啟的時間均為1 min,間歇比分別為2(1 min∶1 min,ton∶toff),3(1 min∶2 min,ton∶toff),4(1 min∶3 min,ton∶toff),5(1 min∶4 min,ton∶toff),6(1 min∶5 min,ton∶toff)[29],在整個干燥過程輔以60 ℃熱風,每隔8～12 min記錄一次質量直至達到干燥終點。

1.2.3 間歇比的計算 對于AD&IM 其間歇比(Pulse Ratio,PR)表示微波啟動和停止的頻率,表達式如式(1)所示[30]:

式(1)

式中:ton表示微波開啟的時間,toff表示微波停止的時間。

1.2.4 初始含水率測定 依據GB 5009.3-2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》測定香菇含水量,本實驗測得香菇的初始干基含水率為6.69 g/g。

1.2.5 干基含水率的計算

式(2)

Mg=M初-M初×W初

式(3)

式中:Wd為物料干基含水率(g/g),Mt為t時刻物料的質量(g),Mg為絕干質量(g),M初為物料初始的質量(g),W初為物料初始含水率(g/g)。

1.2.6 干燥速率的計算 干燥速率用單位時間內干基含水率的變化量表示,計算公式如式(4)所示:

式(4)

式中:DR為干燥速率,g/(g·min),W1和W2分別為物料在t1和t2時刻的干基含水率。

1.2.7 色差測定 通過色差計測定新鮮香菇片的色澤,重復測定后取平均值,記為L0、a0、b0,對香菇片樣品的色澤進行重復測定,每個樣品測定3次,取平均值,記錄香菇片的L*、a*、b*值。L*值表示亮度;a*值表示紅綠色;b*值表示黃藍色。總色差用ΔE表示,ΔE值越小,則與新鮮香菇片的色澤越接近。其計算公式如式(5)所示:

式(5)

1.2.8 收縮模式的測定 根據Tao等[31]的方法測定收縮模式。將熱燙預處理后的香菇片熱風間歇微波干燥,在干燥過程中定期測量香菇片的含水量和厚度值,選取三片不同位置的香菇片標記,用游標卡尺測量其中間部位的厚度,測量三次取平均值并記為d,放回原位,每隔8～12 min測量一次已標記的香菇片,直至干燥終點,對三組數據取平均值。計算對應時刻下的含水量,計算公式如式(6)所示:

式(6)

式中:W為物料含水量(g/g),Mg為絕干質量(g),Mt為t時刻物料的質量(g)。

僅熱燙預處理的香菇片的平均厚度記為d0,含水量記為W0。計算水分比(W/W0)和厚度比(d/d0),以水分比為橫坐標、厚度比為縱坐標繪制散點圖,根據圖像的趨勢進行線性、非線性擬合,R2越大,說明模型擬合程度越好,選擇擬合程度最好的模型,即為香菇片在不同間歇比下的定量收縮模式。

1.2.9 能耗測定 使用功率計費器測量

1.2.10 香菇多糖含量測定 參考NY/T1676-2008 《食用菌中粗多糖含量的測定》進行測定。稱取1.0 g樣品粉碎并用5 mL水浸潤,緩慢加入20 mL無水乙醇,混合均勻后超聲提取30 min,以4000 r/min離心取沉淀,加入10 mL 80%的乙醇洗滌、離心,沉淀于沸水浴中提取2 h,冷卻至室溫后過濾,將上清液轉移至100 mL容量瓶并記為待測液。取1 mL待測液于具塞玻璃試管中,加入1 mL苯酚溶液,然后迅速加入5 mL濃硫酸,靜置10 min,混合均勻,在30 ℃水浴中反應20 min,在490 nm下測定吸光度,根據式(7)計算香菇多糖含量:

式(7)

式中:ω為多糖質量分數(g/100 g),m1為從標準曲線(m=0.99423x+0.00001,R2=0.9986)上查得測定液的含糖量(μg),V1為樣品定容體積(mL),m2為樣品質量(g),V2為比色測定時移取樣品測定液的體積(mL)。

1.3 數據處理

實驗所得數據均經過三次平行試驗取平均值獲得。采用Origin 9.0軟件進行繪圖和圖形擬合分析,采用SPSS軟件進行統計分析,以P<0.05為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 不同燙漂時間對香菇干燥的影響

