基于相對濕度的小麥淀粉/谷朊粉混合粉失水速率的調控

鞏艷菲，張影全，張 波，郭波莉，魏益民

（中國農業科學院農產品加工研究所/ 農業農村部農產品加工重點實驗室 北京 100193）

干燥是糧食制品常見的加工工序，如干燥后，掛面或粉條的含水率降至14%，延長了貨架期。然而，干燥工藝參數導致不合適的失水速率會造成谷物制品嚴重形變，甚至結構破壞，如面條的劈條、酥條等質量問題[1-4]。研究干燥失水速率調控機制對于谷物制品的質量管理具有重要的意義。

干燥的本質是制品中的水從部分結合狀態轉化為自由狀態，自由狀態的水轉化為水蒸氣，從制品中遷移至環境的過程；對制品而言是失水的過程，可以用失水速率表征其快、慢[5]。干燥過程或失水速率受制品成分、環境溫度、相對濕度等影響。制品成分主要通過其與水的結合特性影響失水速率。Gong 等[6]對不同配比的小麥淀粉/谷朊粉的吸濕解吸過程進行研究，發現25 ℃時，淀粉和水的結合能高于谷朊粉。溫度對失水速率的影響方面研究較多。魏益民等[7]、武亮等[8]、屈展平等[9]研究了溫度對掛面干燥過程的水分遷移的影響，發現溫度越高，干燥速率越高，水分擴散越快。對稻谷[10]、圣女果[11]等不同特性物料干燥，同樣發現，溫度越高，樣品的干燥速率越大。

相對濕度對水分遷移有重要影響。Inazu 等[12]用不同的相對濕度處理烏冬面，發現相對濕度越高，樣品的平均水分擴散系數越低。Kashaninejad等[13]研究了開心果在不同濕度和不同溫度作用下的干燥動力學，發現5%和25%的相對濕度對研究對象的干燥動力學和有效水分擴散系數有較小影響。尹麗妍等[14]、楊春輝[15]、武洪博等[16]及吳文福等[17]利用樣品與環境的水勢理論分析，分別研究玉米低溫真空干燥、玉米熱風真空干燥、真空干燥花生種子及糧倉的通風管理和水分遷移等方面，認為失水速率與樣品的水分活度與其所處的環境相對濕度之間的差值有關。

糧食制品的主要成分為淀粉和蛋白質，如小麥面條中約占70%的淀粉和11%的蛋白質。鑒于小麥面制品中淀粉和蛋白質分離方法相對成熟[18]，因此以小麥面條中分離得到的粉狀小麥淀粉和谷朊粉為模式試驗材料，同時為了聚焦驗證相對濕度對失水速率調控的可行性，以及避免制品制作工藝的影響，試驗樣品定為淀粉和蛋白質相互作用相對簡單的混合粉。以相對濕度的不同變化速率，構建樣品水分活度與相對濕度差值的梯度物理模型，研究淀粉/谷朊粉混合粉的失水速率，旨在明確水分活度與相對濕度差值對小麥淀粉/谷朊粉混合粉失水速率的影響規律，為調控小麥淀粉/谷朊粉基制品，乃至糧食制品干燥過程質量控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

采用同一批寧春4 號小麥品種，河北金沙河面業集團有限責任公司提供。淀粉及谷朊粉樣品，中國農業科學院農產品加工研究所制備。蒸餾水，中國農業大學西校區提供。

MLU220 型實驗磨，中國布勒機械制造有限公司；DHG-9123A 型電熱恒溫鼓風干燥箱，中國精宏實驗設備有限公司；LGJ-25C 型真空冷凍干燥機，北京四環起航科技有限公司；ZM200 型冷凍研磨儀，德國Retsch 公司；BLC-250-111 型恒溫恒濕箱，北京陸?？萍加邢薰?；Aqualab VSA 型水分吸附儀，美國METER Group 公司。

