色素辣椒真空脈動干燥動力學及品質的研究

張 茜,耿智化,張軍輝,任麗壘,李凱旋,張佳偉, 楊旭海

(1.石河子大學 機械電氣工程學院,新疆 石河子 832000;2.中國人民解放軍66395部隊,石家莊 050081;3.中國地質大學(北京) 信息工程學院,北京 100083)

0 引言

目前,辣椒已經成為繼豆類、番茄后的全球第三大作物,平均年總產量約為6 000萬t[1]。近3年,我國辣椒平均年種植面積147萬hm2[2],占世界辣椒種植面積的35%;我國辣椒平均年產量2 800萬t左右,占世界辣椒總產量的46%左右;年產值超過700億元,居世界第1位,辣椒產業已經成為我國最大的蔬菜產業[3-4]。

近年來,隨著人工色素在許多領域被限制使用,國內外對天然色素的需求逐年增長[4],辣椒紅色素市場銷售額年增長率一直保持在10%以上。新疆色素辣椒的規模化種植始于20世紀90年代,以線椒為主,2000年以后板椒等品種引入新疆,開始在南北疆大范圍種植。與其他辣椒產地相比,新疆除了具有得天獨厚的自然條件(光照充足、氣溫高、溫差大)外,設施農業的快速發展[5]和機械化種植程度高也為色素辣椒的規模化生產提供了有利條件。新疆色素辣椒產量高(干椒平均產量450～500kg/667m2),紅色素含量高,病蟲害少,受到國際市場的廣泛青睞[6]。

脫水干燥是色素辣椒的主要加工方式,也是延長辣椒貨架期的重要途徑[7]。干燥動力學是研究在不同的干燥參數下水分比隨時間的變化,反映物料內質量和熱量的傳遞規律,為干燥工藝的優化、干燥能耗的計算及干燥設備的制造提供理論支持。

近年來,中國農業大學高振江教授團隊對荷花粉[8]、枸杞[9]、胡蘿卜[10]、紅棗[11]、茯苓[12]、葡萄[13]、山藥[14]的真空脈動干燥動力學進行了相關研究。

本文通過真空脈動技術對辣椒進行干燥,研究了110℃過熱蒸汽燙漂90s預處理的色素辣椒在不同干燥溫度、真空保持時間和常壓保持時間下,干燥速率與干基含水率變化關系、水分比和時間變化關系,針對不同干燥參數下對干燥品質中色澤和紅色著色物質含量進行檢測,同時利用正交試驗得出最優工藝,以期為色素辣椒真空脈動干燥技術提供理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗用真空脈動干燥設備如圖1所示。

1.2 試驗材料

新鮮的色素辣椒紅龍13號2018年8月27日采摘自新疆奎屯市高泉鎮124團。挑選大小均勻、新鮮色紅、表面完整的色素辣椒(平均長度13±1.5cm,平均質量17±0.9g),作為試驗材料,剔除掉有機械損傷和蟲害的殘次果,去梗去籽,把辣椒切成4cm×1.2cm的小塊,平鋪在網狀的不銹鋼物料盤上,每個物料盤上的辣椒質量保持為(100±3)g,用110℃過熱蒸汽燙漂90s預處理后進行干燥試驗。

取恒溫真空密封避光保存下的高溫高濕氣體射流沖擊燙漂預處理后,通過真空脈動進行干燥,并對干基含水率低于0.11 g/g的色素辣椒樣品進行干燥品質的測定。

1.觸摸屏 2.溫濕度及真空度傳感器 3.遠紅外輻射加熱板 4.加熱板溫度傳感器5.物料盤 6.干燥物料 7.支撐架 8.電磁閥 9.水環式真空泵 10.真空管 11.物料內部溫度傳感器 12.干燥室13.加熱板 14.調節開關 15.指示燈

1.3 試驗方法

真空脈動干燥試驗開始前,設定干燥溫度、真空保持時間和常壓保持時間,辣椒上表面與真空脈動干燥箱內遠紅外輻射加熱板的距離為36mm,待加熱板溫度達到設定值并保持平穩后,將預處理過的辣椒片放入干燥室內,關閉干燥室門,開始干燥試驗。干燥過程中,辣椒的質量損失由電子天平(奧豪斯公司,新澤西州,美國)測定,測量精度為±0.01g;稱重時間根據不同參數下的試驗條件確定,干燥試驗直到辣椒最終干基含水率低于0.11 g/g時停止[15]。干燥試驗完成后的辣椒干冷卻至室溫(20℃),使用真空包裝機(天月緣包裝機械有限公司,北京,中國)包裝后置于室溫避光保存,以備后續測量品質指標。所有干燥試驗重復3次,取平均值進行后續數據處理和分析。色素辣椒真空脈動干燥不同參數設計如表1所示。

