不同形態(tài)芡實(shí)產(chǎn)品的吸濕特性及其數(shù)學(xué)模擬分析

張 汆，魏兆軍，賈小麗

(1.滁州學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)系，安徽滁州 239000; 2.合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

不同形態(tài)芡實(shí)產(chǎn)品的吸濕特性及其數(shù)學(xué)模擬分析

張 汆1，魏兆軍2，賈小麗1

(1.滁州學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)系，安徽滁州 239000; 2.合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

研究了不同形態(tài)芡實(shí)產(chǎn)品在不同相對(duì)濕度下的吸濕特性。吸濕率結(jié)果表明，干燥芡實(shí)產(chǎn)品具有很強(qiáng)的吸濕性。在相對(duì)濕度90%的環(huán)境中，經(jīng)30d，帶殼芡實(shí)、整芡仁、碎芡仁和芡實(shí)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(duì)芡實(shí)產(chǎn)品吸濕率數(shù)據(jù)進(jìn)行一元非線性回歸，建立了2個(gè)吸濕率數(shù)學(xué)模型，分別為:冪函數(shù)模型W=a·tb，負(fù)指數(shù)函數(shù)模型W=a Exp(b/t)。得到了不同芡實(shí)產(chǎn)品在不同相對(duì)濕度下的吸濕率模型參數(shù)，所得吸濕率數(shù)學(xué)模型均具有較理想的擬合效果。其中，負(fù)指數(shù)函數(shù)模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且擬合準(zhǔn)確度較高，可用于不同芡實(shí)產(chǎn)品在不同濕度環(huán)境中的吸濕率預(yù)測(cè)。

芡實(shí)產(chǎn)品，吸濕特性，數(shù)學(xué)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(zhì)外殼，內(nèi)部為淀粉質(zhì)種仁，即芡實(shí)，也稱“雞頭果”、“刺蓮”等。芡實(shí)是我國(guó)傳統(tǒng)中藥原料和滋補(bǔ)食材，具有多種生理保健功能，被視為延年益壽的上品。芡實(shí)在我國(guó)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(chǎn)量約10 000t(2009)。在國(guó)內(nèi)，有關(guān)芡實(shí)的研究主要集中在營(yíng)養(yǎng)組分分析［1－2］、生理活性［3－7］等方面。在印度，芡實(shí)被加工成一種稱為“Makhana”的食品，Dutta等［8］、Jha等［9］曾對(duì)“Makhana”的營(yíng)養(yǎng)組分及其加工進(jìn)行過研究。目前，我國(guó)芡實(shí)的主要加工形式為速凍保鮮、干制和罐制。在產(chǎn)地，帶殼芡實(shí)一般經(jīng)自然晾曬或烘干后，采用手工或機(jī)械脫殼后，得到干的芡仁，即可直接用作藥材、食材或作為進(jìn)一步加工的原料。我國(guó)江南地區(qū)芡實(shí)采收期一般在9～10月，期間氣溫較高，空氣相對(duì)濕度較大，干燥后的芡實(shí)產(chǎn)品在貯存期間，極易吸濕回潮，影響其品質(zhì)和貯存穩(wěn)定性。本文以當(dāng)年產(chǎn)新鮮帶殼芡實(shí)為原料，經(jīng)恒溫干燥后，對(duì)不同形態(tài)干燥芡實(shí)產(chǎn)品的吸濕特性進(jìn)行了分析，建立相關(guān)產(chǎn)品的吸濕率數(shù)學(xué)模型，期望對(duì)干燥芡實(shí)產(chǎn)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(shí) 2009年9月5日采自安徽天長(zhǎng)市湖濱鄉(xiāng)境內(nèi);濃硫酸 分析純。

CP224S電子分析天平 德國(guó) Sartorius;DHG－9123A型電熱恒溫鼓風(fēng)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(shí)驗(yàn)方法

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

1.2.2 硫酸溶液恒濕法 實(shí)驗(yàn)按照參考文獻(xiàn)［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(yīng)相對(duì)濕度(RH，%)如表1所示。

表1 H2SO4溶液的濃度及其相對(duì)濕度(25℃)

1.2.3 吸濕性評(píng)價(jià)方法［11］采用吸濕率(W)和吸濕速率(V)兩個(gè)指標(biāo)表示不同形態(tài)芡實(shí)產(chǎn)品的吸濕性能。吸濕率(W，%)定義為單位質(zhì)量芡實(shí)產(chǎn)品在溫度為25℃時(shí)吸收水分的質(zhì)量百分比，表示為∶

式中∶Wt－為吸濕t時(shí)刻后樣品質(zhì)量，g;W0－為吸濕前樣品質(zhì)量，g。

吸濕速率∶定義為單位時(shí)間(d)、單位質(zhì)量(g)芡實(shí)產(chǎn)品在一定條件下吸收的水分質(zhì)量，單位為mg/(g·d)。

1.2.4 芡實(shí)產(chǎn)品吸濕性數(shù)學(xué)模擬［11－12］根據(jù)本實(shí)驗(yàn)中吸濕率隨時(shí)間的變化曲線形狀，推測(cè)其吸濕率與時(shí)間是冪函數(shù)關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，除了冪函數(shù)關(guān)系外，負(fù)指數(shù)函數(shù)也能很好的擬合不同芡實(shí)產(chǎn)品的吸濕率曲線。因此，實(shí)驗(yàn)采用DPS數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)芡實(shí)產(chǎn)品的吸濕數(shù)據(jù)進(jìn)行一元非線性回歸，擬合得到以下兩個(gè)吸濕率數(shù)學(xué)模型∶

