孔隙結構和脂肪含量對餅干水分吸附特性的影響*

郝發義，盧立新，2

1(江南大學，江蘇無錫，214122)

2(江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇無錫，214122)

餅干、曲奇等烘焙食品從周圍環境或食品的其他部分吸收水分以后會逐漸失去脆性，進而失去口感和風味。為了能更好地保護這類食品的品質，研究其水分吸附以及水分在其內部擴散和傳輸的特性就顯得非常重要。同時，食品水分吸附特性也是研究防潮包裝和確定食品保質期的重要前提。

食品的水分吸附特性受多方面因素的影響，主要分為環境溫濕度以及產品本身特性。從產品本身來講，主要包括產品內部結構以及組成成分［1］，其對水分吸附特性的重要影響已經得到眾多研究者的認同［2-4］。烘焙食品內部大多是多孔組織結構，內部基本上是連續的固相組織內分布形狀和大小各異的孔隙。水分擴散速度主要受食品內部孔隙所占比例的影響，因為水分在食品內部的傳輸主要有兩種不同機制:沿固相的液態擴散和沿氣相的氣態擴散，通常情況下，氣態擴散速度比液態擴散速度高104量級［5］，所以孔隙率的大小很大程度上決定水分擴散速度的量級?？紫堵蕦κ称匪治剿俣鹊挠绊懸呀浽谙嚓P的研究，如意大利面［6］和松糕［7］中得到證明。食品的水分吸附特性代表其各個組分整體的吸附性能。研究表明，食品的脂肪含量的水分擴散系數較低，通常大約在10-12和10-13m2/s［8］。食品中的脂肪通常會阻止或延緩水分傳輸，并因其增加了食品內部水分傳輸路徑的曲折程度而導致有效水分擴散系數降低。相關的學者發現食品中脂肪含量影響其最終平衡水分含量，比如松糕［9］和餅干［10］。

本研究以不同孔隙率和脂肪含量的發酵餅干為研究對象，研究孔隙結構和脂肪含量對食品的水分吸附特性和有效水分擴散系數的影響。

1 材料與方法

1.1 發酵餅干的配方與工藝

面粉、食鹽、白砂糖、小蘇打、水和植物油等配料加入攪拌機攪拌2 min，加入用溫水活化的干酵母和餅干專用酶，中速攪拌10 min。整理好的面團在34℃的醒發箱里醒發30 min，用壓片機壓成2 mm厚的薄片，制作成餅干胚后放在溫度34℃，相對濕度90%的醒發箱里發酵。發酵好的餅干在175℃的電烤箱里烘烤10 min，最后室溫冷卻。餅干的配方及主要參數見表1。

1.2 儀器

SU1510掃描電子顯微鏡，日本日立公司;AquaL-ab動態水分吸附儀，美國培安公司;AB204-N分析天平，梅特勒-托利多儀器有限公司;DHS20-1紅外水分測定儀，上海天平廠。

1.3 電鏡掃描

餅干的孔隙結構通過電鏡掃描獲得。樣品首先在含有P2O5的干燥器里至少干燥5d，然后用雙面膠把樣品粘在直徑13 mm的鋁盤上，并鍍上5～10 nm的金屬鉑，掃描采用加速電壓為5 kV，放大倍數為50。

表1 發酵餅干的配方及主要參數Table 1 Composition and main parameters of fermented biscuits

1.4 餅干初始孔隙率的計算

根據掃描得到的電鏡圖片，采用 Image-pro Plus6.0軟件(Media Cybernetics公司)經過對圖像增強處理，選擇合適分割閾值，可以得到餅干的初始孔隙率［11-12］。每個樣品取不同部位的掃描圖片3幅，分別計算孔隙率后取平均值。

1.5 水分吸附試驗方法

餅干樣品在溫度25℃，相對濕度20%的恒溫恒濕箱預處理7d。實驗時把餅干樣品放入動態水分吸附儀樣品盤上，設定實驗溫度T=25℃，水分活度從0.2增加到0.9，遞增幅度為0.1;樣品在每個水分活度下逐漸達到吸濕平衡，然后遞增到下一級水分活度。樣品質量、溫度和水分活度等數據每隔5min自動記錄1次。當樣品質量變化速度連續2次小于0.002%/min，或者平衡時間超過360 min則認為樣品達到吸濕平衡［13］。輸入餅干初始水分含量，則可得到樣品在每個水分活度下的平衡含水量，并由此得到等溫吸濕曲線。

1.6 有效水分擴散系數

本實驗采用的AquaLab動態水分吸附儀樣品盤直徑38 mm，把餅干直徑裁切成38 mm后放入樣品盤，餅干厚度為3.5 mm，由于餅干的形狀為片狀，且餅干直徑與厚度的比值約為10，因此可將水分在餅干中的單向擴散過程用無限大平板模型來表征。Crank［14］根據菲克第二定律得到基于平板擴散條件的解析解即無限大平板模型。

