基于幾何加權(quán)法的辣椒微波干燥工藝優(yōu)化

彭林，王玲，李馨影，周琦，闞建全,2,3，陳厚榮,2,3*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715) 2(農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮質(zhì)量安全風(fēng)險評估實驗室(重慶)，重慶，400715)3(食品科學(xué)與工程國家級實驗教學(xué)示范中心(西南大學(xué))，重慶，400715)

辣椒，茄科辣椒屬，為1年或多年的草本植被[1]。辣椒含有多酚、辣椒堿類化合物、VC等多種功能性成分。辣椒紅素是一種安全無毒的天然色素，能被人體消化吸收，并在人體內(nèi)轉(zhuǎn)化為維生素A[2]；辣椒堿類化合物是辣椒具有辣味的主要原因，其具有緩解疼痛、清除自由基、抑菌等特殊生理功能[3-5]。故而，辣椒紅素、辣椒堿及二氫辣椒堿是評價辣椒品質(zhì)的重要指標。但新鮮辣椒具有季節(jié)性且其不耐貯藏，辣椒干燥就顯得十分重要。目前國內(nèi)辣椒干燥方面的研究主要有熱風(fēng)干燥[6-9]、微波干燥[10-11]、熱泵干燥[12]等。其中，微波干燥具有加熱均勻、速度快、效率高且便于工業(yè)化推廣應(yīng)用等特點，在農(nóng)產(chǎn)品干燥方面得到廣泛應(yīng)用[13-16]。目前對辣椒微波干燥的研究主要是外在品質(zhì)及干燥特性的研究，而干燥條件對內(nèi)部品質(zhì)，特別是辣椒紅素、辣椒堿、二氫辣椒堿的影響研究鮮見。因此選取辣椒紅素含量、辣椒堿含量、二氫辣椒堿含量等內(nèi)在品質(zhì)作為評價指標，通過幾何加權(quán)法[17]求解多目標規(guī)劃問題，將其轉(zhuǎn)化為單目標函數(shù)，得到綜合指標，優(yōu)化辣椒微波干燥工藝參數(shù)，對于提高辣椒微波干燥品質(zhì)及微波干燥技術(shù)在辣椒生產(chǎn)實際中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮紅朝天椒，重慶市北碚區(qū)天生麗街永輝超市生鮮部；丙酮(分析純)，成都市科峰化學(xué)品有限公司；硫酸銨鈷(分析純)，成都市科峰化學(xué)品有限公司；重鉻酸鉀(分析純)，成都市科峰化學(xué)品有限公司；H2SO4(1.8 mol/L)，成都市科峰化學(xué)品有限公司；甲醇(分析純)，成都市科峰化學(xué)品有限公司；甲醇(色譜純)，成都市科峰化學(xué)品有限公司；四氫呋喃(分析純)，成都市科峰化學(xué)品有限公司；辣椒堿標樣,97%純度；二氫辣椒堿標樣,90%純度。

1.2 主要儀器與設(shè)備

FA2004型分析天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；HC-CB20002型電子天平，慈溪市華徐衡器實業(yè)有限公司；40目、100目(干燥盤、固定鋪放面積)標準樣篩，江彬篩具廠；RWB-08S實驗用小型微波干燥設(shè)備(800W)，南京蘇恩瑞實驗儀器有限公司；2101EJSNA001型可見分光光度計，上?，F(xiàn)科分光儀器有限公司；Agilent technologies1260型高效液相色譜儀，安捷倫科技有限公司； MJ-BL25B2型美的粉碎機，廣東美的生活電器制造有限公司；KQ-600KDE型高功率數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

選材→去除辣椒頭→稱重→裝盤→干燥→指標測定

選取大小一致的紅朝天椒，去除辣椒頭，稱重平鋪于物料網(wǎng)盤中，置于干燥設(shè)備中干燥，按照設(shè)定的微波加熱時間進行加熱，然后取出，冷卻，稱量，記錄數(shù)據(jù)并觀察辣椒干燥情況，循環(huán)往復(fù)，直至達到安全含水率(10%)，停止干燥。

1.3.2 單因素實驗設(shè)計

根據(jù)預(yù)實驗情況，選取微波功率(210、280、350、420 W)、鋪放量(50、70、90、110 g)和間歇微波加熱時間(40、50、60、70 s)為試驗因素，研究3個因素對辣椒干燥特性的影響。

1.3.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，將辣椒紅素、辣椒堿、二氫辣椒堿通過幾何加權(quán)法求解多目標規(guī)劃問題進行量綱統(tǒng)一歸一化，并根據(jù)其重要性，得到辣椒微波干燥的綜合指標Y，利用響應(yīng)面分析軟件，進行3因素3水平的Box-Behnken試驗設(shè)計，得到綜合指標回歸數(shù)學(xué)模型，并進一步利用Design-Expert8.06軟件，得出辣椒的優(yōu)最綜合指標及對應(yīng)的微波干燥條件。

