色素辣椒真空脉动干燥动力学及品质的研究

张 茜,耿智化,张军辉,任丽垒,李凯旋,张佳伟, 杨旭海

(1.石河子大学 机械电气工程学院,新疆 石河子 832000;2.中国人民解放军66395部队,石家庄 050081;3.中国地质大学(北京) 信息工程学院,北京 100083)

0 引言

目前,辣椒已经成为继豆类、番茄后的全球第三大作物,平均年总产量约为6 000万t[1]。近3年,我国辣椒平均年种植面积147万hm2[2],占世界辣椒种植面积的35%;我国辣椒平均年产量2 800万t左右,占世界辣椒总产量的46%左右;年产值超过700亿元,居世界第1位,辣椒产业已经成为我国最大的蔬菜产业[3-4]。

近年来,随着人工色素在许多领域被限制使用,国内外对天然色素的需求逐年增长[4],辣椒红色素市场销售额年增长率一直保持在10%以上。新疆色素辣椒的规模化种植始于20世纪90年代,以线椒为主,2000年以后板椒等品种引入新疆,开始在南北疆大范围种植。与其他辣椒产地相比,新疆除了具有得天独厚的自然条件(光照充足、气温高、温差大)外,设施农业的快速发展[5]和机械化种植程度高也为色素辣椒的规模化生产提供了有利条件。新疆色素辣椒产量高(干椒平均产量450～500kg/667m2),红色素含量高,病虫害少,受到国际市场的广泛青睐[6]。

脱水干燥是色素辣椒的主要加工方式,也是延长辣椒货架期的重要途径[7]。干燥动力学是研究在不同的干燥参数下水分比随时间的变化,反映物料内质量和热量的传递规律,为干燥工艺的优化、干燥能耗的计算及干燥设备的制造提供理论支持。

近年来,中国农业大学高振江教授团队对荷花粉[8]、枸杞[9]、胡萝卜[10]、红枣[11]、茯苓[12]、葡萄[13]、山药[14]的真空脉动干燥动力学进行了相关研究。

本文通过真空脉动技术对辣椒进行干燥,研究了110℃过热蒸汽烫漂90s预处理的色素辣椒在不同干燥温度、真空保持时间和常压保持时间下,干燥速率与干基含水率变化关系、水分比和时间变化关系,针对不同干燥参数下对干燥品质中色泽和红色着色物质含量进行检测,同时利用正交试验得出最优工艺,以期为色素辣椒真空脉动干燥技术提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置

试验用真空脉动干燥设备如图1所示。

1.2 试验材料

新鲜的色素辣椒红龙13号2018年8月27日采摘自新疆奎屯市高泉镇124团。挑选大小均匀、新鲜色红、表面完整的色素辣椒(平均长度13±1.5cm,平均质量17±0.9g),作为试验材料,剔除掉有机械损伤和虫害的残次果,去梗去籽,把辣椒切成4cm×1.2cm的小块,平铺在网状的不锈钢物料盘上,每个物料盘上的辣椒质量保持为(100±3)g,用110℃过热蒸汽烫漂90s预处理后进行干燥试验。

取恒温真空密封避光保存下的高温高湿气体射流冲击烫漂预处理后,通过真空脉动进行干燥,并对干基含水率低于0.11 g/g的色素辣椒样品进行干燥品质的测定。

1.触摸屏 2.温湿度及真空度传感器 3.远红外辐射加热板 4.加热板温度传感器5.物料盘 6.干燥物料 7.支撑架 8.电磁阀 9.水环式真空泵 10.真空管 11.物料内部温度传感器 12.干燥室13.加热板 14.调节开关 15.指示灯

1.3 试验方法

真空脉动干燥试验开始前,设定干燥温度、真空保持时间和常压保持时间,辣椒上表面与真空脉动干燥箱内远红外辐射加热板的距离为36mm,待加热板温度达到设定值并保持平稳后,将预处理过的辣椒片放入干燥室内,关闭干燥室门,开始干燥试验。干燥过程中,辣椒的质量损失由电子天平(奥豪斯公司,新泽西州,美国)测定,测量精度为±0.01g;称重时间根据不同参数下的试验条件确定,干燥试验直到辣椒最终干基含水率低于0.11 g/g时停止[15]。干燥试验完成后的辣椒干冷却至室温(20℃),使用真空包装机(天月缘包装机械有限公司,北京,中国)包装后置于室温避光保存,以备后续测量品质指标。所有干燥试验重复3次,取平均值进行后续数据处理和分析。色素辣椒真空脉动干燥不同参数设计如表1所示。

