采收后加工對大紅袍花椒中芳香成分和麻味物質(zhì)含量及組成的影響

朱羽堯，張國琳，錢驊，黃曉德，陳斌，趙伯濤

(南京野生植物綜合利用研究所, 南京 210042)

花椒是我國特有的香辛料資源，因其所特有的特征性香氣和麻味而被廣泛應(yīng)用于各種菜系尤其是川菜的烹飪調(diào)味中[1，2]。目前我國常用的花椒主要分為紅花椒和青花椒兩大類，其中紅花椒尤以陜西產(chǎn)大紅袍(ZanthoxylumbungeanumMaxim.)為主，因其氣味清香濃郁、麻味濃烈純正以及外觀紅艷而最負盛名。傳統(tǒng)中醫(yī)還認為，花椒性溫，味辛，歸脾胃腎經(jīng)，具有溫中散寒、芳香健胃、除濕止痛等功效[3-5]。因此，花椒以其獨有的風(fēng)味特征和保健功能深受消費者的喜愛。同時，隨著近年來研究的不斷深入，以花椒為代表的辛香料天然植物精油所具有的優(yōu)異的抗菌殺蟲功效得到了廣泛的認可，以此為基礎(chǔ)開展的天然無毒食品保鮮防腐劑研究也正在穩(wěn)步推進中[6，7]。

花椒市場需求的不斷擴大以及經(jīng)濟價值的逐步提升，直接推動了花椒這一經(jīng)濟作物在全國多個省市的規(guī)范化種植和GAP基地建設(shè)。發(fā)展至今，陜西韓城、重慶江津、四川金陽、山東萊蕪以及河北涉縣等多個知名花椒規(guī)模化種植基地已先后建立[8-10]。隨著規(guī)范化種植的推廣以及GAP基地的建立，原本由于品種、產(chǎn)地和種植過程等方面差異而帶來的花椒質(zhì)量問題得到明顯改善。但即便如此，通過對市售花椒產(chǎn)品質(zhì)量的分析和檢測，發(fā)現(xiàn)普遍存在香味淡、揮發(fā)油含量低等問題[11-13]。根據(jù)ISO 6571-2008《香料、調(diào)味品和香草揮發(fā)油含量的測定》中揮發(fā)油含量測定方法進行檢測后發(fā)現(xiàn)，市售花椒整粒或粉體產(chǎn)品中揮發(fā)油的含量普遍為1.0%～1.6%之間，這與《中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準》中針對花椒揮發(fā)油含量所規(guī)定的2.5%以上的最低級產(chǎn)品標準存在不小的差距。由此可見，從基地的花椒原料到市售商品間存在的采收后加工、儲藏及流通等環(huán)節(jié)對花椒的品質(zhì)存在非常明顯的影響，不容忽視[14]。

本研究選擇我國特有紅花椒品質(zhì)陜西產(chǎn)韓城大紅袍為研究對象，以大紅袍中揮發(fā)油的含量及成分組成為指標，首先從特征氣味的角度來評價大紅袍的品質(zhì)。此外，大量研究表明，花椒所特有的麻味感官特性是因為其中所富含的不飽和酰胺類成分(如：羥基-α-山椒素等)作用于味覺受體而引起[15，16]。因此，本研究除了采用特征香氣指標進行評價外，還將以羥基-α-山椒素含量為指標，從麻味物質(zhì)的角度對大紅袍品質(zhì)進行評價，進而針對新鮮花椒采收后的干燥、粉碎加工對花椒品質(zhì)所帶來的影響展開探討。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

韓城大紅袍：由陜西韓城仲義花椒專業(yè)合作社提供，經(jīng)南京野生植物綜合利用研究院趙伯濤研究員鑒定為ZanthoxylumbungeanumMaxim.羥基-α-山椒素對照品：本實驗室自行分離純化制備，經(jīng)HPLC檢測純度為98%以上。

