白辣椒熱泵干燥特性及工藝優(yōu)化

宋新斌,潘樹林*,吳雙,蔡王飛,閻托宇,胡旭

1(湖南人文科技學(xué)院 能源與機(jī)電工程學(xué)院,湖南 婁底,417000) 2(西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,陜西 西安,710049)

辣椒為茄科辣椒屬植物,是我國種植面積最大、消費(fèi)量最大、加工方式最多的蔬菜[1]。白辣椒并非是一類辣椒品種,而是由青椒經(jīng)熱燙脫色后干燥制成,椒身黃白、口感酥麻辛辣,是我國南方地區(qū)的一種傳統(tǒng)風(fēng)味食品,也是湘菜系中的一味重要配菜[2]。

在白辣椒的生產(chǎn)過程中,干燥作為十分重要的環(huán)節(jié)直接影響了產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)成本?，F(xiàn)階段辣椒干燥的方法有很多,除了傳統(tǒng)的自然干燥,還有熱風(fēng)干燥、中短波紅外干燥、微波干燥、熱泵干燥、氣體射流沖擊干燥、冷凍干燥、真空干燥以及多種方式聯(lián)合干燥等[3]。傳統(tǒng)的自然干燥法依賴高溫多晴的天氣,干燥時(shí)間長,受場地的限制生產(chǎn)規(guī)模較小,物料長期暴露在開放環(huán)境中增加了有害物污染的風(fēng)險(xiǎn),且連續(xù)的高溫日曬容易導(dǎo)致椒皮干裂從而降低產(chǎn)品品質(zhì),遇到陰雨天氣也容易霉?fàn)€劣變。因此,研究適用于白辣椒干燥的環(huán)保新技術(shù)對于提高白辣椒產(chǎn)量、保證干燥品質(zhì)、減少霉?fàn)€損失以及促進(jìn)辣椒加工業(yè)健康持續(xù)發(fā)展具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。

熱泵是一種充分利用低品位熱能的高效節(jié)能裝置。熱泵干燥具有低能耗、高效率、環(huán)保衛(wèi)生等特點(diǎn),近年來,國內(nèi)外學(xué)者在熱泵干燥應(yīng)用于果蔬加工方面有許多研究。PAL等[4]對青甜椒進(jìn)行了薄層熱泵干燥試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)青甜椒的干燥主要發(fā)生在降速期,Page方程用于描述其薄層干燥具有較高的決定系數(shù)和較低的均方根誤差。HII等[5]研究了可可豆的熱泵干燥特性,發(fā)現(xiàn)熱泵干燥能夠保留更多的可可多酚,且干燥后的硬度較高,與商業(yè)產(chǎn)品相當(dāng)。AKTA等[6]的研究結(jié)果表明熱泵溫度45 ℃下干燥的葡萄渣質(zhì)量更佳;彭鈺航等[7]研究得出初始溫度54.1 ℃、干燥溫升9.25 ℃、切片厚度3.8 mm為胡蘿卜熱泵干燥的最優(yōu)工藝參數(shù)。張靜峰等[8]研究了仿刺參的熱泵干燥特性,發(fā)現(xiàn)溫度越高,相對濕度越低,干燥速率越快。姬長英等[9]結(jié)合鋪料厚度變化與分階段控溫對辣椒進(jìn)行熱泵干燥,得到兼顧高品質(zhì)、低能耗、高效率的辣椒熱泵干燥工藝優(yōu)化參數(shù)。

熱泵干燥技術(shù)在果蔬干燥加工方面已取得許多成功應(yīng)用,但迄今還沒有熱泵干燥技術(shù)在白辣椒加工應(yīng)用方面的相關(guān)報(bào)道。本文對白辣椒的熱泵干燥特性進(jìn)行研究,為進(jìn)一步提高白辣椒干燥品質(zhì)與生產(chǎn)效率提供理論依據(jù),對促進(jìn)白辣椒工廠化干制深加工有積極意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