1.2.5 數(shù)據(jù)分析 采用Excel軟件和DPSv7.55數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，所有樣品重復(fù)測(cè)定3次，求其平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同形態(tài)芡實(shí)產(chǎn)品的吸濕特性

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

圖1 帶殼芡實(shí)在不同相對(duì)濕度的吸濕率曲線

圖2 芡實(shí)粉在不同相對(duì)濕度下的吸濕率曲線

吸濕率分析結(jié)果也顯示，干制芡實(shí)產(chǎn)品吸濕性均較強(qiáng)。其中，芡實(shí)粉的吸濕速率最快，平衡時(shí)間最短，而帶殼芡實(shí)的吸濕速度較慢，平衡時(shí)間最長(zhǎng)。在相對(duì)濕度為90%的環(huán)境中，帶殼芡實(shí)、整芡仁、碎芡仁和芡實(shí)粉經(jīng)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(shí)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(duì)于干芡實(shí)產(chǎn)品而言，最好帶殼貯存，即可防止貯存期間芡實(shí)種仁的污染，也可獲得較干燥的種仁和更長(zhǎng)的安全貯存期。

圖3和圖4分別為RH為90%時(shí)，不同形態(tài)芡實(shí)產(chǎn)品的吸濕率曲線和吸濕速率曲線。結(jié)果表明，在相同環(huán)境濕度下，帶殼芡實(shí)的吸濕率最低，吸濕平衡時(shí)間最長(zhǎng)(27d)，芡實(shí)粉的吸濕率最高，吸濕平衡時(shí)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(shì)，即在相同環(huán)境濕度下，芡實(shí)產(chǎn)品吸濕速率和吸濕率均隨其表面積的增加而增加，芡實(shí)粉的吸濕速率遠(yuǎn)高于其他形態(tài)的芡實(shí)產(chǎn)品。同時(shí)，在RH=90%的高濕度環(huán)境中，不同形態(tài)的芡實(shí)產(chǎn)品最大吸濕速率均發(fā)生在最初的1～2d內(nèi)。

圖3 不同芡實(shí)產(chǎn)品的吸濕率曲線(RH=90%)

表2 不同相對(duì)濕度下芡實(shí)產(chǎn)品吸濕性模型參數(shù)

圖4 不同芡實(shí)產(chǎn)品的吸濕速率曲線(RH=90%)

2.2 不同芡實(shí)產(chǎn)品吸濕過程的模擬

采用一元非線性回歸對(duì)不同相對(duì)濕度下芡實(shí)產(chǎn)品的吸濕數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后，得到芡實(shí)產(chǎn)品的吸濕率數(shù)學(xué)模型，不同相對(duì)濕度下的吸濕率模型參數(shù)見表2。表中模型函數(shù)依次為∶(1)冪函數(shù)模型 W= a·tb;(2)負(fù)指數(shù)函數(shù)模型W=a Exp(b/t)。

數(shù)學(xué)擬合結(jié)果表明，冪函數(shù)和負(fù)指數(shù)函數(shù)模型均能較好的模擬4種芡實(shí)產(chǎn)品的吸濕過程，相關(guān)系數(shù)r2較高，F(xiàn)檢驗(yàn)值均達(dá)到極顯著水平(P－值 = 0.0001)，擬合效果較好。其中，負(fù)指數(shù)函數(shù)模型擬合效果優(yōu)于冪函數(shù)模型。因此，就本實(shí)驗(yàn)中涉及的4種芡實(shí)產(chǎn)品而言，采用負(fù)指數(shù)函數(shù)模型對(duì)其吸濕率進(jìn)行擬合，擬合準(zhǔn)確度較高，可用于生產(chǎn)中不同芡實(shí)產(chǎn)品吸濕性的預(yù)測(cè)。

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

圖5 帶殼芡實(shí)(左)和整芡仁(右)的吸濕率擬合曲線(RH=90%)

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)研究了不同形態(tài)芡實(shí)產(chǎn)品在不同相對(duì)濕度下的吸濕特性。吸濕率結(jié)果表明，干制的芡實(shí)產(chǎn)品吸濕性很強(qiáng)。在相對(duì)濕度為90%的環(huán)境中，經(jīng)30d吸濕，帶殼芡實(shí)、整芡仁、碎芡仁和芡實(shí)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(duì)于干芡實(shí)產(chǎn)品而言，最好帶殼貯存，既可防止貯存期間芡實(shí)種仁的污染，也可獲得較干燥的種仁和更長(zhǎng)的安全貯存期。

通過一元非線性回歸，建立了不同芡實(shí)產(chǎn)品的吸濕率數(shù)學(xué)模型，分別為∶冪函數(shù)模型W=a·tb，負(fù)指數(shù)函數(shù)模型W=a Exp(b/t)。得到了不同芡實(shí)產(chǎn)品在不同相對(duì)濕度下的吸濕率模型參數(shù)，所得吸濕率數(shù)學(xué)模型均具有較理想的擬合效果。其中，負(fù)指數(shù)函數(shù)模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且擬合準(zhǔn)確度較高，可用于不同芡實(shí)產(chǎn)品在不同相對(duì)濕度下的吸濕性預(yù)測(cè)。

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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(lián)系人

張汆(1970－)，女，博士，副教授，主要從事食品化學(xué)與營(yíng)養(yǎng)學(xué)、膳食蛋白方向的研究。

安徽省應(yīng)用化學(xué)省級(jí)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(200802187C);滁州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201057)。