鐵棍山藥等溫吸附特性研究

龐凌云，李 瑜，詹麗娟，劉凱麗

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州 450002）

山藥塊莖中含有豐富的淀粉、蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還含有多糖、皂苷、膽堿等營(yíng)養(yǎng)成分和活性成分[1]。研究表明，山藥具有降血糖、降血脂、改善消化功能、抗氧化、抗腫瘤等生物活性，主產(chǎn)于河南省，尤其以溫縣、武陟、沁陽(yáng)等地出產(chǎn)的山藥品質(zhì)最佳、藥效最好，又稱為懷山藥。鐵棍山藥屬懷山藥中的極品，素有“懷參”之稱。

鐵棍山藥的水分含量達(dá)70%左右，鮮切后容易褐變，在貯運(yùn)過程中莖脆易斷，皮薄易破，采收機(jī)械損傷頻繁，而造成霉變、腐敗[2]。干燥山藥片是目前常見的山藥深加工產(chǎn)品。但是，水分含量是影響其品質(zhì)的重要因素，如果干燥山藥片水分控制不當(dāng)，或貯藏條件不合理，極易發(fā)生潮解、霉變、蟲蛀等變質(zhì)現(xiàn)象，不僅造成資源的浪費(fèi)，也對(duì)企業(yè)造成一定的損失[3]。水分活度（Aw）經(jīng)常用來描述食品的穩(wěn)定性與水分的關(guān)系，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過對(duì)油炸香蕉片[4]、荔枝果肉[5]、橙皮[6]、黑胡椒[7]等果蔬吸附特性的研究，提出了相應(yīng)的吸附理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠肀碚髌渌只疃群退趾恐g的關(guān)系。而目前關(guān)于山藥等溫吸附特性的研究報(bào)道較少，因此分別采用熱風(fēng)、真空、微波3種干燥方式處理鐵棍山藥，繪制等溫吸附曲線，并用6種吸附模型進(jìn)行模擬評(píng)價(jià)分析，研究其等溫吸附規(guī)律，為進(jìn)一步優(yōu)化山藥干燥加工工藝和貯藏條件提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

鐵棍山藥，產(chǎn)于河南省焦作市溫縣武德鎮(zhèn)馬馮藺村，選擇新鮮、粗細(xì)均勻、表面無(wú)損傷、無(wú)病蟲害、無(wú)腐爛的山藥為原料。

KNO3， KCl， NaCl， MgCl2， NaBr， CH3COOK，均為分析純；試驗(yàn)用水為蒸餾水。

1.2 儀器與設(shè)備

WD900B型微波爐，順德市格蘭仕電器實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)品；DZ-2BC型真空干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司產(chǎn)品；DHG-9070A型鼓風(fēng)干燥箱，上海捷呈實(shí)驗(yàn)儀器有限公司產(chǎn)品；BCD-277型家用冰箱，博西華家用電器有限公司產(chǎn)品；DHS20-A型烘干稱量法水分測(cè)定儀，上海精密科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；DGF-80型高速萬(wàn)能粉碎機(jī)，上海樹立儀器儀表有限公司產(chǎn)品；DK-98-IIA型電熱恒溫水浴鍋，天津市泰斯特儀器有限公司產(chǎn)品；JA6102/FA2004A型電子天平，上海精天電子儀器有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 原料制備

在預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，鐵棍山藥片的干燥均在各種干燥方式的最佳條件下進(jìn)行。

（1） 熱風(fēng)干燥。將鐵棍山藥清洗去皮修整后，切為5 mm厚的薄片，于85℃下漂燙護(hù)色3 min，在60℃下干燥至水分含量8%左右，粉碎備用。

（2） 真空干燥。將鐵棍山藥清洗去皮修整后，切為3 mm厚的薄片，于85℃下漂燙護(hù)色3 min，在0.07 MPa，65℃條件下干燥至水分含量8%左右，粉碎備用。

（3） 微波干燥。將鐵棍山藥清洗去皮修整后，切為6 mm厚的薄片，于85℃下漂燙護(hù)色3 min，在270 W，13 W/g條件下干燥至水分含量8%左右，粉碎備用。

1.3.2 等溫吸附

采用靜態(tài)稱質(zhì)量法測(cè)定鐵棍山藥的平衡含水率，將經(jīng)熱風(fēng)、真空、微波3種干燥方式處理得到的山藥粉分別在4個(gè)溫度和6個(gè)相對(duì)濕度條件下進(jìn)行吸濕平衡試驗(yàn)。