表1 试验参数设计

续表1

经过高温高湿气体射流冲击烫漂预处理,真空脉动干燥后的色素辣椒色泽采用HunterLab LabScan XE分光测色仪(美国)进行测定。真空脉动干燥后色素辣椒中红色物质含量采用GB/T 22299-2008辣椒粉天然着色物质总含量的测定方法,采用丙酮对其进行提取,采用紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司,中国)测定。

通过等时取样称重的方法,在不同干燥温度、不同真空保持时间和不同常压保持时间下,绘制干燥水分比随干燥时间的变化曲线和干燥速率随干基含水率的变化曲线。

色素辣椒干基含水率Mt为

(1)

式中Wt—在干燥过程中t时刻的总质量(g);

G—色素辣椒的干物质质量(g)。

在干燥过程中,t时刻色素辣椒的水分比MR[16]为

(2)

式中MR—色素辣椒的干燥水分比;

Mt—在干燥过程中t时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为

(3)

式中DR—色素辣椒的干燥速率[g/(g h)];

Mt1—在干燥过程中t1时刻色素辣椒的干基含水率(g/g);

Mt2—在干燥过程中t2时刻色素辣椒的干基含水率(g/g)。

2 结论与分析

2.1 不同干燥温度对色素辣椒干燥动力学及品质的影响

2.1.1 不同干燥温度对色素辣椒干燥水分比的影响

预处理后的色素辣椒在常压保持时间为3min、真空保持时间为12min时,在色素辣椒不同干燥温度下水分比随时间变化曲线如图2所示。由图2可知:①干燥温度对干燥时间有显著性影响,提高干燥温度可以大幅度减少干燥时间。张卫鹏[8]、谢龙[9]、方小明[17]和白俊文[14]在茯苓、枸杞、荷花粉、无核白葡萄的真空脉动干燥特性研究中得到相同的结论。②色素辣椒真空脉动干燥水分比随干燥时间呈指数下降趋势,干燥初期,由于含水率高,物料和热空气之间的压差大,水分容易扩散,随着干燥时间和过程的推移,水分扩散难度加大,因而色素辣椒的干燥水分比下降缓慢,干燥后期,辣椒发生卷曲变形,阻碍了水分向外的迁移,干燥水分比下降非常缓慢。③色素辣椒经过高温高湿烫漂预处理之后,辣椒表面的蜡质层被去除,经过过热蒸汽烫漂后辣椒表皮上还是产生一些细小的缝隙,这些缝隙会减少辣椒表皮对内部水分逸出的阻碍作用;同时,烫漂还会使辣椒内部细胞壁发生分离,增大细胞膜的通透性,有利于内部水分迁移到表面,有效提高干燥效率[18]。

图2 不同干燥温度下色素辣椒干燥水分比随干燥时间的变化曲线Fig.2 Curve of drying water ratio of pigment pepper with drying time at different drying temperatures

2.1.2 干燥温度对色素辣椒干燥速率的影响

预处理后的色素辣椒在真空保持时间为12min、常压保持时间为3min时,不同干燥温度(60、65、70、75、80℃)下速率与干基含水率之间关系如图3所示。由图3可知:①干燥中速率随干基含水率的减少而不断下降,干燥过程没有恒速阶段,都处于降速干燥阶段。这说明,色素辣椒真空脉动干燥过程中内部水分迁移到辣椒表面的阻力远大于辣椒表面水分逸出到干燥箱内的阻力,内部水分扩散速度的快慢决定了整个干燥过程的干燥速率。Madamba、Driscoll和Buckle[19]、Babalis和Belessiotis[20]、Simal[21]等的研究结果表明,大蒜、无花果、猕猴桃的干燥过程均只有降速干燥阶段。Scala和Crapiste[22]等在对辣椒进行干燥研究时也得到了相似的结论。②干燥温度对干燥速率有显著影响。在干燥前期,色素辣椒内部游离水的水分扩散驱动力主要受干燥温度的影响,但温度适宜即可,过高温度会导致色素辣椒色泽变差,影响品质。③色素辣椒干基含水率降到0.5g/g以下时,不同干燥温度下干燥速率差别不明显。其原因可能是干燥后期色素辣椒内部剩下不好去除的结合水,干燥受到内部和外部诸多因素的影响。