LD-Y400A高速萬能粉碎機 上海頂帥電器有限公司；安捷倫7820A-5975氣相色譜串聯(lián)單四級桿質(zhì)譜檢測器(GC-MS)、安捷倫1200高效液相色譜儀(HPLC) 安捷倫科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品的制備

新鮮采摘大紅袍，除去枝葉即得大紅袍花椒鮮品，果皮干重按照大紅袍鮮品總重除去水分和種子重量來進行計算。

將新鮮大紅袍樣品曬干并除去種子，即得曬干大紅袍樣品。

將新鮮大紅袍樣品放入烘箱烘干、曬干并除去種子，即得烘干大紅袍樣品。

曬干紅花椒經(jīng)粉碎，分別過10，80目篩，制備紅花椒粗粉(10目)以及細粉(80目)樣品。

1.2.2 水分含量的測定

根據(jù)GB/T 12729.6-2008《香辛料和調(diào)味品 水分含量的測定》中相關(guān)規(guī)定，采用二甲苯蒸餾法對各實驗樣品中的水分含量進行測定。水分含量的計算公式如下：

式中：W為試樣的水分含量，以質(zhì)量分數(shù)表示(%)；m為試樣質(zhì)量，g；V為接收器中水的體積，mL；ρ為水的密度，1 g/mL。

1.2.3 大紅袍中揮發(fā)油含量測定[17]

根據(jù)GB/T 30385-2013《香辛料和調(diào)味品揮發(fā)油含量的測定》中相關(guān)規(guī)定，采用水蒸氣蒸餾法對樣品中的揮發(fā)油含量進行測定。揮發(fā)油含量計算公式如下：

式中：V0為測得的二甲苯體積，mL；V1為測得的二甲苯和揮發(fā)油的總體積，mL；M為試樣質(zhì)量，g；W為試樣水分百分含量。

1.2.4 大紅袍揮發(fā)油成分組成分析[18]

采用水蒸氣蒸餾法提取并收集大紅袍中的揮發(fā)油，經(jīng)無水Na2SO4干燥并儲存在密閉的暗小瓶中即得透明油狀大紅袍揮發(fā)油樣品。

采用GC-MS對揮發(fā)油中的化學(xué)成分組成進行檢測分析。氣相色譜條件：Agilent HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)毛細管色譜柱，程序升溫，初始柱溫60 ℃保持5 min，以2 ℃/min升溫到135 ℃保持10 min，然后以20 ℃/min升溫到240 ℃保持4 min。載氣為高純氦氣，流速1.0 mL/min，進樣口溫度250 ℃，接口溫度280 ℃，進樣量l μL，分流比100∶1；質(zhì)譜條件：EI離子源，離子源溫度230 ℃，MS四極桿溫度150 ℃，接口溫度200 ℃，發(fā)射電流200 μA，掃描范圍33～650 amu，溶劑延遲3.0 min。標準譜庫NIST 2011檢索，峰面積歸一法計算各組分相對百分含量。

1.2.5 HPLC檢測大紅袍中羥基-α-山椒素含量

1.2.5.1 液相色譜條件

色譜柱：Luna 5 μL C18，250 mm×2 mm，Phenonemex，Torrance， CA；柱溫20 ℃；流速0.8 mL/min；檢測波長270 nm；流動相：A相為0.1%乙酸，B相為乙腈，梯度洗脫(0 min 45% B；25 min 70% B，30 min 100% B)；進樣量20 μL。

1.2.5.2 標準曲線繪制

精確稱取本實驗分離得到的羥基-α-山椒素對照品1.0 mg，溶于1 mL甲醇，倍比稀釋配成濃度為0.2，0.1，0.05，0.025，0.0125 mg/mL的標準品溶液，以標準品濃度為橫坐標，峰面積為縱坐標，繪制標準曲線(見圖1)。標準曲線方程為y=2169684x+1548.9，R2=0.9991。

