彭林，王玲，李馨影，周琦，闞建全,2,3，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(xiǎn)評估實(shí)驗(yàn)室(重慶)，重慶，400715)3(食品科學(xué)與工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(西南大學(xué))，重慶，400715)

辣椒，茄科辣椒屬，為1年或多年的草本植被[1]。辣椒含有多酚、辣椒堿類化合物、VC等多種功能性成分。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)化為維生素A[2]；辣椒堿類化合物是辣椒具有辣味的主要原因，其具有緩解疼痛、清除自由基、抑菌等特殊生理功能[3-5]。故而，辣椒紅素、辣椒堿及二氫辣椒堿是評價(jià)辣椒品質(zhì)的重要指標(biāo)。但新鮮辣椒具有季節(jié)性且其不耐貯藏，辣椒干燥就顯得十分重要。目前國內(nèi)辣椒干燥方面的研究主要有熱風(fēng)干燥[6-9]、微波干燥[10-11]、熱泵干燥[12]等。其中，微波干燥具有加熱均勻、速度快、效率高且便于工業(yè)化推廣應(yīng)用等特點(diǎn)，在農(nóng)產(chǎn)品干燥方面得到廣泛應(yīng)用[13-16]。目前對辣椒微波干燥的研究主要是外在品質(zhì)及干燥特性的研究，而干燥條件對內(nèi)部品質(zhì)，特別是辣椒紅素、辣椒堿、二氫辣椒堿的影響研究鮮見。因此選取辣椒紅素含量、辣椒堿含量、二氫辣椒堿含量等內(nèi)在品質(zhì)作為評價(jià)指標(biāo)，通過幾何加權(quán)法[17]求解多目標(biāo)規(guī)劃問題，將其轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)，得到綜合指標(biāo)，優(yōu)化辣椒微波干燥工藝參數(shù)，對于提高辣椒微波干燥品質(zhì)及微波干燥技術(shù)在辣椒生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮紅朝天椒，重慶市北碚區(qū)天生麗街永輝超市生鮮部；丙酮(分析純)，成都市科峰化學(xué)品有限公司；硫酸銨鈷(分析純)，成都市科峰化學(xué)品有限公司；重鉻酸鉀(分析純)，成都市科峰化學(xué)品有限公司；H2SO4(1.8 mol/L)，成都市科峰化學(xué)品有限公司；甲醇(分析純)，成都市科峰化學(xué)品有限公司；甲醇(色譜純)，成都市科峰化學(xué)品有限公司；四氫呋喃(分析純)，成都市科峰化學(xué)品有限公司；辣椒堿標(biāo)樣,97%純度；二氫辣椒堿標(biāo)樣,90%純度。

1.2 主要儀器與設(shè)備

FA2004型分析天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；HC-CB20002型電子天平，慈溪市華徐衡器實(shí)業(yè)有限公司；40目、100目(干燥盤、固定鋪放面積)標(biāo)準(zhǔn)樣篩，江彬篩具廠；RWB-08S實(shí)驗(yàn)用小型微波干燥設(shè)備(800W)，南京蘇恩瑞實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；2101EJSNA001型可見分光光度計(jì)，上海現(xiàn)科分光儀器有限公司；Agilent technologies1260型高效液相色譜儀，安捷倫科技有限公司； MJ-BL25B2型美的粉碎機(jī)，廣東美的生活電器制造有限公司；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。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

選材→去除辣椒頭→稱重→裝盤→干燥→指標(biāo)測定

選取大小一致的紅朝天椒，去除辣椒頭，稱重平鋪于物料網(wǎng)盤中，置于干燥設(shè)備中干燥，按照設(shè)定的微波加熱時(shí)間進(jìn)行加熱，然后取出，冷卻，稱量，記錄數(shù)據(jù)并觀察辣椒干燥情況，循環(huán)往復(fù)，直至達(dá)到安全含水率(10%)，停止干燥。

