米威化餅干二組分食品的等溫吸濕特性及模型表征

程學(xué)雨 - 錢奕含 - 盧立新,2 -,2

(1. 江南大學(xué)，江蘇 無錫 214122；2. 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122)

多組分食品應(yīng)用日益廣泛，組分的多樣性會導(dǎo)致吸濕特性產(chǎn)生差異[1-2]。研究多組分食品的吸濕特性，對于多組分食品的防潮、保質(zhì)等十分重要，恰當(dāng)?shù)陌b材料、包裝技術(shù)會為高效的包裝設(shè)計提供必要信息[3-4]。

餅干主要包含以下幾種類型：曲奇餅干、酥性餅干、韌性餅干、夾心餅干、威化餅干等，其中威化餅干及夾心餅干產(chǎn)品為典型的多組分食品。對于單組分餅干產(chǎn)品，褚振輝等[5]通過靜態(tài)稱重法研究了23，30，45 ℃下，韌性餅干的等溫吸濕曲線為S型，并確定GAB模型最適合表征其等溫吸濕特性；王高杰等[6]研究了曲奇餅干在水分活度為0.11～0.92，不同溫度條件下的吸濕平衡含水率變化規(guī)律，并得出GAB模型表征曲奇餅干吸濕模型。對于多組分產(chǎn)品，陳亞慧等[7]研究了基于煎餅餅干、果丹皮、瓊脂的組合產(chǎn)品的等溫吸濕特性，郝發(fā)義等[8]基于餅干、凝膠、果丹皮的吸濕特性，建立了該組合產(chǎn)品的等溫吸濕模型。但上述兩項研究均是從機(jī)理角度出發(fā)，研究對象并非是真實(shí)的市場銷售產(chǎn)品，截至目前未見關(guān)于米威化餅干多組分食品的等溫吸濕特性及模型研究的報道。

本試驗(yàn)將二組分食品—米威化餅干及其單組分餅皮、餡料作為研究對象進(jìn)行等溫吸濕試驗(yàn)，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行常用的等溫吸濕模型擬合，得出最適合表征米威化餅干吸濕特性的模型，以期為米威化餅干等同類的多組分食品防潮保質(zhì)包裝等研究提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

米威化餅干：主要配料有小麥粉、乳糖、食用植物油、代可可脂巧克力制品、糯米粉、白砂糖、淀粉、乳粉、食品添加劑等，億滋食品(北京)有限公司。

1.2 主要儀器設(shè)備

恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)：THS-AOC-100AS型，慶聲科技有限公司；

電子分析天平：AB204-N型，梅特勒—托利多集團(tuán)；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9030A型，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 試驗(yàn)條件 試驗(yàn)溫度：23，30，45 ℃；相對濕度：35%，50%，60%，75%，90%。

1.3.2 平衡含水率的測定 稱取質(zhì)量為10 g左右的新拆包裝米威化餅干的單組分餅皮和餡料試樣各3份，分別稱量盛裝試樣的潔凈帶蓋玻璃皿的去蓋質(zhì)量，再稱量去蓋玻璃皿和餅皮(餡料)的總質(zhì)量；將裝有餅皮(餡料)的不加蓋玻璃皿全部放入預(yù)先設(shè)定好溫濕度條件的恒溫恒濕箱中。經(jīng)過48 h后，每隔2 h加蓋取出玻璃皿，再在電子分析天平中稱取其去蓋總質(zhì)量，測量過程中確保時間少于30 s，當(dāng)連續(xù)2次稱得的質(zhì)量數(shù)值誤差小于0.05%(約0.005 g)時[9]，認(rèn)為餅皮(餡料)的含水量已達(dá)平衡，記錄總質(zhì)量。本試驗(yàn)中餅皮和餡料試樣一式3份，最終結(jié)果取平均值。平衡含水率(以餅皮為例)的計算公式為：

(1)

