基于几何加权法的辣椒热风干燥品质工艺优化

2022-03-26 08:11:49 | 浏览次数：

摘要：为提高热风干燥辣椒的内部品质，以新鲜红朝天椒为原料，研究热风温度、风速和物料鋪放量对辣椒干燥特性的影响，得到干燥曲线和干燥速率曲线，据此确定热风温度、风速和物料铺放量的适宜取值范围。通过响应面分析法的Box-Behnken中心组合试验设计方法，以热风温度、物料铺放量和风速为试验因素，借助求解多目标规划的几何加权法，以辣椒红素、辣椒碱、二氢辣椒碱含量的综合指标为响应值，建立了以综合指标为响应值的二次回归数学模型。最后利用Design Expert软件分析，确定了热风干燥辣椒的综合指标的最优值为 0.833 105，对应的最优干燥条件为热风温度76.5 ℃，物料铺放量150 g，风速1.58 m/s。同时，此条件下的辣椒红素的含量为59.495 600 3 mg/kg，辣椒碱的含量为2.817 078 103 6 mg/g，二氢辣椒碱的含量为1.843 465 866 mg/g。通过验证试验表明，验证值与预测值接近，优化结果可靠。

关键词：辣椒；热风干燥；响应面分析；优化；几何加权法

中图分类号：TS255 文献标志码：A doi：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2018.09.008

Process Optimization of Hot Air Drying Quality of

Pepper Based on Geometrical Weighting Method

YUAN Tingting1，LI Xueqiong4，*CHEN Hourong1，2，3

（1. Food Science College，Southwest University，Chongqing 400715，China；2. Department of Agriculture Storage Fresh-Keeping Quality and Safety Risk Assessment Laboratory（Chongqing），Chongqing 400715，China；3. National Demonstration Center for Experimen2tal Food Science and Technology Education，Southwest University，Chongqing 400715，China；4. Chongqing Agricaltural Product Quality and Safety Center，Chongqing 400020，China）

Abstract：In order to improve the internal quality of hot air drying pepper，the fresh red pepper as materials was used to study the influence of the air temperature，the volume of material and the wind speed on the drying characteristics of pepper，and the drying curve and drying rate curve were obtained. Accordingly，the suitable range of hot air temperature，wind speed and material paving volume is determined. Then use the Box-Behnken design response surface analytical method and the geometric weighting method for solving multiobjective programming problems，taking hot air temperature，volume of material and wind speed as test factors and aggregative indicator of apsanthin，capsaicin and dihydrocasaicin as the response value to establish a two regression mathematical model with aggregative indicator as response value. Finally，the optimum value of aggregative indicator was 0.833 105，which was determined by Design Expert software. The corresponding optimum drying conditions were temperature 76.5 ℃，volume 150 g，wind speed 1.58 m/s. Under the conditions the content of the capsanthin was 59.495 600 3 mg/kg，the capsaicin was 2.817 078 103 6 mg/g，and the dihydrocasaicin was 1.843 465 866 mg/g. And the confirmatory experiment results showed that the verification value was close to the predicted value，which meant that the optimization results were reliable.

Key words：pepper；hot air drying；response surface methodology；optimization；geometrical weighting method

