面制品干燥過程中水分遷移機制及影響因素分析

鞏艷菲 代美瑤 李 芳 張 波 應(yīng)旦陽

(中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所；農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品加工重點實驗室1，北京 100193) (澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織農(nóng)業(yè)與食品研究所2，墨爾本 VIC3030)

水分在農(nóng)產(chǎn)品的收獲、安全儲藏、安全運輸、加工和食品制造中發(fā)揮著重要的作用。國家標準規(guī)定小麥儲藏的安全含水量在12.5%以下，小麥粉儲藏的安全含水量在14.5%以下。水分在面制品制造中具有重要作用，如小麥磨粉前經(jīng)過潤麥增加麥麩的韌性，從而提高出粉率[1]。小麥粉加水和成具有一定黏彈性的面團，進一步制作各種各樣的面制品，面片或面條等面制品脫除一部分水可以延長其保質(zhì)期等。在面制品制作或儲存過程中會發(fā)生不同程度的水分遷移，在多組分食品中水分從濕基遷移到干基的過程中，產(chǎn)品的相態(tài)(玻璃態(tài)與橡膠態(tài)之間的轉(zhuǎn)變)、微生物數(shù)量都可能會發(fā)生變化[2]。這些變化會影響制品質(zhì)量，如面條干燥工藝參數(shù)不合適時會造成面條劈條、酥條，增加生產(chǎn)成本等[3, 4]。此外，水分遷移涉及水分狀態(tài)的變化和能量的交換，所以水分遷移還影響面制品制造過程的能耗和成本[5]，如掛面干燥能耗約占生產(chǎn)成本的60%[6]。

面制品水分遷移方面的研究偏向經(jīng)驗模型或者根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗對干燥過程中水分遷移現(xiàn)象的定性分析[7]，多關(guān)注加工工藝對干燥特性和產(chǎn)品品質(zhì)的影響，缺乏對各影響因素的深度挖掘和綜合表征，難以有效指導生產(chǎn)。梳理分析面制品中影響水分遷移的因素及其影響規(guī)律，旨在為實現(xiàn)合理設(shè)計節(jié)能保質(zhì)的干燥工藝提供參考。

1 水分遷移機制概述

表征水分在體系中的自由程度有多個物理量，如含水量、水分活度、相對濕度、蒸氣壓(濕)[8]等。水分活度、相對濕度或蒸氣壓等分別表示液態(tài)和氣態(tài)下水分的自由程度。為了便于比較不同相態(tài)或狀態(tài)水分的自由程度，本研究采用水勢統(tǒng)一表述水分的自由程度。水分受到的束縛越少，自由程度越高，水勢越高；反之，則水勢越低。

水分遷移的動力在于水勢差，即水分梯度是水分遷移的主要驅(qū)動力。水分梯度作為遷移驅(qū)動力可以用菲克定律描述[9, 10]。鄭先哲等[11]研究了增濕加熱稻谷干燥工藝，認為在稻谷的干燥過程中，水分遷移的速率受水分梯度的影響，且水分梯度影響物料內(nèi)部應(yīng)力。類似的，濕原理認為不同的水蒸氣分壓差是載體，在物料內(nèi)部及氣流與物料之間發(fā)生轉(zhuǎn)換和傳遞[8]。水分將向減少水勢差的方向進行，水勢差可能存在于樣品內(nèi)部或樣品和環(huán)境之間，假定暫不考慮樣品內(nèi)部各部分水勢的差異，并將樣品的平均水勢稱為內(nèi)部水勢，可用樣品的水分活度表征，環(huán)境的平均水勢則可稱為外部水勢。樣品和環(huán)境之間的平均水勢差則可稱為內(nèi)外水勢差。那么，內(nèi)外水勢差將決定水分在樣品和環(huán)境間的遷移方向和遷移速率。內(nèi)部水勢高于外部水勢時，水分由內(nèi)部遷移到外部；反之，則由外部遷移到內(nèi)部，且水勢差越大遷移動力越大。因此，影響內(nèi)、外部水勢的因素都有可能影響水分的遷移方向和速率，即影響水分遷移的本質(zhì)因素是內(nèi)部水勢和外部水勢的影響因素。

