基于離子電流鹽漬蘑菇的工藝條件優(yōu)化

楊 哪，金亞美，趙娟娟，馬 倩，吳鳳鳳，徐學明

（1.江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122；2.江南大學 食品科學與技術(shù)國家重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

鹽漬是一種古老的食品加工及保藏技術(shù)，產(chǎn)品種類包括肉制品、水產(chǎn)品、禽蛋類和果蔬類[1-4]。植物原料作為多孔性介質(zhì)而具有一定的孔隙率，為了加快鹽漬而縮短加工時間，目前多采用真空浸漬技術(shù)，即利用負壓使細胞膨大，細胞間距增大而利于浸漬液快速滲入[5-7]。也有報道采用脈動壓力的方式進行鹽漬，即利用往復(fù)加壓來促進擴散[8-9]。新鮮蘑菇貨架期短，如果不及時加工會導(dǎo)致原料浪費，蘑菇屬于腌制行業(yè)中較常見的產(chǎn)品而深受大眾喜愛，產(chǎn)品按加工形式分為糖漬、醬漬和鹽漬[10-12]。為獲得較長貨架期和較好的經(jīng)濟效益，蘑菇采摘后通常進行鹽漬處理。Pryor[13]報道了基于變壓器原理的電解質(zhì)溶液中感應(yīng)電流的檢測方法，將海水作為變壓器次級線圈，通過初級線圈的激勵電壓使得螺線管狀的海水受到交變磁通的影響而產(chǎn)生感應(yīng)電流，且通過模擬發(fā)現(xiàn)其感應(yīng)電流大小與海水電導(dǎo)即自由離子含量相關(guān)。本研究根據(jù)2012年授權(quán)專利技術(shù)使鹽漬液中的氯化鈉形成離子電流并對蘑菇進行鹽漬處理[14]。利用交變磁通可在不使用通電極板的情況下，生產(chǎn)感應(yīng)電動勢并驅(qū)動離子運動。避免因極板和浸漬液直接接觸而造成表面的氧化還原反應(yīng)而污染浸漬液。研究了多孔狀食材即蘑菇在不同鹽分質(zhì)量分數(shù)和時間條件下的離子電流鹽漬效果并進行工藝優(yōu)化，同時考察了蘑菇組織在經(jīng)過離子電流鹽漬前后的微觀結(jié)構(gòu)，以期為實現(xiàn)離子電流快速浸漬處理多孔狀食品提供參考方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

選取新鮮無腐的蘑菇，購于無錫華潤萬家超市太湖店，為了便于考察感應(yīng)離子電流對其組織的浸漬效果，將原料切成厚15 mm、長20 mm、寬20 mm的塊狀備用，食鹽作為浸漬液的溶質(zhì)。

TA.XTPlus物性分析儀 英國SMS公司；Quanta 200掃描電子顯微鏡 荷蘭FEI公司。

采用自行研制的感應(yīng)離子電流腌漬裝置，儀器參數(shù)見授權(quán)專利ZL201210056569.0，結(jié)構(gòu)如圖1所示，基本原理是利用感應(yīng)電動勢讓浸漬液中的陰陽離子形成離子電流，電解質(zhì)溶液充滿在螺旋塑料管路中且與硅鋼鐵芯形成多個繞組并和物料腔體連接形成導(dǎo)通狀態(tài)，當管路繞組的磁通量變化時，溶液回路體系產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢推動離子往復(fù)遷移，受到物料腔體的垂直磁場影響，離子運動軌跡偏移，進而加強氯化鈉擴散滲透作用。

圖1 感應(yīng)離子電流腌漬裝置示意圖Fig.1 Layout of the induced ion current impregnation device

