白辣椒熱泵干燥特性及工藝優化

宋新斌,潘樹林*,吳雙,蔡王飛,閻托宇,胡旭

1(湖南人文科技學院 能源與機電工程學院,湖南 婁底,417000) 2(西安交通大學 能源與動力工程學院,陜西 西安,710049)

辣椒為茄科辣椒屬植物,是我國種植面積最大、消費量最大、加工方式最多的蔬菜[1]。白辣椒并非是一類辣椒品種,而是由青椒經熱燙脫色后干燥制成,椒身黃白、口感酥麻辛辣,是我國南方地區的一種傳統風味食品,也是湘菜系中的一味重要配菜[2]。

在白辣椒的生產過程中,干燥作為十分重要的環節直接影響了產品的品質和生產成本。現階段辣椒干燥的方法有很多,除了傳統的自然干燥,還有熱風干燥、中短波紅外干燥、微波干燥、熱泵干燥、氣體射流沖擊干燥、冷凍干燥、真空干燥以及多種方式聯合干燥等[3]。傳統的自然干燥法依賴高溫多晴的天氣,干燥時間長,受場地的限制生產規模較小,物料長期暴露在開放環境中增加了有害物污染的風險,且連續的高溫日曬容易導致椒皮干裂從而降低產品品質,遇到陰雨天氣也容易霉爛劣變。因此,研究適用于白辣椒干燥的環保新技術對于提高白辣椒產量、保證干燥品質、減少霉爛損失以及促進辣椒加工業健康持續發展具有重要的經濟意義。

熱泵是一種充分利用低品位熱能的高效節能裝置。熱泵干燥具有低能耗、高效率、環保衛生等特點,近年來,國內外學者在熱泵干燥應用于果蔬加工方面有許多研究。PAL等[4]對青甜椒進行了薄層熱泵干燥試驗,發現青甜椒的干燥主要發生在降速期,Page方程用于描述其薄層干燥具有較高的決定系數和較低的均方根誤差。HII等[5]研究了可可豆的熱泵干燥特性,發現熱泵干燥能夠保留更多的可可多酚,且干燥后的硬度較高,與商業產品相當。AKTA等[6]的研究結果表明熱泵溫度45 ℃下干燥的葡萄渣質量更佳;彭鈺航等[7]研究得出初始溫度54.1 ℃、干燥溫升9.25 ℃、切片厚度3.8 mm為胡蘿卜熱泵干燥的最優工藝參數。張靜峰等[8]研究了仿刺參的熱泵干燥特性,發現溫度越高,相對濕度越低,干燥速率越快。姬長英等[9]結合鋪料厚度變化與分階段控溫對辣椒進行熱泵干燥,得到兼顧高品質、低能耗、高效率的辣椒熱泵干燥工藝優化參數。

熱泵干燥技術在果蔬干燥加工方面已取得許多成功應用,但迄今還沒有熱泵干燥技術在白辣椒加工應用方面的相關報道。本文對白辣椒的熱泵干燥特性進行研究,為進一步提高白辣椒干燥品質與生產效率提供理論依據,對促進白辣椒工廠化干制深加工有積極意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

新鮮青椒:品種為湘辣一號,購自湖南省雙峰縣辣椒種植產業基地。挑選表面健康呈綠色偏老熟、大小形狀均勻、色澤飽滿、無傷痕斑點、無病蟲害、椒熟程度相當的青辣椒,初始含水率為91.74%。

1.2 儀器與設備

KHG03型果蔬熱泵干燥機,廣州快烘熱泵節能設備有限公司;DF-101T型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器,上海力辰邦西儀器科技有限公司;ZBC型精密電子數字秤,凱豐集團有限公司;SFA-3型數顯鼓風電熱恒溫干燥箱,上海實博實業有限公司。