辣椒是茄科植物辣椒的果實，富含多酚、类胡萝卜素、VC和VE，是一种具有很高营养价值的鲜食蔬果[1]。辣椒中辣椒红素、辣椒碱是干辣椒中重要的品质指标。其中，辣椒红素是一种安全无毒的天然色素，能被人体消化吸收，并在人体内转化为VA[2]；辣椒碱类化合物是辣椒中引起辛辣味的物质，在工农业生产上有重要的应用价值[3]。鲜辣椒保鲜期很短，在采收后2～3 d内极易出现霉变、腐烂等现象，因此辣椒干制是辣椒加工中必不可缺的一部分。辣椒干制过程中由于干燥方法和干燥条件不同，辣椒的内部品质会有较大差异，特别是对辣椒碱、辣椒红素的影响。所以，研究干燥对辣椒碱、辣椒红素的影响，对于提高辣椒的内部品质具有十分重要的意义。目前，国内辣椒干燥技术方面的研究有热风干燥[4]、热泵干燥[1]、微波干燥[4]、红外线干燥[5]等。而热风干燥技术作为目前使用最为普遍的干燥加工技术，在辣椒、荔枝[6]、白杏[7]、马铃薯[8]等干燥作业中得到广泛应用。在热风干燥辣椒方面的研究，Ibrahim D等人[9]经过对比研究说明了经过预处理的辣椒热风干燥速率更快且干燥曲线更优。张建军等人[10]研究了热风温度、风速等对辣椒干燥特性的影响。王海霞[11]研究了热风温度、风速、装载厚度对辣椒干燥的影响程度，得出了辣椒干燥工艺参数在失水率和感官评价指标下的最优组合。高国华[12]对比研究了恒温与分阶段控温条件下的热风干燥辣椒工艺，证实了分阶段控温的干燥工艺干燥速率大、能耗小。但是，目前对热风辣椒干燥方面的研究主要集中在干燥特性和干燥速率方面，而在内部品质方面的研究鲜见报道。以新鲜红朝天椒为原料，研究不同热风干燥条件对辣椒内部品质（辣椒红素、辣椒碱含量）的影响，并对干燥条件进行优化，得到品质最佳的辣椒热风干燥的最优化工艺参数，为辣椒热风干燥的实际生产应用提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试剂

新鲜红朝天椒，购于重庆市北碚区天生丽街永辉超市生鲜部。

丙酮、硫酸铵钴、重铬酸钾、甲醇、四氢呋喃、1.8 mol/L硫酸、甲醇（色谱纯）、辣椒碱标样（纯度97%）、二氢辣椒碱标样（纯度90%），以上均为分析纯。

1.2 主要仪器设备

FA2004型分析天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司产品；HC-CB20002型电子天平，慈溪市华徐衡器实业有限公司产品；DHG-9240A型电热恒温鼓风干燥箱，上海齐欣科学仪器有限公司产品；2101EJSNA001型可见分光光度计，上海现科分光仪器有限公司产品；Agilent Technologies1260型高效液相色谱仪，安捷伦科技有限公司产品；MJ-BL25B2型美的粉碎机，广东美的生活电器制造有限公司产品；KQ-600KDE型高功率数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司产品；AVM05型风速仪，上海君达仪器仪表有限公司产品。

1.3 试验方法

鲜辣椒→去柄→清洗→晾干→称重→装盘→干燥→粉碎→过筛（40目）→指标测定。

选取大小相近的红朝天椒去除辣椒头，称重平铺于物料网盘中，将干燥设备设置参数，待设备参数稳定后将样品置于热风干燥机中干燥，按照试验方法时间拿出称量，记录数据并观察辣椒干燥情况，直至达到安全含水率（10%），停止干燥。

1.4 试验设计

1.4.1 单因素试验设计

探究热风温度、物料铺放量和风速对辣椒干燥特性和速率的影响。在不同热风温度60，70，80，90 ℃；不同铺放量100，150，200，250 g；不同风速1.2，1.4，1.6，1.8 m/s下进行试验，每隔一段时间后取出物料辣椒，在电子天平上进行称量，记录数据。直至达到安全含水率10%及以下时，取出辣椒，停止干燥。

1.4.2 正交试验设计

在单因素试验的基础上，以辣椒红素、辣椒碱、二氢辣椒碱为响应值，利用Design Expert响应面分析软件，进行三因素三水平的Box-Behnken试验设计，得到响应面试验方案[13]。

