基于相對(duì)濕度的小麥淀粉/谷朊粉混合粉失水速率的調(diào)控

鞏艷菲，張影全，張 波，郭波莉，魏益民

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100193）

干燥是糧食制品常見的加工工序，如干燥后，掛面或粉條的含水率降至14%，延長(zhǎng)了貨架期。然而，干燥工藝參數(shù)導(dǎo)致不合適的失水速率會(huì)造成谷物制品嚴(yán)重形變，甚至結(jié)構(gòu)破壞，如面條的劈條、酥條等質(zhì)量問題[1-4]。研究干燥失水速率調(diào)控機(jī)制對(duì)于谷物制品的質(zhì)量管理具有重要的意義。

干燥的本質(zhì)是制品中的水從部分結(jié)合狀態(tài)轉(zhuǎn)化為自由狀態(tài)，自由狀態(tài)的水轉(zhuǎn)化為水蒸氣，從制品中遷移至環(huán)境的過程；對(duì)制品而言是失水的過程，可以用失水速率表征其快、慢[5]。干燥過程或失水速率受制品成分、環(huán)境溫度、相對(duì)濕度等影響。制品成分主要通過其與水的結(jié)合特性影響失水速率。Gong 等[6]對(duì)不同配比的小麥淀粉/谷朊粉的吸濕解吸過程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)25 ℃時(shí)，淀粉和水的結(jié)合能高于谷朊粉。溫度對(duì)失水速率的影響方面研究較多。魏益民等[7]、武亮等[8]、屈展平等[9]研究了溫度對(duì)掛面干燥過程的水分遷移的影響，發(fā)現(xiàn)溫度越高，干燥速率越高，水分?jǐn)U散越快。對(duì)稻谷[10]、圣女果[11]等不同特性物料干燥，同樣發(fā)現(xiàn)，溫度越高，樣品的干燥速率越大。

相對(duì)濕度對(duì)水分遷移有重要影響。Inazu 等[12]用不同的相對(duì)濕度處理烏冬面，發(fā)現(xiàn)相對(duì)濕度越高，樣品的平均水分?jǐn)U散系數(shù)越低。Kashaninejad等[13]研究了開心果在不同濕度和不同溫度作用下的干燥動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)5%和25%的相對(duì)濕度對(duì)研究對(duì)象的干燥動(dòng)力學(xué)和有效水分?jǐn)U散系數(shù)有較小影響。尹麗妍等[14]、楊春輝[15]、武洪博等[16]及吳文福等[17]利用樣品與環(huán)境的水勢(shì)理論分析，分別研究玉米低溫真空干燥、玉米熱風(fēng)真空干燥、真空干燥花生種子及糧倉的通風(fēng)管理和水分遷移等方面，認(rèn)為失水速率與樣品的水分活度與其所處的環(huán)境相對(duì)濕度之間的差值有關(guān)。

糧食制品的主要成分為淀粉和蛋白質(zhì)，如小麥面條中約占70%的淀粉和11%的蛋白質(zhì)。鑒于小麥面制品中淀粉和蛋白質(zhì)分離方法相對(duì)成熟[18]，因此以小麥面條中分離得到的粉狀小麥淀粉和谷朊粉為模式試驗(yàn)材料，同時(shí)為了聚焦驗(yàn)證相對(duì)濕度對(duì)失水速率調(diào)控的可行性，以及避免制品制作工藝的影響，試驗(yàn)樣品定為淀粉和蛋白質(zhì)相互作用相對(duì)簡(jiǎn)單的混合粉。以相對(duì)濕度的不同變化速率，構(gòu)建樣品水分活度與相對(duì)濕度差值的梯度物理模型，研究淀粉/谷朊粉混合粉的失水速率，旨在明確水分活度與相對(duì)濕度差值對(duì)小麥淀粉/谷朊粉混合粉失水速率的影響規(guī)律，為調(diào)控小麥淀粉/谷朊粉基制品，乃至糧食制品干燥過程質(zhì)量控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

采用同一批寧春4 號(hào)小麥品種，河北金沙河面業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司提供。淀粉及谷朊粉樣品，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所制備。蒸餾水，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)西校區(qū)提供。

MLU220 型實(shí)驗(yàn)?zāi)?，中?guó)布勒機(jī)械制造有限公司；DHG-9123A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，中國(guó)精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；LGJ-25C 型真空冷凍干燥機(jī)，北京四環(huán)起航科技有限公司；ZM200 型冷凍研磨儀，德國(guó)Retsch 公司；BLC-250-111 型恒溫恒濕箱，北京陸?？萍加邢薰?；Aqualab VSA 型水分吸附儀，美國(guó)METER Group 公司。

