袁婷婷 ，李學(xué)瓊 ， 陳厚榮 ，2，3

（1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮質(zhì)量安全風(fēng)險評估實驗室（重慶），重慶 400715；3.西南大學(xué)食品科學(xué)與工程國家級實驗教學(xué)示范中心，重慶 400715；4.重慶市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)指標(biāo)。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(nèi)轉(zhuǎn)化為VA[2]；辣椒堿類化合物是辣椒中引起辛辣味的物質(zhì)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有重要的應(yīng)用價值[3]。鮮辣椒保鮮期很短，在采收后2～3 d內(nèi)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(nèi)部品質(zhì)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(nèi)部品質(zhì)具有十分重要的意義。目前，國內(nèi)辣椒干燥技術(shù)方面的研究有熱風(fēng)干燥[4]、熱泵干燥[1]、微波干燥[4]、紅外線干燥[5]等。而熱風(fēng)干燥技術(shù)作為目前使用最為普遍的干燥加工技術(shù)，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(yīng)用。在熱風(fēng)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(yù)處理的辣椒熱風(fēng)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(fēng)溫度、風(fēng)速等對辣椒干燥特性的影響。王海霞[11]研究了熱風(fēng)溫度、風(fēng)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(biāo)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(fēng)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(fēng)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(nèi)部品質(zhì)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(fēng)干燥條件對辣椒內(nèi)部品質(zhì)（辣椒紅素、辣椒堿含量）的影響，并對干燥條件進(jìn)行優(yōu)化，得到品質(zhì)最佳的辣椒熱風(fēng)干燥的最優(yōu)化工藝參數(shù)，為辣椒熱風(fēng)干燥的實際生產(chǎn)應(yīng)用提供基礎(chǔ)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(biāo)樣（純度97%）、二氫辣椒堿標(biāo)樣（純度90%），以上均為分析純。

1.2 主要儀器設(shè)備

FA2004型分析天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；HC-CB20002型電子天平，慈溪市華徐衡器實業(yè)有限公司產(chǎn)品；DHG-9240A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；2101EJSNA001型可見分光光度計，上海現(xiàn)科分光儀器有限公司產(chǎn)品；Agilent Technologies1260型高效液相色譜儀，安捷倫科技有限公司產(chǎn)品；MJ-BL25B2型美的粉碎機(jī)，廣東美的生活電器制造有限公司產(chǎn)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(chǎn)品；AVM05型風(fēng)速儀，上海君達(dá)儀器儀表有限公司產(chǎn)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(biāo)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(shè)備設(shè)置參數(shù)，待設(shè)備參數(shù)穩(wěn)定后將樣品置于熱風(fēng)干燥機(jī)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(dá)到安全含水率（10%），停止干燥。

1.4 試驗設(shè)計

1.4.1 單因素試驗設(shè)計

探究熱風(fēng)溫度、物料鋪放量和風(fēng)速對辣椒干燥特性和速率的影響。在不同熱風(fēng)溫度60，70，80，90℃；不同鋪放量100，150，200，250 g；不同風(fēng)速1.2，1.4，1.6，1.8 m/s下進(jìn)行試驗，每隔一段時間后取出物料辣椒，在電子天平上進(jìn)行稱量，記錄數(shù)據(jù)。直至達(dá)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(shè)計

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以辣椒紅素、辣椒堿、二氫辣椒堿為響應(yīng)值，利用Design Expert響應(yīng)面分析軟件，進(jìn)行三因素三水平的Box-Behnken試驗設(shè)計，得到響應(yīng)面試驗方案[13]。

1.4.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計

利用多目標(biāo)規(guī)劃的求解方法——幾何加權(quán)法[14]對3個目標(biāo)函數(shù)Y1（辣椒紅素）、Y2（辣椒堿）、Y3（二氫辣椒堿）進(jìn)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(quán)重加權(quán)平均計算，得到研究辣椒內(nèi)部品質(zhì)的綜合指標(biāo)Y4。最后利用Design Expert軟件，建立以綜合指標(biāo)Y4為響應(yīng)值的二次多項回歸模型，優(yōu)化綜合指標(biāo)的工藝參數(shù)進(jìn)而得到熱風(fēng)干燥辣椒的最佳條件。