1.2 樣品制備

試驗選用適合制作中國白鹽干面條的小麥品種寧春4 號，磨粉，出粉率為70%。參照馬丁法[18]分離制備富淀粉組分（簡稱淀粉）和富蛋白質組分（簡稱谷朊粉）。具體如下：將小麥面粉與水混合形成面團，將面團在水中不斷揉捏，分離為淀粉分散液和不溶性的谷朊粉。淀粉分散液離心后將沉淀真空冷凍干燥，冷凍研磨后全部過100 目粉篩，得到粉狀淀粉。將谷朊粉凍干后冷凍研磨過100 目粉篩得到粉狀谷朊粉。粉狀淀粉和谷朊粉封口袋包裝，4 ℃保存備用。

為了全面了解相對濕度對不同淀粉含量樣品失水速率的影響規律，故設計淀粉∶谷朊粉質量比分別為100∶0，90∶10，50∶50，25∶75，0∶100。將粉狀的淀粉和谷朊粉在自封袋中手動混合3 min 制得小麥淀粉/谷朊粉混合粉。隨著淀粉含量的降低，混合粉的初始水分含量分別為11.96%，10.96%，7.57%，5.99%和3.45%。

混合粉采用恒溫、恒濕箱平衡使其含水率增加，以便后續的失水試驗。具體為：取適量（約30 g）的混合粉平鋪于培養皿中，設定恒溫、恒濕箱的溫度為25 ℃，相對濕度95%，每隔1 h 稱重樣品，直至樣品的質量基本不變，此時樣品處于完全吸濕的狀態。完全吸濕后的樣品一部分用于水分活度與相對濕度差處理下的失水速率的測定，另一部分用于測定樣品的水分含量確定樣品的失水前初始含水率。

1.3 水分活度與相對濕度差值梯度物理模型的建立

采用不同變化速率的相對濕度，構建樣品水分活度與相對濕度差值的梯度物理模型?？紤]到失水后含水率降至14%時水分活度大約為0.44，即樣品水分活度與相對濕度差值的范圍為0～0.44，故設計樣品水分活度與相對濕度差值初始值約為0.22。理論上，水分活度與相對濕度差值越大，失水速率越大。

1.3.1 （水分活度-相對濕度）差值逐漸減小模型

根據樣品的初始水分活度，設定相對濕度值，使水分活度與相對濕度的差值約為22 個百分點，溫度25 ℃。在0，30，60，90，120，180 min 6 個點對樣品的水分活度進行測定并記錄。由于樣品不斷失水，其水分活度逐漸降低，環境相對濕度保持不變，二者差值逐漸降低。按百分數計算，該模型記為（aw-RH）22%→2%。

以（aw-RH）22%→2%為例說明操作過程：1）取適量小麥淀粉/谷朊粉混合粉樣品放入水分吸附儀中，檢測物料的初始水分活度。2）將水分吸附儀設為等溫吸濕解吸濕（DDI）模式，溫度為25℃，步幅變化為0.01 aw，空氣流速設定為100 mL/min，初始相對濕度為65%。水分從樣品遷移至環境中。3）30 min 后，修改水分吸附儀至測定水分活度模式，檢測并記錄樣品水分活度。4）根據樣品水分活度調節相對濕度。5）重復第3 步和第4 步至180 min，或至樣品水分含量低于13%。當環境相對濕度與樣品水分活度差值為逐漸降低及基本不變兩種模型時，失水時間到180 min 時，樣品含水率低于13%，共采集6 個點；環境相對濕度和樣品水分活度差值為逐漸增加模型時，樣品失水速率較快，失水時間到120 min 時，樣品含水率就低于13%，故共采集了5 個點。

1.3.2 （水分活度-相對濕度）差值基本不變模型

根據0，30，60，90，120，180 min 時樣品的水分活度，調節相對濕度，使其與樣品水分活度差值約為22 個百分點，二者差值基本保持不變。該模型記為（aw-RH）22%→22%。

