基于主成分分析法综合评价不同干燥工艺对香菇干燥特性和品质的影响
2021-12-09毕金峰胡丽娜樊一鸣
高 雪,金 鑫,毕金峰,胡丽娜,樊一鸣,辛 广
(1.沈阳农业大学食品学院,沈阳110161;2.中国农业科学院 农产品加工研究所/农业部农产品加工重点实验室,北京100193)
香菇,又名香蕈、香菌、冬菇,为侧耳科植物香蕈的子实体,是世界第二大食用菌,占全球蘑菇产量的25%,在民间素有“山珍”之称,富含维生素、铁、钾、蛋白质、多糖、多酚等营养物质。经常食用香菇可以增强人体免疫力[1-3]。然而,鲜香菇含水量可达80%~95%,在常温下贮藏易腐烂变质,影响其商品价值。通常对其进行干燥加工以延长保存期限,同时还能增加其风味物质[4-5]。目前,香菇的干燥方式有热风干燥、红外干燥和热泵干燥等,热风干燥最普遍但干燥速率慢,中短波红外干燥效率高、产品品质好[6-9]。研究表明,干燥方式和干燥温度对香菇的产品品质有很大的影响[10-12],因此,干燥方式和干燥温度的优化显得尤为重要。李艳杰等[1]研究表明,热风干燥可以较好地保留香菇切片中可溶性蛋白质和游离氨基酸含量;郭玲玲等[13]研究表明,随着中短波红外干燥温度的升高,香菇切片的色泽、复水比、硬度和营养物质含量下降。目前,对香菇干燥的研究较多,但针对不同干燥温度的中短波红外干燥香菇的挥发性成分研究未有报道,更缺少综合比较不同干燥温度的传统干燥方式—热风干燥和高效干燥方式—中短波红外干燥对香菇干燥特性、品质、挥发性成分和能耗影响的研究报道。因此,本研究采用不同干燥温度的中短波红外干燥和热风干燥对香菇进行干燥,系统研究了不同干燥工艺对香菇干燥特性、硬度、收缩率、复水比、微观结构、挥发性成分及能耗的影响,并利用主成分分析法对香菇的各项指标进行综合评价,以期为优化香菇节能提质干燥生产工艺提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
香菇品种为808,购于北京市海淀区清河小营果蔬批发市场。将鲜香菇去蒂,菇柄仅留1cm,初始含水量为(88.96±1.14)%。甲醇(色谱纯)购于美国Sigma公司。三水乙酸钠、冰乙酸、95%乙醇、苯酚、葡萄糖、氢氧化钠、盐酸、98%浓硫酸(均为分析纯)购于国药集团化学试剂有限公司。
1.2 仪器与设备
中短波红外干燥箱(泰州圣泰科红外科技有限公司)、DHG-9123A型电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)、S-570扫描电镜(日本日立公司)、Volscan profiler 300食品体积测定仪、Ta.XT 2i/50物性分析仪(英国Stable Microsystem公司)。
1.3 方法
1.3.1 干燥方法 干燥终点为水分含量低于0.12g·g-1[4]。
中短波红外干燥(MIRD):干燥温度分别为50,60,70℃,风速为1.4m·s-1,装载系数为4.5kg·m-2,辐射功率为1350W,辐射距离为14cm,前2h每20min测定样品质量,随后每1h测定。
热风干燥(HAD):干燥温度分别为50,60,70℃,风速为1.4m·s-1,装载系数为4.5kg·m-2,前2h每30min测定样品质量,随后每1h测定。
1.3.2 干燥曲线 依据GB5009.3—2016中的直接干燥法测定香菇的初始含水率[14]。水分比(moisture ratio,MR)计算公式为:
干燥速率(drying rate,DR)计算公式为:
式中:m0和mt分别为0min和tmin的质量(g);Mt和Mt+Δt分别为tmin和(t+Δt)min的水分含量(g水·g干质量-1)。