1.3.2 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)情況，選取微波功率(210、280、350、420 W)、鋪放量(50、70、90、110 g)和間歇微波加熱時(shí)間(40、50、60、70 s)為試驗(yàn)因素，研究3個(gè)因素對辣椒干燥特性的影響。

1.3.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將辣椒紅素、辣椒堿、二氫辣椒堿通過幾何加權(quán)法求解多目標(biāo)規(guī)劃問題進(jìn)行量綱統(tǒng)一歸一化，并根據(jù)其重要性，得到辣椒微波干燥的綜合指標(biāo)Y，利用響應(yīng)面分析軟件，進(jìn)行3因素3水平的Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到綜合指標(biāo)回歸數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)一步利用Design-Expert8.06軟件，得出辣椒的優(yōu)最綜合指標(biāo)及對應(yīng)的微波干燥條件。

根據(jù)辣椒單因素試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮各因素對辣椒干燥特性的影響，去除外觀品質(zhì)較差的水平，進(jìn)行3因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn)。選取各因素的水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels in response surface design

1.4 指標(biāo)測定

1.4.1 辣椒紅素的測定

根據(jù)《辣椒及其制品中紅色素測定——分光光度法》中的方法稍作改動(dòng)[18]。

稱取0.030 0 g重絡(luò)酸鉀和3.496 g硫酸銨鈷，用1.8 mol/L硫酸溶液定容至100 mL作為標(biāo)準(zhǔn)比色液。

用粉碎機(jī)將干燥后的辣椒樣品粉碎，通過40目標(biāo)準(zhǔn)樣篩篩分，將通過40目篩的辣椒粉樣品儲(chǔ)存于食品級自封袋，并置于干燥器中備用。

稱取1.000 0 g干辣椒粉樣品，置于100 mL容量瓶中，加入60 mL丙酮，搖床(強(qiáng)度160)振蕩40 min后再加入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，460 nm處測吸光值，同時(shí)測定標(biāo)準(zhǔn)比色液在460 nm 處的吸光值。

1.4.2 辣椒堿及二氫辣椒堿的測定

根據(jù)《高效液相色譜法測定辣椒粉中辣椒素的不確定度評定》等中的方法稍作改動(dòng)[19-22]。

標(biāo)準(zhǔn)樣品的制取：將20 mg辣椒堿標(biāo)樣和20 mg二氫辣椒堿標(biāo)樣溶于甲醇(分析純)后定容100 mL后梯度稀釋，制取濃度為10、20、50、100、200 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)樣品。

辣椒堿的提取：精確稱取辣椒粉2.0 g，置于100 mL錐形瓶中，加入25 mL甲醇-四氫呋喃(體積比為1∶1)，在300 W、常溫下超聲提取30 min，過濾于50 mL容量瓶中；濾渣與濾紙置于原錐形瓶中，加入25 mL甲醇-四氫呋喃(體積比為1∶1)，相同條件下超聲提取10 min，過濾，合并濾液，定容至50 mL。

用1 mL注射器在容量瓶中吸取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。

HPLC條件：色譜柱，Shim-PACK C18(4 mm×250 mm，5 μm)；流動(dòng)相75% 甲醇(色譜純、超濾，脫氣)和25% 水(超濾、脫氣)；洗脫時(shí)間18 min；檢測波長280 nm，柱溫30 ℃；流速0.8 mL/min；進(jìn)樣量10 μL。

通過待測液測得的響應(yīng)值(峰面積)，分別在辣椒堿標(biāo)準(zhǔn)曲線及二氫辣椒堿標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得待測液中辣椒堿濃度及二氫辣椒堿濃度。辣椒堿標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=6 542.4x-2 358.9，R2=0.999 9；二氫辣椒堿標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=5 735.1x-3 637.8，R2=0.999 9。

1.5 計(jì)算

1.5.1 儀器校準(zhǔn)系數(shù)(If)

If=0.600/AS

(1)

