不同温度与水分含量对辣椒粉热特性的影响

徐圆融，胡思卓，王丹凤，焦顺山

（上海交通大学农业与生物学院食品科学与工程系，上海 200240）

不同温度与水分含量对辣椒粉热特性的影响

徐圆融，胡思卓，王丹凤，焦顺山*

（上海交通大学农业与生物学院食品科学与工程系，上海 200240）

热特性是辣椒粉热加工过程中的重要参数，为研究不同温度和水分含量对辣椒粉热特性的影响，研究测定辣椒粉在不同温度（25，40，65，80，95℃）和水分含量（7.0%，10.5%，14.0%，17.0%）条件下的比热、热导率和热扩散系数，分析其随温度和水分含量变化的规律，并对其进行拟合分析。研究结果表明辣椒粉比热、热导率和热扩散系数均随着温度和水分含量的升高而显著增大，该研究为辣椒粉热加工过程的计算机模拟提供了重要数据。

辣椒粉；温度；水分含量；比热；热导率

辣椒粉是一种药食同源的调味品，除具有独特的风味，还含有多种生理功能和药用价值［1］。辣椒粉中含有多种挥发性有机成分，适当的热加工可以激发辣椒粉香味，但如果控制不当，则会影响辣椒粉的风味品质［2］。此外，辣椒粉在加工及储运过程中极易引起微生物污染，其中包括一些致病菌（如沙门氏菌和蜡样芽孢杆菌等），可能会引起食品安全问题，所以杀菌工艺必不可少。目前工业上采用最多的杀菌技术为传统热杀菌和辐照杀菌［3］。辐照杀菌技术受限于辐射源及消费者接受程度，而传统热杀菌技术会对辣椒粉的色泽、风味以及营养物质造成不利影响。近年来也有研究提出新的热杀菌技术，如微波、射频杀菌技术等［4］。比热、热导率、热扩散系数是物料重要的热特性参数，原料的热特性是热加工的一个关键参数［5］，尤其对于新型热杀菌技术，掌握过程中原料的热特性变化规律，可以更好地模拟加热过程，优化加工参数，确保杀菌效果。

辣椒粉属于低水分食品，大量研究表明在低水分活度条件下，微生物的耐热性（D-value）会显著增大，因此，也有研究尝试采用调节水分含量（水分活度）的方法来更好地杀灭微生物［6］。目前国内外有关辣椒粉的研究主要集中在营养特性、烘焙和灭菌工艺等方面，而对其热特性随不同水分含量和温度的变化规律缺少系统研究。因此，本研究通过测定不同水分含量辣椒粉在不同温度下的比热、热导率和热扩散系数，分析辣椒粉热特性随水分含量和温度的变化规律，并分别建立数学拟合方程，为模拟辣椒粉热加工过程提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

实验所用辣椒粉购自陕西宝鸡德有邻食品有限公司（标细辣椒粉），辣椒粉初始水分含量为7.0%（w.b.）。取样后放入自封袋中，在4℃环境下进行贮藏。为制备不同水分含量（7.0%，10.5%，4.0%，17.0%）的辣椒粉样品，分别称取一定量的蒸馏水，用手持式喷雾瓶均匀喷洒到辣椒粉上，混合均匀后将辣椒粉置于密封袋中，放入4℃的环境中平衡至少24 h，期间每隔2～3 h取出混匀1次。

1.2 辣椒粉的热特性测定

比热是指单位质量物质温度每升高（或降低）1℃所增加（或减少）的能量［J／（g·℃）］，热导率反映的是物质的热传导能力，即单位温度梯度在单位时间内经单位导热面所传递的热量［W／（m·℃）］，热扩散系数表示物体在加热或冷却过程中温度趋于均匀一致的能力（m2／s）。本研究采用热特性分析仪（KD2 Pro，美国Decagon公司）来测定辣椒粉的比热、热导率和热扩散系数，并辅助采用数控超级恒温槽（宁波新芝生物科技股份有限公司），以控制辣椒粉物料的温度。

KD2 Pro使用瞬时线形热源方法进行测量测定比热、热导率、热扩散系数，通过监测不同水分含量的辣椒粉样品中给定某一电压的线形探针的热耗散和温度，计算物质的热特性。在加热和冷却期间进行温度测量，然后使用非线性最小二乘法对测量结果进行指数积分函数拟合，对测量期间样品温度变化进行线性校正，以使测量精度最优化。分别称取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的烧杯中，将盛有辣椒粉样品的烧杯用夹子夹住放入数控恒温槽中，通过调节恒温槽的温度来控制辣椒粉样品的温度。将KD2 Pro的探针插入辣椒粉样品的中心位置，当样品温度达到指定温度时开始进行测量，每个样品进行3次重复测量。

1.3 数据统计分析

数据用Excel软件进行初步整理，然后采用数据分析软件Origin 8.5和SPSS 19.0进行分析统计，并对辣椒粉比热、热导率和热扩散系数随温度和水分含量的变化规律进行拟合模拟。

