白鬼筆熱風(fēng)干燥特性與干燥動力學(xué)模型

康 超， 王 芳， 楊 玲， 林 靜， 向 準(zhǔn)， 張 林

(貴州省生物研究所，貴州貴陽 550009)

白鬼筆(Phallusinpudicus)，俗稱冬蓀，別稱竹下菌、竹菌、無裙蓀，屬于鬼筆目(Phallales)鬼筆科(Phallaceae)鬼筆屬(Phallus)，是云貴等地山林中的一種珍稀食藥用真菌。白鬼筆味道鮮美，口感松脆，且具有極高的營養(yǎng)價值。其菌柄、菌托和子實體均可入藥，藥性為甘、淡、溫，有活血止痛、祛風(fēng)除濕的功效，可用于治療風(fēng)濕痛等疾病，同時還具有抗癌活性[1]。食用菌產(chǎn)品有鮮品、干品、腌制品、飲品及調(diào)味品等，但因鮮品不易保存和運(yùn)輸，所以它們通常被加工成干品和腌制品，而飲品和調(diào)味品為最近幾年發(fā)展起來產(chǎn)品[2]。市場上銷售的產(chǎn)品大多為干制品，食用菌干制技術(shù)簡單，實用有效，是食用菌加工普遍采用的技術(shù)方法。目前，食用菌干制方法有熱風(fēng)干燥、微波干燥、冷凍干燥、真空干燥、遠(yuǎn)紅外干燥等[3-5]，其中常用的為熱風(fēng)干燥。本試驗采用熱風(fēng)干燥方法探討恒溫?zé)犸L(fēng)干燥和持續(xù)增溫?zé)犸L(fēng)干燥對白鬼筆質(zhì)量、感官指標(biāo)和評價指標(biāo)的影響，以期為白鬼筆干燥提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

白鬼筆，收集于貴州省畢節(jié)市大方縣白鬼筆種植基地。選擇新鮮、表面無明顯水分、無病蟲害、形態(tài)完整的標(biāo)本進(jìn)行試驗。

1.2 儀器設(shè)備

01-2A型鼓風(fēng)干燥箱(天津市泰斯特儀器有限公司)；JA2003電子天平(上海天平儀器廠)；DZ-300A多功能真空封裝機(jī)(深圳市晟楓包裝機(jī)械有限公司)；其他為一般常規(guī)儀器。

1.3 方法

1.3.1 恒溫?zé)犸L(fēng)干燥 將4個鼓風(fēng)干燥箱的干燥溫度分別設(shè)置為45、55、65、75 ℃，進(jìn)行預(yù)熱。稱取54 g左右的新鮮白鬼筆標(biāo)本，待干燥箱溫度恒定后，分別迅速置于4個鼓風(fēng)干燥箱中，每隔2 h稱量1次白鬼筆質(zhì)量并觀察感官指標(biāo)，直至樣品達(dá)到恒定質(zhì)量，計算評價指標(biāo)。

1.3.2 持續(xù)增溫?zé)犸L(fēng)干燥 將鼓風(fēng)干燥箱干燥溫度設(shè)置為40 ℃，進(jìn)行預(yù)熱。稱取54 g左右的新鮮白鬼筆標(biāo)本，待干燥箱溫度恒定后，迅速置于鼓風(fēng)干燥箱中，每隔1 h稱量1次白鬼筆質(zhì)量并觀察感官指標(biāo)，稱量完畢后，將標(biāo)本重新置于鼓風(fēng)干燥箱中，同時將鼓風(fēng)干燥箱溫度上調(diào)5 ℃，直至樣品達(dá)到恒定質(zhì)量，計算評價指標(biāo)。

1.4 評價指標(biāo)

1.4.1 水分散失率 水分散失率指樣品干燥過程中水分的揮發(fā)量，不同干燥時刻白鬼筆水分散失率的計算公式為

(1)

式中：St表示t時刻樣品的水分散失率，%；m0表示樣品的初始質(zhì)量，g；mt表示樣品干燥至t時刻時的質(zhì)量，g。

1.4.2 干基含水量 干基含水量指一定質(zhì)量樣品中的水分質(zhì)量與樣品絕對干物質(zhì)質(zhì)量之比，不同干燥時刻白鬼筆的干基含水量計算公式為

