香菇脆片真空油炸過程中傳質規(guī)律

任愛清,鄧 珊,唐小閑,*,段振華

(1.賀州學院食品與生物工程學院,廣西賀州 542899; 2.賀州學院廣西果蔬保鮮和深加工研究人才小高地,廣西賀州 542899; 3.賀州學院食品科學與工程技術研究院,廣西賀州 542899)

真空低溫油炸技術利用水分沸點隨著壓力減小而降低的原理,實現(xiàn)食品在較低的溫度下迅速脫水,與常壓油炸技術相比,真空油炸具有低氧、低溫的特點,可以減少營養(yǎng)物質和油脂的氧化[1-2];保存產(chǎn)品的自然色澤和風味[3];減少丙烯酰胺生成[4]和營養(yǎng)物質損失[5];降低產(chǎn)品含油率[6]。香菇是世界消費量第二大的食用菌,并且營養(yǎng)豐富兼具有多種保健功能,適合用真空油炸來生產(chǎn)即食香菇脆片[6-7]。

油炸是一個復雜的脫水過程,它同時存在質量傳遞和熱量傳遞現(xiàn)象。油炸過程中,油脂作為傳熱介質,熱量從油脂向物料內部傳遞;物料內部的水分受熱蒸發(fā),向物料表面?zhèn)鬟f;同時,作為加熱介質的油脂也會被物料表面吸附,然后向物料內部滲透[8],這些現(xiàn)象對產(chǎn)品的品質和安全控制極為重要。關于常壓油炸過程中的傳質規(guī)律研究較多[8-13],這些研究為真空油炸過程中的傳熱傳質規(guī)律奠定了較好的基礎。大部分研究采用菲克擴散定律模擬真空油炸過程中的水分蒸發(fā),采用一階指數(shù)動力學模型或Pabis經(jīng)驗模型來模擬真空油炸過程中的油脂吸收[14-17]。水分擴散系數(shù)和油脂吸收模型參數(shù)與很多因素有關,溫度、真空度、預處理方式、原料結構等均會對傳質系數(shù)造成影響[17-18]。油炸溫度越高傳質系數(shù)越大[17],不同原料傳質系數(shù)存在很大差異[14,17],預處理方式也會影響傳質系數(shù)[18]。

目前還未見香菇片真空油炸傳質方面的研究報道。本實驗以新鮮香菇為原料,研究油炸溫度、真空度和預處理方式對真空油炸香菇脆片傳質系數(shù)的影響,建立傳質模型,以期為香菇脆片真空油炸過程中的品質控制提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮香菇 廣西賀州當?shù)剞r貿市場;海皇牌棕櫚油 凝固溫度24 ℃,益海嘉里糧油公司;麥芽糊精 DE16-20,山東西王糖業(yè)有限公司;羧甲基纖維素鈉 分析純,國藥集團化學試劑有限公司;鋁箔袋 PE/Al/PET三層復合膜厚度20絲,連云港圣保包裝材料有限公司。

BL310電子天平 德國SARTORIUS公司;真空油炸機 煙臺海瑞食品設備有限公司;DHG-9240A干燥箱 上海圣科儀器設備有限公司;SZC-B脂肪測定儀 上海纖檢儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品準備 挑選菇蓋較厚的新鮮香菇,用不銹鋼圓形刀片切去柄,然后切成厚度為6 mm的直徑為20 mm的圓形香菇片,清洗后立即在90 ℃漂燙3 min[7],用自來水沖洗冷卻。為了考察預處理對香菇片真空油炸過程傳熱的影響,將漂燙后的香菇片分成2組:漂燙后用濾紙吸干物料表面的水分,直接真空油炸,油炸前香菇片干基含水率為569%±2%(漂燙);漂燙后用質量分數(shù)50%的麥芽糊精溶液25 ℃浸漬70 min,然后在質量分數(shù)0.6%的羧甲基纖維素溶液25 ℃浸泡15 min涂膜。用濾紙吸干物料表面的水分,然后真空油炸。油炸前香菇片干基含水率為271%±2%(漂燙+浸漬+涂膜)。