KHG03型果蔬熱泵干燥機工作原理如圖1所示。當濕空氣經過蒸發器時,低壓制冷劑吸收空氣的熱量由液態變為氣態,空氣因降溫而排出部分凝結水,來自蒸發器的低壓制冷蒸汽由壓縮機升壓后流入冷凝器;當脫濕后的干冷空氣經過冷凝器時,高壓制冷劑因冷凝放熱將空氣加熱為熱風,由軸流風機送入干燥室,從冷凝器流出的高壓制冷液經膨脹閥降壓后流入蒸發器繼續下一個循環。在相對密閉的高溫干燥室內開啟熱輻射光源,可以使殺青后的農產品因葉綠素快速氧化分解從而脫色。

1-蒸發器;2-PLC控制面板;3-除濕排濕系統;4-儲液罐;5-熱輻 射光源;6-庫門;7-氣液分離器;8-壓縮機;9-電子膨脹閥;10-冷 凝器;11-耐高溫軸流風機;12-干燥室;13-物料架;14-金屬托盤圖1 熱泵干燥機工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of heat pump dryer

1.3 實驗方法

1.3.1 工藝流程

白辣椒制備的工藝流程如下:

挑選新鮮青椒→清洗→熱燙→瀝干→熱泵烘干→冷卻回潮→封裝

挑選出形狀大小、成熟度都相當的新鮮青辣椒,用清水清洗待果面潔凈后進行熱燙處理,然后將熱燙完的青椒瀝干均勻鋪放于物料架上,放入干燥室內進行脫色烘干,烘干至安全含水率后取出于室內自然冷卻,回潮變軟后封裝[10-11]。烘干期間定時將辣椒翻面使其脫色均勻,同時控制濕度避免褐變。

1.3.2 單因素試驗

試驗主要考察熱燙時間(1、2、3、4、5 min)、熱燙溫度(60、70、80、90、100 ℃)、熱泵溫度(30、35、40、45、50 ℃)3個因素對白辣椒干燥品質和效率的影響。將清洗瀝干后的青椒進行熱燙處理,待干燥室溫度達到預設值后放入物料架,期間每隔1 h稱重記錄并翻面,直至辣椒干燥含水率≤14%或2次稱重的質量差≤0.01 g時停止干燥[12-15],試驗方案見表1。

1.4 指標測定與方法

1.4.1 含水率

青椒初始含水率的測定參照GB 5009.3—2016 《食品安全國家標準 食品中水分的測定》標準,采用直接干燥法,將青椒樣品放入鼓風干燥箱在105 ℃條件下烘烤4 h至接近絕干狀態,重復3次水分測定試驗取平均值[16],計算得到青椒的初始含水率為91.74%。含水率的計算如公式(1)所示:

(1)

式中:Ht為白辣椒在t時刻所對應的含水率,%;mt為白辣椒在t時刻所對應的質量,g;ms為青椒絕干時刻的質量,g。

1.4.2 干燥速率

干燥速率表示單位時間、單位面積下被干燥物料水分減少值。干燥速率的計算如公式(2)所示:

(2)

式中:DR表示白辣椒在ti至ti+1時間段內的干燥速率,%/h;Hi+1為白辣椒在ti+1時刻的含水率,%;Hi為白辣椒在ti時刻的含水率,%;ti、ti+1為測重時間,h。

1.4.3 復水比

復水性是新鮮原料干制后能重新吸回水分的程度,復水能力的高低是衡量干制品質量的重要指標,干制品常用復水比來表示其復水性[17-18]。取出封裝好的白辣椒干燥樣品,稱取質量后在60 ℃的恒溫水浴鍋中復水15 min取出,然后瀝干再次稱重,重復3次復水實驗取平均值。復水比的計算如公式(3)所示:

(3)

式中:WG表示白辣椒復水比;ma表示白辣椒復水瀝干后的質量,g;mb表示白辣椒復水前的質量,g。

1.4.4 感官品質評定

參照GB 10465—1989《辣椒干》,采用感官檢驗的方法,對干燥好的白辣椒進行外觀形狀、色澤、氣味、質感等感官評分。邀請男、女各5位湘廚專家組成分析型評審組,依據表2對白辣椒進行感官品質評分,最終品質得分取平均值[19-20]。

