辣椒(Capsicum annual L.)是一种茄科辣椒属植物,主要用于鲜食蔬菜与调味料,种植面积覆盖世界各地[1]。在我国的产业加工中,辣椒主要是用于制作初级产品,比如辣椒粉、辣椒酱以及辣椒丝等[2],辣椒的果实、根、茎、叶不仅能够作为药材入药,用于治疗胃寒气滞、呕吐、手足无力、风湿冷痛、斑秃等病症[3],还具有抗炎及抗氧化等生理功能[4]。新采摘的辣椒含水量高,湿基含水率在93%左右,因此具有易腐烂、不易贮藏的特点。现今为止,干燥是食品加工中的一项基本工作,旨在降低水分含量,从而延长保质期、防止变质并保持产品质量[5]。目前常用的干燥方式有自然晾晒、热风干燥、红外干燥、流化床干燥、冷冻干燥等[6],其中热风干燥优点最为突出,不仅结构简单、能耗利用率高,而且能够很好地保持物料品质,提高存活率[7]。
尹晓峰等[8]通过红外对辣椒进行干燥,发现红外温度是影响辣椒干燥效果的主要因素,在60 ℃条件下具有较佳的品质与复水性,干燥过程可由Page模型准确描述。宋新斌等[9]采用热泵干燥技术对白辣椒进行干燥,确定白辣椒热泵干燥的最佳工艺条件为热烫70 ℃、干燥38 ℃,不仅能够显著提高干燥速率,而且保证了品质的平衡。李海龙[10]通过变温干燥工艺对稻谷进行研究,结果表明,变温干燥有助于改善稻谷的能耗与品质。廖雅萱等[11]通过多阶段式变温干燥工艺,结合响应面法,探究不同阶段温度和水分转换点对骏枣品质指标影响,结果表明,变温能有效改善糖酸比、褐变度以及烘干时间。邹三全等[12]采用流化床干燥技术对猕猴桃切片进行试验,研究不同试验因子对猕猴桃切片的影响,结果表明,温度、风速对其水分有效扩散系数有很大影响,随其增加而升高,随堆积厚度的增加而减少。
目前关于变温对辣椒干燥特性影响的研究极少,本研究使用变温对辣椒进行热风干燥,探究不同的初始温度、升温幅度和堆积厚度等因素对辣椒品质的影响,选用7种常用的数学模型对其干燥过程进行拟合,选出最适合辣椒干燥的数学模型,为辣椒干燥工艺的扩展及应用提供理论基础。
1 材料与方法
1.1 材料
新鲜辣椒,市售;将辣椒清洗干净后,用毛巾吸干表面水分,选取中间均匀部分,去籽后,用切丝器将辣椒切成粗细均匀长条,厚度约5 mm,保留长度7 cm。测定辣椒初始含水率为90.79%。
1.2 仪器与设备
热风干燥试验台,自制;DHG-9920A电热鼓风干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司;AB204-L精密电子天平,METTLER TOLEDO公司;JC-LS-01S系列卤素水分测定仪,青岛聚创环保设备有限公司;HDS-5型触屏式电子拉力试验机,济南恒旭试验机技术有限公司;TESTO 405-V1热敏风速仪,上海贸易仪表商城。
1.3 试验方法
先将辣椒于常温放置30 min,使其温度保持一致,并将干燥箱预热30 min,使其达到设定温度。选择外观形状均匀的辣椒,保留中间部位,使用切丝器进行切丝,将辣椒丝按照堆积厚度10、20、30 mm[即(420±5)、(840±5)、(1 260±5) g]均匀平铺在长38 cm、宽28 cm的托盘上,按照表1将其放入烘干箱中进行干燥。设定初始温度开始干燥,干燥过程中每30 min取样1次,并使用卤素水分测定仪测定含水率。当辣椒的含水率降至到40%时进行升温操作,此时最终温度为初始温度加升温幅度,整个过程仅升温1次,当湿基含水率低于14%时停止干燥。辣椒干燥完全后,放置于室温静止15 min,再对样品进行复水、拉伸实验,记录数据。
表1 试验设计
Table 1 Drying experimental design
编号初始温度/℃升温幅度/℃堆积厚度/mm140245350455102056750510152089105010102030
1.4 干燥特性指标的测定
1.4.1 水分比的测定
不同干燥时间辣椒的水分比(moisture ratio,MR)计算如公式(1)所示[13]:
(1)
式中:Mt,辣椒的任意时刻干基含水率,g/g;Me,平衡时刻干基含水率,g/g;M0,初始时刻干基含水率,g/g。
1.4.2 干燥速率的测定
干燥速率的计算如公式(2)所示[14]:
(2)
式中:Mt1,t1时刻对应的干基含水率,g/g;Mt2,t2时刻对应的干基含水率,g/g。
1.4.3 有效水分扩散系数的测定
水分有效扩散系数(Deff)在辣椒干燥过程中,主要为降速阶段,可以用Fick第二定律表示,如公式(3)所示[15]:
(3)
式中;Deff,辣椒水分扩散系数,m2/s;L0,辣椒果肉厚度,L0=3.0×10-3 m;t,干燥时间,min。
由公式(3)可知,lnMR与时间t的关系式斜率k0,如公式(4)所示:
(4)
1.4.4 复水比的测定