稱取2 g樣品放入康衛(wèi)皿內(nèi)室，康衛(wèi)皿外室用飽和鹽溶液 （CH3COOK，MgCl2，NaBr，NaCl，KCl，KNO3）保持相對(duì)濕度，密封后放入溫度分別為10，20，30，40℃的恒溫裝置中，每隔2 h稱質(zhì)量，直至樣品質(zhì)量變化不超過2 mg，認(rèn)為樣品達(dá)到吸濕平衡[2]。每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。樣品首次放入康衛(wèi)皿內(nèi)室的干基質(zhì)量為m1，樣品達(dá)到吸濕平衡后的質(zhì)量與樣品首次放入康衛(wèi)皿內(nèi)室質(zhì)量的差值為m2，平衡含水率（Equilibrium moisture content，EMC）的計(jì)算公式為：

水分活度值近似等于用百分率表示的相對(duì)濕度，其數(shù)值在0～1，平衡相對(duì)濕度（Equilibrium relative humidity，ERH）與水分活度（Aw）的關(guān)系為：

繪制平衡含水率（EMC）隨水分活度（Aw）變化的曲線，即得到某一溫度下的等溫吸附曲線。

不同溫度下不同飽和鹽溶液的水分活度見表1。

表1 不同溫度下不同飽和鹽溶液的水分活度

1.3.3 吸附模型擬合

為進(jìn)一步研究鐵棍山藥的等溫吸濕特性，選用目前普遍應(yīng)用的6種模型（GAB，BET，Henderson，Smith，Halsey和Peleg）對(duì)鐵棍山藥等溫吸濕數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。

吸附模型表達(dá)式見表2[8]。

表2 吸附模型表達(dá)式

為評(píng)價(jià)模型的擬合優(yōu)度可比較均方差（RMSE）、殘差平方和（SSE）、相關(guān)系數(shù)（R）、相關(guān)系數(shù)之平方（R2）。參數(shù)均方差（RMSE）和殘差平方和（SSE）值越低、越趨于0，相關(guān)系數(shù)（R）和相關(guān)系數(shù)之平方（R2）值越高、越趨于1表明模型擬合度越高。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

采用1stOpt1.5軟件進(jìn)行非線性回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鐵棍山藥等溫吸附曲線

熱風(fēng)干燥鐵棍山藥的等溫吸附曲線見圖1，真空干燥鐵棍山藥的等溫吸附曲線見圖2，微波干燥鐵棍山藥的等溫吸附曲線見圖3。

圖1 熱風(fēng)干燥鐵棍山藥的等溫吸附曲線

圖2 真空干燥鐵棍山藥的等溫吸附曲線

圖3 微波干燥鐵棍山藥的等溫吸附曲線

由圖1～圖3等溫吸附曲線可知，3種干燥方式的鐵棍山藥在等溫吸附過程中都有以下共同特征：平衡含水率隨著水分活度的升高而升高，在0.2＜AW＜0.6為0.2～0.6時(shí)，平衡含水率增加緩慢；在AW＞0.6時(shí)，平衡含水率增加迅速。在相同水分活度下，平衡含水率隨著溫度的升高而升高，這個(gè)結(jié)果與目前大多數(shù)食品的等溫吸濕特性相反，但與褚振輝等人[9]的研究結(jié)果相同。原因是由于水分活度較低時(shí)，水分吸附主要依靠食品中的生物聚合物，隨著溫度的升高水分吸附效果會(huì)降低；水分活度逐漸升至超過中等水分活度時(shí)，水分吸附主要依靠食品中的糖類及低相對(duì)分子質(zhì)量的物質(zhì)，抵消了溫度對(duì)水分吸附的負(fù)向作用[10-11]。在等溫吸附的過程中，山藥含有的大量糖類物質(zhì)發(fā)生溶解，導(dǎo)致吸附水分能力增加。

2.2 不同干燥處理方式的鐵棍山藥等溫吸附曲線

10℃時(shí)鐵棍山藥的等溫吸附曲線見圖4，20℃時(shí)鐵棍山藥的等溫吸附曲線見圖5，30℃時(shí)鐵棍山藥的等溫吸附曲線見圖6，40℃時(shí)鐵棍山藥的等溫吸附曲線見圖7。

圖4 10℃時(shí)鐵棍山藥的等溫吸附曲線

圖5 20℃時(shí)鐵棍山藥的等溫吸附曲線

圖6 30℃時(shí)鐵棍山藥的等溫吸附曲線

由圖4～圖7可知，4個(gè)溫度下鐵棍山藥的等溫吸附曲線都有共同的特征，即在相同水分活度下，熱風(fēng)干燥與真空干燥鐵棍山藥的平衡含水率均高于微波干燥鐵棍山藥的平衡含水率。這可能是由于不同干燥方式處理后山藥中糖類物質(zhì)含量不同[12]，從而導(dǎo)致吸附特性出現(xiàn)差異。

