不同预干燥方式对瞬时压差膨化香菇脆品质特性的影响

赵 亚，张越翔，徐 燕，石启龙

（山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博 255000）

香菇（Lentinus edodes）是源于中国的珍贵食用菌，被誉为“蘑菇皇后”，不仅富含蛋白质、氨基酸、维生素等营养成分，而且含有香菇多糖、香菇多肽和麦角固醇等活性成分，兼具药食同源功能[1]。香菇含水率高，呼吸和蒸腾作用旺盛，采后极易发生褐变、开伞、腐烂等劣变现象[2]。这不仅造成了采后巨大损失，而且制约了香菇产业的可持续发展。大力发展香菇精深加工是解决这一问题的重要途径。

香菇脆片是利用脱水技术加工而成的一种休闲食品[3]。目前，香菇休闲脆片加工方法包括油炸/真空油炸[4]、真空冷冻干燥（freeze drying，FD）[5]、微波干燥（microwave drying，MWD）[6]、变温压差膨化[7]。真空油炸是食用菌脆片主要加工方式，但制品含油率高，不仅容易氧化酸败，长期食用对人体健康不利[8]。FD 香菇脆片品质高，但生产周期长、耗电量高[9]。微波干燥不均匀，产品容易焦糊，而且存在微波泄露等问题[3]。

瞬时压差膨化（instant controlled pressure drop puffing，法文Détente Instantanée Contrôlée，DIC），又称气流膨化、变温压差膨化、爆炸膨化干燥、压差闪蒸膨化干燥，主要用于苹果、桃、菠萝、胡萝卜、南瓜等非油炸果蔬脆片的加工[10]。但是，国内外关于DIC 食用菌尤其香菇脆片方面的报道非常少，主要集中在切片香菇膨化工艺参数优化方面。刘增强等[7]利用响应面法优化得到香菇脆片最优膨化工艺为：香菇片厚度7 mm、膨化压力0.2 MPa、膨化温度90 ℃、停滞时间12 min、抽空温度80 ℃、抽空时间68 min。郭玲玲等[11]通过响应面法优化得到香菇脆片的最优工艺参数为：预干燥含水率35.42%、抽空温度56.88 ℃、抽空时间0.88 h。

预干燥是决定DIC 果蔬脆片品质的关键因素，决定物料膨化效果和膨化产品品质[10]。预干燥方式包括渗透脱水（osmotic dehydration，OD）、热风干燥（hot air drying，HAD）、真空干燥（vacuum drying，VD）、FD、MWD、红外干燥（infrared drying，IRD）及上述方式联合，例如：OD-HAD-DIC 苹果丁[12]，HAD-DIC、MWD-DIC、FD-DIC 苹果丁[13]、FD-DIC 枸杞[14]，ODHAD-DIC 黄桃片[15]，HAD-DIC、FD-DIC 南瓜片[16]，MVD-DIC 胡萝卜[17]，HAD-DIC 山药片[18]。刘增强等[7]和郭玲玲等[11]研制的香菇脆片分别以VFD 和IRD 为预干燥方式。VFD 设备投资和维护成本高，而且能耗高[3,9]，红外辐射加热不均匀且穿透深度有限[19]。因此，亟需节能、高效、温和的预干燥方式。热泵干燥（heat pump drying，HPD）因参数容易控制、条件温和、节能与环境友好，适用于热敏性物料干燥[20]。鉴于此，本研究以整果香菇为原料，探究HAD、HPD、FD 等3 种预干燥方式对香菇脆品质特性的影响，旨在为非油炸香菇脆DIC 技术提供理论依据和实践参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜香菇 购于淄博众志农业科技有限公司；麦芽糊精（MD） （DE 值=15，食品级） 山东西王集团有限公司；乳清分离蛋白（WPI）（食品级） 山东谷康生物工程有限公司；无水亚硫酸钠（分析纯） 天津市瑞金特化学品有限公司；食盐、鸡味粉 市售。