(2)

式中：Mt表示t時刻樣品的干基含水量，g/g；md表示樣品干燥至恒質(zhì)量時的質(zhì)量，g。

1.4.3 濕基含水量 濕基含水量指樣品干燥過程中，水分質(zhì)量與含水樣品初始質(zhì)量之比，即樣品中含水量。不同干燥時刻冬蓀的濕基含水量計算公式為

(3)

式中：Gt表示t時刻樣品的濕基含水率，%。

1.4.4 實時含水量 實時含水量指干燥過程中樣品中實際含水量，不同干燥時刻白鬼筆實時含水量的計算公式為

(4)

式中：Ht表示t時刻樣品的實時含水量，%。

1.4.5 水分比 干燥過程中物料的水分比(moisture ratio，簡稱MR)可用來表示物料還有多少水分未被干燥去除，可以反映物料干燥速率的快慢，白鬼筆干燥過程的干燥曲線采用水分比隨干燥時間變化的曲線表示，計算公式為

(5)

式中：MR表示t時刻樣品的水分比；Me表示樣品干燥平衡時干基含水量，g/g；M0表示樣品初始干基含水量，g/g。

因Me相對于Mt、M0來說非常小，可忽略不計，故式(5)可簡化為

(6)

1.4.6 干燥速率 按照Falade的方法[6]計算干燥速率，具體計算公式為

(7)

式中：Ut表示t時刻樣品干燥速率，g/(g·h)；Mt+dt表示dt時刻樣品干基含水量，g/g；dt表示干燥時間變化量，h。

1.4.7 干燥曲線的數(shù)學(xué)模型 根據(jù)文獻(xiàn)[3-5]，本研究采用表1中的4種數(shù)學(xué)模型對白鬼筆熱風(fēng)干燥試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

1.4 數(shù)據(jù)分析和圖形處理

表1 常用的薄層干燥數(shù)學(xué)模型

注：k、a、b、n為干燥常數(shù)。

采用Origin 8.5軟件對5種干燥模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合求解，模型的擬合精確度分析采用指標(biāo)R2進(jìn)行評價；采用Origin 8.5軟件對數(shù)據(jù)作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱風(fēng)干燥對白鬼筆感官指標(biāo)的影響

從表2、表3可以看出，隨著干燥時間的增加，白鬼筆顏色逐漸加深，表面逐漸褶皺，個體逐漸變小。以45 ℃恒溫條件進(jìn)行熱風(fēng)干燥時，白鬼筆的菌體顏色和形態(tài)變化較慢，保持度較好；恒溫條件為75 ℃時，菌體在干燥2 h時形態(tài)出現(xiàn)明顯的皺縮，到烘干結(jié)束時，皺縮嚴(yán)重，且顏色較深，形態(tài)保持度最差；55、65 ℃條件下的菌體形態(tài)變化處于45 ℃與75 ℃之間。在持續(xù)增溫條件下對白鬼筆進(jìn)行熱風(fēng)干燥時，其菌體顏色和形態(tài)變化得較慢，保持度較好。結(jié)果表明，在恒溫條件下對白鬼筆進(jìn)行熱風(fēng)干燥時，溫度過高會造成白鬼筆形態(tài)的急劇變化，以低溫烘干較為適宜，但低溫耗時較長，且菌體顏色變化嚴(yán)重，不能良好的保持其形態(tài)；與恒溫?zé)犸L(fēng)干燥相比，持續(xù)增溫?zé)犸L(fēng)干燥的效果較好。圖1為白鬼筆在生長、采摘、清洗、烘干等過程中子實體的形態(tài)。

