刘增强,邓林爽,丁文平,王月慧,庄 坤,王国珍
(武汉轻工大学食品科学与工程学院,湖北武汉 430023)
香菇[Lentinusedodes(Berk)Sing]又名香覃、香信、花菇、厚菇、冬菇[1],属于真菌门,担子菌纲,伞菌目,侧耳科,香菇属[2]。香菇是世界上种植面积最广,食用人数最多的食用菌[3],在我国有800多年的历史。香菇中含有丰富的蛋白质、维生素、香菇多糖和多酚类物质,是著名的食药兼用菌[4]。由于其丰富的营养及药用价值,逐渐得到人们的重视,应消费者需求,香菇脆片这种酥脆可口,营养健康的即食类香菇休闲食品应运而生。
目前工业上正在使用的香菇脆片的加工方法有真空油炸、冷冻干燥、微波干燥[5-7]等,但这几种加工方式都有其不足之处。真空油炸干燥因于其含油量远远超过10%,对其口感及保质期造成很大的影响;而真空冷冻干燥设备投资大,连续化程度低,极大的影响了香菇脆片的规模化生产;微波干燥工艺产品也有其不足之处,具体表现为干燥不均匀,干燥终点无法准确判断,微波泄漏等。
变温压差膨化技术又称为爆炸膨化,是一种果蔬脆片加工方法,其产品以营养保持良好,口感酥脆,香气浓郁而得到长足发展。目前国外对变温压差膨化方面的研究较少,主要集中于薯片和苹果片的加工及其机理研究[8-11]。国内毕金峰[12]、石启龙[13]等从变温压差膨化的干燥机理,干燥方式[14],干燥产品等方面均进行了较为深入的研究,但主要集中于变温压差膨化水果脆片方面,对于蔬菜及食用菌的干燥仍处于初级阶段,特别是对于变温压差膨化香菇脆片的研究还处在探索阶段。
针对上述不足,同时结合变温压差膨化技术非油炸、设备较为成熟且投资较小等优势,进行变温压差膨化干燥香菇脆片的研究。本实验选用新鲜香菇为原料,通过变温压差膨化干燥技术,以停滞时间、膨化压力差、膨化温度、抽空时间、抽空温度、切片厚度为自变量,香菇脆片的脆度、硬度、感官评分及香菇多糖含量为应变量,进行单因素研究,同时筛选出其中对产品影响较大的三个重要因素,并利用二次回归正交旋转组合试验得到最佳工艺参数,为菌菇类产品的变温压差干燥提供坚实的理论基础。
香菇 品种808,购于湖北安陆市香菇种植基地;焦亚硫酸钠、柠檬酸、抗坏血酸、氯化钠 食品级,武汉申试试剂有限公司;无水乙醇、苯酚、浓硫酸 分析纯,国药集团化学试剂有限公司。
DS32-111变温压差膨化干燥设备 天津勤德新材料科技有限公司;LGJ-18真空冷冻干燥机 北京松源华兴科技发展有限公司;TDZ5-WS医用离心机 长沙平凡仪器仪表有限公司;101-2-S电热恒温鼓风干燥箱 上海跃进医疗器械厂;T6紫外分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;物性测定仪 英国Stable Micro Systems公司。
1.2.1 变温压差膨化干燥香菇脆片的工艺流程及操作要点 挑选→清洗→沥干→切分→护色→沥干→摆盘→速冻→预干燥[15]→软化→变温压差膨化[16-17]→调味→包装。
操作要点:选择外部饱满、果肉醇厚、大小一致、无病虫害侵蚀、无霉变的新鲜香菇,用清水对香菇反复清洗,直至清洗时候的水澄清为止。将香菇纵向切分为一定厚度的香菇切片,于复合护色液(焦亚硫酸钠0.03%、柠檬酸0.3%、抗坏血酸0.25%、氯化钠0.2%按1∶1∶1∶1复配)浸泡60 min。将清洗及护色之后的香菇放到沥水筛上进行沥水处理,直至无水滴落下,单层摆盘,于-40 ℃速冻2 h。随后将预冻之后的香菇切片进行真空冷冻干燥,装载量300 g,真空度小于等于10 Pa,直至水分含量达到30%。将预干燥之后的产品置于一定的温度湿度环境下软化3 h。软化后均匀平铺于变温压差膨化机组膨化罐的钢丝筛上,密封,打开蒸汽发生器及空气压缩机,待罐内温度(膨化温度)、压力达到膨化所需的设定参数且保持一段时间(停滞时间),打开泄压阀,同时关闭蒸汽发生器,打开冷凝水,以达到设定温度(抽空温度),持续一定时间(每20 min进行一次排湿处理),当达到干燥终点时关闭真空泵,关闭泄压阀,同时打开冷凝水,使温度降至20~30 ℃,保持3 min,开罐取出香菇产品。将香菇产品进行充氮包装,置于常温下进行保存。