式中：AS,標(biāo)準(zhǔn)比色液在460 nm處的吸光度；If,儀器校準(zhǔn)系數(shù)。

1.5.2 辣椒紅素計(jì)算

(2)

式中：ASTA,色值，mg/kg；A,460 nm處測定樣品吸光度；164,ASTA換算系數(shù)；W,樣品質(zhì)量，g。

1.5.3 辣椒堿類化合物(辣椒堿、二氫辣椒堿)含量計(jì)算

(3)

式中：X，辣椒堿類化合物的含量，mg/g；ρ，在工作曲線上查出或回歸方程求出的辣椒堿類化合物的含量，μg/mL；m，樣品的質(zhì)量，g；V，待測液的定容體積，mL。

1.5.4 綜合指標(biāo)的計(jì)算-幾何加權(quán)法統(tǒng)一量綱

(4)

式(4)中：Ui，統(tǒng)一量綱值；fi.min，實(shí)驗(yàn)值中的最小值；fi.max，實(shí)驗(yàn)值中的最大值。

根據(jù)各指標(biāo)在綜合指標(biāo)中的重要性：U1∶U2∶U3=4∶3∶3。基于以下主要原因進(jìn)行權(quán)重分配：辣椒堿和二氫辣椒堿均屬于辣椒堿類化合物，賦予二者相同權(quán)重；辣椒紅素功能眾多，主要是呈色，在辣椒工業(yè)中，辣椒的外觀品質(zhì)是消費(fèi)者首要考慮因素，而辣椒堿類化合物主要是呈現(xiàn)辣味，在一定程度上，辣味的強(qiáng)度可以通過辣椒的數(shù)量的增加而增加，因此辣椒紅素的比重較辣椒堿及二氫辣椒堿重；由于辣椒堿、二氫辣椒堿、辣椒紅素均具有重要作用，是辣椒的重要評價(jià)指標(biāo)。故而按照該權(quán)重設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算。

(5)

式(5)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。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用Origin軟件(Version 8.6)對單因素試驗(yàn)做折線圖，進(jìn)行趨勢分析，利用Design-Expert軟件(Version 8.06)對響應(yīng)面試驗(yàn)進(jìn)行線性回歸和方差分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對于單目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化問題，由于目標(biāo)函數(shù)唯一，故而單因素適宜范圍就是唯一的，因此單因素目標(biāo)函數(shù)與優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可保持一致。但對于多目標(biāo)優(yōu)化問題，由于每個(gè)目標(biāo)值的適宜范圍不同，因此單因素條件不唯一，因此要找到每個(gè)目標(biāo)值都較大的同一個(gè)單因素適宜范圍是不可能的?；谝陨显颍鶕?jù)辣椒干燥的具體情況，首先保證辣椒外觀品質(zhì)的情況下，確定單因素適宜范圍，然后在此基礎(chǔ)上考慮內(nèi)部品質(zhì)，對內(nèi)部品質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化。這樣，既首先保證了辣椒的外觀品質(zhì)，又能保證其內(nèi)部品質(zhì)較優(yōu)。以此確定單因素條件。

2.1.1 微波功率對辣椒干燥特性的影響

在鋪放量為90 g、間歇微波加熱時(shí)間為50 s的條件下，研究不同微波功率(210、280、350、420 W)對辣椒干燥特性的影響。

由圖1可知，辣椒干燥曲線受微波功率的影響較大。隨著微波功率的增加，達(dá)到安全含水量的時(shí)間減少，曲線越陡峭。這可能是因?yàn)殡S著微波功率的升高，干燥設(shè)備內(nèi)溫度升高，干燥速度加快，干燥時(shí)間縮短。

圖1 不同微波功率的干燥曲線Fig.1 The drying curve of different microwave power

由圖2可知，辣椒干燥速度曲線受微波功率影響較大。不同微波功率的干燥速度曲線均滿足干燥速度曲線特性規(guī)律，包括升速、恒速、降速3個(gè)階段。在恒速階段，隨著微波功率的增加，干燥速度增加。這可能是因?yàn)殡S著微波功率的升高，設(shè)備內(nèi)溫度升高，干燥速度加快。

