多指標綜合評分法優化辣椒熱泵-微波聯合干燥工藝

池春歡，汪云友，陳厚榮,2,3*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715) 2(農業部農產品貯藏保鮮質量安全風險評估實驗室(重慶)，重慶，400716) 3(食品科學與工程國家級實驗教學示范中心(西南大學)，重慶，400715)

辣椒是原產于南美熱帶、生長周期為1年或有限多年的茄科辣椒屬草本植被。它富含多種功能性成分，具有抑菌、止痛散熱、降血脂等功能，食用和藥用價值很高[1-3]。中國普遍種植辣椒且干制辣椒在國際貿易出口中占較大比重。由于新鮮辣椒初始含水率高，收獲季節濕度較大，如果不及時干燥，將會霉爛嚴重，因此辣椒常常以干制品的方式貯存[4]。目前傳統的辣椒干燥方式有熱泵、熱風、微波、遠紅外干燥等。國外，WON等[5]研究了脈沖電場對辣椒色澤的影響，PALEKAR等[6]用電子束輻照、干燥辣椒，抑制了辣椒中細菌、霉菌的繁殖，提升了辣椒的品質。國內，丁筑紅等[7]對比了電熱、微波、熱風干燥辣椒的優缺點。姬長英等[8]研究了分階段控溫和物料裝載厚度對辣椒感官品質和單位能耗的影響，優化了辣椒熱泵干燥工藝參數。但單一干燥方式很難同時滿足干燥產品的經濟效益和品質要求，將兩種或兩種以上的干燥方法聯合，優勢互補，聯合干燥已成為當前農產品干燥的趨勢。關志強等[9]采用熱泵-微波聯合干燥羅非魚片，干燥時間僅為熱泵干燥的1/3，復水率和干燥品質有所提高。NATHAKARANAKULE[10]等采用熱泵-遠紅外聯合干燥泰國龍眼，與單一干燥方式相比，干燥能耗低、時間短，感官品質提高。王順民等[11]對比熱風-微波聯合干燥與熱風、微波干燥對菠菜干燥品質的影響，發現干燥時間縮短40%，Vc保留率提高39.1%，菌落總數降到安全范圍。章斌等[12]對比熱風-微波聯合干燥、熱風干燥和真空冷凍干燥對香蕉片品質的影響，發現聯合干燥能耗低、速度快，品質高且與真空冷凍干燥接近。尹曉峰[13]采用滲透脫水-熱風/紅外干燥辣椒，研究了辣椒滲后熱風和紅外干燥特性及其品質。楊詠娟等[14]通過6種聯合干燥方式干燥辣椒，發現干燥方式的順序及前、后期干燥方式顯著影響辣椒品質綜合評分。目前鮮有辣椒熱泵-微波聯合干燥的相關報道，采用熱泵-微波聯合干燥辣椒，結合熱泵干燥能耗低、微波干燥速度快[15-16]的優點，優化了辣椒干燥工藝參數，為熱泵-微波聯合干燥辣椒的實際應用提供理論數據，在提高辣椒聯合干燥品質及節能降耗方面有重要的現實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試劑

新鮮紅朝天椒,購于重慶市北碚區天生麗街永輝超市生鮮部。

丙酮，分析純；硫酸銨鈷，分析純；重鉻酸鉀，分析純；1.8 mol/L硫酸、甲醇，分析純；甲醇，色譜純；四氫呋喃，分析純；辣椒堿標樣，97%純度；二氫辣椒堿標樣，90%純度。

1.2 試驗儀器及設備

FA2004型分析天平,上海舜宇恒平科學儀器有限公司；HC-CB20002型電子天平，慈溪市華徐衡器實業有限公司；物料網盤(自制、直徑15 cm、高度3.5 cm)；WB-KQ01型移動除濕烘干機，廣州溫伴節能熱泵有限公司；RWB-08S實驗用小型微波干燥設備(800 W)，南京蘇恩瑞實驗儀器有限公司；2101EJSNA001型可見分光光度計，上海現科分光儀器有限公司；Ultra Scan PRO 色差儀，上海信聯創體電子有限公司；高效液相色譜儀，安捷倫科技有限公司；DD862-4型單相電能表(用于測量單位能耗)，重慶市山馬電表有限公司；MJ-BL25B2型美的攪拌機，廣東美的生活電器制造有限公司；KQ-600KDE型高功率數控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司。

