面制品干燥过程中水分迁移机制及影响因素分析

巩艳菲 代美瑶 李 芳 张 波 应旦阳

(中国农业科学院农产品加工研究所；农业农村部农产品加工重点实验室1，北京 100193) (澳大利亚联邦科学与工业研究组织农业与食品研究所2，墨尔本 VIC3030)

水分在农产品的收获、安全储藏、安全运输、加工和食品制造中发挥着重要的作用。国家标准规定小麦储藏的安全含水量在12.5%以下，小麦粉储藏的安全含水量在14.5%以下。水分在面制品制造中具有重要作用，如小麦磨粉前经过润麦增加麦麸的韧性，从而提高出粉率[1]。小麦粉加水和成具有一定黏弹性的面团，进一步制作各种各样的面制品，面片或面条等面制品脱除一部分水可以延长其保质期等。在面制品制作或储存过程中会发生不同程度的水分迁移，在多组分食品中水分从湿基迁移到干基的过程中，产品的相态(玻璃态与橡胶态之间的转变)、微生物数量都可能会发生变化[2]。这些变化会影响制品质量，如面条干燥工艺参数不合适时会造成面条劈条、酥条，增加生产成本等[3, 4]。此外，水分迁移涉及水分状态的变化和能量的交换，所以水分迁移还影响面制品制造过程的能耗和成本[5]，如挂面干燥能耗约占生产成本的60%[6]。

面制品水分迁移方面的研究偏向经验模型或者根据实际生产经验对干燥过程中水分迁移现象的定性分析[7]，多关注加工工艺对干燥特性和产品品质的影响，缺乏对各影响因素的深度挖掘和综合表征，难以有效指导生产。梳理分析面制品中影响水分迁移的因素及其影响规律，旨在为实现合理设计节能保质的干燥工艺提供参考。

1 水分迁移机制概述

表征水分在体系中的自由程度有多个物理量，如含水量、水分活度、相对湿度、蒸气压(湿)[8]等。水分活度、相对湿度或蒸气压等分别表示液态和气态下水分的自由程度。为了便于比较不同相态或状态水分的自由程度，本研究采用水势统一表述水分的自由程度。水分受到的束缚越少，自由程度越高，水势越高；反之，则水势越低。

水分迁移的动力在于水势差，即水分梯度是水分迁移的主要驱动力。水分梯度作为迁移驱动力可以用菲克定律描述[9, 10]。郑先哲等[11]研究了增湿加热稻谷干燥工艺，认为在稻谷的干燥过程中，水分迁移的速率受水分梯度的影响，且水分梯度影响物料内部应力。类似的，湿原理认为不同的水蒸气分压差是载体，在物料内部及气流与物料之间发生转换和传递[8]。水分将向减少水势差的方向进行，水势差可能存在于样品内部或样品和环境之间，假定暂不考虑样品内部各部分水势的差异，并将样品的平均水势称为内部水势，可用样品的水分活度表征，环境的平均水势则可称为外部水势。样品和环境之间的平均水势差则可称为内外水势差。那么，内外水势差将决定水分在样品和环境间的迁移方向和迁移速率。内部水势高于外部水势时，水分由内部迁移到外部；反之，则由外部迁移到内部，且水势差越大迁移动力越大。因此，影响内、外部水势的因素都有可能影响水分的迁移方向和速率，即影响水分迁移的本质因素是内部水势和外部水势的影响因素。

Rockland[12]认为水分迁移的过程涉及水分状态、水分相态之间的相互转变，如水分从蛋白质/淀粉体系迁移至环境，部分水分需从结合水变为自由水，再变为水蒸气。迁移期间伴随着能量的交换。这些能量的大小就形成了水分迁移的阻力。

王文静等[13]研究三明治储藏过程中的水分迁移特性，分别将面包片和夹层馅的水分活度定义为内、外部水势。通过调整面包片与夹层馅的水分活度，制备出A、B、C、D的水分活度差分别为0.087、0.047、0.025、0.020的三明治。结果显示，储藏15 d后，A三明治面包片的水分活度升高了0.079；D三明治面包片的水分活度升高了0.013。两者每天的水分活度的平均变化速率分别为0.005 3和0.000 87。可见，水分活度差或内外水势差越大，水分迁移的速率越快。