圖2 不同微波功率的干燥速度曲線Fig.2 The drying speed curve of different microwave power

根據(jù)單因素干燥試驗(yàn)情況，在微波功率420 W的干燥條件下，辣椒顏色偏黑，感官品質(zhì)較差，故而選取210、280、350 W作為響應(yīng)面試驗(yàn)的微波功率選取水平。

2.1.2 鋪放量對辣椒干燥特性的影響

在微波功率為350 W、間歇微波加熱時(shí)間為50 s的條件下，研究不同鋪放量(50、70、90、110 g)對辣椒干燥特性的影響。

由圖3可知，辣椒干燥曲線受鋪放量的影響較大。隨著鋪放量的增加，達(dá)到安全含水量的時(shí)間增加，曲線越平緩。這可能是因?yàn)殡S著鋪放量的升高，單位質(zhì)量辣椒吸收的微波能較少，干燥時(shí)間增加。

圖3 不同鋪放量的干燥曲線Fig.3 The drying curve of different volume

由圖4可知，辣椒干燥速度曲線受鋪放量影響較大。不同鋪放量的干燥速度曲線均滿足干燥速度曲線特性規(guī)律，包括升速、恒速、降速3個(gè)階段。在恒速階段，隨著鋪放量的增加，干燥速度減慢。這可能是因?yàn)殡S著鋪放量的增加，單位質(zhì)量辣椒吸收的微波能較少，干燥速度減慢。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，鋪放量為50 g時(shí)，烘干出來的辣椒樣品外觀品質(zhì)較差，所以后續(xù)研究中取取鋪放量為70、90、110 g。

圖4 不同鋪放量的干燥速度曲線Fig.4 The drying rate curve of different volume

2.1.3 間歇微波加熱時(shí)間對辣椒干燥特性的影響

在微波功率為350 W、鋪放量為90 g的條件下，研究不同間歇微波加熱時(shí)間(40、50、60、70 s)對辣椒干燥特性的影響。

由圖5可知，辣椒干燥曲線受間歇微波加熱時(shí)間的影響較大。

圖5 不同間歇微波加熱時(shí)間干燥曲線Fig.5 drying curve of different intermittent microwave heating time

隨著間歇微波加熱時(shí)間的增加，達(dá)到安全含水量的時(shí)間減少，曲線越陡峭。這可能是因?yàn)殡S著間歇微波加熱時(shí)間的升高，干燥設(shè)備內(nèi)溫度持續(xù)增加，干燥速度加快，干燥時(shí)間減少。

由圖6可知，辣椒干燥速度曲線受間歇微波加熱時(shí)間影響較大。

圖6 不同間歇微波加熱時(shí)間的干燥速度曲線Fig.6 drying rate curve of different intermittent microwave heating time

不同間歇微波加熱時(shí)間的干燥速度曲線均滿足干燥速度曲線特性規(guī)律，包括升速、恒速、降速3個(gè)階段。在恒速階段，隨著間歇微波加熱時(shí)間的增加，干燥速度增大。這可能是因?yàn)殡S著間歇微波加熱時(shí)間的增加，設(shè)備內(nèi)溫度持續(xù)升高，干燥速度加快。

根據(jù)單因素干燥試驗(yàn)情況，在間歇微波加熱時(shí)間為70 s的干燥條件下，辣椒的感官品質(zhì)較差，故而選取40、50、60 s作為響應(yīng)面試驗(yàn)的微波功率選取水平。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用Design-Expert8.06分析軟件,采用Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn),以微波功率、鋪放量、間歇微波加熱時(shí)間為自變量,以基于幾何加權(quán)法統(tǒng)一量綱求解的綜合指標(biāo)的為響應(yīng)值對微波干燥辣椒的工藝進(jìn)行優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