1.2.2 变温压差膨化干燥香菇脆片的工艺设计
1.2.2.1 单因素设计 准确称取预干燥之后的香菇切片50 g,进行变温压差膨化干燥,以切片厚度、停滞时间、膨化压力差、膨化温度、抽空温度、抽空时间为自变量,脆度、硬度、感官评分为因变量,按以下方法安排单因素实验,确定较优的工艺参数。
停滞时间对香菇脆片的影响。新鲜香菇经预处理后,在切片厚度6 mm,膨化温度80 ℃,膨化压力差0.1 MPa,抽空温度80 ℃,抽空时间60 min条件下进行变温压差膨化,研究停滞时间分别为3、6、9、12、15 min时,香菇脆片脆度、硬度、香菇多糖含量及其感官评分,考察不同停滞时间对香菇脆片的影响。
膨化压力差对香菇脆片的影响。在研究膨化压力差对香菇脆片的影响中,设置停滞时间为12 min,切片厚度为6 mm,膨化温度为80 ℃,抽空温度为80 ℃,抽空时间为60 min,研究膨化压力差为0.1、0.2、0.3 MPa时,香菇脆片脆度、硬度、香菇多糖含量及其感官评分,考察不同膨化压力差对香菇脆片的影响。
膨化温度对香菇脆片的影响。变温压差膨化条件为切片厚度6 mm,停滞时间12 min,膨化压力差0.1 MPa,抽空温度80 ℃,抽空时间60 min,研究膨化温度为70、80、90、100、110 ℃时对香菇脆片脆度、硬度、香菇多糖含量以及感官评分的影响。
抽空温度对香菇脆片的影响。在切片厚度6 mm,膨化温度80 ℃,停滞时间为12 min,膨化压力差0.1 MPa,抽空时间60 min条件下进行变温压差膨化,研究抽空温度别为70、75、80、85、90 ℃时,香菇脆片脆度、硬度、香菇多糖含量及其感官评分,考察不同抽空温度对香菇脆片的影响。
抽空时间对香菇脆片的影响。在研究抽空时间对香菇脆片的影响中,设置停滞时间为12 min,切片厚度为6 mm,膨化温度为80 ℃,膨化压力差0.1 MPa,抽空温度为80 ℃,研究抽空时间为20、40、60、80、100 min时,香菇脆片脆度、硬度、香菇多糖含量及其感官评分,考察不同抽空时间对香菇脆片的影响。
切片厚度对香菇脆片的影响。变温压差膨化条件为停滞时间12 min,膨化温度为80 ℃,膨化压力差0.2 MPa,抽空温度80 ℃,抽空时间60 min,研究切片厚度为4、6、8、10、12 mm时对香菇脆片脆度、硬度、香菇多糖含量以及感官评分的影响。
1.2.2.2 响应面试验设计 根据单因素实验结果,选取变温压差膨化中的三个因素:切片厚度、停滞时间、抽空时间作为三因子自变量,以香菇的脆度、脆度及感官评价为应变量,进行二次回归正交旋转组合试验设计,对变温压差膨化干燥香菇脆片的工艺参数进一步优化。
1.2.3 质构测定 取厚薄大小均匀一致的香菇脆片,采用物性分析仪测定其脆度和硬度变化。每个产品重复10次试验,去掉其中的最大值和最小值,取平均值。具体操作步骤为:使用探头标准为P45探头(扁圆形);探头模式为阻力测试;测前速度2.0 mm/s;测试速度0.5 mm/s;返回速度10 mm/s;压缩比30%;触发力为5 g;获得数据速率为500 pps[18-19]。在测试过程中,香菇脆片的硬度及脆度均以“g”来表征,所得质构图中第一个较明显的峰值表示产品脆度;最大值表示产品的硬度,数值越大,说明香菇脆片的硬度越大。
表1 响应面试验因素与水平Table 1 The coded level and corresponding actual values of factor used in response surface analysis
1.2.4 香菇多糖含量测定 采用苯酚-硫酸法[20]进行香菇脆片中多糖含量(干基)的测定。按式(1)计算多糖含量
式(1)
式中:m1为从标准曲线查得样品测试液中含糖量,mg;V1为样品定容体积,mL;m2为样品质量,g;V2为比色测定时所移取样品测定液的体积,mL:N为样品稀释倍数;0.9为葡萄糖换算成葡萄糖的校正系数。
