基于几何加权法的辣椒微波干燥工艺优化

彭林，王玲，李馨影，周琦，阚建全,2,3，陈厚荣,2,3*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715) 2(农业部农产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室(重庆)，重庆，400715)3(食品科学与工程国家级实验教学示范中心(西南大学)，重庆，400715)

辣椒，茄科辣椒属，为1年或多年的草本植被[1]。辣椒含有多酚、辣椒碱类化合物、VC等多种功能性成分。辣椒红素是一种安全无毒的天然色素，能被人体消化吸收，并在人体内转化为维生素A[2]；辣椒碱类化合物是辣椒具有辣味的主要原因，其具有缓解疼痛、清除自由基、抑菌等特殊生理功能[3-5]。故而，辣椒红素、辣椒碱及二氢辣椒碱是评价辣椒品质的重要指标。但新鲜辣椒具有季节性且其不耐贮藏，辣椒干燥就显得十分重要。目前国内辣椒干燥方面的研究主要有热风干燥[6-9]、微波干燥[10-11]、热泵干燥[12]等。其中，微波干燥具有加热均匀、速度快、效率高且便于工业化推广应用等特点，在农产品干燥方面得到广泛应用[13-16]。目前对辣椒微波干燥的研究主要是外在品质及干燥特性的研究，而干燥条件对内部品质，特别是辣椒红素、辣椒碱、二氢辣椒碱的影响研究鲜见。因此选取辣椒红素含量、辣椒碱含量、二氢辣椒碱含量等内在品质作为评价指标，通过几何加权法[17]求解多目标规划问题，将其转化为单目标函数，得到综合指标，优化辣椒微波干燥工艺参数，对于提高辣椒微波干燥品质及微波干燥技术在辣椒生产实际中的应用提供理论基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜红朝天椒，重庆市北碚区天生丽街永辉超市生鲜部；丙酮(分析纯)，成都市科峰化学品有限公司；硫酸铵钴(分析纯)，成都市科峰化学品有限公司；重铬酸钾(分析纯)，成都市科峰化学品有限公司；H2SO4(1.8 mol/L)，成都市科峰化学品有限公司；甲醇(分析纯)，成都市科峰化学品有限公司；甲醇(色谱纯)，成都市科峰化学品有限公司；四氢呋喃(分析纯)，成都市科峰化学品有限公司；辣椒碱标样,97%纯度；二氢辣椒碱标样,90%纯度。

1.2 主要仪器与设备

FA2004型分析天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；HC-CB20002型电子天平，慈溪市华徐衡器实业有限公司；40目、100目(干燥盘、固定铺放面积)标准样筛，江彬筛具厂；RWB-08S实验用小型微波干燥设备(800W)，南京苏恩瑞实验仪器有限公司；2101EJSNA001型可见分光光度计，上海现科分光仪器有限公司；Agilent technologies1260型高效液相色谱仪，安捷伦科技有限公司； MJ-BL25B2型美的粉碎机，广东美的生活电器制造有限公司；KQ-600KDE型高功率数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

选材→去除辣椒头→称重→装盘→干燥→指标测定

选取大小一致的红朝天椒，去除辣椒头，称重平铺于物料网盘中，置于干燥设备中干燥，按照设定的微波加热时间进行加热，然后取出，冷却，称量，记录数据并观察辣椒干燥情况，循环往复，直至达到安全含水率(10%)，停止干燥。

1.3.2 单因素实验设计

根据预实验情况，选取微波功率(210、280、350、420 W)、铺放量(50、70、90、110 g)和间歇微波加热时间(40、50、60、70 s)为试验因素，研究3个因素对辣椒干燥特性的影响。

1.3.3 响应面优化试验设计

在单因素试验的基础上，将辣椒红素、辣椒碱、二氢辣椒碱通过几何加权法求解多目标规划问题进行量纲统一归一化，并根据其重要性，得到辣椒微波干燥的综合指标Y，利用响应面分析软件，进行3因素3水平的Box-Behnken试验设计，得到综合指标回归数学模型，并进一步利用Design-Expert8.06软件，得出辣椒的优最综合指标及对应的微波干燥条件。

