辣椒渗透脱水处理及渗后热风干燥特性及品质分析.docx

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辣椒渗透脱水处理及渗后热风干燥特性及品质分析

辣椒渗透脱水处理及渗后热风干燥特性及品质分析

尹晓峰，杨明金，张引航，高博，谢守勇，杨玲*

（西南大学工程技术学院，丘陵山区农业装备重庆市重点实验室，重庆400715）

摘要：

以脱水率、固形物获取率、脱水率与固形物获取率比值、有效水分扩散系数、活化能、VC保留率、辣度、复水比、复原率和感官评价为考察指标，通过渗透脱水实验、渗后热风干燥实验和复水实验，考察了辣椒的渗透脱水特性、渗后热风干燥特性、复水特性和品质。

结果表明：

随着渗透温度的升高或渗透液中食盐含量的增加，辣椒的脱水率和固形物获取率增大。

对渗透后的辣椒样品进行热风干燥处理发现，热风温度是影响热风干燥的最主要因素，其次是风速。

辣椒样品的有效水分扩散系数随着温度的升高而增大，在风速为1.8m/s的条件下，直接热风干燥辣椒样品和渗后热风干燥辣椒样品的活化能分别为（53.25±1.08）kJ/mol和（44.42±0.88）kJ/mol。

渗后热风干燥样品的有效水分扩散系数、VC保留率、辣度、复水比和复原率均高于直接热风干燥样品，渗后热风干燥样品的复水特性和品质更好。

关键词：

渗透脱水；热风干燥；复水；品质；辣椒

辣椒作为蔬菜、调味品和保健食品，含有酚类化合物和VC等活性物质，营养丰富，药用价值高，辣椒产业的发展空间很大[1]。

为避免长时间自然贮存引起的腐烂、霉变，需要对新收获的辣椒进行有效的干燥处理[2]。

传统辣椒干燥处理常采用自然晾晒、风干，然而自然干燥易受到天气和场地的限制，干燥周期长、效率低、产品色泽差、品质较差[3-4]。

而现代干燥主要以单一干燥方法为主，包括热风干燥、微波干燥、远红外干燥、真空干燥和渗透脱水干燥等[5]，虽然能一定程度上给干燥行业带来帮助，但是无论任何干燥方法，都存在着自身的缺陷和不足。

例如，热风干燥占据着我国果蔬脱水加工行业90%的比例，其操作相对简单，容易控制，对干燥设备要求不高，但是较长的干燥周期和果蔬干燥后较差的品质却制约着其发展[6]。

渗透脱水虽然节能环保，能够很好地保持果蔬的品质，但是却只能脱去果蔬大约2%～50%的水分，不能达到国家标准规定的含水率水平（14%）[7]。

真空冷冻干燥可以得到品质较佳的干燥产品，但其高成本、高能耗的特点也限制了它的广泛应用，一般用来干燥高价值和高附加值的产品[8]。

因此，根据果蔬自身特点，可以采用两种甚至两种以上的干燥方式进行联合干燥，不但能够缩短干燥时间，减少耗能，而且还可以节约成本，提高产品品质。

Shanna[9]进行了大蒜丁香的微波-热风联合干燥，结果获得了较高的干品感官品质，而且微波-热风联合干燥比传统的热风干燥缩短了80%的干燥时间。

Rodrígues等[10]研究表明，相比未渗透脱水干燥工艺，渗透脱水-真空干燥产品细胞结构保持完好、脆度增加、质地多孔复水性好、干燥时间也缩短了很多。

None[11]应用渗透-热风联合千燥香蕉片，香蕉片被浸透在两个连续不同质量浓度的蔗糖溶液，然后进行热风干燥（40℃、72h、相对湿度60%），得到水分质量分数16.5%的产品，获得了较佳的品质。