1.2.5 感官评定 以10位受过专业训练的感官评定人员组成评定小组。以香菇脆片的外形、色泽、香味、口感为感官指标,对香菇脆片进行感官评价。感官评定的评分标准以及各项的权值如表2所示:
表2 变温压差膨化干燥香菇脆片感官评定标准Table 2 Sensory evaluation of explosion puffing Lentinus edode chips
运用Excel及Design-Expert 8.0.6软件进行统计分析。
2.1.1 停滞时间对香菇脆片品质的影响 表3为不同停滞时间下,香菇脆片的硬度、脆度、香菇多糖含量以及感官评分,随着停滞时间的增加,香菇脆片的脆度与硬度均呈现先增加后降低的趋势。当停滞时间为9 min时,脆片的硬度与脆度达到最大,当停滞时间为12 min时,硬度与脆度略有下降,但仍高于其他停滞时间,结合不同停滞时间下香菇多糖含量以及感官评分表明,当停滞时间为12 min时,香菇脆片的香菇多糖含量达到最大,其色泽、外形、口感、香气均呈现较优状态,故选取停滞时间为12 min。停滞时间为从膨化罐达到膨化所需的温度与压力开始到物料进行膨化所需的时间,由此可见,停滞时间的作用主要是使香菇内外温度达到平衡,在此情况下,使香菇内部的水分扩散到香菇表面进行蒸发,同时使其内部水分均匀分布,进一步促进香菇膨化,而停滞时间过短则导致香菇内外温度不平衡,不利于香菇水分的散失和膨化,停滞时间过长则会导致产品表面出现焦糊,影响其感官效果[21]。
表3 停滞时间对香菇品质的影响Table 3 Effect of residence time on quality of Lentinus edodes chips
表4 膨化压力差对香菇脆片品质的影响Table 4 Effect of puffing pressure difference on quality of Lentinus edodes chips
2.1.2 膨化压力差对香菇脆片品质的影响 膨化压力差是指膨化前膨化罐中的压力与真空罐中的压力差值,是变温压差膨化的重要参数,其主要作用是通过气压的瞬间变化,使香菇中具有一定能量的水分发生相变,从原来的液相瞬间变为气相,俗称“闪蒸”,由于香菇内部水分的瞬间相变,使香菇内部形成均匀的多孔状结构[22-23]。表5显示,当压力差为0.1、0.2、0.3 MPa时,香菇的硬度基本无变化,而香菇的脆度在0.2 MPa呈现最大,但由于设备安全限制,变温压差膨化压力无法选取更多数据点进行分析,但从节能角度以及香菇多糖含量、感官评分中可以看出,膨化压力差为0.2 MPa具有明显优势,尤其是其口感,香气具有较大的变化,故选取变温压差膨化香菇脆片的膨化压力差为0.2 MPa。
表5 不同膨化温度对香菇脆片品质的影响Table 5 Effect of puffing temperature on quality of Lentinus edodes chips
2.1.3 膨化温度对香菇脆片品质的影响 由表5可知,在其他条件相同的情况下,随着膨化温度的增加,香菇脆片的硬度变化不大,而脆度逐渐降低。不同膨化温度对香菇脆片的香菇多糖含量和感官评分研究表明,随着膨化温度的升高,香菇多糖含量及感官评分都呈现先增加后降低的趋势,在90 ℃时,都达到最大值。当膨化温度高于100 ℃时,由于香菇表面的水分挥发速度低于香菇内部水分扩散到香菇表面的速度,香菇表面褐变严重,导致香菇脆片出现焦糊现象,其色泽明显变黑,口感变差[24-26]。故选择膨化温度应低于100 ℃,而温度过低时,香菇内部水分扩散及膨化度都受到限制,严重影响香菇脆片内部的均匀多孔结构,综上所述,变温压差膨化香菇脆片过程中最佳膨化温度为90 ℃。
