基于离子电流盐渍蘑菇的工艺条件优化

杨 哪，金亚美，赵娟娟，马 倩，吴凤凤，徐学明

（1.江南大学食品学院，江苏 无锡 214122；2.江南大学 食品科学与技术国家重点实验室，江苏 无锡 214122）

盐渍是一种古老的食品加工及保藏技术，产品种类包括肉制品、水产品、禽蛋类和果蔬类[1-4]。植物原料作为多孔性介质而具有一定的孔隙率，为了加快盐渍而缩短加工时间，目前多采用真空浸渍技术，即利用负压使细胞膨大，细胞间距增大而利于浸渍液快速渗入[5-7]。也有报道采用脉动压力的方式进行盐渍，即利用往复加压来促进扩散[8-9]。新鲜蘑菇货架期短，如果不及时加工会导致原料浪费，蘑菇属于腌制行业中较常见的产品而深受大众喜爱，产品按加工形式分为糖渍、酱渍和盐渍[10-12]。为获得较长货架期和较好的经济效益，蘑菇采摘后通常进行盐渍处理。Pryor[13]报道了基于变压器原理的电解质溶液中感应电流的检测方法，将海水作为变压器次级线圈，通过初级线圈的激励电压使得螺线管状的海水受到交变磁通的影响而产生感应电流，且通过模拟发现其感应电流大小与海水电导即自由离子含量相关。本研究根据2012年授权专利技术使盐渍液中的氯化钠形成离子电流并对蘑菇进行盐渍处理[14]。利用交变磁通可在不使用通电极板的情况下，生产感应电动势并驱动离子运动。避免因极板和浸渍液直接接触而造成表面的氧化还原反应而污染浸渍液。研究了多孔状食材即蘑菇在不同盐分质量分数和时间条件下的离子电流盐渍效果并进行工艺优化，同时考察了蘑菇组织在经过离子电流盐渍前后的微观结构，以期为实现离子电流快速浸渍处理多孔状食品提供参考方法。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

选取新鲜无腐的蘑菇，购于无锡华润万家超市太湖店，为了便于考察感应离子电流对其组织的浸渍效果，将原料切成厚15 mm、长20 mm、宽20 mm的块状备用，食盐作为浸渍液的溶质。

TA.XTPlus物性分析仪 英国SMS公司；Quanta 200扫描电子显微镜 荷兰FEI公司。

采用自行研制的感应离子电流腌渍装置，仪器参数见授权专利ZL201210056569.0，结构如图1所示，基本原理是利用感应电动势让浸渍液中的阴阳离子形成离子电流，电解质溶液充满在螺旋塑料管路中且与硅钢铁芯形成多个绕组并和物料腔体连接形成导通状态，当管路绕组的磁通量变化时，溶液回路体系产生的感应电动势推动离子往复迁移，受到物料腔体的垂直磁场影响，离子运动轨迹偏移，进而加强氯化钠扩散渗透作用。

图1 感应离子电流腌渍装置示意图Fig.1 Layout of the induced ion current impregnation device

1.2 方法

1.2.1 样品处理方法

将样品置于玻璃腔体，将配制好的一定质量分数食盐溶液灌入直到浸没样品，抽真空使溶液充满整个塑料管路，打开阀门进气恢复到常压，开启电机转子转动，螺旋塑料管路的磁通量发生变化，体系中生产离子电流。蘑菇样品在经过不同时间（10、20、30、40、50 min）和不同盐分质量分数溶液（6%、9%、12%、15%、18%）处理后取出进行盐分质量分数和结实度测定。同时，另一组采用常规湿法盐渍处理，作为对照组，其盐渍液质量分数和处理时间同上。

1.2.2 盐分质量分数测定

氯化钠质量分数采用硝酸银滴定法测定[15]。

1.2.3 质构测定

采用物性分析仪，在压缩模式下测定力的大小（N）。安装的探头为Craft Knife Blade。设定测量参数：目标模式为strain，压缩程度为60%，压缩速率为10 mm/s。力的作用曲线与测定时间围成的面积定义为结实度（g）。每种样品做5 个平行，取平均值。