Rockland[12]認為水分遷移的過程涉及水分狀態(tài)、水分相態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)變，如水分從蛋白質(zhì)/淀粉體系遷移至環(huán)境，部分水分需從結(jié)合水變?yōu)樽杂伤?，再變?yōu)樗魵?。遷移期間伴隨著能量的交換。這些能量的大小就形成了水分遷移的阻力。

王文靜等[13]研究三明治儲藏過程中的水分遷移特性，分別將面包片和夾層餡的水分活度定義為內(nèi)、外部水勢。通過調(diào)整面包片與夾層餡的水分活度，制備出A、B、C、D的水分活度差分別為0.087、0.047、0.025、0.020的三明治。結(jié)果顯示，儲藏15 d后，A三明治面包片的水分活度升高了0.079；D三明治面包片的水分活度升高了0.013。兩者每天的水分活度的平均變化速率分別為0.005 3和0.000 87?？梢?，水分活度差或內(nèi)外水勢差越大，水分遷移的速率越快。

Watanabe等[14]研究了淀粉食品在煮制過程中的水分遷移，提出了一種新的模型。天花板含水量(mclg)是指在煮制過程中物料能達到的飽和含水量；表觀含水量(m)是指某一狀態(tài)時物料的含水量；水分需求(WD)是指天花板含水量和表觀含水量的差值。該模型認為水分需求是水分遷移的動力。當物料水分達到飽和含水量時，其內(nèi)部水勢與外部水勢基本平衡，水分在物料和環(huán)境之間遷移也處于平衡狀態(tài)。當物料水分未達到飽和含水量，表觀含水量與飽和含水量(外部水勢)之間存在差值，驅(qū)動水分遷移。由此，模型中所提的水分需求等同于內(nèi)外水勢差，故水分需求決定了水分遷移的動力。

2 影響面制品內(nèi)部水勢的因素

2.1 成分對內(nèi)部水勢的影響

2.1.1 含水量

樣品的含水量對內(nèi)部水勢有影響。不同含水量下，水分結(jié)合狀態(tài)不一樣。對于小麥粉體系而言，當含水量低于3%時，水分以強結(jié)合水狀態(tài)存在；3%～25%時，水分以弱結(jié)合水的形式存在；高于25%時，水分才以自由水的形式存在[15]。

不同結(jié)合狀態(tài)水分與其他成分的結(jié)合能不同，進而影響內(nèi)部水勢。Xiong等[16]研究發(fā)現(xiàn)，意大利面30 ℃時，隨著含水量從5%增加至20%，結(jié)合能從21 kcal/mol逐漸降低至接近0 kcal/mol。Clausius-Clapeyron方程式(式1)描述了水分活度、含水量、結(jié)合能之間的關(guān)系[17]。

(1)

式中：q為等量熱(isosteric heat)，表示水分子與小麥粉吸附位之間的相互作用；R為氣體常數(shù)，aw為水分活度；T為絕對溫度；x為含水量。

由式(1)可知，在高含水量下，水分活度較高，樣品具有低能量值，水分與其他成分結(jié)合不緊密。因此，樣品含水量越高，水分的自由程度也越高，則水勢越高。

于曉磊[18]研究了不同初始含水率掛面干燥過程中的水分遷移規(guī)律。掛面初始含水率分別為29%和34%，在溫度為32 ℃，濕度為75%的條件下干燥300 min。結(jié)果顯示，2組樣品0～300 min的平均干燥速率分別為0.07%/min和0.10%/min。初始含水量越高，樣品的平均干燥速率越大。當外部水勢低于內(nèi)部水勢時，水分從樣品遷移至外部，初始含水率較高樣品的內(nèi)部水勢也較高，其內(nèi)外水勢差較大，故水分遷移速率較快。

Umbach等[19]研究了不同淀粉、蛋白質(zhì)和水混合體系的擴散系數(shù)。室溫下制備樣品，每克干物質(zhì)的含水量分別為0.54、1.00、1.86 g。當?shù)矸郏旱鞍踪|(zhì)的質(zhì)量比為4∶1時，水分擴散系數(shù)分別為6×10-10、12×10-10、17×10-10m2/s；當?shù)矸郏旱鞍踪|(zhì)的質(zhì)量比為1∶1時，水分擴散系數(shù)分別為5×10-10、9×10-10、14×10-10m2/s?？梢姵跏己瘦^高樣品的水分從樣品遷移至環(huán)境的速率較高。