表1 試驗參數設計

續表1

經過高溫高濕氣體射流沖擊燙漂預處理,真空脈動干燥后的色素辣椒色澤采用HunterLab LabScan XE分光測色儀(美國)進行測定。真空脈動干燥后色素辣椒中紅色物質含量采用GB/T 22299-2008辣椒粉天然著色物質總含量的測定方法,采用丙酮對其進行提取,采用紫外可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司,中國)測定。

通過等時取樣稱重的方法,在不同干燥溫度、不同真空保持時間和不同常壓保持時間下,繪制干燥水分比隨干燥時間的變化曲線和干燥速率隨干基含水率的變化曲線。

色素辣椒干基含水率Mt為

(1)

式中Wt—在干燥過程中t時刻的總質量(g);

G—色素辣椒的干物質質量(g)。

在干燥過程中,t時刻色素辣椒的水分比MR[16]為

(2)

式中MR—色素辣椒的干燥水分比;

Mt—在干燥過程中t時刻色素辣椒的干基含水率(g/g);

M0—色素辣椒的初始干基含水率(g/g)。

干燥速率DR為

(3)

式中DR—色素辣椒的干燥速率[g/(g h)];

Mt1—在干燥過程中t1時刻色素辣椒的干基含水率(g/g);

Mt2—在干燥過程中t2時刻色素辣椒的干基含水率(g/g)。

2 結論與分析

2.1 不同干燥溫度對色素辣椒干燥動力學及品質的影響

2.1.1 不同干燥溫度對色素辣椒干燥水分比的影響

預處理后的色素辣椒在常壓保持時間為3min、真空保持時間為12min時,在色素辣椒不同干燥溫度下水分比隨時間變化曲線如圖2所示。由圖2可知:①干燥溫度對干燥時間有顯著性影響,提高干燥溫度可以大幅度減少干燥時間。張衛鵬[8]、謝龍[9]、方小明[17]和白俊文[14]在茯苓、枸杞、荷花粉、無核白葡萄的真空脈動干燥特性研究中得到相同的結論。②色素辣椒真空脈動干燥水分比隨干燥時間呈指數下降趨勢,干燥初期,由于含水率高,物料和熱空氣之間的壓差大,水分容易擴散,隨著干燥時間和過程的推移,水分擴散難度加大,因而色素辣椒的干燥水分比下降緩慢,干燥后期,辣椒發生卷曲變形,阻礙了水分向外的遷移,干燥水分比下降非常緩慢。③色素辣椒經過高溫高濕燙漂預處理之后,辣椒表面的蠟質層被去除,經過過熱蒸汽燙漂后辣椒表皮上還是產生一些細小的縫隙,這些縫隙會減少辣椒表皮對內部水分逸出的阻礙作用;同時,燙漂還會使辣椒內部細胞壁發生分離,增大細胞膜的通透性,有利于內部水分遷移到表面,有效提高干燥效率[18]。

圖2 不同干燥溫度下色素辣椒干燥水分比隨干燥時間的變化曲線Fig.2 Curve of drying water ratio of pigment pepper with drying time at different drying temperatures

2.1.2 干燥溫度對色素辣椒干燥速率的影響

預處理后的色素辣椒在真空保持時間為12min、常壓保持時間為3min時,不同干燥溫度(60、65、70、75、80℃)下速率與干基含水率之間關系如圖3所示。由圖3可知:①干燥中速率隨干基含水率的減少而不斷下降,干燥過程沒有恒速階段,都處于降速干燥階段。這說明,色素辣椒真空脈動干燥過程中內部水分遷移到辣椒表面的阻力遠大于辣椒表面水分逸出到干燥箱內的阻力,內部水分擴散速度的快慢決定了整個干燥過程的干燥速率。Madamba、Driscoll和Buckle[19]、Babalis和Belessiotis[20]、Simal[21]等的研究結果表明,大蒜、無花果、獼猴桃的干燥過程均只有降速干燥階段。Scala和Crapiste[22]等在對辣椒進行干燥研究時也得到了相似的結論。②干燥溫度對干燥速率有顯著影響。在干燥前期,色素辣椒內部游離水的水分擴散驅動力主要受干燥溫度的影響,但溫度適宜即可,過高溫度會導致色素辣椒色澤變差,影響品質。③色素辣椒干基含水率降到0.5g/g以下時,不同干燥溫度下干燥速率差別不明顯。其原因可能是干燥后期色素辣椒內部剩下不好去除的結合水,干燥受到內部和外部諸多因素的影響。

