不同預干燥方式對瞬時壓差膨化香菇脆品質特性的影響

趙 亞，張越翔，徐 燕，石啟龍

（山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東淄博 255000）

香菇（Lentinus edodes）是源于中國的珍貴食用菌，被譽為“蘑菇皇后”，不僅富含蛋白質、氨基酸、維生素等營養成分，而且含有香菇多糖、香菇多肽和麥角固醇等活性成分，兼具藥食同源功能[1]。香菇含水率高，呼吸和蒸騰作用旺盛，采后極易發生褐變、開傘、腐爛等劣變現象[2]。這不僅造成了采后巨大損失，而且制約了香菇產業的可持續發展。大力發展香菇精深加工是解決這一問題的重要途徑。

香菇脆片是利用脫水技術加工而成的一種休閑食品[3]。目前，香菇休閑脆片加工方法包括油炸/真空油炸[4]、真空冷凍干燥（freeze drying，FD）[5]、微波干燥（microwave drying，MWD）[6]、變溫壓差膨化[7]。真空油炸是食用菌脆片主要加工方式，但制品含油率高，不僅容易氧化酸敗，長期食用對人體健康不利[8]。FD 香菇脆片品質高，但生產周期長、耗電量高[9]。微波干燥不均勻，產品容易焦糊，而且存在微波泄露等問題[3]。

瞬時壓差膨化（instant controlled pressure drop puffing，法文Détente Instantanée Contr?lée，DIC），又稱氣流膨化、變溫壓差膨化、爆炸膨化干燥、壓差閃蒸膨化干燥，主要用于蘋果、桃、菠蘿、胡蘿卜、南瓜等非油炸果蔬脆片的加工[10]。但是，國內外關于DIC 食用菌尤其香菇脆片方面的報道非常少，主要集中在切片香菇膨化工藝參數優化方面。劉增強等[7]利用響應面法優化得到香菇脆片最優膨化工藝為：香菇片厚度7 mm、膨化壓力0.2 MPa、膨化溫度90 ℃、停滯時間12 min、抽空溫度80 ℃、抽空時間68 min。郭玲玲等[11]通過響應面法優化得到香菇脆片的最優工藝參數為：預干燥含水率35.42%、抽空溫度56.88 ℃、抽空時間0.88 h。

預干燥是決定DIC 果蔬脆片品質的關鍵因素，決定物料膨化效果和膨化產品品質[10]。預干燥方式包括滲透脫水（osmotic dehydration，OD）、熱風干燥（hot air drying，HAD）、真空干燥（vacuum drying，VD）、FD、MWD、紅外干燥（infrared drying，IRD）及上述方式聯合，例如：OD-HAD-DIC 蘋果丁[12]，HAD-DIC、MWD-DIC、FD-DIC 蘋果丁[13]、FD-DIC 枸杞[14]，ODHAD-DIC 黃桃片[15]，HAD-DIC、FD-DIC 南瓜片[16]，MVD-DIC 胡蘿卜[17]，HAD-DIC 山藥片[18]。劉增強等[7]和郭玲玲等[11]研制的香菇脆片分別以VFD 和IRD 為預干燥方式。VFD 設備投資和維護成本高，而且能耗高[3,9]，紅外輻射加熱不均勻且穿透深度有限[19]。因此，亟需節能、高效、溫和的預干燥方式。熱泵干燥（heat pump drying，HPD）因參數容易控制、條件溫和、節能與環境友好，適用于熱敏性物料干燥[20]。鑒于此，本研究以整果香菇為原料，探究HAD、HPD、FD 等3 種預干燥方式對香菇脆品質特性的影響，旨在為非油炸香菇脆DIC 技術提供理論依據和實踐參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮香菇 購于淄博眾志農業科技有限公司；麥芽糊精（MD） （DE 值=15，食品級） 山東西王集團有限公司；乳清分離蛋白（WPI）（食品級） 山東谷康生物工程有限公司；無水亞硫酸鈉（分析純） 天津市瑞金特化學品有限公司；食鹽、雞味粉 市售。