复水比(Rr)是评价辣椒在干燥后能否通过吸水来恢复至原来状态的能力。取干燥后的辣椒样品5 g,将其浸入装有500 mL恒温蒸馏水的烧杯中,复水60 min,在此期间,每隔10 min对样品进行搅拌,使其均匀复水,复水结束后取出样品放置于吸水纸上30 s,沥干表面水分后[16]记录其质量,Rr计算如公式(5)所示:
Rr=mr/md
(5)
式中:Rr,辣椒复水比;mr,复水后质量,g;md,复水前质量,g。
1.4.5 常见干燥数学模型及评价指标
合适的干燥数学模型能够很好地描述辣椒干燥过程,为获取最佳干燥动力学模型,选用7种常用的干燥动力学模型对试验数据进行拟合[17-21],如表2所示。
表2 干燥动力学模型
Table 2 Drying kinetic models
模型序号模型名称模型方程参考变量1Two term exponen-tialMR=aexp(-kt)+(1-a)exp(-kat)a、k2LogarithmicMR=a×exp(-kt)+ca、k、c3Wang and SinghMR=1+at+bt2a、b4Henderson and PabisMR=aexp(-kt)a、k5NewtonMR=exp(-kt)k6PageMR=exp(-ktn)k、n7Modified PageMR=kexp-td2 nk、d、n
通过决定系数(R2)、卡方(χ2)及均方根误差(root mean square er-ror,RMSE)来判断模型拟合结果的优劣,R2越接近1、χ2和RMSE越接近0,说明拟合效果越好。R2、χ2及RMSE分别根据公式(6)～公式(8)进行计算[22]:
(6)
(7)
(8)
式中:MRpre,i,辣椒干燥试验所测得第i个水分比数据;MRexp,i,辣椒干燥数学模型第i个水分比数据;MRexp,试验实测水分比算数平均值,g/g;N,试验数据组数;n,模型变量参数个数。
2 结果与分析
2.1 辣椒热风干燥特性
2.1.1 不同初始温度对辣椒干燥特性的影响
如图1所示,在升温10 ℃,堆积厚度20 mm条件下,温度越高,初始干燥速率最大,所达到安全含水率的时间越短。当干燥温度为40、45、50、55 ℃时,所用时间分别为480、450、420、300 min,较40 ℃的干燥时间分别缩短了6.25%、12.5%、37.5%,这可能是因为随着温度的升高,辣椒内部受热变大,与外界的温度差越明显,其中的水分子活动剧烈,缩短了干燥时间。水分比曲线均呈现逐渐降低的趋势,随着温度越高,水分比下降越明显,这表明温度升高,促进了辣椒内部水分子由内到外的迁移速率,高温能够增强辣椒内部水分的扩散与表面蒸发能力。
a-干燥速率;b-水分比
图1 不同初始温度下辣椒干燥特性的变化曲线
Fig.1 Variation curves of drying characteristics of chili peppers at different initial temperatures
2.1.2 不同升温幅度对热风干燥特性的影响
如图2所示,在初始温度50 ℃,堆积厚度20 mm条件下,试验结果表明,在含水率一定时进行升温操作,能够有效提升干燥速率,缩短干燥时间。当升温幅度为5、10、15 ℃时,所用时间分别为480、420、300 min,较升温5 ℃的干燥时间分别缩短了12.5%、37.5%,这可能是因为随着升温幅度的增加,辣椒内部水分扩散速率加快,其中15 ℃升温幅度下的干燥速率略高于10 ℃与5 ℃,表明较大的温度梯度有助于加速水分迁移。水分比曲线呈现单调递减趋势,且曲线变化程度几乎一致,这可能是因为在降速干燥阶段的干燥速率不再由表面蒸发控制,而是由内部水分扩散机制主导,表明在后期干燥阶段,提高温度能有效加速内部水分迁移。
a-干燥速率;b-水分比
图2 不同升温幅度下辣椒干燥特性的变化曲线
Fig.2 Variation curves of drying characteristics of chili peppers at different temperature increments
2.1.3 不同堆积厚度对热风干燥特性的影响
如图3所示,在初始温度50 ℃,升温幅度5 ℃条件下,堆积厚度越薄,干燥速率越大,所需要的干燥时间也就越短。堆积厚度为10、20、30 mm时,所用时间分别为360、420、480 min,较堆积厚度30 mm的干燥时间分别缩短了25%、12.5%,这可能是因为堆积厚度小,与热风的接触面积越大,内部水分扩散阻力越小,而堆积厚度30 mm的样品较厚,热风穿过样品的缝隙太小,辣椒受热不均匀,导致干燥速率降低,干燥时间较长。水分比曲线随时间持续下降,且堆积厚度越薄,水分比下降越快,说明减少堆积厚度可显著提高干燥速率与水分去除效率。
a-干燥速率;b-水分比
图3 不同堆积厚度下辣椒干燥特性的变化曲线