FD-IB-80 冷冻干燥机 北京博医康实验仪器有限公司；DHG-9140A 电热鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司；1HP-5 热泵除湿干燥设备 青岛欧美亚科技有限公司；PHK600-1 果蔬低温气流膨化设备 天津市勤德新材料科技有限公司；UV-2102PCS紫外可见分光光度计 尤尼科（上海）仪器有限公司；IKA T18 高速分散机 德国IKA 集团；PQ001 核磁共振分析仪 上海纽迈电子科技有限公司；TA.XT PLU 物性测试仪 英国Stable Micro Systems 公司；HH-6 数显恒温水浴锅 龙口市先科仪器公司；WSC-S 测色色差计 上海仪电物理光学仪器有限公司；AL204 分析天平 梅特勒-托利多仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 渗透及调味处理 香菇采摘后立即冷链运输至实验室，5 ℃冷藏备用。香菇初始湿基含水率为85%±2%，菌盖直径（5±0.5）cm。香菇去除菇柄、清洗后置于质量分数0.6%亚硫酸钠溶液中护色20 min，然后取出，沥干表面水分。将香菇置于热泵除湿干燥设备，温度35 ℃、风速1.5 m/s 条件下预干燥至湿基含水率70%。然后，将香菇置于复合渗透调味溶液（溶质及质量分数分别为：20%麦芽糊精，10%乳清分离蛋白，2%食盐，1%鸡味粉），在温度25 ℃、料液比1:3 条件下渗透调味处理3 h。

1.2.2 预干燥方式 渗透调味预处理后的香菇平均分成3 份，分别进行HAD、HPD 和FD 预干燥。HAD参数：温度65 ℃，风速1.0 m/s。HPD 参数：温度35 ℃，风速1.5 m/s。FD 参数：香菇于-40 ℃预冷24 h，然后置于冻干机中，控制冷阱温度-78 ℃，真空度≤30 Pa。采用3 种预干燥方式将香菇湿基含水率降低至35%±2%，然后分别密封于铝箔袋中，置于4 ℃展示柜均湿处理24 h。

1.2.3 DIC 均湿处理后的香菇置于果蔬低温气流膨化设备，控制DIC 参数分别为：膨化温度85 ℃，膨化压力0.3 MPa，停滞时间12 min，真空干燥温度65 ℃。直至香菇湿基含水率≤7%，膨化结束后的香菇立即密封于铝箔袋，测试指标。

1.3 指标测定

1.3.1 干燥时间

式中：t 为总干燥时间，h；t1为预干燥时间，h；t2为DIC 时间，h。

1.3.2 平均干燥速率 平均干燥速率（average drying rate，Va）计算式[21]：

式中：Va为平均干燥速率，kg/（kg·h）；X0为香菇初始干基含水率，kg/kg；Xt为香菇DIC 膨化后干基含水率，kg/kg；t1为预干燥时间，h；t2为DIC 时间，h。

1.3.3 总色差 采用色差计测定香菇色泽参数。总色差（total color difference，ΔE）计算式[13]：

式中：L*、a*、b*为新鲜香菇色泽参数；L、a、b为DIC 香菇脆色泽参数。

1.3.4 膨化度 采用比容法测定香菇的体积[16]，膨化度（puffing degree，Pd）计算式：

式中：V0和V 分别为DIC 前和DIC 后香菇体积，mL。

1.3.5 复水比 采用称量法测定复水比（rehydration ratio，RR）[17]，RR计算式：

式中：m0和mr分别为香菇脆复水前和复水后质量，g。

1.3.6 硬度和脆度 参考Li 等[12]方法，采用物性测试仪测定香菇脆硬度和脆度，略作改动。选取P/75 柱形探头，设置形变量为50%，测试前、中、后的速度分别为2.0、1.0、1.0 mm/s，触发力100 g，2 次压缩间隔时间为5.0 s，数据采集速率500 次/s。测试峰最高值为硬度，峰的个数作为脆度值。每组样品平行测定测定12 次，结果取平均值。

1.3.7 总糖含量 采用GB/T 15672-2009[22]测定香菇中总糖含量。总糖（w）含量计算式：

式中：V1为样品的定容体积，mL；V2为比色测定时所移取测定液的体积，mL；m1为从标准曲线上查得样品测定液中的含糖量，μg；m2为样品质量，g；Xw为样品湿基含水率，%。

1.3.8 水分组成及状态分布 采用低场核磁共振（low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）测定香菇水分组成及状态分布。采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）脉冲序列确定样品横向弛豫时间（transverse relaxation time，T2）。LF-NMR 测试参数：温度32 ℃，质子共振频率20 MHz，采样频率100 kHz，累加次数4 次，等待时间3000 ms，90°、180°脉宽分别为5.52、11.20 μs，回波数10000，回波时间0.6 ms。CPMG 指数衰减曲线通过综合迭代算法反演，得到T2值和离散型与连续型相结合的T2谱图，弛豫信号采用多指数函数表达：

式中，M（t）为横向磁化矢量衰减到t 时间后的信号量，总信号量的大小是所有成分产生信号大小的总和；Ai为样品中第i 种成分的信号幅度；T2i为样品中第i 种成分的T2；A0为噪声信号。