1.3.3 硬度 采用Ta-XT P/50型物性分析仪测定硬度[15]。测定条件:探头P/50,测试前速率1.50mm·s-1,测试速率1.00mm·s-1,测试后速率1.50mm·s-1,压缩比40%,触发力为5.0g。
1.3.4 复水比 测定40℃下的复水比[16],复水比计算公式为:
式中:RR为复水比;Mf为复水香菇的质量(g);M g为干香菇的质量(g)。
1.3.5 体积收缩率 采用体积测定仪测定体积,体积收缩率计算公式为:
式中:Sv为体积收缩率;V0为鲜香菇的体积(cm3);Vt为干香菇的体积(cm3)。
1.3.6 微观结构 使用离子溅射镀膜仪对样品进行2min喷金处理,用扫描电子显微镜观察样品横截面,放大倍数为500倍。
1.3.7 总糖、粗蛋白、多糖和维生素 B2总糖[17]:苯酚-硫酸法;粗蛋白[18]:凯氏定氮法;多糖[19]:苯酚-硫酸法;维生素B2[13,20]:高效液相色谱法。
1.3.8 挥发性成分 固相微萃取[21]:将样品置于顶空瓶中,将老化后的CAR/PDMS萃取头插入样品瓶顶空部分,于50℃吸附40min,萃取头插入气相色谱进样口,于250℃解吸3min。气相色谱条件[21]:DB-WAX毛细管色谱柱:30×0.25mm;程序升温:初温40℃,保持3min,以6℃·min-1上升到120℃(2min),再以10℃·min-1上升到230℃;进样口温度:250℃;载气(He)流量:1mL·min-1。电离方式为EI+,电子能量为70eV。对照NIST 2014谱库进行分析。各分离组分相对含量计算公式为:
1.3.9 单位能耗 单位能耗计算公式为:
式中:E为单位能耗(kJ·g-1);W为电耗(kW·h);m为失水质量(g)。
1.3.10 数据处理 采用SPSS 19.0软件对数据分析处理,采用Duncan′s进行多重比较检验,采用Origin 9.0软件绘图。
2 结果与分析
2.1 不同干燥工艺对香菇干燥曲线的影响
由图1可知,不同干燥工艺的香菇水分比和干基含水率都随着干燥时间的增加而减小。MIRD50,60,70℃的干燥时间分别为790,690,532min,HAD50,60,70℃的干燥时间分别为1380,1100,720min。随着干燥温度的升高,干燥速率增大,两种干燥方式的干燥时间均显著减少,因此,在相同干燥温度下,MIRD较HAD缩短35%的干燥时间。
图1 不同干燥工艺的香菇干燥曲线Figure 1 Drying curves of shiitake mushroom dried by different processes
2.2 不同干燥工艺对香菇硬度的影响
由图2可知,在相同干燥温度下,MIRD的硬度值小于HAD。在相同干燥方法下,硬度值都是在干燥温度为50℃时最小,且随着温度的升高香菇的硬度值变大。
图2 不同干燥工艺对香菇硬度的影响Figure 2 Effects of the hardness of shiitake mushrooms dried by different drying processes
2.3 不同干燥工艺对香菇体积收缩率和复水比的影响
由图3可知,在相同干燥温度下,干燥方式对体积收缩率无显著影响,但随着干燥温度的升高,两种干燥方式的香菇体积收缩率都增加,因为高温下香菇失水速率高,内部毛细孔快速空隙坍塌而导致收缩的程度较高[22]。相同干燥温度下,MIRD香菇的复水率明显高于HAD,因为MIRD香菇内部萎缩和变形程度较小,复水时较易恢复原状。MIRD50℃的复水率最高,比HAD50℃增加13%。
图3 不同干燥工艺对香菇体积收缩率和复水率的影响Figure 3 5 Effects of the volume shrinkage ratio and the rehydration ratio of shiitake mushrooms dried by different drying processes