圖1 羥基-α-山椒素標準曲線Fig.1 The standard curve of hydroxyl-α-sanshool

1.2.5.3 檢測樣品制備

精密稱取0.1 g不同方式處理后的大紅袍樣品，加入10 mL甲醇超聲提取3次，第1次提取1 h，后2次提取0.5 h，合并3次提取液，經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去除溶劑，用色譜甲醇定容至5 mL。樣品經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后采用HPLC檢測。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 自然晾曬、烘干及粉碎處理對大紅袍中揮發(fā)油及羥基-α-山椒素含量的影響

根據(jù)國際標準(ISO 6571-2008)，揮發(fā)油是水蒸氣蒸餾所得的全部組分，以每100 g干態(tài)樣品(即除去水分)所含毫升數(shù)表示其含量。新鮮大紅袍以及不同干燥或不同粉碎程度處理后的大紅袍樣品中水分、揮發(fā)油和羥基-α-山椒素的含量見表1。

表1 不同干燥及不同程度粉碎處理后大紅袍中水分、揮發(fā)油和羥基-α-山椒素得率Table 1 Content of water, volatile oils and hydroxyl-α-sanshool in Z.bungeanum processed by different drying methods or pulverized into different granularities

新鮮大紅袍中揮發(fā)油得率為1.5 mL/100 g，麻味物質(zhì)為48.41 mg/g，失水率是52.4%，果皮占曬干后花椒的45%，折算成干花椒的揮發(fā)油得率為7.00%。曬干和烘干處理，對大紅袍中水分含量的影響差異不大，分別為9.30%和9.00%。因此，從大紅袍的干燥程度來比較，這2種方法不存在顯著差異。但通過對干燥處理后大紅袍材料中所含揮發(fā)油進行測定發(fā)現(xiàn)，曬干后樣品中得率為5.88%，烘干后樣品為4.30%，均與原新鮮大紅袍花椒中7.00%的揮發(fā)油得率相距甚遠，損失分別達到16.00%和38.57%。由此可見，烘干后的大紅袍中揮發(fā)油損失程度為自然晾曬處理的2.41倍。此外，從羥基-α-山椒素的得率來看，經(jīng)2種方法干燥后的大紅袍中羥基-α-山椒素得率沒有顯著差異，分別為(43.35±0.54) mg/g和(42.38±0.89) mg/g，與新鮮大紅袍相比，損失分別為10.24%和12.46%。新鮮大紅袍樣品經(jīng)干燥后，麻味物質(zhì)主要組成成分羥基-α-山椒素的得率會降低，但不同干燥方法間的差異不大。

曬干后的大紅袍經(jīng)粉碎過篩所制備的大紅袍粗粉(10目)和細粉(80目)樣品中，水分含量與粉碎前幾乎沒有差異，均為9.00%左右，但揮發(fā)油和羥基-α-山椒素的得率卻發(fā)生了顯著變化。大紅袍經(jīng)粗粉后揮發(fā)油得率為4.03%，與粉碎前相比下降了31.46%，與新鮮大紅袍相比損失近42.43%；而經(jīng)細粉后揮發(fā)油得率僅為2.56%，與粉碎前相比損失56.46%，而與新鮮大紅袍相比損失率則達到63.43%。結(jié)果表明，不同粉碎程度的大紅袍樣品經(jīng)提取后揮發(fā)油得率有較大差異，粉碎粒度越細，揮發(fā)油損失越多，得率越低。若達到國家標準中對粉末狀香辛料要求的80目細粉將會對其中所含的揮發(fā)油造成巨大損失。從羥基-α-山椒素的得率來分析，經(jīng)粉碎后樣品中羥基-α-山椒素得率明顯提高。與粉碎前相比，粗粉后羥基-α-山椒素得率為(56.76±0.71) mg/g，較粉碎前提高了30.63%；細粉后得率為(64.52±2.15) mg/g，較粉碎前提高了48.46%。因此，粉碎加工對大紅袍中揮發(fā)油以及羥基-α-山椒素的含量影響顯著，粉碎程度越劇烈對其中所含揮發(fā)油帶來的損失越大，但會促進以羥基-α-山椒素為代表的麻味成分的提取。