2.3 吸附模型模擬與比較

圖7 40℃時(shí)鐵棍山藥的等溫吸附曲線

熱風(fēng)干燥鐵棍山藥等溫吸附模型模擬與統(tǒng)計(jì)分析見表3。

表3 熱風(fēng)干燥鐵棍山藥等溫吸附模型模擬與統(tǒng)計(jì)分析

由表3可知，熱風(fēng)干燥處理后的鐵棍山藥GAB模型R2=0.965 2±0.010 0，BET模型R2=0.879 5±0.013 1，Henderson模型 R2=0.956 1±0.013 1，Halsey模型R2=0.954 0±0.007 6，Smith模型R2=0.959 5±0.016 1，Peleg模型R2=0.969 3±0.008 2。由R2值可以看出，GAB和Peleg模型相對(duì)于Smith，Henderson，Halsey與BET模型對(duì)于熱風(fēng)干燥后鐵棍山藥等溫吸濕有較好的擬合效果，且均方差與殘差平方和值更接近0，故認(rèn)為GAB和Peleg模型適用于模擬熱風(fēng)干燥處理后鐵棍山藥的等溫吸濕規(guī)律。

根據(jù)GAB理論，當(dāng)樣品對(duì)水分子吸附為單分子層吸附，而且吸附的水分子被樣品的活性基因所束縛時(shí)，為化學(xué)結(jié)合水，微生物無(wú)法利用，因此m0值能夠反映樣品具有較高穩(wěn)定性時(shí)樣品的最大水分含量[13]。根據(jù)表3中的GAB模型得出熱風(fēng)干燥處理后的鐵棍山藥m0值為8.55%～11.95%。

真空干燥鐵棍山藥等溫吸附模型模擬與統(tǒng)計(jì)分析見表4。

表4 真空干燥鐵棍山藥等溫吸附模型模擬與統(tǒng)計(jì)分析

由表4可知，真空干燥處理后的鐵棍山藥GAB模型R2=0.978 9±0.002 7，BET模型R2=0.842 7±0.050 3， Henderson 模 型 R2=0.971 0±0.003 8，Smith模型 R2=0.971 2±0.003 6，Halsey模 型R2=0.962 6±0.016 2，Peleg模型 R2為 0.980 8±0.003 4。由R2值可以看出，GAB和Peleg模型相對(duì)于Henderson，Smith，Halsey與BET模型對(duì)于真空干燥后鐵棍山藥等溫吸濕有較好的模擬效果，且均方差與殘差平方和值更接近0，故認(rèn)為GAB和Peleg模型適用于模擬真空干燥處理后鐵棍山藥的等溫吸濕規(guī)律。根據(jù)表4中的GAB模型得出真空干燥處理后的鐵棍山藥m0值為9.76%～13.02%，高于熱風(fēng)干燥處理后的鐵棍山藥m0值，說明熱風(fēng)干燥處理鐵棍山藥比真空干燥處理鐵棍山藥需要更低的水分含量來提高貯藏性。

微波干燥鐵棍山藥等溫吸附模型模擬與統(tǒng)計(jì)分析見表5。

表5 微波干燥鐵棍山藥等溫吸附模型模擬與統(tǒng)計(jì)分析

由表5可知，微波干燥處理后的鐵棍山藥GAB模型R2為0.989 3±0.004 0，BET模型R2為0.874 8±0.034 0，Henderson模型 R2為0.981 0±0.005 7，Smith模型R2為0.978 5±0.003 1，Halsey模型R2為0.943 8±0.013 0，Peleg模型R2為0.995 5±0.004 6。由R2值可以看出，Peleg模型相對(duì)于GAB，Henderson，Smith，Halsey與BET模型對(duì)于微波干燥后鐵棍山藥等溫吸濕有較好的模擬效果，且均方差與殘差平方和值更接近0，故認(rèn)為Peleg模型適用于模擬微波干燥處理后鐵棍山藥的等溫吸濕規(guī)律。

3 結(jié)論

采用熱風(fēng)、真空、微波3種干燥方式處理鐵棍山藥，采用靜態(tài)稱質(zhì)量法，在4個(gè)溫度和6個(gè)水分活度條件下進(jìn)行吸濕平衡試驗(yàn)，繪制等溫吸附曲線。鐵棍山藥等溫吸附曲線結(jié)果表明，在相同水分活度時(shí)，平衡含水率隨著溫度升高而升高；平衡含水率隨水分活度的升高而升高，在0.2＜AW＜0.6階段，平衡含水率增加緩慢，在0.6＜AW＜1.0階段，平衡含水率增加迅速。不同干燥處理方式的鐵棍山藥等溫吸附曲線結(jié)果顯示，熱風(fēng)干燥與真空干燥鐵棍山藥的平衡含水率均高于微波干燥處理鐵棍山藥的平衡含水率。將鐵棍山藥等溫吸附曲線分別與6種吸附模型擬合，結(jié)果顯示GAB和Peleg模型適用于模擬熱風(fēng)干燥和真空干燥處理后鐵棍山藥的等溫吸濕規(guī)律；Peleg模型適用于模擬微波干燥處理后鐵棍山藥的等溫吸濕規(guī)律。