此外，Ogawa[20]利用熱重法研究了小麥粉的干燥特性，結(jié)果如圖1所示。當含水量在30%～32%時，干物質(zhì)每小時對應(yīng)的干燥速率約為0.92 kg H2O/kg；當含水量在10%～30%之間，隨含水量的降低，干燥速率逐漸降低，由0.84 kg H2O/kg逐漸減到0.20 kg H2O/kg；當含水量低于5%～10%時，干燥速率緩慢降低至0 kg H2O/kg。

圖1 90 ℃、20.6%相對濕度下利用熱重分析法 得到的干燥曲線圖[20]

2.1.2 蛋白質(zhì)/淀粉配比

蛋白質(zhì)和淀粉是小麥粉和面制品的主要組成成分，每100 g小麥粉中約含有70 g淀粉和14 g蛋白質(zhì)[21]。蛋白質(zhì)、淀粉與水分的結(jié)合能力不同，不同種類的蛋白質(zhì)的結(jié)合能力也不同，其形成的內(nèi)部水勢也不同。Bushuk等[22]對小麥粉、純淀粉和純谷朊粉的吸濕等溫線和結(jié)合能進行了測定，淀粉的吸附能力最強，小麥粉次之，谷朊粉最差。Chen等[23]研究表明大豆蛋白中不可凍結(jié)水含量的臨界含水量為35.2%～37.6%，低于該含水量時水分與其他物質(zhì)間以大分子緊密結(jié)合。還有研究認為，水分通過氫鍵更多的與淀粉結(jié)合。他們還指出，46%的水分與淀粉結(jié)合，31%與蛋白結(jié)合，23%與戊聚糖結(jié)合[24]。Willhoft[25]認為在面團中面筋蛋白比淀粉吸收更多的水，在烘焙的過程中，蛋白質(zhì)中的水向淀粉發(fā)生部分遷移。Li等[26]利用核磁振技術(shù)研究表示這是由于蛋白質(zhì)具有更強親水能力。淀粉與有限量的水分緊密結(jié)合，含水量高，則水分流動性增大，而蛋白質(zhì)會因自身結(jié)構(gòu)使得內(nèi)部水分流動性較小。因此，高蛋白質(zhì)含量樣品具有較低的內(nèi)部水勢。

王振華等[27]對不同配比蛋白質(zhì)/小麥淀粉的掛面干燥過程進行了研究。蛋白質(zhì)/小麥淀粉的配比分別為8.2%、10.2%、12.2%、14.2%、16.2%、18.2%，在室溫下采用壓延法制得樣品的初始含水率為34%。將樣品在35 ℃，相對濕度75%下進行干燥。結(jié)果顯示，干燥時間0～300 min內(nèi)，樣品的水分擴散系數(shù)分別為12.8×10-9、10.2×10-9、8.1×10-9、7.5×10-9、7.3×10-9、7.0×10-9m2/s。隨著蛋白質(zhì)含量增加，水分擴散系數(shù)降低。類似的，Umbach等[19]對淀粉∶蛋白質(zhì)的比例分別為100∶0、80∶20、50∶50、20∶80、0∶100，初始含水率為54%的混合物的研究發(fā)現(xiàn)，其水分擴散系數(shù)分別為11×10-10、6×10-10、5×10-10、4×10-10、4×10-10m2/s。

2.1.3 預糊化淀粉含量

預糊化淀粉含量影響面制品的內(nèi)部水勢。預糊化是淀粉經(jīng)過了從有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)逐漸變?yōu)闊o序結(jié)構(gòu)的過程，晶體結(jié)構(gòu)被部分或全部破壞，會改變其與水分結(jié)合能力。與原淀粉相比，糊化淀粉吸附更多水分的原因可能是糊化淀粉內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)具有了更大的表面積[28]。因此，糊化淀粉有更強的親水性[29]。

