青椒(Capsicum annuum var. grossum)是茄科花椒属落叶灌木,由原产中南美洲热带地区的辣椒在北美演化而来,经过长期自然选择和人工培育后,其果肉厚而脆嫩,富含维生素C、胡萝卜素以及辣椒碱、柠檬酸、苹果酸及酒石酸等,具有较高的营养和医学价值[1-2]。目前在我国辽宁、河北、河南、山东等省得到广泛种植,由于其生产季节性强,收获季节气候湿热,鲜青椒含水率高达95%,收获运输过程中极易腐烂变质,贮藏困难。干燥是解决贮藏问题和延长保质期较为可靠的方式,另青椒干制品可以作调味料或制成脱水产品,加工脱水制成的青椒既可防止霉烂现象,又可解决其周年供应的问题[3-4]。
常用的青椒干燥处理方法为自然风干法,自然风干法是最简单易行的对流干燥方法,但自然干燥与温、湿度和风速等气候条件有关,容易受天气的影响,干制产品的品质得不到保障,就青椒而言,自然风干时间周期长,容易造成其干制品的变色且对所含维生素类物质破坏较大[5-6]。目前,应用于青椒的薄层干燥处理方式还有热风干燥、微波干燥和冷冻干燥等,其中热风干燥法通过控制温度和风速等参数达到理想的干燥环境,相对其他方法来说具有操作简便、生产成本低、设备投资小等优点。目前热风干燥技术是最为普遍的干燥加工技术,也是实验室制干青椒最常采用的干燥方式,在辣椒、荔枝、白杏、马铃薯等干燥作业中得到广泛应用[7-9]。邱俊凯[10]选取温度、风速和加载厚度作为辣椒干燥的影响因素,对辣椒进行干燥动力学测试,得到辣椒的干燥特性曲线;袁婷婷等[11]以新鲜红朝天椒为原料,研究热风温度、风速和物料铺放量对辣椒干燥特性的影响,得到干燥曲线和干燥速率曲线,据此确定热风温度、风速和物料铺放量的适宜取值范围。
本研究以新鲜青椒为原料,在不同热风干燥温度(40、50、60 ℃)下,研究了不同规格(10 mm×10 mm、20 mm×20 mm、30 mm×30 mm、40 mm×40 mm和50 mm×50 mm)青椒切块的干燥特性,并利用8种薄层干燥数学模型拟合分析,为进一步探究干燥对青椒理化性质的影响,并对青椒干制品做复水实验,利用Weibull分布函数进行拟合评价,以期为辣椒热风干燥的实际生产应用提供基础数据。
1 材料与方法
1.1 实验材料
青椒,重庆市万州区某农贸市场。实验过程中所用青椒为同一批次,初始含水量约为93.54%,青椒的初始含水量参照GB/T 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》中直接干燥法测定。
1.2 样品制备
新鲜青椒去瓤,将果肉切成不同规格(10 mm×10 mm、20 mm×20 mm、30 mm×30 mm、40 mm×40 mm和50 mm×50 mm)的方块,各规格青椒切块每份称取30 g,每组实验有3个对照组,分别在热风干燥温度为40、50、60 ℃下干燥至安全含水率(前后质量差不超过5 mg)。
1.3 干燥动力学
1.3.1 干基含水量
干基含水量(Md)的计算如公式(1)所示:
(1)
式中:mw,t时刻青椒的质量,g;md,青椒干燥至恒重时的质量(绝干质量),g。
1.3.2 水分比
水分比(moisture ratio,MR)的计算如公式(2)所示:
(2)
式中:M0,初始干基含水率,g/g;Mt,t时刻干基含水率,g/g。
1.3.3 干燥速率
干燥速率(drying rate,DR)的计算如公式(3)所示:
(3)
式中:M1、M2,t1、t2时刻样品的干基含水率,g/g。
1.3.4 有效水分扩散系数
有效水分扩散系数(Deff)的计算如公式(4)所示:
(4)
式中:T,干燥时长,h;L,样品厚度一半,m。
1.3.5 活化能
干燥过程的活化能(Ea)的计算如公式(5)所示:
(5)
式中:D0,前因子,m2/h;T,绝对温度,K;R,摩尔气体常数,J/(mol·K)。
1.3.6 薄层干燥数学模型的构建
为探究青椒干燥过程中水分比变化的最佳数学模型,本研究选取8种常见的薄层干燥数学模型(表1)进行拟合。
表1 八种薄层干燥数学模型
Table 1 Eight mathematical models of thin layer drying
编号模型名称模型公式1LewisMR=exp(-kt)2Henderson and PabisMR=aexp(-kt)3Modified Henderson and PabisMR=aexp(-kt)+bexp(-gt)+cexp(-ht)4PageMR=exp(-ktn)5Modified PageMR=exp[-(kt)n]6LogarithmicMR=aexp(-kt)+c7Two termMR=aexp(-k0t)+bexp(-k1t)8Two term exponentialMR=aexp(-kt)+(1-a)exp(-kat)
1.4 复水动力学
1.4.1 样品制备
取干燥后青椒干制品,不同温度下5种规格青椒每份各取2 g,浸泡于200 mL蒸馏水中,0～0.5 h内每隔10 min称重,0.5～2 h内每隔30 min称重,复水2 h后停止实验。
