铁棍山药等温吸附特性研究

庞凌云，李 瑜，詹丽娟，刘凯丽

（河南农业大学食品科学技术学院，河南郑州 450002）

山药块茎中含有丰富的淀粉、蛋白质、维生素、矿物质等营养物质，还含有多糖、皂苷、胆碱等营养成分和活性成分[1]。研究表明，山药具有降血糖、降血脂、改善消化功能、抗氧化、抗肿瘤等生物活性，主产于河南省，尤其以温县、武陟、沁阳等地出产的山药品质最佳、药效最好，又称为怀山药。铁棍山药属怀山药中的极品，素有“怀参”之称。

铁棍山药的水分含量达70%左右，鲜切后容易褐变，在贮运过程中茎脆易断，皮薄易破，采收机械损伤频繁，而造成霉变、腐败[2]。干燥山药片是目前常见的山药深加工产品。但是，水分含量是影响其品质的重要因素，如果干燥山药片水分控制不当，或贮藏条件不合理，极易发生潮解、霉变、虫蛀等变质现象，不仅造成资源的浪费，也对企业造成一定的损失[3]。水分活度（Aw）经常用来描述食品的稳定性与水分的关系，国内外许多学者通过对油炸香蕉片[4]、荔枝果肉[5]、橙皮[6]、黑胡椒[7]等果蔬吸附特性的研究，提出了相应的吸附理论和经验模型来表征其水分活度和水分含量之间的关系。而目前关于山药等温吸附特性的研究报道较少，因此分别采用热风、真空、微波3种干燥方式处理铁棍山药，绘制等温吸附曲线，并用6种吸附模型进行模拟评价分析，研究其等温吸附规律，为进一步优化山药干燥加工工艺和贮藏条件提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

铁棍山药，产于河南省焦作市温县武德镇马冯蔺村，选择新鲜、粗细均匀、表面无损伤、无病虫害、无腐烂的山药为原料。

KNO3， KCl， NaCl， MgCl2， NaBr， CH3COOK，均为分析纯；试验用水为蒸馏水。

1.2 仪器与设备

WD900B型微波炉，顺德市格兰仕电器实业有限公司产品；DZ-2BC型真空干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司产品；DHG-9070A型鼓风干燥箱，上海捷呈实验仪器有限公司产品；BCD-277型家用冰箱，博西华家用电器有限公司产品；DHS20-A型烘干称量法水分测定仪，上海精密科学仪器有限公司产品；DGF-80型高速万能粉碎机，上海树立仪器仪表有限公司产品；DK-98-IIA型电热恒温水浴锅，天津市泰斯特仪器有限公司产品；JA6102/FA2004A型电子天平，上海精天电子仪器有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 原料制备

在预试验的基础上，铁棍山药片的干燥均在各种干燥方式的最佳条件下进行。

（1） 热风干燥。将铁棍山药清洗去皮修整后，切为5 mm厚的薄片，于85℃下漂烫护色3 min，在60℃下干燥至水分含量8%左右，粉碎备用。

（2） 真空干燥。将铁棍山药清洗去皮修整后，切为3 mm厚的薄片，于85℃下漂烫护色3 min，在0.07 MPa，65℃条件下干燥至水分含量8%左右，粉碎备用。

（3） 微波干燥。将铁棍山药清洗去皮修整后，切为6 mm厚的薄片，于85℃下漂烫护色3 min，在270 W，13 W/g条件下干燥至水分含量8%左右，粉碎备用。

1.3.2 等温吸附

采用静态称质量法测定铁棍山药的平衡含水率，将经热风、真空、微波3种干燥方式处理得到的山药粉分别在4个温度和6个相对湿度条件下进行吸湿平衡试验。

称取2 g样品放入康卫皿内室，康卫皿外室用饱和盐溶液 （CH3COOK，MgCl2，NaBr，NaCl，KCl，KNO3）保持相对湿度，密封后放入温度分别为10，20，30，40℃的恒温装置中，每隔2 h称质量，直至样品质量变化不超过2 mg，认为样品达到吸湿平衡[2]。每个试验重复3次，结果取平均值。样品首次放入康卫皿内室的干基质量为m1，样品达到吸湿平衡后的质量与样品首次放入康卫皿内室质量的差值为m2，平衡含水率（Equilibrium moisture content，EMC）的计算公式为：