2 结果与讨论

2.1 水分含量和温度对辣椒粉比热容的影响

表1 不同水分含量辣椒粉在不同温度下的比热容［J／（g·℃）］

表2 不同水分含量辣椒粉比热随温度变化的拟合方程

不同温度和水分含量条件下辣椒粉的比热容值见表1。当水分含量为7.0%～17.0%，温度为25～95℃时，辣椒粉比热变化范围为1.03～2.10 J／（g·℃）。实验结果表明水分含量和温度对辣椒粉的比热值都有一定影响。水分含量一定时，温度越高，辣椒粉比热值越大。由表2可知，不同水分含量的辣椒粉样品拟合的Cp-T曲线R2大多在0.90以上，拟合度较高。辣椒粉水分含量越高，Cp-T拟合回归曲线的斜率呈上升趋势，因为辣椒粉的比热主要取决于其组成成分和含量，水的比热值最大，常温下约为4.2 J／（g·℃），是其他干物质组分的2～4倍。

通过SPSS对温度和水分含量作为解释变量对辣椒粉比热值进行回归分析，建立辣椒粉水分含量、温度与比热值之间的关联方程，见公式（1）。方差分析显示：回归方程的拟合度较高，F＝69.55，P＜0.01，差异极显著，可以用来预测在不同水分含量（m）和温度（T，℃）下辣椒粉的比热值。

2.2 水分含量和温度对辣椒粉热导率的影响

表3 不同水分含量辣椒粉在不同温度下的热导率［W／（m·℃）］

表4 不同水分含量辣椒粉热导率随温度变化的拟合方程

由表3可知，当水分含量为7.0%～17.0%，温度为25～95℃时，辣椒粉热导率在0.11～0.72 W／（m·℃）。水分含量和温度对辣椒粉的热导率都有不同程度的影响。水分含量一定时，随着辣椒粉原料温度的不断升高，辣椒粉热导率呈明显上升趋势；k-T拟合回归曲线的斜率随着辣椒粉原料水分含量的不断提高，大致呈上升趋势，见表4。这一现象与很多农产品热导率随水分含量和温度变化的规律相似，因为温度升高时，分子热运动增强，而辣椒粉密度小、空隙大，在空隙中的空气导热，孔隙间的辐射作用加强，因此热导率升高；当水分含量升高时，辣椒粉空隙中水分增加，传热作用主要源于蒸汽的扩散和水分子的运动，热导率受温度的影响变大，且由于水的热导系数大约是空气热导系数的20倍，故水分含量高的辣椒粉热导率随温度的变化梯度大［7］。

通过SPSS对温度和水分含量作为解释变量对被解释变量辣椒粉的比热值进行回归分析，建立辣椒粉水分含量、温度与热导率之间的关联方程，见公式（2）。方差分析结果表明回归方程的拟合度较高（F＝31.34，P＜0.01），差异极显著，因此，可以用来预测在不同水分含量（m）和温度（T，℃）下辣椒粉的热导率k［W／（m·℃）］。

2.3 水分含量和温度对辣椒粉热扩散系数的影响

表5 不同水分含量辣椒粉在不同温度下的热扩散系数（m2／s）

表6 不同水分含量辣椒粉热扩散系数随温度变化的拟合方程

由表5可知，当水分含量为7.0%～17.0%，温度为25～95℃时，辣椒粉热扩散系数在0.10～0.33 m2／s之间。水分含量和温度对辣椒粉热扩散系数都有一定影响。水分含量一定时，辣椒粉热扩散系数随温度的升高而增大，且拟合回归直线的斜率也随温度的升高而增大见表6。温度一定时，辣椒粉水分含量越高，其热扩散系数也越大。因为辣椒粉密度小、空隙大，空隙中有空气，温度升高时，分子热运动增强，热量的扩散加快，因此热扩散系数升高；当水分含量升高时，辣椒粉空隙中蒸汽的扩散和水分子的运动都会提高辣椒粉的蓄热能力，故热扩散系数随水分含量的升高而增大。

通过SPSS对温度和水分作为解释变量对辣椒粉热扩散系数进行回归分析，建立辣椒粉水分含量、温度与比热值之间的关联方程，见公式（3）。方差分析结果表明回归方程的拟合度较高（F＝39.53，P＜0.01），因此，可以用来预测在不同水分含量（m）和温度（T，℃）下辣椒粉的热扩散系数（D，m2／s）。

3 结论

本实验测定了不同水分含量（7.0%，10.5%，14.0%，17.0%）和不同温度（25，40，65，80，95℃）条件下辣椒粉的比热、热导率和热扩散系数，分析了它们随水分含量和温度的变化规律，并得到以下多元拟合回归方程：

辣椒粉比热：Cp＝0.927＋0.01T－0.042m（R2＝0.88）；

辣椒粉热导率：k＝－0.008＋0.005T－0.18m（R2＝0.79）；

辣椒粉热扩散系数：D＝0.053＋0.002T－0.103m（R2＝0.82）。

［1］熊学斌，夏延斌，张晓，等.不同品种辣椒粉挥发性成分的GC-MS分析［J］.食品工业科技，2012，33（16）：161-164.

［2］熊学斌，夏延斌.不同类型辣椒粉烘烤工艺优化研究［J］.农产品加工（学刊），2012（1）：113-115.

［3］焦宇知.冷杀菌技术在果汁饮料生产中的应用研究［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］彭小飞.颗粒饲料热特性参数的研究［D］.武汉：华中农业大学，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］彭飞，张国栋，杨洁，等.温度和水分对DDGS比热和热导率的影响［J］.饲料工业，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 *通讯作者

国家自然科学基金青年项目（31401538）；教育部第48批留学回国人员科研启动基金；上海交通大学青年教师科研启动基金

焦顺山（1983－），男，河南新乡人，副教授，博士，主要从事新型食品加工及贮藏技术研究。