1.3 試驗設計與方法

1.3.1 工藝流程

選材→去除辣椒梗→清洗→自然風瀝干→稱重→裝盤→熱泵干燥至規定含水率→微波干燥→樣品→測色差→粉碎→過40目篩→其他指標測定

紅朝天椒顏色鮮艷且均勻、大小相近、無霉爛，稱量后均勻平鋪在物料網盤中，設置熱泵風速為1.2 m/s，按照試驗設計方案，在不同熱泵溫度下(45、50、55、60、65 ℃)干燥至轉換點含水率(70%、60%、50%、40%、30%)，后置于微波干燥設備，在不同微波功率條件下(210 、280、350、420、490 W)干燥到安全含水率(10%)停止干燥。熱泵干燥要注意通風、排濕，將辣椒定時倒位，保證辣椒干燥均勻。

1.3.2 試驗方法

1.3.2.1 單因素試驗設計

通過單因素試驗確定熱泵溫度、轉換點含水率、微波功率影響因素的范圍，試驗方案見表1。

表1 單因素試驗方案Table 1 Single factor test scheme

1.3.2.2 響應面試驗設計

熱泵-微波干燥：根據單因素試驗結果，選取熱泵溫度A(45、50、55 ℃)、轉換點含水率B(40%、50%、60%)和微波功率C(210、280、350 W)為試驗因素，以辣椒堿、二氫辣椒堿、辣椒紅素含量、單位能耗、單位耗時、色差按照一定權重組成的綜合評分為響應指標進行響應面試驗，通過Design-Expert 8.0.6進行3因素3水平的 Box-Behnken 實驗，響應面因素水平表見表2。

1.4 指標測定

1.4.1 含水率測定

表2 響應面試驗因素水平表Table 2 Factors and levels in response surface design

根據GB 5009.3—2010《食品中水的測定方法》，辣椒初始含水率為71.3%(取3次實驗的平均值)。干燥過程中物料含水率計算公式[17]:

(1)

式中:Ht表示t時刻的含水率，%；Qt表示t時刻辣椒的質量，g；Qg表示干料(辣椒)的質量，g。

1.4.2 單位能耗測定

單位能耗為干燥1 g物料達到安全含水率所消耗的電量，計算公式為：

N=G/W

(2)

式中:N為單位能耗，kW·h/g；G為所測能耗，kW·h；W為初始物料質量，g。

1.4.3 單位耗時測定

單位耗時為干燥1g物料達到安全含水率所需的時間，計算公式為：

L=R/P

(3)

式中:L為單位耗時，h/g；R為干燥時間，h；P為物料初始質量，g。

1.4.4 辣椒紅素的測定[18]

標準比色液：精確稱取0.030 0 g重鉻酸鉀和3.496 0 g硫酸銨鈷，用1.8 mol/L 硫酸溶液定容至100 mL。

稱取1 g已過40目篩的干辣椒粉樣品，置于100 mL容量瓶中，加入60 mL丙酮，搖床(振幅160)振蕩40 min，再加入40 mL丙酮，搖床(強度160)振蕩20 min，丙酮定容至100 mL。靜置10 min，吸取1 mL上清液至10 mL容量瓶中，丙酮定容。用丙酮作空白，在460 nm處測吸光值，同時測定標準比色液在460 nm處的吸光值(AS)

結果計算：

(1)儀器校準系數(If)按下式計算：

If=0.600/AS

(4)

(2)辣椒粉樣品計算：

(5)

式中：ASTA,色值,mg/kg；A,460 nm處測定吸光度；164,ASTA換算系數；W,樣品質量,g。

1.4.5 二氫辣椒堿和辣椒堿的測定[19]

標準樣品的制取：將20 mg二氫辣椒堿和20 mg辣椒堿標樣分別溶于甲醇(分析純)，甲醇定容至100 mL，然后進行梯度稀釋，制取濃度為10、20、50、100、200 μg/ml的二氫辣椒堿和辣椒堿標準樣品。

辣椒堿的提取：精確稱量2.0 g辣椒粉置于100 mL錐形瓶中，加入25 mL甲醇-四氫呋喃(1∶1)，在功率為300 W、常溫的條件下超聲波提取30 min，過濾于50 mL容量瓶中；濾渣與濾紙置于原來的錐形瓶中，加入25 mL甲醇-四氫呋喃(體積比1∶1)，在相同條件下超聲波提取10 min，過濾后將濾液合并，定容至50 mL。