2.1.1 不同燙漂時間對干燥特性的影響 從圖2a可以看出經熱蒸汽燙漂處理后的香菇樣品干基含水率降低,燙漂的時間越長,干基含水率越低;熱蒸汽燙漂后熱風干燥的耗時小于純熱風干燥,相比純熱風干燥,經燙漂后干燥可縮短0%～30%的干燥時長。圖2b反映了熱風干燥是一個減速干燥的過程,隨著含水率降低干燥速率逐漸降低。熱蒸汽燙漂時長在0～240 s的香菇樣品所需的純熱風干燥的時間分別為200、200、180、150和140 min,隨著燙漂時間的增加,干燥時間逐漸減少,干燥速率逐漸降低。

圖2 不同熱蒸汽燙漂時間對香菇干燥的影響Fig.2 Effect of different blanching time of hot steam blanching on the drying characteristics of shiitakes注:a:時間-干基含水率曲線;b:時間-干燥速率曲線;圖3同。

2.1.2 不同燙漂時間對色差的影響 熱蒸汽燙漂處理時間在0～240 s的香菇樣品的顏色參數如表1所示,未燙漂與經熱蒸汽燙漂的樣品ΔE值、L*值、a*值之間差異顯著(P<0.05),未燙漂與經熱蒸汽燙漂的樣品b*值之間無顯著差異(P>0.05),故燙漂影響香菇片的色澤,使香菇片的色差增大,明度變暗,顏色偏向紅色,可能是由于燙漂導致香菇組織軟化,細胞被破壞,細胞的內容物外流,物料色澤的保持能力也隨之下降[30]。不同熱蒸汽燙漂時長的處理組之間ΔE值、L*值、a*值、b*值無顯著性差異(P>0.05),因此熱蒸汽燙漂時長對香菇的色澤沒有顯著影響。綜合上述干燥特性和品質,選取熱蒸汽180 s燙漂為預處理方式,可將純熱風干燥的時長縮短25%,且與新鮮香菇片的色差較小。

表1 熱蒸汽燙漂時長對香菇色澤的影響Table 1 Effect of different blanching time of hot steam blanching on color of shiitakes

2.2 不同間歇比對熱風微波耦合干燥的影響

2.2.1 不同間歇比對熱風間歇微波干燥干燥特性的影響 不同間歇比對AD&IM干燥特性的影響如圖3所示,可以看出熱風微波耦合干燥的間歇比越小,干燥時間越短。純熱風所需的干燥時間為150 min,間歇比為2～6的AD&IM時間分別為40、54、60、70、84 min,微波累計施加的時間分別為20、18、15、14、14 min,AD&IM耗時明顯小于單一熱風干燥,可縮短44.0%～73.3%的干燥時間。

圖3 不同間歇比下的熱風間歇 微波干燥對香菇干燥特性的影響Fig.3 Effect of different pulse ratio of hot air-intermittent microwave combined drying on the drying characteristics of shiitakes

由3b可以看出AD&IM的干燥速率曲線呈現先上升后下降的趨勢,開始時干燥速率迅速增加,由于物料受熱升溫,水分蒸發快,干燥速率較高;而后隨干燥的進行,內部水分遷移至香菇片表面,當間歇比為5、6時,有明顯的恒速干燥階段,可能是由于此時香菇片表面溫度保持恒定,干燥速率穩定,但隨間歇比的減小,間歇比為2、3、4時,干燥速率增大,恒速干燥階段則不存在,直接進入減速干燥過程;在減速干燥階段,可能是因為物料表面受熱風干燥,內部水分不能及時補充到表面,導致表面的蒸發速率大于物料內部的水分擴散速率[30],也有可能是因為物料含水率降低,含水率下降速度變慢并逐漸趨于平緩。

2.2.2 不同間歇比對收縮模式的影響 對不同間歇比下的熱風間歇微波干燥過程中的厚度比與水分比建立模型擬合,得到最優擬合模型,不同間歇比的模型擬合公式和擬合度如表2所示。間歇比為2～6的最優擬合模型均為二次函數模型,模型擬合度分別為0.88、0.97、0.83、0.83、0.93,厚度比隨水分比的變化如圖4所示,可以清楚地看到厚度比隨著水分比的下降而減小,表明AD&IM過程中發生收縮現象。經燙漂的香菇片在高水分率下的情況下,厚度比迅速下降,在低水分比下,相應的厚度值變化緩慢。燙漂后的香菇片呈非線性收縮模式可歸因于熱蒸汽燙漂引起了香菇片質地的變化。根據Tao等的研究,未熱燙的蔬菜厚度與水分比之間存在線性關系,熱燙可導致蔬菜質地軟化,從而使香菇片在高含水量下收縮更嚴重[31]。

