不同形態芡實產品的吸濕特性及其數學模擬分析

張 汆，魏兆軍，賈小麗

(1.滁州學院化學與生命科學系，安徽滁州 239000; 2.合肥工業大學生物與食品工程學院，安徽合肥 230009)

不同形態芡實產品的吸濕特性及其數學模擬分析

張 汆1，魏兆軍2，賈小麗1

(1.滁州學院化學與生命科學系，安徽滁州 239000; 2.合肥工業大學生物與食品工程學院，安徽合肥 230009)

研究了不同形態芡實產品在不同相對濕度下的吸濕特性。吸濕率結果表明，干燥芡實產品具有很強的吸濕性。在相對濕度90%的環境中，經30d，帶殼芡實、整芡仁、碎芡仁和芡實粉的含水率分別從吸濕前的10.20%、4.83%、3.93%和0.99%增加到19.78%、20.80%、20.66%和21.27%。對芡實產品吸濕率數據進行一元非線性回歸，建立了2個吸濕率數學模型，分別為:冪函數模型W=a·tb，負指數函數模型W=a Exp(b/t)。得到了不同芡實產品在不同相對濕度下的吸濕率模型參數，所得吸濕率數學模型均具有較理想的擬合效果。其中，負指數函數模型結構簡單且擬合準確度較高，可用于不同芡實產品在不同濕度環境中的吸濕率預測。

芡實產品，吸濕特性，數學模擬

芡(Euryale feroxSalisb.)為一年生水生草本植物，其種子呈圓球形，直徑為1～1.5cm，外被一層約1～2mm厚的木質外殼，內部為淀粉質種仁，即芡實，也稱“雞頭果”、“刺蓮”等。芡實是我國傳統中藥原料和滋補食材，具有多種生理保健功能，被視為延年益壽的上品。芡實在我國主要分布在浙江、江蘇、安徽、湖北、湖南、廣東等湖泊水域資源較多的地方，年產量約10 000t(2009)。在國內，有關芡實的研究主要集中在營養組分分析［1－2］、生理活性［3－7］等方面。在印度，芡實被加工成一種稱為“Makhana”的食品，Dutta等［8］、Jha等［9］曾對“Makhana”的營養組分及其加工進行過研究。目前，我國芡實的主要加工形式為速凍保鮮、干制和罐制。在產地，帶殼芡實一般經自然晾曬或烘干后，采用手工或機械脫殼后，得到干的芡仁，即可直接用作藥材、食材或作為進一步加工的原料。我國江南地區芡實采收期一般在9～10月，期間氣溫較高，空氣相對濕度較大，干燥后的芡實產品在貯存期間，極易吸濕回潮，影響其品質和貯存穩定性。本文以當年產新鮮帶殼芡實為原料，經恒溫干燥后，對不同形態干燥芡實產品的吸濕特性進行了分析，建立相關產品的吸濕率數學模型，期望對干燥芡實產品的安全貯存提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮帶殼芡實 2009年9月5日采自安徽天長市湖濱鄉境內;濃硫酸 分析純。

CP224S電子分析天平 德國 Sartorius;DHG－9123A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏;鋁盒 直徑50mm，高35mm;密封性能良好的干燥器。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料前處理 新鮮帶殼芡實經清洗、去雜，瀝干后，于40℃恒溫鼓風烘箱內干燥24h，得到完整芡仁、碎芡仁和芡實粉，初始含水率分別為4.83%、3.93%和0.99%。將上述產品分別裝入聚乙烯自封袋內，備用。

1.2.2 硫酸溶液恒濕法 實驗按照參考文獻［10］方法用不同濃度的H2SO4水溶液配制恒濕液，H2SO4濃度(w/v)與相應相對濕度(RH，%)如表1所示。

表1 H2SO4溶液的濃度及其相對濕度(25℃)

1.2.3 吸濕性評價方法［11］采用吸濕率(W)和吸濕速率(V)兩個指標表示不同形態芡實產品的吸濕性能。吸濕率(W，%)定義為單位質量芡實產品在溫度為25℃時吸收水分的質量百分比，表示為∶

式中∶Wt－為吸濕t時刻后樣品質量，g;W0－為吸濕前樣品質量，g。

吸濕速率∶定義為單位時間(d)、單位質量(g)芡實產品在一定條件下吸收的水分質量，單位為mg/(g·d)。

1.2.4 芡實產品吸濕性數學模擬［11－12］根據本實驗中吸濕率隨時間的變化曲線形狀，推測其吸濕率與時間是冪函數關系。在實驗中發現，除了冪函數關系外，負指數函數也能很好的擬合不同芡實產品的吸濕率曲線。因此，實驗采用DPS數據處理軟件對芡實產品的吸濕數據進行一元非線性回歸，擬合得到以下兩個吸濕率數學模型∶