1.4.3 响应面优化试验设计

利用多目标规划的求解方法——几何加权法[14] 对3个目标函数Y1（辣椒红素）、Y2（辣椒碱）、Y3（二氢辣椒碱）进行量纲统一归一化，再根据辣椒红素与辣椒碱化合物含量在辣椒成分中的同等重要性，将其按照一定权重加权平均计算，得到研究辣椒内部品质的综合指标Y4。最后利用Design Expert软件，建立以综合指标Y4为响应值的二次多项回归模型，优化综合指标的工艺参数进而得到热风干燥辣椒的最佳条件。

1.5 指标测定

1.5.1 辣椒红素的测定[15-16]

配制标准比色液：称取0.030 0 g重络酸钾和 3.496 g硫酸铵钴，用1.8 mol/L 硫酸溶液定容至100 mL。

称取1 g干辣椒样品（过40目），置于100 mL容量瓶中，加入60 mL丙酮，摇床（强度160）振荡40 min；再加入40 mL丙酮，摇床（强度160）振荡20 min，丙酮定容至100 mL。静置10 min，吸取 1 mL至10 mL容量瓶中，丙酮定容至10 mL。采用丙酮作空白，于波长460 nm处测吸光度，同时测定标准比色液于波长460 nm处的吸光度（AS）。

结果计算：

仪器校准系数（If）按下式计算：

If=. （1）

辣椒粉样品计算：

ASTA=A×164×. （2）

式中：ASTA——色值，mg/kg；

A——460 nm处吸光度；

164——ASTA换算系数；

W——样品质量，g。

1.5.2 辣椒碱及二氢辣椒碱的测定[17-20]

（1）标准样品的制取。将20 mg二氢辣椒碱和20 mg辣椒碱标样标样分别溶于甲醇（分析纯），甲醇定容至100 mL，然后进行梯度稀释，制取质量浓度为10，20，50，100，200 μg/mL的二氢辣椒碱和辣椒碱标准样品。

（2）辣椒碱的提取。将精确称量的2.0 g辣椒粉置于100 mL锥形瓶中，加入25 mL甲醇-四氢呋喃（1∶1），在功率为300 W、常温的条件下超声波提取30 min，过滤于50 mL容量瓶中；滤渣与滤纸置于原来的锥形瓶中，加入25 mL甲醇-四氢呋喃（1∶1），在相同条件下超声波提取10 min，过滤后将滤液合并，定容至50 mL。

（3）HPLC检测。从容量瓶中用1 mL注射器吸取1 mL样品过0.45 nm有机相滤膜，装进液相小瓶，进HPLC检测。

（4）HPLC条件。色谱柱，Shim-PACK C18型（4 mm×250 mm，5 μm），流动相为75%甲醇（色谱纯、超滤，脱气）和25%水（超滤、脱气），洗脱时间18 min，检测波长280 nm，柱温为30 ℃，流速为 0.8 mL/min，进样量为10 μL。

辣椒碱标准曲线见图1，二氢辣椒碱标准曲线见图2，辣椒碱10 μg/mL标品色谱见图3，二氢辣椒碱10 μg/mL标品色谱见图4，热风干燥样品典型色谱见图5。

1.5.3 含水率和干燥速率测定

根据GB 5009.3—2010的方法，测得辣椒初始含水率为71.3%。

含水率计算公式：

Ht=×100%. （3）

式中：Ht——t时刻的含水率，%；

Qt——t时刻物料的质量，g；

Qg——干料（辣椒）的质量，g。

干燥速率计算公式为：

M=. （4）

式中：M——t1到t2时间段的干燥速率，%/min；

Kt■——t1时刻的含水率，%；

Kt■——t2的含水率，%；

t1，t2——称量辣椒的时间，min。

1.5.4 综合指标的计算[14]

（1）几何加权法统一量纲的公式为：

U1（x）=. （5）

式中：fi，min——该试验值中的最小值；

fi，max——该试验值中的最大值。

（2）综合指标计算公式（含加权计算）。

根据各指标的重要性设置各指标的权重，计算综合指标：

综合指标（Y4）=×U1+×U2+×U3.（6）

式中：U1——统一量纲后辣椒红素的含量，mg/kg；

U2——统一量纲后的辣椒碱的含量，mg/g；

U3——统一量纲后二氢辣椒碱的含量，mg/g。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 热风温度对辣椒干燥特性的影响

