真空干燥对云南干巴菌干燥特性及品质的影响

干巴菌(Thelephora ganbajun Zang)[1]是担子菌门(Basidiomycota)、伞菌纲(Agaricomycetes)、革菌目(Thelephorales)、革菌科(Thelephoraceae)、革菌属(Thelephora)的一类食用真菌,又名干巴革菌、对花菌[2]。

干巴菌对生态环境要求特殊、地域分布特征极为明显,在诸多文献报道中干巴菌大多记载为我国云南省特有的野生食用菌[3],是一种狭域性的可食用菌根真菌,分布以滇中高原为主,主产地为云南省昆明市、玉溪市、曲靖市、楚雄市,其次为云南省普洱市、丽江市、保山市、大理市[4]。在野生食用菌中,干巴菌是最具独特风味的一种。干巴菌不仅具备独特、浓郁鲜香的风味,还富含氨基酸、蛋白质、黄酮、粗多糖、矿质元素、维生素等大量营养物质,具有很高的营养和保健价值,是一种极具云南特色的珍贵野生食用菌[5-6]。

干燥是食用菌常用的加工方式,能将食用菌含水率和水分活度(water activity,Aw)降低到一定程度,有效解决其货架期短的问题,降低贮运成本[7];另外食用菌在干燥过程中,可以生成新的挥发性物质,提高其特征性风味[8]。干燥方法直接影响食用菌干制后的外观(色泽、形态)、味道(香气、风味)和营养成分[9],所以,选择适宜的干燥方法降低食用菌水分含量和Aw,对提高其特征性风味,延长其货架期尤为重要。食用菌传统干燥方式包括自然干燥和热风干燥,具有操作简单、可大批量工业生产等优点,但是传统干燥方式不能保证产品质量的稳定性,为此应用于食用菌干燥的更多新型干燥技术相继出现,主要有真空干燥、真空冷冻干燥、红外辐射干燥、微波干燥及热泵干燥等[10]。不同干燥工艺下食用菌成品的色泽、成分以及设备能耗也不尽相同。真空干燥是使物料处于真空条件下,通过降低压强以降低水的沸点,并通过适当加热方式,达到负压状态下水的沸点,以脱除物料水分的一种干燥方式。真空干燥具有干燥速度快、温度低、氧气含量低、干制品品质优等特点被企业和市场广泛采用。DEMIRAY等[11]探讨了真空干燥对平菇品质特性的影响,结果表明,随着干燥温度升高,平菇干燥时间缩短,亮度值随着温度和压力的增加而降低。由于真空干燥温度低且干燥过程中平菇与氧气隔绝,因此得到的平菇片品质较好。XIE等[12]探讨了不同干燥温度和真空脉动比对枸杞脉冲真空干燥(pulse vacuum drying,PVD)特性和品质特性、复水率和微观结构的影响。研究结果表明,相比热风干燥,PVD可以显著缩短干燥时间,并提高总多糖含量、颜色参数和复水率等方面的质量属性。

国内外对干巴菌的研究十分有限,现有研究主要集中在分类、菌种分离、营养成分测定和生态学关系等方面,对其干燥特性的分析研究相对较少。且由于干巴菌含水率高,生理代谢旺盛,采摘后易腐败难保藏[7,13],采后保鲜加工成为干巴菌产业发展亟待解决的问题,将干巴菌制成干品可以延长货架期,提高干巴菌的附加值,助力产业升级。基于此,该研究设置40、50、60、70、80 ℃这5个不同温度的真空干燥,对新鲜干巴菌进行干燥处理,通过观察测定干制品的干燥特性和品质,以期筛选出较优的干燥方式,为干巴菌的干制工艺提供一定的理论参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试材料干巴菌采自云南省楚雄彝族自治州南华县雨露乡山地松树林,样品采摘后立即带回实验室备用。

1.2 仪器与设备

DZF-6020真空干燥箱,巩义市予华仪器有限责任公司;YP5002电子天平,上海越平科学仪器(苏州)制造有限公司;CM-5分光色差计,翁开尔有限公司;HH-S16S恒温水浴锅,金坛市大地自动化仪器厂;TA-XT plus质构仪,超技仪器有限公司;S-433D氨基酸分析仪,SYKAM公司。

