掛面干燥過程水分動力學研究進展

王 遠， 張影全， 蔣長興， 張 波， 郭波莉， 魏益民

(中國農業科學院農產品加工研究所；農業農村部農產品加工綜合性重點實驗室1，北京 100193) (淮陰工學院生命科學與食品工程學院2，淮安 223003)

掛面是由小麥粉、水、食鹽或堿，以及其他輔料等，通過和面、醒發、壓延、切條、干燥、包裝等工序加工制成的干面條產品，是人們喜愛的主要面食之一[1,2]。干燥工序是掛面生產的關鍵工序之一，其能耗約占整個掛面生產過程的60%[3]。魏益民等[4]分析認為，通過優化干燥工藝、烘房結構以及干燥過程控制參數，可使掛面產量提高42.91%，生產能耗降低24.56%，干燥時間縮短12.50%。掛面干燥主要是內部水分遷移、轉化以及汽化脫除的過程。水分含量、狀態、分布及其動態變化與掛面的干燥過程、產品質量和干燥能耗密切相關[5-9]。本文從水分動力學及影響掛面干燥水分遷移規律的因素等方面進行綜述，以期為掛面干燥工藝設計、工藝控制、穩定產品質量提供理論依據和設計指導。

1 掛面中水分狀態及分布

常用的水分含量及狀態測定方法有直接干燥法(烘箱法)[10]、近紅外光譜法[2]、低場核磁共振法[11]、差示掃描量熱法[8]等。其中，低場核磁共振技術可快速無損測定樣品中水分含量、不同結合狀態水分的橫向弛豫時間、相對含量等。在面團制作，面包制作、老化，以及面條干燥及烹飪過程中的水分狀態和變化等研究中得到廣泛應用[8, 12-16]。魏益民等[17]發明了溫度、濕度、時間可組合，可程序化控制，功耗、水分狀態和含水率可在線檢測的“食品水分分析技術平臺”。該平臺可實現物料水分含量、狀態、分布、遷移的實時、在線、原位檢測，獲得高精度的物料水分含量、水分結合狀態、質子密度分布隨時間的原位動態變化及特征等信息[18]。

前人利用低場核磁共振技術研究發現，掛面中通常存在3種不同結合狀態的水，根據面條中水分子與蛋白質、淀粉等物質結合能力的強弱，分別為強結合水、弱結合水和自由水[19]。強結合水的橫向弛豫時間(T21)最小，變化范圍為0.03～0.60 ms，通常代表存在于淀粉內部與蛋白質緊密結合的水分，在干燥過程中最難脫除；弱結合水的橫向弛豫時間(T22)變化范圍為0.96～6.75 ms，與物料基質結合能力較弱，通常代表存在于淀粉外部和面筋網絡內部的水分，在干燥過程中能逐漸被脫除；自由水的橫向弛豫時間(T23)變化范圍為57.22～354.54 ms，通常代表存在于面筋網絡周圍以及與淀粉顆粒表面羥基結合的移動性較強的水分子[19]。Wang等[13]研究認為，水分在干燥過程中逐漸從淀粉顆粒內部遷移出去，并與無定形淀粉和面筋網絡結合，使得T22下降。干燥初期，面條內部產生了微孔，水分從面條內部通過孔隙通道以水蒸氣的形式轉移到面條表面，并擴散至空氣中，以至于可以檢測到A23峰。面條內部水分含量、結合狀態、分布等受原料、加工工藝等因素的共同影響[13, 19, 20]；同時，面制品水分含量及狀態也與產品儲藏、質量等密切相關[7, 9]。

2 干燥過程水分動力學

水分動力學主要指物料內部微觀層面水分相態轉變、宏觀含水率變化與各種影響條件之間的關系，可通過水分與物料內部結合緊密程度表征水分存在狀態；通過不同狀態水分含量變化表征其遷移、轉化過程；通過宏觀含水率表征水分汽化規律[13, 14, 21]。掛面干燥過程水分動力學主要涉及內部水分的遷移、轉化和汽化機制與規律。國內學者在干燥過程宏觀含水率隨時間的變化規律及相關模型擬合等方面取得了一定的進展。武亮等[22]研究發現，掛面干燥速率取決于面條內部和外部環境(干燥介質)之間的水分梯度，即干燥介質的相對濕度，其次是干燥介質的溫度。綜合分析認為，Page模型能較好的反映掛面干燥過程水分含量隨時間的變化規律，如式(1)～式(3)。