2.2 恒溫?zé)犸L(fēng)干燥對白鬼筆的影響

2.2.1 恒溫?zé)犸L(fēng)干燥對白鬼筆質(zhì)量的影響 從圖2可以看出，隨著干燥時間的增加，白鬼筆質(zhì)量逐漸減少。當(dāng)恒溫?zé)犸L(fēng)干燥條件為45 ℃時，白鬼筆質(zhì)量變化曲線比較平穩(wěn)，烘至 12 h 時，達(dá)到恒定質(zhì)量；55 ℃時，烘干至10 h，達(dá)到恒定質(zhì)量；65、75 ℃時，烘干至6 h，達(dá)到恒定質(zhì)量，但75 ℃的質(zhì)量變化比65 ℃急劇。恒溫干燥條件為45 ℃時的烘干時間與55 ℃相差2 h，與65、75 ℃相差6 h；55 ℃時的烘干時間與65、75 ℃相差4 h。結(jié)果表明，溫度越高，質(zhì)量變化越快，達(dá)到恒定質(zhì)量時所用的時間越短。

表2 恒溫?zé)犸L(fēng)干燥對白鬼筆感官指標(biāo)的影響

表3 持續(xù)增溫?zé)犸L(fēng)干燥對白鬼筆感官指標(biāo)的影響

2.2.2 恒溫?zé)犸L(fēng)干燥對白鬼筆濕基含水量和水分散失率的影響 從圖3可以看出，白鬼筆最初濕基含水量分別為 89.36%、89.13%、89.34%、86.96%。最初平均含水量(鮮菇平均含水量)為88.70%，隨著干燥時間的增加，白鬼筆濕基含水量逐漸減少。在不同恒定熱風(fēng)干燥溫度下，濕基含水量隨時間的增加逐漸降低，當(dāng)45 ℃干燥12 h、55 ℃干燥10 h及65、75 ℃干燥6 h之后，濕基含水量趨近于零，隨著干燥時間的增加，白鬼筆水分散失率逐漸增加。在不同恒定熱風(fēng)干燥溫度下，45 ℃干燥12 h、55 ℃干燥10 h及65、75 ℃干燥6 h時，水分散失率達(dá)到最大，隨后趨于穩(wěn)定，其中最高水分散失率分別為89.36%、89.13%、89.34%、86.96%。結(jié)果表明，溫度越高，干燥時間越長，濕基含水量越低，水分散失率越大。

2.2.3 恒溫?zé)犸L(fēng)干燥對白鬼筆實時含水量和干燥速率的影響 從圖4可以看出，隨著干燥時間的增加，白鬼筆實時含水量逐漸減少。在不同恒定熱風(fēng)干燥溫度下，實時含水量隨時間的增加逐漸降低，當(dāng)45 ℃干燥12 h、55 ℃干燥10 h及65、75 ℃干燥8 h之后，實時含水量趨于零。當(dāng)45 ℃干燥 10.35 h，55 ℃干燥6.6 h，65 ℃干燥3.9 h，75 ℃干燥3.6 h時，白鬼筆實時含水量降至12%。當(dāng)恒定熱風(fēng)干燥溫度為 45 ℃ 時，隨著干燥時間的增加，干燥速率先上升至最大值[1.51 g/(g·h)]，隨后逐漸降低；當(dāng)恒定熱風(fēng)干燥溫度為55、65、75 ℃時，干燥速率均隨時間的增加呈下降趨勢，然后趨于平穩(wěn)，同時發(fā)現(xiàn)，在2 h時，65 ℃的干燥速率高于55 ℃、75 ℃，在4 h時，55 ℃的干燥速率最高，隨后逐漸下降。各個溫度條件下的干燥速率表現(xiàn)出不同的變化趨勢， 其原因有待進(jìn)一步研究。

2.3 持續(xù)增溫?zé)犸L(fēng)干燥對白鬼筆的影響

2.3.1 持續(xù)增溫?zé)犸L(fēng)干燥對白鬼筆質(zhì)量、水分散失率和濕基含水量的影響 從圖5可以看出，白鬼筆最初含水量(鮮菇含水量)為86.80%，隨著干燥時間和干燥溫度的增加，白鬼筆質(zhì)量和濕基含水量逐漸減少，水分散失率逐漸增加。當(dāng)干燥至6 h，溫度達(dá)65 ℃時，白鬼筆質(zhì)量、濕基含水量和水分散失率3條曲線變化趨于平穩(wěn)，表明白鬼筆基本達(dá)到恒定質(zhì)量，濕基含水量及水分散失率趨于平衡。