在物料铺放量为200 g，风速1.8 m/s的条件下，分别在60，70，80，90 ℃下进行干燥，测定并计算出含水率和干燥速率，直至达到安全含水率10%及以下，停止干燥。

不同热风温度下的辣椒热风干燥曲线见图6，不同热风温度下的辣椒热风干燥速率见图7。

由图6可知，辣椒干燥特性受热风温度影响较大。热风温度越高，辣椒干燥曲线越陡，达到安全含水率所需要的时间越短。70，80，90 ℃时辣椒干燥曲线较陡，干燥速率较大，所需干燥时间短；而热风温度为60 ℃时，干燥速率较小，干燥时间过长。

由图7可知，辣椒干燥速率曲线包括升速、恒速、降速3个阶段，其趋势符合典型物料的干燥特性规律。60 ℃时辣椒干燥速率最小，随着热风温度上升，干燥速率增大。90 ℃时辣椒干燥速率最大。但是热风温度过高有可能对辣椒内部品质有影响，综合以上不同热风温度下的辣椒干燥曲线与速率曲线，选择65，75，85 ℃这3个组合水平进行试验。

2.1.2 风速对辣椒干燥特性对影响

在热风温度80 ℃，物料铺放量200 g的条件下，分别在1.2，1.4，1.6，1.8 m/s风速下进行干燥，测定并计算出含水率和干燥速率，直至达到安全含水率10%及以下，停止干燥。

不同风速下的辣椒热风干燥曲线见图8，不同风速下的辣椒热风干燥速率曲线见图9。

由图8、图9可知，辣椒干燥速率曲线包括升速、恒速、降速3个阶段，其趋势符合典型物料的干燥特性规律。但总体上看，风速对辣椒干燥影响不明显。综合以上不同风速下的辣椒干燥曲线和速率曲線，试验选择风速为干燥速率较大的1.2，1.4，1.6 m/s这3个组合水平进行试验。

2.1.3 物料铺放量对辣椒干燥特性对影响

在热风温度80 ℃，风速1.8 m/s的条件下，分别用100，150，200，250 g辣椒进行干燥，测定并计算出含水率和干燥速率，直至达到安全含水率10%及以下，停止干燥。

不同物料铺放量辣椒的热风干燥曲线见图10，不同物料铺放量辣椒的热风干燥速率曲线见图11。

由图10可知，在设定的物料铺放量范围内，辣椒干燥特性受铺放量影响明显。物料铺放量越少，辣椒干燥曲线越陡，达到安全含水率越快，所需干燥时间越少。随着物料铺放量的增多，辣椒干燥曲线趋于平缓，物料铺放量为250 g时达到安全含水率所需时间最长，超过840 min。

由图11可知，辣椒干燥速率曲线包括升速、恒速、降速3个阶段，其趋势符合典型物料的干燥特性规律。物料铺放量为250 g时干燥速率最小，随着物料铺放量增加，辣椒的干燥速率减小，100 g时干燥速率最大。考虑到实际生产的需要量较大，在后续试验中取150，200，250 g这3个组合水平进行试验。

2.2 响应面优化试验结果分析

2.2.1 热风干燥响应面试验设计及结果

利用Design Expert软件，选择Box-Behnken设计试验，以热风温度、物料铺放量、风速为自变量，以辣椒碱含量、二氢辣椒碱含量、辣椒红素含量为响应值设计试验方案，再根据试验结果计算得到综合指标的试验值。

响应面试验因素与水平设计见表1，响应面试验结果与分析见表2。

2.2.2 回归模型建立及显著性检验

利用Design Expert软件对表2的试验数据中获得的综合指标为响应值进行回归，并建立二次回归模型。得到的初步回归方程为：

Y4=0.74+0.065A+0.009 9B+0.030C-0.013AB+

0.015AC-0.12BC-0.31A2+0.031B2-0.081C2.