董全[12]对蓝莓进行渗透脱水和流化床干燥实验，结果表明在渗透脱水温度不超过65℃的条件下，经195min渗透脱水处理的蓝莓的含水率可以达到50%以下。

田红萍[13]对胡萝卜进行了渗透脱水和渗后微波干燥的实验，得到了胡萝卜渗透脱水的较佳工艺：

65g/100mL的蔗糖溶液、料液比1∶10（m/V）、渗透液温度为32℃的脱水效果最好，并且得出了高质量浓度的蔗糖溶液渗透脱水时对果蔬有较好的护色作用的结论。

渗后热风干燥工艺采用先渗透脱水后热风干燥的处理方案，即先通过渗透液（一般由蔗糖、食盐和水按一定比例配制而成）对果蔬进行渗透脱水处理，利用细胞膜的半渗透性使样品中的部分水分转移到渗透液中，以达到去除果蔬中部分水分的目的，然后进行热风干燥，从而提高果蔬干燥效率和品质[14-16]。

渗透脱水一方面能加快脱水速率，另一方面能增加果蔬样品的固形物含量，保持果蔬内部结构，减少营养成分和风味物质损失，易于同其他干燥方式进行联合，是理想的联合干燥前期脱水方式[17-20]。

本研究以脱水率、固形物获取率、脱水率与固形物获取率比值、有效水分扩散系数、活化能、VC保留率、辣度、复水比、复原率和感官评价为考察指标，通过渗透脱水实验、渗后热风干燥实验和复水实验，考察辣椒的渗透脱水特性、渗后热风干燥特性、复水特性和品质，以期为辣椒的干制探索一种新方法，为辣椒干燥和贮存工艺提供更高效、优质和低成本的解决方案，并为辣椒制品工艺优化和产业化提供参考。

1材料与方法

1.1材料

朝天椒（Capsicum）购买于重庆北碚区永辉超市；蔗糖河南豪峰食品有限公司；食盐重庆市盐业有限公司。

1.2仪器与设备

AL204型电子天平梅特勒托利仪器有限公司；BC-2型薄层干燥试验台长春吉大科学仪器设备有限公司；HH-3型数显恒温水浴锅上海况盛设备仪器有限公司。

1.3方法

1.3.1样品准备

选取新鲜无公害、肉质丰厚的辣椒作为样品，清水清洗后用吸水纸擦掉表面水分。

根据GB/T8858—1988《水果、蔬菜产品中干物质和水分含量测定方法》测定辣椒样品的初始含水率。

1.3.2指标测定

渗透脱水时，需将辣椒样品全部浸入渗透液，渗透脱水后，取出辣椒样品，先用清水冲洗2～3遍，除去辣椒表面残留的渗透液，再用吸水纸进行擦干并称质量，记录结果，实验3次重复，结果取平均值。

渗透脱水实验指标包括脱水率、固形物获取率、脱水率与固形物获取率比值。

其中，脱水率、固形物获取率按式

（1）、

（2）计算。

式中：

WL为脱水率/%；W0为物料初始质量/g；Wt为渗透t时刻样品质量/g；Sg为固形物获取率/%；S0为初始样品固形物质量/g；St为渗透t时刻样品固形物质量/g。

干燥特性实验指标包括干燥速率、有效水分扩散系数和活化能，分别按式（3）～（5）计算。

式中：

v0为干燥速率/（%/min）；M1为干燥前物料初始含水率/%；Mt为干燥t时刻含水率/%；Δt为干燥时间/min；MR为水分比；Deff为有效水分扩散系数/（m2/s）；L为实验样品厚度的一半/m；D0为Arrhenius方程指数前因子/（m2/s）；Ea为活化能/（kJ/mol）；R为气体常数/（kJ/（mol·K））；T为绝对温度/K。

通过绘制式（4）中lnMR相对于t的曲线，将曲线进行线性拟合，由直线的斜率可以计算得到Deff[21]，通过绘制式（5）中lnDeff相对于1/T的曲线，将曲线进行线性拟合，由直线的斜率可以计算得到

