基于幾何加權法的辣椒熱風干燥品質工藝優(yōu)化

袁婷婷 ，李學瓊 ， 陳厚榮 ，2，3

（1.西南大學食品科學學院，重慶 400715；2.農業(yè)部農產品貯藏保鮮質量安全風險評估實驗室（重慶），重慶 400715；3.西南大學食品科學與工程國家級實驗教學示范中心，重慶 400715；4.重慶市農產品質量安全中心，重慶 400020）

辣椒是茄科植物辣椒的果實，富含多酚、類胡蘿卜素、VC和VE，是一種具有很高營養(yǎng)價值的鮮食蔬果[1]。辣椒中辣椒紅素、辣椒堿是干辣椒中重要的品質指標。其中，辣椒紅素是一種安全無毒的天然色素，能被人體消化吸收，并在人體內轉化為VA[2]；辣椒堿類化合物是辣椒中引起辛辣味的物質，在工農業(yè)生產上有重要的應用價值[3]。鮮辣椒保鮮期很短，在采收后2～3 d內極易出現(xiàn)霉變、腐爛等現(xiàn)象，因此辣椒干制是辣椒加工中必不可缺的一部分。辣椒干制過程中由于干燥方法和干燥條件不同，辣椒的內部品質會有較大差異，特別是對辣椒堿、辣椒紅素的影響。所以，研究干燥對辣椒堿、辣椒紅素的影響，對于提高辣椒的內部品質具有十分重要的意義。目前，國內辣椒干燥技術方面的研究有熱風干燥[4]、熱泵干燥[1]、微波干燥[4]、紅外線干燥[5]等。而熱風干燥技術作為目前使用最為普遍的干燥加工技術，在辣椒、荔枝[6]、白杏[7]、馬鈴薯[8]等干燥作業(yè)中得到廣泛應用。在熱風干燥辣椒方面的研究，Ibrahim D等人[9]經(jīng)過對比研究說明了經(jīng)過預處理的辣椒熱風干燥速率更快且干燥曲線更優(yōu)。張建軍等人[10]研究了熱風溫度、風速等對辣椒干燥特性的影響。王海霞[11]研究了熱風溫度、風速、裝載厚度對辣椒干燥的影響程度，得出了辣椒干燥工藝參數(shù)在失水率和感官評價指標下的最優(yōu)組合。高國華[12]對比研究了恒溫與分階段控溫條件下的熱風干燥辣椒工藝，證實了分階段控溫的干燥工藝干燥速率大、能耗小。但是，目前對熱風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，而在內部品質方面的研究鮮見報道。以新鮮紅朝天椒為原料，研究不同熱風干燥條件對辣椒內部品質（辣椒紅素、辣椒堿含量）的影響，并對干燥條件進行優(yōu)化，得到品質最佳的辣椒熱風干燥的最優(yōu)化工藝參數(shù)，為辣椒熱風干燥的實際生產應用提供基礎數(shù)據(jù)。

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(qū)天生麗街永輝超市生鮮部。

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

1.2 主要儀器設備

FA2004型分析天平，上海舜宇恒平科學儀器有限公司產品；HC-CB20002型電子天平，慈溪市華徐衡器實業(yè)有限公司產品；DHG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海齊欣科學儀器有限公司產品；2101EJSNA001型可見分光光度計，上海現(xiàn)科分光儀器有限公司產品；Agilent Technologies1260型高效液相色譜儀，安捷倫科技有限公司產品；MJ-BL25B2型美的粉碎機，廣東美的生活電器制造有限公司產品；KQ-600KDE型高功率數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產品；AVM05型風速儀，上海君達儀器儀表有限公司產品。

1.3 試驗方法

鮮辣椒→去柄→清洗→晾干→稱重→裝盤→干燥→粉碎→過篩（40目）→指標測定。

選取大小相近的紅朝天椒去除辣椒頭，稱重平鋪于物料網(wǎng)盤中，將干燥設備設置參數(shù)，待設備參數(shù)穩(wěn)定后將樣品置于熱風干燥機中干燥，按照試驗方法時間拿出稱量，記錄數(shù)據(jù)并觀察辣椒干燥情況，直至達到安全含水率（10%），停止干燥。