图3 不同干燥温度下色素辣椒干燥速率与干基含水率的关系曲线

2.1.3 干燥温度对色素辣椒干燥后色泽的影响

经过预处理后的色素辣椒真空脉动干燥不同干燥温度下色泽参数明亮度L*如图4所示。由图4可知:随着干燥温度的增加,色素辣椒色泽参数明亮度L*值呈现先增大再减小的趋势,且干燥温度对色素辣椒色泽参数明亮度L*值有显著影响。这说明,干燥温度为70℃时经过烫漂预处理的色素辣椒真空脉动干燥时褐变最少,色泽最好。

图4 不同干燥温度下色素辣椒干燥后色泽参数L*

图4中,a、b、c、d、e表示显著性差异(P<0.05)。经过预处理后的色素辣椒真空脉动干燥不同干燥温度下色泽参数绿红值a*如图5所示。由图5可知:干燥温度为70℃时,经烫漂预处理的色素辣椒干燥红色着色物质氧化分解最少,护色作用最好。

2.1.4 干燥温度对色素辣椒干燥后红色着色物质含量的影响

经过预处理后的色素辣椒真空脉动干燥不同干燥温度下红色着色物含量如图6所示。由图6可知:色素辣椒中红色物含量随温度变化影响较大。干燥温度越高,时间越短,70℃时红色着色物含量损失最少; 但当温度过高时,红色着色物不稳定,发生降解,所以红色着色物含量又逐渐降低。经过烫漂预处理的色素辣椒真空脉动干燥时红色着色物氧化和分解最少。谢龙[9]和白俊文[14]对枸杞和葡萄真空脉动干燥研究结果表明:随干燥温度的增加,色泽变差。其原因可能是由于美拉德反应和类葫萝卜素的降解反应导致产生了类黑素等深色物质。

图5 不同干燥温度下色素辣椒干燥后色泽参数a*

图6 不同干燥温度下色素辣椒红色着色物含量

2.2 不同真空保持时间对色素辣椒干燥动力学及品质的影响

2.2.1 不同真空保持时间对色素辣椒干燥水分比的影响

预处理后的色素辣椒在干燥温度70℃、常压保持时间3min时,6、9、12、18min的真空保持时间下的水分比与干燥时间的关系曲线如图7所示。由图7可知:干燥水分比与干燥时间呈现出反比规律。白竣文[14]对葡萄真空脉动干燥研究中未得到相似结论,可能是因为:①物料化学成分和组织结构不同,葡萄和枸杞都属于高糖分和高果胶物料,内部含有较高的碳水化合物,内部水分扩散速度较慢;②本研究中的辣椒经过切片预处理后具有更大的比表面积,更有利于水分扩散到干燥介质中,而葡萄和枸杞都未经过任何切分预处理;③本研究中的辣椒片经过110℃过热蒸汽烫漂90s预处理后,辣椒表面的蜡质层被去除,烫漂使辣椒内部组织软化,增大了细胞膜的通透性,更有利于内部水分扩散到干燥介质中;而葡萄和枸杞未经过烫漂预处理,葡萄和枸杞表面都有致密蜡质层,会阻碍内部水分的逸出。

图7 不同真空保持时间下水分比随干燥时间的变化曲线

2.2.2不同真空保持时间对色素辣椒干燥速率的影响

预处理后的色素辣椒在干燥温度70℃、常压保持时间3min条件下干燥速率与干基含水率的关系曲线如图8所示。

图8 不同真空保持时间色素辣椒干燥速率与干基含水率关系曲线

由图8可知:色素辣椒不同真空保持时间下干燥速率差别不明显,真空保持时间对干燥速率没有显著影响。Arevalo-pinedo和Murr[23]对南瓜进行真空干燥研究时发现,干燥速率先升高再降低;Wu[24]等对茄子进行真空干燥研究中发现,只有降速干燥阶段;Zhang[25]等对三亚甲基三硝铵的真空干燥研究中发现,干燥速率有明显的升速-恒速-降速阶段;白竣文[14]对葡萄进行真空脉动干燥研究时发现,干燥速率呈现出先增加后减少的趋势。其原因可能是:干燥前期,葡萄温度低,干燥速率低;干燥中期,葡萄表皮在循环压力作用下形成多孔道结构,干燥速率逐渐增加;干燥后期,内部水分降低,干燥速率降低。由此可见,真空干燥中,由于干燥对象的不同和干燥前处理方式的差异,导致干燥速率曲线的不同。

