不同溫度與水分含量對辣椒粉熱特性的影響

徐圓融，胡思卓，王丹鳳，焦順山

（上海交通大學農(nóng)業(yè)與生物學院食品科學與工程系，上海 200240）

不同溫度與水分含量對辣椒粉熱特性的影響

徐圓融，胡思卓，王丹鳳，焦順山*

（上海交通大學農(nóng)業(yè)與生物學院食品科學與工程系，上海 200240）

熱特性是辣椒粉熱加工過程中的重要參數(shù)，為研究不同溫度和水分含量對辣椒粉熱特性的影響，研究測定辣椒粉在不同溫度（25，40，65，80，95℃）和水分含量（7.0%，10.5%，14.0%，17.0%）條件下的比熱、熱導率和熱擴散系數(shù)，分析其隨溫度和水分含量變化的規(guī)律，并對其進行擬合分析。研究結果表明辣椒粉比熱、熱導率和熱擴散系數(shù)均隨著溫度和水分含量的升高而顯著增大，該研究為辣椒粉熱加工過程的計算機模擬提供了重要數(shù)據(jù)。

辣椒粉；溫度；水分含量；比熱；熱導率

辣椒粉是一種藥食同源的調味品，除具有獨特的風味，還含有多種生理功能和藥用價值［1］。辣椒粉中含有多種揮發(fā)性有機成分，適當?shù)臒峒庸た梢约ぐl(fā)辣椒粉香味，但如果控制不當，則會影響辣椒粉的風味品質［2］。此外，辣椒粉在加工及儲運過程中極易引起微生物污染，其中包括一些致病菌（如沙門氏菌和蠟樣芽孢桿菌等），可能會引起食品安全問題，所以殺菌工藝必不可少。目前工業(yè)上采用最多的殺菌技術為傳統(tǒng)熱殺菌和輻照殺菌［3］。輻照殺菌技術受限于輻射源及消費者接受程度，而傳統(tǒng)熱殺菌技術會對辣椒粉的色澤、風味以及營養(yǎng)物質造成不利影響。近年來也有研究提出新的熱殺菌技術，如微波、射頻殺菌技術等［4］。比熱、熱導率、熱擴散系數(shù)是物料重要的熱特性參數(shù)，原料的熱特性是熱加工的一個關鍵參數(shù)［5］，尤其對于新型熱殺菌技術，掌握過程中原料的熱特性變化規(guī)律，可以更好地模擬加熱過程，優(yōu)化加工參數(shù)，確保殺菌效果。

辣椒粉屬于低水分食品，大量研究表明在低水分活度條件下，微生物的耐熱性（D-value）會顯著增大，因此，也有研究嘗試采用調節(jié)水分含量（水分活度）的方法來更好地殺滅微生物［6］。目前國內(nèi)外有關辣椒粉的研究主要集中在營養(yǎng)特性、烘焙和滅菌工藝等方面，而對其熱特性隨不同水分含量和溫度的變化規(guī)律缺少系統(tǒng)研究。因此，本研究通過測定不同水分含量辣椒粉在不同溫度下的比熱、熱導率和熱擴散系數(shù)，分析辣椒粉熱特性隨水分含量和溫度的變化規(guī)律，并分別建立數(shù)學擬合方程，為模擬辣椒粉熱加工過程提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

實驗所用辣椒粉購自陜西寶雞德有鄰食品有限公司（標細辣椒粉），辣椒粉初始水分含量為7.0%（w.b.）。取樣后放入自封袋中，在4℃環(huán)境下進行貯藏。為制備不同水分含量（7.0%，10.5%，4.0%，17.0%）的辣椒粉樣品，分別稱取一定量的蒸餾水，用手持式噴霧瓶均勻噴灑到辣椒粉上，混合均勻后將辣椒粉置于密封袋中，放入4℃的環(huán)境中平衡至少24 h，期間每隔2～3 h取出混勻1次。

1.2 辣椒粉的熱特性測定

比熱是指單位質量物質溫度每升高（或降低）1℃所增加（或減少）的能量［J／（g·℃）］，熱導率反映的是物質的熱傳導能力，即單位溫度梯度在單位時間內(nèi)經(jīng)單位導熱面所傳遞的熱量［W／（m·℃）］，熱擴散系數(shù)表示物體在加熱或冷卻過程中溫度趨于均勻一致的能力（m2／s）。本研究采用熱特性分析儀（KD2 Pro，美國Decagon公司）來測定辣椒粉的比熱、熱導率和熱擴散系數(shù)，并輔助采用數(shù)控超級恒溫槽（寧波新芝生物科技股份有限公司），以控制辣椒粉物料的溫度。

