挂面水分含量测试（挂面干燥过程水分动力学研究进展）

作者：王远，张影全，蒋长兴，张波，郭波莉，魏益民

关键词：挂面；水分动力学；干燥条件；水分状态；水分迁移

摘要：干燥工序是挂面生产的关键工序之一。 干燥过程水分动力学主要涉及内部水分的迁移、转化和汽化机制与规律。干燥过程的科学性、合理性对生产效率、产品质量、干燥能耗等具有显著影响。本文综述了挂面中水分状态、分布，干燥过程水分迁移动力学，分析了蛋白质、淀粉含量及组成、食盐含量、和面工艺、压延工艺、挂面尺寸、干燥工艺及条件等因素对干燥过程水分迁移规律的影响。分析并提出了挂面干燥过程水分动力学理论及应用方面仍存在主要科学和技术问题，以期为挂面干燥工艺设计、工艺控制、装备研发、稳定产品质量提供理论和设计依据。

挂面是由小麦粉、水、食盐或碱，以及其他辅料等，通过和面、醒发、压延、切条、干燥、包装等工序加工制成的干面条产品，是人们喜爱的主要面食之一。干燥工序是挂面生产的关键工序之一，其能耗约占整个挂面生产过程的60%，魏益民等分析认为，通过优化干燥工艺、烘房结构以及干燥过程控制参数，可使挂面产量提高42.91%，生产能耗降低24. 56%，干燥时间缩短12. 50%。挂面干燥主要是内部水分迁移、转化以及汽化脱除的过程。水分含量、状态、分布及其动态变化与挂面的干燥过程、产品质量和干燥能耗密切相关。本文从水分动力学及影响挂面干燥水分迁移规律的因素等方面进行综述，以期为挂面干燥工艺设计、工艺控制、稳定产品质量提供理论依据和设计指导。

1 挂面中水分状态及分布

常用的水分含量及状态测定方法有直接干燥法(烘箱法)、近红外光谱法、低场核磁共振法、差示扫描量热法等。其中，低场核磁共振技术可快速无损测定样品中水分含量、不同结合状态水分的横向弛豫时间、相对含量等。在面团制作，面包制作、老化，以及面条干燥及烹饪过程中的水分状态和变化等研究中得到广泛应用。魏益民等发明了温度、湿度、时间可组合，可程序化控制，功耗、水分状态和含水率可在线检测的 “食品水分分析技术平台” 。该平台可实现物料水分含量、状态、分布、迁移的实时、在线、原位检测，获得高精度的物料水分含量、水分结合状态、质子密度分布随时间的原位动态变化及特征等信息。

前人利用低场核磁共振技术研究发现，挂面中通常存在3种不同结合状态的水，根据面条中水分子与蛋白质、淀粉等物质结合能力的强弱，分别为强结合水、弱结合水和自由水。强结合水的横向弛豫时间(T21 )最小，变化范围为0.03 ~0. 60 ms，通常代表存在于淀粉内部与蛋白质紧密结合的水分，在干燥过程中最难脱除；弱结合水的横向弛豫时间(T22)变化范围为0.96 ~6.75ms，与物料基质结合能力较弱，通常代表存在于淀粉外部和面筋网络内部的水分，在干燥过程中能逐渐被脱除；自由水的横向弛豫时间(T23)变化范围为57.22 ~ 354.54ms，通常代表存在于面筋网络周围以及与淀粉颗粒表面羟基结合的移动性较强的水分子。Wang等研究认为，水分在干燥过程中逐渐从淀粉颗粒内部迁移出去，并与无定形淀粉和面筋网络结合，使得T22下降。干燥初期，面条内部产生了微孔，水分从面条内部通过孔隙通道以水蒸气的形式转移到面条表面，并扩散至空气中，以至于可以检测到A23 峰。面条内部水分含量、结合状态、分布等受原料、加工工艺等因素的共同影响；同时，面制品水分含量及状态也与产品储藏、质量等密切相关。