1.4.2 复水比
复水比(rehydration ratio,RR)的计算如公式(6)所示:
(6)
式中:RR为复水比;mr为干燥青椒复水后的质量,g;md为干燥青椒质量,g。
1.4.3 Weibull分布函数
Weibull分布函数表达式的计算如公式(7)所示:
(7)
式中,M0,初始含水率,表示干基,g/g;M,t时刻(h)的含水率,g/g;Mt,2 h的含水率,g/g;α,尺寸参数;β,形状参数。
利用Oringin根据上述8种薄层干燥数学模型对水分比变化曲线和Weibull分布函数对复水过程中的水分比变化曲线进行拟合求值;获得表达式中各参数值。通过决定系数(R2),卡方值(χ2)、均方根误差(root mean square error, RMSE)判定模型拟合效果。R2、χ2、RMSE的计算分别如公式(8)～公式(10)所示:
(8)
(9)
(10)
式中:MRpre,i,第i个试验预测水分比;MRexp,i,第i个试验水分比;N,试验个数;n,所选用干燥动力学模型中参数的个数。
1.5 皱缩率
皱缩率(Z)可反映干燥后青椒的外观形态变化,且皱缩率对青椒的干燥、复水特性均有较大意义。皱缩率的测定参考朱经楠等[12]的方法,并略作修改,其计算如公式(11)所示:
(11)
式中:S1,烘干前青椒块面积,cm2;S2,烘干后青椒块面积,cm2。
1.6 数据处理
采用Excel对初始数据进行简单的处理、Oringin作数学模型的拟合分析和SPSS作相关性分析。
2 结果与分析
2.1 干燥动力学
2.1.1 青椒切块规格对干燥特性的影响
不同规格青椒切块干燥特性如图1～图3所示。由图1～图3水分比曲线图可知,在40、50、60 ℃干燥温度下,将青椒干燥至安全含水率所需的时间不同,10 mm×10 mm的青椒切块所需的时间最短;50 mm×50 mm的青椒切块所用时间最长,各组实验所需时间基本满足10 mm×10 mm<20 mm×20 mm<30 mm×30 mm<40 mm×40 mm<50 mm×50 mm。这是因为当外界因素相同时,规格越小水分迁徙的距离越短,在热量辅助下,水分短时间内便能从内部挥发出来,达到干燥的目的。张欣等[13]在山药切片真空干燥特性及模型研究中也发现了类似的结论,即物料规格越小,干燥所需时间越短。由图1～图3干燥速率曲线图可知,3种干燥温度下,青椒的干燥速率曲线变化趋势大致相同。通常,物料干燥速率分为升速阶段、恒速阶段和降速阶段。在本研究中,前0.5 h为干燥升速阶段,青椒干燥速率达到最大;0.5 h之后,便为干燥降速阶段,无明显的恒速阶段,这是因为在前0.5 h内被蒸发出来的水大部分是自由水,这部分水具有和水的相同理化性质,干燥速率便在短时间内达到最大;随着干燥的继续,干燥速率降低,这是因为青椒中剩下的结合水被蒸发,结合水通过氢键连接,分子之间的作用力强,其流动性较自由水弱,所以挥发速率远远小于自由水,因此干燥速率降低[14]。
a-水分比曲线图;b-干燥速率曲线图
图1 40 ℃不同规格青椒干燥特性图
Fig.1 Drying characteristics of green pepper with different sizes at 40 ℃
a-水分比曲线图;b-干燥速率曲线图
图2 50 ℃不同规格青椒干燥特性图
Fig.2 Drying characteristics of green pepper with different sizes at 50 ℃
a-水分比曲线图;b-干燥速率曲线图
图3 60 ℃不同规格青椒干燥特性图
Fig.3 Drying characteristics of green pepper with different sizes at 60 ℃
2.1.2 温度对干燥特性的影响
不同干燥温度下40 mm×40 mm青椒切块的干燥特性如图4所示。由图4-a可知,将40 mm×40 mm青椒切块干燥至安全含水率的时间随着干燥温度的增加而缩短,所用时间分别为31 h(40 ℃)、25 h(50 ℃)和16 h(60 ℃),造成这一现象的一个主要原因是温度越高,物料内部与外界形成的温度梯度越大,青椒中水分子做无规则运动越剧烈,将青椒干燥至安全含水率所需时间就越短[15]。由图4-b可知,干燥速率最大值分别为2.124 g/(g·h)(40 ℃)、2.799 g/(g·h)(50 ℃)和2.820 g/(g·h)(60 ℃),平均干燥速率为0.429、0.548、0.883 g/(g·h)。简言之,温度越高,青椒的干燥速率越大。其中,青椒干燥速率先增大后减小,除因为青椒内部水分不同,还有一部分原因是随着干燥的进行,青椒表面水分被蒸发,表面变得更坚硬,阻碍了水分子从青椒内部向外迁移,干燥速率随着时间的延长越来越小。该结果与林雅文等[16]在中短波红外干燥温度对南美白对虾干燥特性、虾青素含量和微观结构的影响研究中的结果基本一致。
a-水分比曲线图;b-干燥速率曲线图
图4 40 mm×40 mm不同干燥温度下青椒的干燥特性