1.3 实验方法

1.3.1 干巴菌鲜样的干燥处理

真空干燥:将新鲜采摘的干巴菌样品切成大小均一的条状,每次取170 g样品置于不锈钢干燥盘上,放入真空干燥箱,设置不同干燥温度(40、50、60、70、80 ℃),真空度为0.075 MPa,进行烘干,每隔30 min,取出干巴菌进行称重,记录结果和时间。

自然晒干:将新鲜采摘的干巴菌样品切成大小均一的条状,在高温烈日条件下,每次实验均使用170 g样品均匀摊放在簸里自然晾晒。

1.3.2 干燥特性和方程模拟

1.3.2.1 含水率的测定

为了计算干巴菌干燥的水分比和干燥速率,需要测定新鲜干巴菌和干燥后干巴菌样品的含水率,水分含量测定参考GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》。

1.3.2.2 干基含水率Mt

任意干燥时刻t干巴菌的干基含水率为Mt,计算如公式(1)所示[14]:

式中:mt,t时刻干巴菌质量,g;mg,干巴菌干物质质量,g。

水分比表示一定条件下物料的剩余水分率,计算如公式(2)所示[15]:

式中:MR,t时刻物料水分比;Mt为干基含水率,g/g;M0,物料初始干基含水率,g/g。

1.3.2.4 干燥速率

干燥速率能反映出干燥时间、干燥水分含量和干燥速率之间的关系,是研究物料干燥特性的一个重要参数,其计算如公式(3)所示[16]:

式中:DR为干燥速率,g/(g·min);Mt1,t1时刻的干基含水率,g/g;Mt2,t2时刻的干基含水率,g/g。

1.3.3 干巴菌的品质指标检测

1.3.3.1 复水比测定

复水比是用来描述复水特性的一个参数。参考王娟等[17]的方法测定复水比。每次实验称取2.00 g的干制品,以1∶100(g∶mL)的固液比浸泡在50 ℃的去离子水中,把复水一定时间(20、40、60、80、100、120 min)后的干制品取出并沥干,拭干其表面的水分后称质量,按照公式(4)计算复水比:

式中:RR,复水比,g/g;mt,干制样品复水t min后的质量,g;m1,干制样品复水前质量,g。

1.3.3.2 复水速率测定

参考王昱圭等[18]的方法计算复水速率,计算公式(5)为:

式中:VR,复水速率,g/(g·min);nt+1,t+1时刻干巴菌的质量,g;nt,t时刻的干巴菌的质量,g;20,t+1时刻和t时刻的时间间隔,min。

1.3.3.3 色泽测定

用测色色差计进行测定:L*值(亮度),其值从0到100变化,0表示黑色,100表示白色,值越大表示色泽越亮。a*值(红色度),表示从红到绿的值,100为红色,-80为绿色。b*值(黄色度),表示从黄色到蓝色的值,100为黄色,-80为蓝色。每种样品取3个样,每样旋转3次不同角度分别读数,取读数的平均值。色差值ΔE计算如公式(6)所示[19]:

式中:L*、a*、b*为干巴菌干燥样品的色泽值;

为新鲜干巴菌的色泽值。

1.3.3.4 硬度测定

利用质构仪的压缩实验测定干巴菌的质构特性。采用直径75 mm圆形探头测定干巴菌的质构,测试参数设定为:触发力5 g;测试速度0.15 mm/s;距离15 mm,压缩程度50%[20]。

1.3.3.5 矿物元素测定

干巴菌子实体矿物元素含量的测定:参照GB 5009.91—2017《食品安全国家标准食品中钾、钠的测定》测定钾、钠含量;参照GB 5009.87—2016《食品安全国家标准食品中磷的测定》测定磷含量;参照GB 5009.241—2017《食品安全国家标准食品中镁的测定》测定镁含量;参照GB 5009.90—2016《食品安全国家标准食品中铁的测定》测定铁含量;参照GB 5009.14—2017《食品安全国家标准食品中锌的测定》测定锌含量;参照GB 5009.242—2017《食品安全国家标准食品中锰的测定》测定锰含量;参照GB 5009.93—2017《食品安全国家标准食品中硒的测定》测定硒含量。