1.2.5 數據分析 采用Excel軟件和DPSv7.55數據處理軟件對實驗數據進行分析整理，所有樣品重復測定3次，求其平均值。

2 結果與分析

2.1 不同形態芡實產品的吸濕特性

圖1和圖2分別是帶殼芡實和芡實粉在不同相對濕度下的吸濕率曲線。隨相對濕度的升高，吸濕率顯著增加(P＜0.05)，帶殼芡實的吸濕平衡時間較長(約27d)，而芡實粉產品的吸濕平衡時間很短(5～6d)，這是由于芡實粉具有較大的表面積，可在短時間內吸收大量水分，較快達到吸濕平衡。整芡仁、碎芡仁的吸濕率曲線與帶殼芡實(圖1)的變化趨勢基本相同，吸濕平衡時間分別為22d和13d。

圖1 帶殼芡實在不同相對濕度的吸濕率曲線

圖2 芡實粉在不同相對濕度下的吸濕率曲線

吸濕率分析結果也顯示，干制芡實產品吸濕性均較強。其中，芡實粉的吸濕速率最快，平衡時間最短，而帶殼芡實的吸濕速度較慢，平衡時間最長。在相對濕度為90%的環境中，帶殼芡實、整芡仁、碎芡仁和芡實粉經30d吸濕，其吸濕率分別為16.14%、20.46%、21.55%和24.97%，含水率分別從吸濕前的10.20%(帶殼芡實的芡仁)、4.83%、3.93%和0.99%增加到19.78%、20.80%、20.66%和21.27%，均超過了一般干制食品的安全水分要求(≤14%)。

因此，對于干芡實產品而言，最好帶殼貯存，即可防止貯存期間芡實種仁的污染，也可獲得較干燥的種仁和更長的安全貯存期。

圖3和圖4分別為RH為90%時，不同形態芡實產品的吸濕率曲線和吸濕速率曲線。結果表明，在相同環境濕度下，帶殼芡實的吸濕率最低，吸濕平衡時間最長(27d)，芡實粉的吸濕率最高，吸濕平衡時間最短(6d)，整芡仁和碎芡仁居中，碎芡仁的吸濕率稍高于整芡仁。圖4的吸濕速率曲線顯示出與吸濕率同樣的趨勢，即在相同環境濕度下，芡實產品吸濕速率和吸濕率均隨其表面積的增加而增加，芡實粉的吸濕速率遠高于其他形態的芡實產品。同時，在RH=90%的高濕度環境中，不同形態的芡實產品最大吸濕速率均發生在最初的1～2d內。

圖3 不同芡實產品的吸濕率曲線(RH=90%)

表2 不同相對濕度下芡實產品吸濕性模型參數

圖4 不同芡實產品的吸濕速率曲線(RH=90%)

2.2 不同芡實產品吸濕過程的模擬

采用一元非線性回歸對不同相對濕度下芡實產品的吸濕數據進行擬合后，得到芡實產品的吸濕率數學模型，不同相對濕度下的吸濕率模型參數見表2。表中模型函數依次為∶(1)冪函數模型 W= a·tb;(2)負指數函數模型W=a Exp(b/t)。

數學擬合結果表明，冪函數和負指數函數模型均能較好的模擬4種芡實產品的吸濕過程，相關系數r2較高，F檢驗值均達到極顯著水平(P－值 = 0.0001)，擬合效果較好。其中，負指數函數模型擬合效果優于冪函數模型。因此，就本實驗中涉及的4種芡實產品而言，采用負指數函數模型對其吸濕率進行擬合，擬合準確度較高，可用于生產中不同芡實產品吸濕性的預測。

圖5是在相對濕度為90%時，上述兩種函數對帶殼芡實(左)和整芡仁(右)吸濕率數據的擬合曲線，可以看出，擬合效果均比較理想。

圖5 帶殼芡實(左)和整芡仁(右)的吸濕率擬合曲線(RH=90%)

3 結論

實驗研究了不同形態芡實產品在不同相對濕度下的吸濕特性。吸濕率結果表明，干制的芡實產品吸濕性很強。在相對濕度為90%的環境中，經30d吸濕，帶殼芡實、整芡仁、碎芡仁和芡實粉的含水率分別從吸濕前的10.20%、4.83%、3.93%和0.99%增加到19.78%、20.80%、20.66%和21.27%，均超過了一般干制食品的安全水分要求(≤14%)。因此，對于干芡實產品而言，最好帶殼貯存，既可防止貯存期間芡實種仁的污染，也可獲得較干燥的種仁和更長的安全貯存期。