表2 白辣椒感官品質評定標準Table 2 Evaluation standard of white pepper sensory quality

1.5 Box-Behnken試驗

在單因素試驗結果的基礎上,以干燥時間(Y1)、感官品質(Y2)、復水比(Y3)為響應值,優化熱燙溫度(X1)、熱燙時間(X2)、熱泵溫度(X3)3個因素對白辣椒干燥品質與效率的影響。按照中心組合設計原理,使用Design-Expert 10.0.1軟件進行3因素3水平的Box-Behnken試驗尋求最優工藝參數,試驗因素及水平編碼見表3。

表3 因子水平編碼表Table 3 Coding for factor levels

2 結果與分析

2.1 單因素試驗分析

2.1.1 熱燙溫度對白辣椒干燥特性的影響

不同熱燙溫度下,白辣椒的含水率變化曲線與干燥速率曲線如圖2所示。由圖2-a可知,熱燙溫度70 ℃下的白辣椒含水率下降趨勢相對平緩,干燥完成時間也最長,需13 h。60、80、90、100 ℃熱燙溫度下的白辣椒含水率下降相對較快,干燥完成時間均為12 h。熱燙溫度70 ℃下的白辣椒內外干燥均勻、色澤鮮亮,而熱燙溫度超過80 ℃的白辣椒由于水分蒸發過快導致脫色不均勻,且椒身出現不同程度的收縮與褐變現象。

a-含水率變化曲線;b-干燥速率曲線圖2 不同熱燙溫度下白辣椒干燥特性曲線Fig.2 Drying characteristics curve of white pepper under different blanching temperatures

由圖2-b可知,白辣椒的干燥過程可分為加速干燥與降速干燥2個階段。熱燙溫度較高的白辣椒轉入降速干燥過程的時間相對更短,熱燙溫度60、70、80、90、100 ℃下對應的白辣椒轉入降速干燥時間分別為11、11、10、9、9 h。隨著熱燙溫度的的升高,白辣椒干燥過程中的最大干燥速率降低,熱燙溫度60、70、80、90、100 ℃下對應的白辣椒最大干燥速率分別為18.72、14.65、14.29、13.6、12%/h,呈遞減趨勢。

2.1.2 熱燙時間對白辣椒干燥特性的影響

在熱燙溫度為80 ℃,干燥溫度為40 ℃,熱燙時間分別為1、2、3、4、5 min時,白辣椒的干燥特性曲線如圖3所示。

a-含水率變化曲線;b-干燥速率曲線圖3 不同熱燙時間下白辣椒干燥特性曲線Fig.3 Drying characteristics curve of white pepper under different blanching time

由圖3-a可知,熱燙時間在1～3 min內的白辣椒干燥完成時間為12 h,熱燙時間超過3 min的白辣椒干燥完成需11 h。由圖3b所示,熱燙時間4、5 min下的白辣椒干燥過程中最大干燥速率相對較高,分別為18.78、18.41%/h。熱燙時間超過3 min的白辣椒干燥所需時間較短,最大干燥速率較高,但干燥效果卻相對較差,原因是熱燙時間過長會使青椒內部的組織細胞超過其最大通透性,從而導致果肉出現不同程度的糊爛,自由水也因此更加容易流失,干燥速率更高的同時破壞了物料的品質特性[21-22]。