1.2 樣品制備

試驗(yàn)選用適合制作中國(guó)白鹽干面條的小麥品種寧春4 號(hào)，磨粉，出粉率為70%。參照馬丁法[18]分離制備富淀粉組分（簡(jiǎn)稱淀粉）和富蛋白質(zhì)組分（簡(jiǎn)稱谷朊粉）。具體如下：將小麥面粉與水混合形成面團(tuán)，將面團(tuán)在水中不斷揉捏，分離為淀粉分散液和不溶性的谷朊粉。淀粉分散液離心后將沉淀真空冷凍干燥，冷凍研磨后全部過100 目粉篩，得到粉狀淀粉。將谷朊粉凍干后冷凍研磨過100 目粉篩得到粉狀谷朊粉。粉狀淀粉和谷朊粉封口袋包裝，4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

為了全面了解相對(duì)濕度對(duì)不同淀粉含量樣品失水速率的影響規(guī)律，故設(shè)計(jì)淀粉∶谷朊粉質(zhì)量比分別為100∶0，90∶10，50∶50，25∶75，0∶100。將粉狀的淀粉和谷朊粉在自封袋中手動(dòng)混合3 min 制得小麥淀粉/谷朊粉混合粉。隨著淀粉含量的降低，混合粉的初始水分含量分別為11.96%，10.96%，7.57%，5.99%和3.45%。

混合粉采用恒溫、恒濕箱平衡使其含水率增加，以便后續(xù)的失水試驗(yàn)。具體為：取適量（約30 g）的混合粉平鋪于培養(yǎng)皿中，設(shè)定恒溫、恒濕箱的溫度為25 ℃，相對(duì)濕度95%，每隔1 h 稱重樣品，直至樣品的質(zhì)量基本不變，此時(shí)樣品處于完全吸濕的狀態(tài)。完全吸濕后的樣品一部分用于水分活度與相對(duì)濕度差處理下的失水速率的測(cè)定，另一部分用于測(cè)定樣品的水分含量確定樣品的失水前初始含水率。

1.3 水分活度與相對(duì)濕度差值梯度物理模型的建立

采用不同變化速率的相對(duì)濕度，構(gòu)建樣品水分活度與相對(duì)濕度差值的梯度物理模型?？紤]到失水后含水率降至14%時(shí)水分活度大約為0.44，即樣品水分活度與相對(duì)濕度差值的范圍為0～0.44，故設(shè)計(jì)樣品水分活度與相對(duì)濕度差值初始值約為0.22。理論上，水分活度與相對(duì)濕度差值越大，失水速率越大。

1.3.1 （水分活度-相對(duì)濕度）差值逐漸減小模型

根據(jù)樣品的初始水分活度，設(shè)定相對(duì)濕度值，使水分活度與相對(duì)濕度的差值約為22 個(gè)百分點(diǎn)，溫度25 ℃。在0，30，60，90，120，180 min 6 個(gè)點(diǎn)對(duì)樣品的水分活度進(jìn)行測(cè)定并記錄。由于樣品不斷失水，其水分活度逐漸降低，環(huán)境相對(duì)濕度保持不變，二者差值逐漸降低。按百分?jǐn)?shù)計(jì)算，該模型記為（aw-RH）22%→2%。

以（aw-RH）22%→2%為例說明操作過程：1）取適量小麥淀粉/谷朊粉混合粉樣品放入水分吸附儀中，檢測(cè)物料的初始水分活度。2）將水分吸附儀設(shè)為等溫吸濕解吸濕（DDI）模式，溫度為25℃，步幅變化為0.01 aw，空氣流速設(shè)定為100 mL/min，初始相對(duì)濕度為65%。水分從樣品遷移至環(huán)境中。3）30 min 后，修改水分吸附儀至測(cè)定水分活度模式，檢測(cè)并記錄樣品水分活度。4）根據(jù)樣品水分活度調(diào)節(jié)相對(duì)濕度。5）重復(fù)第3 步和第4 步至180 min，或至樣品水分含量低于13%。當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度與樣品水分活度差值為逐漸降低及基本不變兩種模型時(shí)，失水時(shí)間到180 min 時(shí)，樣品含水率低于13%，共采集6 個(gè)點(diǎn)；環(huán)境相對(duì)濕度和樣品水分活度差值為逐漸增加模型時(shí)，樣品失水速率較快，失水時(shí)間到120 min 時(shí)，樣品含水率就低于13%，故共采集了5 個(gè)點(diǎn)。

1.3.2 （水分活度-相對(duì)濕度）差值基本不變模型

根據(jù)0，30，60，90，120，180 min 時(shí)樣品的水分活度，調(diào)節(jié)相對(duì)濕度，使其與樣品水分活度差值約為22 個(gè)百分點(diǎn)，二者差值基本保持不變。該模型記為（aw-RH）22%→22%。