MR=exp(-k×ta)

(1)

a=0.039+0.13T+0.136H

(2)

k=0.02-1.387×10-5T-1.282 1×10-5H+1.737×10-7T×H

(3)

式中：MR為掛面干燥過程含水率/%；T為熱空氣的溫度/℃；H為熱空氣的相對濕度/%；t為干燥時間/s。

魏益民等[23]通過干燥過程溫度傳導、水分運移規律和過程特點的實驗數據，驗證了掛面干燥過程“三段論”可分為預干燥階段(0～30 min)，主干燥階段(31～180 min或31～240 min)，最后干燥階段(181～300 min 或 240～300 min)。王振華[24]在前人研究的基礎上，將掛面看作虛擬連續介質體，根據質量、能量守恒原理，利用掛面溫度(Tp)、氣體溫度(Ta)、掛面干基含水率(M)、濕空氣中水分的質量濃度(Y)4個參數，建立了掛面干燥過程的濕熱耦合傳遞數學模型，如式(4)～式(11)。驗證結果表明，該模型的模擬值與實驗值吻合較好。利用該模型分析發現，干燥過程中掛面溫度升高，最外側水分先脫除；干燥過程中存在含水率從表面開始降低的梯度界面，界面不斷內移，10 min到達幾何中心；水分場的不均勻性持續時間較長，約120 min，而溫度場的不均勻性持續時間較短，約20 min。干燥過程中內部水分傳遞是影響干燥的主要因素。但該模型的實際生產應用效果仍有待進一步驗證。此外，有研究發現掛面含水率與弱結合水橫向弛豫時間(T22)呈線性相關(R2≥0.947)[19, 20]。

(4)

(5)

(6)

(7)

ε=-1.090 4×P+29.522 0

(8)

V=-0.009 442 1×P+0.240 19

(9)

Kd=0.02-1.387×10-5(Ta-273.15)-1.282 1×10-5RH

(10)

N=0.039+0.013(Ta-273.15)+0.013 6RH

(11)

式中：ε為微元體的孔隙率/%；ρa為空氣的密度/kg/m3；Y為濕空氣中水分的質量濃度/kg/kg；V為孔容/mL/g；D為水分在空氣中的擴散系數分量/m2/s；ρpd為掛面的絕干密度/kg/m3；Ca為濕空氣的比熱容/J/(kg·K)；Ta為氣體的溫度/K；Tr為參考溫度，K；CW為液態水的比熱/J/(kg·K)；TP為掛面的溫度/K；hv為條件下水的蒸發潛熱/kJ/kg；E為單位質量濕空氣所具有的熱量/J/kg；h為對流換熱系數/W/(m2·K)；ρp為不同蛋白質含量掛面密度/kg/m3；Cp為掛面的比熱容/J/(kg·K)；kp為掛面的導熱系數/W/(m·K)；MR為水分比/%；M為掛面的干基含水率/kg/kg；Mε為物料的平衡含水率/kg/kg；M0為物料的初始含水率/kg/kg；Kd、N為干燥常數；t為時間/s；RH為空氣的相對濕度/%。

Yu等[14]利用低場核磁成像技術(MRI)，采用“油浸法”從分子水平上揭示了圓形擠壓面條干燥過程水分遷移規律。結果表明，干燥過程中，0～180 min含水率變化較快，干燥速率較大，180 min之后含水率變化較慢，干燥速率較小。掛面干燥過程中掛面內部含水率梯度的建立是漸進的。在干燥的90 min時，掛面內部才建立從中心到邊緣的水分梯度。在干燥后期(180 min之后)面條邊緣和中心的含水率梯度基本消失，掛面橫截面的含水率較均一，并隨著干燥過程的進行緩慢下降。干燥過程中，3種結合狀態水分橫向弛豫時間(T2)均有不斷減小的趨勢，強結合水相對含量(A21)不斷下降，弱結合水相對含量(A22)不斷上升，自由水相對含量(A23)有增大的趨勢，但占比較小，大約在2%以下。于曉磊等[19, 20]研究表明，隨著干燥過程的進行，強結合水橫向弛豫時間(T21)、弱結合水橫向弛豫時間(T22)不斷減小，A21有減小的趨勢，A22有增大的趨勢。

