怀山药片的超声波复水动力学研究及对质构的影响

怀山药(Dioscorea oppsita)是薯蓣科植物薯蓣的块茎,为多年生缠绕性草木,根肉质肥厚,被誉为“四大山药”之首[1]。其富含淀粉、蛋白质、维生素、氨基酸、矿物质、微量元素等多种营养成分[2-3],既是一种多用途的食用佳蔬,又是一种药用价值极高的常用药材,具有健脾、补肺、固肾、养颜、抗衰老、抗疲劳等药用价值[4]。目前在我国河南、河北、山东、山西、广西、福建等地都有广泛种植,其中以河南焦作所产的怀山药最为地道。每年10～11月新鲜怀山药开始大量上市,生产季节性较强,且新鲜怀山药含水率高达95%,在贮存和运输过程中易受损或变质。因此,为了解决贮存和运输问题,一般采用干燥脱水的方式制成山药片干制品。干燥后的怀山药片一般需要经过复水处理才能食用,采用复水后的怀山药片既可解决新鲜山药贮存和运输困难的问题,也能防止怀山药片变质,实现怀山药片四季可用。

复水是指将干燥脱水后的果蔬放入水中,使之重新吸收回水分恢复原状的一个物理过程,也是一种食品加工工艺。果蔬复水简单常用的方法是清水浸泡,还有利用温度或化学试剂来提高复水效率。如徐德保[5]用3种不同水质在不同温度条件下对干制黄花菜进行复水实验,得出不同复水温度和不同复水时间会影响干制品黄花菜中的营养物质含量。超声波是一种波长极短的机械波,频率高于20 kHz,近年来随着超声波行业的兴起,不少学者运用超声波研究果蔬的干燥和复水。如周民生等[6]运用超声渗透研究香菇脱水复水性,得出渗透结合超声可有效提高香菇干燥效率和产品品质。王昱圭等[7]在不同超声波功率和超声温度条件下研究麻竹笋干复水特性,结果表明随着超声波功率和温度的升高,麻竹笋干的复水比和复水速率均有所上升。目前,超声波用于干制品复水的研究大多集中于谷物和干制海产品[7],关于超声波辅助复水怀山药片的研究相对较少。此外,复水品质是评价干制品非常重要的一个质量指标[8],复水品质包含复水后的质量、大小、颜色、质地、形状、风味等,其与复水过程中结构的改变有关,涉及复水方式、复水温度、超声波功率和复水比等。复水动力学模型是一种可对复水过程中水分变化进行拟合、预测和描述的数学模型,包括经验模型和理论模型两大类,其中经验模型被广泛应用于麻竹笋[7]、大豆拉丝蛋白[8]和薇菜[9]等的复水研究,所得结果可用于研究干制品在复水过程中的物质特性,从而有效控制复水进程。

本研究以怀山药片干制品为研究对象,在不同复水温度(30、45、60、75 ℃)和不同超声波功率(0、150、300、450 W)条件下,研究超声波辅助复水后的怀山药片的复水特性和质构特性,利用Peleg模型、Weibull模型及一阶动力学模型等3种经验模型对怀山药片复水过程进行拟合分析,采用质构仪进行检测分析,以期为怀山药片的复水加工提供理论基础及依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

怀山药片,产自河南焦作温县,购买自山男经方缘地道药材行,选择厚度均匀、大小适中、无机械损伤的马蹄形无硫甘甜怀山药片干制品作为原材料,实验过程中所用原材料均为同一批次。

1.2 仪器与设备

JA3003电子天平,上海赞维衡器有限公司;AK-100ST超声波清洗机,深圳市钰洁清洗设备有限公司;ENS-Pro质构仪,北京盈盛恒泰科技有限责任公司。

1.3 实验方法

1.3.1 超声波处理

将买来的怀山药片干制品选取中间段切成规格为20 mm×20 mm的薄片,厚度约5 mm,质量约2 g。6个样品为一组,分别浸泡于6个装满蒸馏水的烧杯中,比例为1∶100,且每组加入不同温度(30、45、60、75 ℃)的蒸馏水。与此同时,打开超声波清洗机的开关,设置好不同温度(30、45、60、75 ℃)和不同功率(0、150、300、450 W),如温度30 ℃功率0 W为一组,排列组合共4温度×4功率=16组。待超声波清洗机的温度达到设定值时,把样品放入烧杯中,再把烧杯放入清洗槽内,盖上盖子。打开超声波,超声波频率为40 kHz,超声波工作时间5 min,间歇5 min,共超声60 min。0～0.5 h内每5 min测定一次质量,0.5～1 h内每10 min测量一次质量,随后每15 min测量一次质量,共2 h。超声波处理过程中,为维持温度的恒定,打开超声波清洗机的盖子,并每隔30 min更换蒸馏水。所有实验重复3次。