1.3.3 （水分活度-相對(duì)濕度）差值逐漸增加模型

根據(jù)0，30，60，90，120 min 時(shí)樣品的水分活度，使其與樣品水分活度的差值分別為22，25，29，34，37 個(gè)百分點(diǎn)，兩者的差值逐漸增加。該模型記為（aw-RH）22%→37%。

1.4 失水速率

失水速率一般用水分變化質(zhì)量與樣品的初始質(zhì)量的比值，單位一般是g/g 或kg/kg。為去除樣品的初始質(zhì)量的影響，本文選用水分變化量與樣品的含水量的比值表示失水速率，單位mg/mg 含水量。

水分吸附儀記錄樣品在失水過程中的時(shí)間、質(zhì)量的變化值，按照式（1）計(jì)算樣品的失水速率。

式中，m1和m2為樣品在t1和t2時(shí)刻對(duì)應(yīng)的樣品質(zhì)量，mg；mw1和mw2為樣品在t1和t2時(shí)刻的含水量，mg；t1和t2分別為試驗(yàn)時(shí)間，min；V——失水速率，（mg/mg 含水量）/min。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 22 和Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和分析，使用Origin Pro 2020b 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 相對(duì)濕度對(duì)小麥淀粉/谷朊粉混合粉的水分活度的影響

當(dāng)設(shè)置不同的環(huán)境相對(duì)濕度梯度變化時(shí)，各混合粉樣品的水分活度（aw）及環(huán)境的相對(duì)濕度在180 min 內(nèi)的變化如圖1 所示。圖1a 為樣品水分活度與環(huán)境相對(duì)濕度差值逐漸減小模型。環(huán)境相對(duì)濕度基本保持不變，由于樣品不斷失水，其水分活度逐漸降低，樣品的水分活度與環(huán)境的相對(duì)濕度的差值逐漸降低。其中100%淀粉含量混合粉的水分活度與環(huán)境的相對(duì)濕度差值變化范圍為22%至0.9%；90%淀粉含量混合粉的水分活度與環(huán)境相對(duì)濕度差值的變化范圍為22%至0.4%；類似的，50%，25%及0%淀粉含量粉樣的水分活度與環(huán)境相對(duì)濕度差值的變化范圍分別為22%至2.2%，22%至0.7%，22%至1.6%。圖1b 所示為環(huán)境的相對(duì)濕度逐漸降低，且樣品水分活度與相對(duì)濕度的差值基本保持在22%左右。圖1c 所示為環(huán)境的相對(duì)濕度降低的幅度高于樣品的水分活度降低的幅度，100%，90%，50%，25%及0%淀粉含量混合粉的水分活度與環(huán)境相對(duì)濕度差值的變化范圍分別為22%至37%，22%至37%，22%至31%，22%至37%和22%至37%。

圖1 不同環(huán)境相對(duì)濕度下小麥淀粉/谷朊粉混合粉的水分活度Fig.1 Water activity of wheat starch/gluten blend powder under different relative humidity of the environment

2.2 水分活度與相對(duì)濕度差值對(duì)混合粉失水速率的影響

不同淀粉含量的混合粉在不同的水分活度與相對(duì)濕度差值下的失水速率變化如圖2 所示。以100%淀粉含量混合粉為例，100%淀粉含量混合粉在不同（水分活度-相對(duì)濕度）差值下的失水速率的變化如圖2a 所示。當(dāng)水分活度與相對(duì)濕度的差值由22%逐漸降低到0.9%時(shí)，失水速率由5.26×10-3[（mg/mg 含水量）/min] 逐漸降低到0.24×10-3[（mg/mg 含水量）/min]。當(dāng)水分活度與相對(duì)濕度差值維持在22%基本不變時(shí)，樣品的失水速率在5.44×10-3[（mg/mg 含水量）/min]到6.20×10-3[（mg/mg 含水量）/min]之間波動(dòng)，沒有明顯的變化規(guī)律。當(dāng)水分活度與相對(duì)濕度差值由22%逐漸升高到37%時(shí)，失水速率由5.84×10-3[（mg/mg 含水量）/min]逐漸增加到12.07×10-3[（mg/mg 含水量）/min]。90%，50%，25%和0%淀粉含量混合樣失水速率隨（aw-RH）變化趨勢(shì)類似，即當(dāng)水分活度與相對(duì)濕度差值逐漸降低時(shí)，樣品的失水速率逐漸降低，當(dāng)水分活度與相對(duì)濕度差值基本不變時(shí)，樣品的失水速率波動(dòng)變化，而水分活度與相對(duì)濕度差值逐漸增加時(shí)，樣品的失水速率總體上逐漸增加。

