高温高湿气体射流冲击烫漂对辣椒粉品质的影响

裴昱鹏1,杨恺雯1,李栋1,杨旭海2,沈刚3,肖红伟1*

1(中国农业大学 工学院,北京,100083)2(石河子大学 机械电气工程学院,新疆 石河子,832001)3(四川南充首创科技开发有限公司,四川 南充,637131)

摘 要 为阐明高温高湿气体射流冲击烫漂对辣椒粉品质特性的影响,该实验采用了不同的烫漂时间(0、30、60、90、120、150 s)对辣椒进行烫漂处理,测定了干燥后辣椒粉的品质指标包括色泽、维生素C含量、总黄酮含量、红色素含量、类胡萝卜素含量、总酚含量、抗氧化活性(DPPH自由基清除能力及铁离子还原能力),并观察了微观结构变化。结果表明,辣椒粉的色泽变化较大,其中L*显著下降,a*b*显著上升,总色差先上升后减小;随着烫漂时间的增加,维生素C含量和总酚含量先上升后下降,分别在烫漂30和60 s达到最大值,分别为(84.95±6.86) mg/g和(3.68±0.31) mg/(GAE·g),类胡萝卜素、红色素和总黄酮含量则明显下降;辣椒粉的抗氧化活性随着烫漂时间先增加后减小,在烫漂60 s时达到巅峰值;微观结构的变化显示,烫漂90 s便会剧烈破坏辣椒细胞的完整性,细胞壁与细胞膜发生严重变形。总之,烫漂30 s或者60 s可以被认为是最佳的烫漂条件,有利于辣椒营养物质的保留。

关键词 辣椒;高温高湿气体射流冲击烫漂;品质;抗氧化活性;微观结构;相关性分析

辣椒是一种重要的调味料,随生产技术的迅速发展,我国辣椒产业得到大力推广。据联合国粮农组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)统计,2020年我国辣椒年产量达到1 960万t,位居全球第一,这充分说明辣椒是我国一种重要的蔬菜作物[1]。辣椒营养价值极高,包含有辣椒红色素、辣椒碱、维生素C(含量居蔬菜之首)、有机酸、蛋白质、糖和矿物质等多种成分[2],具有一定的温中健胃功效[3]

新鲜辣椒含水率较高(60%~85%),加之收获季节正值雨季,因此需及时进行产地干燥处理以避免辣椒采后受到微生物侵染从而导致发霉及腐败变质等情况[4]。干燥的辣椒粉是目前市场上的主要产品形式之一,方便运输且货架期较长。但辣椒是难以干燥的物料之一,主要原因是辣椒表层被一层结构致密的蜡质层覆盖,抑制了干燥过程中的水分迁移,而且在长时间的干燥过程中,受到光、氧气、热等影响,辣椒营养物质降解严重,表面色泽会产生劣变,产品市场价值下滑[5]。烫漂是一种传统预处理方式,目前常用的烫漂技术为热水烫漂和微波烫漂。陈岗等[6]研究了热水烫漂对小米辣多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)和硬度的影响,结果表明烫漂温度、时间和料液比均能显著降低PPO活性和硬度。DORANTES-ALVAREZ等[7]发现辣椒在微波烫漂之后酶活性完全丧失,同时酚类物质的含量上升,抗氧化活性提高。

高温高湿气体射流冲击烫漂是一种新型烫漂技术,目前该技术已经成功应用于苹果[8]、山药[9]、杏子[10]等物料的烫漂。前期研究表明高温高湿气体射流冲击烫漂显著提高了辣椒的干燥速率,烫漂120 s时干燥时间为6 h,比未烫漂辣椒干燥时间缩短了7 h,并且此时PPO活性降至7%[11],但目前对干燥后辣椒理化性质的研究较少,因此,本文以未经烫漂的辣椒作为对照组,设定不同的烫漂时间,系统研究了高温高湿气体射流冲击烫漂对辣椒粉理化性质的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