Fig.4 Drying characteristics of 40 mm×40 mm green pepper cuts at different drying temperatures
2.1.3 数学模型的建立
不同规格的青椒切块在不同热风干燥温度下干燥至安全含水率,其数学模型拟合结果见表2～表4。
表2 40 ℃不同规格的青椒热风干燥数学模型拟合结果
Table 2 Mathematical model fitting results of hot air drying of green pepper cuts with different sizes at 40 ℃
规格公式R2χ2RMSE10 mm×10 mmexp(-0.212 7t)0.992 00.025 86.778 1E-41.052 2×exp(-0.223 0t)0.994 50.017 74.792 1E-40.350 7×exp(-0.223 0t)+0.350 7×exp(-0.223 0t)+0.3507×exp(-0.223 1t)0.994 50.017 75.373 0E-4exp(-0.157 2t1.170 7)0.998 90.003 59.519 7E-5exp[-(0.205 8t)1.171 5]0.998 90.003 59.518 2E-5-4.368 5E-6×exp(-530.733 1t)+1-6.89525.527 50.689 90.526 1×exp(-0.223 0t)+0.526 1×exp(-0.223 0t)0.994 50.017 75.066 0E-441.098 3×exp(-0.337 8t)+(-40.098 3)×exp(-0.342 5t)0.999 00.003 18.604 5E-520 mm×20 mmexp(-0.137 0t)0.997 20.012 62.033 8E-41.011 1×exp(-0.138 5t)0.997 20.012 61.732 5E-40.337 0×exp(-0.138 5t)+0.337 0×exp(-0.138 5t)+0.337 0×exp(-0.138 5t)0.997 30.012 12.120 0E-4exp(-0.123 2t1.047 6)0.997 90.009 51.552 5E-4exp[-(0.135 5t)1.047 6]0.997 90.009 51.552 5E-4-7.053 3E-6×exp(-403.123 0t)+1-8.19341.749 40.684 40.505 5×exp(-0.138 5t)+0.505 5×exp(-0.138 5t)0.997 30.012 12.048 1E-443.328 2×exp(-0.179 5t)+(-42.328 2)×exp(-0.180 7t)0.998 20.008 11.342 5E-430 mm×30 mmexp(-0.115 1t)0.989 90.049 67.402 9E-40.987 7×exp(-0.113 7t)0.990 00.048 87.400 4E-40.329 3×exp(-0.113 7t)+0.329 3×exp(-0.113 7t)+0.329 3×exp(-0.113 7t)0.990 00.048 87.877 8E-4exp(-0.106 2t1.033 1)0.990 30.047 67.210 1E-4exp[-(0.114 1t)1.035 5]0.990 30.047 67.208 5E-4-4.105 1E-6×exp(-655.627 3t)+1-7.82243.24 30.655 20.493 8×exp(-0.113 7t)+0.493 8×exp(-0.113 7t)0.990 00.048 87.631 7E-429.146 0×exp(-0.150 5t)+(-28.146 0) ×exp(-0.152 0t)0.991 20.043 16.625 6E-440 mm×40 mmexp(-0.103 0t)0.981 10.092 60.001 51.004 6×exp(-0.103 4t)0.981 20.092 40.001 50.334 9×exp(-0.103 5t)+0.334 9×exp(-0.103 5t)+0.334 9×exp(-0.103 5t)0.981 20.092 40.001 6exp(-0.079 8t1.101 8)0.984 50.076 10.001 3exp[-(0.100 7t)1.105 5]0.984 50.076 10.001 36.298 4E-12×exp(-677.359 5t)+1-6.40336.314 80.595 30.502 3×exp(-0.103 5t)+0.502 3×exp(-0.103 5t)0.981 20.092 40.001 652.007 0×exp(-0.150 6t)+(-51.007 0)×exp(-0.151 9t)0.986 10.068 