根據(jù)辣椒單因素試驗結(jié)果，綜合考慮各因素對辣椒干燥特性的影響，去除外觀品質(zhì)較差的水平，進行3因素3水平的響應(yīng)面試驗。選取各因素的水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平表Table 1 Factors and levels in response surface design

1.4 指標測定

1.4.1 辣椒紅素的測定

根據(jù)《辣椒及其制品中紅色素測定——分光光度法》中的方法稍作改動[18]。

稱取0.030 0 g重絡(luò)酸鉀和3.496 g硫酸銨鈷，用1.8 mol/L硫酸溶液定容至100 mL作為標準比色液。

用粉碎機將干燥后的辣椒樣品粉碎，通過40目標準樣篩篩分，將通過40目篩的辣椒粉樣品儲存于食品級自封袋，并置于干燥器中備用。

稱取1.000 0 g干辣椒粉樣品，置于100 mL容量瓶中，加入60 mL丙酮，搖床(強度160)振蕩40 min后再加入40 mL丙酮，搖床(強度160)振蕩20 min，丙酮定容至100 mL。靜置10 min，吸取1 mL至10 mL 容量瓶中，丙酮定容至10 mL。采用丙酮作空白，460 nm處測吸光值，同時測定標準比色液在460 nm 處的吸光值。

1.4.2 辣椒堿及二氫辣椒堿的測定

根據(jù)《高效液相色譜法測定辣椒粉中辣椒素的不確定度評定》等中的方法稍作改動[19-22]。

標準樣品的制?。簩?0 mg辣椒堿標樣和20 mg二氫辣椒堿標樣溶于甲醇(分析純)后定容100 mL后梯度稀釋，制取濃度為10、20、50、100、200 μg/mL的標準樣品。

辣椒堿的提?。壕_稱取辣椒粉2.0 g，置于100 mL錐形瓶中，加入25 mL甲醇-四氫呋喃(體積比為1∶1)，在300 W、常溫下超聲提取30 min，過濾于50 mL容量瓶中；濾渣與濾紙置于原錐形瓶中，加入25 mL甲醇-四氫呋喃(體積比為1∶1)，相同條件下超聲提取10 min，過濾，合并濾液，定容至50 mL。

用1 mL注射器在容量瓶中吸取1 mL樣品過0.45 nm有機相濾膜，裝進液相小瓶，進HPLC檢測。

HPLC條件：色譜柱，Shim-PACK C18(4 mm×250 mm，5 μm)；流動相75% 甲醇(色譜純、超濾，脫氣)和25% 水(超濾、脫氣)；洗脫時間18 min；檢測波長280 nm，柱溫30 ℃；流速0.8 mL/min；進樣量10 μL。

通過待測液測得的響應(yīng)值(峰面積)，分別在辣椒堿標準曲線及二氫辣椒堿標準曲線上查得待測液中辣椒堿濃度及二氫辣椒堿濃度。辣椒堿標準曲線方程為y=6 542.4x-2 358.9，R2=0.999 9；二氫辣椒堿標準曲線方程為y=5 735.1x-3 637.8，R2=0.999 9。

1.5 計算

1.5.1 儀器校準系數(shù)(If)

If=0.600/AS

(1)

式中：AS,標準比色液在460 nm處的吸光度；If,儀器校準系數(shù)。

1.5.2 辣椒紅素計算

(2)

式中：ASTA,色值，mg/kg；A,460 nm處測定樣品吸光度；164,ASTA換算系數(shù)；W,樣品質(zhì)量，g。

1.5.3 辣椒堿類化合物(辣椒堿、二氫辣椒堿)含量計算

(3)

式中：X，辣椒堿類化合物的含量，mg/g；ρ，在工作曲線上查出或回歸方程求出的辣椒堿類化合物的含量，μg/mL；m，樣品的質(zhì)量，g；V，待測液的定容體積，mL。

1.5.4 綜合指標的計算-幾何加權(quán)法統(tǒng)一量綱

(4)

式(4)中：Ui，統(tǒng)一量綱值；fi.min，實驗值中的最小值；fi.max，實驗值中的最大值。

根據(jù)各指標在綜合指標中的重要性：U1∶U2∶U3=4∶3∶3?；谝韵轮饕蜻M行權(quán)重分配：辣椒堿和二氫辣椒堿均屬于辣椒堿類化合物，賦予二者相同權(quán)重；辣椒紅素功能眾多，主要是呈色，在辣椒工業(yè)中，辣椒的外觀品質(zhì)是消費者首要考慮因素，而辣椒堿類化合物主要是呈現(xiàn)辣味，在一定程度上，辣味的強度可以通過辣椒的數(shù)量的增加而增加，因此辣椒紅素的比重較辣椒堿及二氫辣椒堿重；由于辣椒堿、二氫辣椒堿、辣椒紅素均具有重要作用，是辣椒的重要評價指標。故而按照該權(quán)重設(shè)計進行計算。