辣椒,品种为美人椒,市售。

1.2 试剂

甲醇、95%乙醇、正己烷、丙酮,现代东方(北京)科技发展有限公司;没食子酸、氯化三苯四氮唑(2,3,5-triphenyltetrazolium chloride,TPTZ),上海叶源生物公司;福林酚、2,6-二氯酚靛酚钠,北京Coolaber有限公司;Na2CO3、醋酸钠、FeCl3、冰醋酸、Al(NO3)3,中国国药集团;抗坏血酸、NaOH,西陇科学公司;DPPH,西格玛试剂公司:NaNO2,上海生工生物股份有限公司;酚酞,山东临沂永安化验室。

1.3 主要仪器与设备

TU-1810 紫外可见分光光度计,北京普析通用仪器有限公司;GL-20G-H 冷冻离心机,上海安亭科学仪器厂;KQ5200DE 超声提取器,昆山市超声仪器有限公司;Lab Scan XE 分光测色仪,美国Hunter Lab公司;XR53648 数显恒温水浴锅,西城新瑞仪器厂;7650 透射电子显微镜,日本HITACHI公司;XH-C旋涡混合仪,江苏金怡仪器科技有限公司。

1.4 实验方法

1.4.1 高温高湿气体射流冲击烫漂处理

挑选重量与规格近似的物料以最小化物理特性对实验结果的影响。试验前,将辣椒从4 ℃冰箱中取出直至其恢复至室温,随即清洗样品以去除其表面的灰尘。

烫漂处理:实验所用高温高湿气体射流冲击烫漂设备由中国农业大学工学院农产品加工技术与装备实验室设计研发,设备原理图和实物图如图1所示[11]。该设备以高温高湿气体为烫漂介质,经离心风机加速之后经过一定的喷嘴高速喷射到物料表面,对物料进行烫漂。前期研究表明,相同体积和温度下的高温高湿气体的热焓值要显著高于热空气,传热效率高[8]。根据实验预处理,设定相关实验参数为风速 (14.0±0.5) m/s、温度110 ℃和相对湿度 35%~40%。将150 g样品均匀单层铺置于料盘中,分别烫漂30、60、90、120、150 s,随后取出料盘,将辣椒冷却至室温,待用。未经烫漂的辣椒为对照组。

1-蒸汽发生器;2-温度风速控制器;3-蒸汽导管;4-常开阀;5-常闭阀;6-射流冲击回风导管;7-离心风机;8-电加热管;9-进风管道;10-气流分配室;11-温度传感器;12-湿度传感器;13-干燥室;14-物料;15-物料托盘
图1 高温高湿气体射流冲击烫漂设备原理图与实物图
Fig.1 Schematic diagram and photo of equipment used for HHAIB treatment and impingement drying

1.4.2 气体射流冲击干燥处理

采用气体射流冲击干燥设备进行干燥,由中国农业大学工学院农产品加工技术与装备实验室设计研发。根据预实验,将100 g辣椒样品(烫漂和未烫漂)单层平铺于不锈钢网状料盘中,设定干燥风温(65±1) ℃,风速(14.0±0.5) m/s,干燥终点为湿基含水率小于10%。将干制的辣椒去籽打粉,过60目筛子。

1.4.3 色泽的测定

参考周子丹等[12]的方法。依据CIELab表色体系来测量L*a*b*。按公式(1)计算各组辣椒粉的色差ΔE*。重复3次。

(1)

式中:L*a*b*,经过烫漂处理后辣椒粉的色泽参数值;L0*a0*b0*,不经烫漂处理的辣椒粉的色泽参数值。

1.4.4 维生素C含量的测定

参照国标GB 5009.86—2016《食品安全国家标准 食品中抗坏血酸的测定》,重复3次。

1.4.5 红色素含量的测定

参考DENG等[13]的方法测定,并略做修改。称取0.05 g辣椒粉于广口瓶中,加入100 mL丙酮,将广口瓶置于振荡机上,室温下以200 r/min的转速避光振荡4 h,随后抽滤收集上清液。在460 nm下测定溶液的吸光度值,使用公式(2)计算辣椒红色素的含量,重复3次。

(2)

式中:ω,辣椒红色素含量,g/kg;A,吸光度值;2.5×105,换算系数;2 250,辣椒红色素的光系数;M,辣椒的水分含量,%;m,辣椒样品质量,g。

1.4.6 总酚含量的测定

提取液的制备:参考曹珍珍等[14]的方法制备,略作修改。称取0.15 g辣椒粉,加入25 mL体积分数70%的甲醇溶液,室温下超声波提取30 min,然后对提取液进行离心(4 ℃,8 000 r/min,15 min),收集上清液置于4 ℃冰箱待测。