圖3 不同干燥溫度下色素辣椒干燥速率與干基含水率的關系曲線

2.1.3 干燥溫度對色素辣椒干燥后色澤的影響

經過預處理后的色素辣椒真空脈動干燥不同干燥溫度下色澤參數明亮度L*如圖4所示。由圖4可知:隨著干燥溫度的增加,色素辣椒色澤參數明亮度L*值呈現先增大再減小的趨勢,且干燥溫度對色素辣椒色澤參數明亮度L*值有顯著影響。這說明,干燥溫度為70℃時經過燙漂預處理的色素辣椒真空脈動干燥時褐變最少,色澤最好。

圖4 不同干燥溫度下色素辣椒干燥后色澤參數L*

圖4中,a、b、c、d、e表示顯著性差異(P<0.05)。經過預處理后的色素辣椒真空脈動干燥不同干燥溫度下色澤參數綠紅值a*如圖5所示。由圖5可知:干燥溫度為70℃時,經燙漂預處理的色素辣椒干燥紅色著色物質氧化分解最少,護色作用最好。

2.1.4 干燥溫度對色素辣椒干燥后紅色著色物質含量的影響

經過預處理后的色素辣椒真空脈動干燥不同干燥溫度下紅色著色物含量如圖6所示。由圖6可知:色素辣椒中紅色物含量隨溫度變化影響較大。干燥溫度越高,時間越短,70℃時紅色著色物含量損失最少; 但當溫度過高時,紅色著色物不穩定,發生降解,所以紅色著色物含量又逐漸降低。經過燙漂預處理的色素辣椒真空脈動干燥時紅色著色物氧化和分解最少。謝龍[9]和白俊文[14]對枸杞和葡萄真空脈動干燥研究結果表明:隨干燥溫度的增加,色澤變差。其原因可能是由于美拉德反應和類葫蘿卜素的降解反應導致產生了類黑素等深色物質。

圖5 不同干燥溫度下色素辣椒干燥后色澤參數a*

圖6 不同干燥溫度下色素辣椒紅色著色物含量

2.2 不同真空保持時間對色素辣椒干燥動力學及品質的影響

2.2.1 不同真空保持時間對色素辣椒干燥水分比的影響

預處理后的色素辣椒在干燥溫度70℃、常壓保持時間3min時,6、9、12、18min的真空保持時間下的水分比與干燥時間的關系曲線如圖7所示。由圖7可知:干燥水分比與干燥時間呈現出反比規律。白竣文[14]對葡萄真空脈動干燥研究中未得到相似結論,可能是因為:①物料化學成分和組織結構不同,葡萄和枸杞都屬于高糖分和高果膠物料,內部含有較高的碳水化合物,內部水分擴散速度較慢;②本研究中的辣椒經過切片預處理后具有更大的比表面積,更有利于水分擴散到干燥介質中,而葡萄和枸杞都未經過任何切分預處理;③本研究中的辣椒片經過110℃過熱蒸汽燙漂90s預處理后,辣椒表面的蠟質層被去除,燙漂使辣椒內部組織軟化,增大了細胞膜的通透性,更有利于內部水分擴散到干燥介質中;而葡萄和枸杞未經過燙漂預處理,葡萄和枸杞表面都有致密蠟質層,會阻礙內部水分的逸出。

圖7 不同真空保持時間下水分比隨干燥時間的變化曲線

2.2.2不同真空保持時間對色素辣椒干燥速率的影響

預處理后的色素辣椒在干燥溫度70℃、常壓保持時間3min條件下干燥速率與干基含水率的關系曲線如圖8所示。

圖8 不同真空保持時間色素辣椒干燥速率與干基含水率關系曲線

由圖8可知:色素辣椒不同真空保持時間下干燥速率差別不明顯,真空保持時間對干燥速率沒有顯著影響。Arevalo-pinedo和Murr[23]對南瓜進行真空干燥研究時發現,干燥速率先升高再降低;Wu[24]等對茄子進行真空干燥研究中發現,只有降速干燥階段;Zhang[25]等對三亞甲基三硝銨的真空干燥研究中發現,干燥速率有明顯的升速-恒速-降速階段;白竣文[14]對葡萄進行真空脈動干燥研究時發現,干燥速率呈現出先增加后減少的趨勢。其原因可能是:干燥前期,葡萄溫度低,干燥速率低;干燥中期,葡萄表皮在循環壓力作用下形成多孔道結構,干燥速率逐漸增加;干燥后期,內部水分降低,干燥速率降低。由此可見,真空干燥中,由于干燥對象的不同和干燥前處理方式的差異,導致干燥速率曲線的不同。