2.3.2 持續(xù)增溫?zé)犸L(fēng)干燥對干基含水量和實時含水量的影響 從圖6可以看出，隨著干燥時間和干燥溫度的增加，白鬼筆實時含水量和干燥速率逐漸減少。當(dāng)干燥持續(xù)時間為 5.2 h，干燥溫度增加至61 ℃時，白鬼筆實時含水量降至12%。當(dāng)干燥時間持續(xù)7 h，干燥溫度增加至70 ℃時，實時含水量和干燥速率降至最低(趨近于零)，隨后保持穩(wěn)定。

2.4 白鬼筆熱風(fēng)干燥模型的選擇

利用表1的4種薄層干燥數(shù)據(jù)模型對不同恒溫?zé)犸L(fēng)干燥和持續(xù)增溫?zé)犸L(fēng)干燥條件下的白鬼筆水分比試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求解，并通過比較擬合優(yōu)度來確定最優(yōu)的干燥模型。從表4可以看出，45 ℃ 恒溫?zé)犸L(fēng)干燥時，Page模型的R2值大于0.99， 其余3種模型的R2介于 0.94～0.96之間， 表明Page模型的擬合程度最優(yōu)，因此選用Page模型MR=exp(-ktn)來描述白鬼筆在 45 ℃ 恒溫?zé)犸L(fēng)干燥條件下的水分比變化。55、65、75 ℃恒溫?zé)犸L(fēng)干燥白鬼筆時，4種數(shù)學(xué)模型的R2值均大于0.99，表明4種模型的擬合度均較好，但在擬合過程中發(fā)現(xiàn)，Page模型的R2值雖然最大，但擬合值出現(xiàn)負(fù)值，與試驗數(shù)據(jù)明顯不符，因此選用Lewis/Newton模型MR=exp(-kt)來描述白鬼筆在55、65、75 ℃ 恒溫?zé)犸L(fēng)干燥條件下的水分比變化。對不同溫度條件下選擇的數(shù)學(xué)模型預(yù)測值和試驗值進(jìn)行比較，結(jié)果(圖7)表明，各數(shù)學(xué)模型的預(yù)測值與試驗值的擬合度均較高，表明各數(shù)學(xué)模型均能較準(zhǔn)確地預(yù)測白鬼筆在恒溫?zé)犸L(fēng)干燥過程中的水分變化規(guī)律，可用于描述恒溫條件下白鬼筆的熱風(fēng)干燥過程。

表4 白鬼筆恒溫?zé)犸L(fēng)干燥數(shù)學(xué)模型擬合參數(shù)

從表5可以看出，在持續(xù)增溫?zé)犸L(fēng)干燥條件下，4種數(shù)學(xué)模型的R2值均大于0.98，表明4種模型的擬合度均較好，其中Henderson and Pabis模型的R2值最大，因此選用Henderson and Pabis模型MR=aexp(-kt)來描述白鬼筆持續(xù)增溫?zé)犸L(fēng)干燥條件下的水分比變化。對模型預(yù)測值和試驗值進(jìn)行比較，結(jié)果(圖8)表明，Henderson and Pabis模型的預(yù)測值與試驗值的擬合度較高，說明該模型能較準(zhǔn)確地預(yù)測白鬼筆在持續(xù)增溫?zé)犸L(fēng)干燥過程中的水分比變化規(guī)律，可用于描述持續(xù)增溫條件下白鬼筆的熱風(fēng)干燥過程。