总酚含量的测定:吸取0.4 mL上述待测液,加入0.5 mL福林酚试剂,混匀;再加入5.6 mL蒸馏水,静置10 min;加入1.5 mL 20%(质量分数)Na2CO3溶液,混匀;室温静置60 min,以蒸馏水作为对照,720 nm处测定吸光度值,以没食子酸做标准曲线,计算总酚含量,重复3次。

1.4.7 类胡萝卜素含量测定

采取DROGOUDI等[15]的方法测定,并略作修改。取0.1 g辣椒粉,加入25 mL提取液,提取液按照V(正己烷)∶V(丙酮)∶V(甲醇)=10∶1∶1配制。将溶液使用旋涡混合器充分混合,暗处静置1 h。在450 nm处测定吸光度值,重复3次。用提取液溶解β-类胡萝卜素,并做标准曲线。

1.4.8 总黄酮含量的测定

参考康三江等[16]的方法,略有改动。吸取1.4.4中总酚提取液0.5 mL,加入0.3 mL 5%(质量分数)NaNO2溶液,0.3 mL 10%铝盐溶液,0.5 mL mol/L NaOH溶液和2 mL蒸馏水,混匀,在510 nm处测定吸光度值,重复3次。以芦丁标准品做标样绘制标准曲线。

1.4.9 抗氧化活性的测定

采取总酚的提取液来测定抗氧化活性。根据LU等[17]的方法,选择DPPH自由基清除能力和铁离子还原能力(ferric ion reducing antioxidant power,FRAP)2种方案。

DPPH自由基清除能力的测定:配制DPPH工作液,取2 mL DPPH溶液和0.5 mL 1.4.6中总酚提取液混合,在室温下避光反应30 min,在517 nm处测定吸光度值,重复3次,以80%乙醇代替提取液作为空白对照。DPPH自由基清除率计算如公式(3)所示:

DPPH自由基清除率/%=(A1-A0)/A1×100

(3)

式中:A0,实验组吸光度值,A1,对照组吸光度值。

FRAP的测定:配制FRAP工作液,吸取0.2 mL稀释10倍后的1.4.6中总酚提取液,与3.8 mL FRAP待测液混合,在37 ℃条件下水浴30 min,在593 nm处测定吸光度值,重复3次,以纯水代替提取液作为空白对照。

1.4.10 微观结构的观察

根据WANG等[11]的方法,略作改动,采用透射电子显微镜观察观测烫漂之后的微观结构。将烫漂之后的辣椒进行固定,并将固定好的组织包埋在纯Spurr树脂中,最后用超薄切片机切片,每个条件下,观察至少10张图像。

1.4.11 数据处理与分析

采取SPSS和Origin软件进行数据处理,分析及绘图。实验结果以平均值±标准差表示。采用邓肯分析对数据进行显著性分析,当P<0.05时即为差异显著。采用Person法进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同烫漂时间对辣椒粉色泽的影响

干制品色泽的优劣是决定其市场价值的重要指标,能够一定程度上影响消费者对干制品的评价。表1为不同烫漂时间对辣椒粉色泽的影响。随着烫漂时间的增加,L*值先增加后降低,但均高于对照组,不同烫漂时间之间均存在显著性差异(P<0.05),这表明样品亮度逐渐上升;a*b*均则逐渐下降,但不同烫漂时间之间差异不显著(P > 0.05),这表明样品在烫漂之后,红色和黄色变浅,a*逐渐下降主要是因为长时间干燥过程中氧化反应造成的类胡萝卜素的降解,尤其是辣椒红色素含量的下降,会导致颜色的损失[5]E则呈现出先增加后降低的趋势,这可能是因为干燥过程中出现了美拉德反应造成的组织褐变,且烫漂时间的增加造成的组织破坏加剧了这种反应[18]。此外,ΔE的增加可能是由于高温对热敏性成分包括蛋白质和碳水化合物的影响[19]

表1 不同烫漂时间的辣椒粉色泽品质
Table 1 Color quality of red pepper powder under different blanching times