Xiong等[16]研究了含預糊化淀粉和淀粉的擠壓意面的有效水分擴散系數(shù)。樣品由25%谷朊粉和75%預糊化淀粉或75%未糊化淀粉在57 ℃下擠壓制得。結(jié)果表明，當每千克干基物料含水量0.1 kg時，含預糊化淀粉和未糊化淀粉的樣品的有效水分擴散系數(shù)分別為28×10-12、22×10-12m2/s。

2.1.4 損傷淀粉含量

損傷淀粉與面團的吸水率成正比，破損淀粉含量越高面粉的吸水率越高[30，31]。損傷淀粉與完整的淀粉粒相比，具有更大的比表面積和更多的結(jié)合位點，與水分的結(jié)合能力更強，具有更低的內(nèi)部水勢。

2.1.5 麩皮含量

麩皮含量影響內(nèi)部水勢。麩皮是面粉加工過程中的一種副產(chǎn)物，含有大量的纖維。有研究表明含有纖維的面團與不含纖維的面團相比具有更大的吸水率[32, 33]。周玉瑾[34]利用低場核磁對對不同麥麩含量的面條在相同的干燥條件下進行研究發(fā)現(xiàn)，麥麩含量在0%～5%的范圍內(nèi)，隨著麥麩含量的增加，T21、T22呈現(xiàn)減小趨勢，與其他成分競爭性吸收水分，降低了水分的流動性和樣品的內(nèi)部水勢。

2.2 樣品物理結(jié)構(gòu)對內(nèi)部水勢的影響

2.2.1 孔隙率

孔隙率是指固體材料中孔隙體積與總體積的百分比，與物品的密實度呈反比。Keey[35]表示在面團中有效水分擴散系數(shù)與孔隙率存在著式(2)的關(guān)系。

(2)

式中：Deff為有效水分擴散系數(shù)；DA為空氣中的蒸氣擴散系數(shù)；Φ為孔隙率；ξ為迂曲度(tortuosity)，用于描述多孔介質(zhì)滲流通道的一個重要參數(shù)。

Roca等[38]通過控制打漿時間制備不同孔隙率的海綿蛋糕并研究其有效水分擴散系數(shù)。每克海綿蛋糕的初始含水量都控制在0.3 g。在儲藏的過程中研究其水分遷移情況，結(jié)果顯示，孔隙率為86%和52%的兩種樣品的擴散系數(shù)分別為4.60×10-10、0.80×10-10m2/s。Baik等[39]的研究也有類似的結(jié)果。當孔隙率由10%變化到90%時，有效水分擴散系數(shù)由0.04×10-10m2/s變化到0.35×10-10m2/s。可見，當樣品孔隙率增加時，樣品中的水分遷移到環(huán)境中的速率增加。

Waananen等[40]通過分別控制擠壓機筒溫度為40-55-57 ℃和110-135-137 ℃，制備孔隙率分別為6%和27%的樣品。2種樣品的有效水分擴散系數(shù)隨著外界溫度(40、55、71、105 ℃)和壓力(77、101、202 kPa)的增加而增加，呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，但變化幅度不一樣。2種樣品有效水分擴散系數(shù)變化范圍分別為8～106×10-12m2/s和36～221×10-12m2/s。孔隙率較大樣品的有效水分擴散系數(shù)較大。

2.2.2 樣品溫度

樣品溫度會影響其內(nèi)部水勢。溫度較高時，水分自由度較大，內(nèi)部水勢較高。Gom等[41]研究了溫度對水和未糊化大米淀粉/水2種體系的表觀水分擴散的影響。未糊化大米淀粉/水體系中，每克樣品的初始含水量為0.475 g。結(jié)果顯示，在水體系中，溫度由21 ℃變化到51.5 ℃時，水分擴散系數(shù)由20.4×10-10m2/s增加到37.2×10-10m2/s。未糊化大米淀粉/水體系中，同樣的溫度變化范圍內(nèi)，水分擴散系數(shù)由4.6×10-10m2/s增至7.5×10-10m2/s。與水體系相比，淀粉/水體系對水存在束縛作用，內(nèi)部水勢較低，初始的水分擴散系數(shù)比蒸餾水的擴散系數(shù)低。