FD-IB-80 冷凍干燥機 北京博醫康實驗儀器有限公司；DHG-9140A 電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；1HP-5 熱泵除濕干燥設備 青島歐美亞科技有限公司；PHK600-1 果蔬低溫氣流膨化設備 天津市勤德新材料科技有限公司；UV-2102PCS紫外可見分光光度計 尤尼科（上海）儀器有限公司；IKA T18 高速分散機 德國IKA 集團；PQ001 核磁共振分析儀 上海紐邁電子科技有限公司；TA.XT PLU 物性測試儀 英國Stable Micro Systems 公司；HH-6 數顯恒溫水浴鍋 龍口市先科儀器公司；WSC-S 測色色差計 上海儀電物理光學儀器有限公司；AL204 分析天平 梅特勒-托利多儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 滲透及調味處理 香菇采摘后立即冷鏈運輸至實驗室，5 ℃冷藏備用。香菇初始濕基含水率為85%±2%，菌蓋直徑（5±0.5）cm。香菇去除菇柄、清洗后置于質量分數0.6%亞硫酸鈉溶液中護色20 min，然后取出，瀝干表面水分。將香菇置于熱泵除濕干燥設備，溫度35 ℃、風速1.5 m/s 條件下預干燥至濕基含水率70%。然后，將香菇置于復合滲透調味溶液（溶質及質量分數分別為：20%麥芽糊精，10%乳清分離蛋白，2%食鹽，1%雞味粉），在溫度25 ℃、料液比1:3 條件下滲透調味處理3 h。

1.2.2 預干燥方式 滲透調味預處理后的香菇平均分成3 份，分別進行HAD、HPD 和FD 預干燥。HAD參數：溫度65 ℃，風速1.0 m/s。HPD 參數：溫度35 ℃，風速1.5 m/s。FD 參數：香菇于-40 ℃預冷24 h，然后置于凍干機中，控制冷阱溫度-78 ℃，真空度≤30 Pa。采用3 種預干燥方式將香菇濕基含水率降低至35%±2%，然后分別密封于鋁箔袋中，置于4 ℃展示柜均濕處理24 h。

1.2.3 DIC 均濕處理后的香菇置于果蔬低溫氣流膨化設備，控制DIC 參數分別為：膨化溫度85 ℃，膨化壓力0.3 MPa，停滯時間12 min，真空干燥溫度65 ℃。直至香菇濕基含水率≤7%，膨化結束后的香菇立即密封于鋁箔袋，測試指標。

1.3 指標測定

1.3.1 干燥時間

式中：t 為總干燥時間，h；t1為預干燥時間，h；t2為DIC 時間，h。

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

式中：Va為平均干燥速率，kg/（kg·h）；X0為香菇初始干基含水率，kg/kg；Xt為香菇DIC 膨化后干基含水率，kg/kg；t1為預干燥時間，h；t2為DIC 時間，h。

1.3.3 總色差 采用色差計測定香菇色澤參數。總色差（total color difference，ΔE）計算式[13]：

式中：L*、a*、b*為新鮮香菇色澤參數；L、a、b為DIC 香菇脆色澤參數。

1.3.4 膨化度 采用比容法測定香菇的體積[16]，膨化度（puffing degree，Pd）計算式：

式中：V0和V 分別為DIC 前和DIC 后香菇體積，mL。

1.3.5 復水比 采用稱量法測定復水比（rehydration ratio，RR）[17]，RR計算式：

式中：m0和mr分別為香菇脆復水前和復水后質量，g。

1.3.6 硬度和脆度 參考Li 等[12]方法，采用物性測試儀測定香菇脆硬度和脆度，略作改動。選取P/75 柱形探頭，設置形變量為50%，測試前、中、后的速度分別為2.0、1.0、1.0 mm/s，觸發力100 g，2 次壓縮間隔時間為5.0 s，數據采集速率500 次/s。測試峰最高值為硬度，峰的個數作為脆度值。每組樣品平行測定測定12 次，結果取平均值。