3 討論與結(jié)論

本研究比較了4個恒定干燥溫度和持續(xù)增溫條件下，鼓風(fēng)干燥對白鬼筆質(zhì)量、感官指標(biāo)和評價指標(biāo)的影響，并以水分比試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行模型擬合，探討和描述白鬼筆鼓風(fēng)干燥的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式。在恒溫?zé)犸L(fēng)干燥條件下，溫度越高，白鬼筆干燥速度越快，同時菇體越皺縮，顏色變化越深，嚴(yán)重影響白鬼筆品質(zhì)，主要是由于在高溫烘干過程中，由于溫度過高，內(nèi)部游離水分尚未擴(kuò)散至菇體表面，表面已失水干制，從而造成樣品硬殼，同時菇體內(nèi)的多糖、蛋白質(zhì)等生理活性物質(zhì)在高溫下易分解或焦化，使菇體營養(yǎng)受損，此外高溫還會使細(xì)胞液迅速膨脹，造成細(xì)胞壁破裂，胞液流出，菇體液化，顏色變黑[2]。在持續(xù)增溫?zé)犸L(fēng)干燥條件下，隨時間的延長和溫度的升高，菇體皺縮和顏色變化較慢，品質(zhì)較好，且與恒溫?zé)犸L(fēng)干燥相比，干燥速度較快、干燥效果好(持續(xù)增溫干燥6 h白鬼筆趨于恒定質(zhì)量，而45、55 ℃恒溫?zé)犸L(fēng)干燥至恒質(zhì)量的耗時分別為12、10 h，65、75 ℃干燥品相較差)，主要是由于持續(xù)增溫可以讓菇體內(nèi)外形成溫度差，促使菇體外部水分快速揮發(fā)，菇體內(nèi)部水分向菇體表面擴(kuò)散，同時干燥溫度不會過高，從而可較好地保持菇體形態(tài)[2]。

表5 白鬼筆持續(xù)增溫?zé)犸L(fēng)干燥數(shù)學(xué)模型擬合參數(shù)

根據(jù)GB7096—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食用菌及其制品》的規(guī)定，食用菌干制品含水量應(yīng)≤12%。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)45 ℃恒溫?zé)犸L(fēng)干燥10.35 h、55 ℃恒溫?zé)犸L(fēng)干燥6.6 h、65 ℃恒溫?zé)犸L(fēng)干燥3.9 h、75 ℃恒溫?zé)犸L(fēng)干燥3.6 h時，持續(xù)增溫?zé)犸L(fēng)干燥5.2 h時，白鬼筆實時含水量降至12%。對比干燥溫度、干燥時間、品相認(rèn)為，持續(xù)增溫干燥5.2 h為最好的烘干方法。

物料的干燥是一個復(fù)雜的過程，液相擴(kuò)散理論是固體干燥過程質(zhì)量傳遞的基本機(jī)理，過程可用Fick方程描述[3-4]。常用的數(shù)學(xué)模型有Lewis、Page、Henderson and Pabis、Approximation of diffusion、Wang and Singh、Simplified Fick’s diffusion、Modified Page equation-Ⅱ、Logarithmic、Two-term等。本研究參照文獻(xiàn)[3-5]，選用模型Lewis/Newton、Henderson and Pabis、 Page、Logarithmic來描述白鬼筆的干燥過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，45℃恒溫?zé)犸L(fēng)干燥時，Page模型的擬合度較好；55、65、75 ℃恒溫?zé)犸L(fēng)干燥時，Lewis/Newton模型的擬合度較好；持續(xù)增溫干燥時，Henderson and Pabis模型的擬合度較好。陳健凱等研究表明，Two-term模型能準(zhǔn)確地表達(dá)和預(yù)測杏鮑菇在熱風(fēng)干燥過程中不同條件下任意時刻的水分含量和干燥速率[7]，與本研究有一定的區(qū)別，可能是由干燥方法的選擇導(dǎo)致的。

本試驗比較了4個恒定干燥溫度和持續(xù)增溫條件對白鬼筆干燥的影響。結(jié)果表明，持續(xù)增溫?zé)犸L(fēng)干燥5.2 h，溫度增加至61 ℃時，白鬼筆實時含水量降至12%；干燥6 h時，溫度增至70 ℃時，白鬼筆達(dá)到恒定質(zhì)量，并測得鮮菇含水量為86.80%。持續(xù)增溫?zé)犸L(fēng)干燥具有干燥時間短，菇體形態(tài)好，顏色變化小的優(yōu)點(diǎn)。通過對烘干過程中的水分比進(jìn)行數(shù)學(xué)模型擬合發(fā)現(xiàn)，Henderson and Pabis模型可較好地反映白鬼筆的干燥過程，能較好地預(yù)測持續(xù)增溫?zé)犸L(fēng)干燥過程中白鬼筆不同時刻的水分比變化。