2 干燥过程水分动力学

水分动力学主要指物料内部微观层面水分相态转变、宏观含水率变化与各种影响条件之间的关系，可通过水分与物料内部结合紧密程度表征水分存在状态；通过不同状态水分含量变化表征其迁移、转化过程；通过宏观含水率表征水分汽化规律。挂面干燥过程水分动力学主要涉及内部水分的迁移、转化和汽化机制与规律。国内学者在干燥过程宏观含水率随时间的变化规律及相关模型拟合等方面取得了一定的进展。武亮等研究发现，挂面干燥速率取决于面条内部和外部环境(干燥介质)之间的水分梯度，即干燥介质的相对湿度，其次是干燥介质的温度。综合分析认为，Page模型能较好的反映挂面干燥过程水分含量随时间的变化规律，如式(1) ~式(3)。

式中：MR为挂面干燥过程含水率/% ；T为热空气的温度/°C；H为热空气的相对湿度/%；t为干燥时间/s。

魏益民等通过干燥过程温度传导、水分运移规律和过程特点的实验数据，验证了挂面干燥过程 “三段论” 可分为预干燥阶段(0~30 min)，主干燥阶段(31~180min或31~240min),最后干燥阶段(181 ~300 min或240 ~ 300 min)。 王振华在前人研究的基础上，将挂面看作虚拟连续介质体，根据质量能量守恒原理，利用挂面温度(Tp)、气体温度(Tₐ)、 挂面干基含水率(M)、湿空气中水分的质量浓度(Y)4个参数，建立了挂面干燥过程的湿热耦合传递数学模型，如式(4) ~式(11)。验证结果表明，该模型的模拟值与实验值吻合较好。利用该模型分析发现，干燥过程中挂面温度升高，最外侧水分先脱除；干燥过程中存在含水率从表面开始降低的梯度界面，界面不断内移，10 min 到达几何中心；水分场的不均匀性持续时间较长，约120 min，而温度场的不均匀性持续时间较短，约20 min。干燥过程中内部水分传递是影响干燥的主要因素。但该模型的实际生产应用效果仍有待进一步验证。 此外，有研究发现挂面含水率与弱结合水横向弛豫时间(T22)呈线性相关(R²≥0.947)。

式中；ε为微元体的孔隙率/%；pₐ为空气的密度/kg/m³ ；Y为湿空气中水分的质量浓度/kg/kg；V为孔容/mL/g；D为水分在空气中的扩散系数分量/m²/s；Ppd 为挂面的绝干密度/kg/m³ ；Ca为湿空气的比热容/J/(kg●K)；Tₐ为气体的温度/K；Tᵣ为参考温度，K；Cw为液态水的比热/J/(kg●K)；Tp为挂面的温度/K；hᵥ 为条件下水的蒸发潜热/kJ/ kg；E为单位质量湿空气所具有的热量/J/kg；h为对流换热系数/W/(m²●K)；pp为不同蛋白质含量挂面密度/kg/m³；Cp为挂面的比热容/J/(kg●K)；kp为挂面的导热系数/W/(m ● K)；MR为水分比/%；M为挂面的干基含水率/kg /kg；Mε 为物料的平衡含水率/kg/kg；Mₒ为物料的初始含水率 /kg /kg；Kd、N为干燥常数；t为时间/s；RH为空气的相对湿度/%。

Yu等利用低场核磁成像技术( MRI)，采用 “油浸法" 从分子水平上揭示了圆形挤压面条干燥过程水分迁移规律。结果表明，干燥过程中，0~ 180 min含水率变化较快，干燥速率较大，180 min之后含水率变化较慢，干燥速率较小。挂面干燥过程中挂面内部含水率梯度的建立是渐进的。在干燥的90min时，挂面内部才建立从中心到边缘的水分梯度。在干燥后期(180 min之后)面条边缘和中心的含水率梯度基本消失，挂面横截面的含水率较均一，并随着干燥过程的进行缓慢下降。干燥过程中，3种结合状态水分横向弛豫时间(T2)均有不断减小的趋势，强结合水相对含量(A21)不断下降，弱结合水相对含量(A22 )不断上升，自由水相对含量(A23)有增大的趋势，但占比较小，大约在2%以下。于晓磊等研究表明，随着干燥过程的进行，强结合水横向弛豫时间(T21)、弱结合水横向弛豫时间(T22)不断减小，A21 有减小的趋势，A22有增大的趋势。