1.3.3.6 氨基酸测定

氨基酸的测定按GB 5009.124—2016《食品安全国家标准食品中氨基酸的测定》进行。

1.3.3.7 味觉活性值(taste activity value,TAV)分析

TAV是一种衡量单一成分对食物整体风味的贡献程度的指标[21]。其计算方法是将该化合物在食物中的浓度(C)除以其感官检测阈值(T),计算如公式(7)所示:

如果一种化学物质的TAV大于1,就被认为是一种活性风味成分,其对风味的影响随着TAV的增加而增加[22]。

1.4 数据处理

实验重复3次,试验数据以“平均值±标准差”表示;用SPSS软件和Excel分析数据,用Duncan多重比较的方法分析差异显著性,采用Graphpad Prism 10.1.2软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同干燥温度下干巴菌干燥特性

2.1.1 干燥温度对干巴菌含水率的影响

不同物料温度下干巴菌含水率随干燥时间的变化曲线如图1所示。随着干燥时间的延长,干巴菌的含水率逐渐下降。在干燥初始阶段,水分主要从干巴菌表面蒸发,而内部水分迁移到表面需要一定时间,因此初期干燥速率相对较慢。但在干燥的后期,含水率的下降速度显著加快,特别是在高温条件下表现得尤为突出。这表明随着干燥的进行,干巴菌内部的水分迁移速率加快,尤其是在较高的温度下,水分蒸发速度大幅加快。温度的升高引起水分蒸发速率加快,进而使得含水率下降速度加快,导致曲线变得更陡峭。

2.1.2 干燥温度对干巴菌干基含水率的影响

不同物料温度下干巴菌的干基含水率随干燥时间的变化曲线如图2所示。随着干燥时间不断延长,干巴菌的干基含水率持续降低,呈现出稳步下降的趋势。可以明显观察到,干燥温度越高,干巴菌的干燥曲线斜率越大,愈发陡峭,且达到干燥终点所需的时间越短。在干燥温度分别为40、50、60、70、80 ℃时,干巴菌干燥时间分别为1 050、690、480、390、360 min。

2.1.3 物料温度对干巴菌水分比的影响

不同物料温度下干巴菌水分比随干燥时间的变化曲线如图3所示。较高的温度条件下,水分比下降的更快,尤其是在80 ℃的条件下,水分比的下降最为显著,这表明高温显著加速了水分的蒸发和内部水分的向外迁移。由于高温提供了更大的热能,这促使水分子的运动加快,从而增强了水分的扩散和蒸发过程。在干燥的后期,所有温度条件下水分比的下降速度减慢,特别是在较低的温度(如40、50 ℃)下,水分比下降的趋势非常缓慢,随着干巴菌内部水分的减少,水分的去除变得更加困难。

2.1.4 物料温度对干巴菌干燥速率的影响

不同物料温度下干巴菌干燥速率随干燥时间的变化曲线如图4所示。由图4可知,60、70、80 ℃下干燥速率变化趋势基本一致,大致分为快速下降阶段、缓慢下降阶段。在干燥初期,干燥温度湿度较高(60、70、80 ℃)环境条件下的干燥速率迅速上升至峰值,这对应于干燥过程中的加速阶段,水分快速从干巴菌表面蒸发。在峰值之后,各个温度条件的干燥速率都开始下降,这表示干巴菌进入了干燥的恒定速率阶段,此时水分的蒸发受到内部水分迁移速率的限制。在较低温度条件(40、50 ℃)下,干燥速率的整体趋势更为平缓。