根据辣椒单因素试验结果，综合考虑各因素对辣椒干燥特性的影响，去除外观品质较差的水平，进行3因素3水平的响应面试验。选取各因素的水平见表1。

表1 响应面试验因素水平表Table 1 Factors and levels in response surface design

1.4 指标测定

1.4.1 辣椒红素的测定

根据《辣椒及其制品中红色素测定——分光光度法》中的方法稍作改动[18]。

称取0.030 0 g重络酸钾和3.496 g硫酸铵钴，用1.8 mol/L硫酸溶液定容至100 mL作为标准比色液。

用粉碎机将干燥后的辣椒样品粉碎，通过40目标准样筛筛分，将通过40目筛的辣椒粉样品储存于食品级自封袋，并置于干燥器中备用。

称取1.000 0 g干辣椒粉样品，置于100 mL容量瓶中，加入60 mL丙酮，摇床(强度160)振荡40 min后再加入40 mL丙酮，摇床(强度160)振荡20 min，丙酮定容至100 mL。静置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处测吸光值，同时测定标准比色液在460 nm 处的吸光值。

1.4.2 辣椒碱及二氢辣椒碱的测定

根据《高效液相色谱法测定辣椒粉中辣椒素的不确定度评定》等中的方法稍作改动[19-22]。

标准样品的制取：将20 mg辣椒碱标样和20 mg二氢辣椒碱标样溶于甲醇(分析纯)后定容100 mL后梯度稀释，制取浓度为10、20、50、100、200 μg/mL的标准样品。

辣椒碱的提取：精确称取辣椒粉2.0 g，置于100 mL锥形瓶中，加入25 mL甲醇-四氢呋喃(体积比为1∶1)，在300 W、常温下超声提取30 min，过滤于50 mL容量瓶中；滤渣与滤纸置于原锥形瓶中，加入25 mL甲醇-四氢呋喃(体积比为1∶1)，相同条件下超声提取10 min，过滤，合并滤液，定容至50 mL。

用1 mL注射器在容量瓶中吸取1 mL样品过0.45 nm有机相滤膜，装进液相小瓶，进HPLC检测。

HPLC条件：色谱柱，Shim-PACK C18(4 mm×250 mm，5 μm)；流动相75% 甲醇(色谱纯、超滤，脱气)和25% 水(超滤、脱气)；洗脱时间18 min；检测波长280 nm，柱温30 ℃；流速0.8 mL/min；进样量10 μL。

通过待测液测得的响应值(峰面积)，分别在辣椒碱标准曲线及二氢辣椒碱标准曲线上查得待测液中辣椒碱浓度及二氢辣椒碱浓度。辣椒碱标准曲线方程为y=6 542.4x-2 358.9，R2=0.999 9；二氢辣椒碱标准曲线方程为y=5 735.1x-3 637.8，R2=0.999 9。

1.5 计算

1.5.1 仪器校准系数(If)

If=0.600/AS

(1)

式中：AS,标准比色液在460 nm处的吸光度；If,仪器校准系数。

1.5.2 辣椒红素计算

(2)

式中：ASTA,色值，mg/kg；A,460 nm处测定样品吸光度；164,ASTA换算系数；W,样品质量，g。

1.5.3 辣椒碱类化合物(辣椒碱、二氢辣椒碱)含量计算

(3)

式中：X，辣椒碱类化合物的含量，mg/g；ρ，在工作曲线上查出或回归方程求出的辣椒碱类化合物的含量，μg/mL；m，样品的质量，g；V，待测液的定容体积，mL。

1.5.4 综合指标的计算-几何加权法统一量纲

(4)

式(4)中：Ui，统一量纲值；fi.min，实验值中的最小值；fi.max，实验值中的最大值。

根据各指标在综合指标中的重要性：U1∶U2∶U3=4∶3∶3。基于以下主要原因进行权重分配：辣椒碱和二氢辣椒碱均属于辣椒碱类化合物，赋予二者相同权重；辣椒红素功能众多，主要是呈色，在辣椒工业中，辣椒的外观品质是消费者首要考虑因素，而辣椒碱类化合物主要是呈现辣味，在一定程度上，辣味的强度可以通过辣椒的数量的增加而增加，因此辣椒红素的比重较辣椒碱及二氢辣椒碱重；由于辣椒碱、二氢辣椒碱、辣椒红素均具有重要作用，是辣椒的重要评价指标。故而按照该权重设计进行计算。