1.2 方法

1.2.1 樣品處理方法

將樣品置于玻璃腔體，將配制好的一定質(zhì)量分數(shù)食鹽溶液灌入直到浸沒樣品，抽真空使溶液充滿整個塑料管路，打開閥門進氣恢復(fù)到常壓，開啟電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，螺旋塑料管路的磁通量發(fā)生變化，體系中生產(chǎn)離子電流。蘑菇樣品在經(jīng)過不同時間（10、20、30、40、50 min）和不同鹽分質(zhì)量分數(shù)溶液（6%、9%、12%、15%、18%）處理后取出進行鹽分質(zhì)量分數(shù)和結(jié)實度測定。同時，另一組采用常規(guī)濕法鹽漬處理，作為對照組，其鹽漬液質(zhì)量分數(shù)和處理時間同上。

1.2.2 鹽分質(zhì)量分數(shù)測定

氯化鈉質(zhì)量分數(shù)采用硝酸銀滴定法測定[15]。

1.2.3 質(zhì)構(gòu)測定

采用物性分析儀，在壓縮模式下測定力的大小（N）。安裝的探頭為Craft Knife Blade。設(shè)定測量參數(shù)：目標模式為strain，壓縮程度為60%，壓縮速率為10 mm/s。力的作用曲線與測定時間圍成的面積定義為結(jié)實度（g）。每種樣品做5 個平行，取平均值。

1.2.4 組織孔隙率

干燥法測定樣品的水分含量χw，稱量約5 g樣品，置于105 ℃烘箱中直到恒質(zhì)量，記錄前后質(zhì)量m1、m2，由式（1）計算樣品水分含量：

表觀密度ρa采用比重瓶法于25 ℃測定：稱量并記錄已干燥恒質(zhì)量的空溫控比重瓶質(zhì)量m0，將約5 g樣品置于比重瓶中，然后稱量裝有試樣的比重瓶質(zhì)量m’，樣品質(zhì)量m=m’-m0。注入浸漬液（25 ℃水密度ρ25℃=0.996 8 g/cm3）直到浸沒試樣，將比重瓶抽真空至0.01 MPa保持10 min，排除試樣孔隙空氣，放氣后再將比重瓶放入恒溫水浴25 ℃中，再注入浸漬液至比重瓶某刻度處并標記，待比重瓶恒溫后，再調(diào)節(jié)浸漬液面至比重瓶此前標記的刻度。取出比重瓶擦干，立即稱量m1。然后將比重瓶倒空，清洗后只裝入浸漬液，進行抽真空排氣處理，恒溫后再調(diào)節(jié)液面至比重瓶此前標記的刻度處，稱其質(zhì)量m2，故由式（2）可得表觀密度ρa，此時ρχ=ρ25℃。

因難以達到絕對真空，故真實環(huán)境下除去蔬菜樣品孔隙中的所有氣體較困難，所以真實密度ρr計算值由式（3）可得[16]，而根據(jù)式（4）可得到樣品蔬菜孔隙率ε：

1.2.5 微觀結(jié)構(gòu)觀察

樣品切成4 mm×1.5 mm×5 mm的矩形塊狀，直接置于液氮中冷凍（-210 ℃）5 min，取出后將其脆斷，在凍干機的-45 ℃冷阱、真空度12 Pa環(huán)境下脫水30 min。干燥的樣品表面噴金，于Quanta 200掃描電子顯微鏡下觀察樣品微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鹽漬液質(zhì)量分數(shù)和處理時間對鹽漬效果影響

圖2 鹽漬液質(zhì)量分數(shù)對蘑菇鹽分含量和結(jié)實度的影響Fig.2 Effect of solution concentration on salt content and firmness in mushroom pickling

圖3 浸漬時間對蘑菇鹽分含量和結(jié)實度的影響Fig.3 Effect of impregnation time on salt content and firmness in mushroom pickling