其中，X*—瞬時水分含量，g/100g(干基);X∞—平衡水分含量，g/100g(干基);X0—初始水分含量，g/100g(干基);L—厚度，m;t—時間，s。

1.7 數據處理

描述食品水分活性和平衡水分含量之間關系的數學模型有很多，理論模型GAB模型能在較寬的濕度范圍內實現對多種食品吸濕數據的擬合，因此被研究者廣泛采用［15-16］。

式中，Me—平衡水分含量，g/100g(干基);M0—單分子層水分含量，g/100g(干基);aw—水分活度;C，K—常數。

等溫吸濕試驗得到的數據由Matlab(The Mathworks Inc，Mass，USA)軟件中的 Curve Fitting工具箱，采用 Levenberg+Marquart算法進行擬合，得到GAB模型的常數。模型擬合效果的評價指標有誤差平方和 SSE、決定系數 R-square和均方根誤差RMSE。

2 結果與討論

2.1 餅干的水分吸附等溫線

圖1 三種孔隙率餅干的試驗數據和GAB模型擬合圖Fig.1 Experimental data and fitting of GAB models of three biscuitswith different porosity

圖1和圖2分別是3種初始孔隙率和脂肪含量不同的發酵餅干的水分吸附數據與GAB模型擬合得到水分吸附等溫線。在較低的相對濕度下，餅干的水分含量增加緩慢，當aw＞0.7后，曲線的斜率明顯增加，水分吸附速度加快。從孔隙率對餅干吸附的影響來看，3種孔隙率餅干的平衡水分含量無明顯差異。而脂肪含量對餅干的平衡含水量產生明顯的影響，在相對濕度90%條件下，脂肪含量8.2%和15.6%的餅干平衡水分含量相對無脂肪的餅干分別下降10.4%和13.7%。這與Kim等采用飽和鹽溶液法研究餅干水分吸附特性和Roca采用動態吸附法研究松糕的結果一致。這主要是脂肪顆粒分散在食品內部組織中會部分包裹住淀粉和蛋白質等顆粒，由于脂肪的疏水作用，會導致食品中可吸附水分的基團減少［3］，所以脂肪含量較高會降低餅干的平衡水分含量。

通過Matlab軟件擬合得到的GAB模型常數和擬合效果評價指標見表2?？梢钥闯?，其決定系數R-square均大于0.99，GAB模型的擬合評價指標均達到理想的效果。

圖2 三種脂肪含量餅干的試驗數據及GAB模型擬合Fig.2 Experimental data and fitting of GAB models of three biscuits with different fat content

表2 GAB模型的常數及擬合效果評價指標Table 2 Coefficients and evaluation index of GAB models

2.2 有效水分擴散系數

不同孔隙率和脂肪含量的餅干采用動態水分吸附動力學計算其在25℃的有效水分擴散系數，如圖3為采用動態吸附儀得到的脂肪含量為8.2%的FC4餅干的水分吸附動力學曲線。

圖3 采用動態水分吸附法得到的25℃時FC4餅干水分吸附動力學曲線Fig.3 Water sorption dynamics of FC4 biscuit at 25℃determined by DVS method

圖4 三種孔隙率餅干有效水分擴散系數隨水分含量的變化趨勢Fig.4 Effective moisture diffusivity as a function of moisture content with different porosity

不同孔隙率和脂肪含量餅干的有效水分擴散系數隨含水量變化的趨勢大致相同?？紫堵什煌?種餅干的有效水分擴散系數隨含水量增加的變化趨勢如圖4。隨著含水量的增加逐漸增加，在干基含水量為10g/100g左右時，有效水分擴散系數達到最大值，隨后開始下降。其他學者在研究食品有效水分擴散系數時也得到類似的結果［17］。有效水分擴散系數隨含水量變化的趨勢可以反映出水分吸附過程中不同擴散機理的作用，比如在餅干孔隙結構中的氣態擴散向沿固相組織的液態擴散的轉變。在餅干含水量較低的時候，餅干孔隙組織中的氣態擴散占主導地位，而隨著含水量的增加(大于10g/100g)以后，餅干組織結構吸水膨脹，氣相結構所占的比例下降，所以氣態擴散逐漸轉變為沿固相組織的液態擴散。隨著含水量的增加，有效水分擴散系數逐漸趨于恒值，這表明在高相對濕度條件下，餅干結構對有效水分擴散系數影響不大。

脂肪含量不同的3種餅干的有效水分擴散系數隨含水量增加的變化趨勢如圖5。3種餅干有效水分擴散系數的變化趨勢大致相同，而脂肪含量的增加會降低餅干的有效水分擴散系數。值得注意的是，脂肪的加入同樣會改變餅干的孔隙結構，隨著脂肪含量的增加，餅干孔隙率也出現略微下降。圖6為4種餅干的電鏡掃描圖片，可以看出脂肪含量增加對餅干結構的改變。但孔隙率大致相同的餅干，脂肪含量增加會顯著降低餅干的有效水分擴散系數，脂肪含量為8.2%和15.6%的餅干的最大有效水分擴散系數分別為3.5×10-10m2/s和2.3×10-10m2/s，而不含脂肪的餅干最大分擴散系數為5.6×10-10m2/s。由此可見，脂肪的加入會增加餅干組織的曲折程度，脂肪的疏水作用也會影響到水分在組織內部的擴散速度。