1.4 試驗設計

1.4.1 單因素試驗設計

探究熱風溫度、物料鋪放量和風速對辣椒干燥特性和速率的影響。在不同熱風溫度60，70，80，90℃；不同鋪放量100，150，200，250 g；不同風速1.2，1.4，1.6，1.8 m/s下進行試驗，每隔一段時間后取出物料辣椒，在電子天平上進行稱量，記錄數(shù)據(jù)。直至達到安全含水率10%及以下時，取出辣椒，停止干燥。

1.4.2 正交試驗設計

在單因素試驗的基礎上，以辣椒紅素、辣椒堿、二氫辣椒堿為響應值，利用Design Expert響應面分析軟件，進行三因素三水平的Box-Behnken試驗設計，得到響應面試驗方案[13]。

1.4.3 響應面優(yōu)化試驗設計

利用多目標規(guī)劃的求解方法——幾何加權法[14]對3個目標函數(shù)Y1（辣椒紅素）、Y2（辣椒堿）、Y3（二氫辣椒堿）進行量綱統(tǒng)一歸一化，再根據(jù)辣椒紅素與辣椒堿化合物含量在辣椒成分中的同等重要性，將其按照一定權重加權平均計算，得到研究辣椒內部品質的綜合指標Y4。最后利用Design Expert軟件，建立以綜合指標Y4為響應值的二次多項回歸模型，優(yōu)化綜合指標的工藝參數(shù)進而得到熱風干燥辣椒的最佳條件。

1.5 指標測定

1.5.1 辣椒紅素的測定[15-16]

配制標準比色液：稱取0.030 0 g重絡酸鉀和3.496g硫酸銨鈷，用1.8mol/L硫酸溶液定容至100mL。

稱取1 g干辣椒樣品（過40目），置于100 mL容量瓶中，加入60 mL丙酮，搖床（強度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至10 mL容量瓶中，丙酮定容至10 mL。采用丙酮作空白，于波長460 nm處測吸光度，同時測定標準比色液于波長460 nm處的吸光度（AS）。

結果計算：

儀器校準系數(shù)（If）按下式計算：

辣椒粉樣品計算：

式中：ASTA——色值，mg/kg；

A——460 nm處吸光度；

164——ASTA換算系數(shù)；

W——樣品質量，g。

1.5.2 辣椒堿及二氫辣椒堿的測定[17-20]

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

（2） 辣椒堿的提取。將精確稱量的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（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。

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

（4） HPLC條件。色譜柱，Shim-PACK C18型（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18 min，檢測波長280 nm，柱溫為30℃，流速為0.8 mL/min，進樣量為 10 μL。

辣椒堿標準曲線見圖1，二氫辣椒堿標準曲線見圖2，辣椒堿10 μg/mL標品色譜見圖3，二氫辣椒堿10 μg/mL標品色譜見圖4，熱風干燥樣品典型色譜見圖5。

圖1 辣椒堿標準曲線

圖2 二氫辣椒堿標準曲線

1.5.3 含水率和干燥速率測定

圖3 辣椒堿10 μg/mL標品色譜

圖4 二氫辣椒堿10 μg/mL標品色譜

圖5 熱風干燥樣品典型色譜

根據(jù)GB 5009.3—2010的方法，測得辣椒初始含水率為71.3%。

含水率計算公式：

式中：Ht——t時刻的含水率，%；

Qt——t時刻物料的質量，g；

Qg——干料（辣椒）的質量，g。

干燥速率計算公式為：

式中：M——t1到t2時間段的干燥速率，%/min；

Kt1——t1時刻的含水率，%；

Kt2——t2的含水率，%；

t1，t2——稱量辣椒的時間，min。

1.5.4 綜合指標的計算[14]

（1）幾何加權法統(tǒng)一量綱的公式為：

式中：fi，min——該試驗值中的最小值；

fi，max——該試驗值中的最大值。

（2）綜合指標計算公式（含加權計算）。

根據(jù)各指標的重要性設置各指標的權重，計算綜合指標：

式中：U1——統(tǒng)一量綱后辣椒紅素的含量，mg/kg；

U2——統(tǒng)一量綱后的辣椒堿的含量，mg/g；

U3——統(tǒng)一量綱后二氫辣椒堿的含量，mg/g。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 熱風溫度對辣椒干燥特性的影響

在物料鋪放量為200 g，風速1.8 m/s的條件下，分別在60，70，80，90℃下進行干燥，測定并計算出含水率和干燥速率，直至達到安全含水率10%及以下，停止干燥。