掛面干燥過程水分遷移轉化速率取決于面條內部和外部環境之間的水分梯度，并在干燥過程中呈現與干燥時間相符合的階段性特征。干燥過程中，掛面內部含水率梯度的建立是漸進的。利用Page模型能很好的模擬干燥過程中掛面含水率隨時間的變化規律。然而，前人的實驗大多采用的是恒溫恒濕干燥工藝，與實際生產的干燥工藝參數和條件有一定差異，建立的相關模型在實際生產中的應用效果仍有待進一步驗證。關于干燥過程掛面內部不同狀態水分遷移轉化規律的研究，采用的是間斷取樣的方式進行分析測定，這對于更好的理解和揭示掛面干燥過程不同狀態水分遷移轉化規律具有一定的局限性。

3 影響掛面干燥水分遷移規律的因素

3.1 蛋白質/淀粉含量及組成

3.1.1 蛋白質含量及組成

面筋蛋白是小麥蛋白質中最重要的組分，主要由麥谷蛋白和醇溶蛋白組成，在加工過程中與水作用，逐漸聚集形成一定的網絡結構，決定著小麥面團的延伸性和彈性，并最終影響產品質量[25]。小麥蛋白質，尤其是面筋蛋白的數量和質量與面條加工過程及產品質量密切相關[25, 26]。面條制品在干燥過程中面筋蛋白之間會形成二硫鍵，促進單體蛋白聚集形成大分子蛋白聚集物[27]。

Wang等[13]研究了不同配比谷朊粉/小麥淀粉(8.2%～20.2%)制備的掛面干燥過程水分遷移規律。結果表明，在鮮面中，谷朊粉含量對A21、A23影響不大，對A22影響顯著。T22隨谷朊粉和含水率的增加而增加；在干燥過程中，隨著谷朊粉含量升高，水分遷移速率逐漸降低，谷朊粉質量分數為8.2%時，面條干燥過程中有效水分擴散系數最大，為12.763 4×10-9m2/s；谷朊粉質量分數為20.2%時，有效水分擴散系數僅為10.00×10-9m2/s左右。面筋蛋白形成的網絡結構能阻礙水分的遷移[28]。此外，通過增加小麥粉中麥谷蛋白/醇溶蛋白比例(1.3～1.7)，能降低冷凍熟面中可凍結水含量，減少了凍藏過程中冰晶對面筋網絡結構的破壞作用，穩定產品質量[29]。

3.1.2 淀粉含量及組成

淀粉在掛面中所占比例最大，具有緩解面筋強度，填補面筋網絡孔隙的作用[30]。淀粉含量過高，面筋網絡結構不能充分展開，不能壓延形成光滑的面帶，面條也容易斷裂[6]。在小麥粉中淀粉以顆粒狀存在，根據顆粒大小分為A型和B型。A型和B型淀粉顆粒表面的孔隙(0.1～0.3 μm)和通道(0.07～0.1 μm)分布不同。A型顆粒顯示出較大的孔，主要來自赤道凹槽區域和其他區域的細小通道；B型顆粒則主要具有較大的，邊界不明的，孔洞狀的通道，這些通道被蛋白質堵塞。淀粉顆粒表面的孔隙和通道可使得水直接進入顆粒內部[31]。

魏益民等[6]認為，弱結合水是存在于淀粉內部與淀粉羥基質子結合的水分，該部分水分可從淀粉內部遷移出來并與面筋網絡及無定型淀粉的CH質子結合，內部剩余水分與小麥粉其他基質結合更加緊密，難以脫除。在鮮面條中淀粉與水的結合能力強于蛋白質[13]。在小麥淀粉/面筋蛋白(0%～100%)粉末混合體系及擠壓樣品中，則表現為淀粉含量越高，樣品失水速率越高。在失水的過程中，樣品中水分與非水成分的結合形式影響水分遷出的速率，結合水失水速率的變化率低于自由水[28]。Li等[32]認為在淀粉和谷朊粉混合體系中，谷蛋白可能通過界面上氫鍵與淀粉結合形成聚合物，有效阻礙分子的移動；干燥時，淀粉對水分的敏感性弱于蛋白質。