2.1.4 抽空温度对香菇脆片品质的影响 抽空温度是指香菇膨化之后,需要在一定的温度、压力之下保持一段时间,此状态下的温度即为抽空温度。抽空状态下,由于持续时间较长,故其对于香菇脆片的影响非常明显。由表6可知,随着抽空温度的升高,香菇脆片的硬度呈现先降低后升高的趋势,而产品脆度在80 ℃时发生突变,脆度呈现急剧上升的状态,原因可能是在长时间的抽空干燥过程中,香菇表面形成一层坚硬的外壳。另外,表6显示,当抽空温度为80 ℃时,香菇脆片的多糖含量仅略低于85 ℃时的多糖含量,而在感官评价过程中发现,抽空时间为80 ℃时,香菇脆片的香气最为浓郁,感官评分则是最高,故选择抽空温度为80 ℃。
表6 抽空温度对香菇脆片品质的影响Table 6 Effect of vacuum temperature on quality of Lentinus edodes chips
2.1.5 抽空时间对香菇脆片品质的影响 抽空时间是在香菇变温压差膨化干燥之后,在真空状态下维持的时间,此过程主要的作用在真空状态下,将香菇内部的水分进行均匀的转移、蒸发,对香菇的均匀的多孔状结构进行固化[27-28],使其保持酥脆的口感。表7显示,当保持其他因素不变的基础上,随着抽空时间的增加,香菇脆片的脆度与硬度先增加后有略微降低,但下降幅度可忽略不计。当抽空时间为60 min时,香菇脆片的硬度与脆度达到最大值,之后随着抽空时间的增加,脆度与硬度变化不大,结合表7中香菇多糖的含量以及感官评分,在60 min时,两者都达到其最大值,分别为93.2分、1.8704 mg/g,抽空时间大于60 min时,香菇的感官评分与香菇多糖的含量变化基本不大,另外,从节能的角度分析,确定抽空时间60 min为变温压差膨化香菇脆片的最佳抽空时间。
表7 抽空时间对香菇脆片品质的影响Table 7 Effect of vacuum time on quality of Lentinus edodes chips
2.1.6 切片厚度对香菇脆片品质的影响 如表8所示,切片厚度对香菇脆片的影响较大。切片厚度低于8 mm时,香菇的脆度和感官评分随着切片厚度的增加而增加,但脆度的增加比较缓慢,硬度在6 mm时有一个较大幅度的增加,究其原因可能是在8 mm以下,抽空时间满足香菇水分的转移、蒸发,而6 mm时,香菇表面的硬壳表现较为明显,是其硬度有略微增加,从感官评分较低也可发现,其口感略硬,远逊于切片厚度为8 mm的香菇脆片。切片厚度高于8 mm时,香菇脆片随着厚度的增加脆度硬度均有明显的增加,但其感官评分与多糖含量呈现显著下降的趋势[29],故选择切片厚度为8 mm。
表8 切片厚度对香菇脆片品质的影响Table 8 Effect of slice thickness on quality of Lentinus edodes chips
根据单因素实验结果,抽空时间、停滞时间、切片厚度对香菇脆片的脆度、硬度、感官评分影响较大,同时抽空时间保持时间较长,其在气流膨化整个过程中占有很大的比例;切片厚度对于香菇内部水分的转移具有很大的影响。以香菇脆度(Y1)、硬度(Y2)、感官评分(Y3)为响应值,采用响应面分析法对工艺参数进行优化。试验结果如表9所示。
表9 响应面试验设计与结果Table 9 Experlmental design and results for response surface analysis
运用Design-Expert 8.0.6软件,根据Central Composite试验设计,获得香菇脆片的脆度(Y1)、硬度(Y2)、感官评价(Y3)与各因素之间的响应面回归方程如下:
对香菇脆片的脆度进行回归分析,结果如表10所示。结果表明:香菇脆片脆度的响应面回归方程模型极显著(p<0.01),其失拟度p值为0.099,影响不显著(p>0.05),R2为0.9186,由此可以说明模型拟合度较好,能较为准确的预测香菇脆片的脆度。由表10可知,香菇脆片的脆度与抽空时间、停滞时间、切片厚度及抽空时间和切片厚度的交互作用之间具有显著(p<0.05)的关系。从各因素的显著性分析我们发现,抽空时间对香菇的脆度影响高度显著(p<0.001),停滞时间与切片厚度对其影响显著(p<0.05)。