2.2 不同干燥条件下干巴菌的品质分析

2.2.1 不同干燥方式对干巴菌复水比和复水速率的影响

不同干燥方式下干巴菌的复水特性如图5所示。由图5-a可知,干巴菌的复水比大小为50 ℃>40 ℃>晒干>60 ℃>70 ℃>80 ℃,在复水初始的20 min内,干巴菌的复水比值迅速攀升,随后上升速度逐渐放缓,甚至趋于平稳,50 ℃真空干燥处理的干巴菌最终复水比最高。如图5-b所示,复水20 min时40 ℃组的干巴菌复水速率最高,80 ℃组的复水速率最低,其他组的复水速率接近。随着复水时间的延长复水速率降低。在较低的干燥温度(40、50 ℃)下,干巴菌的水分蒸发速率相对较慢,细胞结构损伤较少。因此干巴菌能够保持较多的孔隙结构,这有利于复水过程。当真空干燥的温度大于60 ℃,随着干燥温度升高,复水比值越低,可能是高温导致干巴菌的结构变化大,收缩率高,孔隙率低,复水性差[23]。当温度进一步提高到80 ℃,高温会加速细胞壁和细胞膜的破坏,细胞结构一旦损伤,细胞内的水分更易在干燥过程中丧失,同时,这种结构的损坏会降低细胞复水时的水分吸收能力。

2.2.2 不同干燥方式对干巴菌色泽的影响

不同干燥方式下的干巴菌色度值如表1所示。真空干燥时,随着温度的升高,L*值先升高再降低,a*值先升高后降低,b*值升高,可能是由于随着加热温度的升高,褐变反应更剧烈。对于L*值,各组之间均存在显著性(P<0.05),60 ℃真空干燥的L*值最大且显著高于其他组(P<0.05),为16.78,ΔE最小,表明其亮度值最高,与新鲜干巴菌颜色差别较小,色泽最好。其次是70 ℃真空干燥组和晒干组,L*值分别为15.80、14.79。80 ℃真空干燥组的L*值最小,为12.05,推测是由于温度较高,导致干巴菌局部焦糊,菇片颜色较深。对于a*值,各组之间均无显著差异,40 ℃真空干燥组的a*值最大,为1.54,50、70、80 ℃真空干燥的a*值相近,分别为1.39、1.38、1.35。对于b*值,80 ℃真空干燥组的b*值最高为6.10,其次是70 ℃真空干燥组为5.95,40 ℃干燥样品的b*值最低为4.09。

2.2.3 不同干燥方式对干巴菌硬度的影响

不同干燥方式下干巴菌的硬度如图6所示。通过比较不同干燥方式下干巴菌的硬度值,可以为最佳干燥方式的确定提供参考。在真空干燥中,随着干燥温度的提升,干巴菌硬度呈现出先上升后下降的趋势,60 ℃真空干燥样品硬度最大且显著高于其他组(P<0.05),其次是50 ℃真空干燥组。真空干燥的干巴菌硬度值远高于自然晒干的干巴菌硬度值,温度达到80 ℃时,干巴菌的硬度值与自然晒干之间无显著差异。

2.2.4 不同干燥方式对干巴菌矿物元素含量的影响

矿物元素在人体中占比极少,但有着重要的生物学作用。钾、镁是血液和体液以及许多代谢过程的必需组分,铁是人体血红蛋白和肌红蛋白的组成部分,锌、锰参与人体多种酶的合成与激活[24-25]。矿物元素不能在人体内自行合成,只能来自饮食、空气及各种外源性物质。干巴菌中含有多种矿物元素。图7显示了不同干燥温度下干巴菌矿物元素含量的变化。干燥前后干巴菌样品中的钾和磷的含量最高,其次为铁、镁、硒、钠。干燥处理后,样品的矿物元素含量增加。与新鲜干巴菌相比,在6个不同干燥方式中,锰、锌、硒、钠、镁、铁、磷、钾含量均高于新鲜样品,其中50、60 ℃干燥处理的样品锰、锌、硒、钠含量均高于其他处理组,50 ℃干燥处理的样品铁含量最高。