Watanabe等[14]研究了淀粉食品在煮制过程中的水分迁移，提出了一种新的模型。天花板含水量(mclg)是指在煮制过程中物料能达到的饱和含水量；表观含水量(m)是指某一状态时物料的含水量；水分需求(WD)是指天花板含水量和表观含水量的差值。该模型认为水分需求是水分迁移的动力。当物料水分达到饱和含水量时，其内部水势与外部水势基本平衡，水分在物料和环境之间迁移也处于平衡状态。当物料水分未达到饱和含水量，表观含水量与饱和含水量(外部水势)之间存在差值，驱动水分迁移。由此，模型中所提的水分需求等同于内外水势差，故水分需求决定了水分迁移的动力。

2 影响面制品内部水势的因素

2.1 成分对内部水势的影响

2.1.1 含水量

样品的含水量对内部水势有影响。不同含水量下，水分结合状态不一样。对于小麦粉体系而言，当含水量低于3%时，水分以强结合水状态存在；3%～25%时，水分以弱结合水的形式存在；高于25%时，水分才以自由水的形式存在[15]。

不同结合状态水分与其他成分的结合能不同，进而影响内部水势。Xiong等[16]研究发现，意大利面30 ℃时，随着含水量从5%增加至20%，结合能从21 kcal/mol逐渐降低至接近0 kcal/mol。Clausius-Clapeyron方程式(式1)描述了水分活度、含水量、结合能之间的关系[17]。

(1)

式中：q为等量热(isosteric heat)，表示水分子与小麦粉吸附位之间的相互作用；R为气体常数，aw为水分活度；T为绝对温度；x为含水量。

由式(1)可知，在高含水量下，水分活度较高，样品具有低能量值，水分与其他成分结合不紧密。因此，样品含水量越高，水分的自由程度也越高，则水势越高。

于晓磊[18]研究了不同初始含水率挂面干燥过程中的水分迁移规律。挂面初始含水率分别为29%和34%，在温度为32 ℃，湿度为75%的条件下干燥300 min。结果显示，2组样品0～300 min的平均干燥速率分别为0.07%/min和0.10%/min。初始含水量越高，样品的平均干燥速率越大。当外部水势低于内部水势时，水分从样品迁移至外部，初始含水率较高样品的内部水势也较高，其内外水势差较大，故水分迁移速率较快。

Umbach等[19]研究了不同淀粉、蛋白质和水混合体系的扩散系数。室温下制备样品，每克干物质的含水量分别为0.54、1.00、1.86 g。当淀粉：蛋白质的质量比为4∶1时，水分扩散系数分别为6×10-10、12×10-10、17×10-10m2/s；当淀粉：蛋白质的质量比为1∶1时，水分扩散系数分别为5×10-10、9×10-10、14×10-10m2/s。可见初始含水率较高样品的水分从样品迁移至环境的速率较高。

此外，Ogawa[20]利用热重法研究了小麦粉的干燥特性，结果如图1所示。当含水量在30%～32%时，干物质每小时对应的干燥速率约为0.92 kg H2O/kg；当含水量在10%～30%之间，随含水量的降低，干燥速率逐渐降低，由0.84 kg H2O/kg逐渐减到0.20 kg H2O/kg；当含水量低于5%～10%时，干燥速率缓慢降低至0 kg H2O/kg。

图1 90 ℃、20.6%相对湿度下利用热重分析法 得到的干燥曲线图[20]

2.1.2 蛋白质/淀粉配比

蛋白质和淀粉是小麦粉和面制品的主要组成成分，每100 g小麦粉中约含有70 g淀粉和14 g蛋白质[21]。蛋白质、淀粉与水分的结合能力不同，不同种类的蛋白质的结合能力也不同，其形成的内部水势也不同。Bushuk等[22]对小麦粉、纯淀粉和纯谷朊粉的吸湿等温线和结合能进行了测定，淀粉的吸附能力最强，小麦粉次之，谷朊粉最差。Chen等[23]研究表明大豆蛋白中不可冻结水含量的临界含水量为35.2%～37.6%，低于该含水量时水分与其他物质间以大分子紧密结合。还有研究认为，水分通过氢键更多的与淀粉结合。他们还指出，46%的水分与淀粉结合，31%与蛋白结合，23%与戊聚糖结合[24]。Willhoft[25]认为在面团中面筋蛋白比淀粉吸收更多的水，在烘焙的过程中，蛋白质中的水向淀粉发生部分迁移。Li等[26]利用核磁振技术研究表示这是由于蛋白质具有更强亲水能力。淀粉与有限量的水分紧密结合，含水量高，则水分流动性增大，而蛋白质会因自身结构使得内部水分流动性较小。因此，高蛋白质含量样品具有较低的内部水势。