另外,抽空时间与切片厚度的交互作用对脆度影响极显著(p<0.01),而停滞时间与抽空时间、切片厚度的交互作用影响不显著(p>0.05),由此可见,在变温压差膨化香菇脆片的加工过程中,切片厚度、停滞时间、抽空时间及抽空时间与切片厚度之间的交互作用是香菇脆片脆度的主要影响因素,他们对香菇脆片的脆度预测具有极为重要的影响。表中F值显示,加工过程中对脆度的贡献率顺序为抽空时间>切片厚度>停滞时间。图1表明,抽空时间的和切片厚度所对应的响应曲面坡度陡峭,进一步说明抽空时间和切片厚度的交互作用较显著。在气流膨化香菇脆片中,当抽空时间较小(小于60 min)时,香菇脆片的脆度随切片厚度的增加而减少,原因可能是切片厚度较小时,香菇内部的水分从香菇内部扩散到表面挥发所需要的距离较短,所需时间也会适当缩短,伴随着时间的增加,厚度较小的脆片水分挥发过高,使其脆度下降,表现为脆片易碎;当抽空时间增加到一定程度后,可以满足较厚的香菇水分扩散、挥发时间,其主要作用即为使香菇表面形成一层较硬的外壳,使其脆度上升。由等高线的变化可看出在抽空时间56~72 min,切片厚度7~8 mm范围内会有最佳组合,使香菇脆片的脆度达到最大值。
表10 变温压差膨化香菇脆片脆度回归与方差分析结果Table10 Analysis of variance for the fitted regression model for the brittleness of explosion Puffed Lentinus edodes chips
图1 切片厚度与抽空时间的交互作用对香菇脆片脆度的影响Fig.1 Effect of the interaction between slice thickness and vacuum time on the the brittleness of Lentinus edodes chips
从表11可知,香菇脆片硬度的三元二次回归方程模型的p值为0.0020<0.01,极显著,其失拟度p值为0.0825,影响不显著(p>0.05),R2为0.9371,由此可以说明模型拟合度较好,充分说明二次回归方程能够较好的解释变温压差膨化香菇脆片中硬度的变化规律,因此,可用模型来分析、预测变温压差膨化过程中香菇脆片的脆度变化。表11显示,抽空时间、停滞时间对香菇脆片的硬度影响显著(p<0.05),而切片厚度对香菇脆片的硬度影响不显著(p>0.05),抽空时间与切片厚度的交互作用对香菇脆片的硬度影响高度显著(p<0.001),由此发现,抽空时间是香菇脆片硬度的主要影响因素,结合图2所示,当切片厚度较小时,随着抽空时间的增加,香菇脆片的硬度基本不变,说明我们设置的抽空时间可以满足薄香菇的抽空要求,满足条件之后,抽空时间对香菇脆片的硬度无影响,故当切片厚度较小时,从节能角度分析,应选择抽空时间较短的组合;当切片厚度较大时,随着抽空时间的增加,香菇脆片的硬度逐渐增加,此过程与脆度的变化一致,原因也应是香菇内部的水分扩散与挥发需要一定的时间,故厚度较大的香菇应选择抽空时间较长的组合。从F值大小,我们可以得到影响变温压差膨化香菇脆片硬度的影响因素的重要程度为:抽空时间>切片厚度>停滞时间。由等高线图变化可看出在抽空时间56~72 min,停滞时间12~13 min范围内会有最佳组合,使香菇脆片的硬度达到最大值。
表11 变温压差膨化香菇脆片硬度回归与方差分析结果Table 11 Analysis of variance for the fitted regression model for the hardness of explosion Puffed Lentinus edodes chips
图2 切片厚度与抽空时间的交互作用对香菇脆片硬度的影响Fig.2 Effect of the interaction between slice thickness and vacuum time on the the hardness of Lentinus edodes chips