圖5 三種脂肪含量餅干有效水分擴散系數隨水分含量的變化趨勢Fig.5 Effective moisture diffusivity as a function of moisture content with different fat content

圖6 餅干內部結構的電鏡掃描效果Fig.6 Internal structure of different biscuits observed by SEM

4 結論

發酵餅干的水分吸附特性受到內部結構和脂肪含量的影響。從餅干的等溫吸濕曲線來看，孔隙率對餅干的平衡水分含量沒有明顯影響，而脂肪含量則會明顯降低餅干的平衡水分含量，由于脂肪的疏水作用，會導致食品中可吸附水分的基團減少，所以脂肪含量較高會降低餅干的平衡水分含量。餅干的水分吸附數據與GAB模型能夠很好地吻合。餅干的有效水分擴散系數會隨平衡含水量的增加逐漸增大，在平衡水分含量10/100g左右達到最大值，而后開始逐漸下降，最后達到恒值。這和餅干內部水分擴散的機理變化有關，在水分含量較低時，水分擴散是以沿孔隙結構的氣態擴散為主，而隨著含水量的升高，水分擴散變為沿固態組織的液態擴散。餅干的孔隙結構和脂肪含量對有效水分擴散系數產生明顯影響?？紫堵蚀蟮娘灨?，氣態擴散所占的比例較高，所以其有效水分擴散系數較大。脂肪的加入會增加餅干組織的曲折程度，脂肪的疏水作用也會影響到水分在組織內部的擴散速度。

［1］ XIONG Xiao-bin，Narsimhan G，Okos M R.Effect of composition and pore structure on binding energy and effective diffusivity of moisture in porous food［J］.Journal of Food Engineering，1991，15(3):187-208.

［2］ Guillard V，Broyart B，Bonazzi C，et al.Moisture diffusivity in sponge cake as related to porous structure evaluation and moisture content［J］.Journal of Food Science，2003，68(2):555-562.

［3］ Roca E，Broyart B，Guillard V，et al.Controlling moisture transport in a cereal porous product by modification of structural or formulation parameters［J］.Food Research International，2007，40(4):461-469.

［4］ Guillard V，Broyart B，Bonazzi C，et al.Modelling of moisture transfer in a composite food:dynamic water properties in an intermediate a(w)porous product in contact with high a(w)filling［J］.Chemical Engineering Research and Design，2003，81(A9):1 090-1 098.

［5］ Gekas V.Transport phenomena of foods and biological materials［M］.London:CRC Press，1992.

［6］ Waananen K M，Okos M R.Effect of porosity on moisture diffusion during drying of pasta［J］.Journal of Food Engineering，1994，28(2):121-137.

［7］ Roca E，Guillard V，Guilbert S，et al.Moisture migration in a cereal composite food at high water activity:effects of initial porosity and fat content［J］.Journal of Cereal Science，2006，43(2):144-151.

［8］ Saravacos G D，Maroulis Z B.Transport properties of foods［M］.New York:CRC Press，2001.

［9］ Roca E，Guillard V，Guilbert S，et al.Effective moisture diffusivity modelling versus food structure and hygroscopicity［J］.Food Chemistry，2008，106(4):1 428-1 437.

［10］ Kim S S，Kim S Y，Kim D W，et al.Moisture sorption characteristics of composite foods filled with chocolate［J］.Journal of Food Science，1999(64):300-302.

［11］ L A Dobrza?ski，M Musztyfaga，M.Actis Grande et.al.Computer aided determination of porosity in sintered steels［J］.Archives of Materials Science and Engineering，2009，38(2):103-111.

［12］ 肖鑫，陶樂仁，顧茜姣.凍干草莓內部孔隙率的分布及其影響的實驗研究［J］.食品與機械，2007，23(2):66-69.

［13］ Dimitrios Argyropoulos，Rainer Alex，Joachim Müller.E-quilibrium moisture contents of a medicinal herb(Melissa officinalis)and a medicinal mushroom(Lentinula edodes)determined by dynamic vapor sorption［J］.Procedia Food Science，2011(1):165-172.

［14］ Crank J.The Mathematics of Diffusion［M］.New York:Oxford University Press，1975.

［15］ Lewicki P P.The applicability of the GAB model to food water sorption isotherms［J］.International Journal of Food Science ＆ Technology，1997，32(6):553-557.

［16］ Al-Muhtaseb A H，McMinn W A M，Magee T R A.Moisture sorption isotherm characteristics of food products:a review［J］.Food and Bioproducts Processing，2002，80(2):118-128.

［17］ Guillard V，Broyart B，Guilbert S，et al.Moisture diffusivity and transfer modelling in a dry biscuit［J］.Journal of Food Engineering，2004，64(1):81-87.