10.001 150 mm×50 mmexp(-0.096 1t)0.990 20.056 27.028 4E-40.981 2×exp(-0.094 3t)0.990 50.054 16.853 2E-40.327 1×exp(-0.094 3t)+0.327 1×exp(-0.094 3t)+0.327 1×exp(-0.094 3t)0.990 50.054 17.218 7E-4exp(-0.092 1t1.016 2)0.990 30.055 67.032 9E-4exp[-(0.095 6t)1.018 5]0.990 30.055 67.031 5E-41.059 0E-11×exp(-438.204 8t)+1-7.99451.350 00.650 00.490 6×exp(-0.094 3t)+0.490 6×exp(-0.094 3t)0.990 50.054 17.031 2E-41.000 0×exp(-0.096 0t)+(-0.000 01)×exp(-0.096 0t)0.990 20.056 27.209 0E-4
注：表中数学模型名称分别为Lewis、Henderson and Pabis、Modified Henderson and Pabis、Page、Modified Page、Logarithmic、Two term、Two term exponential(下同)。
表3 50 ℃不同规格的青椒热风干燥数学模型拟合结果
Table 3 Mathematical model fitting results of hot air drying of green pepper cuts with different sizes at 50 ℃
规格公式R2χ2RMSE10 mm×10 mmexp(-0.277 5t)0.987 60.030 70.001 11.050 9×exp(-0.290 6t)0.990 20.024 49.381 9E-40.350 3×exp(-0.290 5t)+0.350 3×exp(-0.290 5t)+0.350 3×exp(-0.290 6t)0.990 20.024 40.001 1exp(-0.203 3t1.205 9)0.997 10.007 22.754 5E-4exp[-(0.266 8t)1.206 9]0.997 10.007 22.754 3E-46.022 2E-12×exp(-1 749.934 3t)+1-6.145 517.734 90.682 10.525 4×exp(-0.290 5t)+0.525 4×exp(-0.290 5t)0.990 20.024 40.001 039.463 5×exp(-0.453 2t)+(-38.463 5)×exp(-0.460 3t)0.99730.006 72.662 0E-420 mm×20 mmexp(-0.238 6t)0.997 40.007 11.972 1E-40.998 1×exp(-0.238 1t)0.997 40.007 12.025 9E-40.332 7×exp(-0.238 1t)+0.332 7×exp(-0.238 1t)+0.332 7×exp(-0.238 1t)0.997 40.007 12.287 3E-4exp(-0.2353t1.008 3)0.997 40.007 02.009 7E-4exp[-(0.238 1t)1.008 7]0.997 40.007 02.009 6E-43.859 3E-12×exp(-2 264.502 5t)+1-8.063 024.466 20.699 00.499 1×exp(-0.238 1t)+0.499 1×exp(-0.238 1t)0.997 40.007 12.148 6E-40.997 0×exp(-0.237 9t)+(-0.003 0)×exp(-990.563 5t)0.997 40.007 12.083 8E-430 mm×30 mmexp(-0.171 8t)0.989 70.040 08.696 9E-41.054 9×exp(-0.180 6t)0.992 50.029 46.529 0E-40.351 9×exp(-0.180 6t)+0.351 9×exp(-0.180 6t)+0.351 1×exp(-0.180 6t)0.992 50.029 47.166 0E-4exp(-0.118 0t1.188 8)0.998 10.007 41.637 9E-4exp[-(0.165 7t)1.189 2]0.998 10.007 41.637 9E-41.775 4E-11×exp(-455.723 3t)+1-6.836 930.565 30.679 20.527 4×exp(-0.180 6t)+0.527 4×exp(-0.180 6t)0.992 50.029 46.832 7E-444.226 4×exp(-0.277 4t)+(-43.226 4)×exp(-0.281 