1.3.7 總糖含量 采用GB/T 15672-2009[22]測定香菇中總糖含量。總糖（w）含量計算式：

式中：V1為樣品的定容體積，mL；V2為比色測定時所移取測定液的體積，mL；m1為從標準曲線上查得樣品測定液中的含糖量，μg；m2為樣品質量，g；Xw為樣品濕基含水率，%。

1.3.8 水分組成及狀態分布 采用低場核磁共振（low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）測定香菇水分組成及狀態分布。采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）脈沖序列確定樣品橫向弛豫時間（transverse relaxation time，T2）。LF-NMR 測試參數：溫度32 ℃，質子共振頻率20 MHz，采樣頻率100 kHz，累加次數4 次，等待時間3000 ms，90°、180°脈寬分別為5.52、11.20 μs，回波數10000，回波時間0.6 ms。CPMG 指數衰減曲線通過綜合迭代算法反演，得到T2值和離散型與連續型相結合的T2譜圖，弛豫信號采用多指數函數表達：

式中，M（t）為橫向磁化矢量衰減到t 時間后的信號量，總信號量的大小是所有成分產生信號大小的總和；Ai為樣品中第i 種成分的信號幅度；T2i為樣品中第i 種成分的T2；A0為噪聲信號。

1.4 數據處理

實驗和指標測定平行3 次，數據采用平均值±標準差表示。采用SPSS 19.0 進行單因素方差分析，差異顯著則進行Duncan 多重比較，P＜0.05 表示差異顯著。采用OriginPro 2018 繪圖及Pearson 相關性分析。

2 結果與分析

2.1 預干燥方式對香菇脆干燥時間和平均干燥速率的影響

預干燥方式對香菇干燥時間及平均干燥速率Va的影響如圖1 所示。對于預干燥時間而言，FD＞HPD＞HAD，3 者之間存在顯著差異（P＜0.05）。干燥介質溫度是導致3 種預干燥方式時間長短的主要因素，由于干燥溫度HAD＞HPD＞FD，所以樣品達到同樣濕基含水率35%±2%所需時間與干燥溫度負相關。對于DIC 干燥時間而言，由于預干燥后的初始含水率相同，DIC 膨化次數固定，隨后的真空干燥的時間差距不明顯（P＞0.05）。因此，總干燥時間及Va主要取決于預干燥方式。Yi 等[23-24]研究了不同預干燥方式對壓差膨化梨片和菠蘿蜜片的影響，得到了相同的結論。對于Va，HAD-DIC＞HPD-DIC＞FDDIC，3 者之間呈顯著差異（P＜0.05）。這主要是由于3 種預干燥方式顯著影響香菇脆總干燥時間所致。

2.2 預干燥方式對香菇脆色澤的影響

色澤是評估食品質量和消費者可接受性的重要指標之一，干燥方法和工藝條件對干制品色澤影響較大[13]。預干燥方式對香菇色澤影響如表1 所示。香菇脆L值FD-DIC＞HPD-DIC＞HAD-DIC。由于FD真空、低溫干燥條件，抑制了香菇干燥過程中酶促/非酶促褐變反應[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值則高于HPD-DIC。HAD-DIC 香菇的ΔE值最高，這可能是因為HAD 溫度較高，美拉德反應較為嚴重，產生類黑精物質[16]，使香菇脆色澤加深。HPD-DIC 香菇的ΔE值較低，這主要是由于HPD 溫和的干燥條件所致。FD-DIC 香菇的ΔE值最低，主要因為低溫及真空條件，導致香菇酶促/非酶褐變反應較低，因此其L值較高、a值較低。綜上，FD-DIC 可較高程度地維持香菇原有顏色，HPDDIC 次之，HAD-DIC 色澤最差。

