香菇脆片真空油炸过程中传质规律

任爱清,邓 珊,唐小闲,*,段振华

(1.贺州学院食品与生物工程学院,广西贺州 542899; 2.贺州学院广西果蔬保鲜和深加工研究人才小高地,广西贺州 542899; 3.贺州学院食品科学与工程技术研究院,广西贺州 542899)

真空低温油炸技术利用水分沸点随着压力减小而降低的原理,实现食品在较低的温度下迅速脱水,与常压油炸技术相比,真空油炸具有低氧、低温的特点,可以减少营养物质和油脂的氧化[1-2];保存产品的自然色泽和风味[3];减少丙烯酰胺生成[4]和营养物质损失[5];降低产品含油率[6]。香菇是世界消费量第二大的食用菌,并且营养丰富兼具有多种保健功能,适合用真空油炸来生产即食香菇脆片[6-7]。

油炸是一个复杂的脱水过程,它同时存在质量传递和热量传递现象。油炸过程中,油脂作为传热介质,热量从油脂向物料内部传递;物料内部的水分受热蒸发,向物料表面传递;同时,作为加热介质的油脂也会被物料表面吸附,然后向物料内部渗透[8],这些现象对产品的品质和安全控制极为重要。关于常压油炸过程中的传质规律研究较多[8-13],这些研究为真空油炸过程中的传热传质规律奠定了较好的基础。大部分研究采用菲克扩散定律模拟真空油炸过程中的水分蒸发,采用一阶指数动力学模型或Pabis经验模型来模拟真空油炸过程中的油脂吸收[14-17]。水分扩散系数和油脂吸收模型参数与很多因素有关,温度、真空度、预处理方式、原料结构等均会对传质系数造成影响[17-18]。油炸温度越高传质系数越大[17],不同原料传质系数存在很大差异[14,17],预处理方式也会影响传质系数[18]。

目前还未见香菇片真空油炸传质方面的研究报道。本实验以新鲜香菇为原料,研究油炸温度、真空度和预处理方式对真空油炸香菇脆片传质系数的影响,建立传质模型,以期为香菇脆片真空油炸过程中的品质控制提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜香菇 广西贺州当地农贸市场;海皇牌棕榈油 凝固温度24 ℃,益海嘉里粮油公司;麦芽糊精 DE16-20,山东西王糖业有限公司;羧甲基纤维素钠 分析纯,国药集团化学试剂有限公司;铝箔袋 PE/Al/PET三层复合膜厚度20丝,连云港圣保包装材料有限公司。

BL310电子天平 德国SARTORIUS公司;真空油炸机 烟台海瑞食品设备有限公司;DHG-9240A干燥箱 上海圣科仪器设备有限公司;SZC-B脂肪测定仪 上海纤检仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品准备 挑选菇盖较厚的新鲜香菇,用不锈钢圆形刀片切去柄,然后切成厚度为6 mm的直径为20 mm的圆形香菇片,清洗后立即在90 ℃漂烫3 min[7],用自来水冲洗冷却。为了考察预处理对香菇片真空油炸过程传热的影响,将漂烫后的香菇片分成2组:漂烫后用滤纸吸干物料表面的水分,直接真空油炸,油炸前香菇片干基含水率为569%±2%(漂烫);漂烫后用质量分数50%的麦芽糊精溶液25 ℃浸渍70 min,然后在质量分数0.6%的羧甲基纤维素溶液25 ℃浸泡15 min涂膜。用滤纸吸干物料表面的水分,然后真空油炸。油炸前香菇片干基含水率为271%±2%(漂烫+浸渍+涂膜)。

1.2.2 真空油炸 在真空油炸机中加入50 L棕榈油,加热至设定温度,将处理好的500 g香菇片放入油炸篮中,抽真空至设定真空度后,放下油炸篮开始油炸。油炸后以300 r/min的转速脱油3 min[7]。脱油结束后,将产品取出冷却,及时用铝箔袋真空包装待测。

1.2.3 不同温度对传质的影响 为了研究不同温度下两种预处理香菇脆片真空油炸过程中的传质规律,将上述1.2.1处理的2组原料设定真空度0.095 MPa,油炸温度分别为80、90、100 ℃。测定不同油炸时间香菇脆片的含水率和含油率。

1.2.4 不同真空度对传质的影响 为了研究不同真空度下两种预处理香菇脆片真空油炸过程中的传质规律,将上述1.2.1处理的2组原料设定油炸温度为90 ℃,真空度分别为0.075、0.085、0.095 MPa。测定不同油炸时间香菇脆片的含水率和含油率。

1.2.5 传质模型 由于香菇片直径比厚度大得多,因此假定传质只发生轴向单向传输,可以用Fick扩散定律描述水分的扩散[19]:

式(1)

式中:MR为水分比,无因次量;M为物料油炸t时的水分、M0为初始水分、Me为平衡水分,kg水/kg干物质;L为厚度的一半,m;t为干燥时间,s;Deff为物料内部水分的水分有效扩散系数,m2/s。

对于长时间干燥,产品的平衡水分Me远远小于M0和M,几乎接近于0,可以近似看做Me=0,则(1)可化简为[14]:

式(2)

当n→∞,上式就可简化为如下所示的方程[16、20]:

式(3)

对于片状物料薄层干燥过程,可以用简化的Pabis模型来表示[21]:

MR=Cexp(-Dt)

式(4)

式中:C、D为干燥常数。

许多研究证明,真空油炸过程中的油脂吸收规律,可以采用经验方程来描述,该方程表达式为[11-13]:

式(5)

式中:t为油炸时间,s;Y为t时间的含油率,%;Ymax最大含油率(也称平衡含油率),%;KY表示该模型的油脂吸收系数,S-1;在t=0时,含油量为零,长时间油炸,含油量会达到平衡值。

1.2.6 指标测定

图1 香菇片水分变化曲线Fig.1 Experimental and fitted moisture content of shiitake slices注:漂烫(a、c);漂烫+浸渍+涂膜(b、d)。

1.2.6.1 含水率测定 按照GB 5009.3-2016直接干燥法测定。真空油炸后的香菇脆片用研钵磨碎,称取5 g左右研碎的香菇脆片,在烘箱中,(102±3) ℃的条件下烘至恒重。本文所有含水率都用干基表示(%),重复测定3次,取平均值。

1.2.6.2 含油率测定 按照GB 5009.6-2016中的索氏抽提法测定[11]。本文所有含油率都用干基表示(%),重复3次试验,取3次平均数。

1.3 数据处理

实验数据均重复测定3次,取平均值,表格采用Excel 2003绘制,采用OriginPro 8.5软件进行绘图、模型拟合和模型参数计算。

2 结果与分析

2.1 香菇真空油炸水分传质模型

香菇脆片真空油炸过程中的水分比M/M0随油炸时间的延长而逐渐降低(图1),根据方程4中的模型对试验数据进行拟合,结果如表1、表2所示。从表中可以看出,确定系数R2均大于0.99,说明该模型可以较好的模拟各种油炸条件和不同预处理的香菇片真空油炸过程中含水率的变化。

表1 不同油炸温度M/M0的拟合参数Table 1 Fitting parameters for M/M0 of different frying temperature

表2 不同真空度M/M0的拟合参数Table 2 Fitting parameters for M/M0 of different vacuum degree

从表1和表2可知,两种处理方式的C值变异系数小于5%,基本不随油炸温度和真空度的变化而变化,几乎为恒定值;大部分实验条件下,漂烫+浸渍+涂膜处理的香菇片C值大于漂烫处理,但是D值较小,仅真空度0.075 MPa温度90 ℃油炸条件下,漂烫+浸渍+涂膜处理的香菇片C值比漂烫处理略小;D值随温度和真空度的变化而变化,温度越高、真空度越高,D值就越大。

采用多元线性回归分析可得到香菇真空油炸过程中D值与真空度(V,MPa)和油炸温度(T, ℃)之间的关系方程。漂烫处理的香菇为:D=-0.01098+0.055V+9.25×10-5T,(R2=0.98978);漂烫+浸渍+涂膜处理的香菇为:D=-0.00606+0.03171V+5.65×10-5T,(R2=0.98578)。两个方程的R2值都在0.98以上,表明其成线性关系,可以用上述关系式表示两种预处理香菇片D值与真空度和油炸温度之间的联系。

2.2 水分有效扩散系数

水分扩散系数是果蔬干燥过程中的重要参数,它反映了物料在一定干燥条件下的脱水能力,也是优化干燥设备设计的重要参数之一。到目前为止,香菇真空油炸过程中的水分有效扩散系数值还未见文献研究。将试验数据代入公式(3)中,可以得出水分有效扩散系数Deff值(表3)。从表可知,漂烫处理香菇片的Deff为3.10×10-9～7.70×10-9m2/s,漂烫+浸渍+涂膜处理香菇片的Deff为2.47×10-9～4.76×10-9m2/s。表3表明,香菇片的Deff随真空度和油炸温度的升高而增大;在相同温度和压力下,漂烫处理香菇片的Deff大于漂烫+浸渍+涂膜处理香菇片。

表3 香菇脆片真空油炸的水分有效扩散系数Table 3 Values of the effective diffusivity coefficient for vacuum frying shiitake slices