。

复水比是考察干制产品品质的一个重要指标，实验对热风干燥及渗后热风干燥的样品做了复水实验。

指标为样品的复水比（R）和复原率（K），分别按式（6）、（7）计算。

式中：

R为复水比/（g/g）；K为复原率/%；mf为脱水物料复水后的沥干质量/g；mg为脱水物料复水前的干品质量/g；mx为脱水物料复水前的干品质量/g。

VC保留率按式（8）计算。

式中：

C1为样品干物质中的VC含量/（mg/g）；C0为鲜辣椒物质中的VC含量/（mg/g）。

1.3.3辣椒干燥处理

1.3.3.1渗透脱水

将预处理好的辣椒进行称质量、取样，样品质量控制在40～50g之间。

按1∶10的料液比（m/V）进行渗透脱水正交试验[23]。

由于Figen等[24]研究表明渗透液通常采用40%～65%（质量分数，下同）蔗糖加5%～15%食盐（＋水）组合比较适宜，因此本实验采用的4种渗透液分别为：

45%蔗糖＋0%食盐（＋水）、45%蔗糖＋2%食盐（＋水）、45%蔗糖＋6%食盐（＋水）和45%蔗糖＋10%食盐（＋水）[25]，配比为质量分数。

由于蔗糖不是电解质，扩散系数小，其分子质量大于食盐，蔗糖含量变化对渗透脱水的影响远小于食盐含量对其的影响，因而本实验仅研究在蔗糖含量（45%）不变的条件下食盐含量对辣椒渗透脱水的影响[26]。

取渗透温度、渗透液组合和渗透时间为变量因素，其中45%蔗糖＋0%食盐（＋水）渗透液作为试验对照组，不选作正交试验因素。

采用正交试验水平表L9（34）研究不同因素水平对脱水率及脱水率与固形物获取率比值的影响及影响程度，试验设计因素水平见表1。

表1正交试验因素与水平

Table1Factorsandlevelsusedinorthogonalarraydesign

水平因素A渗透温度/℃B渗透液组合C渗透时间/h13045%蔗糖＋2%食盐（＋水）224545%蔗糖＋6%食盐（＋水）436045%蔗糖＋10%食盐（＋水）6

1.3.3.2渗后热风干燥

经渗透脱水，只能去除样品20%～50%的水分，不能达到国家标准规定的含水率水平（≤14%），需要进一步进行干燥处理。

采用常压热风干燥对辣椒样品进行干燥。

为了考察渗透脱水对热风干燥性能的影响，对渗透脱水样品和未经渗透脱水样品（鲜辣椒样品）在不同热风温度和风速条件下的热风干燥特性进行比较，并对干燥后的样品进行复水实验。

渗透脱水的渗透液为45%蔗糖＋10%食盐（＋水），渗透温度为45℃，渗透时间1h。

干燥的热风温度分别取45、50、55、60、65℃，风速分别为0.6、1.2、1.8m/s，在薄层干燥试验台中进行，样品干燥到国家标准规定的含水率时停止，干燥时每1h记录一次数据，热风干燥前样品质量约为50g。

对在不同热风温度和风速条件下直接热风干燥样品和渗后热风干燥样品的VC含量和辣度分别采用GB/T6195—1986《水果、蔬菜维生素C含量测定法2,6-二氯酚靛酚滴定法》和GB/T21265—2007《辣椒辣度的感官评价方法》进行检测分析。

1.3.3.3复水实验

分别选取风速为1.8m/s、45℃条件下直接热风干燥和渗后热风干燥后的样品各约30g，浸泡在300mL温度为90℃热水中，1h后将样品从热水中取出，用清水洗净表面，沥干后称质量，计算实验样品的复水比和复原率。

由5名感官评定员根据色泽、气味和外形等项目对复水处理后的样品进行感官评定，评定标准见表2。

感官评价总分为色泽、气味和外形分数之和，总分越高，样品品质越好。

表2辣椒产品感官评定标准

Table2Criteriaforsensoryevaluationofchilipepperproducts

项目指标色泽新鲜、结构饱满均匀（25～40分）颜色变浅，较饱满均匀（10～25分）颜色发暗，结构紧缩（＜10分）气味、口感辣味浓郁（20～30分）辣味一般（10～20分）无辣味或略带辣味（＜10分）外形平整度很好（20～30分）平整度一般（10～20分）无平整度或平整度较低（＜10分）