(5)

式(5)中:U1，統(tǒng)一量綱后辣椒紅素的含量，mg/kg；U2,統(tǒng)一量綱后的辣椒堿的含量，mg/g；U3,統(tǒng)一量綱后二氫辣椒堿的含量，mg/g。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

利用Origin軟件(Version 8.6)對單因素試驗做折線圖，進行趨勢分析，利用Design-Expert軟件(Version 8.06)對響應(yīng)面試驗進行線性回歸和方差分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果與分析

對于單目標函數(shù)的優(yōu)化問題，由于目標函數(shù)唯一，故而單因素適宜范圍就是唯一的，因此單因素目標函數(shù)與優(yōu)化目標函數(shù)可保持一致。但對于多目標優(yōu)化問題，由于每個目標值的適宜范圍不同，因此單因素條件不唯一，因此要找到每個目標值都較大的同一個單因素適宜范圍是不可能的?；谝陨显?，根據(jù)辣椒干燥的具體情況，首先保證辣椒外觀品質(zhì)的情況下，確定單因素適宜范圍，然后在此基礎(chǔ)上考慮內(nèi)部品質(zhì)，對內(nèi)部品質(zhì)進行優(yōu)化。這樣，既首先保證了辣椒的外觀品質(zhì)，又能保證其內(nèi)部品質(zhì)較優(yōu)。以此確定單因素條件。

2.1.1 微波功率對辣椒干燥特性的影響

在鋪放量為90 g、間歇微波加熱時間為50 s的條件下，研究不同微波功率(210、280、350、420 W)對辣椒干燥特性的影響。

由圖1可知，辣椒干燥曲線受微波功率的影響較大。隨著微波功率的增加，達到安全含水量的時間減少，曲線越陡峭。這可能是因為隨著微波功率的升高，干燥設(shè)備內(nèi)溫度升高，干燥速度加快，干燥時間縮短。

圖1 不同微波功率的干燥曲線Fig.1 The drying curve of different microwave power

由圖2可知，辣椒干燥速度曲線受微波功率影響較大。不同微波功率的干燥速度曲線均滿足干燥速度曲線特性規(guī)律，包括升速、恒速、降速3個階段。在恒速階段，隨著微波功率的增加，干燥速度增加。這可能是因為隨著微波功率的升高，設(shè)備內(nèi)溫度升高，干燥速度加快。

圖2 不同微波功率的干燥速度曲線Fig.2 The drying speed curve of different microwave power

根據(jù)單因素干燥試驗情況，在微波功率420 W的干燥條件下，辣椒顏色偏黑，感官品質(zhì)較差，故而選取210、280、350 W作為響應(yīng)面試驗的微波功率選取水平。

2.1.2 鋪放量對辣椒干燥特性的影響

在微波功率為350 W、間歇微波加熱時間為50 s的條件下，研究不同鋪放量(50、70、90、110 g)對辣椒干燥特性的影響。

由圖3可知，辣椒干燥曲線受鋪放量的影響較大。隨著鋪放量的增加，達到安全含水量的時間增加，曲線越平緩。這可能是因為隨著鋪放量的升高，單位質(zhì)量辣椒吸收的微波能較少，干燥時間增加。

圖3 不同鋪放量的干燥曲線Fig.3 The drying curve of different volume

由圖4可知，辣椒干燥速度曲線受鋪放量影響較大。不同鋪放量的干燥速度曲線均滿足干燥速度曲線特性規(guī)律，包括升速、恒速、降速3個階段。在恒速階段，隨著鋪放量的增加，干燥速度減慢。這可能是因為隨著鋪放量的增加，單位質(zhì)量辣椒吸收的微波能較少，干燥速度減慢。根據(jù)試驗結(jié)果，鋪放量為50 g時，烘干出來的辣椒樣品外觀品質(zhì)較差，所以后續(xù)研究中取取鋪放量為70、90、110 g。

圖4 不同鋪放量的干燥速度曲線Fig.4 The drying rate curve of different volume

2.1.3 間歇微波加熱時間對辣椒干燥特性的影響

在微波功率為350 W、鋪放量為90 g的條件下，研究不同間歇微波加熱時間(40、50、60、70 s)對辣椒干燥特性的影響。

由圖5可知，辣椒干燥曲線受間歇微波加熱時間的影響較大。

圖5 不同間歇微波加熱時間干燥曲線Fig.5 drying curve of different intermittent microwave heating time

隨著間歇微波加熱時間的增加，達到安全含水量的時間減少，曲線越陡峭。這可能是因為隨著間歇微波加熱時間的升高，干燥設(shè)備內(nèi)溫度持續(xù)增加，干燥速度加快，干燥時間減少。

