雞樅菌熱風-微波聯合干燥特性及動力學模型

李湘利，劉靜*，王印壯，李曉彤，周生穩

1(濟寧學院 生命科學與工程系，濟寧市特色農產品高值化加工工程技術研究中心，山東 曲阜，273155)2(河北農業大學 食品科技學院，河北 保定，071001)3(山東省齊盛食品有限公司，山東 濟寧，272000)

雞樅菌[Termitomycesalbuminosus(Berk.)Heim]亦稱傘把菇、蟻樅，肉質細嫩，風味獨特[1]，含有人體所需多種營養素，以蛋白質最為豐富，還含有多酚、多糖、黃酮和黑色素等活性成分[2-3]，具有抗腫瘤、抗衰老、抗疲勞和抗氧化等藥理作用[4-5]及降血糖、降血脂等獨特功效[6]。但雞樅菌含水率較高，采后極易腐爛，保鮮期較短，不能滿足市場供應需求[7]。

脫水干燥可保持食用菌原有的色、香、味及營養成分，干制品易貯運，是解決長期貯藏及鮮銷出口的有效方法之一[8]。聯合干燥是根據物料特性，將2種及以上的干燥方法優化組合，分階段進行干燥的一種復合干燥技術，在提高物料干燥速率、降低能耗和提高干制品質量方面具有獨特優勢[9]。通過干燥動力學模型能夠較準確地預測果蔬干燥過程中水分變化規律[10]。陳健凱等[11]采用熱風和微波真空聯合干燥杏鮑菇，所得最佳工藝參數為熱風溫度73.55 ℃、轉換點含水率60 g/g、微波功率2.65 kW。DAS等[12]應用120 W微波和60 ℃熱風干燥雙孢菇切片的研究表明，微波-熱風聯合干燥可顯著縮短干燥時間，所得成品感官和復水效果好。董周永等[13]對熱風-微波聯合干燥黑木耳的研究發現，70 ℃熱風聯合385 W微波干燥所需時間僅為同溫度熱風干燥時間的52%，且干品品質高，干燥過程可用Page模型方程預測。PEI等[14]認為冷凍-微波真空聯合干燥適用于雙孢菇干燥，Page模型對冷凍干燥過程水分曲線擬合最好，而Logarithmic模型對微波真空干燥過程擬合最好。

熱風干燥和微波干燥是果蔬干制加工中的常用干燥方法，熱風-微波聯合干燥集2種干燥方法優點于一體，廣泛用于果蔬干燥領域[15]。但關于雞樅菌采后聯合干燥特性及動力學模型的研究鮮有報道。雞樅菌干燥預實驗表明，熱風干燥時間長、效率低，且干制品表面皺縮、硬化，褐變嚴重，營養物質損失多，不適于全過程干燥；但后期輔以微波干燥，可提高干燥速率、降低能耗，且感官品質和風味均比熱風干燥明顯提高。為此，本實驗以雞樅菌為材料，研究熱風-微波聯合干燥對雞樅菌干燥特性及品質的影響，通過干燥動力學模型模擬和預測雞樅菌干燥期間含水量變化規律，旨在為雞樅菌干制加工和裝備開發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

雞樅菌，金鄉聯盛菌業有限公司，初始含水率(濕基)為89%； 1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)，美國Sigma公司；其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

SCBX-1000蔬菜保鮮柜，韶關鑫騰儀器有限公司；101-2AB鼓風干燥箱，天津泰斯特儀器有限公司；723PC分光光度計上海菁華儀器有限公司；FW135中藥粉碎機，天津泰斯特儀器有限公司；NN-CD997S實驗室專用微波爐，日本松下電器公司；SY-1000超聲提取機，上海寧商超聲有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 雞樅菌干燥方法

材料預處理：挑選子實體大小、外觀色澤基本一致、菌體完整、無機械傷及霉變的新鮮雞樅菌，清水洗凈，用2 g/L檸檬酸護色30 min[16]后，自然瀝干，備用。

前期熱風干燥：稱取300 g雞樅菌，均鋪于鼓風干燥箱物料架上，分別于50、60、70和80 ℃干燥。預試驗表明，雞樅菌干燥速率<0.01 g/(g·min)時，干燥時間明顯延長，菌體皺縮褐變嚴重，但輔以微波干燥，可彌補此不足。故雞樅菌干燥速率降至0.01 g/(g·min)時停止干燥。每10 min快速稱量1次，各處理重復3次。

后期微波干燥：經前期熱風干燥的雞樅菌，分別于微波密度2.91、6.78和10.65 W/g下進行微波間歇干燥[17]。每干燥1 min間隔2 min，期間快速稱量質量，至雞樅菌干基含水率為0.12 g/g時停止干燥，符合GB 7096—2014《國家食品安全國家標準 食用菌及其制品》中食用菌干制品[18]規定的安全水分要求。各處理重復3次。

1.3.2 理化指標的測定

1.3.2.1 含水率計算

采用直接干燥法測定濕基含水率，按照公式(1)計算干燥任意t時刻的干基含水率(Mt)[19]:

(1)

式中：mt,干燥至t時刻的質量，g；m,干燥至恒定質量時的質量，g。

1.3.2.2 水分比計算[20]

水分比(moisture ratio,MR)按照公式(2)計算:

(2)

式中：M0,初始干基含水率，g/g；Mt,干燥至任意t時刻的干基含水率，g/g。

1.3.2.3 干燥速率計算[20]

干燥速率(drying ratr,DR)按照公式(3)計算:

(3)

式中：Mti+1,ti+1時刻干基含水率，g/g；Mti,ti時刻干基含水率，g/g；Δt,ti+1與ti時刻時間差，min。

1.3.2.4 DPPH 自由基清除能力的測定

雞樅菌干品粉碎過100目篩，稱取5 g雞樅菌粉，按料液比1∶20(g∶mL)混勻，用超聲提取機于1 000 W、R 250、50 ℃下提取10 min后沸水浴提取15 min，4 500 r/min離心15 min，得雞樅菌水提液，定容至100 mL。將2 mL雞樅菌水提液與2 mL 0.1 mmol/L DPPH 溶液加至同一試管中，室溫避光反應30 min，以無水乙醇作參比，測定517 nm波長處的吸光度A1，測定2 mL 0.2 mmol/L DPPH 溶液與等體積無水乙醇室溫避光反應30 min后的吸光度A0，以及2 mL雞樅菌水提液與等體積無水乙醇室溫避光反應30 min后的吸光度A2，按照公式(4)計算清除率[21]:

(4)

1.3.3 感官評定

由10名評價員組成感官評定小組，參照徐曉飛等[22]方法制定雞樅菌干品評分標準，就菌蓋形狀、色澤、菌體基部顏色、干癟皺縮程度、菌體氣味和質地等方面進行評價?？偡忠?5分計，標準見表1。

表1 雞樅菌干品感官評分標準Table 1 Standard for sensory scoring of dried Termitomyces albuminosus

1.3.4 干燥動力學模型

采用8個常用薄層干燥動力學模型擬合熱風-微波聯合干燥曲線，預測雞樅菌干燥期間水分含量的變化，所選動力學模型見表2。

表2 薄層干燥動力學模型[23-25]Table 2 Kinetic model of thin layer drying

(5)

(6)

(7)

式中：MRexp,i,第i個實驗MR值；MRpre,i,第i個干燥模型預測MR值；MRexp,MR實驗值的平均值；m,模型待測參數的個數；M,干燥實驗數據的個數。

1.3.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2010對干燥數據進行統計分析并繪制干燥曲線，用SPSS 17.0進行顯著性分析，用Origin 8.0進行干燥動力學模型非線性擬合。

2 結果與分析

2.1 雞樅菌前期熱風干燥結果

2.1.1 雞樅菌熱風干燥失水特性

由圖1可知，熱風干燥初期干基含水率隨干燥時間變化明顯，后期變化緩慢，這是因為熱風干燥初期雞樅菌水分含量較高，物料與干燥介質間濕度差較大，此時干燥速率快；隨著干燥時間延長，雞樅菌含水量逐漸降低，內部水分向表面擴散的阻力加大，加之菌體表面硬化，干燥速率逐漸下降[12,15]。熱風溫度50、60、70和80 ℃時，干燥速率降為0.01 g/(g·min)時所需時間分別為310、230、180和150 min，各處理差異顯著(P<0.05)；提高干燥溫度，可提高干燥速率。這與熱風溫度升高、干燥介質與雞樅菌的濕度差變大、菌體內部傳質推動力加大、干燥速率增加有關[20]。

圖1 雞樅菌前期熱風干燥曲線Fig.1 Prophase hot air drying cur e of T. albuminosus

由圖2可知，雞樅菌熱風干燥包括加速干燥和降速干燥2個階段，無明顯恒速干燥階段。因為熱風干燥初期，雞樅菌含水率很高，表面水分蒸發快，內部水分遷移快，干燥速率迅速升高；當菌體內部水分擴散速率<表面蒸發速率時,進入降速干燥階段[23]。熱風溫度越高，干燥速率越快(P<0.05)，隨干基含水率降低，干燥速率均呈下降趨勢，這與干燥后期雞樅菌內部水分擴散濕度梯度減小有關[27]。

圖2 雞樅菌前期熱風干燥速率曲線Fig.2 Prophase hot air drying rate cur e of T. albuminosus

2.1.2 雞樅菌熱風干燥參數分析

由表3可知，熱風干燥結束時轉換點干基含水率隨干燥溫度的升高而降低，50 ℃熱風處理的轉換點干基含水率最高為1.06 g/g，到達轉換點所需干燥時間最長(P<0.05)。轉換點時雞樅菌感官評分以60 ℃處理最高，感官品質最佳，各干燥溫度下的感官評分差異顯著(P<0.05)。這是因為50 ℃熱風干燥時間長，酶促褐變程度高[19]；50、70和80 ℃干燥雞樅菌基部均出現明顯褐色斑點，感官評價顯著低于60 ℃熱風干燥(P<0.05)，這與王漢羊等[20]、李湘利等[27]的研究結果相似。因此，雞樅菌熱風干燥階段宜選擇60 ℃，此溫度下干燥230 min達轉換點干基含水率為0.57 g/g。