Fig.3 Variation curves of drying characteristics of chili peppers at different material thicknesses
2.2 辣椒有效水分扩散系数
Deff可用来衡量辣椒在干燥过程中整体水分扩散速度的快慢。Deff越高,表明辣椒越容易脱水,完成干燥也就越快。不同初始温度下,辣椒有效水分扩散系数见表3。可见,随着温度的升高,水分扩散系数与决定系数都有显著的提升,这是因为较高的温度增加了辣椒表面的蒸发作用,内部与外部的水分压差增大,从而加快了辣椒内部的水分迁移速度。
表3 热风温度对物料水分有效扩散系数的影响
Table 3 Effect of hot-air temperature on the effective moisture diffusivity of the material
初始温度/℃Deff/(m2/s)R2401.793 3×10-100.944 5451.875 8×10-100.971 6502.372 5×10-100.967 8553.416 1×10-100.980 1
2.3 辣椒热风干燥数学模型拟合
将表1中所得到的数据通过公式计算出水分比后,使用表2中的干燥模型对其进行拟合,结果如表4所示。可见,在所选的7种干燥动力学模型中,Two term exponential模型、Logarithmic模型、Page模型精度较高,且Page模型的决定系数R2为0.999 34～0.999 64,χ2为4.694 44×10-5～7.404 25×10-5,RMSE为0.006 85～0.008 60,在7种数学模型中拟合结果最好。
表4 辣椒热风干燥数学模型及其拟合结果
Table 4 Mathematical models and fitting results of hot-air drying of chili peppers
模型序号温度/℃模型参数R2χ2RMSE140a=1.893 29,k=0.010 30.998 770.000 150.012 0445a=1.666 47,k=0.011 180.999 495.441 93×10-50.007 3850a=1.720 41,k=0.013 750.999 248.439 9×10-50.009 1755a=1.710 83,k=0.020 230.999 536.033 81×10-50.007 77240a=1.150 51,k=0.005 89,c=-0.106 220.995 196.099 28×10-40.024 6945a=1.062 02,k=0.007 82,c=-0.047 560.998 981.183 29×10-40.010 8850a=1.062 8,k=0.009 47,c=-0.043 080.997 672.837 76×10-40.016 8455a=1.052 52,k=0.014 02,c=-0.039 620.998 212.647 91×10-40.016 26340a=-0.005 07,b=6.464 34×10-60.997 842.538 46×10-40.015 9245a=-0.005 97,b=8.904 75×10-60.988 940.001 180.034 4050a=-0.006 86,b=1.146 37×10-50.984 540.001 720.041 5155a=-0.009 98,b=2.409 96×10-50.983 230.002 170.046 64440k=0.007 54,a=1.075 380.985 170.001 740.041 7845k=0.008 9,a=1.031 20.995 644.662 14×10-40.021 5650k=0.010 67,a=1.034 430.994 076.610 52×10-40.023 7955k=0.015 63,a=1.023 250.995 176.266 37×10-40.025 02540k=0.007 050.979 010.002 310.048 0145k=0.008 650.994 545.428 21×10-40.023 2950k=0.010 350.992 797.421 03×10-40.027 2555k=0.015 320.994 536.303 48×10-40.025 09640k=0.001 25,n=1.336 980.999 64.746 51×10-50.006 8945k=0.004 11,n=1.149 810.999 475.719 94×10-50.007 5650k=0.004 22,n=1.187 170.999 347.404 25×10-50.008 6055k=0.006 85,n=1.182 450.999 644.694 44×10-50.006 85