1t)0.998 30.006 61.493 1E-440 mm×40 mmexp(-0.164 9t)0.995 90.016 03.200 5E-41.023 0×exp(-0.168 5t)0.996 40.014 12.871 4E-40.341 0×exp(-0.168 5t)+0.341 0×exp(-0.168 5t)+0.341 0×exp(-0.168 6)0.996 40.014 13.126 6E-4exp(-0.140 5t1.078 6)0.997 70.009 11.851 2E-4exp[-(0.162 0t)1.079 2]0.997 70.009 11.851 1E-41.626 0E-11×exp(-489.854 9t)+1-7.656 233.455 50.682 80.511 5×exp(-0.168 5t)+0.511 5×exp(-0.168 5t)0.996 40.014 12.993 6E-450.638 3×exp(-0.229 5t)+(-49.638 3)×exp(-0.231 3t)0.998 00.007 81.632 4E-450 mm×50 mmexp(-0.169 8t)0.996 90.011 92.331 7E-41.013 7×exp(-0.172 1t)0.997 00.011 22.244 4E-40.337 9×exp(-0.172 1t)+0.337 9×exp(-0.172 1t)+0.337 9×exp(-0.172 1t)0.997 00.011 22.439 5E-4exp(-0.152 5t1.053 4)0.997 70.008 71.736 0E-4exp[-(0.167 8t)1.053 8]0.997 70.008 71.735 9E-49.190 4E-12×exp(-796.398 6t)+1-8.152 134.750 00.695 00.506 9×exp(-0.172 1t)+0.506 9×exp(-0.172 1t)0.997 00.011 22.337 9E-41.026 0×exp(-0.158 5t)+(-0.026 0)×exp(4.511 7E-4t)0.998 90.004 28.489 8E-4
表4 60 ℃不同规格的青椒热风干燥数学模型拟合结果
Table 4 Mathematical model fitting results of hot air drying of green pepper cuts with different sizes at 60 ℃
规格公式R2χ2RMSE10 mm×10 mmexp(-0.404 6t)0.968 40.057 50.003 61.083 0×exp(-0.434 3t)0.975 50.044 60.003 00.361 0×exp(-0.434 2t)+0.361 0×exp(-0.434 2t)+0.361 0×exp(-0.434 2t)0.975 50.044 60.004 1exp(-0.254 7t1.417 3)0.996 50.006 44.272 3E-4exp[-(0.381 0t)1.417 9]0.996 50.006 44.272 2E-44.549 2E-12×exp(-3 299.445 4t)+1-4.549 610.095 90.673 10.541 5×exp(-0.434 2t)+0.541 5×exp(-0.434 2t)0.975 50.044 60.003 458.671 0×exp(-0.766 9t)+(-57.671 0)×exp(-0.778 4t)0.994 90.009 36.632 4E-420 mm×20 mmexp(-0.274 7t)0.987 80.027 60.001 11.030 4×exp(-0.282 6t)0.988 80.025 30.001 10.343 5×exp(-0.282 6t)+0.343 5×exp(-0.282 6t)+0.343 5×exp(-0.282 6t)0.988 80.025 30.001 3exp(-0.219 0t1.148 8)0.993 50.014 86.144 6E-4exp[-(0.266 5t)1.149 9]0.993 50.014 86.144 2E-42.898 9E-12×exp(-2 886.828 0t)+1-5.930 115.628 70.651 20.515 2×exp(-0.282 6t)+0.515 2×exp(-0.282 6t)0.988 80.025 30.001 244.810 5×exp(-0.421 8t)+(-43.810 5)×exp(-0.426 7t)0.994 20.013 15.706 8E-430 mm×30 mmexp(-0.260 8t)0.991 90.019 37.137 5E-41.028 8×exp(-0.268 0t)0.992 70.017 26.608 9E-40.342 