烫漂时间/sL*a*b*ΔE030.67±2.71c40.70±1.59a43.43±2.55a*3034.64±2.34ab35.97±2.78b37.79±4.53ab8.36±2.34b6035.54±2.57ab33.51±3.39b36.48±3.63b15.22±2.34a9036.56±1.04a33.13±3.98b36.52±3.57b13.82±2.34a12033.99±1.24b34.90±3.18b36.84±1.94b9.38±2.34ab15034.30±1.57b35.57±4.81b36.89±3.42b9.19±2.34ab

注:不同字母代表具有显著性差异(下同)

2.2 不同烫漂时间对辣椒粉红色素、维生素C、总酚、类胡萝卜素及总黄酮含量的影响

辣椒富含维生素C,其容易受到温度、O2、pH等因素的影响而降解[20]。不同烫漂时间对维生素C含量的影响如表2所示,观察可知,维生素C的含量先上升,在烫漂30 s时含量最高为(84.95±6.86) mg/g,之后逐渐下降,并小于对照组,呈现出显著性差异(P<0.05)。总酚含量与维生素C呈现出相同的变化趋势,在烫漂60 s时最高,为(3.68±0.31) mg/(GAE·g)。细胞完整性会影响果蔬营养成分的提取[21]。因此,这可能是因为短时间的高温烫漂破坏了辣椒的细胞质膜结构,使得维生素C和总酚更容易被提取溶剂从细胞中萃取出来,但随着烫漂时间增加和后续长时间干燥中的高温造成了维生素C和总酚的大量降解[11]。此外,干燥中的酶促褐变也会造成维生素C和酚类物质的氧化。

表2 不同烫漂时间下辣椒粉营养成分的含量
Table 2 Content of nutrient components of red pepper powder under different blanching times

烫漂时间/s维生素C/(mg·g-1)总酚/[mg·(GAE·g)-1]类胡萝卜素/(μg·g-1)红色素/(g·kg-1)总黄酮/(mg·g-1)069.03±5.42b2.35±0.15bc282.34±11.59a8.29±0.27a6.42±0.14a3084.95±6.86a2.83±0.20b257.92±23.13b8.40±0.22a4.65±0.20b6066.82±2.66b3.68±0.31a236.69±6.39c7.29±0.31b4.93±0.30b9060.82±3.08c2.56±0.22bc203.79±10.99d6.66±0.14c3.35±0.34c12060.94±1.71c2.52±0.08c210.20±12.70d6.77±0.34c3.09±0.21c15059.52±2.11c2.28±0.10c176.04±4.81e5.55±0.28c3.15±0.10c

类胡萝卜素是辣椒中重要的抗氧化活性物质。不同烫漂时间对类胡萝卜含量的影响如表2所示,烫漂时间的增加会使得红辣椒类胡萝卜素的含量显著下降,且不同烫漂时间之间存在显著差异(P<0.05)。其中,对照组类胡萝卜素含量最高,为(282.34±11.59) μg/g。红色素是辣椒中含量较高的类胡萝卜素,容易受到光、温度的影响,如表2所示,红色素含量变化趋势与维生素C含量相同,均随着烫漂时间的增加先上升后下降,30 s时含量最高为(8.40±0.22) g/kg。总黄酮也是主要的生物活性物质,化学性质不稳定。如表2所示,随着烫漂时间的增加,总黄酮含量显著下降,也呈现出和类胡萝卜素含量相同的变化趋势。对照组总黄酮含量最高,为(6.42±0.14) mg/g。这与康三江等[16]的研究一致,表明热处理过程中,类胡萝卜素含量、红色素和总黄酮含量下降的主要因素是酶促氧化和热降解[22]。此外,较长时间的烫漂会导致辣椒组织受到破坏,导致类胡萝卜素等营养物质溶解到细胞间隙,从而使其更容易与热空气接触而降解[18]