1.4数据统计分析

各实验组数据均为3次重复测定后的平均值，采用Excel软件进行数据处理和绘图，数据以±s表示。

2结果与分析

2.1渗透脱水特性

2.1.1渗透温度对渗透脱水特性的影响

图1不同渗透温度条件下的渗透脱水特性

Fig.1Osmoticdehydrationcharacteristicsatdifferenttemperatures

在渗透液为45%蔗糖＋10%食盐（＋水），渗透温度分别为30、45、60℃条件下，通过实验研究得到渗透温度对辣椒渗透脱水特性的影响。

由图1可知，随着渗透温度的升高，辣椒的WL和Sg均增大，在相同条件下，WL远大于Sg，渗透温度对辣椒样品的WL/Sg影响较小；随着渗透时间的延长，辣椒的WL和Sg也增大，但在渗透脱水初期，WL和Sg增加较快，随着渗透脱水的进行，WL和Sg的增加逐渐趋缓；WL/Sg随着渗透脱水时间的延长而增大，经温度为45℃的渗透液渗透脱水2、4、6h，辣椒的WL/Sg分别为4.31±0.12、5.21±0.10和5.74±0.13。

由于渗透脱水实际上是利用细胞膜的半透性，在样品内外液体形成渗透压差而进行的水分迁移过程，当渗透温度增加时，渗透液内溶质分子和水分子的运动加快，从而使WL和Sg增大[27]。

在渗透脱水初期，样品和渗透液之间存在较大的渗透压差，其WL和Sg变化较快，随着渗透时间的延长，样品和渗透液之间的渗透压差减小，从而在渗透脱水后期WL和Sg的增加趋缓。

同时，在较高渗透压差的环境中，水分子比较小，可以快速从辣椒样品中进入外部渗透液，实现脱水，而渗透液溶质分子较大（糖分子相对于盐分子更大），较难通过半透膜进入辣椒样品内，从而影响辣椒样品Sg的增加，且WL远大于Sg[28-31]。

随着渗透温度的升高，由于渗透液内溶质分子和水分子运动同时加快，使WL和Sg同时最大，从而使渗透温度对WL/Sg的影响较小。

2.1.2渗透液组合对渗透脱水特性的影响

图2不同渗透液组合条件下的渗透脱水特性

Fig.2Osmoticdehydrationcharacteristicswithdifferentosmoticsolutions

在渗透温度为45℃，渗透液组合分别为45%蔗糖＋0%食盐（＋水）、45%蔗糖＋2%食盐（＋水）、45%蔗糖＋6%食盐（＋水）和45%蔗糖＋10%食盐（＋水）的条件下，通过实验研究得到渗透液组合对辣椒渗透脱水特性的影响。

由图2可知，在渗透液蔗糖含量一定时，随着食盐含量的增加，WL和Sg均增加，在相同条件下，WL远大于Sg；WL/Sg随着渗透脱水时间的延长而增大，在相同的条件下，WL/Sg随着食盐含量的增加而增加。

由于随着渗透液中食盐含量的提高，辣椒样品和渗透液之间因渗透液浓度引起的渗透压差增大，能加快了渗透脱水的进程，从而WL和Sg均随着食盐含量的增加而增大。

同样由于渗透液溶质分子较大，较难通过样品细胞的半透膜进入辣椒样品内，使渗透脱水过程WL远大于Sg。

而且渗透液浓度引起的渗透压差对渗透脱水进程的贡献大于对辣椒样品固形物获取进程的贡献，从而使WL/Sg随着食盐含量的增加而增大。

但如果食盐含量太高，会影响辣椒样品的口感和品质。

2.1.3渗透脱水参数对辣椒渗透脱水特性的影响

表3正交试验方案及结果

Table3Orthogonalarraydesignwithexperimentalresults

试验号A渗透温度B渗透液组合C渗透时间D空列WL/%WL/Sg111119.112.842122229.144.773133344.625.494212322.174.515223137.455.126231225.014.097313229.214.428321319.133.239332146.325.38

表4极差分析

Table4Rangeanalysis

品质参数水平A渗透温度B渗透液组合C渗透时间D空列127.62320.16317.75030.960WL228.21028.57332.54327.787331.55338.65037.09328.640极差3.93018.48719.3433.173因子主次32114.4673.9233.3874.447WL/Sg24.5734.3734.8874.42734.3435.0875.1104.510极差0.2301.1631.7230.083因子主次321

