GBX eFAst Lab水分活度儀在壓制杏鮑菇菌絲體真空干燥理化特性

印度理工學院克勒格布爾分校農(nóng)業(yè)與食品工程系的Shubham Mandliya團隊在《Journal of Food Process Engineering》上發(fā)表了題為“Modeling of vacuum drying of pressed mycelium (Pleurotus eryngii) and its microstructure and physicochemical properties"的研究論文。該研究以杏鮑菇（Pleurotus eryngii）菌絲體為對象，考察了壓榨預處理對真空干燥行為的影響，建立了薄層干燥數(shù)學模型，并分析了干燥條件對微觀結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的作用。

摘要

菌絲體是真菌的營養(yǎng)部分，可生長并形成子實體，即蘑菇。杏鮑菇菌絲體營養(yǎng)豐富，但因水分含量高而容易腐敗，需要對其進行干燥以便后續(xù)應用。對新鮮菌絲體施以3至5 kN的力進行壓榨處理20至50秒，觀察其對干燥時間的影響。壓榨后的菌絲體在不同溫度（40–60°C）和壓力（60–260 mmHg）條件下進行真空干燥。將干燥數(shù)據(jù)與10種薄層干燥模型進行擬合，并采用赤池信息準則選擇最佳模型。計算了褐變指數(shù)、水分活度、水吸收指數(shù)、水溶性指數(shù)和流動性等理化性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，在5 kN條件下壓榨30秒可將水分含量從89%（濕基）降至52%（濕基），干燥時間縮短48%–50%。干燥曲線顯示，在較高真空度和溫度條件下干燥時間更短。干燥模型擬合結(jié)果表明，Page、Wang and Singh、Verma以及Midilli模型擬合效果較好（R2 > 0.9867，RMSE < 0.0514，SSE < 0.0112）。赤池信息準則顯示，Midilli模型在七種條件下與干燥數(shù)據(jù)吻合良好（赤池增量為0）。在60°C和60 mmHg條件下干燥的菌絲體具有較低的水分活度（0.215 ± 0.004）和褐變指數(shù)（28.946 ± 0.066），以及最高的水吸收指數(shù)（5.365 ± 0.046 g/g）。真空干燥條件對干燥菌絲體的流動性沒有影響（p < 0.05）。

實驗材料與儀器

實驗材料

新鮮杏鮑菇菌絲體

實驗儀器

壓縮試驗機、真空干燥箱、色差計、 GBX eFAst Lab水分活度儀、光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、離心機、鼓風干燥箱

GBX eFAst Lab水分活度儀

實驗過程

壓榨處理：取50 g新鮮菌絲體樣品，在3–5 kN負載范圍內(nèi)壓榨20–50秒，以優(yōu)化最佳壓榨條件。樣品置于穿孔圓筒中，由壓榨機施壓。從孔中擠出的水收集在底部托盤內(nèi)。在45°C和450 mmHg條件下觀察壓榨對杏鮑菇菌絲體干燥行為的影響，以分析干燥時間的縮短情況。

（a）壓縮機與（b）真空干燥器示意圖

真空干燥實驗：在實驗室規(guī)模真空干燥箱中進行干燥實驗。遠紅外輻射達到設定溫度后，將菌絲體樣品均勻鋪展在培養(yǎng)皿上（厚度5 mm），在常壓下裝入干燥箱。隨后開啟真空泵，將干燥腔室內(nèi)空氣排出以達到目標真空條件。干燥實驗在三個溫度水平（40、50和60°C）和三個壓力水平（260、160和60 mmHg）下進行。每30分鐘記錄一次水分損失，分析干燥速率和水分比。干燥過程持續(xù)至壓榨菌絲體樣品的水分含量達到10%（干基）為止。