2.4 不同干燥工艺对香菇微观结构的影响
由图4可知,与新鲜香菇组织内部均匀的网状结构相比,6种干燥工艺的香菇结构都发生了不同程度的破坏,在MIRD干制香菇中能观察到更均匀的蜂窝状结构和更少的细胞塌陷,HAD干制香菇组织结构较不规则,呈现出紧密和塌陷的细胞结构。
图4 不同干燥工艺的香菇微观结构Figure 4 The microstructure of shiitake mushrooms dried by different drying processes
2.5 不同干燥工艺对香菇营养成分的影响
由表1可知,所有干燥工艺的香菇蛋白质、总糖和可溶性多糖含量都有减少,因为在加热作用下温度升高,蛋白质变性[23],多糖转化为低聚糖或焦糖,加之发生美拉德和焦糖化反应,总糖和可溶性多糖含量减少。MIRD70℃干制香菇的所有营养成分含量都高于其他干燥工艺,MIRD70℃、MIRD60℃、HAD60℃干制香菇的粗蛋白含量的保留明显优于其他工艺(p<0.05),MIRD70℃和HAD60℃总糖和可溶性糖含量的保留明显优于其他工艺(p<0.05)。
表1 不同干燥工艺对香菇营养成分含量的影响Table 1 Effects of the nutrient contents of shiitake mushrooms dried by different drying processes
由图5和图6可知,在鲜香菇中鉴定出34种挥发性成分,主要为醇类和含硫化合物,在6种干燥工艺的干香菇中共鉴定出89种挥发性成分,主要种类都为醇类、含硫化合物、酯类和酸类,其含量也相对较高。表2总结了在鲜香菇和干香菇中检测出的相对含量较高的醇类、含硫化合物、酯类、酸类、醛类、酮类、烃类和全氮化全物。
图5 不同干燥工艺香菇中主要挥发性成分的种类Figure 5 Types of major volatile compounds of shiitake mushrooms dried by different drying processes
图6 不同干燥工艺香菇中主要挥发性成分种类的相对含量Figure 6 Relative contents of types of major volatile compounds of shiitake mushrooms dried by different drying processes
表2 不同干燥工艺的香菇挥发性成分及其相对含量Table 2 Effects of volatile compounds and their relative contents of shiitake mushrooms dried by different drying processes
在鲜香菇、MIRD70℃、MIRD60℃、MIRD50℃、HAD70℃,HAD60℃、HAD50℃的干制香菇中,分别检出34,53,53,58,61,53,49种挥发性成分,其中醇类分别有9,15,16,14,14,13,12种,含硫化合物分别有5,3,4,4,3,3,2种,酯类分别有1,4,4,6,5,7,6种,酸类分别有1,4,5,8,6,7,6种。由此可知,HAD 70℃时干制香菇挥发性成分种类最多,主要为1-辛烯-3-醇、异戊醇、正己醇、苯甲醇、苯乙醇、2-苯基-1-丙醇、二甲基三硫醚、2,3,5-三硫杂己烷、甲基磺酰甲烷、乙酸、异丁酸、异戊酸、4-羟基丁酸乙酰酯及丙位戊内酯,而鲜香菇种类最少。
2.6 不同干燥工艺对香菇挥发性成分的影响