表1 預干燥方式對香菇脆色澤參數的影響Table 1 Effect of pre-drying methods on the color parameters of L. edodes crisps

2.3 預干燥方式對香菇脆膨化度和復水比的影響

不同預干燥方式對香菇脆Pd及RR的影響如圖2 所示。不同預干燥方式顯著（P＜0.05）影響DIC香菇脆Pd。HPD-DIC 香菇脆Pd最高（51.52%），這是因為HPD 溫度低，香菇能夠保持較完整的內部骨架結構，在后續DIC 瞬間減壓過程中，內部水分閃蒸帶動內部骨架膨脹。HAD-DIC 香菇脆Pd為37.93%，這是因為HAD 溫度高，水分散失快且不均勻，導致細胞收縮，組織坍塌嚴重，表面硬化結殼所致[26]。但是，FD-DIC 香菇的Pd最低（5.45%），這是因為FD在低溫和真空條件下使冰晶升華，避免了高溫對香菇的影響，能最大程度上保持原料形態，物料內部結構改變較小[27]，因此，預干燥后幾乎保持了香菇原有的體積。需要指出的是，由于本研究中Pd的計算為DIC 前后香菇體積變化（公式4），FD 香菇DIC 前體積收縮程度低，因此在后續膨化過程中，體積變化幅度較小，因此Pd較低。實際上，香菇脆最終膨化效果，FD-DIC 略高于HPD-DIC，但二者都顯著高于HAD-DIC。3 種預干燥方式下香菇脆的RR由高到低為：FD-DIC＞HPD-DIC＞HAD-DIC。復水能力與香菇脆組織形態密切相關，蓬松多孔狀態有利于提高復水效果[11]。FD 由于是在低溫和真空條件下進行，而且通過冰晶升華形式脫水，所以預干燥后香菇體積收縮程度小[28]，而且香菇蛋白質、多糖等成分損失較HAD和HPD 少，因此FD-DIC 香菇脆復水能力強。HAD高溫導致香菇內部結構嚴重萎縮，高溫也會導致香菇蛋白質變性，香菇多糖降解，失去吸水能力或水合能力[29]。HPD 因條件溫和，溫度介于HAD 和FD 之間，故HPD-DIC 香菇脆RR高于HAD-DIC 但低于FDDIC。此外，RR與Pd正相關[11]，Pd越高，則內部結構越疏松，所以HPD-DIC 香菇脆RR顯著（P＜0.05）高于HAD-DIC。FD-DIC 香菇脆Pd低，但RR顯著高于HPD-DIC。如前所述，這主要由于本研究中Pd計算方式所致。實際上，若以新鮮香菇為對比，FDDIC 膨化效果高于HPD-DIC 香菇脆，因此，其RR也顯著優于HPD-DIC。

圖2 預干燥方式對香菇脆膨化度及復水比的影響Fig.2 Effect of pre-drying methods on the Pd and RR of L.edodes crisps

2.4 預干燥方式對香菇脆硬度和脆度的影響

硬度和脆度是影響口感的重要因素，由圖3 可以看出，3 種預干燥方式顯著（P＜0.05）影響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，說明其組織緊密，密度大，口感最差；HPDDIC 香菇硬度適中且脆度最高，這是因為其Pd最高，內部結構組織疏松；FD-DIC 香菇硬度值最低，說明其質地相對較軟，但脆度值顯著（P＜0.05）低于HPDDIC。這意味著由FD-DIC 獲得的多孔結構在質構測量期間，可能缺乏足夠的強度在下一次坍塌之前觸發一個新的峰值[24]。Yi 等[30]研究了HAD 和FD 預處理對芒果、火龍果和番木瓜脆片硬度和脆度的影響，得到了相同的結論。

圖3 預干燥方式對香菇脆硬度和脆度的影響Fig.3 Effect of pre-drying methods on the hardness and brittleness of L. edodes crisps