水分活度值近似等于用百分率表示的相对湿度，其数值在0～1，平衡相对湿度（Equilibrium relative humidity，ERH）与水分活度（Aw）的关系为：

绘制平衡含水率（EMC）随水分活度（Aw）变化的曲线，即得到某一温度下的等温吸附曲线。

不同温度下不同饱和盐溶液的水分活度见表1。

表1 不同温度下不同饱和盐溶液的水分活度

1.3.3 吸附模型拟合

为进一步研究铁棍山药的等温吸湿特性，选用目前普遍应用的6种模型（GAB，BET，Henderson，Smith，Halsey和Peleg）对铁棍山药等温吸湿数据进行拟合分析。

吸附模型表达式见表2[8]。

表2 吸附模型表达式

为评价模型的拟合优度可比较均方差（RMSE）、残差平方和（SSE）、相关系数（R）、相关系数之平方（R2）。参数均方差（RMSE）和残差平方和（SSE）值越低、越趋于0，相关系数（R）和相关系数之平方（R2）值越高、越趋于1表明模型拟合度越高。

1.3.4 数据处理

采用1stOpt1.5软件进行非线性回归分析。

2 结果与分析

2.1 铁棍山药等温吸附曲线

热风干燥铁棍山药的等温吸附曲线见图1，真空干燥铁棍山药的等温吸附曲线见图2，微波干燥铁棍山药的等温吸附曲线见图3。

图1 热风干燥铁棍山药的等温吸附曲线

图2 真空干燥铁棍山药的等温吸附曲线

图3 微波干燥铁棍山药的等温吸附曲线

由图1～图3等温吸附曲线可知，3种干燥方式的铁棍山药在等温吸附过程中都有以下共同特征：平衡含水率随着水分活度的升高而升高，在0.2＜AW＜0.6为0.2～0.6时，平衡含水率增加缓慢；在AW＞0.6时，平衡含水率增加迅速。在相同水分活度下，平衡含水率随着温度的升高而升高，这个结果与目前大多数食品的等温吸湿特性相反，但与褚振辉等人[9]的研究结果相同。原因是由于水分活度较低时，水分吸附主要依靠食品中的生物聚合物，随着温度的升高水分吸附效果会降低；水分活度逐渐升至超过中等水分活度时，水分吸附主要依靠食品中的糖类及低相对分子质量的物质，抵消了温度对水分吸附的负向作用[10-11]。在等温吸附的过程中，山药含有的大量糖类物质发生溶解，导致吸附水分能力增加。

2.2 不同干燥处理方式的铁棍山药等温吸附曲线

10℃时铁棍山药的等温吸附曲线见图4，20℃时铁棍山药的等温吸附曲线见图5，30℃时铁棍山药的等温吸附曲线见图6，40℃时铁棍山药的等温吸附曲线见图7。

图4 10℃时铁棍山药的等温吸附曲线

图5 20℃时铁棍山药的等温吸附曲线

图6 30℃时铁棍山药的等温吸附曲线

由图4～图7可知，4个温度下铁棍山药的等温吸附曲线都有共同的特征，即在相同水分活度下，热风干燥与真空干燥铁棍山药的平衡含水率均高于微波干燥铁棍山药的平衡含水率。这可能是由于不同干燥方式处理后山药中糖类物质含量不同[12]，从而导致吸附特性出现差异。