综合指标模型方差分析见表3。

由表3可知，以综合指标为响应值，该模型p=0.000 2<0.001，说明该模型极显著。失拟项p= 0.231 0>0.05，说明其失拟性不显著。模型的校正系数R2Adj=92.72%，说明该模型的拟合度良好，能较为准确地分析和预测综合指标随工艺条件的不同而变化的情况。另外，离散系数CV=8.83%也说明了整个试验有较好的精确度和可靠性。通過检验方程中各项系数和剔除不显著项（p>0.05）后，得到回归方程为：

Y4=0.74+0.065A-0.12BC-0.31A2-0.081C2.

综合指标的回归方程系数及显著性检验结果见表4。

2.2.3 响应面分析

不同热风温度、物料铺放量对综合指标的影响见图12，不同热风温度、风速对综合指标的影响见图13，不同风速、物料铺放量对综合指标的影响见图14。

图12、图13、图14分别为两因素交互作用的三维曲线图及二维等高线图，表示出了热风温度、风速和物料铺放量3个因素之一取零水平时，其他2个因素对综合指标的交互影响曲面图。由图12 ～图14可知，热风温度对综合指标的影响最为显著，表现为曲线较陡；而物料铺放量和风速次之，表现为曲线较为平滑。在风速和铺放量不变的条件下，综合指标随温度的上升，呈现先增大后减小的趋势。从图12可以看出，热风温度和物料铺放量对综合指标的交互作用最为显著，表现为等高线密集且呈椭圆形；从图13可以看出，热风温度和风速的交互作用也较为显著，表现为等高线较为密集。而从图14可以得到，物料铺放量和风速的交互作用较不显著，表现为等高线稀疏。结果与方差分析结果相似。

2.2.4 参数优化

利用Design Expert软件，得到的热风干燥下辣椒品质最佳的最优化工艺条件为热风温度76.5 ℃，物料铺放量150 g，风速1.58 m/s，此条件下综合指标的最优化值为0.833 105。此条件下辣椒红素含量为58.586 8 mg/kg，辣椒碱含量为2.961 76 mg/g，二氢辣椒碱含量为1.887 21 mg/g。由于以上最佳条件未包括在响应面优化的17组试验中，需进一步进行试验验证。为了便于参数验证，取热风温度76 ℃，物料铺放量150 g，风速1.6 m/s。在此条件下进行 3组平行试验。验证试验结果表明，在最佳干燥条件下，3组试验的综合指标分别为0.828 323，0.831 933，0.829 645，与预测值相近，优化结果可靠。在此条件下得到的辣椒红素的含量为59.495 600 3 mg/kg，辣椒碱的含量为2.817 078 103 mg/g，二氢辣椒碱的含量为1.843 465 866 mg/g。

3 结论

在设定的因素和条件范围内，影响辣椒的含水率和干燥速率的3个因素中，热风温度和物料铺放量的影响效果较大，风速的影响效果较不明显。

采用单因素试验和响应面分析法对热风干燥辣椒的工艺条件进行优化，分析了热风温度、物料铺放量和风速与辣椒红素含量、辣椒碱含量、二氢辣椒碱含量之间的关系，建立了以综合指标为响应值的二次多项回归模型，回归分析表明该模型显著，拟合度较好。

利用Design Expert软件分析得到辣椒内部品质最优的热风干燥最佳工艺参数为热风温度76.5 ℃，物料铺放量150 g，风速1.58 m/s。此干燥条件下，得到的最优化综合指标值为0.833 105。在上述优化条件下进行试验验证，验证结果说明优化结果可靠。最后得到此条件下的辣椒红素含量为59.495 600 3 mg/kg，辣椒碱含量为2.817 078 103 mg/g，二氢辣椒碱含量分别为1.843 465 866 mg/g。

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