表3 雞樅菌前期熱風干燥指標結果Table 3 Results of T. albuminosus by prophase hot air drying

2.2 雞樅菌后期微波干燥結果

2.2.1 雞樅菌微波干燥失水特性

由圖3可知，隨微波密度增加，雞樅菌微波干燥速率增大；微波密度為2.91、6.78和10.65 W/g時，干燥至干基含水率0.12 g/g所用時間分別為29、12和5 min，各微波處理間差異顯著(P<0.05)。干基含水率在微波密度6.78、10.65 W/g時，干基含水率隨時間變化明顯；但2.91 W/g微波密度時較小，干基含水率隨時間變化緩慢。隨著干基含水率的降低，雞樅菌對微波能的吸收能力下降，干燥速率逐漸下降[15,20]。

圖3 雞樅菌后期微波干燥曲線Fig.3 Anaphase microwa e drying cur es of T. albuminosus

由圖4可知，雞樅菌微波干燥包括加速干燥和降速干燥2個階段，無明顯恒速干燥階段。隨著微波密度增加，干燥速率明顯加快(P<0.05)。微波干燥時，雞樅菌表面和內部同時受熱，物料溫度急劇升高，干燥速率增大[12,27]。比較圖2與圖4可知，后期微波干燥速率極顯著高于熱風干燥處理(P<0.01)，由于熱風干燥已去除雞樅菌大部分自由水，菌體含水率較低，所以干燥速率達峰值后迅速下降[15]。因此，雞樅菌由熱風干燥轉為微波干燥后期，直接由加速干燥階段轉為降速干燥階段。

圖4 雞樅菌后期微波干燥速率曲線Fig.4 Anaphase microwa e drying rate cur e of T. albuminosus

2.2.2 雞樅菌微波干燥參數分析

由表4可知，6.78 W/g微波干燥雞樅菌的感官評分為24分，DPPH自由基清除率為78%，顯著高于其他處理組(P<0.05)；隨著微波密度增加，平均干燥速率升高，各微波干燥處理間差異顯著(P<0.05)。在微波干燥階段，雞樅菌菌蓋均出現不同程度的褐變，且10.65 W/g微波干燥菌基褐變和菌柄焦糊嚴重，高微波密度干燥對抗氧化性物質有一定的破壞作用[28]。2.91 W/g微波干燥的干燥時間較長，活性物質損失較多。因此，后期干燥以微波密度6.78 W/g間歇干燥為宜。

表4 雞樅菌后期微波干燥指標結果Table 4 Results of T.albuminosus by anaphase microwa e drying

2.3 雞樅菌干燥動力學模型擬合與驗證

2.3.1 雞樅菌干燥動力學模型擬合

采用8個薄層干燥動力學經典模型對雞樅菌熱風-微波聯合干燥的不同階段、不同條件下的實驗數據進行非線性回歸擬合，結果見表5、表6。

表5 雞樅菌前期熱風干燥的模型擬合結果Table 5 Model fitting results of T. albuminosus by prophase hot air drying

表6 雞樅菌后期微波干燥的模型擬合結果Table 6 Model fitting results of T.albuminosus by anaphase microwa e drying

2.3.2 雞樅菌干燥模型的驗證

圖5 雞樅菌干燥的實測值與預測值Fig.5 Experimental and predicted alues of dried T.albuminosus

3 討論

熱風-微波聯合干燥技術是熱風與微波相組合的一種干燥技術。采用熱風-微波聯合干燥，大大提高了雞樅菌干燥速率，且成品無明顯皺縮和焦糊硬化現象，感官品質好。這與熱風-微波聯合干燥雙孢菇[12]、山楂[29]和薯片[30]的研究結果相似。所得干燥動力學模型可預測雞樅菌聯合干燥過程，為工藝優化及聯合干燥設備開發提供理論依據，但關于雞樅菌聯合干燥工藝參數優化仍需深入探討。

Weibull模型是干燥動力學模型之一，廣泛應用于果蔬干燥領域[20,25]，而關于Sweibull2模型采用較少。在擬合雞樅菌微波干燥數據時Sweibull2模型表現出很好的適用性。這可能是由于不同物料采用的干燥方式不同、不同干燥階段物料所表現的干燥特性不同所致。關于動力學模型在不同物料干燥中的適用性還有待進一步研究。

4 結論

采用不同熱風溫度和微波功率密度聯合干燥雞樅菌，所得干燥曲線和干燥速率曲線符合干燥特性，主要包括加速干燥和降速干燥2個階段，無明顯恒速干燥階段。

雞樅菌熱風-微波聯合干燥的最佳干燥參數為60 ℃熱風干燥230 min至轉換點干基含水率0.57 g/g，再以微波密度6.78 W/g干燥12 min至干基含水率0.12 g/g。