1.4 数据处理

实验和指标测定平行3 次，数据采用平均值±标准差表示。采用SPSS 19.0 进行单因素方差分析，差异显著则进行Duncan 多重比较，P＜0.05 表示差异显著。采用OriginPro 2018 绘图及Pearson 相关性分析。

2 结果与分析

2.1 预干燥方式对香菇脆干燥时间和平均干燥速率的影响

预干燥方式对香菇干燥时间及平均干燥速率Va的影响如图1 所示。对于预干燥时间而言，FD＞HPD＞HAD，3 者之间存在显著差异（P＜0.05）。干燥介质温度是导致3 种预干燥方式时间长短的主要因素，由于干燥温度HAD＞HPD＞FD，所以样品达到同样湿基含水率35%±2%所需时间与干燥温度负相关。对于DIC 干燥时间而言，由于预干燥后的初始含水率相同，DIC 膨化次数固定，随后的真空干燥的时间差距不明显（P＞0.05）。因此，总干燥时间及Va主要取决于预干燥方式。Yi 等[23-24]研究了不同预干燥方式对压差膨化梨片和菠萝蜜片的影响，得到了相同的结论。对于Va，HAD-DIC＞HPD-DIC＞FDDIC，3 者之间呈显著差异（P＜0.05）。这主要是由于3 种预干燥方式显著影响香菇脆总干燥时间所致。

2.2 预干燥方式对香菇脆色泽的影响

色泽是评估食品质量和消费者可接受性的重要指标之一，干燥方法和工艺条件对干制品色泽影响较大[13]。预干燥方式对香菇色泽影响如表1 所示。香菇脆L值FD-DIC＞HPD-DIC＞HAD-DIC。由于FD真空、低温干燥条件，抑制了香菇干燥过程中酶促/非酶促褐变反应[25]。此外，HAD-DIC 香菇脆a和b值均最高，HPD-DIC 香菇的a值高于FD-DIC，FDDIC 香菇的b值则高于HPD-DIC。HAD-DIC 香菇的ΔE值最高，这可能是因为HAD 温度较高，美拉德反应较为严重，产生类黑精物质[16]，使香菇脆色泽加深。HPD-DIC 香菇的ΔE值较低，这主要是由于HPD 温和的干燥条件所致。FD-DIC 香菇的ΔE值最低，主要因为低温及真空条件，导致香菇酶促/非酶褐变反应较低，因此其L值较高、a值较低。综上，FD-DIC 可较高程度地维持香菇原有颜色，HPDDIC 次之，HAD-DIC 色泽最差。

表1 预干燥方式对香菇脆色泽参数的影响Table 1 Effect of pre-drying methods on the color parameters of L. edodes crisps

2.3 预干燥方式对香菇脆膨化度和复水比的影响

不同预干燥方式对香菇脆Pd及RR的影响如图2 所示。不同预干燥方式显著（P＜0.05）影响DIC香菇脆Pd。HPD-DIC 香菇脆Pd最高（51.52%），这是因为HPD 温度低，香菇能够保持较完整的内部骨架结构，在后续DIC 瞬间减压过程中，内部水分闪蒸带动内部骨架膨胀。HAD-DIC 香菇脆Pd为37.93%，这是因为HAD 温度高，水分散失快且不均匀，导致细胞收缩，组织坍塌严重，表面硬化结壳所致[26]。但是，FD-DIC 香菇的Pd最低（5.45%），这是因为FD在低温和真空条件下使冰晶升华，避免了高温对香菇的影响，能最大程度上保持原料形态，物料内部结构改变较小[27]，因此，预干燥后几乎保持了香菇原有的体积。需要指出的是，由于本研究中Pd的计算为DIC 前后香菇体积变化（公式4），FD 香菇DIC 前体积收缩程度低，因此在后续膨化过程中，体积变化幅度较小，因此Pd较低。实际上，香菇脆最终膨化效果，FD-DIC 略高于HPD-DIC，但二者都显著高于HAD-DIC。3 种预干燥方式下香菇脆的RR由高到低为：FD-DIC＞HPD-DIC＞HAD-DIC。复水能力与香菇脆组织形态密切相关，蓬松多孔状态有利于提高复水效果[11]。FD 由于是在低温和真空条件下进行，而且通过冰晶升华形式脱水，所以预干燥后香菇体积收缩程度小[28]，而且香菇蛋白质、多糖等成分损失较HAD和HPD 少，因此FD-DIC 香菇脆复水能力强。HAD高温导致香菇内部结构严重萎缩，高温也会导致香菇蛋白质变性，香菇多糖降解，失去吸水能力或水合能力[29]。HPD 因条件温和，温度介于HAD 和FD 之间，故HPD-DIC 香菇脆RR高于HAD-DIC 但低于FDDIC。此外，RR与Pd正相关[11]，Pd越高，则内部结构越疏松，所以HPD-DIC 香菇脆RR显著（P＜0.05）高于HAD-DIC。FD-DIC 香菇脆Pd低，但RR显著高于HPD-DIC。如前所述，这主要由于本研究中Pd计算方式所致。实际上，若以新鲜香菇为对比，FDDIC 膨化效果高于HPD-DIC 香菇脆，因此，其RR也显著优于HPD-DIC。