1.2.2 真空油炸 在真空油炸機中加入50 L棕櫚油,加熱至設定溫度,將處理好的500 g香菇片放入油炸籃中,抽真空至設定真空度后,放下油炸籃開始油炸。油炸后以300 r/min的轉速脫油3 min[7]。脫油結束后,將產(chǎn)品取出冷卻,及時用鋁箔袋真空包裝待測。

1.2.3 不同溫度對傳質的影響 為了研究不同溫度下兩種預處理香菇脆片真空油炸過程中的傳質規(guī)律,將上述1.2.1處理的2組原料設定真空度0.095 MPa,油炸溫度分別為80、90、100 ℃。測定不同油炸時間香菇脆片的含水率和含油率。

1.2.4 不同真空度對傳質的影響 為了研究不同真空度下兩種預處理香菇脆片真空油炸過程中的傳質規(guī)律,將上述1.2.1處理的2組原料設定油炸溫度為90 ℃,真空度分別為0.075、0.085、0.095 MPa。測定不同油炸時間香菇脆片的含水率和含油率。

1.2.5 傳質模型 由于香菇片直徑比厚度大得多,因此假定傳質只發(fā)生軸向單向傳輸,可以用Fick擴散定律描述水分的擴散[19]:

式(1)

式中:MR為水分比,無因次量;M為物料油炸t時的水分、M0為初始水分、Me為平衡水分,kg水/kg干物質;L為厚度的一半,m;t為干燥時間,s;Deff為物料內部水分的水分有效擴散系數(shù),m2/s。

對于長時間干燥,產(chǎn)品的平衡水分Me遠遠小于M0和M,幾乎接近于0,可以近似看做Me=0,則(1)可化簡為[14]:

式(2)

當n→∞,上式就可簡化為如下所示的方程[16、20]:

式(3)

對于片狀物料薄層干燥過程,可以用簡化的Pabis模型來表示[21]:

MR=Cexp(-Dt)

式(4)

式中:C、D為干燥常數(shù)。

許多研究證明,真空油炸過程中的油脂吸收規(guī)律,可以采用經(jīng)驗方程來描述,該方程表達式為[11-13]:

式(5)

式中:t為油炸時間,s;Y為t時間的含油率,%;Ymax最大含油率(也稱平衡含油率),%;KY表示該模型的油脂吸收系數(shù),S-1;在t=0時,含油量為零,長時間油炸,含油量會達到平衡值。

1.2.6 指標測定

圖1 香菇片水分變化曲線Fig.1 Experimental and fitted moisture content of shiitake slices注:漂燙(a、c);漂燙+浸漬+涂膜(b、d)。

1.2.6.1 含水率測定 按照GB 5009.3-2016直接干燥法測定。真空油炸后的香菇脆片用研缽磨碎,稱取5 g左右研碎的香菇脆片,在烘箱中,(102±3) ℃的條件下烘至恒重。本文所有含水率都用干基表示(%),重復測定3次,取平均值。

1.2.6.2 含油率測定 按照GB 5009.6-2016中的索氏抽提法測定[11]。本文所有含油率都用干基表示(%),重復3次試驗,取3次平均數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)均重復測定3次,取平均值,表格采用Excel 2003繪制,采用OriginPro 8.5軟件進行繪圖、模型擬合和模型參數(shù)計算。

2 結果與分析

2.1 香菇真空油炸水分傳質模型

香菇脆片真空油炸過程中的水分比M/M0隨油炸時間的延長而逐漸降低(圖1),根據(jù)方程4中的模型對試驗數(shù)據(jù)進行擬合,結果如表1、表2所示。從表中可以看出,確定系數(shù)R2均大于0.99,說明該模型可以較好的模擬各種油炸條件和不同預處理的香菇片真空油炸過程中含水率的變化。