2.5 預干燥方式對香菇脆總糖含量的影響

不同預干燥方式對香菇總糖含量的影響如圖4所示。3 種預干燥方式顯著（P＜0.05）影響香菇脆的總糖含量。其中，FD-DIC 香菇總糖含量最高，這主要是由于FD 過程中水分由冰晶狀態直接升華，低溫和真空條件下，糖類不易與其他物質發生反應或降解所致[28]。HAD-DIC 香菇總糖含量最低，因為糖類物質的損耗與加熱溫度密切相關，HAD 溫度高，香菇的呼吸作用會在短時間內增強消耗糖類物質，且還原糖易與氨基酸類物質發生美拉德反應，從而降低總糖含量[26]。HPD 由于干燥溫度較低，糖類物質在干燥過程損失較少，故HPD-DIC 香菇總糖含量顯著高于HAD-DIC，但卻低于FD-DIC。

圖4 預干燥方式對香菇脆總糖含量的影響Fig.4 Effect of pre-drying methods on the total sugar content of L. edodes crisps

2.6 預干燥方式對預干燥后香菇T2 的影響

圖5為3 種預干燥方式對香菇預干燥后LF-NMR T2譜圖的影響。T2反映了樣品中水分的流動性與自由度，T2值越高，說明水分自由度越高，流動性越強；反之，T2值越小，說明水分子與底物結合越緊密[31]。由圖5 可以看出，無論哪種預干燥方式，香菇預干燥后均包括4 個峰，分別為強結合水（T2b）、弱結合水（T21）、不易流動水（T22）和自由水（T23）。其中，T2b，T21，T22和T23的弛豫時間區間分別為0.23～0.25，1.34～4.79，9.62～27.92 和82.01～101.44 ms。

圖5 不同干燥方式對香菇預干燥后弛豫時間的影響Fig.5 Effect of different drying methods on T2 of L. edodes after pre-drying

表2為不同預干燥方式對預干燥后的香菇LFNMR T2及弛豫特性各組分比例的影響。3 種預干燥方式對香菇T2b影響不顯著（P＞0.05），這意味著預干燥方式對與大分子極性基團緊密結合的緊密結合水影響較小。HPD 后的香菇T21的弛豫時間顯著（P＜0.05）高于HAD 與FD，說明熱泵預干燥后的香菇自由度較高，流動性較強，后續DIC 膨化干燥過程中更容易被去除。關于T22和T23，HAD 后的香菇的弛豫時間顯著（P＞0.05）高于HPD 和FD。

表2 香菇預干燥后LF-NMR 弛豫時間及各組分比例Table 2 The relaxation time and the proportion of each component of LF-NMR in L. edodes after pre-drying

LF-NMR 信號強度值與樣品中氫質子數目成正比，各狀態水分的含量可由T2反演譜圖各峰面積表示[21]，T2b，T21，T22和T23相對含量可由各自峰面積除以總峰面積得到，分別表示為mT2b，mT21，mT22和mT23。由圖5 可以看出，預干燥后香菇的水分主要為結合水，mT22與mT23占比較小，且相比于T2b、T21和T22，T23自由度與流動性較高，DIC 升溫過程中，T23很有可能已被除去，對DIC 瞬間泄壓時水分閃蒸膨化力的產生貢獻度不高。由表2 可知，FD 與HAD 香菇的mT2b和mT21無顯著差異（P＞0.05），HPD 香菇的mT2b顯著（P＜0.05）低于FD 和HAD香菇，而HPD 香菇的mT21達到88.56%，顯著（P＜0.05）高于FD 和HAD 香菇。相比于T2b，T21的自由度更高，較高的mT21有利于DIC 過程中水分的蒸發汽化，為香菇膨化提供充足的動力，帶動香菇組織膨脹，形成疏松多孔的蜂窩網狀結構，進而提高Pd[21]，降低香菇脆硬度，提高脆度和復水能力。T22的自由度處于T21和T23之間，HAD 與HPD 香菇的mT22無顯著差異（P＞0.05），但顯著（P＜0.05）高于FD 香菇，較高的mT22在DIC 過程中同樣會為香菇膨化提供動力，FD 香菇因為mT21和mT22均較低，故其Pd最低，相反地，HPD 香菇具有較高的mT21和mT22，且T21和T22的弛豫時間較高，故HPD 香菇Pd最高。這意味著香菇脆膨化動力取決于疏松結合水和不易流動水所占比例，而與自由水關系不大。