新鮮青椒:品種為湘辣一號,購自湖南省雙峰縣辣椒種植產(chǎn)業(yè)基地。挑選表面健康呈綠色偏老熟、大小形狀均勻、色澤飽滿、無傷痕斑點(diǎn)、無病蟲害、椒熟程度相當(dāng)?shù)那嗬苯?初始含水率為91.74%。

1.2 儀器與設(shè)備

KHG03型果蔬熱泵干燥機(jī),廣州快烘熱泵節(jié)能設(shè)備有限公司;DF-101T型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器,上海力辰邦西儀器科技有限公司;ZBC型精密電子數(shù)字秤,凱豐集團(tuán)有限公司;SFA-3型數(shù)顯鼓風(fēng)電熱恒溫干燥箱,上海實(shí)博實(shí)業(yè)有限公司。

KHG03型果蔬熱泵干燥機(jī)工作原理如圖1所示。當(dāng)濕空氣經(jīng)過蒸發(fā)器時(shí),低壓制冷劑吸收空氣的熱量由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài),空氣因降溫而排出部分凝結(jié)水,來自蒸發(fā)器的低壓制冷蒸汽由壓縮機(jī)升壓后流入冷凝器;當(dāng)脫濕后的干冷空氣經(jīng)過冷凝器時(shí),高壓制冷劑因冷凝放熱將空氣加熱為熱風(fēng),由軸流風(fēng)機(jī)送入干燥室,從冷凝器流出的高壓制冷液經(jīng)膨脹閥降壓后流入蒸發(fā)器繼續(xù)下一個循環(huán)。在相對密閉的高溫干燥室內(nèi)開啟熱輻射光源,可以使殺青后的農(nóng)產(chǎn)品因葉綠素快速氧化分解從而脫色。

1-蒸發(fā)器;2-PLC控制面板;3-除濕排濕系統(tǒng);4-儲液罐;5-熱輻 射光源;6-庫門;7-氣液分離器;8-壓縮機(jī);9-電子膨脹閥;10-冷 凝器;11-耐高溫軸流風(fēng)機(jī);12-干燥室;13-物料架;14-金屬托盤圖1 熱泵干燥機(jī)工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of heat pump dryer

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程

白辣椒制備的工藝流程如下:

挑選新鮮青椒→清洗→熱燙→瀝干→熱泵烘干→冷卻回潮→封裝

挑選出形狀大小、成熟度都相當(dāng)?shù)男迈r青辣椒,用清水清洗待果面潔凈后進(jìn)行熱燙處理,然后將熱燙完的青椒瀝干均勻鋪放于物料架上,放入干燥室內(nèi)進(jìn)行脫色烘干,烘干至安全含水率后取出于室內(nèi)自然冷卻,回潮變軟后封裝[10-11]。烘干期間定時(shí)將辣椒翻面使其脫色均勻,同時(shí)控制濕度避免褐變。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

試驗(yàn)主要考察熱燙時(shí)間(1、2、3、4、5 min)、熱燙溫度(60、70、80、90、100 ℃)、熱泵溫度(30、35、40、45、50 ℃)3個因素對白辣椒干燥品質(zhì)和效率的影響。將清洗瀝干后的青椒進(jìn)行熱燙處理,待干燥室溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值后放入物料架,期間每隔1 h稱重記錄并翻面,直至辣椒干燥含水率≤14%或2次稱重的質(zhì)量差≤0.01 g時(shí)停止干燥[12-15],試驗(yàn)方案見表1。

1.4 指標(biāo)測定與方法

1.4.1 含水率

青椒初始含水率的測定參照GB 5009.3—2016 《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》標(biāo)準(zhǔn),采用直接干燥法,將青椒樣品放入鼓風(fēng)干燥箱在105 ℃條件下烘烤4 h至接近絕干狀態(tài),重復(fù)3次水分測定試驗(yàn)取平均值[16],計(jì)算得到青椒的初始含水率為91.74%。含水率的計(jì)算如公式(1)所示:

(1)

式中:Ht為白辣椒在t時(shí)刻所對應(yīng)的含水率,%;mt為白辣椒在t時(shí)刻所對應(yīng)的質(zhì)量,g;ms為青椒絕干時(shí)刻的質(zhì)量,g。

1.4.2 干燥速率

干燥速率表示單位時(shí)間、單位面積下被干燥物料水分減少值。干燥速率的計(jì)算如公式(2)所示:

(2)

式中:DR表示白辣椒在ti至ti+1時(shí)間段內(nèi)的干燥速率,%/h;Hi+1為白辣椒在ti+1時(shí)刻的含水率,%;Hi為白辣椒在ti時(shí)刻的含水率,%;ti、ti+1為測重時(shí)間,h。

1.4.3 復(fù)水比

復(fù)水性是新鮮原料干制后能重新吸回水分的程度,復(fù)水能力的高低是衡量干制品質(zhì)量的重要指標(biāo),干制品常用復(fù)水比來表示其復(fù)水性[17-18]。取出封裝好的白辣椒干燥樣品,稱取質(zhì)量后在60 ℃的恒溫水浴鍋中復(fù)水15 min取出,然后瀝干再次稱重,重復(fù)3次復(fù)水實(shí)驗(yàn)取平均值。復(fù)水比的計(jì)算如公式(3)所示:

(3)

式中:WG表示白辣椒復(fù)水比;ma表示白辣椒復(fù)水瀝干后的質(zhì)量,g;mb表示白辣椒復(fù)水前的質(zhì)量,g。

1.4.4 感官品質(zhì)評定

參照GB 10465—1989《辣椒干》,采用感官檢驗(yàn)的方法,對干燥好的白辣椒進(jìn)行外觀形狀、色澤、氣味、質(zhì)感等感官評分。邀請男、女各5位湘廚專家組成分析型評審組,依據(jù)表2對白辣椒進(jìn)行感官品質(zhì)評分,最終品質(zhì)得分取平均值[19-20]。

表2 白辣椒感官品質(zhì)評定標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Evaluation standard of white pepper sensory quality

1.5 Box-Behnken試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,以干燥時(shí)間(Y1)、感官品質(zhì)(Y2)、復(fù)水比(Y3)為響應(yīng)值,優(yōu)化熱燙溫度(X1)、熱燙時(shí)間(X2)、熱泵溫度(X3)3個因素對白辣椒干燥品質(zhì)與效率的影響。按照中心組合設(shè)計(jì)原理,使用Design-Expert 10.0.1軟件進(jìn)行3因素3水平的Box-Behnken試驗(yàn)尋求最優(yōu)工藝參數(shù),試驗(yàn)因素及水平編碼見表3。

表3 因子水平編碼表Table 3 Coding for factor levels

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)分析

2.1.1 熱燙溫度對白辣椒干燥特性的影響

不同熱燙溫度下,白辣椒的含水率變化曲線與干燥速率曲線如圖2所示。由圖2-a可知,熱燙溫度70 ℃下的白辣椒含水率下降趨勢相對平緩,干燥完成時(shí)間也最長,需13 h。60、80、90、100 ℃熱燙溫度下的白辣椒含水率下降相對較快,干燥完成時(shí)間均為12 h。熱燙溫度70 ℃下的白辣椒內(nèi)外干燥均勻、色澤鮮亮,而熱燙溫度超過80 ℃的白辣椒由于水分蒸發(fā)過快導(dǎo)致脫色不均勻,且椒身出現(xiàn)不同程度的收縮與褐變現(xiàn)象。

a-含水率變化曲線;b-干燥速率曲線圖2 不同熱燙溫度下白辣椒干燥特性曲線Fig.2 Drying characteristics curve of white pepper under different blanching temperatures

