李瑜，李娜，安娟

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州，450002)

冬瓜為一年生葫蘆科草本植物［1］，具有營養(yǎng)豐富，易栽培，產(chǎn)量高等優(yōu)點。熱風(fēng)干燥是一種有效控制水分，延長冬瓜保存期的方法，冬瓜干制品保持了冬瓜原有的營養(yǎng)，便于運輸、貯存，在一定程度能提高冬瓜的加工和利用率。干制冬瓜粉應(yīng)用廣泛、實用性強，可作為基料在面制品、營養(yǎng)保健品等［2］食品中添加，拓寬了冬瓜產(chǎn)品深加工的種類。

在食品加工和貯藏過程中水分活度是的一種重要控制參數(shù)，通過吸附等溫線能進(jìn)行食品貯藏時間的預(yù)測、貯藏條件的選擇、干燥工藝的優(yōu)化以及合適的包裝材料的確定等［3］。在相同貯藏條件下，食品水分活度越大越易變質(zhì)［4］。近年的研究表明［5］，水分活度作為評估食品安全貯藏標(biāo)準(zhǔn)存在一定的局限性，因此提出了玻璃化轉(zhuǎn)變理論。研究表明，水分活度和玻璃化轉(zhuǎn)變2種理論結(jié)合已應(yīng)用在果蔬［6-7］、糧油制品［8］等產(chǎn)品中，但是目前將其應(yīng)用于研究熱風(fēng)干燥冬瓜片貯藏穩(wěn)定性很少報道。

本試驗以熱風(fēng)干燥冬瓜片為原料，結(jié)合水分活度保藏理論和玻璃化轉(zhuǎn)變理論，研究含水率對冬瓜干制品水分活度以及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響，并通過擬合冬瓜干制品的吸附等溫線和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的狀態(tài)圖，探討干制冬瓜片干基含水率、水分活度與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

市售新鮮無病蟲害冬瓜，于4℃冰箱中保存。

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-9143BS-Ⅲ電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司;JA6102電子天平，上海精天電子儀器廠;FA2004A電子天平，上海精天電子儀器廠;Aqua Lab Series4TE型水分活度儀，美國Decagon儀器公司;Smart TracⅡ型水分測定儀，美國CEM公司;差示掃描量熱儀DSC204F1，德國Netzsch儀器公司;DGF-80型高速萬能粉碎機，上海樹立儀器儀表有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品處理

將冬瓜洗凈后去皮、去籽，切成厚約2 mm、長約3 cm、寬約2 cm的均勻片狀，平鋪于塑料托盤中，利用電熱鼓風(fēng)干燥箱，在60℃條件下，將冬瓜干燥至質(zhì)量恒定后，將其粉碎后置入密封袋中，于干燥器內(nèi)保存。稱量3 g干制樣品于密封袋中，向其加入預(yù)先計算好的定量蒸餾水，立即將袋密封，搖勻后，將密封袋置于4℃的冰箱內(nèi)保存。每隔1 d取出搖勻，連續(xù)平衡120 h，以獲得預(yù)設(shè)水分含量的樣品。

1.3.2 吸附等溫線的測定

試驗時取出密封袋，將其置于25℃室溫中平衡24 h后，利用水分測定儀在最高溫度為100℃下測定其準(zhǔn)確的水分含量，并稱取2 g樣品，置于水分活度儀的樣品盒中，采用水分活度儀測定25℃條件下的水分活度。每個試驗重復(fù)3次，計算平均值。

1.3.3 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測定

采用DSC測定吸附含水率分別為5%、7%、9%、11%、13%和15%左右的樣品玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。利用銦(熔點156.6℃，ΔHm28.44 J/g)和蒸餾水(熔點0℃，ΔHm333 J/g)對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。稱取5～10 mg樣品密封于坩堝內(nèi)，置于DSC樣品池內(nèi)，以空坩堝作為對照。高純N2作為載氣(50 mL/min)，采用液氮冷卻樣品。樣品的DSC掃描程序為:10℃/min由-80℃加熱至80℃［9］。采用DSC軟件分析熱流密度曲線，得到初始(Tgs)、中點(Tgm)、拐點(Tgi)和終點(Tge)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，樣品玻璃化轉(zhuǎn)變溫度取其拐點值Tgi。

1.4 模型擬合

1.4.1 吸附等溫線的模型預(yù)測

參考國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)［10-12］，選取理論研究中應(yīng)用較好的6種數(shù)學(xué)模型對冬瓜的吸附等溫線數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，見表1。表1中，Xeq為干基含水率，aw為水分活度，A、B、C均為模型常數(shù)。