9×exp(-0.268 0t)+0.342 9×exp(-0.268 0t)+0.342 9×exp(-0.268 0t)0.992 70.017 27.810 6E-4exp(-0.212 0t1.132 1)0.996 50.008 43.217 9E-4exp[-(0.254 0t)1.133 1]0.996 50.008 43.217 6E-42.725 5E-12×exp(-3 196.004 4t)+1-6.187 516.987 70.653 40.514 4×exp(-0.268 0t)+0.514 4×exp(-0.268 0t)0.992 70.017 27.159 7E-432.977 7×exp(-0.393 7t)+(-31.977 7)×exp(-0.399 7t)0.997 00.007 02.814 3E-440 mm×40 mmexp(-0.214 1t)0.987 30.035 40.001 11.031 1×exp(-0.220 4t)0.988 40.032 50.001 10.343 7×exp(-0.220 4t)+0.343 7×exp(-0.220 4t)+0.343 7×exp(-0.220 4t)0.988 40.032 50.001 2exp(-0.164 3t1.149 4)0.993 20.018 96.101 5E-4exp[-(0.207 7t)1.150 3]0.993 20.018 96.101 3E-45.965 5E-12×exp(-1 295.628 6t)+1-6.104 719.834 30.639 80.515 6×exp(-0.220 4t)+0.515 6×exp(-0.220 4t)0.988 40.032 50.001 145.414 5×exp(-0.329 0t)+(-44.414 5)×exp(-0.151 9t)0.994 00.016 75.577 7E-450 mm×50 mmexp(-0.216 4t)0.987 70.036 20.001 11.045 9×exp(-0.225 7t)0.989 80.030 09.377 7E-40.348 6×exp(-0.225 7t)+0.348 6×exp(-0.225 7t)+0.348 6×exp(-0.225 7t)0.989 80.030 00.001 1exp(-0.156 7t1.183 5)0.995 90.012 13.779 6E-4exp[-(0.208 9t)1.184 0]0.995 90.012 13.779 5E-41.049 9E-11×exp(-438.204 8t)+1-6.148 520.979 50.655 60.522 9×exp(-0.225 7t)+0.522 9×exp(-0.225 7t)0.989 80.030 010.001 039.477 7×exp(-0.345 2t)+(-38.477 7)×exp(-0.350 3t)0.996 30.010 93.520 6E-4
由表2～表4可知,所有拟合结果中,Logarithmic不适用于描述青椒干燥过程水分比的变化情况,其R2值均为负值,χ2、RMSE值偏大。其余数学模型拟合结果的R2值均在95%以上,χ2、RMSE值偏小,适用于描述青椒干燥动力学。其中,在规格与热风干燥温度不同的情况下,Page、Modified Page与Two term exponential薄层干燥数学模型的相关系数R2在几个模型中都是最大的,值在0.984 5～0.999 0内变化,且χ2、RMSE值最小,χ2值为0.003 1～0.076 1,RMSE值为1.342 5E14～8.489 8E-4,则说明Page、Modified Page与Two term exponential是描述青椒干燥水分比变化情况的最佳数学模型。该结果与张雪波等[17]在哈密瓜切片热风干燥特性及数学模型中的结果基本保持一致。
2.1.4 青椒干燥过程的有效水分扩散系数和活化能
有效水分扩散系数和活化能是衡量干燥过程中物料脱水能力的重要参数,有效水分扩散系数越高、活化能越小,物料越容易被干燥[18]。不同条件下青椒的有效水分扩散系数见表5,不同规格和不同热风干燥温度下青椒活化能如图5所示。
图5 有效扩散系数与干燥温度之间的关系
Fig.5 Relationship between effective diffusion coefficient and drying temperature
a-40 ℃;b-60 ℃;c-80 ℃
图6 40、60、80 ℃不同规格青椒的复水比
Fig.6 Rehydration ratio of green pepper with different sizes at 40,60,80 ℃
表5 青椒有效水分扩散系数
Table 5 Effective water diffusion coefficient of green pepper