挂面干燥过程水分迁移转化速率取决于面条内部和外部环境之间的水分梯度，并在干燥过程中呈现与干燥时间相符合的阶段性特征。干燥过程中，挂面内部含水率梯度的建立是渐进的。利用Page模型能很好的模拟干燥过程中挂面含水率随时间的变化规律。然而，前人的实验大多采用的是恒温恒湿干燥工艺，与实际生产的干燥工艺参数和条件有一定差异，建立的相关模型在实际生产中的应用效果仍有待进一步验证。关于干燥过程挂面内部不同状态水分迁移转化规律的研究，采用的是间断取样的方式进行分析测定，这对于更好的理解和揭示挂面干燥过程不同状态水分迁移转化规律具有一定的局限性。

3 影响挂面干燥水分迁移规律的因素

3.1 蛋白质/淀粉含量及组成

3.1.1 蛋白质含量及组成

面筋蛋白是小麦蛋白质中最重要的组分，主要由麦谷蛋白和醇溶蛋白组成，在加工过程中与水作用，逐渐聚集形成一定的网络结构 ，决定着小麦面团的延伸性和弹性，并最终影响产品质量。小麦蛋白质，尤其是面筋蛋白的数量和质量与面条加工过程及产品质量密切相关。面条制品在干燥过程中面筋蛋白之间会形成二硫键，促进单体蛋白聚集形成大分子蛋白聚集物。

Wang等研究了不同配比谷朊粉/小麦淀粉(8.2% ~20.2% )制备的挂面干燥过程水分迁移规律。结果表明，在鲜面中，谷朊粉含量对A21 A23影响不大，对A22影响显著。T22随谷朊粉和含水率的增加而增加；在干燥过程中，随着谷朊粉含量升高，水分迁移速率逐渐降低，谷朊粉质量分数为8.2%时，面条干燥过程中有效水分扩散系数最大，为12. 763 4x10㆒⁹m²/s；谷朊粉质量分数为20.2%时，有效水分扩散系数仅为10. 00x10㆒⁹m²/s左右。面筋蛋白形成的网络结构能阻碍水分的迁移。此外，通过增加小麦粉中麦谷蛋白/醇溶蛋白比例(1.3~1.7)，能降低冷冻熟面中可冻结水含量，减少了冻藏过程中冰晶对面筋网络结构的破坏作用，稳定产品质量。

3.1.2 淀粉含量及组成

淀粉在挂面中所占比例最大,具有缓解面筋强度，填补面筋网络孔隙的作用。淀粉含量过高，面筋网络结构不能充分展开，不能压延形成光滑的面带，面条也容易断裂。在小麦粉中淀粉以颗粒状存在，根据颗粒大小分为A型和B型。A型和B型淀粉颗粒表面的孔隙(0.1 ~0.3 μm)和通道(0.07 ~0.1 μm)分布不同。A型颗粒显示出较大的孔，主要来自赤道凹槽区域和其他区域的细小通道；B型颗粒则主要具有较大的，边界不明的，孔洞状的通道，这些通道被蛋白质堵塞。淀粉颗粒表面的孔原和通道可使得水直接进人颗粒内部。