2.2 自然晾曬、烘干及粉碎處理對大紅袍揮發(fā)油中成分組成的影響

不同干燥及粉碎處理后的大紅袍樣品提取所得揮發(fā)油，經(jīng)GC-MS進行檢測，分析揮發(fā)油中的化學(xué)成分組成，以此探討不同采收加工對花椒中揮發(fā)性成分的影響。新鮮、曬干、烘干、曬干后粗粉以及細粉的大紅袍樣品提取所得揮發(fā)油總離子流圖見圖1～圖5。通過NIST 2011標準化合物質(zhì)譜庫進行匹配，對揮發(fā)油中的化學(xué)成分進行鑒定，并采用面積歸一法計算其相對含量見表2。

圖1 新鮮大紅袍總離子流圖Fig.1 Total ion chromatogram of fresh Z.bungeanum

圖2 曬干大紅袍揮發(fā)油總離子流圖Fig.2 Total ion chromatogram of sun-dried Z.bungeanum volatile oils

圖3 烘干大紅袍揮發(fā)油總離子流圖Fig.3 Total ion chromatogram of oven-dried Z.bungeanum volatile oils

圖4 大紅袍粗粉(10目)揮發(fā)油總離子流圖Fig.4 Total ion chromatogram of 10-mesh (crude powder)Z.bungeanum volatile oils

圖5 大紅袍細粉(80目)揮發(fā)油總離子流圖Fig.5 Total ion chromatogram of 80-mesh (fine powder)Z.Bungeanum volatile oils

序號保留時間(min)化合物含量(%)新鮮曬干曬干粗粉(10目)細粉(80目)14.934乙酸異戊酯(1-Butanol, 3-methyl-, acetate)0.0226.631側(cè)柏烯(3-Thujene)0.680.440.570.420.2136.918a-蒎烯(alpha.-Pinene)4.742.503.202.451.3147.828丁酸異丁酯(Butanoic acid, 2-methylpropyl este)0.1458.67檜烯(Sabinene)9.546.496.905.993.6468.745β-蒎烯(beta.-Pinene)0.330.260.290.260.1279.676β-月桂烯(beta.-Myrcene)18.199.3412.229.457.62810.127α-水芹烯(alpha.-Phellandrene)2.691.801.470.580.54910.7432-蒈烯(2-Carene)0.741.922.033.413.991011.215對傘花烴(p-Cymene)0.120.641.672.941111.639D-檸檬烯(D-Limonene)32.5231.8528.0027.2426.011211.701桉葉油醇(Eucalyptol)3.046.9911.216.255.721312.139β-水芹烯(beta.-Phellandrene)6.824.314.472.302.191412.645β-羅勒烯(beta.-Ocimene)3.322.442.230.940.921513.117γ-萜品烯(gamma.-Terpinene)1.172.582.895.315.671613.562順式-β-松油醇(cis-β-Terpineol)0.580.670.430.411713.897辛醇(1-Octanol)0.130.081814.814萜品油烯(Terpinolen)0.710.941.001.341.581915.341α-側(cè)柏酮(α-Thujone)0.300.500.310.280.192015.621芳樟醇(Linalool)0.662.191.631.852.172115.881壬醛(Nonanal)0.060.132216.771α-香檸檬烯(α-Bergamotene)0.230.980.770.841.072317.407別羅勒烯(Allo-Ocimene)0.190.180.172417.907脫氫芳樟醇(Hotrienol)0.120.630.510.580.80

續(xù) 表

續(xù) 表

由表2可知，新鮮大紅袍揮發(fā)油采用GC-MS共檢測到53種化學(xué)成分，鑒定出49種化合物，占色譜總流出峰面積的98.97%，其中含萜烯類成分86.06%、醇醛類成分12.08%和酯類0.83%；曬干大紅袍揮發(fā)油中檢測到50種化學(xué)成分，鑒定出47種化合物，占色譜總流出峰面積的99.25%，其中含萜烯類成分67.48%、醇醛類成分29.43%和酯類2.22%；烘干大紅袍揮發(fā)油中共檢測到53種化學(xué)成分，鑒定出46種化合物，占色譜總流出峰面積的99.42%，其中含萜烯類成分68.41%、醇醛類成分28.38%和酯類2.12%。曬干和烘干處理后，大紅袍揮發(fā)油中的萜烯類成分降低約32%，而醇醛類成分提高143.62%。