3 影響外部水勢的因素

3.1 環(huán)境的相對濕度

環(huán)境的相對濕度可以間接表征外部水勢，是直接影響內(nèi)外水勢差因素。Inazu等[42]研究了相對濕度和溫度對日本新鮮面條(烏冬面)干燥動力學的影響。在室溫下采用壓延法制作烏冬面，烏冬面的含水量為0.53 g/g。研究60%、70%、80%3個相對濕度水平，以及20、30、40 ℃3個溫度水平下水分的擴散速率。結(jié)果顯示，當含水量從0.53 g/g降低至0.38 g/g時，20 ℃條件下，60%、70%、80%3個濕度的表觀水分擴散系數(shù)分別為9.38×10-11、7.82×10-11、6.44×10-11m2/s；30 ℃時3個濕度的表觀水分擴散系數(shù)依次為11.85×10-11、9.79×10-11、8.30×10-11m2/s；40 ℃時3個濕度的表觀水分擴散系數(shù)依次為15.05×10-11、12.38×10-11、10.28×10-11m2/s。結(jié)果表明，溫度保持不變時，隨著外界相對濕度的增加，表觀水分擴散系數(shù)依次降低。類似的，魏益民等[43]對掛面干燥過程進行了研究發(fā)現(xiàn)，在含水率46%～30%的過程中，每100 g樣品在65%、75%、85%的相對濕度下的平均干燥速率分別約為0.584、0.396、0.218 g/min。即在干燥的過程中，樣品的內(nèi)部水勢高于環(huán)境的外部水勢，樣品的水分不斷向環(huán)境中遷移直至內(nèi)外水分平衡。外界環(huán)境的相對濕度增加相當于提高了外部水勢，使得內(nèi)外水勢差減小，水分遷移的速率降低。

3.2 環(huán)境溫度

環(huán)境溫度通過影響樣品溫度進而影響內(nèi)部水勢，一般規(guī)律為提高環(huán)境溫度，樣品溫度增加，樣品內(nèi)部水勢增加，水分遷移方向和速率取決于內(nèi)部水勢和外部水勢的變化幅度，以及形成的內(nèi)外水勢差。陸啟玉[44]、Inazu等[45]將掛面、烏冬面的干燥過程分為3段，即以低溫高濕空氣去除表面水分以實現(xiàn)面條定型的預干燥段，在此階段中，控制低溫和高濕提高了外部水勢，內(nèi)外水勢差減小，水分從樣品向環(huán)境的遷移速率降低，減少出現(xiàn)應(yīng)力不均的現(xiàn)象，達到定型的目的。在主干燥段中，主要是升溫、調(diào)整濕度為主，溫度的升高使內(nèi)部水勢升高，外部水勢降低，內(nèi)外水勢差增加，兩種因素的共同作用下使得內(nèi)外水勢差增加，水分遷移速率增加。

Xing等[46]利用低場核磁共振技術(shù)對意面在不同溫度下干燥過程中的水分遷移進行了研究。以含水率約為9%的商業(yè)意面為材料，浸泡在50 ℃水中一段時間，制備不同含水率的樣品。樣品放入核磁管中，通入相對濕度0%的氮氣，分別在22 ℃和44 ℃下干燥117 min，意面中心附近含水量分別減少了0.014、0.033 g，水分變化百分比分別為8.7%和21.9%。由此可知溫度越高，相同時間內(nèi)水分遷移量越大，水分遷移速率越大。

魏益民等[43]研究溫度對掛面干燥速率的影響，也有類似的結(jié)果。含水率在46%降低到30%的過程中，相對濕度保持恒定為75%，溫度為30、40、50 ℃時，每100 g樣品的平均干燥速率分別為0.32、0.384、0.438 g/min。結(jié)果顯示，溫度越高掛面的平均干燥速率越高。阮征等[47]對粵式杏仁餅的干燥過程研究也有類似結(jié)論，當溫度由80 ℃升高到120 ℃時，水分擴散系數(shù)由8.32×10-9m2/s增加到24.96×10-9m2/s。即溫度升高，水分向低水勢擴散速率增加。