蘑菇采用不同鹽分質(zhì)量分數(shù)6%、9%、12%、15%、18%的鹽漬液處理30 min，并于同樣條件下進行常規(guī)濕法腌漬處理，作為對照組。從圖2可以看出，隨著浸漬鹽分質(zhì)量分數(shù)的提高，蘑菇的滲鹽量也提高，在6%的鹽漬液處理后滲鹽量為3.11%，15%質(zhì)量分數(shù)處理后滲鹽量最大為4.71%，而常規(guī)濕法腌漬的蘑菇這一指標分別為滲鹽量為0.63%和0.82%，鹽漬液質(zhì)量分數(shù)從9%提高到15%后蘑菇經(jīng)離子電流浸漬后其鹽分質(zhì)量分數(shù)提高了50%。這是因為鹽漬液質(zhì)量分數(shù)提高，在感應(yīng)電動勢驅(qū)動下的大量Na+和Cl-離子向多孔狀組織遷移滲透。而常規(guī)濕法腌漬食品其離子擴散動力則來源于由濃度差引起的滲透壓，所以離子擴散緩慢。植物結(jié)實度代表組織質(zhì)地的致密程度，也反映細胞間結(jié)合力的變化，屬于果蔬的物理品質(zhì)參數(shù)。同樣隨著鹽漬液質(zhì)量分數(shù)提高，蘑菇的結(jié)實度也呈現(xiàn)微上升趨勢，在經(jīng)過6%和15%的鹽漬液處理后結(jié)實度分別為444.69 g和498.77 g。因為隨著鹽分的短時大量滲透，造成蘑菇組織的致密度提高。但常規(guī)濕法腌漬的蘑菇結(jié)實度變化不大。蘑菇采用鹽分質(zhì)量分數(shù)12%的鹽漬液，在感應(yīng)離子電下分別處理10、20、30、40、50 min后，從圖3得知，隨著時間的延長，蘑菇的滲鹽量和結(jié)實度也呈現(xiàn)增加。在處理10 min和50 min后其滲鹽量分別為1.82%、5.34%，而結(jié)實度則為378.32 g、483.73 g。常規(guī)濕法腌漬的蘑菇這2 項指標分別為0.54%和0.72%，以及220.45 g和235.6 g，表明在短時間內(nèi)常規(guī)濕法腌漬效果不明顯。將感應(yīng)離子電流浸漬多孔狀食材的鹽漬液質(zhì)量分數(shù)和浸漬時間兩項參數(shù)作為主要影響因素，建立蘑菇滲鹽量預(yù)測模型。

2.2 滲鹽量預(yù)測模型

通過離子電流鹽漬處理后，為了能夠使用數(shù)學模型對蘑菇滲鹽量進行預(yù)測，方便工藝條件選擇。根據(jù)Central-Composite的星點試驗設(shè)計原理，綜合單因素試驗結(jié)果，選取鹽漬液質(zhì)量分數(shù)、浸漬時間為蘑菇滲鹽量影響顯著的2 個因素，采用二因素四水平響應(yīng)面分析方法，試驗以隨機次序進行，重復(fù)3 次，因素與水平設(shè)計見表1，響應(yīng)面分析方案及試驗結(jié)果見表2。

表1 響應(yīng)面法的因素水平編碼Table 1 Factors and coded levels for response surface analysis

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Scheme and experimental results for response surface analysis

對表2在不同條件下所測得的滲鹽量利用Design Expert 8.05軟件進行回歸擬合，得到滲鹽量響應(yīng)值Y回歸方程，如式（5）所示：

根據(jù)得到的回歸方程模型方程分析，由表3可知，2 個因素中的P值相差較小，對滲鹽量的影響順序：浸漬時間＞鹽漬液質(zhì)量分數(shù)。從方差分析看模型小于0.01，表明該模型方程高度顯著。從模型的失擬項P=0.440 9＞0.05，表明模型失擬不顯著。相關(guān)系數(shù)R2=8.49/8.78=0.966 9＞0.8，說明實際值與預(yù)測值有較好的擬合度，該模型可以很好地用來分析離子電流浸漬處理后的蘑菇滲鹽量。

表3 回歸方程方差分析Table 3 Analysis of variance for the regression equation for pickling efficiency