由圖2-b可知,白辣椒的干燥過程可分為加速干燥與降速干燥2個階段。熱燙溫度較高的白辣椒轉(zhuǎn)入降速干燥過程的時(shí)間相對更短,熱燙溫度60、70、80、90、100 ℃下對應(yīng)的白辣椒轉(zhuǎn)入降速干燥時(shí)間分別為11、11、10、9、9 h。隨著熱燙溫度的的升高,白辣椒干燥過程中的最大干燥速率降低,熱燙溫度60、70、80、90、100 ℃下對應(yīng)的白辣椒最大干燥速率分別為18.72、14.65、14.29、13.6、12%/h,呈遞減趨勢。

2.1.2 熱燙時(shí)間對白辣椒干燥特性的影響

在熱燙溫度為80 ℃,干燥溫度為40 ℃,熱燙時(shí)間分別為1、2、3、4、5 min時(shí),白辣椒的干燥特性曲線如圖3所示。

a-含水率變化曲線;b-干燥速率曲線圖3 不同熱燙時(shí)間下白辣椒干燥特性曲線Fig.3 Drying characteristics curve of white pepper under different blanching time

由圖3-a可知,熱燙時(shí)間在1～3 min內(nèi)的白辣椒干燥完成時(shí)間為12 h,熱燙時(shí)間超過3 min的白辣椒干燥完成需11 h。由圖3b所示,熱燙時(shí)間4、5 min下的白辣椒干燥過程中最大干燥速率相對較高,分別為18.78、18.41%/h。熱燙時(shí)間超過3 min的白辣椒干燥所需時(shí)間較短,最大干燥速率較高,但干燥效果卻相對較差,原因是熱燙時(shí)間過長會使青椒內(nèi)部的組織細(xì)胞超過其最大通透性,從而導(dǎo)致果肉出現(xiàn)不同程度的糊爛,自由水也因此更加容易流失,干燥速率更高的同時(shí)破壞了物料的品質(zhì)特性[21-22]。

2.1.3 干燥溫度對白辣椒干燥特性的影響

干燥溫度分別為30、35、40、45、50 ℃時(shí),白辣椒含水率變化曲線與干燥速率曲線見圖4。由圖4可知,干燥溫度明顯影響白辣椒干燥過程中的含水率與干燥速率。干燥溫度30、35、40、45、50 ℃下,白辣椒干燥完成時(shí)間分別需要16、14、11、9、7 h,白辣椒干燥過程中的最大干燥速率分別為14.54、14.8、18.28、20.98、26.8%/h。隨著干燥溫度的升高,白辣椒含水率下降越快,最大干燥速率越高,轉(zhuǎn)入降速干燥的時(shí)間也越短,由此可知干燥溫度與物料脫水效率正相關(guān)[23-24]。

2.1.4 白辣椒感官品質(zhì)特性分析

在不同熱燙溫度、熱燙時(shí)間與干燥溫度條件下,白辣椒熱泵干燥制品的感官品質(zhì)得分如圖5所示。

a-不同熱燙溫度;b-不同熱燙時(shí)間;c-不同干燥溫度圖5 不同條件下白辣椒感官品質(zhì)得分Fig.5 Sensory quality scores of white pepper under different conditions

由圖5-a所示,熱燙溫度60、70 ℃下的白辣椒外觀與色澤最好,綜合得分也相對較高,分別為80.2分、81.4分。熱燙溫度為80～100 ℃時(shí),隨熱燙溫度的升高,白辣椒的感官品質(zhì)各項(xiàng)屬性評分明顯下降。熱燙溫度超過70 ℃,白辣椒在干燥過程中椒身出現(xiàn)明顯收縮的現(xiàn)象,導(dǎo)致褶皺增多、脫色不均勻。熱燙超過90 ℃,干燥完成后的白辣椒表皮干癟,脆性大,褐變嚴(yán)重并伴隨些許焦糊味。