通過對大紅袍揮發(fā)油的主要成分進一步分析發(fā)現(xiàn)，新鮮材料揮發(fā)油中主要含D-檸檬烯(32.52%)、β-月桂烯(18.19%)和檜烯(9.54%)；曬干材料的揮發(fā)油中主要成分為D-檸檬烯(31.85%)、4-萜烯醇(13.03%)、β-月桂烯(9.34%)和桉葉油醇(6.99%)；烘干材料的揮發(fā)油中主要成分為D-檸檬烯(28.00%)、β-月桂烯(12.22%)、桉葉油醇(11.21%)和4-萜烯醇(10.74%)。新鮮大紅袍中的主要成分β-月桂烯和檜烯經(jīng)過自然晾曬后含量僅為總揮發(fā)油的9.34%和6.49%，較自然晾曬前相比分別降低了48.65%和31.32%；而經(jīng)曬干后，大紅袍中的4-萜烯醇(13.03%)和桉葉油醇(6.99%)含量分別為晾曬前的4.18倍和2.30倍。對于烘干處理而言，原新鮮大紅袍中的主要成分β-月桂烯和檜烯含量僅為處理后揮發(fā)油中的12.22%和6.90%，較烘干前相比分別降低了32.82%和27.67%；而4-萜烯醇(10.74%)和桉葉油醇(11.21%)含量分別為烘干前的3.45倍和3.69倍。

由此可見，新鮮大紅袍的干燥過程除了會對揮發(fā)油的含量帶來損失外，還會對其化學(xué)組成產(chǎn)生影響。曬干及烘干過程中，植物材料將與空氣中的氧氣進行較長時間的直接接觸。因此，對于揮發(fā)油中的含有鏈狀或環(huán)狀不穩(wěn)定雙鍵的萜烯類成分而言，容易發(fā)生氧化反應(yīng)形成萜醇、萜醛等氧化產(chǎn)物。而且曬干與烘干對揮發(fā)油中主要成分的影響也存在較大差別，尤其是對4-萜烯醇和桉葉油醇含量的影響。在曬干材料中4-萜烯醇含量為13.03%，是烘干材料中的121.32%，而桉葉油醇的含量為6.99%，僅為烘干材料中的62.35%。通過觀察這2種成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，4-萜烯醇通過羥基與雙鍵的環(huán)合反應(yīng)可以形成桉葉油醇。因此推測，基于高溫的烘干過程，將會促進4-萜烯醇自身環(huán)化反應(yīng)的發(fā)生從而生成桉葉油醇。

以曬干的大紅袍為原料制備的粗粉(10目)和細粉(80目)提取所得揮發(fā)油的GC-MS檢測結(jié)果見圖4和圖5。曬干大紅袍粗粉(10目)揮發(fā)油采用GC-MS共檢測到48種化學(xué)成分，鑒定出41種化合物，占色譜總流出峰面積的98.99%，其中含萜烯類成分65.99%、醇醛類成分30.17%和酯類4.83%；而細粉(80目)揮發(fā)油中共檢測到43種化學(xué)成分，鑒定出38種化合物，占色譜總流出峰面積的99.80%，其中含萜烯類成分62.85%、醇醛類成分31.12%和酯類6.27%。結(jié)果表明，經(jīng)粉碎處理后，萜烯類含量略微降低，醇醛類成分變化不大而酯類成分含量增加明顯。粗粉和細粉中酯類成分含量分別為粉碎前的2.62倍和2.82倍。將這一結(jié)果與前期研究中粉碎處理對大紅袍中揮發(fā)油含量的影響相結(jié)合進行分析可以發(fā)現(xiàn)，雖然粉碎后萜烯類和醇醛類成分相對含量變化并不十分明顯，但絕對含量(即相同量植物材料中的含量)發(fā)生明顯降低；而酯類成分雖然相對含量提高顯著，但就絕對含量而言并未發(fā)生明顯變化。因此，粉碎處理將會進一步帶來大紅袍中萜烯類和烯醇類成分的損失，而并不會對其中的酯類成分帶來影響。