式中：

Xe——干基平衡含水率，g/g；

me——餅皮平衡時的質(zhì)量，g；

X0——干基初始含水率，g/g；

mi——餅皮的初始質(zhì)量，g。

1.4 等溫吸濕模型

近年來表征餅干等溫吸濕特性模型主要有Peleg模型[10]、GAB模型等[5]。目前普遍存在3種表征食品平衡含水率與水分活度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型：動力學(xué)模型、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚11]。動力學(xué)模型主要包括BET模型和GAB模型，半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕‵erro-Fontan模型和Halsey模型等，但還沒有任何一種模型可以成功運(yùn)用于所有食品吸濕特性的表征。

本試驗(yàn)采用目前最常用的5種模型(表1)進(jìn)行米威化餅干的預(yù)表征。

表1 等溫吸濕模型

1.5 數(shù)據(jù)處理

通過Matlab軟件編程計算，對餅皮和餡料試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)使用非線性最小二乘法進(jìn)行已選擇的5種模型數(shù)據(jù)擬合，得出各個模型的常數(shù)。

本試驗(yàn)中采用均方根誤差RMSE、誤差平方和SSE和決定系數(shù)R-square對試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型的擬合效果進(jìn)行評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 米威化餅干平衡含水率與水分活度關(guān)系

餅皮和餡料吸濕試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 餅皮和餡料吸濕試驗(yàn)數(shù)據(jù)

分別用5個模型對23，30，45 ℃下得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，由于各溫度下5個模型的擬合曲線類似，僅列出23 ℃時餅皮和餡料的擬合曲線見圖2。

結(jié)果表明，在相同溫度條件下餅皮和餡料的平衡含水率隨水分活度的增加而增加。在3個溫度條件下，餅皮和餡料在水分活度介于0.35～0.90時，平衡含水率分別為0.06～0.24，0.04～0.12 g/g。等溫吸濕曲線上均有2個折點(diǎn)，均呈反S型，在吸濕特性曲線中的屬于第Ⅱ種類型。餅皮在水分活度0.35

圖2 23 ℃時餅皮和餡料各模型的擬合曲線

從圖1、2中可以看出溫度介于23～45 ℃時，隨著溫度的升高，餅皮和餡料的平衡含水率是先增加后減少的，該結(jié)果與目前國內(nèi)外眾多試驗(yàn)結(jié)果不同，可能是因?yàn)檩^低溫度(T<30 ℃)時，餅皮、餡料中含有大量的糖類物質(zhì)，隨著溫度的升高，糖類物質(zhì)對水的吸收增強(qiáng)，使得餅皮、餡料對水分的吸收能力提高；同時餅皮和餡料間也存在間隙，間隙會相應(yīng)的吸收水分，最終導(dǎo)致隨著溫度的升高，平衡含水率增加。在溫度介于30～45 ℃時平衡含水率降低，可能是因?yàn)槭称分械纳锞酆衔镌谒治街衅鹬饕饔?，一般情況下生物聚合物會隨著溫度的升高降低對水分的吸附能力[14][15]12；也可能是因?yàn)槭称返臉?gòu)成成分和組分中糖類物質(zhì)的溶解性發(fā)生改變，當(dāng)溫度上升至一定值后，溫度引起物質(zhì)內(nèi)部的物理、化學(xué)變化而導(dǎo)致了水的親合活性點(diǎn)減少[16-17]。Palipane等[18]提出水分子的活化能會隨著溫度升高而提高，在低溫情況下平衡含水率會隨著溫度的降低而升高，這是因?yàn)闇囟仍降突罨茉降?，分子的運(yùn)動越平和，分子間的吸引力越大，從而使得水分的吸附作用加強(qiáng)；相反，分子的運(yùn)動會隨著溫度的增加變得劇烈，降低了水分吸附的能力，故平衡含水率降低。

2.2 餅皮與餡料等溫吸濕特性與模型

從表2可以看出，對于餅皮而言，在3個溫度條件下5種模型均具有較高的決定系數(shù)，在可以接受的范圍內(nèi)，其中Peleg模型、Lewicki模型相對其他模型擬合指標(biāo)明顯較好，擬合效果也很好，Peleg模型的水分活度適用范圍在0.01～0.85，Lewicki模型水分活度適用范圍在0.010～0.851，且上述兩種模型均適用于小麥面粉[19-20]，綜合參考SSE、RMSE值，故得出餅皮最合適的模型是Lewicki模型。