2.1.3 干燥溫度對白辣椒干燥特性的影響

干燥溫度分別為30、35、40、45、50 ℃時,白辣椒含水率變化曲線與干燥速率曲線見圖4。由圖4可知,干燥溫度明顯影響白辣椒干燥過程中的含水率與干燥速率。干燥溫度30、35、40、45、50 ℃下,白辣椒干燥完成時間分別需要16、14、11、9、7 h,白辣椒干燥過程中的最大干燥速率分別為14.54、14.8、18.28、20.98、26.8%/h。隨著干燥溫度的升高,白辣椒含水率下降越快,最大干燥速率越高,轉入降速干燥的時間也越短,由此可知干燥溫度與物料脫水效率正相關[23-24]。

2.1.4 白辣椒感官品質特性分析

在不同熱燙溫度、熱燙時間與干燥溫度條件下,白辣椒熱泵干燥制品的感官品質得分如圖5所示。

a-不同熱燙溫度;b-不同熱燙時間;c-不同干燥溫度圖5 不同條件下白辣椒感官品質得分Fig.5 Sensory quality scores of white pepper under different conditions

由圖5-a所示,熱燙溫度60、70 ℃下的白辣椒外觀與色澤最好,綜合得分也相對較高,分別為80.2分、81.4分。熱燙溫度為80～100 ℃時,隨熱燙溫度的升高,白辣椒的感官品質各項屬性評分明顯下降。熱燙溫度超過70 ℃,白辣椒在干燥過程中椒身出現明顯收縮的現象,導致褶皺增多、脫色不均勻。熱燙超過90 ℃,干燥完成后的白辣椒表皮干癟,脆性大,褐變嚴重并伴隨些許焦糊味。

由圖5-b可知,熱燙2 min的白辣椒各項感官品質屬性最佳,綜合得分為84.2分。熱燙超過3 min,白辣椒的外觀和色澤品質下降,皺褶增多,顏色由淺黃轉向暗黃并伴有輕度褐變。

由圖5-c可知,隨干燥溫度的升高,白辣椒的外觀、色澤、氣味以及質感品質得分均降低,干燥溫度30 ℃下的白辣椒品質最佳,綜合得分為82分。由此可知,干燥溫度與白辣椒感官品質負相關。

2.2 Box-Behnken試驗分析

2.2.1 Box-Behnken試驗結果

Box-Behnken結果如表4所示。

2.2.2 白辣椒熱泵干燥回歸模型及方差分析

采用Design-Expert 10.0.1對表4的試驗結果進行處理分析,可得到熱燙溫度X1、熱燙時間X2、干燥溫度X3與白辣椒的干燥時間Y1、感官品質Y2、復水比Y3之間的回歸模型,回歸模型系數及顯著性見表5。

干燥時間回歸模型:

感官品質回歸模型:

復水比回歸模型:

由表5可知,以白辣椒的干燥時間為響應指標,該模型顯著性F值27.23,P<0.001,說明回歸模型極顯著;失擬項P=0.057>0.05,不顯著,標準誤差值為0.75,離散系數為4.38%,表明試驗誤差較小,具有較高精確度和可靠性;決定系數R2=0.972 2,表明該模型擬合度較高,可以反映97.22%響應值的變化。同理,以白辣椒的感官品質、復水比為響應指標進行顯著性和誤差分析,其回歸模型分別達到了高度顯著、極顯著水平,都具有較小的誤差以及較高的模型擬合度,分別可以反映其89.75%、95.45%響應值的變化。

綜上所述,白辣椒的干燥時間、感官品質、復水比3個回歸模型能很好地分析和預測白辣椒感官品質指標隨工藝條件的變化情況。

2.2.3 顯著性及響應面分析

分析表5顯著性結果可知,熱燙溫度(X1)和熱燙時間(X2)對復水比的影響分別為高度顯著、極顯著;干燥溫度(X3)對干燥時間和復水比的影響極顯著,對感官品質的影響高度顯著。各因素對干燥時間、感官品質的影響大小為:X3>X1>X2,對復水比的影響大小為:X3>X2>X1。