表5方差分析

Table5Analysisofvariance

注：

*.影响显著（P＜0.05）；**.影响极显著（P＜0.01）。

品质参数因子自由度平方和均方和F值WLA渗透温度226.96713.4831.667B渗透液组合2514.024257.01231.768*C渗透时间2613.710306.85537.929*D空列（误差）216.1818.0900.030总和81170.881146.360WL/SgA渗透温度20.0790.0407.000B渗透液组合22.0651.032181.822**C渗透时间25.2702.635464.068**D空列（误差）20.0110.0060.005总和87.4250.928

由表3～5极差分析可知，各因子对辣椒脱水特性的影响主次顺序为C渗透时间＞B渗透液组合＞A渗透温度，随着渗透时间和渗透液食盐含量的增加，WL/Sg均增大；WL最大的最优渗透脱水工艺方案是A3B3C3，WL/Sg最大的最优方案是A2B3C3。

因为WL/Sg是评价辣椒品质的重要指标[32]，即在提高WL的同时，应尽可能保证辣椒品质不受影响或影响较小。

综合考虑，选取A2B3C3为辣椒的最优渗透脱水工艺方案，即渗透液组合为45%蔗糖＋10%食盐（＋水）、渗透时间为6h、渗透温度为45℃方案。

由方差分析可知，各因子对辣椒WL和WL/Sg的影响主次顺序为C渗透时间＞B渗透液组合＞A渗透温度，与极差分析结果相同。

由于F0.25（2,2）=3.0、F0.1（2,2）=9.0、F0.05（2,2）=19.0、F0.01（2,2）=99.01，对于WL，F0.05＜FB＜FC＜F0.01，FA＜F0.25，因子B、C对辣椒WL的影响显著，因子A无影响；对于WL/Sg，F0.01＜FB＜FC，F0.25＜FA＜F0.1，因子B和C对辣椒WL/Sg影响极显著，因子A有一定的影响。

由于渗透温度对辣椒WL和WL/Sg的影响较小，为了保证辣椒品质，不宜选择太高的渗透温度，因而上述最优渗透脱水工艺方案选取的渗透温度为45℃。

按照最优渗透脱水工艺方案，即渗透液组合为45%蔗糖＋10%食盐（＋水）、渗透时间为6h、渗透温度为45℃，进行渗透脱水实验验证正交试验结果。

最优渗透脱水工艺方案得到的辣椒样品WL为48.3%，Sg为8.7%，WL/Sg为5.56±0.13，结果能很好满足试验要求。

2.2渗后热风干燥特性

2.2.1不同温度条件下干燥特性曲线

按1.3.3.2节的实验方法，对渗透脱水样品和未经渗透脱水样品（鲜辣椒样品）进行热风干燥实验，得到热风风速恒定、热风温度变化条件下样品的热风干燥特性曲线，图3为风速为1.8m/s，温度分别45、50、55、60、65℃的直接热风干燥和渗后热风干燥特性曲线。

图3不同温度条件下样品干燥特性曲线

Fig.3Dryingcurvesatdifferenttemperatures

由图3可知，当保持热风风速一定时，随着热风温度的升高，两组样品的含水率都在降低，且温度越高，干燥时间越短，即干燥速率越快。

在干燥前期，样品随着干燥的进行，其含水率近似线性下降，由于辣椒样品干燥前的初始含水率水平较高，该阶段的持续时间较长。

在干燥后期，辣椒样品的含水率下降趋缓。

经过干燥实验结果对比分析可以看出，辣椒在55～65℃区间干燥速率明显加快，但此温度区间干燥后的辣椒颜色呈黑绿色，并有碳化味，品质较差。

而在45～50℃温度区间干燥后辣椒的颜色鲜亮，外形饱满，气味正常，品质较好。

可见，在较低热风温度条件下，虽然干燥速度较慢，但是可以提高辣椒的干燥的品质；较高温度时则恰恰相反。

因此，辣椒干燥适宜的热风温度为45～50℃。

在相同干燥条件下，渗后热风干燥样品要先于直接热风干燥样品到达14%的安全含水率水平。

这是由于渗透脱水样品经过1h的渗透脱水处理，辣椒样品的含水率由82.4%下降至72.3%，在此基础上进行热风干燥可以缩短热风干燥到达贮存要求含水率水平所需干燥时间1～2h，从而能降低干燥过程中的能量消耗和处理成本。