液相色譜：從容量瓶中用1 mL注射器吸取1mL樣品過0.45 nm有機相濾膜，裝進液相小瓶，進HPLC檢測。

HPLC條件：色譜柱，Shim-PACK C18(4 mm×250 mm，5 μm)；流動相為75%甲醇(色譜純、超濾，脫氣)和25% 水(超濾、脫氣)；洗脫時間為18 min；檢測波長為280 nm，柱溫為30 ℃；流速為0.8 mL/min；進樣量為10μL。

1.4.6 色差值測定[20]

將樣品平鋪，保證外觀無裂痕，用色差儀同時測定L*值、a*值和b*值，測定10個樣品，求平均值,ΔL越大說明越偏白，越小說明越偏黑，Δa越大說明越偏紅，越小說明越偏綠，Δb越大說明越偏黃，越小說明越偏藍，ΔE表示總色差。

(6)

其中： ΔL*=L*(樣品)-L*(標準)

Δa*=a*(樣品)-a*(標準)

Δb*=b*(樣品)-b*(標準)

1.5 數據處理與統計分析

利用Origin 8.0做熱泵、微波干燥曲線和色差柱狀圖，利用Design-Expert 8.06對正交試驗進行線性回歸和方差分析(p<0.05),并且通過響應面分析熱泵溫度、轉換點含水率、微波功率對綜合評分的影響，找出最優的辣椒干燥工藝參數。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗分析

2.1.1 不同熱泵溫度對辣椒含水率和色差的影響

裝載量為1.3 kg/m2,風速為1.2 m/s，按不同的熱泵溫度進行干燥，并測定辣椒含水率和色差，結果見圖1、圖2。

圖1 不同溫度條件下的干燥特性曲線Fig.1 Drying property curves under various air temperatures

圖2 不同溫度條件下的色差柱狀圖Fig.2 Color bar graph under various air temperatures

由圖1可知，辣椒干燥速率受溫度影響明顯。溫度升高，干燥速率增大表現為曲線傾斜度增大，45、50、55、60、65 ℃條件下，干燥時間分別為20、16、14、11、9 h，干燥時間隨溫度增大而縮短，其原因是溫度升高加快了水分蒸發。由圖2可以看出，色差隨溫度升高而增大，其原因為高溫下紅色素破壞量增加。溫度較高雖然節省干燥時間，卻影響辣椒感官品質。60、65 ℃干燥的辣椒顏色偏暗、稍有炭化，品質較低， 45～55 ℃干燥的辣椒顏色、氣味正常，品質較高，適宜溫度范圍為45～55 ℃。

辣椒干燥分為兩步：汽化控制即自由水的蒸發和內部擴散控制即結合水的擴散。結合水較自由水難除去，這也是干燥速率后期下降的原因。如果干燥溫度過高，自由水蒸發強于結合水擴散會造成辣椒表皮質脆、內部質嫩；如果干燥溫度過低，結合水擴散強于自由水蒸發會造成辣椒內部質硬、表皮質嫩；溫度過高或過低都不利于辣椒的均勻干燥，因此選擇合適的干燥溫度至關重要[21-22]。

2.1.2 不同微波功率對辣椒含水率和色差的影響

裝載量為1.3 kg/m2,微波間歇時間為60 s, 按不同的微波功率進行干燥，并測定辣椒含水率和色差，結果見圖3、圖4。

圖3 不同功率條件下的干燥特性曲線Fig.3 Drying property curves under various powers

圖4 不同功率條件下的色差柱狀圖Fig.4 Color bar graph under various powers

由圖3可知，微波功率對辣椒干燥特性影響明顯。干燥速率隨微波功率增大而增大，表現為干燥曲線斜率逐漸增大，210、280、350、420、490 W條件下，干燥時間分別為95、85、75、65、55 min,干燥時間隨微波功率增大而縮短，在固定功率的條件下，干燥速率先增大后減小。由圖4可知，色差隨微波功率增大而增大，其原因可能是高功率條件下，辣椒吸收較多微波能，導致紅色素損失量增多。微波功率過高會影響辣椒感官品質，比如顏色變暗、氣味不正常等，因此微波功率適宜在210～350 W。

