香菇冻干工艺参数的优化

张力伟，张 伟

(1齐齐哈尔工程学院，黑龙江齐齐哈尔，161005;2黑龙江八一农垦大学)

香菇［Lentinus edodos(Berk.)Sing.］富含蛋白质、抗坏血酸和多种氨基酸。鲜香菇质地细嫩，采收后香菇含水量高，一般为85%～95%(wb)，鲜度迅速下降，从而会引起开伞、菌褶褐变、菇体萎缩等，影响风味和商品价值［1］。传统的干制香菇既不卫生，又不美观，而且造成营养物质大量损失的［2］。当前食品加工技术的一个重要发展趋势是最大限度地保持食品的营养和物理特性，而干燥工艺和设备的选择对食品产品的营养、色、香、味和形有很大影响［3］。采用真空冷冻干燥技术加工香菇，产品含水量低，能最好地保存香菇的色、香、味、形及营养成份［4］;复水后更加接近新鲜食品、避免产品表面硬化、营养损失和增长保质期等特点［5，6］。

随着我国经济的可持续发展和人民生活水平的不断提高，冻干香菇越来越受到人们的喜爱，是出口创汇附加值极高的产品［9］。经市场调查，鲜香菇10～15元/kg，冷冻干燥后香菇增值140～150元/kg。

冻干香菇在国内外具有广泛的市场，远销美国、俄罗斯、日本、韩国等地区［10］，其中中国香港、日本、美国、韩国、东盟等占我国冻干香菇出口市场的比例较大。因此，冻干香菇具有良好的市场发展前景［11］。

1 材料与方法

1.1 材料

市售优质香菇。

1.2 主要仪器设备

(1)真空冻干试验机:兰州科近真空冻干技术有限公司生产，型号:JDG-0.2。

(2)Haier低温保存箱:型号:DW40L92。

(3)电热鼓风干燥箱:无锡三鑫精工电子设备有限公司生产，型号:PHG-J023A。

(4)电子天平:奥豪斯仪器(上海)有限公司生产，型号:CP1502。

1.2 方法

1.2.1 香菇共晶点和共熔点温度测定 采用应用广泛的电阻法［12］，最终确定香菇共晶点温度为－33.5℃，共熔点温度为－22℃。

1.2.2 工艺流程 样品预处理—预冻—升华干燥—解析干燥—包装。

1.2.3 试验指标的测定及计算方法

(1)干燥率(R干)

式中:G原——冻干前新鲜香菇的质量;

Gg——冻干后香菇的质量。

(2)营养成分

①水分含量采用常压干燥法测定［13］。

②粗蛋白含量采用凯氏定氮法测定［14］。

③粗脂肪含量采用索氏提取法测定［15］。

④粗多糖含量采用苯酚～硫酸法测定［16］。

⑤维生素D含量采用高效液相色谱法测定［17］。

⑥维生素B2(核黄素)含量采用荧光检测法测定［18］。

⑦营养成分的保存率(ξ):

(3)复水比(Rf)

式中:Gt——冻干香菇复水后沥干的质量;

Gg——冻干香菇复水前的质量。

(4)感官评价

采用10分制加权法对冻干香菇的感官品质进行评价。将色泽、香气和外观用分数表示，由得分进行综合评定。

表1 香菇感官品质的加权值

1.3 香菇冻干单因素试验设计

通过对真空冷冻干燥原理的理论分析，确定影响冻干速率的主要试验因素是物料厚度、预冻速率、冻干室压力、加热板温度，并进行单因素随机区组实验设计。

1.4 香菇冻干二次回归正交试验设计

通过干燥机理分析和单因素试验研究表明，冻干仓压力、加热板温度、预冻速率和物料厚度均对冻干时间有较大影响，是影响各试验指标的主要因素。为了建立各指标与各个因素之间关系的数学模型，考虑到各因素之间的交互作用，并尽量减少试验次数，采用4因子二次回归正交旋转组合试验方案进一步考察冻干仓压力、搁板的加热温度、预冻速率和物料厚度对冻干时间的影响，每个实验水平重复3次实验以保证实验的准确性。将各因素按其水平及取值范围进行编码，得其因素水平表如表2所示。

表2 香菇冻干二次回归正交试验因素水平编码表

2 结果与分析

2.1 香菇冻干单因素试验结果及分析

2.1.1 香菇切片的厚度 香菇切片的厚度越大，整个冻干过程的干燥速度越小，水分逸出的速度慢，因此对物料细胞组织的损伤小，物料恢复原来特性的能力强，干香菇的复水比越大;而香菇切片厚度小，则冻干速度就会增大，冻干时间就会越长。结合香菇本身的形状特征，切片厚度选择在5～9 cm。

2.1.2 预冻速率 随着预冻速率的降低，干燥速率加快，香菇切片的复水性减弱。结合冻干机本身的制冷效果，预冻速率控制在－2.133～－2.575℃/min。

2.1.3 干燥仓内压力 随着干燥仓内压力的升高，香菇的失水速度加快，干燥速度加快。但压力过高，影响香菇切片的干燥品质，所以压力控制在55～75 Pa。

2.1.4 搁板加热温度 随着加热板加热温度的升高，香菇切片的干燥速率随之升高，但不能为了提高干燥速率而使加热温度太高。温度过高会使香菇切片中心温度过高，冰晶融化，使香菇切片塌陷甚至烧焦。随着加热板加热温度的升高，香菇切片细胞的变形相对较大，复水时间变长，复水量小。综合考虑加热板的温度控制在55～70℃。