表2 不同間歇比下厚度比與水分比的擬合公式Table 2 Fitting formula of thickness ratio to humidity ratio with different pulse ratios

圖4 不同間歇比下熱風間歇微波干燥過程中厚度比與水分比的關系Fig.4 Relationship between thickness ratio and humidity ratio during hot air-intermittent microwave combined drying with different pulse ratios注:a:PR=2干燥模式擬合曲線;b:PR=3干燥模式擬合曲線;c:PR=4干燥模式擬合曲線; d:PR=5干燥模式擬合曲線;e:PR=6干燥模式擬合曲線。

2.2.3 不同間歇比對色差的影響 間歇比對AD&IM香菇色差的影響如圖5所示,間歇比為2時與間歇比為3～6時產品的色差之間無顯著性差異(P>0.05),色澤較優,間歇比為3時產品的ΔE值最大,色差明顯高于間歇比為4～6時的色差,色澤最差,間歇比為4～6時產品的ΔE值之間無顯著性差異(P>0.05)。微波累計施加的時間可能是影響產品色澤最主要的因素,微波累計施加的時間越長,其營養物質氧化分解、褐變程度越大,色差越大[30]。

圖5 不同間歇比對香菇色差的影響Fig.5 Effect of pulse ratio on color of shiitakes注:不同字母表示不同間歇比下 香菇顏色差異顯著(P<0.05),圖6同。

2.2.4 不同間歇比對能耗的影響 不同間歇比(2～6)下的熱風間歇微波干燥的能耗如表3所示,分別為0.3755、0.4350、0.4475、0.5735、0.6275 kW·h,可以看出,間歇比為2與間歇比為5、6的AD&IM之間的能耗存在顯著性差異(P<0.05),間歇比為3、4與間歇比為2、5、6的AD&IM之間能耗差異不顯著(P>0.05),隨著間歇比增大,干燥的時間越長,能耗越大。

表3 間歇比對能耗的影響Table 3 Effects of pulse ratio on energy consumption

2.2.5 不同間歇比對香菇多糖含量的影響 間歇比對AD&IM香菇的多糖含量影響如圖6所示,香菇多糖含量隨間歇比的增加先減小后增大,間歇比為2時香菇多糖含量最高。隨著間歇比增大,干燥總時間增加,微波累計施加的時間逐漸減少,在間歇比為2～4時,香菇多糖含量逐漸降低,這可能是由于干燥耗時短有利于香菇多糖的保留,當間歇比為5、6時,雖然干燥總時間在增加,但香菇多糖含量逐漸增加,這可能是由于微波累計施加的時間變短,微波施加的時間越短,越有利于香菇多糖的保留[32],所以香菇多糖的含量逐漸上升。

圖6 不同間歇比對香菇多糖含量的影響Fig.6 Effect of pulse ratio on lentinan

3 結論

試驗對熱蒸汽燙漂聯合熱風微波耦合干燥香菇的工藝進行了優化,探究了預處理時間對香菇熱風干燥特性及色澤的影響,以及不同間歇比對香菇干燥特性及品質的影響。預處理實驗結果表明,熱蒸汽燙漂時間越長,干燥所需的時間越短,干燥速率越低;熱蒸汽燙漂時間為180 s時,熱風干燥時間為150 min,產品干燥時間短,色澤較優,可節約25%的干燥時間。不同間歇比(2～6)的熱風間歇微波干燥實驗表明,在間歇比為2的條件下,干燥時間最短,可節約73.3%的干燥時間,香菇片色澤較優,能耗最低,香菇多糖含量最高,是一種適合香菇片干燥的技術方法。以上結果證明熱風間歇微波干燥可大幅度縮短干燥時間,保證干香菇片品質,節約干制的成本,本研究通過微波間歇施加的時間,確定了熱風微波耦合干燥的最優間歇比,節約了生產成本與時間,對食品工業化生產香菇片具有一定的理論指導意義。