2.3 不同烫漂时间对辣椒粉抗氧化活性的影响

从表3中可以看出,辣椒粉的DPPH自由基清除能力和FRAP随着烫漂时间的增加先上升后降低,均在烫漂60 s时达到最大值,此时DPPH清除率高达(41.68±2.24)%,FRAP为(12.16±0.16) mmol Trolox/g,均显著高于对照组和其他烫漂处理。这与2.2中维生素C含量和总酚含量变化的趋势一致。前期研究表明,辣椒的抗氧化活性与多种生物活性成分相关,如酚类物质,类胡萝卜素和维生素C等[23]。ARSLAN等[24]也发现辣椒在长时间的日晒后抗氧化活性显著上升。本实验中抗氧化活性的增加主要归因于活性物质如总酚提取率的提升。此外,高温处理可以钝化与品质劣变相关的酶,如多酚氧化酶和过氧化物酶,BAI等[8]研究表明,当使用高温高湿气体射流冲击烫漂葡萄90 s时,便可将多酚氧化酶活性降至7%,足以防止后续干燥期间的颜色褐变。

表3 不同烫漂时间下辣椒粉的抗氧化活性
Table 3 Antioxidant activity of red pepper powder under different blanching times

烫漂时间/sDPPH清除率/%FRAP/[(mmol Trolox)·g-1]030.03±0.36d10.32±0.13c3033.87±1.13b11.15±0.45b6041.68±2.24a12.16±0.16a9033.15±1.29b10.83±0.48bc12031.78±0.68c10.38±0.10c15032.64±0.61c10.72±0.27c

2.4 微观结构分析

不同烫漂时间对辣椒微观结构的影响如图2所示。对照组即烫漂0 s时,辣椒果肉细胞壁和细胞膜完整性很强,中间层明显清晰可见。在烫漂30 s时,细胞壁依旧完整,中间层开始溶解,细胞膜部分区域受到损伤。在烫漂60 s时,可以看到细胞壁多处已经开始出现断裂情况,中间层溶解,细胞膜结构也遭到破坏。此时细胞结构的破坏有利于维生素C、总酚等活性物质的溶出,这与2.2中得出的结论一致。但在烫漂90 s时,细胞壁破裂进一步加剧,断裂长度扩大。在烫漂120 s时,已经很难看到明显的细胞壁边界,细胞膜部分区域边界同样模糊不清,细胞中间层消失。在烫漂150 s后,细胞壁彻底断裂,细胞膜大部分消失不见。微观结构表明烫漂处理会明显辣椒的细胞壁和细胞膜结构,且程度随着烫漂时间逐渐增加,同时组织结构的过度破坏也会造成后续干燥期间活性物质的大量损失。DENG等[25]采用高温高湿气体射流冲击烫漂技术处理杏子时,发现杏子的细胞壁结构严重退化,削弱了细胞之间的黏附性,破坏了果实质地,降低了水分运动的阻力。

a-0 s;b-30 s;c-60 s;d-90 s;e-120 s;f-150 s
图2 不同烫漂时间对辣椒果肉细胞结构的影响
Fig.2 Effects of different blanching times on the microstructure of red pepper

2.5 聚类分析与相关性结果

图3表示不同烫漂时间下辣椒粉品质指标的热图分析图。

图3 不同烫漂时间下辣椒粉各品质指标的热图分析
Fig.3 Heatmap analysis of red pepper powder under different blanching times

从图3中可以看出,对照组即未经烫漂的样品明显不同于烫漂处理下的样品,因此可以将对照组与实验组明显区分开。此外,不同的品质指标也可以被分为两类,一类为维生素C含量,总黄酮含量,类胡萝卜素含量、红色素含量和a*,b*;另一类为总酚含量、DPPH自由基清除率、FRAP、L*和ΔE,这体现了不同参数指标之间的差异,同时也表明可以选择少量的指标来快速评价不同烫漂时间对辣椒品质的影响。