2.2.3 真空保持时间对色素辣椒干燥后色泽的影响

预处理后的色素辣椒真空脉动干燥时,不同真空保持时间色泽参数明亮度L*如图9所示。在色素辣椒干燥过程中,随着真空保持时间的增加,色素辣椒色泽参数明亮度L*值呈现先增大再减小的趋势。真空保持时间对色素辣椒色泽参数明亮度L*值有显著影响:真空保持时间为12min时,色素辣椒的明亮度L*值最高,比真空保持时间为18min时的L*值高17.92%。这说明,真空保持时间为12min时,经过烫漂预处理的色素辣椒真空脉动干燥时褐变最少,色泽最好。

图9 不同真空保持时间色素辣椒干燥后色泽参数L*

经过预处理后的色素辣椒真空脉动干燥时不同真空保持时间色泽参数绿红值a*如图10所示。由图10可知:在干燥温度70℃、常压保持时间3min条件下,当真空保持时间分别为6、9、12、15、18min时,色素辣椒干燥后色泽参数绿红值a*值分别为41.27、41.44、44.48、42.79、40.23。随着真空保持时间的增加,色素辣椒色泽参数绿红值a*值呈现先增大再减小的趋势。真空保持时间为6min和9min时,色素辣椒色泽参数绿红值a*值之间差异不显著;真空保持时间为12min时,色素辣椒的绿红值a*值最高,比真空保持时间为18min的绿红值a*值高10.56%。这说明,真空保持时间为12min,经过烫漂预处理的色素辣椒干燥时红色着色物质的氧化分解最少,护色作用最好。

图10 不同真空保持时间色素辣椒干燥后色泽参数a*

2.2.4真空保持时间对色素辣椒干燥后红色着色物质含量的影响

经预处理后的色素辣椒真空脉动干燥不同真空保持时间红色着色物含量如图11所示。

图11 不同真空保持时间色素辣椒红色着色物含量

由图11可知:当干燥温度为70℃、常压保持时间为3min时,随着真空保持时间的增加,色素辣椒红色着色物含量逐渐升高,并在真空保持时间为12min时达到峰值,而后趋于下降。真空保持时间对红色着色物含量有显著影响:真空保持时间为6min和9min时,色素辣椒红色着色物含量差异不显著;真空保持时间为12min时,色素辣椒红色着色物含量比6min时高25.51%。这说明,真空保持时间为12min时,经烫漂预处理的色素辣椒红色着色物氧化和分解最少。

2.3 常压保持时间对色素辣椒干燥动力学及品质的影响

2.3.1 常压保持时间对色素辣椒水分比的影响

预处理后的色素辣椒在干燥温度70℃、真空保持时间12min条件下,常压保持时间为3、6、9、12min时水分比和干燥时间之间的关系曲线如图12所示。由图12可知:①干燥水分比均随着干燥时间的增加而逐渐减少,干燥初期水分比下降明显,干燥后期水分比下降减缓;②常压保持时间对干燥时间有显著性影响。色素辣椒的干燥时间随着常压时间的增加先减少后增加,白竣文[14]对葡萄进行真空脉动干燥研究时也得到了相似结论。

图12 常压保持时间下色素辣椒水分比随干燥时间的变化曲线Fig.12 Curve of drying water ratio of pigment pepper with drying time under different atmospheric pressure holding time

2.3.2 常压保持时间对色素辣椒干燥速率的影响

不同常压保持时间下色素辣椒的干燥速率随干基含水率变化曲线如图13所示。由图13可知:①色素辣椒真空脉动干燥过程中,干燥速率随干基含水率的减少而不断下降,干燥过程没有恒速阶段,都处于降速干燥阶段;②常压保持时间对干燥速率有显著性影响。色素辣椒干基含水率降到0.5g/g以下时,不同常压保持时间下干燥速率差别不明显。