由圖6可知，辣椒干燥速度曲線受間歇微波加熱時間影響較大。

圖6 不同間歇微波加熱時間的干燥速度曲線Fig.6 drying rate curve of different intermittent microwave heating time

不同間歇微波加熱時間的干燥速度曲線均滿足干燥速度曲線特性規(guī)律，包括升速、恒速、降速3個階段。在恒速階段，隨著間歇微波加熱時間的增加，干燥速度增大。這可能是因為隨著間歇微波加熱時間的增加，設(shè)備內(nèi)溫度持續(xù)升高，干燥速度加快。

根據(jù)單因素干燥試驗情況，在間歇微波加熱時間為70 s的干燥條件下，辣椒的感官品質(zhì)較差，故而選取40、50、60 s作為響應(yīng)面試驗的微波功率選取水平。

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果與分析

利用Design-Expert8.06分析軟件,采用Box-Behnken設(shè)計試驗,以微波功率、鋪放量、間歇微波加熱時間為自變量,以基于幾何加權(quán)法統(tǒng)一量綱求解的綜合指標的為響應(yīng)值對微波干燥辣椒的工藝進行優(yōu)化。試驗結(jié)果見表2。

2.2.1 綜合指標的回歸方程及方差分析。

軟件分析結(jié)果得到二次多項式回歸方程為:

剔除不顯著選項后得到：

表2 響應(yīng)面試驗方案及結(jié)果Table 2 Scheme and experimental results for response surface design

表3 回歸方程系數(shù)及顯著性檢驗結(jié)果Table 3 Analysis results of significance test of the regression coefficients

2.2.2 響應(yīng)面結(jié)果分析

由圖7可知，在一定范圍內(nèi)，當間歇微波加熱時間一定時，綜合指標隨微波功率的增加先增加后減?。划斘⒉üβ室欢〞r，綜合指標隨間歇微波加熱時間的增加緩慢增加。

圖7 微波功率和間歇微波加熱時間對綜合指標的影響Fig.7 The influence of microwave power and intermittent microwave heating time on comprehensive indexes

曲面較為陡峭，說明微波功率和鋪放量對微波干燥后辣椒的綜合指標影響較大。等高線為橢圓形，微波功率與鋪放量的交互作用顯著。

由圖8可知，在一定范圍內(nèi)，當間歇微波加熱時間一定時，綜合指標隨鋪放量的增加先增加后減??；當鋪放量一定時，綜合指標隨間歇微波加熱時間的增加緩慢增加。曲面較為陡峭，說明間歇微波加熱時間和鋪放量對微波干燥后辣椒的綜合指標影響較大。等高線為橢圓形，間歇微波加熱時間與鋪放量的交互作用顯著。

圖8 鋪放量及間歇微波加熱時間對綜合指標的影響Fig.8 The influence of the volume and intermittent microwave heating time on the comprehensive index

2.3 微波干燥辣椒工藝的綜合指標優(yōu)化及驗證

利用Design-Expert.V8.0.6軟件,剔除不顯著因素后，通過設(shè)定綜合指標取最大值,對辣椒微波干燥進行工藝優(yōu)化,得到微波功率281.12 W、鋪放量90.42 g、間歇微波加熱時間40 s，在此條件下,綜合指標0.900 276。

為進一步驗證回歸方程的準確性和有效性,根據(jù)最佳工藝條件設(shè)置設(shè)備參數(shù),進行驗證實驗(微波功率280 W、鋪放量90 g、間歇微波時間40 s,得到辣椒紅素42.293 724 mg/kg、辣椒堿2.157 435 6 mg/g、二氫辣椒堿0.930 236 128 mg/g，根據(jù)幾何加權(quán)法統(tǒng)一量綱得到綜合指標0.880 702 321，與預(yù)測值相近,驗證結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果的誤差為2.17%,可見回歸模型能很好地預(yù)測干制辣椒綜合指標情況，優(yōu)化結(jié)果可靠。

3 結(jié)論

采用單因素試驗，分析了微波干燥條件對辣椒干燥特性及外觀品質(zhì)的影響，并確定了干燥條件的適宜范圍。

利用幾何加權(quán)法對辣椒紅素、辣椒堿、二氫辣椒堿進行統(tǒng)一量綱，得到辣椒微波干燥綜合指標；利用Design-Expert.V8.0.6軟件對辣椒微波干燥的優(yōu)化工藝進行綜合指標優(yōu)化，得到綜合指標的優(yōu)化條件為微波功率281.12 W、鋪放量90.42 g、間歇微波加熱時間40 s，在此條件下,綜合指標0.900 276，優(yōu)化結(jié)果可靠，可以為辣椒的微波干燥生產(chǎn)實際提供理論依據(jù)。