(5)

式(5)中:U1，统一量纲后辣椒红素的含量，mg/kg；U2,统一量纲后的辣椒碱的含量，mg/g；U3,统一量纲后二氢辣椒碱的含量，mg/g。

1.6 数据统计与分析

利用Origin软件(Version 8.6)对单因素试验做折线图，进行趋势分析，利用Design-Expert软件(Version 8.06)对响应面试验进行线性回归和方差分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果与分析

对于单目标函数的优化问题，由于目标函数唯一，故而单因素适宜范围就是唯一的，因此单因素目标函数与优化目标函数可保持一致。但对于多目标优化问题，由于每个目标值的适宜范围不同，因此单因素条件不唯一，因此要找到每个目标值都较大的同一个单因素适宜范围是不可能的。基于以上原因，根据辣椒干燥的具体情况，首先保证辣椒外观品质的情况下，确定单因素适宜范围，然后在此基础上考虑内部品质，对内部品质进行优化。这样，既首先保证了辣椒的外观品质，又能保证其内部品质较优。以此确定单因素条件。

2.1.1 微波功率对辣椒干燥特性的影响

在铺放量为90 g、间歇微波加热时间为50 s的条件下，研究不同微波功率(210、280、350、420 W)对辣椒干燥特性的影响。

由图1可知，辣椒干燥曲线受微波功率的影响较大。随着微波功率的增加，达到安全含水量的时间减少，曲线越陡峭。这可能是因为随着微波功率的升高，干燥设备内温度升高，干燥速度加快，干燥时间缩短。

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

由图2可知，辣椒干燥速度曲线受微波功率影响较大。不同微波功率的干燥速度曲线均满足干燥速度曲线特性规律，包括升速、恒速、降速3个阶段。在恒速阶段，随着微波功率的增加，干燥速度增加。这可能是因为随着微波功率的升高，设备内温度升高，干燥速度加快。

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

根据单因素干燥试验情况，在微波功率420 W的干燥条件下，辣椒颜色偏黑，感官品质较差，故而选取210、280、350 W作为响应面试验的微波功率选取水平。

2.1.2 铺放量对辣椒干燥特性的影响

在微波功率为350 W、间歇微波加热时间为50 s的条件下，研究不同铺放量(50、70、90、110 g)对辣椒干燥特性的影响。

由图3可知，辣椒干燥曲线受铺放量的影响较大。随着铺放量的增加，达到安全含水量的时间增加，曲线越平缓。这可能是因为随着铺放量的升高，单位质量辣椒吸收的微波能较少，干燥时间增加。

图3 不同铺放量的干燥曲线Fig.3 The drying curve of different volume

由图4可知，辣椒干燥速度曲线受铺放量影响较大。不同铺放量的干燥速度曲线均满足干燥速度曲线特性规律，包括升速、恒速、降速3个阶段。在恒速阶段，随着铺放量的增加，干燥速度减慢。这可能是因为随着铺放量的增加，单位质量辣椒吸收的微波能较少，干燥速度减慢。根据试验结果，铺放量为50 g时，烘干出来的辣椒样品外观品质较差，所以后续研究中取取铺放量为70、90、110 g。

图4 不同铺放量的干燥速度曲线Fig.4 The drying rate curve of different volume

2.1.3 间歇微波加热时间对辣椒干燥特性的影响

在微波功率为350 W、铺放量为90 g的条件下，研究不同间歇微波加热时间(40、50、60、70 s)对辣椒干燥特性的影响。

由图5可知，辣椒干燥曲线受间歇微波加热时间的影响较大。

图5 不同间歇微波加热时间干燥曲线Fig.5 drying curve of different intermittent microwave heating time