2.1.3 轉換點含水率對辣椒含水率和色差的影響

裝載量為1.3 kg/m2,風速為1.2 m/s，微波間歇時間為60 s,熱泵溫度為50 ℃，微波功率為280 W，按不同的轉換點含水率進行干燥，并測量辣椒含水率和色差，結果見圖5、圖6。

圖5 轉換點含水率對辣椒含水率的影響Fig.5 Effects of moisture content of point on moisture content for chili

圖6 不同轉換點含水率條件下的色差柱狀圖Fig.6 Color bar graph under various moisture content of point

轉換點含水率對辣椒干燥的影響如圖5、6所示。70%、60%、50%、40%、30%條件下，干燥時間分別為540、540、475、475、425 min，70%與60%、50%與40%對應的干燥時間相同，總體來看，干燥時間有所縮短且縮短趨勢逐漸減小，轉換點含水率對色差影響較大，隨著轉換點含水率的升高，色差先減小后增大；其原因是轉換點含水率增大，熱泵干燥時間較短，色差變化減小，當轉換點含水率增大到50%，辣椒含水率較高，能吸收較多微波能，破壞較多紅色素，導致色差增大，這與楊詠娟等[22]的實驗結果接近，適宜的轉換點含水率為40%～60%。

2.2 響應面試驗參數的選擇

熱泵溫度、風速、微波功率、間歇微波時間、轉換點含水率和裝載量是影響辣椒熱泵-微波聯合干燥品質的重要因素。由預試驗得知，風速在干燥初期對干燥品質的影響較干燥后期大，但總體影響不大；間歇微波干燥時間增長，產品顏色偏暗、質脆，感官品質差；單位面積裝載量較大會顯著影響干燥特性，因此選擇熱泵風速1.2 m/s、間歇微波時間60 s、裝載量1.3 kg/m2為固定參數，以熱泵溫度、微波功率、轉換點含水率為試驗因素設計響應面優化試驗。

2.3 響應面優化試驗結果分析

采用Design-Expert 8.0.6軟件進行3因素3水平的 Box-Behnken 實驗，測定6個指標：辣椒紅素F1、辣椒堿F2、二氫辣椒堿F3、色差F4、單位能耗F5、單位耗時F6，按照各指標的最大值為參照值進行歸一化，賦予不同的權重系數進行多指標綜合評分[23]。權重系數：辣椒堿、二氫辣椒堿0.25，辣椒紅素0.2，色差、單位能耗、單位耗時-0.1。試驗方案及結果見表3，顯著性檢驗結果見表4。

綜合評分=0.2F1/99.95+0.25F2/2.886+0.25F3/2.02-0.1F4/32.59-F5/0.068 5-0.1F6/0.148

(7)

表3 (F3)響應面試驗方案及結果Table 3 Scheme and experimental results for response surface design

表4 回歸方程系數及顯著性檢驗結果Table 4 Analysis results of significance test of the regression coefficients

續表4

方差來源平方和自由度均方F值p值B20.1810.18251.06< 0.000 1???C20.08210.082115.81< 0.000 1???殘差0.004 93070.000 704 3失擬項0.001 55030.000 516 70.610.642 4誤差0.003 38040.000 854 1總和0.4216R2=98.83%R2adj=97.33%CV=5.25%

注：表中***表示差異極顯著，p<0.001；** 表示差異高度顯著，p<0.01；*表示差異顯著，p<0.05。

2.3.1 回歸模型建立及顯著性檢驗

利用Design-Expert軟件對表3的試驗數據進行二次多項回歸擬合，獲得綜合評分回歸方程如下：F=0.49+0.026A+0.012B+0.026C-0.002 223AB-0.036AC+0.044BC-0.15A2-0.20B2-0.14C2

分析表4可知，pA、pC均<0.05，說明A、C顯著影響綜合評分，且影響效果為A>C>B；AC、BC對應的p值均<0.05，說明AC、BC的交互作用顯著，交互效果為BC>AC>AB；A2、B2、C2對應的p值均<0.001，說明A2、B2、C2顯著影響綜合評分；剔除不顯著選項后得到：F=0.49+0.026A+0.026C-0.036AC+0.044BC-0.15A2-0.20B2-0.14C2