由圖5-b可知,熱燙2 min的白辣椒各項(xiàng)感官品質(zhì)屬性最佳,綜合得分為84.2分。熱燙超過3 min,白辣椒的外觀和色澤品質(zhì)下降,皺褶增多,顏色由淺黃轉(zhuǎn)向暗黃并伴有輕度褐變。

由圖5-c可知,隨干燥溫度的升高,白辣椒的外觀、色澤、氣味以及質(zhì)感品質(zhì)得分均降低,干燥溫度30 ℃下的白辣椒品質(zhì)最佳,綜合得分為82分。由此可知,干燥溫度與白辣椒感官品質(zhì)負(fù)相關(guān)。

2.2 Box-Behnken試驗(yàn)分析

2.2.1 Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果

Box-Behnken結(jié)果如表4所示。

2.2.2 白辣椒熱泵干燥回歸模型及方差分析

采用Design-Expert 10.0.1對表4的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理分析,可得到熱燙溫度X1、熱燙時(shí)間X2、干燥溫度X3與白辣椒的干燥時(shí)間Y1、感官品質(zhì)Y2、復(fù)水比Y3之間的回歸模型,回歸模型系數(shù)及顯著性見表5。

干燥時(shí)間回歸模型:

感官品質(zhì)回歸模型:

復(fù)水比回歸模型:

由表5可知,以白辣椒的干燥時(shí)間為響應(yīng)指標(biāo),該模型顯著性F值27.23,P<0.001,說明回歸模型極顯著;失擬項(xiàng)P=0.057>0.05,不顯著,標(biāo)準(zhǔn)誤差值為0.75,離散系數(shù)為4.38%,表明試驗(yàn)誤差較小,具有較高精確度和可靠性;決定系數(shù)R2=0.972 2,表明該模型擬合度較高,可以反映97.22%響應(yīng)值的變化。同理,以白辣椒的感官品質(zhì)、復(fù)水比為響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行顯著性和誤差分析,其回歸模型分別達(dá)到了高度顯著、極顯著水平,都具有較小的誤差以及較高的模型擬合度,分別可以反映其89.75%、95.45%響應(yīng)值的變化。

綜上所述,白辣椒的干燥時(shí)間、感官品質(zhì)、復(fù)水比3個回歸模型能很好地分析和預(yù)測白辣椒感官品質(zhì)指標(biāo)隨工藝條件的變化情況。

2.2.3 顯著性及響應(yīng)面分析

分析表5顯著性結(jié)果可知,熱燙溫度(X1)和熱燙時(shí)間(X2)對復(fù)水比的影響分別為高度顯著、極顯著;干燥溫度(X3)對干燥時(shí)間和復(fù)水比的影響極顯著,對感官品質(zhì)的影響高度顯著。各因素對干燥時(shí)間、感官品質(zhì)的影響大小為:X3>X1>X2,對復(fù)水比的影響大小為:X3>X2>X1。

根據(jù)干燥時(shí)間、感官品質(zhì)和復(fù)水比的回歸模型,分析3個模型對應(yīng)的響應(yīng)面陡峭程度和等高線密集程度,發(fā)現(xiàn)熱燙溫度(X1)和干燥溫度(X3)的交互作用對干燥時(shí)間的影響顯著,熱燙時(shí)間(X2)和干燥溫度(X3)的交互作用對干燥時(shí)間、感官品質(zhì)的影響顯著(圖6～圖8)。由表5所示,各因素交互作用的顯著性結(jié)果可知,只有X1X3、X2X3對應(yīng)干燥時(shí)間的P值與X2X3對應(yīng)感官品質(zhì)的P值小于0.05,其他交互作用影響均不顯著,結(jié)果與響應(yīng)面分析結(jié)果一致。

a-響應(yīng)面圖;b-等高線圖圖6 熱燙溫度和干燥溫度的交互作用對干燥時(shí)間的影響Fig.6 The effect of the interaction of blanching temperature and drying temperature on drying time

a-響應(yīng)面圖;b-等高線圖圖7 熱燙時(shí)間和干燥溫度的交互作用對干燥時(shí)間的影響Fig.7 The effect of the interaction of blanching time and drying temperature on drying time

a-響應(yīng)面圖;b-等高線圖圖8 熱燙時(shí)間和干燥溫度的交互作用對感官品質(zhì)的影響Fig.8 The effect of the interaction between blanching time and drying temperature on sensory quality