根據干燥時間、感官品質和復水比的回歸模型,分析3個模型對應的響應面陡峭程度和等高線密集程度,發現熱燙溫度(X1)和干燥溫度(X3)的交互作用對干燥時間的影響顯著,熱燙時間(X2)和干燥溫度(X3)的交互作用對干燥時間、感官品質的影響顯著(圖6～圖8)。由表5所示,各因素交互作用的顯著性結果可知,只有X1X3、X2X3對應干燥時間的P值與X2X3對應感官品質的P值小于0.05,其他交互作用影響均不顯著,結果與響應面分析結果一致。

a-響應面圖;b-等高線圖圖6 熱燙溫度和干燥溫度的交互作用對干燥時間的影響Fig.6 The effect of the interaction of blanching temperature and drying temperature on drying time

a-響應面圖;b-等高線圖圖7 熱燙時間和干燥溫度的交互作用對干燥時間的影響Fig.7 The effect of the interaction of blanching time and drying temperature on drying time

a-響應面圖;b-等高線圖圖8 熱燙時間和干燥溫度的交互作用對感官品質的影響Fig.8 The effect of the interaction between blanching time and drying temperature on sensory quality

2.2.4 工藝優化分析及試驗驗證

通過分析白辣椒的熱泵干燥回歸模型,分別對干燥時間(Y1)、感官品質(Y2)、復水比(Y3)進行單響應指標優化,在試驗條件60≤X1≤70,1≤X2≤5,30≤X3≤40區間內,對干燥時間取最小值(Y1),對感官品質(Y2)、復水比(Y3)取最大值。單響應指標優化結果見表6。

表6 單響應指標優化結果Table 6 Single response index optimization results

由表6可知,在試驗條件范圍內,設置較低的熱燙溫度、較長的熱燙時間以及較高的干燥溫度,白辣椒的干燥時間最短;較高的熱燙溫度、適中的熱燙時間和干燥溫度,白辣椒的干燥品質最佳;較高的熱燙溫度、較長的熱燙時間以及較高的干燥溫度,白辣椒的復水性能最好。

采用Design-Expert 10.0.1軟件進行綜合優化可以得到白辣椒熱泵干燥的最優工藝條件:熱燙溫度為70 ℃,熱燙時間為3.17 min,干燥溫度為37.96 ℃,此條件下對應的干燥時間為14.98 h,感官品質得分為81.02分,復水比為1.41。根據此工藝進行3組驗證試驗,試驗結果取平均值。為操作方便,調整工藝參數為:熱燙溫度為70 ℃,熱燙時間為190 s,干燥溫度為38 ℃。

驗證試驗結果如表7所示,各指標的試驗結果與預測結果誤差均小于4%,且各項品質和復水性都達到了商業產品的質量標準,說明優化后的白辣椒熱泵干燥工藝切實可行,具有一定的參考價值。

表7 綜合優化試驗結果Table 7 Comprehensive optimization test results

3 結論

a)白辣椒的熱泵干燥過程可分為加速、降速干燥2個階段,干燥溫度是影響白辣椒干燥時間和綜合品質的主要因素。干燥溫度越高,平均干燥速率越大,干燥時間越短,綜合品質越低。為保證白辣椒的干燥品質,干燥溫度不宜超過40 ℃。

b)熱燙溫度、熱燙時間和干燥溫度對白辣椒復水比均有顯著影響,提高熱燙溫度、干燥溫度和延長熱燙時間均能提高白辣椒的復水性能。熱燙溫度和熱燙時間是影響白辣椒外觀和色澤的主要因素,較高的熱燙溫度和較長的熱燙時間都會使得白辣椒脫色不均勻、褶皺收縮以及褐變程度加深。

c)綜合考慮干燥時間、品質和復水性能,確定白辣椒熱泵干燥的最佳優化工藝為熱燙溫度70 ℃、熱燙時間190 s、干燥溫度38 ℃,此工藝條件下獲得的白辣椒干燥時間為15.44 h,感官品質得分為83.03分,復水比為1.38,各項品質和復水性達到了商業產品的質量標準。