魏益民等认为，弱结合水是存在于淀粉内部与淀粉羟基质子结合的水分，该部分水分可从淀粉内部迁移出来并与面筋网络及无定型淀粉的CH质子结合，内部剩余水分与小麦粉其他基质结合更加紧密，难以脱除。在鲜面条中淀粉与水的结合能力强于蛋白质。在小麦淀粉/面筋蛋白(00% )粉末混合体系及挤压样品中，则表现为淀粉含量越高，样品失水速率越高。在失水的过程中，样品中水分与非水成分的结合形式影响水分迁出的速率，结合水失水速率的变化率低于自由水。Li等认为在淀粉和谷朊粉混合体系中，谷蛋白可能通过界面上氢键与淀粉结合形成聚合物，有效阻碍分子的移动；干燥时，淀粉对水分的敏感性弱于蛋白质。

3.2 食盐

和面过程中加人食盐有助于小麦粉均匀吸水；在面团搅拌时，麦谷蛋白形成较为完善的网络结构，包裹醇溶蛋白和淀粉，增加面筋劲力和延展性，改善面条的加工特性和食用品质。食盐溶于水后能加大面粉吸水速率，氯离子和钠离子分布在蛋白质周围，具有固定水分、保湿作用。

Zhang等研究发现，在相同的煮制条件下，随着食盐浓度增加，面条内结合水含量升高，自由水含量降低。Chen 等研究了不同食盐质量分数(0%~13%)对挂面干燥特性的影响，结果表明挂面干燥速率随着食盐含量的增加而减小。食盐降低挂面干燥速率的可能原因：一是食盐的保湿作用：二是食盐能促进面团面筋网络结构形成，从而阻碍水分迁移。

3.3 加工工艺

3.3.1 和面工艺

和面是挂面加工过程中的第-道工序。 小麦粉与水混合均匀，经适当搅拌形成均匀的面絮。和面方式及和面时间均影响面絮中水分结合状态、面片中水分分布。普通和面、手工和面、真空和面3种和面方式中，真空和面能使得面团形成均匀致密的蛋白质网络结构，淀粉颗粒紧密镶嵌其中，促进水分与淀粉、蛋白质等物质结合，显著增加面条中强结合水比例。也有研究发现，和面加水量影响挂面干燥过程中T2、A2，干燥速率随初始面絮含水量提高而升高。

3.3.2 压延工艺

压延比及压延方式对面团微观结构及水分分布有显著影响。Song等研究发现，面片越薄，压延过程中到达面片内的机械力越强，使GMP聚合物分解成更小分子量的蛋白质并通过形成二硫键重新聚合，形成致密的面筋网络结构，从而降低鲜面中水分子的流动性。采用45° 和90° 折叠延压的方式有助于面筋向各方向充分均匀展开；通过控制压延次数有助于面团内部自由水向强结合水转变，增加水分与面团结合强度。此外，压延过程中，采用折叠和变换压延方向两种工艺相结合的方式能增加面团黏弹性，增加面团内部深层结合水比例，降低自由水流动性。

3.3.3 挂面尺寸

切条是利用切面刀将不同厚度的面片按照生产要求切成不同尺寸的湿面条，然后上架进行干燥。武亮等研究了烘房内介质干燥条件对厚度相同，宽度不同(1、2 3 mm)挂面脱水速率的影响。结果表明，相同干燥条件下，挂面产品水分含量无显著差异。Yu等将4 mm挤压面条干燥前300 min脱水数据通过Page模型拟合发现，挤压面条与压延面条干燥曲线一致。Shi 等研究发现，不同燕麦粉含量新鲜面条厚度显著影响面片中A21 A22。

3.3.4 干燥 工艺

温度、相对湿度、风速是干燥工艺中的主要控制条件，也是影响挂面干燥脱水速率、产品质量的重要因素。王杰等通过分析挂面产品水分含量、色泽及抗弯强度与干燥工艺参数的关系，认为烘房一区温度和四区相对湿度是挂面干燥工艺关键控制点。而挂面干燥过程中，隧道式烘房内气流分布存在不均匀现象，风速在4个干燥区段对温度和相对湿度的影响方向和大小有所不同，风速、温度、相对湿度在各干燥区段之间存在显著性差异。