1.2.4 组织孔隙率

干燥法测定样品的水分含量χw，称量约5 g样品，置于105 ℃烘箱中直到恒质量，记录前后质量m1、m2，由式（1）计算样品水分含量：

表观密度ρa采用比重瓶法于25 ℃测定：称量并记录已干燥恒质量的空温控比重瓶质量m0，将约5 g样品置于比重瓶中，然后称量装有试样的比重瓶质量m’，样品质量m=m’-m0。注入浸渍液（25 ℃水密度ρ25℃=0.996 8 g/cm3）直到浸没试样，将比重瓶抽真空至0.01 MPa保持10 min，排除试样孔隙空气，放气后再将比重瓶放入恒温水浴25 ℃中，再注入浸渍液至比重瓶某刻度处并标记，待比重瓶恒温后，再调节浸渍液面至比重瓶此前标记的刻度。取出比重瓶擦干，立即称量m1。然后将比重瓶倒空，清洗后只装入浸渍液，进行抽真空排气处理，恒温后再调节液面至比重瓶此前标记的刻度处，称其质量m2，故由式（2）可得表观密度ρa，此时ρχ=ρ25℃。

因难以达到绝对真空，故真实环境下除去蔬菜样品孔隙中的所有气体较困难，所以真实密度ρr计算值由式（3）可得[16]，而根据式（4）可得到样品蔬菜孔隙率ε：

1.2.5 微观结构观察

样品切成4 mm×1.5 mm×5 mm的矩形块状，直接置于液氮中冷冻（-210 ℃）5 min，取出后将其脆断，在冻干机的-45 ℃冷阱、真空度12 Pa环境下脱水30 min。干燥的样品表面喷金，于Quanta 200扫描电子显微镜下观察样品微观结构。

2 结果与分析

2.1 不同盐渍液质量分数和处理时间对盐渍效果影响

图2 盐渍液质量分数对蘑菇盐分含量和结实度的影响Fig.2 Effect of solution concentration on salt content and firmness in mushroom pickling

图3 浸渍时间对蘑菇盐分含量和结实度的影响Fig.3 Effect of impregnation time on salt content and firmness in mushroom pickling

蘑菇采用不同盐分质量分数6%、9%、12%、15%、18%的盐渍液处理30 min，并于同样条件下进行常规湿法腌渍处理，作为对照组。从图2可以看出，随着浸渍盐分质量分数的提高，蘑菇的渗盐量也提高，在6%的盐渍液处理后渗盐量为3.11%，15%质量分数处理后渗盐量最大为4.71%，而常规湿法腌渍的蘑菇这一指标分别为渗盐量为0.63%和0.82%，盐渍液质量分数从9%提高到15%后蘑菇经离子电流浸渍后其盐分质量分数提高了50%。这是因为盐渍液质量分数提高，在感应电动势驱动下的大量Na+和Cl-离子向多孔状组织迁移渗透。而常规湿法腌渍食品其离子扩散动力则来源于由浓度差引起的渗透压，所以离子扩散缓慢。植物结实度代表组织质地的致密程度，也反映细胞间结合力的变化，属于果蔬的物理品质参数。同样随着盐渍液质量分数提高，蘑菇的结实度也呈现微上升趋势，在经过6%和15%的盐渍液处理后结实度分别为444.69 g和498.77 g。因为随着盐分的短时大量渗透，造成蘑菇组织的致密度提高。但常规湿法腌渍的蘑菇结实度变化不大。蘑菇采用盐分质量分数12%的盐渍液，在感应离子电下分别处理10、20、30、40、50 min后，从图3得知，随着时间的延长，蘑菇的渗盐量和结实度也呈现增加。在处理10 min和50 min后其渗盐量分别为1.82%、5.34%，而结实度则为378.32 g、483.73 g。常规湿法腌渍的蘑菇这2 项指标分别为0.54%和0.72%，以及220.45 g和235.6 g，表明在短时间内常规湿法腌渍效果不明显。将感应离子电流浸渍多孔状食材的盐渍液质量分数和浸渍时间两项参数作为主要影响因素，建立蘑菇渗盐量预测模型。

2.2 渗盐量预测模型

通过离子电流盐渍处理后，为了能够使用数学模型对蘑菇渗盐量进行预测，方便工艺条件选择。根据Central-Composite的星点试验设计原理，综合单因素试验结果，选取盐渍液质量分数、浸渍时间为蘑菇渗盐量影响显著的2 个因素，采用二因素四水平响应面分析方法，试验以随机次序进行，重复3 次，因素与水平设计见表1，响应面分析方案及试验结果见表2。