1.3.2 复水比测量

复水比(RR)是指干制品复水后恢复原来新鲜状态的程度,是衡量干制品品质的重要指标[10]。怀山药片复水前先用电子天平测量其质量并记录,复水后用吸水纸轻轻擦干怀山药片表面的水分,然后称量怀山药片复水后的质量并记录。复水比的计算如公式(1)所示:

式中:RR为复水比,%;Mf为怀山药片干制品复水后的质量,g;M0为复水前怀山药片干制品的质量[11],g。

复水速率是指样品的平均干基含水率随时间的变化,是评价复水快慢的一个重要指标,复水速率计算如公式(2)所示:

式中:Vt为复水速率,g/(g·min);Mt为山药片在t时刻的干基含水率,g/g;Mt-1为山药片在t-1时刻的干基含水率,g/g;td为t-1时刻和t时刻的时间间隔,min。

利用质构仪,取复水后的怀山药片中段进行测定,根据前期预实验设定实验条件,每复水完一组样品就进行质构检测,共16组。每组先在质构仪全质构(texture profile analysis,TPA)模式下采用P/100探头进行压缩实验[12],测试速率为60 mm/min,测中速率为60 mm/min,测后速度为60 mm/min,触发力0.15 N,两次压缩间隔时间3 s,形变量50%,得出硬度、内聚性、黏附性、胶黏性、弹性、咀嚼性和回复性。然后采用P/2探针进行穿刺实验[13],测前速度60 mm/min,测中速度30 mm/min,测后速度60 mm/min,起始力0.15 N,检测距离4 mm,每个样品测量3次取平均值得出样品的脆度脆性。每组共6个样品,每个样品测3次,取平均值作为最终测定结果并记录,每组实验平行测定3次。

1.3.5 复水动力学模型

数学模型能直观的描述样品的变化,复水动力学模型便是其中一种,常用于描述干制品复水过程中水分的变化规律。近年来对于超声波处理的怀山药片复水的研究较少,而对于其复水过程中的复水动力学模型更少。基于此,本研究选用Peleg模型、Weibull模型及一阶动力学模型对怀山药片干制品复水过程进行拟合,以期找出最适合描述超声波辅助怀山药片复水过程的数学模型,为后续山药片的加工提供参考依据。

Peleg模型是一个简单的非指数式复水动力学经验模型,如方程(3)所示:

式中:M为t(min)时刻的含水率,g/g;M0为初始含水率,表示干基,g/g;t为复水时间,min;k1为Peleg速率常数,min/g;k2为Peleg容量常数,g/g。

1.3.5.2 Weibull模型

Weibull模型也属于复水经验模型,常用于模拟农产品干制品的复水过程,如方程(4)所示:

式中:Mr为水分比;t为复水时间,min;α为尺寸参数;β为形状参数。

1.3.5.3 一阶动力学模型

基于实证方法,复水速率与复水过程中阶段性的驱动力成正比,可以用一阶动力学模型进行模拟研究,如方程(5)所示:

式中:Mr为水分比;k为复水动力学速率常数,min-1;t为复水时间,min。

1.4 数据处理

每组数据平行测定3次,结果取平均值,使用Excel记录数据;采用SPSS 23.0软件进行数据统计分析,并通过单因素方差分析其显著性差异,当P<0.05表示统计学显著差异,当P<0.01表示统计学极显著差异;此外,用Origin软件作图并进行复水动力学数学模型拟合分析,用决定系数R2、卡方值(χ2)及均方根误差(root mean square error,RMSE)来评估数学模型与实验数据的拟合度[14],R2、 χ2、RMSE 3个指标的计算分别如公式(6)～公式(8)所示:

式中:MRexp,i为实验测得的水分比;MRpre,i为模型预测的水分比;N为实验数据个数;n为所选用复水动力学模型中参数的个数。

2 结果与分析

2.1 复水特性

复水比是评价干制品品质的一个重要指标[15]。复水曲线反映了怀山药片复水过程中含水率随时间的变化情况,怀山药片复水比曲线如图1所示。

由图1可知,不同温度条件下超声波处理的怀山药片的复水比不同,温度75 ℃超声波功率450 W怀山药片干制品复水比(1.962 5)最大,温度30 ℃超声波功率为0 W怀山药片干制品复水比(1.114 0)最小。在4个温度条件下,超声波处理后怀山药片干制品的复水比随着超声波功率的增加而增大,即超声波功率越高,复水比越大,说明复水能力越强。导致此结果的原因可能是其在复水过程中受超声波的影响,内部组织结构有细微改变,使其更加疏松,可以更好地吸收水分,从而使得复水比增大。

部分工作者对杏鲍菇[16]、红刺参[17]、小豆[18]、辣椒[19]、海参[20]等进行超声波处理,同样发现了与本文类似的研究结论。此外,当超声波功率相同时,随着复水温度的升高,怀山药片干制品复水比也随之增大。因此,在较高温度和较高超声波功率条件下,超声波处理能有效提高怀山药片复水比。

超声波处理对怀山药片干制品复水速率的影响如图2所示。

由图2可知,在相同温度条件下,超声波处理怀山药片的复水速率可分为2个阶段,第1个阶段在复水初期,怀山药片的复水速率较快,最高可达0.058 9 g/(g·min);第2个阶段则是在复水中后期,当水分浓度逐渐趋于平衡后,复水速率显著降低,尤其是在时间为5～20 min时下降最快,最后趋于平衡;并且随着超声波功率的增大,复水速率增大,说明超声波功率在一定程度上影响了怀山药片的复水速率,且在复水初期影响最大。导致此种结果的原因可能是超声波促使怀山药片内部组织结构改变[21],使其更加疏松多孔,吸水性更强,当怀山药片中的水分含量达到一定平衡后,吸水性降低,复水速率趋于平衡。此外,在同一超声波功率条件下,复水温度越高,复水速率越高。这可能是由于细胞膜的热通透性随着温度的升高而增强,从而使得水分加速进入细胞内部,进而促进怀山药片复水速率的提升。因此,超声波处理和温度升高可以在一定程度上促进怀山药片复水速率的提升,从而增加其吸水性。

2.2 复水动力学模型

利用Peleg模型拟合不同复水条件下怀山药片干制品的复水过程,其结果如表1所示。

由表1可知,Peleg模型拟合的决定系数R2为0.984 7～0.999 4,接近于1,拟合效果较好;卡方值χ2<3.633 0×10-4,卡方值越小,模型拟合结果越好;RMSE值在0.000 2～0.004 0,其值较小,模型拟合结果越好。综上所述,Peleg模型可以准确的模拟怀山药片干制品的复水过程。Peleg模型中,k1为速率常数,与初始传质速率有关,其值越小表明初始吸水率越高;k2为容量常数,与最大吸水率有关,其值越小表明吸水能力越高[22]。同一温度条件下,随着超声波功率的增加,速率常数k1减小,容量常数k2的值除了在温度30 ℃超声波功率0 W时为最小值0.590 8,其余k2值都在0.894 7～1.222 8波动,变化相对较小,此研究结果在一定程度上表明超声波辅助复水处理有助于提高怀山药片的吸水速率。此外,在相同超声波功率下,k1值随着温度的升高而降低,k2曾先增大后减小的趋势,这可能是因为在较高温度条件下怀山药片内部会打开更多的微孔,促进水分吸收,从而增加含水率。

将怀山药片干制品复水过程中的复水比数据代入Weibull模型中进行拟合,结果拟合失败,决定系数R2<0。在Weibull模型中,决定系数R2越接近1拟合效果越好,卡方值χ2和RMSE值越小越好[23]。根据拟合结果,χ2、R2、RMSE 3个参数值都不理想,实验值与预测值之间差异较大,说明Weibull模型不适合用于描述超声波辅助怀山药片干制品的复水过程。