2.7 弛豫信號與香菇脆品質的相關性分析

LF-NMR T2弛豫信號與香菇脆品質特性的相關性如表3 所示。由表2 可知，各組間T2b差異不顯著，故不討論其與香菇脆品質的相關性。由表3 可知，水分組成對香菇脆品質影響不同，T21與Pd極顯著（P＜0.01）正相關，與脆度顯著（P＜0.05）正相關，但與RR顯著（P＜0.05）負相關。這意味著，香菇膨化過程中，膨化動力產生主要取決于弱結合水，進而影響香菇脆脆度。T22、T23與△E和硬度極顯著（P＜0.01）正相關，與RR、脆度和總糖含量極顯著負相關（P＜0.01）。這說明香菇脆色澤、質地、復水特性和總糖含量等品質與不易流動水和自由水密切相關。此外，T22與 Va顯著正相關（P＜0.05）；但 T23與 Va無顯著相關性（P＞0.05）。這說明香菇脆干燥效率取決于不易流動水，而與自由水變化無關。就水分狀態分布而言，mT2b與Pd和脆度極顯著（P＜0.01）負相關。mT21與Pd顯著（P＜0.05）正相關，但與脆度極顯著（P＜0.01）正相關。這意味著，香菇脆膨化效果和脆度顯著依賴于強結合水和弱結合水所占比例。mT22與Va顯著（P＜0.05）正相關，與△E、Pd和硬度極顯著正相關（P＜0.01），但與RR和總糖含量極顯著（P＜0.01）負相關。不易流動水所占比例決定香菇脆干燥效率、色澤、質地、復水特性和總糖含量等指標。mT23與RR和總糖含量顯著負相關（P＜0.05），但與香菇脆其他品質指標間無顯著相關性（P＞0.05）。綜上，香菇脆Pd與T21、mT2b、mT21和mT22密切相關，香菇在HPD 后具有較高的T21、mT21和mT22，較低的mT2b，因此，有利于提高香菇脆Pd。香菇脆脆度與T21、T22、T23、mT2b和mT21密切相關，香菇在HPD 后具有較高的T21和mT21，較低的mT2b，適中的T22和T23，因此，有利于提高香菇脆脆度。同樣地，HPD 后也有利于提高香菇脆其他品質特性。因此，DIC 香菇最優的預干燥方式為HPD。

表3 LF- NMR 弛豫參數與香菇脆品質的相關性Table 3 Correlation between LF-NMR relaxation parameters and quality of L. edodes crisps

3 結論

FD-DIC 在維持香菇原有形態及營養素保留方面具有一定優勢，但其質構略差而且Va較低；HADDIC 香菇脆Va最高，但品質最差；HPD-DIC 香菇脆Pd最高，色澤、RR和總糖保留方面較優且硬度適中，脆度最高。相比于FD 和HAD 預干燥，HPD 后的香菇疏松結合水和不易流動水所占比例較高，緊密結合水比例較低，有利于DIC 瞬間泄壓時水分閃蒸，為香菇膨化提供充足驅動力。因此，最適合DIC 香菇脆的預干燥方式為HPD。此外，LF-NMR T2弛豫參數及各組分比例與香菇脆品質密切相關，可以通過LFNMR 快速、無損評估香菇脆品質。