指标40 ℃50 ℃60 ℃10 mm×10 mm20 mm×20 mm30 mm×30 mm40 mm×40 mm50 mm×50 mm10 mm×10 mm20 mm×20 mm30 mm×30 mm40 mm×40 mm50 mm×50 mm10 mm×10 mm20 mm×20 mm30 mm×30 mm40 mm×40 mm50 mm×50 mmDeff/(10-7m2/h)8.437.947.946.027.638.198.437.226.858.038.528.027.637.297.87R299.4898.2297.3598.2898.8496.8997.3399.4598.0498.7398.1397.5496.2395.2197.44
由表5可知,lnMR与时间t线性拟合决定系数R2为95.2～99.4,均大于95%,拟合效果较好;青椒有效水分扩散系数为6.02×10-7～8.52×10-7 m2/h,符合食品物料干燥有效水分扩散系数10-10～10-7 m2/s级范围[19]。同时,青椒有效水分扩散系数受热风干燥温度与规格的影响,规格越小、热风干燥温度越高,有效水分扩散系数越大,青椒越容易被干燥,经皮尔逊相关性分析,规格与有效水分扩散系数的相关系数为-0.602,为负相关;热风干燥温度与有效水分扩散系数的相关系数为0.985,为正相关,但都不显著(P>0.05)。
由图5可知,ln(Deff)与温度的倒数(1/T)之间存在线性关系,基于Arrhenius方程,根据线性回归方程的斜率与截距,计算求得不同规格青椒切块的扩散活化能Ea分别为:Ea(10 mm×10 mm)=2.379 kJ/mol,R2=95.38;Ea(20 mm×20 mm)=6.486 kJ/mol,R2=99.4;Ea(30 mm×30 mm)=8.325 kJ/mol,R2=90.01;Ea(40 mm×40 mm)=9.826 kJ/mol,R2=99.32;Ea(50 mm×50 mm)=9.422 kJ/mol,R2=98.49,活化能越低,青椒越容易被干燥,该结论与前文保持一致[17]。同一物料在不同条件下具有不同的活化能,有研究发现,活化能主要是与物料的品种、内部成分和组织状态等有关[20],同时,也有研究表明干燥方法对于活化能也有一定的影响,牛坡等[21]在橘皮的干燥特性研究与品质的研究中也发现了该结果。
2.2 复水动力学
2.2.1 复水特性
青椒干制品复水比曲线如图所示。不同条件下青椒干制品的复水比不同,温度60 ℃规格为10 mm×10 mm青椒干制品复水比(7.01±0.19)最大,温度40 ℃规格为50 mm×50 mm青椒干制品复水比(3.50±0.33)最小;同时,复水比与青椒切块规格成反比,即规格越大,复水比越小;复水比与干燥温度成正比,温度越高,复水比越大,说明复水能力越强。导致此结果的原因是青椒切块规格越大,干燥过程中青椒产生的形变量越大,青椒表面褶皱程度大,青椒气孔出现一定程度的堵塞,导致复水能力的降低;当规格相同时,温度越低,干燥时间越长,青椒越容易出现糊化现象,导致青椒闭合的气孔及开口的气孔被堵塞,青椒在相同时间内复水能力较差。40、50、60 ℃不同规格的青椒复水比之间具有显著性差异(P<0.01),说明不同干燥温度下不同规格的青椒复水能力不同。
2.2.2 Weibull分布函数复水过程拟合
利用Weibull分布函数对青椒干制品复水过程中的水分比曲线进行拟合,结果如表6所示。由表6可知,Weibull分布函数拟合的决定系数R2为0.968 8～996 0,接近为1,拟合效果较好;卡方值χ2为0.020 5～0.291 2,卡方值越小,拟合结果越好;RMSE为0.004 1～0.058 2,RMSE值越小,拟合结果越好。综上所述,Weibull分布函数可以准确模拟青椒干制品的复水过程[22]。Weibull分布函数中,尺寸参数α为系统响应的速率参数,表示复水完成全过程的63%所需要的时间;形状参数β受物质形状和试验条件的影响,β值越大,代表初始吸水速率越小[23-24]。相同青椒切块规格,随着温度的增加,尺寸参数α减小,β值没有出现较明显的变化趋势,可能是因为干燥温度越高,水分迁移的速度越快,青椒在相同时间内更容易形成疏松多孔的内部结构,在复水过程中,孔状结构大量吸水,因此水分扩散速率更快,复水时间缩短,α值越小[25];当温度相同时,青椒切块规格越大,α值越大,β值变化趋势不显著,说明在相同条件下,青椒完成复水全过程的63%所需要的时间更长,这是因为尺寸越大,水分迁移的距离越长,复水时间就越长。
表6 Weibull分布函数数学模型拟合结果
Table 6 Mathematical model fitting results of Weibull distribution function