KD2 Pro使用瞬時線形熱源方法進行測量測定比熱、熱導率、熱擴散系數(shù)，通過監(jiān)測不同水分含量的辣椒粉樣品中給定某一電壓的線形探針的熱耗散和溫度，計算物質的熱特性。在加熱和冷卻期間進行溫度測量，然后使用非線性最小二乘法對測量結果進行指數(shù)積分函數(shù)擬合，對測量期間樣品溫度變化進行線性校正，以使測量精度最優(yōu)化。分別稱取40～60 g不同水分含量（7.0%，10.5%，14.0%，17.0%）的辣椒粉，放入50 m L的燒杯中，將盛有辣椒粉樣品的燒杯用夾子夾住放入數(shù)控恒溫槽中，通過調節(jié)恒溫槽的溫度來控制辣椒粉樣品的溫度。將KD2 Pro的探針插入辣椒粉樣品的中心位置，當樣品溫度達到指定溫度時開始進行測量，每個樣品進行3次重復測量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)用Excel軟件進行初步整理，然后采用數(shù)據(jù)分析軟件Origin 8.5和SPSS 19.0進行分析統(tǒng)計，并對辣椒粉比熱、熱導率和熱擴散系數(shù)隨溫度和水分含量的變化規(guī)律進行擬合模擬。

2 結果與討論

2.1 水分含量和溫度對辣椒粉比熱容的影響

表1 不同水分含量辣椒粉在不同溫度下的比熱容［J／（g·℃）］

表2 不同水分含量辣椒粉比熱隨溫度變化的擬合方程

不同溫度和水分含量條件下辣椒粉的比熱容值見表1。當水分含量為7.0%～17.0%，溫度為25～95℃時，辣椒粉比熱變化范圍為1.03～2.10 J／（g·℃）。實驗結果表明水分含量和溫度對辣椒粉的比熱值都有一定影響。水分含量一定時，溫度越高，辣椒粉比熱值越大。由表2可知，不同水分含量的辣椒粉樣品擬合的Cp-T曲線R2大多在0.90以上，擬合度較高。辣椒粉水分含量越高，Cp-T擬合回歸曲線的斜率呈上升趨勢，因為辣椒粉的比熱主要取決于其組成成分和含量，水的比熱值最大，常溫下約為4.2 J／（g·℃），是其他干物質組分的2～4倍。

通過SPSS對溫度和水分含量作為解釋變量對辣椒粉比熱值進行回歸分析，建立辣椒粉水分含量、溫度與比熱值之間的關聯(lián)方程，見公式（1）。方差分析顯示：回歸方程的擬合度較高，F(xiàn)＝69.55，P＜0.01，差異極顯著，可以用來預測在不同水分含量（m）和溫度（T，℃）下辣椒粉的比熱值。

2.2 水分含量和溫度對辣椒粉熱導率的影響

表3 不同水分含量辣椒粉在不同溫度下的熱導率［W／（m·℃）］

表4 不同水分含量辣椒粉熱導率隨溫度變化的擬合方程

由表3可知，當水分含量為7.0%～17.0%，溫度為25～95℃時，辣椒粉熱導率在0.11～0.72 W／（m·℃）。水分含量和溫度對辣椒粉的熱導率都有不同程度的影響。水分含量一定時，隨著辣椒粉原料溫度的不斷升高，辣椒粉熱導率呈明顯上升趨勢；k-T擬合回歸曲線的斜率隨著辣椒粉原料水分含量的不斷提高，大致呈上升趨勢，見表4。這一現(xiàn)象與很多農(nóng)產(chǎn)品熱導率隨水分含量和溫度變化的規(guī)律相似，因為溫度升高時，分子熱運動增強，而辣椒粉密度小、空隙大，在空隙中的空氣導熱，孔隙間的輻射作用加強，因此熱導率升高；當水分含量升高時，辣椒粉空隙中水分增加，傳熱作用主要源于蒸汽的擴散和水分子的運動，熱導率受溫度的影響變大，且由于水的熱導系數(shù)大約是空氣熱導系數(shù)的20倍，故水分含量高的辣椒粉熱導率隨溫度的變化梯度大［7］。

通過SPSS對溫度和水分含量作為解釋變量對被解釋變量辣椒粉的比熱值進行回歸分析，建立辣椒粉水分含量、溫度與熱導率之間的關聯(lián)方程，見公式（2）。方差分析結果表明回歸方程的擬合度較高（F＝31.34，P＜0.01），差異極顯著，因此，可以用來預測在不同水分含量（m）和溫度（T，℃）下辣椒粉的熱導率k［W／（m·℃）］。