表1 响应面法的因素水平编码Table 1 Factors and coded levels for response surface analysis

表2 响应面试验设计与结果Table 2 Scheme and experimental results for response surface analysis

对表2在不同条件下所测得的渗盐量利用Design Expert 8.05软件进行回归拟合，得到渗盐量响应值Y回归方程，如式（5）所示：

根据得到的回归方程模型方程分析，由表3可知，2 个因素中的P值相差较小，对渗盐量的影响顺序：浸渍时间＞盐渍液质量分数。从方差分析看模型小于0.01，表明该模型方程高度显著。从模型的失拟项P=0.440 9＞0.05，表明模型失拟不显著。相关系数R2=8.49/8.78=0.966 9＞0.8，说明实际值与预测值有较好的拟合度，该模型可以很好地用来分析离子电流浸渍处理后的蘑菇渗盐量。

表3 回归方程方差分析Table 3 Analysis of variance for the regression equation for pickling efficiency

2.3 工艺条件确定与模型检验

图4 蘑菇渗盐量回归方程的响应面Fig.4 Response surface plot for the salt content of mushrooms

由蘑菇渗盐量回归方程得到其响应面如图4所示，可以看出当盐渍液质量分数取值在9%～15%、处理时间在30～50 min范围时，蘑菇样品渗盐量范围在3.06%～5.56%。为了避免盐渍液质量分数过高或处理时间过长而造成的渗盐量过大，而使得蘑菇表面出现乌黑斑点的不良品质，故选取渗盐量为4%为目标值。根据响应面解析盐渍液质量分数9.32%以及处理时间34.99 min为最佳条件。为了验证解析结果，采用盐渍液质量分数9.0%和处理时间35 min条件对蘑菇进行感应离子电验证处理，重复5 次，试验结果如表4所示。预测模型值与试验实测值较为接近，说明回归模型较实用。

表4 目标试验结果验证Table 4 Veri fication results of target experimental design

2.4 离子电流盐渍前后蘑菇微观结构观察

表5 蘑菇的物理特性参数Table 5 Physicochemical properties of mushrooms

从表5可以看出，由于蘑菇属于真菌类植物，孔隙率较大，而大多数果蔬的孔隙率为1%～10%[17]，且孔隙率较大则有利于浸渍液中的溶质渗入到组织内部中。蘑菇样品经过质量分数为9%盐渍液于感应离子电流处理30 min，观察微观组织结构，如图5所示。可看出处理前的蘑菇样品其组织是典型的纤维管状菌丝构造，菌丝体呈现网络交织的结构，组织具有一定的孔隙。在经过离子电流浸渍后可以看出在蘑菇组织孔隙中分布盐分颗粒，说明盐渍液体系中的Na+和Cl-在感应电动势驱动下形成离子电流，促进了向多孔状组织的渗透，进而加快盐渍效果。

图5 蘑菇的微观组织观察Fig.5 Cryo-SEM micrograph images of mushroom tissues

3 结 论

目前，离子电流可通过带电极板的电势差驱动实现[18-21]，若针对多孔状食品材料进行浸渍处理，会因极板的氧化还原反应而造成浸渍液的污染，从而无法对农产品进行处理。除了采用永磁体生产的交变磁通外，也可以电磁的方式生产交变磁通并针对含有其他金属离子的强电解质溶液生产感应电流，并对多孔状食材进行浸渍处理以达到微量元素营养强化目的。本实验利用永磁体生产感应离子电流并对多孔状食材即蘑菇进行盐渍处理，发现Na+和Cl-可以快速地渗入蘑菇的菌丝体组织而达到盐渍效果，相对于常规湿法腌渍其处理时间大为缩短。蘑菇渗盐量随盐渍液质量分数及处理时间的提高而增加，对渗盐量的影响顺序是：浸渍时间＞盐渍液质量分数。通过响应面分析，得到渗盐量预测模型：

为达到实际4%渗盐量效果，根据预测模型，得到经过盐渍液质量分数9.0%和35 min处理后的蘑菇平均含盐量为3.8%。

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