2.3 工藝條件確定與模型檢驗

圖4 蘑菇滲鹽量回歸方程的響應(yīng)面Fig.4 Response surface plot for the salt content of mushrooms

由蘑菇滲鹽量回歸方程得到其響應(yīng)面如圖4所示，可以看出當鹽漬液質(zhì)量分數(shù)取值在9%～15%、處理時間在30～50 min范圍時，蘑菇樣品滲鹽量范圍在3.06%～5.56%。為了避免鹽漬液質(zhì)量分數(shù)過高或處理時間過長而造成的滲鹽量過大，而使得蘑菇表面出現(xiàn)烏黑斑點的不良品質(zhì)，故選取滲鹽量為4%為目標值。根據(jù)響應(yīng)面解析鹽漬液質(zhì)量分數(shù)9.32%以及處理時間34.99 min為最佳條件。為了驗證解析結(jié)果，采用鹽漬液質(zhì)量分數(shù)9.0%和處理時間35 min條件對蘑菇進行感應(yīng)離子電驗證處理，重復(fù)5 次，試驗結(jié)果如表4所示。預(yù)測模型值與試驗實測值較為接近，說明回歸模型較實用。

表4 目標試驗結(jié)果驗證Table 4 Veri fication results of target experimental design

2.4 離子電流鹽漬前后蘑菇微觀結(jié)構(gòu)觀察

表5 蘑菇的物理特性參數(shù)Table 5 Physicochemical properties of mushrooms

從表5可以看出，由于蘑菇屬于真菌類植物，孔隙率較大，而大多數(shù)果蔬的孔隙率為1%～10%[17]，且孔隙率較大則有利于浸漬液中的溶質(zhì)滲入到組織內(nèi)部中。蘑菇樣品經(jīng)過質(zhì)量分數(shù)為9%鹽漬液于感應(yīng)離子電流處理30 min，觀察微觀組織結(jié)構(gòu)，如圖5所示。可看出處理前的蘑菇樣品其組織是典型的纖維管狀菌絲構(gòu)造，菌絲體呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交織的結(jié)構(gòu)，組織具有一定的孔隙。在經(jīng)過離子電流浸漬后可以看出在蘑菇組織孔隙中分布鹽分顆粒，說明鹽漬液體系中的Na+和Cl-在感應(yīng)電動勢驅(qū)動下形成離子電流，促進了向多孔狀組織的滲透，進而加快鹽漬效果。

圖5 蘑菇的微觀組織觀察Fig.5 Cryo-SEM micrograph images of mushroom tissues

3 結(jié) 論

目前，離子電流可通過帶電極板的電勢差驅(qū)動實現(xiàn)[18-21]，若針對多孔狀食品材料進行浸漬處理，會因極板的氧化還原反應(yīng)而造成浸漬液的污染，從而無法對農(nóng)產(chǎn)品進行處理。除了采用永磁體生產(chǎn)的交變磁通外，也可以電磁的方式生產(chǎn)交變磁通并針對含有其他金屬離子的強電解質(zhì)溶液生產(chǎn)感應(yīng)電流，并對多孔狀食材進行浸漬處理以達到微量元素營養(yǎng)強化目的。本實驗利用永磁體生產(chǎn)感應(yīng)離子電流并對多孔狀食材即蘑菇進行鹽漬處理，發(fā)現(xiàn)Na+和Cl-可以快速地滲入蘑菇的菌絲體組織而達到鹽漬效果，相對于常規(guī)濕法腌漬其處理時間大為縮短。蘑菇滲鹽量隨鹽漬液質(zhì)量分數(shù)及處理時間的提高而增加，對滲鹽量的影響順序是：浸漬時間＞鹽漬液質(zhì)量分數(shù)。通過響應(yīng)面分析，得到滲鹽量預(yù)測模型：

為達到實際4%滲鹽量效果，根據(jù)預(yù)測模型，得到經(jīng)過鹽漬液質(zhì)量分數(shù)9.0%和35 min處理后的蘑菇平均含鹽量為3.8%。

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