2.2.2不同风速条件下干燥特性曲线

图4不同风速条件下样品干燥特性曲线

Fig.4Dryingcurvesatdifferentairvelocities

图4为热风温度为50℃，热风风速分别为0.6、1.2、1.8m/s条件下的干燥曲线。

由图4可知，当热风温度恒定时，两组样品的含水率都随着热风风速的增大而降低，但变化幅度不大。

风速为0.6m/s时辣椒含水率下降最慢，辣椒干燥的风速宜取1.2～1.8m/s。

在相同干燥条件下，渗后热风干燥样品的含水率要先于直接热风干燥样品到达安全含水率水平，进一步说明样品经过渗透脱水在进行热风干燥，干燥周期变短。

2.3辣椒渗后热风干燥的Deff和Ea

图5不同风速条件下辣椒样品Deff变化曲线

Fig.5Curvesofeffectivemoisturediffusioncoeffcientagainstairvelocity

根据式（4）将lnMR与t的曲线进行线性拟合，由直线的斜率可以计算出直接热风干燥和渗后热风干燥样品的Deff。

由图5可知，在热风干燥过程中，保持热风风速恒定，随着热风温度的升高，辣椒样品Deff相应增大，呈近似线性规律变化。

这是因为当热风温度升高时，辣椒样品内的液相水和蒸气传输的质量都加快，热量传输速度也相应提高，而传热又能有效地促进传质，从而使得辣椒样品的Deff呈近似线性规律变化。

比较相同热风温度，不同热风风速条件下，风速越高，辣椒样品的Deff越高，但变化幅度比较小。

在同等条件下，渗后热风干燥辣椒样品的Deff要高于直接热风干燥辣椒样品的Deff。

根据式（5）将lnDeff与1/T的曲线进行线性拟合，由直线的斜率可以计算出辣椒样品的干燥Ea（表6）。

表6直接热风干燥样品和渗后热风干燥样品的VC保留率Ea

Table6Activationenergyofdirecthot-airdryingandhot-airdryingafterosmoticdehydration

处理方式Ea/（kJ/mol）0.6m/s1.2m/s1.8m/s直接热风干燥58.40±0.9856.23±0.8753.25±1.08渗后热风干燥48.51±1.1046.12±0.9344.42±0.88

由表6可知，渗后热风干燥样品的Ea要小于直接热风干燥样品的Ea。

这是因为经过渗透过程的样品再进行热风干燥，干燥时间进一步缩短，所需能量消耗变小。

2.4渗后热风干燥辣椒的VC保留率

通过GB/T6195—1986实验测得鲜辣椒的VC含量为99.2mg/100g。

在不同热风温度和风速条件下测定并计算直接热风干燥样品和渗后热风干燥样品的VC保留率（表7）。

表7直接热风干燥样品和渗后热风干燥样品的VC保留率

Table7VCretentionratesofsamplesprocessedbydirecthot-airdryingandhot-airdryingafterosmoticdehydration

风速/（m/s）处理方式VC保留率/%45℃50℃55℃60℃65℃0.6直接热风干燥42.51±0.4137.32±0.3831.24±0.5525.12±0.6420.30±0.49渗后热风干燥51.50±0.5747.76±0.8642.18±0.4636.01±0.6531.23±0.531.2直接热风干燥44.82±0.4439.42±0.6433.69±0.5328.11±0.5822.96±0.45渗后热风干燥53.47±0.4849.93±0.4344.66±0.5638.51±0.6333.84±0.511.8直接热风干燥46.73±0.5442.05±0.6835.72±0.5931.28±0.4625.22±0.62渗后热风干燥56.84±0.7251.23±0.7447.10±0.6740.33±0.6134.81±0.53

VC含量是衡量样品营养成分的一个重要指标，也是最不稳定的维生素之一，受到很多因素影响。

由表7可知，在有氧的条件下，VC受热风温度影响最大。

随着热风温