真空油炸香菇脆片等温吸湿规律的研究

王肖莉++薛淑静++杨德++关健++高虹

摘要：研究了真空油炸香菇（Lentinus edodes）脆片在10、25、40 ℃ 3种温度下，水分活度为0.06～0.982条件下的吸湿等温线。根据5种常用的等温吸附模型对香菇脆片的水分活度（aw）、平衡相对湿度（ERH）的试验数据进行拟合，以模型的确定系数、标准误差以及平均相对预测误差作为评价指标进行模拟比较，得出模型Peleg为香菇脆片最适用的吸湿模型，并确定了模型系数。

关键词：香菇（Lentinus edodes）脆片；等温吸湿线；吸湿模型

中图分类号：S646.1+2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）22-5918-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.22.047

Study on Isothermal Moisture Absorption of Vacuum Fried Mushroom Chips

WANG Xiao-li1，XUE Shu-jing1，2，YANG De1，2，GUAN Jian1，2，GAO Hong1，2，FAN Xiu-zhi1，2，SHI De-fang1，2，LI Lu1，2

（1.Institute for Processing of Farm Products and Nuclear-Agricultural Technology，Hubei Academy of Agricultural Sciences，Wuhan 430064，China；2.Farm Products Processing Research Sub-center of Hubei Innovation Center of Agricultural Science and Technology，Wuhan 430064，China）

Abstract： The moisture sorption isotherm curve of vacuum fried mushroom chips under 10 ℃， 25 ℃， 40 ℃ and water activities from 0.06 to 0.982 were studied. According to 5 widely used isothermal adsorption models， the fit tests were performed on the experimental data of water activity and EMC of vacuum fried mushroom chips. The models were compared with the coefficient of determination， standard errors of model and the average relative predictive errors as evaluating indicators. The Peleg model can be most suitable for the moisture absorption of mushroom chips and the model coefficients were determined.

Key words： mushroom（Lentinus edodes） chips； isothermal absorption curve； moisture absorption model

香菇（Lentinus edodes）脆片是一種即食休闲膨化食品，是鲜香菇经真空低温油炸得到，其口感酥脆、外形饱满、营养健康、食用方便，较鲜香菇营养成分损失少且保留有香菇固有的香味，深受广大消费者的喜爱，且香菇脆片可增加香菇食品的种类，延伸香菇的产业链条，提高香菇附加值，创造更多的经济价值[1]。但香菇脆片具有多孔酥松性，易吸湿受潮，从而影响产品的品质，因此研究香菇脆片的吸湿性对其加工工艺流程和产品的包装以及贮藏工艺具有重要的意义。

水分是食品的重要组成成分，适宜的水分含量对于保持食品的感官性质，维持食品中其他组分的平衡关系，保证食品的稳定性，均具有重要的作用，此外，食品原料中水分含量的高低，对于它们的品质和保存，进行成本核算，提高生产企业的经济效益和计算生产中的物料平衡、生产工艺控制与监督等方面均具有重大意义[2]。据研究，食品的稳定性与水分关系的物理量有水分含量、溶液浓度、平衡相对湿度以及水分活度等，其中，食品物料中水分含量与水分活度关系的等温吸附理论是大家研究的重点[3]。根据等温吸附理论而做出的吸湿等温线是指在恒定的温度下，吸湿平衡含水率与相应水分活度之间的关系曲线，研究食品的吸湿等温线有重要意义[4]：①掌握食品在浓缩和干燥过程中除去水分的难易程度；②预测食品的物理及化学稳定性与含水率的关系；③可以确定抑制微生物生长的水分活度；④配置混合食品须避免水分在配料之间的转移；⑤可测定包装材料的阻湿性。目前，国内外学者对固体蜂蜜[4]、辣椒[5]、苋菜、谷物[6]、胡萝卜脆片[7]、方便面[8]等各类食品的等温吸湿规律都有所研究，但对香菇脆片的等温吸湿规律还鲜有研究报道，因此本试验采用研究食品吸湿规律中常用的5种模型对在不同温度条件下的香菇脆片吸湿情况进行模拟比较，为建立合理的香菇脆片加工、包装以及贮藏工艺条件提供重要的参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

新鲜香菇，武汉市武商量贩超市购买；麦芽糊精、麦芽糖、柠檬酸、食用盐均为食用级，武汉市金瑞成试剂公司购买；大豆油，武汉市长江沙鸥植物油有限公司出品；氢氧化钠、六水合氯化镁、碳酸钾、溴化钠、氯化钠、氯化钾、硝酸钾、硫酸钾，国药集团化学试剂有限公司，均为分析纯。