3.3 風速

風速對水分遷移速率有影響。Inazu等[48]研究了風速對日本烏冬面的干燥的影響，每克樣品的初始含水量為0.53 g。干燥條件為恒定溫度40 ℃，相對濕度70%，空氣流速分別為0.50、0.75、1.00、1.25、1.88、3.00 m/s。結(jié)果顯示在干燥的初始階段，當空氣流速由0.50 m/s增加到1.88 m/s時，表觀水分擴散系數(shù)約由4.5×1011m2/s線性增加到13.0×1011m2/s，但空氣流速大于2.00 m/s后，水分擴散系數(shù)基本保持不變。類似的，在主干燥階段，空氣流速大于1.00 m/s后有效擴散系數(shù)基本保持不變。面食的干燥分析通?；谳^高的空氣流速，使得內(nèi)部傳質(zhì)阻力是速率控制的主要因素。風速影響水分遷移速率的原因是當空氣流速增大時，樣品表面的水分子擴散速率增加，提高了水分從樣品表面遷移至環(huán)境的速率。當氣流速率與樣品表層最大水分擴散速率達到平衡時，再增加氣流速率則無法增加樣品表面水分擴散速率，表現(xiàn)為氣流速率增加水分擴散速率不再增加的現(xiàn)象。

4 多因素的聯(lián)動效應(yīng)

影響內(nèi)外水勢的因素是多方面的，內(nèi)外水勢的變化是各因素作用的綜合結(jié)果。因素變化并非是獨立的，還存在聯(lián)動效應(yīng)。如影響內(nèi)部水勢因素中，蛋白質(zhì)/淀粉的配比不僅通過影響與水分結(jié)合能力影響內(nèi)部水勢，還可形成不同的孔隙率影響內(nèi)部水勢。Xiong等[16]的研究顯示，淀粉與蛋白質(zhì)的質(zhì)量比分別為1∶1和3∶1形成的孔隙率分別為10.70和14.79的樣品在干燥過程中，在低含水量時，高蛋白組的水分擴散系數(shù)略低于低蛋白組。這是因為高蛋白質(zhì)含量提高了束縛水的能力，并且高蛋白組低孔隙率對水分束縛也較高的原因。

孔隙率因為通道與阻隔的原因影響樣品的內(nèi)部水勢，另外孔隙率還影響了溫度在樣品內(nèi)部的分布，在內(nèi)部形成了溫度梯度，進而影響內(nèi)部水勢。Fu等[49]研究了微波加熱過程中面團的水分遷移情況，研究發(fā)現(xiàn)，當面團的孔隙率為0.42時，加熱過程中的溫度和溫度偏差分別是(38±0.8)、(57±1.4)、(76±1.7)、(85.5±1.9)、(90±2.2)℃。當樣品的孔隙率增加到0.68時，38 ℃時的樣品溫度偏差為0.4 ℃，90 ℃時偏差為1.2 ℃。即當樣品內(nèi)部的孔隙率比較大的時候，樣品內(nèi)部的傳質(zhì)、傳熱阻力減小，溫度在樣品中的分布更加均勻，偏差更小。

5 小結(jié)與展望

水分是面制品中重要成分之一，在面制品制作、儲存過程中會發(fā)生不同程度的遷移。水分遷移不僅影響產(chǎn)品的質(zhì)量和貨架期，還影響制作過程中的能耗和成本。水分遷移的動力是存在內(nèi)外水勢差，水分存在從高水勢向低水勢遷移的趨勢，且水勢差越大，水分遷移的動力越大。內(nèi)部水勢會隨著含水量、淀粉占比、孔隙率、外界環(huán)境的溫度的增加而升高；外部水勢隨著環(huán)境的相對濕度增加而升高。各因素之間存在聯(lián)動效應(yīng)，共同決定水分遷移的方向和速率。

物料的物性與含水量的關(guān)系將影響內(nèi)部水勢和水分遷移速率。物性決定著物料形變的模量。物性的改變有可能導致水分遷移過程中物料的形變，從而改變物料的質(zhì)量特性。這些物性包括密度、孔隙率、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等。因此，水分遷移是一個物料與所處環(huán)境內(nèi)外水勢差動態(tài)變化，且物料物性動態(tài)變化的過程。不同的內(nèi)外水勢差調(diào)控方案可能會實現(xiàn)相同的水分遷移量，而對面制品的質(zhì)量和能耗的影響不同，從而實現(xiàn)生產(chǎn)高質(zhì)量食品的同時降低能耗。