1.3.3 （水分活度-相對濕度）差值逐漸增加模型

根據0，30，60，90，120 min 時樣品的水分活度，使其與樣品水分活度的差值分別為22，25，29，34，37 個百分點，兩者的差值逐漸增加。該模型記為（aw-RH）22%→37%。

1.4 失水速率

失水速率一般用水分變化質量與樣品的初始質量的比值，單位一般是g/g 或kg/kg。為去除樣品的初始質量的影響，本文選用水分變化量與樣品的含水量的比值表示失水速率，單位mg/mg 含水量。

水分吸附儀記錄樣品在失水過程中的時間、質量的變化值，按照式（1）計算樣品的失水速率。

式中，m1和m2為樣品在t1和t2時刻對應的樣品質量，mg；mw1和mw2為樣品在t1和t2時刻的含水量，mg；t1和t2分別為試驗時間，min；V——失水速率，（mg/mg 含水量）/min。

1.5 數據分析

使用SPSS 22 和Excel 2010 進行數據計算和分析，使用Origin Pro 2020b 作圖。

2 結果與分析

2.1 相對濕度對小麥淀粉/谷朊粉混合粉的水分活度的影響

當設置不同的環境相對濕度梯度變化時，各混合粉樣品的水分活度（aw）及環境的相對濕度在180 min 內的變化如圖1 所示。圖1a 為樣品水分活度與環境相對濕度差值逐漸減小模型。環境相對濕度基本保持不變，由于樣品不斷失水，其水分活度逐漸降低，樣品的水分活度與環境的相對濕度的差值逐漸降低。其中100%淀粉含量混合粉的水分活度與環境的相對濕度差值變化范圍為22%至0.9%；90%淀粉含量混合粉的水分活度與環境相對濕度差值的變化范圍為22%至0.4%；類似的，50%，25%及0%淀粉含量粉樣的水分活度與環境相對濕度差值的變化范圍分別為22%至2.2%，22%至0.7%，22%至1.6%。圖1b 所示為環境的相對濕度逐漸降低，且樣品水分活度與相對濕度的差值基本保持在22%左右。圖1c 所示為環境的相對濕度降低的幅度高于樣品的水分活度降低的幅度，100%，90%，50%，25%及0%淀粉含量混合粉的水分活度與環境相對濕度差值的變化范圍分別為22%至37%，22%至37%，22%至31%，22%至37%和22%至37%。

圖1 不同環境相對濕度下小麥淀粉/谷朊粉混合粉的水分活度Fig.1 Water activity of wheat starch/gluten blend powder under different relative humidity of the environment

2.2 水分活度與相對濕度差值對混合粉失水速率的影響

不同淀粉含量的混合粉在不同的水分活度與相對濕度差值下的失水速率變化如圖2 所示。以100%淀粉含量混合粉為例，100%淀粉含量混合粉在不同（水分活度-相對濕度）差值下的失水速率的變化如圖2a 所示。當水分活度與相對濕度的差值由22%逐漸降低到0.9%時，失水速率由5.26×10-3[（mg/mg 含水量）/min] 逐漸降低到0.24×10-3[（mg/mg 含水量）/min]。當水分活度與相對濕度差值維持在22%基本不變時，樣品的失水速率在5.44×10-3[（mg/mg 含水量）/min]到6.20×10-3[（mg/mg 含水量）/min]之間波動，沒有明顯的變化規律。當水分活度與相對濕度差值由22%逐漸升高到37%時，失水速率由5.84×10-3[（mg/mg 含水量）/min]逐漸增加到12.07×10-3[（mg/mg 含水量）/min]。90%，50%，25%和0%淀粉含量混合樣失水速率隨（aw-RH）變化趨勢類似，即當水分活度與相對濕度差值逐漸降低時，樣品的失水速率逐漸降低，當水分活度與相對濕度差值基本不變時，樣品的失水速率波動變化，而水分活度與相對濕度差值逐漸增加時，樣品的失水速率總體上逐漸增加。

圖2 混合粉在不同水分活度與相對濕度差值下的失水速率Fig.2 The water loss rate of blend powders under different（water activity-relative humidity）value