2.3.2 辣椒綜合評分方差分析

2.3.3 響應面分析

由表4可知，熱泵溫度和微波功率是綜合評分的主要影響因素，熱泵溫度與微波功率，轉換點含水率與微波功率的交互作用顯著，綜合評分的響應面見圖7～圖9。

圖7 轉換點含水率和熱泵溫度對綜合評分的影響Fig.7 Effect of moisture content of conversion point and heat pump temperature on comprehensive score

圖7-A、圖7-B分別為微波功率取零水平時的三維曲線圖及二維等高線圖。由圖7-A可知，熱泵溫度顯著影響綜合評分，表現為曲面隨熱泵溫度變化幅度較大；當其中一因素不變時，綜合評分隨另一因素升高表現為先逐漸增大后緩慢減小；由圖7-B可知，等高線圖為類似橢圓形，轉換點含水率和熱泵溫度的交互作用不明顯。當熱泵溫度和轉換點含水率均為-1水平時，綜合評分較低，其原因可能是熱泵干燥溫度低且時間較長，導致單位耗時和單位能耗增大，綜合評分減小。

圖8 微波功率和熱泵溫度對綜合評分的影響Fig.8 Influence of microwave power and heat pump temperature on the comprehensive score

圖8-A、圖8-B分別為轉換點含水率取零水平時的三維曲線圖及二維等高線圖。由圖8-A可知，熱泵溫度和微波功率對綜合評分影響顯著且效果接近，表現為曲面較陡峭；當其中一因素不變時，綜合評分隨另一因素增大先升高后降低，降低程度較小。由圖8-B可知，等高線圖為橢圓形，微波功率與熱泵溫度交互作用顯著，與顯著性檢驗結果一致。當微波功率和熱泵溫度均取-1水平時，綜合評分較低，其原因可能是熱泵溫度低、微波功率小，導致干燥速率低，干燥周期長，綜合評分減小。

圖9-A、圖9-B分別為熱泵溫度取零水平時的三維曲線圖及二維等高線圖。由圖9-A可知，當其中一因素不變時，綜合評分隨另一因素增大先升高后降低；微波功率對綜合評分影響顯著，表現為曲面隨微波功率變化幅度較大；由圖9-B可知，等高線圖為橢圓形，微波功率和轉換點含水率交互作用明顯，與顯著性檢驗結果一致。

圖9 微波功率和轉換點含水率對綜合評分的影響Fig.9 Influence of microwave power and conversion point moisture content on comprehensive score

響應面陡峭表示試驗因素對響應指標影響大，平緩則影響小；交互作用顯著表現為等高線緊密且呈橢圓形；顏色變化反映響應指標大小。

2.4 綜合評分驗證試驗

利用Design-Expert軟件，對綜合評分取最大值，得到辣椒聯合干燥的最優工藝條件為熱泵溫度50.38 ℃、轉換點含水率50.39%、微波功率286.14 W，此條件下綜合評分為0.488 604。在優化條件下(為便于參數控制，取溫度50 ℃、轉換點含水率50%、微波功率286 W)進行3組平行驗證試驗，結果見表5。

表5 驗證回歸模型數據Table 5 Validation of the regression equations

由表5可得，3組驗證值與試驗值相對誤差均<4%，說明回歸模型基本能預測和分析綜合評分與試驗因素之間的變化關系，優化結果可靠。

3 結論

溫度、微波功率、轉換點含水率對辣椒干燥速率有較大影響。溫度越高、微波功率越大、轉換點含水率越高，干燥速率越大；干燥辣椒時，在滿足干燥速率的前提下，熱泵溫度和微波功率應盡量小，減少對辣椒呈色物質的破環。

分析辣椒綜合評分與熱泵溫度、轉換點含水率和微波功率的回歸模型，模型呈極顯著性，擬合程度較好，3因素對綜合評分的影響效果為：熱泵溫度>微波功率>轉換點含水率。在上述試驗中，得到高品質、低能耗的聯合工藝優化參數為熱泵溫度50.38 ℃、轉換點含水率50.39%、微波功率286.14 W，綜合評分為0.488 604。熱泵-微波聯合干燥能耗少，時間短，干燥品質高，符合干燥品質和經濟效益的要求，對實際的辣椒干燥有一定的理論與現實意義。