续表4
模型序号温度/℃模型参数R2χ2RMSE740k=1.075 54,d=2.403 24,n=0.043 570.985 170.001 880.043 3545k=1.031 29,d=2.561 29,n=0.058 390.995 645.050 63×10-40.022 4750k=1.034 56,d=2.502 92,n=0.066 890.994 077.211 45×10-40.026 8555k=1.023 35,d=2.363 09,n=0.087 330.995 177.161 55×10-40.026 75
2.4 辣椒品质特性分析
2.4.1 不同初始温度对辣椒复水比和拉伸力的影响
复水比可以很好地反映试验样品在干燥过程中组织结构变化和细胞膜结构损坏程度[23]。复水比越高表明样品所受伤害越小,组织结构越完整。拉伸力越大,表明辣椒的抗拉强度越高,越不容易被拉断,这意味着辣椒丝的韧性好,纤维结构保持完整。
由图4可见,随着初始温度的升高,复水比逐渐增加,表明较高的初始温度有利于提高辣椒的复水性能,这可能与较高温度下细胞间水分迁移速率较快有关,较高的温度促进了细胞结构的水分渗透与扩散,从而提升复水能力。与复水比变化不同,拉伸力随初始温度呈现先升高后降低的趋势,在50 ℃条件下达到最大值,随后随温度的继续升高而明显下降,其原因可能在于过高的温度使辣椒细胞结构与细胞壁造成更多的破坏,使拉伸力下降。
图4 不同初始温度下辣椒品质的影响
Fig.4 Effect of different initial temperatures on the quality of chili peppers
2.4.2 不同升温幅度对辣椒复水比及拉伸力的影响
由图5可见,随着升温幅度的增加,复水比整体变化不大,保持在4.03～4.15之间,说明在此条件下升温对辣椒复水能力的影响较为有限,这可能是由于辣椒在升温干燥过程中形成的多孔结构差异不显著,整体孔隙特征趋于稳定。拉伸力随升温幅度的增加呈先升高后降低的趋势,当升温幅度为10 ℃时达到最大值,约5.22 N,较5 ℃提高66.39%,之后在15 ℃时略有下降,这种变化规律可能与升温过程中辣椒组织结构硬化有关,辣椒本身自由水较多,当含水率降至40%以下时,辣椒处于低水分时期,含水率下降缓慢,合适的升温幅度可加速中后期水分迁移,促进细胞壁的收缩,使组织结构致密且具有较高的拉伸效果,而过大的升温幅度会导致温差增大,使辣椒产生裂隙并使拉伸力下降。
图5 不同升温幅度下辣椒品质的影响
Fig.5 Effect of different temperature increments on the quality of chili peppers
2.4.3 不同堆积厚度对辣椒复水比及拉伸力的影响
由图6可见,随着堆积厚度的增加,复水比呈持续上升趋势,说明较大的堆积厚度有助于干制品复水。拉伸力则表现为先升后降的变化规律,在20 mm时达到最大值,之后在30 mm时明显下降,其原因可能在于当堆积厚度较薄时,热风直接作用于样品表面,干燥速度较快,易产生表面硬化,使其内部水分迁移受阻;当堆积厚度适中时,热量与水分传递过程较为均匀,细胞壁结构能够缓慢定型,组织收缩适度,从而获得较高的拉伸力;当厚度进一步增加时,样品内部干燥不均,水分梯度增大,虽复水效果较佳,但整体组织脆化,使力学强度显著降低。适当控制堆积厚度可有效改善干燥均匀性,对辣椒及类似果蔬薄片物料的热风干燥工艺优化具有参考价值。
图6 不同堆积厚度下辣椒品质的影响
Fig.6 Effect of different material thicknesses on the quality of chili peppers
3 结论
在不同条件下对辣椒进行热风干燥,试验结果表明,其干燥过程整体呈降速趋势,随着初始温度和升温幅度的增加,初始干燥速率显著提高;而堆积厚度的增大会抑制干燥速率的提升。随着时间增加,水分比呈现逐渐减少的趋势,其中,在升温幅度干燥条件下变化不明显;计算得到的水分有效扩散系数随温度升高而增大,呈现Arrhenius规律分布,表明温度是影响辣椒内部水分迁移的主要驱动因素;使用7种干燥数学模型对辣椒干燥过程进行拟合,发现Page模型拟合效果最好;通过对辣椒干燥后的样品进行品质分析,发现拉伸力呈现先上升后下降的趋势,在升温幅度10 ℃、堆积厚度20 mm时,复水比和拉伸力均较高,样品结构性最佳,升温过快或堆积过厚均会导致表面硬化或干燥不均,从而影响品质。本研究为辣椒热风干燥和品质的提升提供了相应理论依据和工艺参考。
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