王振华等[27]对不同配比蛋白质/小麦淀粉的挂面干燥过程进行了研究。蛋白质/小麦淀粉的配比分别为8.2%、10.2%、12.2%、14.2%、16.2%、18.2%，在室温下采用压延法制得样品的初始含水率为34%。将样品在35 ℃，相对湿度75%下进行干燥。结果显示，干燥时间0～300 min内，样品的水分扩散系数分别为12.8×10-9、10.2×10-9、8.1×10-9、7.5×10-9、7.3×10-9、7.0×10-9m2/s。随着蛋白质含量增加，水分扩散系数降低。类似的，Umbach等[19]对淀粉∶蛋白质的比例分别为100∶0、80∶20、50∶50、20∶80、0∶100，初始含水率为54%的混合物的研究发现，其水分扩散系数分别为11×10-10、6×10-10、5×10-10、4×10-10、4×10-10m2/s。

2.1.3 预糊化淀粉含量

预糊化淀粉含量影响面制品的内部水势。预糊化是淀粉经过了从有序的结晶结构逐渐变为无序结构的过程，晶体结构被部分或全部破坏，会改变其与水分结合能力。与原淀粉相比，糊化淀粉吸附更多水分的原因可能是糊化淀粉内部多孔结构具有了更大的表面积[28]。因此，糊化淀粉有更强的亲水性[29]。

Xiong等[16]研究了含预糊化淀粉和淀粉的挤压意面的有效水分扩散系数。样品由25%谷朊粉和75%预糊化淀粉或75%未糊化淀粉在57 ℃下挤压制得。结果表明，当每千克干基物料含水量0.1 kg时，含预糊化淀粉和未糊化淀粉的样品的有效水分扩散系数分别为28×10-12、22×10-12m2/s。

2.1.4 损伤淀粉含量

损伤淀粉与面团的吸水率成正比，破损淀粉含量越高面粉的吸水率越高[30，31]。损伤淀粉与完整的淀粉粒相比，具有更大的比表面积和更多的结合位点，与水分的结合能力更强，具有更低的内部水势。

2.1.5 麸皮含量

麸皮含量影响内部水势。麸皮是面粉加工过程中的一种副产物，含有大量的纤维。有研究表明含有纤维的面团与不含纤维的面团相比具有更大的吸水率[32, 33]。周玉瑾[34]利用低场核磁对对不同麦麸含量的面条在相同的干燥条件下进行研究发现，麦麸含量在0%～5%的范围内，随着麦麸含量的增加，T21、T22呈现减小趋势，与其他成分竞争性吸收水分，降低了水分的流动性和样品的内部水势。

2.2 样品物理结构对内部水势的影响

2.2.1 孔隙率

孔隙率是指固体材料中孔隙体积与总体积的百分比，与物品的密实度呈反比。Keey[35]表示在面团中有效水分扩散系数与孔隙率存在着式(2)的关系。

(2)

式中：Deff为有效水分扩散系数；DA为空气中的蒸气扩散系数；Φ为孔隙率；ξ为迂曲度(tortuosity)，用于描述多孔介质渗流通道的一个重要参数。

Roca等[38]通过控制打浆时间制备不同孔隙率的海绵蛋糕并研究其有效水分扩散系数。每克海绵蛋糕的初始含水量都控制在0.3 g。在储藏的过程中研究其水分迁移情况，结果显示，孔隙率为86%和52%的两种样品的扩散系数分别为4.60×10-10、0.80×10-10m2/s。Baik等[39]的研究也有类似的结果。当孔隙率由10%变化到90%时，有效水分扩散系数由0.04×10-10m2/s变化到0.35×10-10m2/s。可见，当样品孔隙率增加时，样品中的水分迁移到环境中的速率增加。