2.2.1 綜合指標(biāo)的回歸方程及方差分析。

軟件分析結(jié)果得到二次多項(xiàng)式回歸方程為:

剔除不顯著選項(xiàng)后得到：

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Scheme and experimental results for response surface design

表3 回歸方程系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Analysis results of significance test of the regression coefficients

2.2.2 響應(yīng)面結(jié)果分析

由圖7可知，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)間歇微波加熱時(shí)間一定時(shí)，綜合指標(biāo)隨微波功率的增加先增加后減??；當(dāng)微波功率一定時(shí)，綜合指標(biāo)隨間歇微波加熱時(shí)間的增加緩慢增加。

圖7 微波功率和間歇微波加熱時(shí)間對綜合指標(biāo)的影響Fig.7 The influence of microwave power and intermittent microwave heating time on comprehensive indexes

曲面較為陡峭，說明微波功率和鋪放量對微波干燥后辣椒的綜合指標(biāo)影響較大。等高線為橢圓形，微波功率與鋪放量的交互作用顯著。

由圖8可知，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)間歇微波加熱時(shí)間一定時(shí)，綜合指標(biāo)隨鋪放量的增加先增加后減?。划?dāng)鋪放量一定時(shí)，綜合指標(biāo)隨間歇微波加熱時(shí)間的增加緩慢增加。曲面較為陡峭，說明間歇微波加熱時(shí)間和鋪放量對微波干燥后辣椒的綜合指標(biāo)影響較大。等高線為橢圓形，間歇微波加熱時(shí)間與鋪放量的交互作用顯著。

圖8 鋪放量及間歇微波加熱時(shí)間對綜合指標(biāo)的影響Fig.8 The influence of the volume and intermittent microwave heating time on the comprehensive index

2.3 微波干燥辣椒工藝的綜合指標(biāo)優(yōu)化及驗(yàn)證

利用Design-Expert.V8.0.6軟件,剔除不顯著因素后，通過設(shè)定綜合指標(biāo)取最大值,對辣椒微波干燥進(jìn)行工藝優(yōu)化,得到微波功率281.12 W、鋪放量90.42 g、間歇微波加熱時(shí)間40 s，在此條件下,綜合指標(biāo)0.900 276。

為進(jìn)一步驗(yàn)證回歸方程的準(zhǔn)確性和有效性,根據(jù)最佳工藝條件設(shè)置設(shè)備參數(shù),進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)(微波功率280 W、鋪放量90 g、間歇微波時(shí)間40 s,得到辣椒紅素42.293 724 mg/kg、辣椒堿2.157 435 6 mg/g、二氫辣椒堿0.930 236 128 mg/g，根據(jù)幾何加權(quán)法統(tǒng)一量綱得到綜合指標(biāo)0.880 702 321，與預(yù)測值相近,驗(yàn)證結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果的誤差為2.17%,可見回歸模型能很好地預(yù)測干制辣椒綜合指標(biāo)情況，優(yōu)化結(jié)果可靠。

3 結(jié)論

采用單因素試驗(yàn)，分析了微波干燥條件對辣椒干燥特性及外觀品質(zhì)的影響，并確定了干燥條件的適宜范圍。

利用幾何加權(quán)法對辣椒紅素、辣椒堿、二氫辣椒堿進(jìn)行統(tǒng)一量綱，得到辣椒微波干燥綜合指標(biāo)；利用Design-Expert.V8.0.6軟件對辣椒微波干燥的優(yōu)化工藝進(jìn)行綜合指標(biāo)優(yōu)化，得到綜合指標(biāo)的優(yōu)化條件為微波功率281.12 W、鋪放量90.42 g、間歇微波加熱時(shí)間40 s，在此條件下,綜合指標(biāo)0.900 276，優(yōu)化結(jié)果可靠，可以為辣椒的微波干燥生產(chǎn)實(shí)際提供理論依據(jù)。