2.3.3不同常压保持时间对色素辣椒干燥后色泽的影响

经过预处理后的色素辣椒真空脉动干燥时,不同常压保持时间色泽参数明亮度L*如图14所示。在干燥温度70℃、真空保持时间12min条件下,且常压保持时间分别为3、6、9、12min时,色素辣椒干燥后色泽参数明亮度L*值分别为45.92、44.26、42.38和41.31。随着常压保持时间的增加,色素辣椒色泽参数明亮度L*值呈现逐渐减小的趋势。常压保持时间对色素辣椒色泽参数明亮度L*值有显著影响:常压保持时间为3min时,色素辣椒的明亮度L*值最高,比常压保持时间为12min时的L*值高11.16%。这说明,常压保持时间为3min时经过烫漂预处理的色素辣椒真空脉动干燥时褐变最少,色泽最好。

图13 不同常压保持时间下色素辣椒干燥速率和干基含水率关系Fig.13 Curve of the drying rate of pigment pepper with dry base moisture content at different atmospheric pressure holding time

图14 常压保持时间对色素辣椒干燥后色泽参数L*的影响

经过预处理后的色素辣椒真空脉动干燥时,不同常压保持时间色泽参数绿红值a*如图15所示。当干燥温度为70℃、真空保持时间为12min时,随着常压保持时间的增加,色素辣椒色泽参数绿红值a*值呈现先减小再缓慢增大的趋势。常压保持时间对色素辣椒色泽参数绿红值a*值有显著影响:常压保持时间为6min和9min时,色素辣椒的绿红值a*值之间差异不显著;常压保持时间为3min时,色素辣椒的绿红值a*值最高,比常压保持时间为9min时的绿红值a*值高4.71%。这说明,常压保持时间为3min时,经过烫漂预处理的色素辣椒干燥时红色着色物质的氧化分解最少,护色作用最好。

图15 不同常压保持时间色素辣椒干燥后色泽参数a*

2.3.4常压保持时间对色素辣椒干燥后红色着色物质含量的影响

经预处理后的色素辣椒真空脉动干燥不同常压保持时间红色着色物含量如图16所示。

图16 不同常压保持时间色素辣椒红色着色物含量

当干燥温度为70℃、真空保持时间为12min时,常压保持时间对色素辣椒红色着色物含量有显著影响。随着常压保持时间的增加,色素辣椒红色着色物含量呈逐渐减小的趋势,其原因可能是:随着常压时间的增加,色素辣椒在空气中暴露的时间延长,加速了氧化反应的发生,降低了辣椒中红色着色物含量。常压保持时间为3min时,色素辣椒红色着色物含量最高,比12min时高11.31%。这说明,常压保持时间为3min时,经过烫漂预处理的色素辣椒真空脉动干燥时红色着色物氧化和分解最少。谢龙[9]在对枸杞进行真空脉动研究时也发现:随常压保持时间延长,枸杞在氧气中暴露的时间增长,加速氧化反应,造成色泽劣变。

2.4 最优工艺参数研究

根据色素辣椒真空脉动干燥单因素试验结果及分析,选取干燥温度A、真空保持时间B和常压保持时间C为正交试验因素,进行最优干燥参数研究。正交试验因素与水平表如表2所示。

表2 正交试验因素水平表Table 2 Factor level table of orthogonal test

为了用较少的试验来反映整体的水平,选用L9(34)正交表进行试验,正交试验数据计算与分析结果如表3所示。选取色素辣椒中红色着色物含量为试验结果,每组试验分别重复3次,取3次均值作为该组试验结果。正交试验方差分析采用SPSS分析软件,结果如表4所示。

表4 正交试验数据计算与分析

由表3和表4可知:色素辣椒真空脉动干燥后红色着色物含量的影响因素从高到低为干燥温度、常压保持时间、真空保持时间。其中,干燥温度对红色着色物含量影响最显著,常压保持时间对红色着色物含量影响显著,真空保持时间对红色着色物含量影响不显著。真空脉动干燥色素辣椒最优工艺参数组合为A2B2C1。当干燥温度为70℃、真空保持时间为12min、常压保持时间为3min时,经过高温高湿气体射流冲击烫漂预处理的色素辣椒的红色着色物质含量最高。

3 结论

基于真空脉动干燥技术对经过高温高湿气体射流冲击烫漂的色素辣椒进行机械制干加工,研究色素辣椒的干燥动力学及干燥品质(色泽和红色着色物含量)随干燥温度、真空保持时间和常压保持时间的变化规律。利用正交试验的方法得到最优干燥工艺,为色素辣椒干燥过程中品质的提升提供理论依据和技术支持。最后,确定真空脉动干燥色素辣椒最优工艺参数组合为:干燥温度70℃,真空保持时间12min,常压保持时间3min。