1.2 仪器

真空油炸机（ZK-1500C），广东旭众食品机械有限公司；电热恒温鼓风干燥箱（DHG-9123A），上海精宏实验设备有限公司；生化培养箱（SPX-250B-Z），上海博迅实业有限公司医疗设备厂；电子天平（FA1104N），上海精密科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品制备 鲜香菇在流动水中洗去表面杂质，去除菇柄，加入到含0.1%柠檬酸、1.5%食用盐的溶液中进行护色漂烫7 min，取出在流动水中冲洗，沥干水分，在温度为30 ℃、浓度为40%的麦芽糖与麦芽糊精的混合溶液浸泡4 h（香菇条与糖液投放比例为1∶7）取出，沥干糖液，放入超低温冰箱中冷冻18 h，将香菇置于真空油炸框内进行真空油炸，油炸时间70 min，油炸温度90 ℃，油炸运行频率2 Hz，油炸真空度为-0.1 MPa，脱油运行频率30 Hz，脱油时间7 min，样品取出、冷却，在干燥环境中保存，待测。

1.3.2 香菇脆片吸湿平衡含水率测定 香菇脆片是多孔酥松性物质，且含丰富的多糖类物质，具有吸湿性，所以能在空气中吸收水分，质量增加；同时，若将潮湿的样品放在干燥的环境中，样品水分散发，质量减轻。此吸湿和放湿现象，在不变的温度和湿度条件下，经过一定时间平衡，香菇脆片含水量趋于一个稳定值，即为其吸湿平衡含水率。

本试验采用静态称重测试法来确定香菇脆片的吸湿平衡含水率[9]。将香菇脆片用粉碎机粉碎，过80目筛，在预先恒重的称量瓶中分别放入约2 g备用样品，称重后打开称量瓶盖子，放入预先置有300 mL不同饱和盐溶液的干燥器中，使其水分达到平衡。把浸有少量福尔马林的棉球放到干燥器隔板上以抑制霉菌生长[3]。干燥器中的不同饱和盐溶液用以维持不同的平衡相对湿度（表1）[3-7]。

将干燥器密封，放入调定温度的电热恒温培养箱中，开始平衡试验，每隔2 h称一次重量，直到2 h内样品的重量变化小于2 mg，即认为其含水率达到平衡。将被测样品从干燥器中取出，用直接干燥法[10]测含水率，即为平衡含水率。物料的干基平衡含水率为：

Xe=■×100%

式中，Gt为物料在t时刻的重量；Gg为物料的干物质重量。

试验过程中，物料的水分活度（aw）与平衡时空气相对湿度（ERH）的关系可以表示为aw=ERH/100。

1.3.3 温度对香菇脆片平衡含水率的影响 为考察不同温度和水分活度对鲜香菇脆片等温吸湿特性的影响，试验分别测定10、25、40 ℃条件下样品在不同水分活度条件下的平衡含水率。

1.3.4 香菇脆片吸湿平衡含水率模型 为进一步研究香菇脆片的吸湿特性，选用目前食品吸附理论中5种普遍的模型进行模拟比较。其5种模型分别如下[7]。

1）GAB模型。GAB模型被认为是最广泛应用的模型。可以应用于水分活度0.1

Me=■ （1）

m0（T）=m0exp■ （2）

C（T）=C0exp■ （3）

K（T）=K0exp■ （4）

式中，m0为单分子层水分；C、K为模型能量常数；aw为水分活度；R为摩尔气体常数；T为温度。

2）Henderson模型。Henderson模型可以成功地描述水分活度为0.1～0.75的食品及农产品的吸湿特性。其方程如下：

Me=[-ln（1-aw）/A]■ （5）

式中，aw为水分活度；A、B为模型常数。

3）Smith模型。Smith模型可运用于描述一些淀粉和纤维素类生物材料的吸湿特性。其方程如下：

Me=a+bln（1-aw） （6）

式中，a、b为模型常数；aw为水分活度。

4）Halsey模型。Halsey模型适用于高含油量和高蛋白质含量的物料。其方程如下：

Me=[-A（lnaw）/A]■ （7）

式中，A、B为模型常数；aw为水分活度。

5）Peleg模型。Peleg模型可以成功的运用于S型与非S型物料的等温吸湿规律的研究。

Me=K1a■■+K2a■■ （8）

式中，K1、K2、n1、n2为模型常数；aw为水分活度。

1.3.5 统计分析 根据香菇脆片平衡含水率的实际测定值，利用DPS统计分析系统和Excel中的非线性回归对5种不同的数学模型进行研究。在非线性回归分析中，采用马柯特迭代搜索法来确定模型的参数。用下面定量指标来评价数学模型的计算值与实际测定值的拟合程度[7]。