图2 预干燥方式对香菇脆膨化度及复水比的影响Fig.2 Effect of pre-drying methods on the Pd and RR of L.edodes crisps

2.4 预干燥方式对香菇脆硬度和脆度的影响

硬度和脆度是影响口感的重要因素，由图3 可以看出，3 种预干燥方式显著（P＜0.05）影响香菇脆的硬度和脆度。HAD-DIC 香菇脆的硬度值最高，脆度值最低，说明其组织紧密，密度大，口感最差；HPDDIC 香菇硬度适中且脆度最高，这是因为其Pd最高，内部结构组织疏松；FD-DIC 香菇硬度值最低，说明其质地相对较软，但脆度值显著（P＜0.05）低于HPDDIC。这意味着由FD-DIC 获得的多孔结构在质构测量期间，可能缺乏足够的强度在下一次坍塌之前触发一个新的峰值[24]。Yi 等[30]研究了HAD 和FD 预处理对芒果、火龙果和番木瓜脆片硬度和脆度的影响，得到了相同的结论。

图3 预干燥方式对香菇脆硬度和脆度的影响Fig.3 Effect of pre-drying methods on the hardness and brittleness of L. edodes crisps

2.5 预干燥方式对香菇脆总糖含量的影响

不同预干燥方式对香菇总糖含量的影响如图4所示。3 种预干燥方式显著（P＜0.05）影响香菇脆的总糖含量。其中，FD-DIC 香菇总糖含量最高，这主要是由于FD 过程中水分由冰晶状态直接升华，低温和真空条件下，糖类不易与其他物质发生反应或降解所致[28]。HAD-DIC 香菇总糖含量最低，因为糖类物质的损耗与加热温度密切相关，HAD 温度高，香菇的呼吸作用会在短时间内增强消耗糖类物质，且还原糖易与氨基酸类物质发生美拉德反应，从而降低总糖含量[26]。HPD 由于干燥温度较低，糖类物质在干燥过程损失较少，故HPD-DIC 香菇总糖含量显著高于HAD-DIC，但却低于FD-DIC。

图4 预干燥方式对香菇脆总糖含量的影响Fig.4 Effect of pre-drying methods on the total sugar content of L. edodes crisps

2.6 预干燥方式对预干燥后香菇T2 的影响

图5为3 种预干燥方式对香菇预干燥后LF-NMR T2谱图的影响。T2反映了样品中水分的流动性与自由度，T2值越高，说明水分自由度越高，流动性越强；反之，T2值越小，说明水分子与底物结合越紧密[31]。由图5 可以看出，无论哪种预干燥方式，香菇预干燥后均包括4 个峰，分别为强结合水（T2b）、弱结合水（T21）、不易流动水（T22）和自由水（T23）。其中，T2b，T21，T22和T23的弛豫时间区间分别为0.23～0.25，1.34～4.79，9.62～27.92 和82.01～101.44 ms。

图5 不同干燥方式对香菇预干燥后弛豫时间的影响Fig.5 Effect of different drying methods on T2 of L. edodes after pre-drying

表2为不同预干燥方式对预干燥后的香菇LFNMR T2及弛豫特性各组分比例的影响。3 种预干燥方式对香菇T2b影响不显著（P＞0.05），这意味着预干燥方式对与大分子极性基团紧密结合的紧密结合水影响较小。HPD 后的香菇T21的弛豫时间显著（P＜0.05）高于HAD 与FD，说明热泵预干燥后的香菇自由度较高，流动性较强，后续DIC 膨化干燥过程中更容易被去除。关于T22和T23，HAD 后的香菇的弛豫时间显著（P＞0.05）高于HPD 和FD。

表2 香菇预干燥后LF-NMR 弛豫时间及各组分比例Table 2 The relaxation time and the proportion of each component of LF-NMR in L. edodes after pre-drying