Waananen等[40]通过分别控制挤压机筒温度为40-55-57 ℃和110-135-137 ℃，制备孔隙率分别为6%和27%的样品。2种样品的有效水分扩散系数随着外界温度(40、55、71、105 ℃)和压力(77、101、202 kPa)的增加而增加，呈现出相同的变化趋势，但变化幅度不一样。2种样品有效水分扩散系数变化范围分别为8～106×10-12m2/s和36～221×10-12m2/s。孔隙率较大样品的有效水分扩散系数较大。

2.2.2 样品温度

样品温度会影响其内部水势。温度较高时，水分自由度较大，内部水势较高。Gom等[41]研究了温度对水和未糊化大米淀粉/水2种体系的表观水分扩散的影响。未糊化大米淀粉/水体系中，每克样品的初始含水量为0.475 g。结果显示，在水体系中，温度由21 ℃变化到51.5 ℃时，水分扩散系数由20.4×10-10m2/s增加到37.2×10-10m2/s。未糊化大米淀粉/水体系中，同样的温度变化范围内，水分扩散系数由4.6×10-10m2/s增至7.5×10-10m2/s。与水体系相比，淀粉/水体系对水存在束缚作用，内部水势较低，初始的水分扩散系数比蒸馏水的扩散系数低。

3 影响外部水势的因素

3.1 环境的相对湿度

环境的相对湿度可以间接表征外部水势，是直接影响内外水势差因素。Inazu等[42]研究了相对湿度和温度对日本新鲜面条(乌冬面)干燥动力学的影响。在室温下采用压延法制作乌冬面，乌冬面的含水量为0.53 g/g。研究60%、70%、80%3个相对湿度水平，以及20、30、40 ℃3个温度水平下水分的扩散速率。结果显示，当含水量从0.53 g/g降低至0.38 g/g时，20 ℃条件下，60%、70%、80%3个湿度的表观水分扩散系数分别为9.38×10-11、7.82×10-11、6.44×10-11m2/s；30 ℃时3个湿度的表观水分扩散系数依次为11.85×10-11、9.79×10-11、8.30×10-11m2/s；40 ℃时3个湿度的表观水分扩散系数依次为15.05×10-11、12.38×10-11、10.28×10-11m2/s。结果表明，温度保持不变时，随着外界相对湿度的增加，表观水分扩散系数依次降低。类似的，魏益民等[43]对挂面干燥过程进行了研究发现，在含水率46%～30%的过程中，每100 g样品在65%、75%、85%的相对湿度下的平均干燥速率分别约为0.584、0.396、0.218 g/min。即在干燥的过程中，样品的内部水势高于环境的外部水势，样品的水分不断向环境中迁移直至内外水分平衡。外界环境的相对湿度增加相当于提高了外部水势，使得内外水势差减小，水分迁移的速率降低。

3.2 环境温度

环境温度通过影响样品温度进而影响内部水势，一般规律为提高环境温度，样品温度增加，样品内部水势增加，水分迁移方向和速率取决于内部水势和外部水势的变化幅度，以及形成的内外水势差。陆启玉[44]、Inazu等[45]将挂面、乌冬面的干燥过程分为3段，即以低温高湿空气去除表面水分以实现面条定型的预干燥段，在此阶段中，控制低温和高湿提高了外部水势，内外水势差减小，水分从样品向环境的迁移速率降低，减少出现应力不均的现象，达到定型的目的。在主干燥段中，主要是升温、调整湿度为主，温度的升高使内部水势升高，外部水势降低，内外水势差增加，两种因素的共同作用下使得内外水势差增加，水分迁移速率增加。

Xing等[46]利用低场核磁共振技术对意面在不同温度下干燥过程中的水分迁移进行了研究。以含水率约为9%的商业意面为材料，浸泡在50 ℃水中一段时间，制备不同含水率的样品。样品放入核磁管中，通入相对湿度0%的氮气，分别在22 ℃和44 ℃下干燥117 min，意面中心附近含水量分别减少了0.014、0.033 g，水分变化百分比分别为8.7%和21.9%。由此可知温度越高，相同时间内水分迁移量越大，水分迁移速率越大。