1.5 指標(biāo)測定

1.5.1 辣椒紅素的測定[15-16]

配制標(biāo)準(zhǔn)比色液：稱取0.030 0 g重絡(luò)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(qiáng)度160）振蕩40 min；再加入40 mL丙酮，搖床（強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)比色液于波長460 nm處的吸光度（AS）。

結(jié)果計算：

儀器校準(zhǔn)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(zhì)量，g。

1.5.2 辣椒堿及二氫辣椒堿的測定[17-20]

（1） 標(biāo)準(zhǔn)樣品的制取。將20 mg二氫辣椒堿和20 mg辣椒堿標(biāo)樣標(biāo)樣分別溶于甲醇（分析純），甲醇定容至100 mL，然后進(jìn)行梯度稀釋，制取質(zhì)量濃度為 10，20，50，100，200 μg/mL 的二氫辣椒堿和辣椒堿標(biāo)準(zhǔn)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(jī)相濾膜，裝進(jìn)液相小瓶，進(jìn)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(jìn)樣量為 10 μL。

辣椒堿標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1，二氫辣椒堿標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖2，辣椒堿10 μg/mL標(biāo)品色譜見圖3，二氫辣椒堿10 μg/mL標(biāo)品色譜見圖4，熱風(fēng)干燥樣品典型色譜見圖5。

圖1 辣椒堿標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖2 二氫辣椒堿標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.5.3 含水率和干燥速率測定

圖3 辣椒堿10 μg/mL標(biāo)品色譜

圖4 二氫辣椒堿10 μg/mL標(biāo)品色譜

圖5 熱風(fēng)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(zhì)量，g；

Qg——干料（辣椒）的質(zhì)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(biāo)的計算[14]

（1）幾何加權(quán)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(biāo)計算公式（含加權(quán)計算）。

根據(jù)各指標(biāo)的重要性設(shè)置各指標(biāo)的權(quán)重，計算綜合指標(biāo)：

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(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果與分析

2.1.1 熱風(fēng)溫度對辣椒干燥特性的影響

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

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

圖6 不同熱風(fēng)溫度下的辣椒熱風(fēng)干燥曲線

圖7 不同熱風(fēng)溫度下的辣椒熱風(fēng)干燥速率

由圖6可知，辣椒干燥特性受熱風(fēng)溫度影響較大。熱風(fēng)溫度越高，辣椒干燥曲線越陡，達(dá)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(fēng)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(fēng)溫度上升，干燥速率增大。90℃時辣椒干燥速率最大。但是熱風(fēng)溫度過高有可能對辣椒內(nèi)部品質(zhì)有影響，綜合以上不同熱風(fēng)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(jìn)行試驗。

2.1.2 風(fēng)速對辣椒干燥特性對影響

在熱風(fēng)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(fēng)速下進(jìn)行干燥，測定并計算出含水率和干燥速率，直至達(dá)到安全含水率10%及以下，停止干燥。

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

圖8 不同風(fēng)速下的辣椒熱風(fēng)干燥曲線

圖9 不同風(fēng)速下的辣椒熱風(fēng)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(fēng)速對辣椒干燥影響不明顯。綜合以上不同風(fēng)速下的辣椒干燥曲線和速率曲線，試驗選擇風(fēng)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(jìn)行試驗。

2.1.3 物料鋪放量對辣椒干燥特性對影響

在熱風(fēng)溫度80℃，風(fēng)速1.8 m/s的條件下，分別用100，150，200，250 g辣椒進(jìn)行干燥，測定并計算出含水率和干燥速率，直至達(dá)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(fēng)干燥曲線見圖10，不同物料鋪放量辣椒的熱風(fēng)干燥速率曲線見圖11。

由圖10可知，在設(shè)定的物料鋪放量范圍內(nèi)，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(dá)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(dá)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(fēng)干燥曲線