LF-NMR 信号强度值与样品中氢质子数目成正比，各状态水分的含量可由T2反演谱图各峰面积表示[21]，T2b，T21，T22和T23相对含量可由各自峰面积除以总峰面积得到，分别表示为mT2b，mT21，mT22和mT23。由图5 可以看出，预干燥后香菇的水分主要为结合水，mT22与mT23占比较小，且相比于T2b、T21和T22，T23自由度与流动性较高，DIC 升温过程中，T23很有可能已被除去，对DIC 瞬间泄压时水分闪蒸膨化力的产生贡献度不高。由表2 可知，FD 与HAD 香菇的mT2b和mT21无显著差异（P＞0.05），HPD 香菇的mT2b显著（P＜0.05）低于FD 和HAD香菇，而HPD 香菇的mT21达到88.56%，显著（P＜0.05）高于FD 和HAD 香菇。相比于T2b，T21的自由度更高，较高的mT21有利于DIC 过程中水分的蒸发汽化，为香菇膨化提供充足的动力，带动香菇组织膨胀，形成疏松多孔的蜂窝网状结构，进而提高Pd[21]，降低香菇脆硬度，提高脆度和复水能力。T22的自由度处于T21和T23之间，HAD 与HPD 香菇的mT22无显著差异（P＞0.05），但显著（P＜0.05）高于FD 香菇，较高的mT22在DIC 过程中同样会为香菇膨化提供动力，FD 香菇因为mT21和mT22均较低，故其Pd最低，相反地，HPD 香菇具有较高的mT21和mT22，且T21和T22的弛豫时间较高，故HPD 香菇Pd最高。这意味着香菇脆膨化动力取决于疏松结合水和不易流动水所占比例，而与自由水关系不大。

2.7 弛豫信号与香菇脆品质的相关性分析

LF-NMR T2弛豫信号与香菇脆品质特性的相关性如表3 所示。由表2 可知，各组间T2b差异不显著，故不讨论其与香菇脆品质的相关性。由表3 可知，水分组成对香菇脆品质影响不同，T21与Pd极显著（P＜0.01）正相关，与脆度显著（P＜0.05）正相关，但与RR显著（P＜0.05）负相关。这意味着，香菇膨化过程中，膨化动力产生主要取决于弱结合水，进而影响香菇脆脆度。T22、T23与△E和硬度极显著（P＜0.01）正相关，与RR、脆度和总糖含量极显著负相关（P＜0.01）。这说明香菇脆色泽、质地、复水特性和总糖含量等品质与不易流动水和自由水密切相关。此外，T22与 Va显著正相关（P＜0.05）；但 T23与 Va无显著相关性（P＞0.05）。这说明香菇脆干燥效率取决于不易流动水，而与自由水变化无关。就水分状态分布而言，mT2b与Pd和脆度极显著（P＜0.01）负相关。mT21与Pd显著（P＜0.05）正相关，但与脆度极显著（P＜0.01）正相关。这意味着，香菇脆膨化效果和脆度显著依赖于强结合水和弱结合水所占比例。mT22与Va显著（P＜0.05）正相关，与△E、Pd和硬度极显著正相关（P＜0.01），但与RR和总糖含量极显著（P＜0.01）负相关。不易流动水所占比例决定香菇脆干燥效率、色泽、质地、复水特性和总糖含量等指标。mT23与RR和总糖含量显著负相关（P＜0.05），但与香菇脆其他品质指标间无显著相关性（P＞0.05）。综上，香菇脆Pd与T21、mT2b、mT21和mT22密切相关，香菇在HPD 后具有较高的T21、mT21和mT22，较低的mT2b，因此，有利于提高香菇脆Pd。香菇脆脆度与T21、T22、T23、mT2b和mT21密切相关，香菇在HPD 后具有较高的T21和mT21，较低的mT2b，适中的T22和T23，因此，有利于提高香菇脆脆度。同样地，HPD 后也有利于提高香菇脆其他品质特性。因此，DIC 香菇最优的预干燥方式为HPD。

表3 LF- NMR 弛豫参数与香菇脆品质的相关性Table 3 Correlation between LF-NMR relaxation parameters and quality of L. edodes crisps

3 结论

FD-DIC 在维持香菇原有形态及营养素保留方面具有一定优势，但其质构略差而且Va较低；HADDIC 香菇脆Va最高，但品质最差；HPD-DIC 香菇脆Pd最高，色泽、RR和总糖保留方面较优且硬度适中，脆度最高。相比于FD 和HAD 预干燥，HPD 后的香菇疏松结合水和不易流动水所占比例较高，紧密结合水比例较低，有利于DIC 瞬间泄压时水分闪蒸，为香菇膨化提供充足驱动力。因此，最适合DIC 香菇脆的预干燥方式为HPD。此外，LF-NMR T2弛豫参数及各组分比例与香菇脆品质密切相关，可以通过LFNMR 快速、无损评估香菇脆品质。