2.3 水分含量和溫度對辣椒粉熱擴散系數(shù)的影響

表5 不同水分含量辣椒粉在不同溫度下的熱擴散系數(shù)（m2／s）

表6 不同水分含量辣椒粉熱擴散系數(shù)隨溫度變化的擬合方程

由表5可知，當水分含量為7.0%～17.0%，溫度為25～95℃時，辣椒粉熱擴散系數(shù)在0.10～0.33 m2／s之間。水分含量和溫度對辣椒粉熱擴散系數(shù)都有一定影響。水分含量一定時，辣椒粉熱擴散系數(shù)隨溫度的升高而增大，且擬合回歸直線的斜率也隨溫度的升高而增大見表6。溫度一定時，辣椒粉水分含量越高，其熱擴散系數(shù)也越大。因為辣椒粉密度小、空隙大，空隙中有空氣，溫度升高時，分子熱運動增強，熱量的擴散加快，因此熱擴散系數(shù)升高；當水分含量升高時，辣椒粉空隙中蒸汽的擴散和水分子的運動都會提高辣椒粉的蓄熱能力，故熱擴散系數(shù)隨水分含量的升高而增大。

通過SPSS對溫度和水分作為解釋變量對辣椒粉熱擴散系數(shù)進行回歸分析，建立辣椒粉水分含量、溫度與比熱值之間的關聯(lián)方程，見公式（3）。方差分析結果表明回歸方程的擬合度較高（F＝39.53，P＜0.01），因此，可以用來預測在不同水分含量（m）和溫度（T，℃）下辣椒粉的熱擴散系數(shù)（D，m2／s）。

3 結論

本實驗測定了不同水分含量（7.0%，10.5%，14.0%，17.0%）和不同溫度（25，40，65，80，95℃）條件下辣椒粉的比熱、熱導率和熱擴散系數(shù)，分析了它們隨水分含量和溫度的變化規(guī)律，并得到以下多元擬合回歸方程：

辣椒粉比熱：Cp＝0.927＋0.01T－0.042m（R2＝0.88）；

辣椒粉熱導率：k＝－0.008＋0.005T－0.18m（R2＝0.79）；

辣椒粉熱擴散系數(shù)：D＝0.053＋0.002T－0.103m（R2＝0.82）。

［1］熊學斌，夏延斌，張曉，等.不同品種辣椒粉揮發(fā)性成分的GC-MS分析［J］.食品工業(yè)科技，2012，33（16）：161-164.

［2］熊學斌，夏延斌.不同類型辣椒粉烘烤工藝優(yōu)化研究［J］.農(nóng)產(chǎn)品加工（學刊），2012（1）：113-115.

［3］焦宇知.冷殺菌技術在果汁飲料生產(chǎn)中的應用研究［J］.食品科技，2006，31（9）：8-11.

［4］Kim S Y，Sagong H G，Choi S H，et al.Radio-frequency heating to inactivateSalmonella typhimuriumandEscherichia coliO157：H7 on black and red pepper spice［J］.International Journal of Food Microbiology，2012：153：171-175.

［5］彭小飛.顆粒飼料熱特性參數(shù)的研究［D］.武漢：華中農(nóng)業(yè)大學，2004.

［6］Villa-Rojas R，Tang J，Wang S，et al.Thermal inactivation ofSalmonella enteritidisPT 30 in almond kernels as influenced by water activity［J］.Journal of Food Protection，2013，76（1）：26-32.

［7］彭飛，張國棟，楊潔，等.溫度和水分對DDGS比熱和熱導率的影響［J］.飼料工業(yè)，2016，37（8）：45-49.

Effect of Different Temperatures and Moisture Content on Thermal Properties of Chili Powder

XU Yuan-rong，HU Si-zhuo，WANG Dan-feng，JIAO Shun-shan*
（Department of Food Science and Engineering，School of Agriculture and Biology，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

Thermal properties are important parameters for thermal processing of chili powder，study the effect of different temperatures and moisture content on the thermal properties of chili powder，specific heat，thermal conductivity and thermal diffusivity of chili powder with different temperatures（25，40，65，80，95℃）and moisture content（7.0%，10.5%，14.0%，17.0%）are determined in this study，and the change rules of temperatures and moisture content are analyzed and simulated by mathematical equations.The results show that specific heat，thermal conductivity and thermal diffusivity of chili powder increase with increasing temperatures and moisture content.This study has provided important data for computer simulating thermal processing of chili powder.

chili powder；temperature；moisture content；specific heat；thermal conductivity

TS202.1

A

10.3969／j.issn.1000-9973.2017.10.001

1000-9973（2017）10-0001-03

2017－04－03 *通訊作者

國家自然科學基金青年項目（31401538）；教育部第48批留學回國人員科研啟動基金；上海交通大學青年教師科研啟動基金

焦順山（1983－），男，河南新鄉(xiāng)人，副教授，博士，主要從事新型食品加工及貯藏技術研究。