随着间歇微波加热时间的增加，达到安全含水量的时间减少，曲线越陡峭。这可能是因为随着间歇微波加热时间的升高，干燥设备内温度持续增加，干燥速度加快，干燥时间减少。

由图6可知，辣椒干燥速度曲线受间歇微波加热时间影响较大。

图6 不同间歇微波加热时间的干燥速度曲线Fig.6 drying rate curve of different intermittent microwave heating time

不同间歇微波加热时间的干燥速度曲线均满足干燥速度曲线特性规律，包括升速、恒速、降速3个阶段。在恒速阶段，随着间歇微波加热时间的增加，干燥速度增大。这可能是因为随着间歇微波加热时间的增加，设备内温度持续升高，干燥速度加快。

根据单因素干燥试验情况，在间歇微波加热时间为70 s的干燥条件下，辣椒的感官品质较差，故而选取40、50、60 s作为响应面试验的微波功率选取水平。

2.2 响应面试验结果与分析

利用Design-Expert8.06分析软件,采用Box-Behnken设计试验,以微波功率、铺放量、间歇微波加热时间为自变量,以基于几何加权法统一量纲求解的综合指标的为响应值对微波干燥辣椒的工艺进行优化。试验结果见表2。

2.2.1 综合指标的回归方程及方差分析。

软件分析结果得到二次多项式回归方程为:

剔除不显著选项后得到：

表2 响应面试验方案及结果Table 2 Scheme and experimental results for response surface design

表3 回归方程系数及显著性检验结果Table 3 Analysis results of significance test of the regression coefficients

2.2.2 响应面结果分析

由图7可知，在一定范围内，当间歇微波加热时间一定时，综合指标随微波功率的增加先增加后减小；当微波功率一定时，综合指标随间歇微波加热时间的增加缓慢增加。

图7 微波功率和间歇微波加热时间对综合指标的影响Fig.7 The influence of microwave power and intermittent microwave heating time on comprehensive indexes

曲面较为陡峭，说明微波功率和铺放量对微波干燥后辣椒的综合指标影响较大。等高线为椭圆形，微波功率与铺放量的交互作用显著。

由图8可知，在一定范围内，当间歇微波加热时间一定时，综合指标随铺放量的增加先增加后减小；当铺放量一定时，综合指标随间歇微波加热时间的增加缓慢增加。曲面较为陡峭，说明间歇微波加热时间和铺放量对微波干燥后辣椒的综合指标影响较大。等高线为椭圆形，间歇微波加热时间与铺放量的交互作用显著。

图8 铺放量及间歇微波加热时间对综合指标的影响Fig.8 The influence of the volume and intermittent microwave heating time on the comprehensive index

2.3 微波干燥辣椒工艺的综合指标优化及验证

利用Design-Expert.V8.0.6软件,剔除不显著因素后，通过设定综合指标取最大值,对辣椒微波干燥进行工艺优化,得到微波功率281.12 W、铺放量90.42 g、间歇微波加热时间40 s，在此条件下,综合指标0.900 276。

为进一步验证回归方程的准确性和有效性,根据最佳工艺条件设置设备参数,进行验证实验(微波功率280 W、铺放量90 g、间歇微波时间40 s,得到辣椒红素42.293 724 mg/kg、辣椒碱2.157 435 6 mg/g、二氢辣椒碱0.930 236 128 mg/g，根据几何加权法统一量纲得到综合指标0.880 702 321，与预测值相近,验证结果与优化结果的误差为2.17%,可见回归模型能很好地预测干制辣椒综合指标情况，优化结果可靠。

3 结论

采用单因素试验，分析了微波干燥条件对辣椒干燥特性及外观品质的影响，并确定了干燥条件的适宜范围。

利用几何加权法对辣椒红素、辣椒碱、二氢辣椒碱进行统一量纲，得到辣椒微波干燥综合指标；利用Design-Expert.V8.0.6软件对辣椒微波干燥的优化工艺进行综合指标优化，得到综合指标的优化条件为微波功率281.12 W、铺放量90.42 g、间歇微波加热时间40 s，在此条件下,综合指标0.900 276，优化结果可靠，可以为辣椒的微波干燥生产实际提供理论依据。