由相对含量数据可知,挥发性成分中醇类相对含量分别为44.71%、27.18%、29.04%、25.6%、21.81%、21.19%、30.17%,其中异戊醇、正己醇、1-辛烯-3-醇、苯甲醇、苯乙醇和2-苯基-1-丙醇相对含量较高,MIRD的干制香菇中异戊醇、正己醇和1-辛烯-3-醇相对含量较高于HAD,苯甲醇、苯乙醇和2-苯基-1-丙醇相对含量较低于HAD;含硫化合物相对含量分别为22.39%、17.34%、18.8%、16.56%、18.53%、17.47%、13.27%,其中二甲基三硫醚和甲基磺酰甲烷相对含量较高,MIRD的干制香菇中甲基磺酰甲烷相对含量较高于HAD,二甲基三硫醚相对含量较低于HAD;酯类相对含量分别为0.23%、6.32%、6.28%、6.00%、5.52%、4.81%、5.54%,其中丙位戊内酯和4-羟基丁酸乙酰酯相对含量较高,MIRD的干制香菇中4-羟基丁酸乙酰酯相对含量较高于HAD,丙位戊内酯相对含量与HAD相差不大,酸类相对含量分别为0.27%、15.65%、21.19%、25.82%、18.44%、20.74%、19.04%,其中乙酸、异丁酸和异戊酸相对含量较高,MIRD的干制香菇中乙酸和异丁酸相对含量较高于HAD,异戊酸相对含量较低于HAD。由此可知,醇类和含硫化合物相对含量在鲜香菇中最高,酯类相对含量在MIRD70℃干制香菇中最高,酸类相对含量在MIRD50℃干制香菇中最高。异戊醇、正己醇、1-辛烯-3-醇、甲基磺酰甲烷、4-羟基丁酸乙酰酯、乙酸和异丁酸相对含量在MIRD干制香菇中较高于HAD,苯甲醇、苯乙醇、2-苯基-1-丙醇、二甲基三硫醚、丙位戊内酯、异戊酸相对含量在HAD干制香菇中较高于MIRD。
香菇的气味最主要是由两类挥发性物质—含硫化合物和八碳化合物构成。含硫化合物是香菇香气的最主要成分,其中含硫杂环化合物香菇素尤为重要,但性质不稳定,易分解为二甲基二硫醚和二甲基三硫醚,二甲基三硫醚在鲜香菇、MIRD70℃、MIRD60℃、MIRD50℃、HAD70℃、HAD60℃、HAD50℃干制香菇中的含量分别为14.93%、12.74%、15.51%、13.79%、14.41%、16.30%、11.63%,二甲基三硫醚含量在HAD60℃干制香菇中含量最高,而二甲基二硫醚只在鲜香菇中检出,为5.35%,因为二甲基二硫醚是香菇中的香气成分前体,高温会使其在后期完全分解[24-,25]。
八碳化合物中最具特征性的物质是1-辛烯-3-醇,呈现浓烈的植物甜香,在香菇中普遍存在并被称作蘑菇醇[26],鲜香菇、MIRD70℃、MIRD60℃、MIRD50℃、HAD70℃、HAD60℃干制香菇中1-辛烯-3-醇的含量分别为29.69%、4.45%、3.96%、3.43%、3.56%、2.53%,HAD50℃中并未检出,可见醇类化合物挥发性较强,稳定性不高,干制过程损失严重[27],MIRD的1-辛烯-3-醇含量高于HAD,且在MIRD70℃香菇中含量最高。
酯类化合物具有果香和酒香[28-29],酸类化合物一般具有腥臭的气味,可降低香菇的香气质量[30],醛、酮、烷烃类等物质含量较少,它们在香菇风味中起着调和或互补的作用[31]。
2.7 不同干燥工艺的单位能耗
由图7可知,不同干燥工艺的单位能耗之间具有显著性差异,MIRD的单位能耗大于HAD,这与设备的组成有关,因为MIRD6个灯管的加热、热源和风机均需要消耗较多的能量,而HAD没有红外辐射加热器,降低了干燥能耗,在整个干燥过程中能量损失较低,能耗较低。
图7 不同干燥工艺的单位能耗Figure 7 Unit energy consumption of different drying processes
2.8 不同干燥工艺的指标主成分分析