采用皮尔森双尾检验,对不同烫漂时间下辣椒粉的品质指标进行相关性分析,结果如图4所示。维生素C含量、类胡萝卜素含量与总黄酮含量呈现出极显著正相关(P<0.01),这与2.2中结论相同。辣椒粉的色泽和品质指标之间也存在相关性,L*与维生素C含量之间呈现极显著负相关(P<0.01),与总黄酮含量呈现显著负相关(P<0.05);a*与总黄酮含量与维生素C含量呈现极显著正相关(P<0.01),与类胡萝卜素含量和红色素含量呈现显著正相关(P<0.05);b*值与维生素C含量呈现极显著正相关(P<0.01),与总黄酮含量呈现显著正相关(P<0.05);至于ΔE,可以发现其与总黄酮含量、维生素C含量和类胡萝卜素含量呈现极显著负相关(P<0.01),与红色素含量和抗氧化活性呈现显著正相关(P<0.05)。此外,辣椒粉的抗氧化活性与总酚含量之间呈现极显著正相关关系(P<0.01),这与2.3中的结论相同。CAMPBELL等[26]发现杏子果实中的抗氧化活性与总酚含量成正相关,这表明总酚是辣椒重要的抗氧化活性物质。

图4 不同烫漂时间下辣椒粉品质指标的相关关系数热图
Fig.4 Heatmap for Pearson’s correlation coefficients between different quality directors of red pepper powder under different blanching times

3 结论

本研究探究了不同高温高湿气体射流烫漂时间对辣椒粉的色泽、维生素C、红色素、总黄酮、类胡萝卜素、总酚含量、抗氧化活性和微观结构的影响。结果表明,热烫处理会显著改变辣椒微观结构,造成细胞完整性的破坏。短时间的烫漂处理如30和60 s,可以促进部分营养物质如维生素C和总酚等活性物质的提取,增加辣椒粉的抗氧化活性,改善辣椒粉的品质,但随着烫漂时间的增加,品质会出现较为明显的劣变。此外,辣椒粉的色泽也出现了明显变化,总色差随着烫漂时间增加先上升后下降。聚类分析表明可以通过少量指标快速检测辣椒粉的品质。本文为辣椒高温高湿气体射流冲击烫漂的品质调控提供了理论依据与实验支持。

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Effects of high-humidity hot air impingement blanching on quality attributes of red pepper powder

PEI Yupeng1, YANG Kaiwen1, LI Dong1, YANG Xuhai2, SHEN Gang3, XIAO Hongwei1*

1(College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)2(College of Mechanical and Electric Engineering, Shihezi University, Shihezi 832001, China)3(Sichuan Shou Chuang Technology Development Co.Ltd., Nanchong 637131, China)

ABSTRACT The effects of high-humidity hot air impingement blanching on the quality characteristic of red pepper powder was investigated in this research. The red pepper was treated by different high-humidity hot air impingement blanching times (0, 30, 60, 90, 120, 150 s). After blanching and hot air impingement drying, the content of vitamin C, total flavonoid, total carotenoids, total phenolics, surface color, antioxidant capacity (DPPH and FRAP), and the change of microstructure were evaluated and observed. Results showed that the surface color experienced a huge change, L* decreased significantly, while a* and b*had an opposite trend. The ΔE increased in the early stage, followed by a significant decrease. With the increase of blanching time, the contents of vitamin C and total phenolics increased in the early stage and then decreased, reaching the maximum values of (84.95±6.86) mg/g and (3.68±0.31) mg/(GAE·g) at 30 s and 60 s, respectively. In contrast, the contents of carotenoids, red pigment, and total flavonoids decreased remarkably. The antioxidant activity of the powder showed that with the increase of blanching time, reaching its peak at 60 s. The change of microstructure represented that long-term blanching would destroy the integrity of cells, which meant the cell wall and cell membrane would be severely deformed. To sum up, a blanching time of 30 s or 60 s can be considered as the best high-humidity hot air impingement blanching time, which is conducive to the retention of nutrients in red pepper.

Key words red pepper; high-humidity hot air impingement blanching; quality; antioxidant capacity; microstructure; correlation coefficients

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.031328

引用格式:裴昱鹏,杨恺雯,李栋,等.高温高湿气体射流冲击烫漂对辣椒粉品质的影响[J].食品与发酵工业,2023,49(9):276-282.PEI Yupeng, YANG Kaiwen, LI Dong, et al.Effects of high-humidity hot air impingement blanching on quality attributes of red pepper powder[J].Food and Fermentation Industries,2023,49(9):276-282.

第一作者:硕士研究生(肖红伟副教授为通信作者,E-mail:xhwcaugxy@163.com)

基金项目:国家自然科学基金项目(3186100081)

收稿日期:2022-02-28,改回日期:2022-03-24