不同熱風溫度下的辣椒熱風干燥曲線見圖6，不同熱風溫度下的辣椒熱風干燥速率見圖7。

圖6 不同熱風溫度下的辣椒熱風干燥曲線

圖7 不同熱風溫度下的辣椒熱風干燥速率

由圖6可知，辣椒干燥特性受熱風溫度影響較大。熱風溫度越高，辣椒干燥曲線越陡，達到安全含水率所需要的時間越短。70，80，90℃時辣椒干燥曲線較陡，干燥速率較大，所需干燥時間短；而熱風溫度為60℃時，干燥速率較小，干燥時間過長。

由圖7可知，辣椒干燥速率曲線包括升速、恒速、降速3個階段，其趨勢符合典型物料的干燥特性規(guī)律。60℃時辣椒干燥速率最小，隨著熱風溫度上升，干燥速率增大。90℃時辣椒干燥速率最大。但是熱風溫度過高有可能對辣椒內部品質有影響，綜合以上不同熱風溫度下的辣椒干燥曲線與速率曲線，選擇65，75，85℃這3個組合水平進行試驗。

2.1.2 風速對辣椒干燥特性對影響

在熱風溫度80℃，物料鋪放量200 g的條件下，分別在1.2，1.4，1.6，1.8 m/s風速下進行干燥，測定并計算出含水率和干燥速率，直至達到安全含水率10%及以下，停止干燥。

不同風速下的辣椒熱風干燥曲線見圖8，不同風速下的辣椒熱風干燥速率曲線見圖9。

圖8 不同風速下的辣椒熱風干燥曲線

圖9 不同風速下的辣椒熱風干燥速率曲線

由圖8、圖9可知，辣椒干燥速率曲線包括升速、恒速、降速3個階段，其趨勢符合典型物料的干燥特性規(guī)律。但總體上看，風速對辣椒干燥影響不明顯。綜合以上不同風速下的辣椒干燥曲線和速率曲線，試驗選擇風速為干燥速率較大的1.2，1.4，1.6 m/s這3個組合水平進行試驗。

2.1.3 物料鋪放量對辣椒干燥特性對影響

在熱風溫度80℃，風速1.8 m/s的條件下，分別用100，150，200，250 g辣椒進行干燥，測定并計算出含水率和干燥速率，直至達到安全含水率10%及以下，停止干燥。

不同物料鋪放量辣椒的熱風干燥曲線見圖10，不同物料鋪放量辣椒的熱風干燥速率曲線見圖11。

由圖10可知，在設定的物料鋪放量范圍內，辣椒干燥特性受鋪放量影響明顯。物料鋪放量越少，辣椒干燥曲線越陡，達到安全含水率越快，所需干燥時間越少。隨著物料鋪放量的增多，辣椒干燥曲線趨于平緩，物料鋪放量為250 g時達到安全含水率所需時間最長，超過840 min。

圖10 不同物料鋪放量辣椒的熱風干燥曲線

圖11 不同物料鋪放量辣椒的熱風干燥速率曲線

由圖11可知，辣椒干燥速率曲線包括升速、恒速、降速3個階段，其趨勢符合典型物料的干燥特性規(guī)律。物料鋪放量為250 g時干燥速率最小，隨著物料鋪放量增加，辣椒的干燥速率減小，100 g時干燥速率最大。考慮到實際生產的需要量較大，在后續(xù)試驗中取150，200，250 g這3個組合水平進行試驗。

2.2 響應面優(yōu)化試驗結果分析

2.2.1 熱風干燥響應面試驗設計及結果

利用Design Expert軟件，選擇Box-Behnken設計試驗，以熱風溫度、物料鋪放量、風速為自變量，以辣椒堿含量、二氫辣椒堿含量、辣椒紅素含量為響應值設計試驗方案，再根據(jù)試驗結果計算得到綜合指標的試驗值。

響應面試驗因素與水平設計見表1，響應面試驗結果與分析見表2。

表1 響應面試驗因素與水平設計

表2 響應面試驗結果與分析

2.2.2 回歸模型建立及顯著性檢驗

利用Design Expert軟件對表2的試驗數(shù)據(jù)中獲得的綜合指標為響應值進行回歸，并建立二次回歸模型。得到的初步回歸方程為：

綜合指標模型方差分析見表3。

由表3可知，以綜合指標為響應值，該模型p=0.000 2＜0.001，說明該模型極顯著。失擬項p=0.231 0＞0.05，說明其失擬性不顯著。模型的校正系數(shù)R2Adj=92.72%，說明該模型的擬合度良好，能較為準確地分析和預測綜合指標隨工藝條件的不同而變化的情況。另外，離散系數(shù)CV=8.83%也說明了整個試驗有較好的精確度和可靠性。通過檢驗方程中各項系數(shù)和剔除不顯著項（p＞0.05）后，得到回歸方程為：