圖11 不同物料鋪放量辣椒的熱風(fēng)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?？紤]到實際生產(chǎn)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(jìn)行試驗。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果分析

2.2.1 熱風(fēng)干燥響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

利用Design Expert軟件，選擇Box-Behnken設(shè)計試驗，以熱風(fēng)溫度、物料鋪放量、風(fēng)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(yīng)值設(shè)計試驗方案，再根據(jù)試驗結(jié)果計算得到綜合指標(biāo)的試驗值。

響應(yīng)面試驗因素與水平設(shè)計見表1，響應(yīng)面試驗結(jié)果與分析見表2。

表1 響應(yīng)面試驗因素與水平設(shè)計

表2 響應(yīng)面試驗結(jié)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(biāo)為響應(yīng)值進(jìn)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(biāo)模型方差分析見表3。

由表3可知，以綜合指標(biāo)為響應(yīng)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(zhǔn)確地分析和預(yù)測綜合指標(biāo)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(biāo)模型方差分析

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

綜合指標(biāo)的回歸方程系數(shù)及顯著性檢驗結(jié)果見表4。

表4 綜合指標(biāo)的回歸方程系數(shù)及顯著性檢驗結(jié)果

2.2.3 響應(yīng)面分析

不同熱風(fēng)溫度、物料鋪放量對綜合指標(biāo)的影響見圖12，不同熱風(fēng)溫度、風(fēng)速對綜合指標(biāo)的影響見圖13，不同風(fēng)速、物料鋪放量對綜合指標(biāo)的影響見圖14。

圖12 不同熱風(fēng)溫度、物料鋪放量對綜合指標(biāo)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(fēng)溫度、風(fēng)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(biāo)的交互影響曲面圖。由圖12～圖14可知，熱風(fēng)溫度對綜合指標(biāo)的影響最為顯著，表現(xiàn)為曲線較陡；而物料鋪放量和風(fēng)速次之，表現(xiàn)為曲線較為平滑。在風(fēng)速和鋪放量不變的條件下，綜合指標(biāo)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(fēng)溫度和物料鋪放量對綜合指標(biāo)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(fēng)溫度和風(fēng)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(fēng)速的交互作用較不顯著，表現(xiàn)為等高線稀疏。結(jié)果與方差分析結(jié)果相似。

圖13 不同熱風(fēng)溫度、風(fēng)速對綜合指標(biāo)的影響

圖14 不同風(fēng)速、物料鋪放量對綜合指標(biāo)的影響

2.2.4 參數(shù)優(yōu)化

利用Design Expert軟件，得到的熱風(fēng)干燥下辣椒品質(zhì)最佳的最優(yōu)化工藝條件為熱風(fēng)溫度76.5℃，物料鋪放量150 g，風(fēng)速1.58 m/s，此條件下綜合指標(biāo)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(yīng)面優(yōu)化的17組試驗中，需進(jìn)一步進(jìn)行試驗驗證。為了便于參數(shù)驗證，取熱風(fēng)溫度76℃，物料鋪放量150 g，風(fēng)速1.6 m/s。在此條件下進(jìn)行3組平行試驗。驗證試驗結(jié)果表明，在最佳干燥條件下，3組試驗的綜合指標(biāo)分別為0.828 323，0.831 933，0.829 645，與預(yù)測值相近，優(yōu)化結(jié)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(jié)論

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

采用單因素試驗和響應(yīng)面分析法對熱風(fēng)干燥辣椒的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，分析了熱風(fēng)溫度、物料鋪放量和風(fēng)速與辣椒紅素含量、辣椒堿含量、二氫辣椒堿含量之間的關(guān)系，建立了以綜合指標(biāo)為響應(yīng)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(nèi)部品質(zhì)最優(yōu)的熱風(fēng)干燥最佳工藝參數(shù)為熱風(fēng)溫度76.5℃，物料鋪放量150 g，風(fēng)速1.58 m/s。此干燥條件下，得到的最優(yōu)化綜合指標(biāo)值為0.833 105。在上述優(yōu)化條件下進(jìn)行試驗驗證，驗證結(jié)果說明優(yōu)化結(jié)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。