數(shù)學建模：記錄各干燥條件下的水分含量，通過水分比繪制特征干燥曲線。采用10種經(jīng)驗模型對真空干燥條件下獲得的數(shù)據(jù)進行擬合。以決定系數(shù)、均方根誤差和誤差平方和作為評價擬合優(yōu)度的指標，要求具有高R2和低RMSE、SSE。對Page、Wang and Singh、Midilli和Verma等模型的MR_exp,i與MR_pre,i值進行對比驗證。 

有效水分擴散系數(shù)與活化能：根據(jù)Fick第二擴散定律確定有效擴散系數(shù)。將菌絲體形狀視為無限大平板進行處理。將ln(MR)對t_d作圖后，利用斜率求得D_eff值。采用Arrhenius方程描述D_eff對溫度的依賴性，通過ln(D_eff)對1/T作圖所得斜率計算活化能。

品質(zhì)屬性評價：采用色差計測量干燥和新鮮菌絲體樣品的顏色，計算褐變指數(shù)。在27°C下使用GBX eFAst Lab水分活度儀分析新鮮和干燥樣品的水分活度。通過測定水溶性指數(shù)和水吸收指數(shù)評價干燥粉末的功能特性。采用堆積密度和振實密度計算Hausner比和Carr指數(shù)，以評價粉末的流動性和內(nèi)聚性。使用光學顯微鏡分析新鮮和壓榨樣品的表面微觀結(jié)構(gòu)變化，掃描電子顯微鏡用于觀察干燥菌絲體粉末的表面形貌。

GBX eFAst Lab水分活度儀

統(tǒng)計分析：采用Tukey檢驗進行方差分析，在95%置信區(qū)間內(nèi)分析數(shù)據(jù)并評價顯著性。使用Minitab 17.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析。干燥數(shù)據(jù)的回歸分析及R2和RMSE的計算在MATLAB 2019a中完成。采用校正后的赤池信息準則進行模型選擇，以Δi ≤ 2作為模型具有實質(zhì)支持的依據(jù)。

(a) 在30秒時壓力對含水率的影響；(b) 在5 kN時時間對含水率的影響；(c) 在45°C和450 mmHg條件下壓榨對菌絲體干燥行為的影響；(d) 新鮮與壓榨菌絲體的光學顯微鏡觀察。在同一圖表中，柱狀圖末端字母不同表示經(jīng)Tukey檢驗差異顯著（p < 0.05）。

結(jié)論

新鮮菌絲體在3–5 kN力下壓榨20–50秒，發(fā)現(xiàn)5 kN力下壓榨30秒可獲得最佳水分含量（52 ± 2%濕基）。優(yōu)化條件下的壓榨可去除約6 g水/g干物質(zhì)，使干燥時間縮短48%–50%。薄層模型擬合表明Page、Wang and Singh、Verma和Midilli模型擬合良好?；贏kaike信息準則，Midilli模型在七個條件下AICc最小，為描述壓榨菌絲體真空干燥行為的最佳模型。在60°C和60 mmHg條件下，有效擴散系數(shù)和活化能達到優(yōu)值，褐變指數(shù)和水分活度低，水吸收指數(shù)最高。真空干燥條件對Carr指數(shù)和Hausner比未見影響（p ≥ 0.05）。掃描電子顯微鏡圖像顯示真空干燥導致收縮，纖維結(jié)構(gòu)被破壞，干燥菌絲體孔隙率降低。在60°C和60 mmHg條件下干燥的杏鮑菇菌絲體具有最佳性質(zhì)，且時間和成本較低，可用于開發(fā)肉類替代品和功能性食品。

參考文獻

[1] Denny, A., Aisbitt, B., & Lunn, J. (2008). Mycoprotein and health. *British Nutrition Foundation Nutrition Bulletin*, 33(4), 298–310. 

[2] Wu, L., Orikasa, T., Ogawa, Y., & Tagawa, A. (2007). Vacuum drying characteristics of eggplants. *Journal of Food Engineering*, 83(3), 422–429. 

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