2.2.3 真空保持時間對色素辣椒干燥后色澤的影響

預處理后的色素辣椒真空脈動干燥時,不同真空保持時間色澤參數明亮度L*如圖9所示。在色素辣椒干燥過程中,隨著真空保持時間的增加,色素辣椒色澤參數明亮度L*值呈現先增大再減小的趨勢。真空保持時間對色素辣椒色澤參數明亮度L*值有顯著影響:真空保持時間為12min時,色素辣椒的明亮度L*值最高,比真空保持時間為18min時的L*值高17.92%。這說明,真空保持時間為12min時,經過燙漂預處理的色素辣椒真空脈動干燥時褐變最少,色澤最好。

圖9 不同真空保持時間色素辣椒干燥后色澤參數L*

經過預處理后的色素辣椒真空脈動干燥時不同真空保持時間色澤參數綠紅值a*如圖10所示。由圖10可知:在干燥溫度70℃、常壓保持時間3min條件下,當真空保持時間分別為6、9、12、15、18min時,色素辣椒干燥后色澤參數綠紅值a*值分別為41.27、41.44、44.48、42.79、40.23。隨著真空保持時間的增加,色素辣椒色澤參數綠紅值a*值呈現先增大再減小的趨勢。真空保持時間為6min和9min時,色素辣椒色澤參數綠紅值a*值之間差異不顯著;真空保持時間為12min時,色素辣椒的綠紅值a*值最高,比真空保持時間為18min的綠紅值a*值高10.56%。這說明,真空保持時間為12min,經過燙漂預處理的色素辣椒干燥時紅色著色物質的氧化分解最少,護色作用最好。

圖10 不同真空保持時間色素辣椒干燥后色澤參數a*

2.2.4真空保持時間對色素辣椒干燥后紅色著色物質含量的影響

經預處理后的色素辣椒真空脈動干燥不同真空保持時間紅色著色物含量如圖11所示。

圖11 不同真空保持時間色素辣椒紅色著色物含量

由圖11可知:當干燥溫度為70℃、常壓保持時間為3min時,隨著真空保持時間的增加,色素辣椒紅色著色物含量逐漸升高,并在真空保持時間為12min時達到峰值,而后趨于下降。真空保持時間對紅色著色物含量有顯著影響:真空保持時間為6min和9min時,色素辣椒紅色著色物含量差異不顯著;真空保持時間為12min時,色素辣椒紅色著色物含量比6min時高25.51%。這說明,真空保持時間為12min時,經燙漂預處理的色素辣椒紅色著色物氧化和分解最少。

2.3 常壓保持時間對色素辣椒干燥動力學及品質的影響

2.3.1 常壓保持時間對色素辣椒水分比的影響

預處理后的色素辣椒在干燥溫度70℃、真空保持時間12min條件下,常壓保持時間為3、6、9、12min時水分比和干燥時間之間的關系曲線如圖12所示。由圖12可知:①干燥水分比均隨著干燥時間的增加而逐漸減少,干燥初期水分比下降明顯,干燥后期水分比下降減緩;②常壓保持時間對干燥時間有顯著性影響。色素辣椒的干燥時間隨著常壓時間的增加先減少后增加,白竣文[14]對葡萄進行真空脈動干燥研究時也得到了相似結論。

圖12 常壓保持時間下色素辣椒水分比隨干燥時間的變化曲線Fig.12 Curve of drying water ratio of pigment pepper with drying time under different atmospheric pressure holding time

2.3.2 常壓保持時間對色素辣椒干燥速率的影響

不同常壓保持時間下色素辣椒的干燥速率隨干基含水率變化曲線如圖13所示。由圖13可知:①色素辣椒真空脈動干燥過程中,干燥速率隨干基含水率的減少而不斷下降,干燥過程沒有恒速階段,都處于降速干燥階段;②常壓保持時間對干燥速率有顯著性影響。色素辣椒干基含水率降到0.5g/g以下時,不同常壓保持時間下干燥速率差別不明顯。

2.3.3不同常壓保持時間對色素辣椒干燥后色澤的影響

經過預處理后的色素辣椒真空脈動干燥時,不同常壓保持時間色澤參數明亮度L*如圖14所示。在干燥溫度70℃、真空保持時間12min條件下,且常壓保持時間分別為3、6、9、12min時,色素辣椒干燥后色澤參數明亮度L*值分別為45.92、44.26、42.38和41.31。隨著常壓保持時間的增加,色素辣椒色澤參數明亮度L*值呈現逐漸減小的趨勢。常壓保持時間對色素辣椒色澤參數明亮度L*值有顯著影響:常壓保持時間為3min時,色素辣椒的明亮度L*值最高,比常壓保持時間為12min時的L*值高11.16%。這說明,常壓保持時間為3min時經過燙漂預處理的色素辣椒真空脈動干燥時褐變最少,色澤最好。