3.2 食鹽

和面過程中加入食鹽有助于小麥粉均勻吸水；在面團攪拌時，麥谷蛋白形成較為完善的網絡結構，包裹醇溶蛋白和淀粉，增加面筋勁力和延展性，改善面條的加工特性和食用品質[33, 34]。食鹽溶于水后能加大面粉吸水速率，氯離子和鈉離子分布在蛋白質周圍，具有固定水分、保濕作用[35]。

Zhang等[36]研究發現，在相同的煮制條件下，隨著食鹽濃度增加，面條內結合水含量升高，自由水含量降低。Chen等[33]研究了不同食鹽質量分數(0%～13%)對掛面干燥特性的影響，結果表明掛面干燥速率隨著食鹽含量的增加而減小。食鹽降低掛面干燥速率的可能原因：一是食鹽的保濕作用；二是食鹽能促進面團面筋網絡結構形成，從而阻礙水分遷移。

3.3 加工工藝

3.3.1 和面工藝

和面是掛面加工過程中的第一道工序。小麥粉與水混合均勻，經適當攪拌形成均勻的面絮[37]。和面方式及和面時間均影響面絮中水分結合狀態、面片中水分分布[37, 38]。普通和面、手工和面、真空和面3種和面方式中，真空和面能使得面團形成均勻致密的蛋白質網絡結構，淀粉顆粒緊密鑲嵌其中，促進水分與淀粉、蛋白質等物質結合，顯著增加面條中強結合水比例[39]。也有研究發現，和面加水量影響掛面干燥過程中T2、A2，干燥速率隨初始面絮含水量提高而升高[13, 19, 20]。

3.3.2 壓延工藝

壓延比及壓延方式對面團微觀結構及水分分布有顯著影響[39, 40]。Song等[41]研究發現，面片越薄，壓延過程中到達面片內的機械力越強，使GMP聚合物分解成更小分子量的蛋白質并通過形成二硫鍵重新聚合，形成致密的面筋網絡結構，從而降低鮮面中水分子的流動性。采用45°和90°折疊延壓的方式有助于面筋向各方向充分均勻展開；通過控制壓延次數有助于面團內部自由水向強結合水轉變，增加水分與面團結合強度[40]。此外，壓延過程中，采用折疊和變換壓延方向兩種工藝相結合的方式能增加面團黏彈性，增加面團內部深層結合水比例，降低自由水流動性[39]。

3.3.3 掛面尺寸

切條是利用切面刀將不同厚度的面片按照生產要求切成不同尺寸的濕面條，然后上架進行干燥。武亮等[10]研究了烘房內介質干燥條件對厚度相同，寬度不同(1、2、3 mm)掛面脫水速率的影響。結果表明，相同干燥條件下，掛面產品水分含量無顯著差異。Yu等[14]將4 mm擠壓面條干燥前300 min脫水數據通過Page模型擬合發現，擠壓面條與壓延面條干燥曲線一致。Shi等[42]研究發現，不同燕麥粉含量新鮮面條厚度顯著影響面片中A21、A22。

3.3.4 干燥工藝

溫度、相對濕度、風速是干燥工藝中的主要控制條件，也是影響掛面干燥脫水速率、產品質量的重要因素[10, 45, 47]。王杰等[43]通過分析掛面產品水分含量、色澤及抗彎強度與干燥工藝參數的關系，認為烘房一區溫度和四區相對濕度是掛面干燥工藝關鍵控制點。而掛面干燥過程中，隧道式烘房內氣流分布存在不均勻現象，風速在4個干燥區段對溫度和相對濕度的影響方向和大小有所不同，風速、溫度、相對濕度在各干燥區段之間存在顯著性差異[44]。