图8为对不同干燥工艺的香菇干燥时间、硬度值、体积收缩率、复水比、醇类、含硫化合物、酸类、酯类、酮类、醛类、烃类、含氮化合物、其他类化合物、粗蛋白、总糖、可溶性多糖及维生素B2的含量进行的主成分分析。结果表明,MIRD70℃周围聚集了最多的优势指标,如粗蛋白、总糖、可溶性多糖、含硫化合物、醛类和维生素B2,说明MIRD70℃干制香菇中优势指标数值最高。MIRD60℃距离MIRD70℃较近,离优势指标距离也较近,说明MIRD60℃与MIRD70℃差异较小。HAD周围聚集的优势指标都较少,HAD50℃与MIRD70℃距离最远且周围聚集的优势指标最少,说明HAD50℃与其他干燥工艺差异最大且综合指标评价相对较差,这与前文结果一致。因此,根据本研究中使用的干燥工艺不同指标的综合评价分析得出香菇最佳干燥工艺是MIRD70℃,其次为MIRD60℃。
图8 不同干燥工艺的指标主成分分析Figure 8 The principal component analysis of indexes of different drying processes
3 讨论与结论
中短波红外干燥和热风干燥香菇对比,中短波红外干燥的干燥时间更短,这是因为中短波红外干燥具有高效短时的优点,它能快速穿透到香菇内部较深的部位,产生分子振动,提供与热风干燥相比损失相对较低的热能,加快水分的散失[32-33]。由干燥速率曲线可知,整个干燥过程以降速干燥为主,表明控制香菇水分迁移的物理机制最可能是扩散,这与DOYMAZ等[34-35]的研究结果一致。因为红外辐射从香菇表面穿透到组织内部,香菇水分蒸发的更快,且样品内部呈蜂窝状多孔结构[33],导致在相同干燥温度下,MIRD的硬度值小于HAD,这与KANTRONG等[36]的研究结果一致。MIRD和HAD的硬度值都是在干燥温度为50℃时最小,因为干燥温度越高水分扩散速率越快,导致结构更紧密,硬度越大[37-38]。两种干燥方式的复水率都是随着干燥温度的升高而降低,这可能是由于高温会破坏细胞壁的渗透性,并导致蛋白质等亲水物质变性,使其失去再吸水能力,降低样品复水率[39],这与郭玲玲等[13]的研究结果趋势相同。干燥的香菇结构都发生了不同程度的破坏,MIRD干制香菇可能是由于红外辐射具有较强的穿透性,水分在物料内部快速迁移而导致组织细胞发生了膨胀。HAD干制香菇是因为热风干燥传热效率低,导致内部水分迁移速率低,且热空气加热时间长[40-42],这与WANG等[40]的研究结果趋势相同。较高的干燥温度使孔隙率增高,且组织坍塌和细胞损伤加重,因为较高的干燥温度会加快水分的蒸发从而增加细胞内部的压力[37,43]。MIRD70℃和HAD60℃较适合香菇营养物质的保留,对营养物质的破坏程度较小[30],所有干燥工艺的香菇维生素B2含量都较鲜香菇明显(p<0.05)增加,这主要是由于热处理对香菇结构的破坏使得更多维生素B2释放[44]。
中短波红外干燥的时间、硬度、体积收缩率、复水比、微观结构和营养指标这些指标都优于热风干燥,但能耗高于热风干燥,挥发性化合物异戊醇、正己醇、1-辛烯-3-醇、甲基磺酰甲烷、4-羟基丁酸乙酰酯、乙酸和异丁酸等物质的相对含量在MIRD干制香菇中较高于HAD,苯甲醇、苯乙醇、2-苯基-1-丙醇、二甲基三硫醚、丙位戊内酯和异戊酸等物质的相对含量在HAD干制香菇中较高于MIRD。随着干燥温度的升高,干燥速率提高,干燥时间缩短。过高的干燥温度和过长的干燥时间会使干香菇的硬度增大、体积收缩率增大、复水比减小、组织坍塌和细胞损伤增大、营养物质含量减少以及损失某些挥发性成分。基于主成分分析对不同干燥工艺的香菇全部指标进行综合评价,结果表明,中短波红外干燥70℃综合评价最好,干燥速率快、品质好、营养成分和含硫化合物含量高,但单位能耗较高,中短波红外干燥60℃综合评价次之,热风干燥50℃综合评价较差,但单位能耗较低,本研究结果为优化香菇节能提质干燥生产工艺提供了科学依据。