圖13 不同常壓保持時間下色素辣椒干燥速率和干基含水率關系Fig.13 Curve of the drying rate of pigment pepper with dry base moisture content at different atmospheric pressure holding time

圖14 常壓保持時間對色素辣椒干燥后色澤參數L*的影響

經過預處理后的色素辣椒真空脈動干燥時,不同常壓保持時間色澤參數綠紅值a*如圖15所示。當干燥溫度為70℃、真空保持時間為12min時,隨著常壓保持時間的增加,色素辣椒色澤參數綠紅值a*值呈現先減小再緩慢增大的趨勢。常壓保持時間對色素辣椒色澤參數綠紅值a*值有顯著影響:常壓保持時間為6min和9min時,色素辣椒的綠紅值a*值之間差異不顯著;常壓保持時間為3min時,色素辣椒的綠紅值a*值最高,比常壓保持時間為9min時的綠紅值a*值高4.71%。這說明,常壓保持時間為3min時,經過燙漂預處理的色素辣椒干燥時紅色著色物質的氧化分解最少,護色作用最好。

圖15 不同常壓保持時間色素辣椒干燥后色澤參數a*

2.3.4常壓保持時間對色素辣椒干燥后紅色著色物質含量的影響

經預處理后的色素辣椒真空脈動干燥不同常壓保持時間紅色著色物含量如圖16所示。

圖16 不同常壓保持時間色素辣椒紅色著色物含量

當干燥溫度為70℃、真空保持時間為12min時,常壓保持時間對色素辣椒紅色著色物含量有顯著影響。隨著常壓保持時間的增加,色素辣椒紅色著色物含量呈逐漸減小的趨勢,其原因可能是:隨著常壓時間的增加,色素辣椒在空氣中暴露的時間延長,加速了氧化反應的發生,降低了辣椒中紅色著色物含量。常壓保持時間為3min時,色素辣椒紅色著色物含量最高,比12min時高11.31%。這說明,常壓保持時間為3min時,經過燙漂預處理的色素辣椒真空脈動干燥時紅色著色物氧化和分解最少。謝龍[9]在對枸杞進行真空脈動研究時也發現:隨常壓保持時間延長,枸杞在氧氣中暴露的時間增長,加速氧化反應,造成色澤劣變。

2.4 最優工藝參數研究

根據色素辣椒真空脈動干燥單因素試驗結果及分析,選取干燥溫度A、真空保持時間B和常壓保持時間C為正交試驗因素,進行最優干燥參數研究。正交試驗因素與水平表如表2所示。

表2 正交試驗因素水平表Table 2 Factor level table of orthogonal test

為了用較少的試驗來反映整體的水平,選用L9(34)正交表進行試驗,正交試驗數據計算與分析結果如表3所示。選取色素辣椒中紅色著色物含量為試驗結果,每組試驗分別重復3次,取3次均值作為該組試驗結果。正交試驗方差分析采用SPSS分析軟件,結果如表4所示。

表4 正交試驗數據計算與分析

由表3和表4可知:色素辣椒真空脈動干燥后紅色著色物含量的影響因素從高到低為干燥溫度、常壓保持時間、真空保持時間。其中,干燥溫度對紅色著色物含量影響最顯著,常壓保持時間對紅色著色物含量影響顯著,真空保持時間對紅色著色物含量影響不顯著。真空脈動干燥色素辣椒最優工藝參數組合為A2B2C1。當干燥溫度為70℃、真空保持時間為12min、常壓保持時間為3min時,經過高溫高濕氣體射流沖擊燙漂預處理的色素辣椒的紅色著色物質含量最高。

3 結論

基于真空脈動干燥技術對經過高溫高濕氣體射流沖擊燙漂的色素辣椒進行機械制干加工,研究色素辣椒的干燥動力學及干燥品質(色澤和紅色著色物含量)隨干燥溫度、真空保持時間和常壓保持時間的變化規律。利用正交試驗的方法得到最優干燥工藝,為色素辣椒干燥過程中品質的提升提供理論依據和技術支持。最后,確定真空脈動干燥色素辣椒最優工藝參數組合為:干燥溫度70℃,真空保持時間12min,常壓保持時間3min。