2.2.3 一阶动力学模型

利用一阶动力学模型对怀山药片干制品复水过程中的水分比进行拟合,结果如表2所示。

一阶动力学模型的速率常数k越大,复水速率越快[20]。由表4可以看出,随着超声波功率的增大,k值整体逐渐增大,说明怀山药片的复水速率逐渐增大,表明超声波有助于水分子扩散,促进复水进程。R2、χ2、RMSE为一阶动力学模型的3个评价指标,R2越接近1越好,χ2和RMSE值越小越好。但在此模型中,部分拟合失败,R2<0.394 0,χ2为0.020 0～0.132 0,RMSE为0.158 5～0.992 6,参数值不理想,实验值与预测值之间相差较大,说明一阶动力学模型对怀山药片的复水过程拟合度较小,不适合用于怀山药片复水过程的拟合研究。

2.2.4 复水动力学模型的验证

将Peleg模型拟合出来的预测值与其实测值进行回归分析,得到不同温度(30、45、60、75 ℃)条件下的预测值与实测值关系图,如图3所示。

决定系数R2越接近于1,表明模型拟合程度越高。由图3可知,Peleg模型在30、45、60、75 ℃时的预测值与实验值的散点图集中分布于参考线附近,拟合后其决定系数R2为0.980 5,其值接近1,拟合程度较高。由此可以验证得出,Peleg模型能较为准确描述超声波辅助怀山药片复水过程,该模型可为后续研究怀山药片干制品复水工艺提供参考。

2.3 超声波辅助复水对怀山药片质构特性的影响

复水后的怀山药片TPA测定结果见表3。

由表3可知,随着复水温度和超声波功率的升高,怀山药片硬度逐渐降低,这可能是因为怀山药片在较高温度和一定超声波功率条件下,组织结构降解严重,内部疏松多孔导致硬度降低。弹性作为食品的重要质构参数[9],随着超声波功率和温度的升高,先增大后减小,这可能是因为怀山药片复水过程中其体积随着温度和超声波功率的增加而肿胀所致,当温度和超声波功率较高时,怀山药片内部结构损坏[24],导致其弹性变小。弹性受温度和超声波功率的影响较小,改变不明显,而其他几个参数如黏附性、内聚性、回复性等同样受温度和超声波功率影响较小,变化不显著。山药具有很强的胶黏性,随着温度的升高其胶黏性整体呈先增后减的趋势,当温度为60 ℃,超声波功率为0 W时,胶黏性最大达到(246.12±24.98) N;而在30 ℃和45 ℃温度条件下,随着超声波功率的增加,胶黏性大体呈上升的趋势;在60 ℃和75 ℃温度条件下,随着超声波功率的上升大体上呈下降的趋势。出现此结果的原因可能是由于在较高温度和较高超声波功率条件下,复水后的怀山药片细胞膜被破坏,内部的果胶、植物胶、黏胶等大量流出导致其胶黏性降低。在相同温度条件下,随着超声波功率的增加,咀嚼性先增加后减小;从整体上来看,咀嚼性随着温度的升高而降低;说明超声波和温度在一定程度上能降解怀山药片组织结构,使其内部纤维结构遇水变软,从而咀嚼性减小。此外,怀山药片的脆性随着温度和超声波功率的升高,整体呈下降趋势,这可能是因为在较高温度和较高超声波功率条件下,怀山药片内部组织结构损坏,抗损伤能力和脆性都降低。综上所述,温度和超声波功率会影响怀山药片复水后的质构特性,其中硬度、胶黏性、咀嚼性、脆性有显著性差异(P<0.05),弹性、回复性及内聚性等差异不显著(P>0.05)。

3 结论

本文利用超声波辅助怀山药片干制品复水,研究了超声波功率和复水温度对怀山药片干制品复水特性、质构特性的影响,用Peleg模型、Weibull模型、一阶动力学模型对怀山药片复水过程进行拟合分析。结果表明,不同复水温度和不同超声波功率条件下,怀山药片干制品的复水特性和质构特性都不同,超声波和复水温度有助于提高怀山药片复水比、复水速率,缩短复水时间;但在较高温度和较高超声波功率条件下,对于怀山药片的硬度、弹性、咀嚼性、脆性、胶黏性都有所降低,对其质地有负面影响;Peleg模型、Weibull模型、一阶动力学模型拟合后,Peleg模型具有较高的决定系数R2、较低的χ2值和RMSE值,说明Peleg模型能够准确描述怀山药片干制品复水过程,拟合度较高,Peleg模型在3种动力学模型中属最佳模型。本文探究了怀山药片的超声波复水特性和质构特性,然后利用3种动力学模型进行拟合分析得出最佳模型,以期对怀山药片的复水加工提供一定参考价值。