2.2.5 不同干燥方式对氨基酸含量的影响

干巴菌中含有多种氨基酸。表2显示了不同干燥温度干巴菌氨基酸含量的变化。干燥前后干巴菌样品中的谷氨酸、组氨酸和丙氨酸含量均较高。新鲜干巴菌总氨基酸含量为1.41 g/100 g。干燥处理后,样品的氨基酸含量增加。60 ℃干燥后样品总氨基酸含量达到最大值,且与其他处理组之间均存在显著差异(P<0.05),其次是80 ℃干燥样品和自然干燥样品。在样品中检测到了9 种人体必需氨基酸,其中必需氨基酸的总含量范围为0.85～5.43 g/100 g,60 ℃干燥后的样品含量最高,其次是80 ℃、自然晒干和50 ℃干燥样品。对于非必需氨基酸,其总含量范围为0.56～3.72 g/100 g。60 ℃干燥处理后的样品非必需氨基酸总含量最高,且与其他处理组之间均存在显著差异(P<0.05),自然晒干、50、80 ℃干燥处理后的样品非必需氨基酸含量无显著性差异,但显著高于40和70 ℃干燥处理的样品(P<0.05)。

将氨基酸根据其味道特征分为鲜味氨基酸、甜味氨基酸、苦味氨基酸和无味氨基酸[26]。其中天冬氨酸和谷氨酸被认为具有鲜味,其含量在0.20～1.93 g/100 g,苏氨酸、丝氨酸、甘氨酸和丙氨酸被认为具有甜味,其含量在0.34～1.75 g/100 g。60 ℃干燥处理后干巴菌样品中鲜味氨基酸含量均高于自然晒干和其他真空干燥(40、50、70、80 ℃)处理的样品,而50 ℃干燥处理后干巴菌样品中甜味氨基酸含量均高于其他真空干燥(40、60、70、80 ℃)处理的样品,这表明50～60 ℃干燥处理有助于保持更多的味觉活性氨基酸。

食用菌成分的独特风味与其所含丰富多样的鲜味氨基酸密切相关。TAV计算确定了风味表达和各种氨基酸的贡献。TAV分析(表3)显示,在50、80 ℃干燥处理中,15种氨基酸的TAV大于1,在60、70 ℃和自然干燥处理中,14种氨基酸的TAV超过1,在新鲜样品中,4种氨基酸的TAV超过1。在鲜味氨基酸中,谷氨酸是自然晒干和真空干燥的主要贡献者,60 ℃ 干燥处理中的谷氨酸TAV高于自然晒干中的。在甜味氨基酸中,丙氨酸是自然晒干和真空干燥的主要贡献者,自然晒干的丙氨酸TAV高于真空干燥。而在甜味氨基酸中,苏氨酸只有在50、80 ℃真空干燥处理中TAV接近1,在其他处理中的TAV小于1。对于苦味氨基酸,只有脯氨酸在自然晒干和真空干燥中TAV小于1。而在苦味氨基酸中,组氨酸在自然晒干和真空干燥中TAV均显著高于其他苦味氨基酸。TAV超过1的氨基酸对风味有显著影响。

3 结论

实验结果表明,干燥温度的提升明显加快了干巴菌的干燥速率,进而缩短了达到预定水分含量的时间。在复水特性方面,干巴菌的复水比值在复水20 min时迅速上升,随后缓慢上升或趋于平稳。其中,50 ℃真空干燥处理的样品最终复水比最高。在色泽表现上,60 ℃干燥样品的L*值最大且显著高于其他组,同时ΔE最小,这表明其亮度值最高,与新鲜干巴菌在颜色上差别较小,色泽最好。就硬度而言,干巴菌硬度呈现出先上升后下降的趋势,在60 ℃达到峰值,且显著高于其他组。干燥处理对干巴菌的矿物元素及氨基酸含量有着显著影响,经干燥后的干巴菌,其矿物元素与氨基酸含量均高于新鲜样品。在矿物元素含量上,50、60 ℃干燥处理的样品其锰、锌、硒、钠含量均高于其他处理组。在氨基酸含量方面,60 ℃干燥处理后干巴菌样品中鲜味氨基酸含量均高于自然晒干和其他真空干燥处理的样品;50 ℃干燥处理后干巴菌样品中甜味氨基酸含量均高于其他真空干燥处理的样品,这表明50～60 ℃干燥处理有助于保持更多的味觉活性氨基酸。综上所述,50～60 ℃干燥样品具备更优的品质且含有更为丰富的矿物元素与氨基酸。

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