通過一元非線性回歸，建立了不同芡實產品的吸濕率數學模型，分別為∶冪函數模型W=a·tb，負指數函數模型W=a Exp(b/t)。得到了不同芡實產品在不同相對濕度下的吸濕率模型參數，所得吸濕率數學模型均具有較理想的擬合效果。其中，負指數函數模型結構簡單且擬合準確度較高，可用于不同芡實產品在不同相對濕度下的吸濕性預測。

［1］張名位，池建偉，孫玲.潮州芡實的營養學評價［J］.廣東農業科學，1999(2):27－29.

［2］凌慶枝，袁懷波，趙美霞.瓦埠湖產芡實種仁的蛋白質、氨基酸測定［J］.食品研究與開發，2009，30(6):118－120.

［3］Haoru Zhao，Shouxun Zhao，ChongqingSun，etal. Glucosylsterols in extracts of Euryale ferox identified by high resolution NMR and mass spectrometry［J］.Journal of Lipid Research，1989，30:1633－1637.

［4］Samarjit Das，Peter Der，Utpal Raychaudhuri，et al.The effect of Euryale ferox(makhana)，an herb of aquatic origin，on myocardial ischemic reperfusion injury［J］.Molecular and Cellular Biochemistry，2006，289:55－63.

［5］劉玉鵬，劉梅，劉俊英.30種中草藥的抗氧化活性研究［J］.煙臺大學學報:自然科學與工程版，2000，13(1):70－73.

［6］李美紅，楊雪瓊，萬直劍.芡實的化學成分［J］.中國天然藥物，2007，5(1):24－26.

［7］李美紅，李璠，太志剛.芡實中的三個環二肽［J］.昆明學院學報，2009，31(3):39－41.

［8］R N Dutta，S N Jha，U N Jha.Plant content and quality of makhana(Euryale ferox)［J］.Plant and Soil，1986，96:429－432.

［9］S N Jha，Suresh Prasad.Determination ofProcessing Conditions for Gorgon Nut(Euryale ferox)［J］.J Agric Engng Res，1996，63:103－112.

［10］彭桂蘭，陳曉光，吳文福.玉米淀粉水分吸附等溫線的研究及模型建立［J］.農業工程學報，2006，22(5):176－179.

［11］沈方紅，羅曦蕓，張文清.羧甲基殼聚糖基調濕材料的制備及性能［J］.功能材料，2009，40(10):1742－1744.

［12］張伏，付三玲，佟金.環糊精/秸稈纖維增強復合材料的吸濕性能分析［J］.農業機械學報，2009，40(11):99－102，143.

Moisture absorption properties and mathematical modeling analysis of different shape gorgon nut(Euryale ferox Salisb.)products

ZHANG Cuan1，WEI Zhao－jun2，JIA Xiao－li1
(1.Department of Chemistry and Life Science，Chuzhou University，Chuzhou 239000，China; 2.School of Biotechnology and Food Engineering，Hefei University of Thechnology，Hefei 230009，China)

The hygroscopicity of different gorgon nut products at different relative humidity conditions was investigated.The results indicated that dehydrated gorgon nut products possessed strong hygroscopicity.Stored in 90%relative humidity condition for 30 days，the moisture contents of shelled gorgon nut，whole gorgon nut kernel，cracked gorgon nut kernel and gorgon nut flour were significantly increased to 19.78%，20.80%，20.66%and 21.27%from initial 10.20%，4.83%，3.93%and 0.99%，respectively.Three models of hygroscopicity was set up by unitary nonlinear regression method based on the moisture absorption data of different gorgon nut products，that were power function W=a·tband negative exponent function W=a Exp(b/t).The hygroscopicity model parameters of different gorgon nut products in different relative humidity conditions were obtained.These models all possessed ideal fitting effects，especially，the negative exponent function was simple and more accuracy to fitting，and could be applied to predict the moisture absorption properties of different gorgon nut products in different humidity conditions.

gorgon nut products;moisture absorption property;mathematical modeling

TS201.1

A

1002－0306(2011)11－0131－04

2010－09－15 *通訊聯系人

張汆(1970－)，女，博士，副教授，主要從事食品化學與營養學、膳食蛋白方向的研究。

安徽省應用化學省級重點學科建設項目(200802187C);滁州市科技計劃項目(201057)。