2.2.4 工藝優(yōu)化分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

通過分析白辣椒的熱泵干燥回歸模型,分別對干燥時(shí)間(Y1)、感官品質(zhì)(Y2)、復(fù)水比(Y3)進(jìn)行單響應(yīng)指標(biāo)優(yōu)化,在試驗(yàn)條件60≤X1≤70,1≤X2≤5,30≤X3≤40區(qū)間內(nèi),對干燥時(shí)間取最小值(Y1),對感官品質(zhì)(Y2)、復(fù)水比(Y3)取最大值。單響應(yīng)指標(biāo)優(yōu)化結(jié)果見表6。

表6 單響應(yīng)指標(biāo)優(yōu)化結(jié)果Table 6 Single response index optimization results

由表6可知,在試驗(yàn)條件范圍內(nèi),設(shè)置較低的熱燙溫度、較長的熱燙時(shí)間以及較高的干燥溫度,白辣椒的干燥時(shí)間最短;較高的熱燙溫度、適中的熱燙時(shí)間和干燥溫度,白辣椒的干燥品質(zhì)最佳;較高的熱燙溫度、較長的熱燙時(shí)間以及較高的干燥溫度,白辣椒的復(fù)水性能最好。

采用Design-Expert 10.0.1軟件進(jìn)行綜合優(yōu)化可以得到白辣椒熱泵干燥的最優(yōu)工藝條件:熱燙溫度為70 ℃,熱燙時(shí)間為3.17 min,干燥溫度為37.96 ℃,此條件下對應(yīng)的干燥時(shí)間為14.98 h,感官品質(zhì)得分為81.02分,復(fù)水比為1.41。根據(jù)此工藝進(jìn)行3組驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果取平均值。為操作方便,調(diào)整工藝參數(shù)為:熱燙溫度為70 ℃,熱燙時(shí)間為190 s,干燥溫度為38 ℃。

驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如表7所示,各指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測結(jié)果誤差均小于4%,且各項(xiàng)品質(zhì)和復(fù)水性都達(dá)到了商業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),說明優(yōu)化后的白辣椒熱泵干燥工藝切實(shí)可行,具有一定的參考價(jià)值。

表7 綜合優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Comprehensive optimization test results

3 結(jié)論

a)白辣椒的熱泵干燥過程可分為加速、降速干燥2個階段,干燥溫度是影響白辣椒干燥時(shí)間和綜合品質(zhì)的主要因素。干燥溫度越高,平均干燥速率越大,干燥時(shí)間越短,綜合品質(zhì)越低。為保證白辣椒的干燥品質(zhì),干燥溫度不宜超過40 ℃。

b)熱燙溫度、熱燙時(shí)間和干燥溫度對白辣椒復(fù)水比均有顯著影響,提高熱燙溫度、干燥溫度和延長熱燙時(shí)間均能提高白辣椒的復(fù)水性能。熱燙溫度和熱燙時(shí)間是影響白辣椒外觀和色澤的主要因素,較高的熱燙溫度和較長的熱燙時(shí)間都會使得白辣椒脫色不均勻、褶皺收縮以及褐變程度加深。

c)綜合考慮干燥時(shí)間、品質(zhì)和復(fù)水性能,確定白辣椒熱泵干燥的最佳優(yōu)化工藝為熱燙溫度70 ℃、熱燙時(shí)間190 s、干燥溫度38 ℃,此工藝條件下獲得的白辣椒干燥時(shí)間為15.44 h,感官品質(zhì)得分為83.03分,復(fù)水比為1.38,各項(xiàng)品質(zhì)和復(fù)水性達(dá)到了商業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。