表1 不同油炸溫度M/M0的擬合參數(shù)Table 1 Fitting parameters for M/M0 of different frying temperature

表2 不同真空度M/M0的擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters for M/M0 of different vacuum degree

從表1和表2可知,兩種處理方式的C值變異系數(shù)小于5%,基本不隨油炸溫度和真空度的變化而變化,幾乎為恒定值;大部分實驗條件下,漂燙+浸漬+涂膜處理的香菇片C值大于漂燙處理,但是D值較小,僅真空度0.075 MPa溫度90 ℃油炸條件下,漂燙+浸漬+涂膜處理的香菇片C值比漂燙處理略小;D值隨溫度和真空度的變化而變化,溫度越高、真空度越高,D值就越大。

采用多元線性回歸分析可得到香菇真空油炸過程中D值與真空度(V,MPa)和油炸溫度(T, ℃)之間的關系方程。漂燙處理的香菇為:D=-0.01098+0.055V+9.25×10-5T,(R2=0.98978);漂燙+浸漬+涂膜處理的香菇為:D=-0.00606+0.03171V+5.65×10-5T,(R2=0.98578)。兩個方程的R2值都在0.98以上,表明其成線性關系,可以用上述關系式表示兩種預處理香菇片D值與真空度和油炸溫度之間的聯(lián)系。

2.2 水分有效擴散系數(shù)

水分擴散系數(shù)是果蔬干燥過程中的重要參數(shù),它反映了物料在一定干燥條件下的脫水能力,也是優(yōu)化干燥設備設計的重要參數(shù)之一。到目前為止,香菇真空油炸過程中的水分有效擴散系數(shù)值還未見文獻研究。將試驗數(shù)據(jù)代入公式(3)中,可以得出水分有效擴散系數(shù)Deff值(表3)。從表可知,漂燙處理香菇片的Deff為3.10×10-9～7.70×10-9m2/s,漂燙+浸漬+涂膜處理香菇片的Deff為2.47×10-9～4.76×10-9m2/s。表3表明,香菇片的Deff隨真空度和油炸溫度的升高而增大;在相同溫度和壓力下,漂燙處理香菇片的Deff大于漂燙+浸漬+涂膜處理香菇片。

表3 香菇脆片真空油炸的水分有效擴散系數(shù)Table 3 Values of the effective diffusivity coefficient for vacuum frying shiitake slices

圖2 香菇片含油率變化曲線Fig.2 Experimental and fitted oil content of shiitake slices注:漂燙(a、c);漂燙+浸漬+涂膜(b、d)。

目前還未見關于真空油炸香菇脆片的水分有效擴散系數(shù)方面的報道,Troncoso等[22]研究了土豆片真空油炸過程中的水分有效擴散系數(shù),在絕對壓力5.4 kPa、油炸溫度120～140 ℃條件下,土豆片的水分有效擴散系數(shù)為 4.73×10-9～1.80×10-8m2/s;油炸溫度由120 ℃升高到140 ℃,所有處理(不漂燙、漂燙、漂燙+預干燥)的土豆片的水分有效擴散系數(shù)增加,研究結論與本實驗數(shù)量級上基本一致。

預處理可以改變原料的水分擴散系數(shù)。Soorgi等[19]研究得到油炸雞肉的水分擴散系數(shù)為1.43×10-8～3.25×10-8m2/s,并指出羧甲基纖維素涂膜處理可以降低雞肉的水分擴散系數(shù),涂膜處理可以減少水分和油脂滲透;Chitrakar等[18]認為超聲波、微波預處理可以提高真空油炸過程中的傳熱傳質系數(shù);本實驗也發(fā)現(xiàn),浸漬、涂膜預處理降低了香菇片真空油炸過程中的水分有效擴散系數(shù)。研究結論與上述文獻一致,但是水分有效擴散系數(shù)數(shù)量級比油炸雞肉的水分有效擴散系數(shù)低一個數(shù)量級。

