不同形态芡实产品的吸湿特性及其数学模拟分析

张 汆，魏兆军，贾小丽

(1.滁州学院化学与生命科学系，安徽滁州 239000; 2.合肥工业大学生物与食品工程学院，安徽合肥 230009)

不同形态芡实产品的吸湿特性及其数学模拟分析

张 汆1，魏兆军2，贾小丽1

(1.滁州学院化学与生命科学系，安徽滁州 239000; 2.合肥工业大学生物与食品工程学院，安徽合肥 230009)

研究了不同形态芡实产品在不同相对湿度下的吸湿特性。吸湿率结果表明，干燥芡实产品具有很强的吸湿性。在相对湿度90%的环境中，经30d，带壳芡实、整芡仁、碎芡仁和芡实粉的含水率分别从吸湿前的10.20%、4.83%、3.93%和0.99%增加到19.78%、20.80%、20.66%和21.27%。对芡实产品吸湿率数据进行一元非线性回归，建立了2个吸湿率数学模型，分别为:幂函数模型W=a·tb，负指数函数模型W=a Exp(b/t)。得到了不同芡实产品在不同相对湿度下的吸湿率模型参数，所得吸湿率数学模型均具有较理想的拟合效果。其中，负指数函数模型结构简单且拟合准确度较高，可用于不同芡实产品在不同湿度环境中的吸湿率预测。

芡实产品，吸湿特性，数学模拟

芡(Euryale feroxSalisb.)为一年生水生草本植物，其种子呈圆球形，直径为1～1.5cm，外被一层约1～2mm厚的木质外壳，内部为淀粉质种仁，即芡实，也称“鸡头果”、“刺莲”等。芡实是我国传统中药原料和滋补食材，具有多种生理保健功能，被视为延年益寿的上品。芡实在我国主要分布在浙江、江苏、安徽、湖北、湖南、广东等湖泊水域资源较多的地方，年产量约10 000t(2009)。在国内，有关芡实的研究主要集中在营养组分分析［1－2］、生理活性［3－7］等方面。在印度，芡实被加工成一种称为“Makhana”的食品，Dutta等［8］、Jha等［9］曾对“Makhana”的营养组分及其加工进行过研究。目前，我国芡实的主要加工形式为速冻保鲜、干制和罐制。在产地，带壳芡实一般经自然晾晒或烘干后，采用手工或机械脱壳后，得到干的芡仁，即可直接用作药材、食材或作为进一步加工的原料。我国江南地区芡实采收期一般在9～10月，期间气温较高，空气相对湿度较大，干燥后的芡实产品在贮存期间，极易吸湿回潮，影响其品质和贮存稳定性。本文以当年产新鲜带壳芡实为原料，经恒温干燥后，对不同形态干燥芡实产品的吸湿特性进行了分析，建立相关产品的吸湿率数学模型，期望对干燥芡实产品的安全贮存提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜带壳芡实 2009年9月5日采自安徽天长市湖滨乡境内;浓硫酸 分析纯。

CP224S电子分析天平 德国 Sartorius;DHG－9123A型电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏;铝盒 直径50mm，高35mm;密封性能良好的干燥器。

1.2 实验方法

1.2.1 原料前处理 新鲜带壳芡实经清洗、去杂，沥干后，于40℃恒温鼓风烘箱内干燥24h，得到完整芡仁、碎芡仁和芡实粉，初始含水率分别为4.83%、3.93%和0.99%。将上述产品分别装入聚乙烯自封袋内，备用。

1.2.2 硫酸溶液恒湿法 实验按照参考文献［10］方法用不同浓度的H2SO4水溶液配制恒湿液，H2SO4浓度(w/v)与相应相对湿度(RH，%)如表1所示。

表1 H2SO4溶液的浓度及其相对湿度(25℃)

1.2.3 吸湿性评价方法［11］采用吸湿率(W)和吸湿速率(V)两个指标表示不同形态芡实产品的吸湿性能。吸湿率(W，%)定义为单位质量芡实产品在温度为25℃时吸收水分的质量百分比，表示为∶

式中∶Wt－为吸湿t时刻后样品质量，g;W0－为吸湿前样品质量，g。

吸湿速率∶定义为单位时间(d)、单位质量(g)芡实产品在一定条件下吸收的水分质量，单位为mg/(g·d)。

1.2.4 芡实产品吸湿性数学模拟［11－12］根据本实验中吸湿率随时间的变化曲线形状，推测其吸湿率与时间是幂函数关系。在实验中发现，除了幂函数关系外，负指数函数也能很好的拟合不同芡实产品的吸湿率曲线。因此，实验采用DPS数据处理软件对芡实产品的吸湿数据进行一元非线性回归，拟合得到以下两个吸湿率数学模型∶

1.2.5 数据分析 采用Excel软件和DPSv7.55数据处理软件对实验数据进行分析整理，所有样品重复测定3次，求其平均值。

2 结果与分析

2.1 不同形态芡实产品的吸湿特性

图1和图2分别是带壳芡实和芡实粉在不同相对湿度下的吸湿率曲线。随相对湿度的升高，吸湿率显著增加(P＜0.05)，带壳芡实的吸湿平衡时间较长(约27d)，而芡实粉产品的吸湿平衡时间很短(5～6d)，这是由于芡实粉具有较大的表面积，可在短时间内吸收大量水分，较快达到吸湿平衡。整芡仁、碎芡仁的吸湿率曲线与带壳芡实(图1)的变化趋势基本相同，吸湿平衡时间分别为22d和13d。