溫度是影響掛面干燥過程的重要因素，也是生產中較容易控制和調節的因素。合理的干燥溫度不僅能夠促進面條水分蒸發、提高面條品質，而且能縮短干燥時間，降低生產成本[45]。魏益民等[21]研究了恒溫恒濕干燥條件下，不同溫度、相對濕度組合條件下掛面干燥特性規律變化。結果表明，相對濕度相同條件下，50 ℃條件下掛面干燥速率最高，掛面最終含水率最低，干燥速率曲線呈現明顯的三段式特征(先升高，后降低，并逐漸趨于0)。

魏益民等[6]研究發現，就整體干燥過程而言，相對濕度對掛面干燥速率影響大于溫度。相對濕度對干燥脫水量的影響大于溫度和風速[10]。在高溫(60～80 ℃)、高濕(75%～85%)干燥條件下，精準控制相對濕度至關重要[46]。在沒有控制相對濕度條件下，通過采用增加空氣流速、溫度的方式縮短干燥時間會使得干白鹽面條產品產生干燥裂紋，影響產品質量[47]。

烘房內空氣既是熱載體，又是濕載體，通風及空氣對流對溫度和相對濕度影響顯著，直接影響烘房內溫度及濕度的均勻性，進而影響掛面干燥特性及產品質量[10, 48]。目前國內掛面生產企業通常是根據經驗，通過調節烘房內風扇的開或關、以及風扇安裝位置等措施控制烘房內空氣流速和流向。楊夫光等[49]現場測試發現，隧道式兩排掛面烘房空氣流速均值為0.82 m/s(上、中、下部分空氣流速均值分別為1.00 、0.80 、0.60 m/s)時，可實現烘房內溫濕度分布均勻，有助于掛面干燥。也有研究表明烏冬面表觀水分擴散系數與空氣流速呈正相關關系，初始干燥階段與主干燥階段均存在干燥速率臨界點(2.0、 1.0 m/s)，超過該點干燥速率不再增加[50]。

小麥粉物質組成、產品配方、加工工藝、干燥工藝參數等均會對掛面干燥過程水分動力學產生一定的影響，并最終影響產品質量。然而，對于不同配方、加工工藝等對掛面干燥過程水分狀態遷移、轉化，以及其與產品質量形成機制等研究還有待深化。

4 小結與展望

掛面中通常存在3種不同結合狀態的水。干燥過程中，掛面內部不同結合狀態水分相互轉化，不同狀態水分變化趨勢不盡一致。干燥過程掛面內部含水率梯度的建立是漸進的，利用Page模型能很好的模擬干燥過程中掛面含水率隨時間的變化規律。原料組成、產品配方、加工工藝等均會對面條內部水分結合狀態、分布以及干燥過程遷移動力學產生一定的影響，并最終影響產品質量。

掛面干燥過程水分動力學主要涉及內部水分的遷移、轉化、汽化規律及機制，這一過程的科學合理性對生產效率、產品質量、干燥能耗等具有顯著影響。干燥過程水分動力學受到小麥粉物質組成、產品配方、加工工藝、干燥工藝參數等共同影響。關于掛面干燥工藝、干燥動力學等問題，逐漸被國內學者、生產者、設備制造商所重視，主要研究集中在干燥工藝參數(溫度、相對濕度、風速等)對掛面干燥特性、產品質量的影響方面，其結果用于指導干燥工藝參數設計和干燥工藝控制，并在生產上發揮了一定的作用。

掛面干燥過程水分動力學及應用方面仍存在有待進一步研究或探討問題：1)干燥過程不同結合狀態水實時動態分布、遷移、轉化規律與機制，及其對掛面質量形成的影響機理，仍需要進一步梳理，做系統深入地闡述；2)干燥過程水分遷移介導蛋白聚集體網絡結構和形貌變化，進而對產品食用品質的作用機制，尚需進一步深入研究；3)實驗室研建的干燥動力學模型，仍有待于在生產中的進一步確證，以及開發與之相對應的掛面智能化干燥控制技術和裝備；4)隨著“碳達峰”“碳中和”等國家戰略的不斷深入，開發綠色能源，開發節能干燥技術與裝備正逐漸成為行業發展的主要訴求，而系統揭示掛面干燥過程水分動力學理論及相應的分析和控制方法，可以為新型干燥技術與裝備研發提供參考。