2.3 吸附模型模拟与比较

图7 40℃时铁棍山药的等温吸附曲线

热风干燥铁棍山药等温吸附模型模拟与统计分析见表3。

表3 热风干燥铁棍山药等温吸附模型模拟与统计分析

由表3可知，热风干燥处理后的铁棍山药GAB模型R2=0.965 2±0.010 0，BET模型R2=0.879 5±0.013 1，Henderson模型 R2=0.956 1±0.013 1，Halsey模型R2=0.954 0±0.007 6，Smith模型R2=0.959 5±0.016 1，Peleg模型R2=0.969 3±0.008 2。由R2值可以看出，GAB和Peleg模型相对于Smith，Henderson，Halsey与BET模型对于热风干燥后铁棍山药等温吸湿有较好的拟合效果，且均方差与残差平方和值更接近0，故认为GAB和Peleg模型适用于模拟热风干燥处理后铁棍山药的等温吸湿规律。

根据GAB理论，当样品对水分子吸附为单分子层吸附，而且吸附的水分子被样品的活性基因所束缚时，为化学结合水，微生物无法利用，因此m0值能够反映样品具有较高稳定性时样品的最大水分含量[13]。根据表3中的GAB模型得出热风干燥处理后的铁棍山药m0值为8.55%～11.95%。

真空干燥铁棍山药等温吸附模型模拟与统计分析见表4。

表4 真空干燥铁棍山药等温吸附模型模拟与统计分析

由表4可知，真空干燥处理后的铁棍山药GAB模型R2=0.978 9±0.002 7，BET模型R2=0.842 7±0.050 3， Henderson 模 型 R2=0.971 0±0.003 8，Smith模型 R2=0.971 2±0.003 6，Halsey模 型R2=0.962 6±0.016 2，Peleg模型 R2为 0.980 8±0.003 4。由R2值可以看出，GAB和Peleg模型相对于Henderson，Smith，Halsey与BET模型对于真空干燥后铁棍山药等温吸湿有较好的模拟效果，且均方差与残差平方和值更接近0，故认为GAB和Peleg模型适用于模拟真空干燥处理后铁棍山药的等温吸湿规律。根据表4中的GAB模型得出真空干燥处理后的铁棍山药m0值为9.76%～13.02%，高于热风干燥处理后的铁棍山药m0值，说明热风干燥处理铁棍山药比真空干燥处理铁棍山药需要更低的水分含量来提高贮藏性。

微波干燥铁棍山药等温吸附模型模拟与统计分析见表5。

表5 微波干燥铁棍山药等温吸附模型模拟与统计分析

由表5可知，微波干燥处理后的铁棍山药GAB模型R2为0.989 3±0.004 0，BET模型R2为0.874 8±0.034 0，Henderson模型 R2为0.981 0±0.005 7，Smith模型R2为0.978 5±0.003 1，Halsey模型R2为0.943 8±0.013 0，Peleg模型R2为0.995 5±0.004 6。由R2值可以看出，Peleg模型相对于GAB，Henderson，Smith，Halsey与BET模型对于微波干燥后铁棍山药等温吸湿有较好的模拟效果，且均方差与残差平方和值更接近0，故认为Peleg模型适用于模拟微波干燥处理后铁棍山药的等温吸湿规律。

3 结论

采用热风、真空、微波3种干燥方式处理铁棍山药，采用静态称质量法，在4个温度和6个水分活度条件下进行吸湿平衡试验，绘制等温吸附曲线。铁棍山药等温吸附曲线结果表明，在相同水分活度时，平衡含水率随着温度升高而升高；平衡含水率随水分活度的升高而升高，在0.2＜AW＜0.6阶段，平衡含水率增加缓慢，在0.6＜AW＜1.0阶段，平衡含水率增加迅速。不同干燥处理方式的铁棍山药等温吸附曲线结果显示，热风干燥与真空干燥铁棍山药的平衡含水率均高于微波干燥处理铁棍山药的平衡含水率。将铁棍山药等温吸附曲线分别与6种吸附模型拟合，结果显示GAB和Peleg模型适用于模拟热风干燥和真空干燥处理后铁棍山药的等温吸湿规律；Peleg模型适用于模拟微波干燥处理后铁棍山药的等温吸湿规律。