表3 綜合指標模型方差分析

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

綜合指標的回歸方程系數(shù)及顯著性檢驗結果見表4。

表4 綜合指標的回歸方程系數(shù)及顯著性檢驗結果

2.2.3 響應面分析

不同熱風溫度、物料鋪放量對綜合指標的影響見圖12，不同熱風溫度、風速對綜合指標的影響見圖13，不同風速、物料鋪放量對綜合指標的影響見圖14。

圖12 不同熱風溫度、物料鋪放量對綜合指標的影響

圖12、圖13、圖14分別為兩因素交互作用的三維曲線圖及二維等高線圖，表示出了熱風溫度、風速和物料鋪放量3個因素之一取零水平時，其他2個因素對綜合指標的交互影響曲面圖。由圖12～圖14可知，熱風溫度對綜合指標的影響最為顯著，表現(xiàn)為曲線較陡；而物料鋪放量和風速次之，表現(xiàn)為曲線較為平滑。在風速和鋪放量不變的條件下，綜合指標隨溫度的上升，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。從圖12可以看出，熱風溫度和物料鋪放量對綜合指標的交互作用最為顯著，表現(xiàn)為等高線密集且呈橢圓形；從圖13可以看出，熱風溫度和風速的交互作用也較為顯著，表現(xiàn)為等高線較為密集。而從圖14可以得到，物料鋪放量和風速的交互作用較不顯著，表現(xiàn)為等高線稀疏。結果與方差分析結果相似。

圖13 不同熱風溫度、風速對綜合指標的影響

圖14 不同風速、物料鋪放量對綜合指標的影響

2.2.4 參數(shù)優(yōu)化

利用Design Expert軟件，得到的熱風干燥下辣椒品質最佳的最優(yōu)化工藝條件為熱風溫度76.5℃，物料鋪放量150 g，風速1.58 m/s，此條件下綜合指標的最優(yōu)化值為0.833 105。此條件下辣椒紅素含量為 58.586 8 mg/kg，辣椒堿含量為 2.961 76 mg/g，二氫辣椒堿含量為1.887 21 mg/g。由于以上最佳條件未包括在響應面優(yōu)化的17組試驗中，需進一步進行試驗驗證。為了便于參數(shù)驗證，取熱風溫度76℃，物料鋪放量150 g，風速1.6 m/s。在此條件下進行3組平行試驗。驗證試驗結果表明，在最佳干燥條件下，3組試驗的綜合指標分別為0.828 323，0.831 933，0.829 645，與預測值相近，優(yōu)化結果可靠。在此條件下得到的辣椒紅素的含量為59.495 600 3 mg/kg，辣椒堿的含量為2.817 078 103 mg/g，二氫辣椒堿的含量為1.843 465 866 mg/g。

3 結論

在設定的因素和條件范圍內，影響辣椒的含水率和干燥速率的3個因素中，熱風溫度和物料鋪放量的影響效果較大，風速的影響效果較不明顯。

采用單因素試驗和響應面分析法對熱風干燥辣椒的工藝條件進行優(yōu)化，分析了熱風溫度、物料鋪放量和風速與辣椒紅素含量、辣椒堿含量、二氫辣椒堿含量之間的關系，建立了以綜合指標為響應值的二次多項回歸模型，回歸分析表明該模型顯著，擬合度較好。

利用Design Expert軟件分析得到辣椒內部品質最優(yōu)的熱風干燥最佳工藝參數(shù)為熱風溫度76.5℃，物料鋪放量150 g，風速1.58 m/s。此干燥條件下，得到的最優(yōu)化綜合指標值為0.833 105。在上述優(yōu)化條件下進行試驗驗證，驗證結果說明優(yōu)化結果可靠。最后得到此條件下的辣椒紅素含量為59.495 600 3 mg/kg，辣椒堿含量為2.817 078 103 mg/g，二氫辣椒堿含量分別為1.843 465 866 mg/g。