从表12可知,香菇脆片感官评分的响应面回归方程模型极显著(p<0.01),其失拟度p值为0.067,影响不显著(p>0.05),R2为0.9060,由此可以说明模型拟合度较好,模型在对香菇脆片感官评分的分析、预估中具有较高的可信度。从各因素的显著性分析我们发现,抽空时间对香菇的感官评分影响高度显著(p<0.001),切片厚度对香菇影响显著(p<0.05),而停滞时间对其影响不显著(p>0.05);同时从它们的交互作用分析中,可以看出抽空时间与切片厚度对其影响极显著(p<0.01),因此,可以使用抽空时间、切片厚度及其交互作用对香菇脆片的感官评分进行准确的分析判断。同时结合香菇脆片的脆度、硬度的三元二次回归分析,抽空时间、切片厚度及其交互作用是香菇脆片加工中的极其重要的关键因素,对香菇脆片的各响应值都具有显著影响,对整个香菇脆片的分析、预估具有较为重要的科学指导。从图3中分析可知,抽空时间的变化曲线比切片厚度的变化曲面陡峭,说明气流膨化过程中,抽空时间比切片厚度对香菇脆片的感官评分影响更为显著。当切片厚度小于7 mm时,随着抽空时间的增加,香菇脆片的感官评分逐渐下降,当切片厚度大于8 mm时,随着抽空时间的增加,感官评分逐渐增加,究其原因,与在其过程中脆度、硬度的变化息息相关,加工过程中由于这两项指标的变化,对于口感,质地都有一定的影响,使其感官评分偏低。另外从F值分析中也可看出抽空时间对模型的贡献度最大,切片厚度次之,停滞时间最小。
表12 变温压差膨化香菇脆片感官评分回归与方差分析Table 12 Analysis of variance for the fitted regression model for the sensory score of explosion Puffed Lentinus edodes chips
图3 切片厚度与抽空时间的交互作用对香菇脆片感官评分的影响Fig.3 Effect of the interaction between slice thickness and vacuum time on the the sensory score of Lentinus edodes chips
变温压差膨化香菇脆片工艺研究的响应面分析表明,适宜的切片厚度、抽空时间、停滞时间对香菇脆片的脆度、硬度、感官评分具有很大的影响。最优结果需要感官评分趋于最大值,脆片与硬度趋于中间值,并从三种响应值的重要程度分析,赋予脆度、硬度、感官评分的权重分别为4∶3∶3,结合Design-Expert 8.0.6分析得出最佳工艺参数为抽空时间为68.20 min,停滞时间为12.16 min,切片厚度为7.09 mm,在此条件下得到变温压差膨化干燥香菇脆片的预测值为脆度905.07 g,硬度1851.63 g,感官评分98.20分。
为进一步验证模型预估的可靠性,结合实际情况,将工艺参数修订为抽空时间68 min、停滞时间12 min、切片厚度7 mm,在此情况下,对香菇脆片的进行验证,进行3次平行实验,所得变温压差膨化香菇脆片的最终结果为脆度814.73±19.80 g,硬度1962.76±33.55 g,感官评分97.10±2.40分。实际值与模型预估值极为接近,说明回归方程能较为准确的反应香菇脆片的变温压差膨化工艺,具有很强的参考价值。
本实验主要研究变温压差膨化干燥香菇脆片中的停滞时间、膨化压力差、膨化温度、抽空时间、抽空温度、切片厚度对香菇脆度、硬度、感官评价、香菇多糖的影响,通过单因素及响应面分析,并对其可靠性进行验证,确定了变温压差膨化干燥香菇脆片的最佳工艺参数为停滞时间12 min、膨化压力差0.2 MPa、膨化温度90 ℃、抽空时间68 min、抽空温度80 ℃、切片厚度7 mm。在此最佳工艺条件下进行验证得到变温压差膨化干燥香菇脆片的脆度814.73±19.80 g,硬度1962.76±33.55 g,感官评分97.10±2.40,与预测值极为接近。使用变温压差膨化所制作的香菇脆片,对香菇的营养、色泽、酥脆性都有一定的提高,不仅为香菇脆片的加工提供了新型的生产工艺,同时为香菇脆片的产业化发展提供具有指导意义的理论和技术支持。