[1] 薛扬.铁棍山药超声强化热泵干燥及品质特性研究[D].洛阳:河南科技大学, 2022.XUE Y.Research on ultrasonic enhanced heat pump drying and quality characteristics of iron rod yam[D].Luoyang:Henan University of Science and Technology, 2022.

[2] 潘景芝, 孟庆龙, 崔文玉, 等.山药功能性成分及药理作用研究进展[J].食品工业科技, 2023, 44(1):420-428.PAN J Z, MENG Q L, CUI W Y, et al.Advances in studies on functional components and pharmacological effects of Dioscorea opposita thunb[J].Science and Technology of Food Industry, 2023, 44 (1):420-428.

[3] ZENG X X, LIU D H, HUANG L Q.Metabolome profiling of eight Chinese yam (Dioscorea polystachya Turcz.) varieties reveals metabolite diversity and variety specific uses[J].Life, 2021, 11(7):687.

[4] 任星.怀山药多相态微波干燥技术研究[D].洛阳:河南科技大学, 2023.REN X.Research on multiphase microwave drying technology of huaishan medicine[D].Luoyang:Henan University of Science and Technology, 2023.

[5] 徐德保.不同复水条件对干制黄花菜复水性及营养品质的影响[D].南京:南京农业大学, 2021.XU D B.The effect of different rehydration conditions on the rehydration and nutritional quality of dried yellow flowered vegetables[D].Nanjing:Nanjing Agricultural University, 2021.

[6] 周民生, 李营营, 路志芳.超声渗透处理对香菇脱水复水性的影响[J].食品工业科技, 2018, 39(18):55-59.ZHOU M S, LI Y Y, LU Z F.Effects of ultrasonic infiltration on dehydration and rehydration of Letinous edodes[J].Science and Technology of Food Industry, 2018, 39 (18):55-59.

[7] 王昱圭, 汤雪纤, 刘思媛, 等.超声波处理对麻竹笋干复水特性的影响及动力学模型[J].食品与发酵工业, 2019, 45(2):80-86.WANG Y G, TANG X X, LIU S Y, et al.The effect of ultrasonic treatment on the rehydration characteristics of Ma bamboo shoot and the analysis of kinetic model[J].Food and Fermentation Industries, 2019, 45 (2):80-86.

[8] 曲敏, 贾圆芳, 刘琳琳, 等.不同复水方式对大豆拉丝蛋白复水品质的影响及动力学模型构建[J].农业工程学报, 2023, 39(10):264-274.QU M, JIA Y F, LIU L L, et al..Effects of different rehydration methods on the rehydration quality of textured fibril soy protein and construction of kinetic model[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2023, 39 (10):264-274.

[9] 宋晓东.不同复水方式对薇菜品质影响及动力学和作用机理研究[D].合肥:合肥工业大学, 2019.SONG X D.Study on the effects, dynamics, and mechanisms of different rehydration methods on the quality of Osmanthus fragrans[D].Hefei:Hefei University of Technology, 2019.

[10] 冯道宁, 孙健, 李丽, 等.小型太阳能空气源热泵联合果蔬干燥系统研究与设计[J].中国农机化学报, 2015, 36(3):160-163;173.FENG D N, SUN J, LI L, et al.Design and analysis of combined drying apparatus for fruits and vegetables with small solar energy-heat pump[J].Journal of Chinese Agricaltural Mechanization, 2015, 36(3):160-163;173.

[11] 刘秋华, 贺帆, 刘艺婷, 等.超声波辅助渗透脱水预处理对山药干燥特性及品质的影响[J].食品科技, 2023, 48(4):110-118.LIU Q H, HE F, LIU Y T, et al.Effect of ultrasonic assisted osmotic dehydration pretreatment on drying characteristics and quality of Dioscorea opposite[J].Food Science and Technology, 2023, 48(4):110-118.