图2 香菇片含油率变化曲线Fig.2 Experimental and fitted oil content of shiitake slices注:漂烫(a、c);漂烫+浸渍+涂膜(b、d)。

目前还未见关于真空油炸香菇脆片的水分有效扩散系数方面的报道,Troncoso等[22]研究了土豆片真空油炸过程中的水分有效扩散系数,在绝对压力5.4 kPa、油炸温度120～140 ℃条件下,土豆片的水分有效扩散系数为 4.73×10-9～1.80×10-8m2/s;油炸温度由120 ℃升高到140 ℃,所有处理(不漂烫、漂烫、漂烫+预干燥)的土豆片的水分有效扩散系数增加,研究结论与本实验数量级上基本一致。

预处理可以改变原料的水分扩散系数。Soorgi等[19]研究得到油炸鸡肉的水分扩散系数为1.43×10-8～3.25×10-8m2/s,并指出羧甲基纤维素涂膜处理可以降低鸡肉的水分扩散系数,涂膜处理可以减少水分和油脂渗透;Chitrakar等[18]认为超声波、微波预处理可以提高真空油炸过程中的传热传质系数;本实验也发现,浸渍、涂膜预处理降低了香菇片真空油炸过程中的水分有效扩散系数。研究结论与上述文献一致,但是水分有效扩散系数数量级比油炸鸡肉的水分有效扩散系数低一个数量级。

2.3 油脂吸附模型

不同预处理的香菇片真空油炸过程中的含油率变化如图2所示。由图2可见,不同预处理香菇油炸后的含油率随着油炸时间的增加而逐渐升高,之后达到稳定值;浸渍和涂膜处理明显降低了真空油炸香菇脆片的含油率。用经验模型(5)对实验数据进行拟合,得到不同预处理香菇片的拟合系数(表4)。从表4可知,不同条件下方程的确定系数R2都大于0.99,证明该模型能够较好的模拟真空油炸香菇的含油率变化。油炸温度和真空度对各种处理的香菇片的平衡含油率Ymax影响不大,油脂吸收系数KY随着油炸温度和真空度的升高而增加。

表4 油脂吸附模型拟合参数Table 4 Fitting parameters for oil absorption

采用多元线性回归分析可得出漂烫处理的香菇脆片真空油炸干燥过程KY值与油炸温度(T, ℃)和真空度(V,MPa)的关系方程为:KY=-0.00918+8.35×10-5T+0.03743V,(R2=0.85247);漂烫+浸渍+涂膜处理的香菇脆片真空油炸干燥过程KY值与油炸温度和真空度的关系方程如为:KY=-0.00975+8.45×10-5T+0.043V,(R2=0.94016);两个方程的R2值都大于0.85,表明其成线性关系,可以用上述关系式表示两种预处理香菇片油脂吸收系数KY值与真空度和油炸温度之间的联系。

真空油炸过程中的油脂吸收规律研究较多,不同研究得到的结论也不尽相同。Troncoso等[18]研究了土豆片真空油炸过程中的油脂吸收规律,也采用公式(5)对其进行了拟合分析,得出KY和Ymax都不受油炸温度的影响,其获得的KY和本实验的KY值在同一数量级;Moyano等认为油炸温度的升高会导致油脂的吸收下降,可能是由于温度升高会使油炸时间减少,会形成更好的硬壳层阻止油脂的吸收,或者使硬壳层的孔隙率降低[23];有些研究则认为油炸温度的升高会导致油脂的吸收上升[24];Naghavi等认为涂膜处理显著降低了油炸土豆条的含水率和减少油脂吸收[25]。由此可见,真空油炸过程中的油脂吸收过程非常复杂,还没有一致的规律,随原料特性、原料预处理方式、真空油炸参数等不同而变化,目前还未见香菇真空油炸过程中的油脂吸收规律方面的报道。

3 结论

香菇脆片的含水率随着油炸时间的增加而逐渐降低,Pabis经验模型能较好模拟香菇脆片真空油炸过程中的水分变化。漂烫处理的香菇片的水分有效扩散系数为3.10×10-9～7.70×10-9m2/s,漂烫+浸渍+涂膜处理的香菇片的水分有效扩散系数为2.47×10-9～4.76×10-9m2/s;香菇片的水分有效扩散系数随着油炸温度和真空度的升高而增大;浸渍和涂膜处理明显降低了真空油炸香菇脆片的水分有效扩散系数。香菇片的油脂含量随着油炸时间的增加而逐渐升高,之后达到稳定值;浸渍和涂膜处理降低了真空油炸香菇脆片的含油率。采用的经验模型能够较好的模拟真空油炸香菇脆片的油脂含量变化,油炸温度和真空度对香菇片的平衡含油率Ymax影响不大,油脂吸收系数KY随着油炸温度和真空度的升高而增加。