表1 吸附模型Table 1 Adsorption models

模型的擬合優(yōu)度采用決定系數(shù)(R2)、均方根誤差(RMSE)和殘差平方和(RSS)進(jìn)行評價。

1.4.2 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度模型擬合

熱風(fēng)干燥冬瓜玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg采用Gordon-Taylor方程進(jìn)行擬合［13］

式中:Tgs為溶質(zhì)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，℃;Tgw為水的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，取-135℃;Xs為溶質(zhì)濕基含量，%;Xw為濕基含水率，%;k為模型參數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Origin9.0和1stopt1.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬瓜吸附等溫線

冬瓜25℃的吸附等溫線見圖1。吸附過程中的平衡水分含量隨水分活度的增加逐漸增加。從圖1中可看出，冬瓜的吸附等溫線屬于Ⅲ型等溫線［14］。

圖1 冬瓜吸附等溫線Fig.1 Adsorption isotherm of wax gourd

2.2 冬瓜吸附等溫線模型擬合及其評價

采用表1中的6種模型對冬瓜吸附等溫線試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸擬合，擬合結(jié)果見表2。

表2 吸附等溫線的擬合結(jié)果Table 2 Results of fitting of adsorption isotherm

由表2可知，GAB模型對吸附等溫線的擬合效果最好，6種模型的擬合效果按照統(tǒng)計參數(shù)對比從優(yōu)到次的順序為 GAB、Hendenson、Oswin、Halsey、BET、Smith。因此可用GAB模型來描述冬瓜的吸附等溫線，其模型常數(shù) A、B、C分別為0.099、0.996、9.487，將其代入模型表達(dá)式，得到的模型方程為

為驗證模型的準(zhǔn)確性，將吸附等溫線最優(yōu)模型(GAB模型)的擬合曲線與試驗測定的吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，見圖2?？梢钥闯觯晌皆囼灁?shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)點分布在模型擬合曲線上或其附近。表明GAB模型能較好的擬合吸附試驗結(jié)果。

圖2 冬瓜吸附等溫線與模型預(yù)測Fig.2 Moisture adsorption isotherms of wax gourd and predicted model

2.3 冬瓜玻璃化轉(zhuǎn)變溫度及模型擬合

典型的冬瓜DSC曲線如圖3所示。熱流密度曲線的基線變化前后曲線切線與基線的交點所對應(yīng)的溫度為其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg。由圖3可知，樣品的DSC曲線與張雨、石啟龍等所報道的基本一致［15-16］。

圖3 冬瓜干制品DSC曲線Fig.3 Typical DSC thermogram for dried-wax gourd

不同含水率樣品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg如表3所示。從表3中數(shù)據(jù)可以看出，冬瓜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg隨著含水率的增加而降低。冬瓜的濕基含水率由5.67%增加至15.07%時，Tg由33.9℃降低至2.1℃。

表3 冬瓜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Table 3 Glass transition temperature of wax gourd

采用Gordon-Taylor方程對冬瓜的Tg數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合，得到的模型參數(shù)值如表4所示。

表4 Gordon-Taylor方程參數(shù)值Table 4 Parameters of Gordon-Taylor equations

2.4 水分活度和玻璃化溫度對冬瓜貯藏穩(wěn)定性的影響

冬瓜的含水率、水分活度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與冬瓜的貯藏穩(wěn)定性有著密切的關(guān)系，而三者之間也存在著相互影響的作用。為考察三者之間的關(guān)系，探討冬瓜的貯藏條件，根據(jù)試驗所得數(shù)據(jù)以及水分吸附特性的最優(yōu)擬合模型GAB模型和Gordon-Taylor方程，構(gòu)建冬瓜的狀態(tài)圖，如圖4所示。

圖4 干制冬瓜粉狀態(tài)圖Fig.4 State diagram of dried-wax gourd powder

由圖4可以得出，當(dāng)溫度為25℃，冬瓜保持玻璃態(tài)貯藏時，根據(jù)Gordon-Taylor方程(式1)得到對應(yīng)25℃的臨界水分活度CWA為0.2374;根據(jù)GAB模型(式3)得到樣品臨界水分活度時對應(yīng)的含水率，即臨界干基含水率CWC為9.67%。因此，為使冬瓜處于玻璃態(tài)，貯藏環(huán)境的最高相對濕度為23.74%，冬瓜的臨界干基含水率為9.67%。

3 結(jié)論

冬瓜的吸附等溫線類型屬于Ⅲ型等溫線。通過非線性曲線擬合分析，確定GAB模型是描述冬瓜水分吸附特性的最優(yōu)模型，其決定系數(shù)R2為0.999。干制冬瓜產(chǎn)品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg隨著含水率的增加而降低。根據(jù)aw-Xeq-Tg關(guān)系圖可知，當(dāng)貯藏溫度為25℃時，貯藏環(huán)境的最高相對濕度為23.74%，冬瓜的臨界干基含水率為9.67%。

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