2.2 香菇冻干二次回归正交试验结果及分析

以冻干时间为Y值，x1为干燥仓压力，x2为加热板温度，x3为预冻速率，x4为物料厚度，利用SAS软件建立回归方程，分析结果见表3，表4。

根据检验方差分析，确定各因素对试验指标的影响程度从大到小为:预冻速率＞干燥仓压力＞物料厚度＞加热板温度，诸因素与各个指标的回归方程分别如下:

表3 回归方程的方差分析

表4 回归方程各项的方差分析

方程的显著性分析得F1=13.29，相应的概率值﹤0.000 1，失拟性检验分析得F2=1.90，相应的P值等于0.248 8，决定系数为0.925 4，该方程的模型达到极其显著，无失拟因素存在，回归模型与实测值能较好地拟合。各指标回归方程在各自的水平上显著，试验数据与所采用的二次回归数学模型的拟合性好。一次项、二次项和交互项的F值均大于0.01水平上的F值，说明各因素对冻干时间的影响极其显著。

2.3 交互作用对香菇冻干时间的影响结果及分析

2.3.1 (干燥仓)压力和(加热板)温度交互作用分析 干燥仓压力在55 Pa，63 Pa，加热板温度在55℃，63℃范围内时，冻干时间随着干燥仓压力和加热板温度的增加而增加，两者存在协同作用(图1);而当干燥仓压力在63 Pa，75 Pa，加热板温度在63℃，75℃范围内时，冻干时间随着干燥仓压力和加热板温度的增大而减少，两者存在拮抗作用;干燥仓压力在63 Pa，加热板温度在63℃，两者的交互作用最明显，达到最大值。

2.3.2 (干燥仓)压力和预冻速率交互作用分析 干燥仓压力在55 Pa，64 Pa，预冻速率在1.00℃/min，2.58℃/min范围内时，冻干时间随着干燥仓压力和预冻速率的增加而增加，两者存在协同作用(图2);而当干燥仓压力在(64 Pa，75 Pa)，预冻速率在2.58℃/min，3.5℃/min范围内时，冻干时间随着干燥仓压力和预冻速率的增大而减小，两者存在拮抗作用;干燥仓压力64 Pa，预冻速率在2.58℃/min，两者的交互作用最明显，达到最大值。

图1 香菇冻干工艺中压力与温度的响应面和等高线

图2 香菇冻干工艺中压力与预冻速率响应面和等高线

2.3.3 (干燥仓)压力和物料厚度交互作用分析 干燥仓压力在55 Pa，64.8 Pa，物料厚度在4.0 mm，7.0 mm范围内时，冻干时间随着干燥仓压力和物料厚度的增加而增加，两者存在协同作用(图3);而当干燥仓压力在64.8 Pa，74.9 Pa，物料厚度在7.0 mm，10.0 mm 范围内时，冻干时间随着干燥仓压力和物料厚度的增大而减小，两者存在拮抗作用;干燥仓压力64.8 Pa，物料厚度在7.0 mm，两者的交互作用最明显，达到最大值。

图3 香菇冻干工艺中压力和物料厚度的响应面和等高线

2.3.4 (加热板)温度和预冻速率交互作用分析 加热板温度在55.00℃，62.95℃，预冻速率在1.00℃/min，2.61℃/min范围内时，干燥时间随着加热板温度和预冻速率的增加而增加，两者存在协同作用(图4);而当加热板温度在62.95℃，74.90℃，预冻速率在2.61℃/min，4.00℃/min范围内时，干燥时间随着加热板温度和预冻速率的增大而减小，两者存在拮抗作用;加热板温度62.95℃，预冻速率在2.61℃/min，两者的交互作用最明显，达到最大值。

图4 香菇冻干工艺中加热板温度与预冻速率的响应面和等高线

2.3.5 (加热板)温度和物料厚度交互作用分析 加热板温度在55.00℃，62.55℃，物料厚度在4.00 mm，6.35 mm范围内时，干燥时间随着加热板温度和物料厚度的增加而增加，两者存在协同作用(图5);而当加热板温度在62.55℃，74.90℃，物料厚度在6.36 mm，10.00 mm范围内时，干燥时间随着加热板温度和物料厚度的增大而减小，两者存在拮抗作用;加热板温度62.55℃，物料厚度在6.35 mm，两者的交互作用最明显，达到最大值。

2.3.6 预冻速率和物料厚度交互作用分析 预冻速率在1.00℃/min，2.50℃/min，物料厚度在4.0 mm，7.0 mm范围内时，干燥时间随着预冻速率和物料厚度的增加而增加，两者存在协同作用(图6);而当预冻速率在2.50℃/min，4.00℃/min，物料厚度在7.0 mm，10.0 mm范围内时，干燥时间随着预冻速率和物料厚度的增大而减小，两者存在拮抗作用;预冻速率在2.50℃/min，物料厚度在7.0 mm，两者的交互作用最明显，达到最大值。

图6 香菇冻干工艺中预冻速率与物料厚度的响应面和等高线

2.4 香菇冻干工艺参数的优化与分析

使回归数学模型通过F检验，回归方程的显著程度达到90%以上。为了得到香菇冷冻干燥的最优工艺参数，使用SAS统计分析软件对所得的回归模型进行进一步的优化分析(表5)。

表5 香菇冻干工艺参数的优化值及验证结果

香菇真空冷冻干燥最优工艺:干燥仓压力61.8 Pa，加热板温度61.7 ℃，预冻速率 2.58 ℃ /min，物料厚度6.7 mm，冻干时间7.27 h。实测均值与理论值误差较小，说明回归模型拟和性较好。

3 结 论

通过应用新型设备对香菇冻干进行研究，最终确定香菇真空冷冻干燥最佳工艺条件为:干燥仓压力61.8 Pa，加热板温度61.7℃，预冻速率2.58℃ /min，物料厚度6.78 mm。冻干时间7.27 h。

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