2.3 小麥淀粉/谷朊粉混合粉的平均失水速率

不同淀粉含量小麥淀粉/谷朊粉混合粉在水分活度與相對濕度差值條件下的失水參數如表1所示。不同淀粉含量樣品在95%的相對濕度平衡后的初始含水率略有差別，分別為24%，24%，24%，23%和25%。由于失水速率的差異，樣品的最終水分活度，乃至相對濕度和水分活度的終點差值也不同。

表1 小麥淀粉/谷朊粉混合粉的平均失水速率參數Table 1 The parameters of the average water loss rate of wheat starch/gluten blend powder

3 組樣品水分活度與環境相對濕度的差值模型對小麥淀粉/谷朊粉混合粉的失水速率有極顯著影響（P<0.01）。除淀粉含量為50%的樣品外，其余樣品初始含水率至13%含水率所用的時間從長到短排序，均為差值逐漸降低，所有混合粉在3 組樣品水分活度與環境相對濕度的差值模型的平均失水速率分別為3.11×10-3，5.86×10-3，6.91×10-3[（mg/mg 含水量）/min]。表明樣品的水分活度與相對濕度的差值越大，樣品的失水速率越大。

淀粉含量對樣品的失水速率有顯著影響（P<0.05）。淀粉含量為100%，90%，50%，25%和0%的混合粉在3 種模型的平均失水速率分別為4.64×10-3，4.77×10-3，5.98×10-3，5.31×10-3，5.79×10-3[（mg/mg 含水量）/min]，整體呈現增加趨勢。

3 討論

理論上分析，樣品水分活度與環境相對濕度的差值是樣品中水遷移到環境中的動力。一定范圍內相對濕度降低，樣品水分活度與其的差值增大，水分遷移速率增大，當遷移量相同時，所用時間越短。該理論與李娟等[19]、朱丹實等[20]在高相對濕度下儲存菠菜和葡萄時，樣品的水分遷移會降低一致。本文研究結果顯示，在（水分活度-相對濕度）差值逐漸降低[（aw-RH）22%→2%]、基本不變[（aw-RH）22%→22%]和逐漸增加[（aw-RH）22%→37%]3 種模型處理下，淀粉含量為100%，90%，50%，25%和0%樣品的平均失水速率均呈現逐漸增高，所用失水時間漸漸縮短。這與巨浩羽等[21]研究結果類似。僅當樣品淀粉含量為50%時，表現為差值恒定模型處理時失水速率最大，差值增加模型處理的失水速率則處于中間值，而兩者的平均失水速率相差不大。

此外，樣品的組成及結構影響其與水分的結合情況，自由水與弱結合水易遷移出樣品，而強結合水則不易遷移出樣品[22]。當水分含量相同時，淀粉與水分的結合能高于谷朊粉與水分的結合能[23]。在去除相同的水分時，淀粉需要更多的驅動力，因此淀粉的失水速率低于谷朊粉，并且在相同的水分活度與相對濕度梯度變化處理下，隨著淀粉含量的降低，混合粉的失水速率將增加。

4 結論

小麥淀粉/谷朊粉混合粉的失水速率受樣品水分活度與環境相對濕度的差值以及淀粉含量（或谷朊粉）含量的影響。在樣品水分活度與環境相對濕度差值逐漸降低模型[（aw-RH）22%→2%]、基本不變模型[（aw-RH）22%→22%]和逐漸增加模型[（aw-RH）22%→37%]處理下，樣品遷移相同的含水量，所需要的時間逐漸減少，樣品的平均失水速率逐漸增加。相同樣品水分活度與環境相對濕度差值模型下，淀粉的平均失水率低于谷朊粉，隨著混合粉中淀粉含量增加，或谷朊粉含量降低，混合粉的平均失水速率總體呈現下降趨勢。

致謝

任傳順博士制備小麥淀粉和谷朊粉；METER儀器公司張俊剛先生提供水分吸附儀。