[12] 张维, 付复华, 罗赛男, 等.湖南红心猕猴桃品种品质评价及综合分析[J].食品与发酵工业, 2021, 47(5):201-210.ZHANG W, FU F H, LUO S N, et al.Quality analysis and evaluation of Hunan red kiwifruit varieties[J].Food and Fermentation Industries, 2021, 47(5):201-210.

[13] 曹荣, 李志超, 刘淇, 等.穿刺法分析海参质构特征[J].食品科学, 2014, 35(6):129-132.CAO R, LI Z C, LIU Q, et al.Texture analysis of sea cucumber by puncture test[J].Food Science, 2014, 35(6):129-132.

[14] 王坤华, 李佳美, 彭飞, 等.射频处理对红枣中短波红外干燥动力学及品质特性的影响[J].食品科学, 2020, 41(7):117-123. WANG K H, LI J M, PENG F, et al.Effects of radio frequency treatment on short-and medium-wavelength infrared drying kinetics and quality characteristics of red jujubes[J].Food Science, 2020, 41(7):117-123.

[15] 尹晓峰, 杨明金, 张引航, 等.辣椒渗透脱水处理及渗后热风干燥特性及品质分析[J].食品科学, 2017, 38(1):27-34.YIN X F, YANG M J, ZHANG Y H, et al.Characterization of osmotic dehydration and subsequent hot-air drying of chili pepper[J].Food Science, 2017, 38(1):27-34.

[16] SU D, SUN W, LI B Z, et al.Influence of ultrasonic pretreatments on microwave hot-air flow rolling drying mechanism, thermal characteristics and rehydration dynamics of Pleurotus eryngii[J].Journal of the Science of Food and Agriculture, 2022, 102(5):2100-2109.

[17] WANG X Y, SU Y C, WANG Y D, et al.The effect of ultrasound on the rehydration characteristics of semi-dried salted Apostichopus japonicus[J].Foods, 2023, 12(24):4382.

[18] KIM H, LEE C, KIM E, et al.Optimization of ultrasound-assisted pretreatment for accelerating rehydration of adzuki bean (Vigna angularis)[J].Journal of Microbiology and Biotechnology, 2024, 34(4):846-853.

[19] NIAN X, WANG J T, WANG M Z, et al.Influence of ultrasonic pretreatment on the quality attributes and pectin structure of chili peppers (Capsicum spp.).[J].Ultrasonics Sonochemistry, 2024, 110:107041.

[20] 黄旭辉.超声波处理对海参复水品质的影响及机理研究[D].福州:福建农林大学, 2016.HUANG X H.Study on the effect and mechanism of ultrasonic treatment on the rehydration quality of sea cucumber[D].Fuzhou:Fujian Agriculture and Forestry University, 2016.

[21] 许晶, 韩东, 王昱婷, 等.超声预处理对大豆蛋白酶解物结构及抗氧化活性的影响[J].食品科学, 2018, 39(19):78-84.XU J, HAN D, WANG Y T, et al.Effect of ultrasound pretreatment on structure and antioxidant activity of soybean protein hydrolysates[J].Food Science, 2018, 39 (19):78-84.

[22] TURHAN M, SAYAR S, GUNASEKARAN S.Application of Peleg model to study water absorption in chickpea during soaking[J].Journal of Food Engineering, 2002, 53(2):153-159.

[23] 杨清慧, 宋树民, 刘汶树, 等.青椒热风干燥动力学与复水动力学研究[J].食品与发酵工业, 2024,50(24):272-281.YANG Q H, SONG S M, LIU W S, et al.Study on the kinetics of hot air drying kinematics and green pepper rehydration[J].Food and Fermentation Industries, 2024,50(24):272-281.

[24] 郭美玲, 姚红, 黄璐晗, 等.干辣椒复水模型构建及复水后特性和发酵品质研究[J].食品与发酵工业, 2024, 50(15):222-230.GUO M L, YAO H, HUANG L H, et al.Construction of rehydration model for dried chillies and research on characteristics and fermentation quality after rehydration[J].Food and Fermentation Industries, 2024, 50(15):222-230.