GBX eFAst Lab水分活度仪在压制杏鲍菇菌丝体真空干燥理化特性

印度理工学院克勒格布尔分校农业与食品工程系的Shubham Mandliya团队在《Journal of Food Process Engineering》上发表了题为“Modeling of vacuum drying of pressed mycelium (Pleurotus eryngii) and its microstructure and physicochemical properties"的研究论文。该研究以杏鲍菇（Pleurotus eryngii）菌丝体为对象，考察了压榨预处理对真空干燥行为的影响，建立了薄层干燥数学模型，并分析了干燥条件对微观结构和理化性质的作用。

摘要

菌丝体是真菌的营养部分，可生长并形成子实体，即蘑菇。杏鲍菇菌丝体营养丰富，但因水分含量高而容易腐败，需要对其进行干燥以便后续应用。对新鲜菌丝体施以3至5 kN的力进行压榨处理20至50秒，观察其对干燥时间的影响。压榨后的菌丝体在不同温度（40–60°C）和压力（60–260 mmHg）条件下进行真空干燥。将干燥数据与10种薄层干燥模型进行拟合，并采用赤池信息准则选择最佳模型。计算了褐变指数、水分活度、水吸收指数、水溶性指数和流动性等理化性质。研究发现，在5 kN条件下压榨30秒可将水分含量从89%（湿基）降至52%（湿基），干燥时间缩短48%–50%。干燥曲线显示，在较高真空度和温度条件下干燥时间更短。干燥模型拟合结果表明，Page、Wang and Singh、Verma以及Midilli模型拟合效果较好（R² > 0.9867，RMSE < 0.0514，SSE < 0.0112）。赤池信息准则显示，Midilli模型在七种条件下与干燥数据吻合良好（赤池增量为0）。在60°C和60 mmHg条件下干燥的菌丝体具有较低的水分活度（0.215 ± 0.004）和褐变指数（28.946 ± 0.066），以及最高的水吸收指数（5.365 ± 0.046 g/g）。真空干燥条件对干燥菌丝体的流动性没有影响（p < 0.05）。

实验材料与仪器

实验材料

新鲜杏鲍菇菌丝体

实验仪器

压缩试验机、真空干燥箱、色差计、 GBX eFAst Lab水分活度仪、光学显微镜、扫描电子显微镜、离心机、鼓风干燥箱

GBX eFAst Lab水分活度仪

实验过程

压榨处理：取50 g新鲜菌丝体样品，在3–5 kN负载范围内压榨20–50秒，以优化最佳压榨条件。样品置于穿孔圆筒中，由压榨机施压。从孔中挤出的水收集在底部托盘内。在45°C和450 mmHg条件下观察压榨对杏鲍菇菌丝体干燥行为的影响，以分析干燥时间的缩短情况。

（a）压缩机与（b）真空干燥器示意图

真空干燥实验：在实验室规模真空干燥箱中进行干燥实验。远红外辐射达到设定温度后，将菌丝体样品均匀铺展在培养皿上（厚度5 mm），在常压下装入干燥箱。随后开启真空泵，将干燥腔室内空气排出以达到目标真空条件。干燥实验在三个温度水平（40、50和60°C）和三个压力水平（260、160和60 mmHg）下进行。每30分钟记录一次水分损失，分析干燥速率和水分比。干燥过程持续至压榨菌丝体样品的水分含量达到10%（干基）为止。

数学建模：记录各干燥条件下的水分含量，通过水分比绘制特征干燥曲线。采用10种经验模型对真空干燥条件下获得的数据进行拟合。以决定系数、均方根误差和误差平方和作为评价拟合优度的指标，要求具有高R²和低RMSE、SSE。对Page、Wang and Singh、Midilli和Verma等模型的MR_exp,i与MR_pre,i值进行对比验证。 

有效水分扩散系数与活化能：根据Fick第二扩散定律确定有效扩散系数。将菌丝体形状视为无限大平板进行处理。将ln(MR)对t_d作图后，利用斜率求得D_eff值。采用Arrhenius方程描述D_eff对温度的依赖性，通过ln(D_eff)对1/T作图所得斜率计算活化能。

品质属性评价：采用色差计测量干燥和新鲜菌丝体样品的颜色，计算褐变指数。在27°C下使用GBX eFAst Lab水分活度仪分析新鲜和干燥样品的水分活度。通过测定水溶性指数和水吸收指数评价干燥粉末的功能特性。采用堆积密度和振实密度计算Hausner比和Carr指数，以评价粉末的流动性和内聚性。使用光学显微镜分析新鲜和压榨样品的表面微观结构变化，扫描电子显微镜用于观察干燥菌丝体粉末的表面形貌。

GBX eFAst Lab水分活度仪

统计分析：采用Tukey检验进行方差分析，在95%置信区间内分析数据并评价显著性。使用Minitab 17.0统计软件进行数据分析。干燥数据的回归分析及R²和RMSE的计算在MATLAB 2019a中完成。采用校正后的赤池信息准则进行模型选择，以Δi ≤ 2作为模型具有实质支持的依据。

(a) 在30秒时压力对含水率的影响；(b) 在5 kN时时间对含水率的影响；(c) 在45°C和450 mmHg条件下压榨对菌丝体干燥行为的影响；(d) 新鲜与压榨菌丝体的光学显微镜观察。在同一图表中，柱状图末端字母不同表示经Tukey检验差异显著（p < 0.05）。

结论

新鲜菌丝体在3–5 kN力下压榨20–50秒，发现5 kN力下压榨30秒可获得最佳水分含量（52 ± 2%湿基）。优化条件下的压榨可去除约6 g水/g干物质，使干燥时间缩短48%–50%。薄层模型拟合表明Page、Wang and Singh、Verma和Midilli模型拟合良好。基于Akaike信息准则，Midilli模型在七个条件下AICc最小，为描述压榨菌丝体真空干燥行为的最佳模型。在60°C和60 mmHg条件下，有效扩散系数和活化能达到优值，褐变指数和水分活度低，水吸收指数最高。真空干燥条件对Carr指数和Hausner比未见影响（p ≥ 0.05）。扫描电子显微镜图像显示真空干燥导致收缩，纤维结构被破坏，干燥菌丝体孔隙率降低。在60°C和60 mmHg条件下干燥的杏鲍菇菌丝体具有最佳性质，且时间和成本较低，可用于开发肉类替代品和功能性食品。

参考文献

[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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