2.3 油脂吸附模型

不同預處理的香菇片真空油炸過程中的含油率變化如圖2所示。由圖2可見,不同預處理香菇油炸后的含油率隨著油炸時間的增加而逐漸升高,之后達到穩(wěn)定值;浸漬和涂膜處理明顯降低了真空油炸香菇脆片的含油率。用經(jīng)驗模型(5)對實驗數(shù)據(jù)進行擬合,得到不同預處理香菇片的擬合系數(shù)(表4)。從表4可知,不同條件下方程的確定系數(shù)R2都大于0.99,證明該模型能夠較好的模擬真空油炸香菇的含油率變化。油炸溫度和真空度對各種處理的香菇片的平衡含油率Ymax影響不大,油脂吸收系數(shù)KY隨著油炸溫度和真空度的升高而增加。

表4 油脂吸附模型擬合參數(shù)Table 4 Fitting parameters for oil absorption

采用多元線性回歸分析可得出漂燙處理的香菇脆片真空油炸干燥過程KY值與油炸溫度(T, ℃)和真空度(V,MPa)的關系方程為:KY=-0.00918+8.35×10-5T+0.03743V,(R2=0.85247);漂燙+浸漬+涂膜處理的香菇脆片真空油炸干燥過程KY值與油炸溫度和真空度的關系方程如為:KY=-0.00975+8.45×10-5T+0.043V,(R2=0.94016);兩個方程的R2值都大于0.85,表明其成線性關系,可以用上述關系式表示兩種預處理香菇片油脂吸收系數(shù)KY值與真空度和油炸溫度之間的聯(lián)系。

真空油炸過程中的油脂吸收規(guī)律研究較多,不同研究得到的結論也不盡相同。Troncoso等[18]研究了土豆片真空油炸過程中的油脂吸收規(guī)律,也采用公式(5)對其進行了擬合分析,得出KY和Ymax都不受油炸溫度的影響,其獲得的KY和本實驗的KY值在同一數(shù)量級;Moyano等認為油炸溫度的升高會導致油脂的吸收下降,可能是由于溫度升高會使油炸時間減少,會形成更好的硬殼層阻止油脂的吸收,或者使硬殼層的孔隙率降低[23];有些研究則認為油炸溫度的升高會導致油脂的吸收上升[24];Naghavi等認為涂膜處理顯著降低了油炸土豆條的含水率和減少油脂吸收[25]。由此可見,真空油炸過程中的油脂吸收過程非常復雜,還沒有一致的規(guī)律,隨原料特性、原料預處理方式、真空油炸參數(shù)等不同而變化,目前還未見香菇真空油炸過程中的油脂吸收規(guī)律方面的報道。

3 結論

香菇脆片的含水率隨著油炸時間的增加而逐漸降低,Pabis經(jīng)驗模型能較好模擬香菇脆片真空油炸過程中的水分變化。漂燙處理的香菇片的水分有效擴散系數(shù)為3.10×10-9～7.70×10-9m2/s,漂燙+浸漬+涂膜處理的香菇片的水分有效擴散系數(shù)為2.47×10-9～4.76×10-9m2/s;香菇片的水分有效擴散系數(shù)隨著油炸溫度和真空度的升高而增大;浸漬和涂膜處理明顯降低了真空油炸香菇脆片的水分有效擴散系數(shù)。香菇片的油脂含量隨著油炸時間的增加而逐漸升高,之后達到穩(wěn)定值;浸漬和涂膜處理降低了真空油炸香菇脆片的含油率。采用的經(jīng)驗模型能夠較好的模擬真空油炸香菇脆片的油脂含量變化,油炸溫度和真空度對香菇片的平衡含油率Ymax影響不大,油脂吸收系數(shù)KY隨著油炸溫度和真空度的升高而增加。