魏益民等[43]研究温度对挂面干燥速率的影响，也有类似的结果。含水率在46%降低到30%的过程中，相对湿度保持恒定为75%，温度为30、40、50 ℃时，每100 g样品的平均干燥速率分别为0.32、0.384、0.438 g/min。结果显示，温度越高挂面的平均干燥速率越高。阮征等[47]对粤式杏仁饼的干燥过程研究也有类似结论，当温度由80 ℃升高到120 ℃时，水分扩散系数由8.32×10-9m2/s增加到24.96×10-9m2/s。即温度升高，水分向低水势扩散速率增加。

3.3 风速

风速对水分迁移速率有影响。Inazu等[48]研究了风速对日本乌冬面的干燥的影响，每克样品的初始含水量为0.53 g。干燥条件为恒定温度40 ℃，相对湿度70%，空气流速分别为0.50、0.75、1.00、1.25、1.88、3.00 m/s。结果显示在干燥的初始阶段，当空气流速由0.50 m/s增加到1.88 m/s时，表观水分扩散系数约由4.5×1011m2/s线性增加到13.0×1011m2/s，但空气流速大于2.00 m/s后，水分扩散系数基本保持不变。类似的，在主干燥阶段，空气流速大于1.00 m/s后有效扩散系数基本保持不变。面食的干燥分析通常基于较高的空气流速，使得内部传质阻力是速率控制的主要因素。风速影响水分迁移速率的原因是当空气流速增大时，样品表面的水分子扩散速率增加，提高了水分从样品表面迁移至环境的速率。当气流速率与样品表层最大水分扩散速率达到平衡时，再增加气流速率则无法增加样品表面水分扩散速率，表现为气流速率增加水分扩散速率不再增加的现象。

4 多因素的联动效应

影响内外水势的因素是多方面的，内外水势的变化是各因素作用的综合结果。因素变化并非是独立的，还存在联动效应。如影响内部水势因素中，蛋白质/淀粉的配比不仅通过影响与水分结合能力影响内部水势，还可形成不同的孔隙率影响内部水势。Xiong等[16]的研究显示，淀粉与蛋白质的质量比分别为1∶1和3∶1形成的孔隙率分别为10.70和14.79的样品在干燥过程中，在低含水量时，高蛋白组的水分扩散系数略低于低蛋白组。这是因为高蛋白质含量提高了束缚水的能力，并且高蛋白组低孔隙率对水分束缚也较高的原因。

孔隙率因为通道与阻隔的原因影响样品的内部水势，另外孔隙率还影响了温度在样品内部的分布，在内部形成了温度梯度，进而影响内部水势。Fu等[49]研究了微波加热过程中面团的水分迁移情况，研究发现，当面团的孔隙率为0.42时，加热过程中的温度和温度偏差分别是(38±0.8)、(57±1.4)、(76±1.7)、(85.5±1.9)、(90±2.2)℃。当样品的孔隙率增加到0.68时，38 ℃时的样品温度偏差为0.4 ℃，90 ℃时偏差为1.2 ℃。即当样品内部的孔隙率比较大的时候，样品内部的传质、传热阻力减小，温度在样品中的分布更加均匀，偏差更小。

5 小结与展望

水分是面制品中重要成分之一，在面制品制作、储存过程中会发生不同程度的迁移。水分迁移不仅影响产品的质量和货架期，还影响制作过程中的能耗和成本。水分迁移的动力是存在内外水势差，水分存在从高水势向低水势迁移的趋势，且水势差越大，水分迁移的动力越大。内部水势会随着含水量、淀粉占比、孔隙率、外界环境的温度的增加而升高；外部水势随着环境的相对湿度增加而升高。各因素之间存在联动效应，共同决定水分迁移的方向和速率。

物料的物性与含水量的关系将影响内部水势和水分迁移速率。物性决定着物料形变的模量。物性的改变有可能导致水分迁移过程中物料的形变，从而改变物料的质量特性。这些物性包括密度、孔隙率、玻璃化转变温度等。因此，水分迁移是一个物料与所处环境内外水势差动态变化，且物料物性动态变化的过程。不同的内外水势差调控方案可能会实现相同的水分迁移量，而对面制品的质量和能耗的影响不同，从而实现生产高质量食品的同时降低能耗。