图1 带壳芡实在不同相对湿度的吸湿率曲线

图2 芡实粉在不同相对湿度下的吸湿率曲线

吸湿率分析结果也显示，干制芡实产品吸湿性均较强。其中，芡实粉的吸湿速率最快，平衡时间最短，而带壳芡实的吸湿速度较慢，平衡时间最长。在相对湿度为90%的环境中，带壳芡实、整芡仁、碎芡仁和芡实粉经30d吸湿，其吸湿率分别为16.14%、20.46%、21.55%和24.97%，含水率分别从吸湿前的10.20%(带壳芡实的芡仁)、4.83%、3.93%和0.99%增加到19.78%、20.80%、20.66%和21.27%，均超过了一般干制食品的安全水分要求(≤14%)。

因此，对于干芡实产品而言，最好带壳贮存，即可防止贮存期间芡实种仁的污染，也可获得较干燥的种仁和更长的安全贮存期。

图3和图4分别为RH为90%时，不同形态芡实产品的吸湿率曲线和吸湿速率曲线。结果表明，在相同环境湿度下，带壳芡实的吸湿率最低，吸湿平衡时间最长(27d)，芡实粉的吸湿率最高，吸湿平衡时间最短(6d)，整芡仁和碎芡仁居中，碎芡仁的吸湿率稍高于整芡仁。图4的吸湿速率曲线显示出与吸湿率同样的趋势，即在相同环境湿度下，芡实产品吸湿速率和吸湿率均随其表面积的增加而增加，芡实粉的吸湿速率远高于其他形态的芡实产品。同时，在RH=90%的高湿度环境中，不同形态的芡实产品最大吸湿速率均发生在最初的1～2d内。

图3 不同芡实产品的吸湿率曲线(RH=90%)

表2 不同相对湿度下芡实产品吸湿性模型参数

图4 不同芡实产品的吸湿速率曲线(RH=90%)

2.2 不同芡实产品吸湿过程的模拟

采用一元非线性回归对不同相对湿度下芡实产品的吸湿数据进行拟合后，得到芡实产品的吸湿率数学模型，不同相对湿度下的吸湿率模型参数见表2。表中模型函数依次为∶(1)幂函数模型 W= a·tb;(2)负指数函数模型W=a Exp(b/t)。

数学拟合结果表明，幂函数和负指数函数模型均能较好的模拟4种芡实产品的吸湿过程，相关系数r2较高，F检验值均达到极显著水平(P－值 = 0.0001)，拟合效果较好。其中，负指数函数模型拟合效果优于幂函数模型。因此，就本实验中涉及的4种芡实产品而言，采用负指数函数模型对其吸湿率进行拟合，拟合准确度较高，可用于生产中不同芡实产品吸湿性的预测。

图5是在相对湿度为90%时，上述两种函数对带壳芡实(左)和整芡仁(右)吸湿率数据的拟合曲线，可以看出，拟合效果均比较理想。

图5 带壳芡实(左)和整芡仁(右)的吸湿率拟合曲线(RH=90%)

3 结论

实验研究了不同形态芡实产品在不同相对湿度下的吸湿特性。吸湿率结果表明，干制的芡实产品吸湿性很强。在相对湿度为90%的环境中，经30d吸湿，带壳芡实、整芡仁、碎芡仁和芡实粉的含水率分别从吸湿前的10.20%、4.83%、3.93%和0.99%增加到19.78%、20.80%、20.66%和21.27%，均超过了一般干制食品的安全水分要求(≤14%)。因此，对于干芡实产品而言，最好带壳贮存，既可防止贮存期间芡实种仁的污染，也可获得较干燥的种仁和更长的安全贮存期。

通过一元非线性回归，建立了不同芡实产品的吸湿率数学模型，分别为∶幂函数模型W=a·tb，负指数函数模型W=a Exp(b/t)。得到了不同芡实产品在不同相对湿度下的吸湿率模型参数，所得吸湿率数学模型均具有较理想的拟合效果。其中，负指数函数模型结构简单且拟合准确度较高，可用于不同芡实产品在不同相对湿度下的吸湿性预测。

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Moisture absorption properties and mathematical modeling analysis of different shape gorgon nut(Euryale ferox Salisb.)products

ZHANG Cuan1，WEI Zhao－jun2，JIA Xiao－li1
(1.Department of Chemistry and Life Science，Chuzhou University，Chuzhou 239000，China; 2.School of Biotechnology and Food Engineering，Hefei University of Thechnology，Hefei 230009，China)

The hygroscopicity of different gorgon nut products at different relative humidity conditions was investigated.The results indicated that dehydrated gorgon nut products possessed strong hygroscopicity.Stored in 90%relative humidity condition for 30 days，the moisture contents of shelled gorgon nut，whole gorgon nut kernel，cracked gorgon nut kernel and gorgon nut flour were significantly increased to 19.78%，20.80%，20.66%and 21.27%from initial 10.20%，4.83%，3.93%and 0.99%，respectively.Three models of hygroscopicity was set up by unitary nonlinear regression method based on the moisture absorption data of different gorgon nut products，that were power function W=a·tband negative exponent function W=a Exp(b/t).The hygroscopicity model parameters of different gorgon nut products in different relative humidity conditions were obtained.These models all possessed ideal fitting effects，especially，the negative exponent function was simple and more accuracy to fitting，and could be applied to predict the moisture absorption properties of different gorgon nut products in different humidity conditions.

gorgon nut products;moisture absorption property;mathematical modeling

TS201.1

A

1002－0306(2011)11－0131－04

2010－09－15 *通讯联系人

张汆(1970－)，女，博士，副教授，主要从事食品化学与营养学、膳食蛋白方向的研究。

安徽省应用化学省级重点学科建设项目(200802187C);滁州市科技计划项目(201057)。