圖2 混合粉在不同水分活度與相對(duì)濕度差值下的失水速率Fig.2 The water loss rate of blend powders under different（water activity-relative humidity）value

2.3 小麥淀粉/谷朊粉混合粉的平均失水速率

不同淀粉含量小麥淀粉/谷朊粉混合粉在水分活度與相對(duì)濕度差值條件下的失水參數(shù)如表1所示。不同淀粉含量樣品在95%的相對(duì)濕度平衡后的初始含水率略有差別，分別為24%，24%，24%，23%和25%。由于失水速率的差異，樣品的最終水分活度，乃至相對(duì)濕度和水分活度的終點(diǎn)差值也不同。

表1 小麥淀粉/谷朊粉混合粉的平均失水速率參數(shù)Table 1 The parameters of the average water loss rate of wheat starch/gluten blend powder

3 組樣品水分活度與環(huán)境相對(duì)濕度的差值模型對(duì)小麥淀粉/谷朊粉混合粉的失水速率有極顯著影響（P<0.01）。除淀粉含量為50%的樣品外，其余樣品初始含水率至13%含水率所用的時(shí)間從長(zhǎng)到短排序，均為差值逐漸降低，所有混合粉在3 組樣品水分活度與環(huán)境相對(duì)濕度的差值模型的平均失水速率分別為3.11×10-3，5.86×10-3，6.91×10-3[（mg/mg 含水量）/min]。表明樣品的水分活度與相對(duì)濕度的差值越大，樣品的失水速率越大。

淀粉含量對(duì)樣品的失水速率有顯著影響（P<0.05）。淀粉含量為100%，90%，50%，25%和0%的混合粉在3 種模型的平均失水速率分別為4.64×10-3，4.77×10-3，5.98×10-3，5.31×10-3，5.79×10-3[（mg/mg 含水量）/min]，整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

3 討論

理論上分析，樣品水分活度與環(huán)境相對(duì)濕度的差值是樣品中水遷移到環(huán)境中的動(dòng)力。一定范圍內(nèi)相對(duì)濕度降低，樣品水分活度與其的差值增大，水分遷移速率增大，當(dāng)遷移量相同時(shí)，所用時(shí)間越短。該理論與李娟等[19]、朱丹實(shí)等[20]在高相對(duì)濕度下儲(chǔ)存菠菜和葡萄時(shí)，樣品的水分遷移會(huì)降低一致。本文研究結(jié)果顯示，在（水分活度-相對(duì)濕度）差值逐漸降低[（aw-RH）22%→2%]、基本不變[（aw-RH）22%→22%]和逐漸增加[（aw-RH）22%→37%]3 種模型處理下，淀粉含量為100%，90%，50%，25%和0%樣品的平均失水速率均呈現(xiàn)逐漸增高，所用失水時(shí)間漸漸縮短。這與巨浩羽等[21]研究結(jié)果類似。僅當(dāng)樣品淀粉含量為50%時(shí)，表現(xiàn)為差值恒定模型處理時(shí)失水速率最大，差值增加模型處理的失水速率則處于中間值，而兩者的平均失水速率相差不大。

此外，樣品的組成及結(jié)構(gòu)影響其與水分的結(jié)合情況，自由水與弱結(jié)合水易遷移出樣品，而強(qiáng)結(jié)合水則不易遷移出樣品[22]。當(dāng)水分含量相同時(shí)，淀粉與水分的結(jié)合能高于谷朊粉與水分的結(jié)合能[23]。在去除相同的水分時(shí)，淀粉需要更多的驅(qū)動(dòng)力，因此淀粉的失水速率低于谷朊粉，并且在相同的水分活度與相對(duì)濕度梯度變化處理下，隨著淀粉含量的降低，混合粉的失水速率將增加。

4 結(jié)論

小麥淀粉/谷朊粉混合粉的失水速率受樣品水分活度與環(huán)境相對(duì)濕度的差值以及淀粉含量（或谷朊粉）含量的影響。在樣品水分活度與環(huán)境相對(duì)濕度差值逐漸降低模型[（aw-RH）22%→2%]、基本不變模型[（aw-RH）22%→22%]和逐漸增加模型[（aw-RH）22%→37%]處理下，樣品遷移相同的含水量，所需要的時(shí)間逐漸減少，樣品的平均失水速率逐漸增加。相同樣品水分活度與環(huán)境相對(duì)濕度差值模型下，淀粉的平均失水率低于谷朊粉，隨著混合粉中淀粉含量增加，或谷朊粉含量降低，混合粉的平均失水速率總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

致謝

任傳順博士制備小麥淀粉和谷朊粉；METER儀器公司張俊剛先生提供水分吸附儀。