温度/℃规格表达式αβR2χ2RMSE6010 mm×10 mm-2.569 0×exp[-(t/0.632 3)1.014 8]+3.504 40.632 31.014 80.996 00.020 50.004 120 mm×20 mm-2.203 3×exp[-(t/0.656 7)0.986 8]+3.138 70.656 70.986 80.992 70.026 80.005 430 mm×30 mm-2.368 4×exp[-(t/0.631 5)0.915 4]+3.303 80.631 50.915 40.989 40.043 20.008 740 mm×40 mm-2.924 2×exp[-(t/0.799 9)1.080 3]+3.859 60.799 91.080 30.989 00.071 50.014 350 mm×50 mm-4.714 2×exp[-(t/0.820 1)1.019 8]+5.649 60.820 11.019 80.986 20.223 60.044 75010 mm×10 mm-3.101 0×exp[-(t/0.760 7)0.954 3]+4.036 40.760 70.954 30.983 70.110 90.022 220 mm×20 mm-3.129 8×exp[-(t/0.831 6)1.048 8]+4.065 20.831 61.048 80.984 80.109 50.021 930 mm×30 mm-3.005 2×exp[-(t/0.836 8)1.066 8]+3.940 60.836 81.066 80.983 00.113 50.022 740 mm×40 mm-3.449 2×exp[-(t/0.831 9)0.904 0]+4.384 60.831 90.904 00.963 60.291 20.058 250 mm×50 mm-5.435 4×exp[-(t/0.752 2)0.966 5]+6.370 80.752 20.966 50.987 90.260 90.052 24010 mm×10 mm-2.587 6×exp[-(t/0.768 9)0.959 8]+3.523 00.768 90.959 80.981 20.088 80.017 820 mm×20 mm-2.539 9×exp[-(t/0.803 0)0.928 5]+3.475 30.803 00.928 50.968 80.136 20.027 230 mm×30 mm-2.862 9×exp[-(t/0.865 1)1.048 4]+3.798 30.865 11.048 40.979 60.120 30.024 140 mm×40 mm-3.611 5×exp[-(t/0.914 4)1.128 6]+4.546 90.914 41.128 60.981 60.178 90.035 850 mm×50 mm-6.077 2×exp[-(t/0.671 0)1.032 9]+7.012 60.671 01.032 90.994 10.172 30.034 5
2.3 不同干燥温度、规格对青椒皱缩率的影响
青椒皱缩率如图7所示。由图7可知,青椒干燥后均有不同程度的皱缩,皱缩率越大,皱缩越严重[26]。不同条件下青椒皱缩率曲线表现出相似的变化趋势,皆为先增大后减小;且温度越高皱缩率越大。这是因为新鲜的青椒吸收热量,表面与内部形成压力差,青椒组织纤维受到压缩,青椒出现卷曲、皱缩等现象[27]。本研究发现,所有结果中温度为60 ℃,规格为40 mm×40 mm青椒的皱缩率最大,为58.06%;温度为40 ℃,规格为10 mm×10 mm青椒的皱缩率最小,为21.25%。造成这一现象原因可能是温度升高,青椒所受的内外压力越强,皱缩越明显;当规格增大时,水分迁移的距离越长,皱缩越明显,同时,由于在50 mm×50 mm规格下,干燥至安全含水率的时间最长,延缓了水分的散失,皱缩率反而减小,与青椒的干燥、复水特性结果基本一致,许洋等[26]在不同干燥方法对香菇片品质及微观结构的影响研究中得出类似结果。
图7 不同干燥温度、规格青椒的皱缩率
Fig.7 Shrinkage rate of green pepper with different drying temperatures and sizes
3 结论
本试验利用热风干燥设备研究了青椒切块规格、干燥温度对青椒干燥特性和复水特性的影响,利用8种薄层干燥数学模型对干燥过程中水分比变化情况作拟合分析、用Weibull分布函数对复水过程中水分比变化情况作拟合分析。结果表明,不同切块规格和不同热风干燥温度条件下,青椒的干燥特性不同,但都保持着相同的变化规律,且8种薄层干燥数学模型拟合结果表明,Page、Modified Page与Two term exponential是描述青椒干燥水分比变化情况的最佳数学模型;同时,较高的决定系数R2值,以及较低的χ2值和RMSE值则说明Weibull分布函数可以准确地模拟青椒干制品的复水过程中水分比的变化情况,经试验,青椒的皱缩率与干燥、复水特性结果基本一致。本研究只探究青椒切块的干燥特性与复水特性,对青椒干制品的品质检测还缺乏一定的研究,在以后的研究中还需进一步探究。
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