從表3可以看出，對于餡料而言，在3個溫度條件下5種模型的評價指標(biāo)均能很好的體現(xiàn)擬合效果，適于模擬餡料的吸附規(guī)律。從評價指標(biāo)看，Peleg模型較其他模型具有較高的確定系數(shù)且具有較低的誤差平方和、均方根誤差，擬合效果最好。即水分活度在0.35～0.90時，Peleg模型對餡料的水分吸附過程描述較好，故采用Peleg模型作為餡料的等溫吸濕特性模型。

表2 餅皮在3個溫度下模型常數(shù)及效果評價指標(biāo)

表3 餡料在3個溫度下的模型常數(shù)及效果評價指標(biāo)

2.3 米威化餅干等溫吸濕模型

對于多組分食品的等溫吸濕模型而言，其組合模型可以通過其單組分的模型方程及各組分的重量在總重量中的占比計算得出[21]。對于二組分食品，可以通過先對其單組分進(jìn)行等溫吸濕試驗(yàn)，得出各組分的等溫吸濕模型，然后再將該二組分食品放置在一定溫濕度條件下進(jìn)行等溫吸濕試驗(yàn)，當(dāng)該二組分食品達(dá)到吸濕平衡后，通過各組分的吸濕模型方程計算得出各組分的含水率，再將各組分質(zhì)量在總質(zhì)量中的占比代入式(2)中即可得到該二組分食品的平衡含水率，從而得到多組分食品的等溫吸濕模型[15]8。多組分食品的等溫吸濕方程：

X=f(a)Xa+f(b)Xb，

(2)

式中：

Xa——水分活度為aw時a組分的含水率，g/g；

Xb——水分活度為aw時b組分的含水率，g/g；

X——水分活度為aw時混合食品的含水率，g/g；

f(a)——混合食品中a組分干物質(zhì)的重量占總重量的百分比，%；

f(b)——混合食品中b組分干物質(zhì)的重量占總重量的百分比，%。

米威化餅干由餅皮和餡料兩種組分構(gòu)成，則米威化餅干的吸濕特性模型由餅皮和餡料的吸濕特性模型得到。因此根據(jù)餅皮和餡料的等溫吸濕特性模型可以得出米威化餅干的吸濕特性組合模型為(適用于水分活度介于0.35～0.90)：

(3)

式中：

X——米威化餅干的含水率，g/g；

aw——吸濕平衡時的水分活度，g/g；

f(a)——餅皮在米威化餅干中的質(zhì)量百分比，%；

f(b)——餡料在米威化餅干中的質(zhì)量百分比，%；

A1、B1、A2、B2、C2、D2——對應(yīng)溫度下的模型常數(shù)。

本試驗(yàn)采用的米威化餅干，f(餅皮)為62.32%，f(餡料)為37.68%。將通過擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的模型常數(shù)值分別對應(yīng)于各溫度下米威化餅干的吸濕特性模型中，即可得出該溫度下米威化餅干的等溫吸濕曲線。圖3為23 ℃餅干等溫吸濕曲線。

依據(jù)米威化餅干平衡含水率的試驗(yàn)測定結(jié)果對所建等溫吸濕模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，3個溫度的理論值與試驗(yàn)結(jié)果的吻合度高，23，30，45 ℃溫度下三者相關(guān)系數(shù)分別為0.974 8，0.978 7，0.997 0。

圖3 23 ℃餅皮/餡料/米威化餅干的等溫吸濕曲線

圖4 3個溫度下米威化餅干組合模型的等溫吸濕曲線

3 結(jié)論

研究表明在水分活度介于0.35～0.90時最適合表征餅皮和餡料的等溫吸濕模型分別是Lewicki模型和Peleg模型，并進(jìn)一步推導(dǎo)得到米威化餅干雙組分食品的等溫吸濕組合模型；同時得出溫度和相對濕度條件對餅皮及餡料的平衡含水率均有一定影響，但相對濕度條件對吸附特性的影響更大。本試驗(yàn)僅對正常溫度下米威化餅干的單組分進(jìn)行了研究，沒有進(jìn)行低溫度和高溫的試驗(yàn)研究，這也將是繼續(xù)進(jìn)行研究的方向和參考。