確定系数：R2=1-Re sidual SS/Corrected SS （9）

模型的标准误差：

S=■■ （10）

平均相对预测误差：

E=■∑■ （11）

式中，Y为数据的测定值；y为预测值；N为数据的数目；P为参数个数。

2 结果与分析

2.1 香菇脆片的等温吸湿曲线

香菇脆片在不同温度和水分活度的条件下，测定其吸湿平衡含水率。由测定的数据得到香菇脆片的平衡含水率与水分活度关系的等温吸湿曲线（图1）。

2.2 温度对香菇脆片平衡含水率的影响

如图1所示，在一定水分活度下，随着温度的升高，香菇脆片的平衡含水率降低。由于平衡相对湿度（ERH）是样品在密闭容器中达到平衡状态时的水蒸气分压与在同一温度下纯水的饱和蒸汽压之比的百分数。温度越高，纯水的饱和蒸汽压越大，所以一密闭空间的样品相对湿度随温度增加而降低，即样品的平衡含水率降低[11]。

2.3 水分活度对鲜香菇脆片平衡含水率的影响

如图1所示，在同一温度条件下，随着水分活度的增加，香菇脆片的平衡含水率随之增加。由公式aw=ERH/100可知，平衡时空气相对湿度（ERH）与物料的水分活度（aw）呈正比关系，所以，样品平衡含水率随着水分活度的增加而增加。且平衡含水率的增大值明显大于随温度升高所产生的减小值。这充分说明，水分活度比温度对平衡含水率有更大的影响作用。

2.4 香菇脆片吸湿平衡含水率模型的模拟与比较

用上述5种等温吸湿模型对3个温度条件下真空油炸香菇脆片的吸湿试验数据进行拟合，统计分析结果如表2所示。由表2可以看出，在3种温度条件下，GAB模型和Peleg模型均具有较高的确定系数（R2）、较小的标准误差（S）和相对预测误差（E），其确定系数（R2）分别大于0.974 2和0.993 3；平均模型标准误差分别为3.03、3.07、2.82和0.854、1.03、1.32；平均相对预测误差分别为11.6、12.51、14.54和3.02、2.99、4.82，且Peleg模型比GAB模型拟和效果好；Lomauro等[12]认为在相对预测误差广泛模型的统计分析中，如果其值小于10%，那么该模型具有良好的适用性。当水分活度在0.32～0.95时，Smith模型拟和效果较好，但从整个水分活度范围来讲，其拟合效果相对较差，且其相对预测误差和模型标准误差相对较高。Henderson具有较高的平均相对预测误差，不符合3个温度条件下的吸湿效应。Halsey模型的平均模型标准误差与平均相对预测误差分别为11.28、7.78、1.11和17.54、13.81、13.91，也具有较好的模拟效果。对于真空油炸香菇脆片在3个温度条件下的等温吸湿性的模拟而言，尽管Peleg模型和Halsey模型均具有相对较好的模拟效果，但是它们只是经验或半经验的纯数学模型，不能对物料的吸湿特性进行深入的解释。GAB模型可以反映干燥产品具有最高稳定性时的水分含量，即单分子层水分含量（m0）以及吸附能常数，且其适合于较宽的水分活度范围内（0.1～0.9）平衡含水率的预测。因此，本研究按GAB模型对真空油炸鲜香菇脆片的吸湿特性作进一步分析。

根据物理化学中多分子吸附层理论，物料表面吸附单分子层后，由于气体（水蒸气）分子本身的相互吸引力，还可以发生多分子层的吸附[12]。第一层吸附的气体（水蒸气）分子与固体表面直接发生联系，它可以简单地看作为固体的一部分，这部分水可看成是在干物质可接近的强极性基团周围形成一个单分子层所需水的近似量。第二层以后水分占据固形物表面第一层的剩余位置和亲水基团周围的另外几层位置，形成多分子层结合水或称为半结合水，主要靠水-水和水-溶质的氢键键合作用与邻近的分子缔合，即第二层以后各层的吸附则是相同水分子之间的相互作用。由表2可知，GAB模型中单分子层水分含量（m0）随着温度的升高而下降。当温度升高时，水分子的活化能提高，更趋于不稳定，一部分水分从物料的结合位点处脱离，从而减少了单分子层水分含量。将m0、C、K随温度的变化值分别带入GAB模型中的公式（2）、（3）、（4），通过非线性回归，得出单分子层常数、吸附能常数及其确定系数，但带入方程后拟合结果较差或无法拟合，无法得出GAB模型的各参数，因此GAB模型并不适用。

3 结论

在香菇脆片的吸湿过程中，在同一水分活度下，平衡含水率随着温度的升高而下降；在同一温度下，平衡含水率随着水分活度的升高而增加；水分活度比温度对平衡含水率有更大的影响作用，等温吸湿线呈反S形状。

根据5种模型对不同温度条件下真空油炸鲜香菇脆片的吸湿试验进行了模拟比较，得出Peleg模型为真空油炸鲜香菇脆片最适用的吸湿模型。

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