温度是影响挂面干燥过程的重要因素，也是生产中较容易控制和调节的因素。合理的干燥温度不仅能够促进面条水分蒸发、提高面条品质，而且能缩短干燥时间，降低生产成本。魏益民等研究了恒温恒湿干燥条件下，不同温度、相对湿度组合条件下挂面干燥特性规律变化。结果表明，相对湿度相同条件下，50°C条件下挂面干燥速率最高，挂面最终含水率最低，干燥速率曲线呈现明显的三段式特征(先升高，后降低，并逐渐趋于0)。

魏益民等研究发现，就整体干燥过程而言，相对湿度对挂面干燥速率影响大于温度。相对湿度对干燥脱水量的影响大于温度和风速。在高温(60~80 °C)、高湿(75% ~85% )干燥条件下，精准控制相对湿度至关重要。在没有控制相对湿度条件下，通过采用增加空气流速、温度的方式缩短干燥时间会使得干白盐面条产品产生干燥裂纹，影响产品质量。

烘房内空气既是热载体，又是湿载体，通风及空气对流对温度和相对湿度影响显著，直接影响烘房内温度及湿度的均匀性，进而影响挂面干燥特性及产品质量。目前国内挂面生产企业通常是根据经验，通过调节烘房内风扇的开或关、以及风扇安装位置等措施控制烘房内空气流速和流向。杨夫光等现场测试发现，隧道式两排挂面烘房空气流速均值为0.82 m/s(上、中、下部分空气流速均值分别为1.00、0.80、0. 60 m/s)时，可实现烘房内温湿度分布均匀，有助于挂面干燥。也有研究表明乌冬面表观水分扩散系数与空气流速呈正相关关系，初始干燥阶段与主干燥阶段均存在干燥速率临界点(2.0、1.0 m/s)，超过该点干燥速率不再增加。

小麦粉物质组成产品配方、加工工艺、干燥工艺参数等均会对挂面干燥过程水分动力学产生一定的影响，并最终影响产品质量。然而，对于不同配方、加工工艺等对挂面干燥过程水分状态迁移、转化，以及其与产品质量形成机制等研究还有待深化。

4 小结与展望

挂面中通常存在3种不同结合状态的水。干燥过程中，挂面内部不同结合状态水分相互转化，不同状态水分变化趋势不尽一致。干燥过程挂面内部含水率梯度的建立是渐进的，利用 Page 模型能很好的模拟干燥过程中挂面含水率随时间的变化规律。原料组成、产品配方、加工工艺等均会对面条内部水分结合状态分布以及干燥过程迁移动力学产生一定的影响，并最终影响产品质量。

挂面干燥过程水分动力学主要涉及内部水分的迁移、转化、汽化规律及机制，这一过程的科学合理性对生产效率、产品质量、干燥能耗等具有显著影响。干燥过程水分动力学受到小麦粉物质组成、产品配方、加工工艺、干燥工艺参数等共同影响。关于挂面干燥工艺、干燥动力学等问题，逐渐被国内学者、生产者、设备制造商所重视，主要研究集中在干燥工艺参数(温度、相对湿度、风速等)对挂面干燥特性、产品质量的影响方面，其结果用于指导干燥工艺参数设计和干燥工艺控制，并在生产上发挥了一定的作用。

挂面干燥过程水分动力学及应用方面仍存在有待进一步研究或探讨问题：1)干燥过程不同结合状态水实时动态分布、迁移、转化规律与机制，及其对挂面质量形成的影响机理，仍需要进一步梳理，做系统深人地阐述；2)干燥过程水分迁移介导蛋白聚集体网络结构和形貌变化，进而对产品食用品质的作用机制，尚需进一步深人研究；3)实验室研建的干燥动力学模型，仍有待于在生产中的进一步确证，以及开发与之相对应的挂面智能化干燥控制技术和装备；4)随着 “碳达峰” “碳中和” 等国家战略的不断深人，开发绿色能源，开发节能干燥技术与装备正逐渐成为行业发展的主要诉求，而系统揭示挂面干燥过程水分动力学理论及相应的分析和控制方法，可以为新型干燥技术与装备研发提供参考。