3 結(jié)論

干燥處理是新鮮辛香料采收后的首道工序，在傳統(tǒng)采收加工過程中多采用自然曬干的方式來進行。曬干不僅能夠有效地去除花椒中的水分并防止霉變，而且干燥后的花椒種子與果皮能夠很好地分離。隨著花椒產(chǎn)量及需求的不斷擴大和技術(shù)水平的不斷提高，加熱鼓風(fēng)干燥已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于辛香料的干燥工藝中，此外微波干燥和冷凍干燥等新型技術(shù)手段也已逐漸被開發(fā)和應(yīng)用。通過以原料大紅袍中含水量、揮發(fā)油含量以及麻味成分的代表化合物羥基-α-山椒素含量，研究了曬干和烘干2種干燥方式對大紅袍原料品質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，曬干和烘干雖然均能有效地將大紅袍的含水量降低至10%以下，但同時也將對其中的揮發(fā)油和麻味成分帶來損失。2種干燥方式對羥基-α-山椒素帶來的損失相近，分別為10.24%和12.46%。對于大紅袍中的揮發(fā)油而言，2種干燥方式帶來的影響存在明顯差異。首先，含量上，烘干造成的損失(38.57%)明顯高于曬干(16.00%)。此外，2種干燥過程均會對大紅袍揮發(fā)油的成分組成帶來巨大改變。由于干燥過程中植物材料長期與空氣中的氧氣接觸，揮發(fā)油中的萜烯類成分如D-檸檬烯、β-月桂烯和檜烯等經(jīng)氧化形成醇醛類成分如桉葉油醇和4-萜烯醇等。并且，在自然曬干的大紅袍揮發(fā)油中，4-萜烯醇為主要醇醛類成分，含量為13.03%；而烘干材料中的主要醇醛類成分為桉葉油醇(11.21%)。結(jié)合這一現(xiàn)象以及這2種化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征推斷，加熱過程將會促進4-萜烯醇的自身環(huán)化反應(yīng)的發(fā)生，從而轉(zhuǎn)變?yōu)殍袢~油醇。

除干燥外，粉碎也是辛香料加工過程中非常重要的一道工序。據(jù)初步統(tǒng)計，我國市場流通中的辛香料產(chǎn)品，原料型約占65%以上，粉末型(包括混合型)約占20%，深加工型(油樹脂、精油等)約為15%，其中深加工型產(chǎn)品的制備生產(chǎn)也大多經(jīng)過原材料的粉碎前處理過程。粉碎過程中，設(shè)備的高速旋轉(zhuǎn)與物料撞擊會產(chǎn)生熱量和氣流，從而造成大紅袍中揮發(fā)油的大量損耗，尤其粉碎到國家標準中要求的80目細粉時，其中所含揮發(fā)油與粉碎前相比損失56.46%，而與新鮮大紅袍相比損失率則達到63.43%。但就大紅袍中的麻味成分而言，粉碎將會顯著促進該類成分的提取和溶出，當粉碎達到80目時，較粉碎前提高48.46%。因此，對于大紅袍而言，粉碎加工是一把雙刃劍，在提高其中麻味成分提取率的同時也會帶來揮發(fā)性成分的損失。目前的常規(guī)粉碎加工技術(shù)還不能同時滿足粒度和降低揮發(fā)油損耗的要求，因此，開發(fā)低損失高效率的辛香料粉碎加工技術(shù)是目前香辛料加工業(yè)急需解決的一大問題。