干燥方式對(duì)香芋片揮發(fā)性物質(zhì)的影響

楊 玉 梁 端 宋 佩 王雪清 董 鐘 孫 雪 劉云宏,2,3

(1. 河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽 471000；2. 食品綠色加工與質(zhì)量安全控制河南省國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471000；3. 食品微生物河南省工程技術(shù)研究中心，河南 洛陽 471000)

香芋(ColocasiaesculentaL.Schott)為天南星科植物芋的塊莖，因內(nèi)部具有檳榔花紋又稱為“檳榔芋”，主要分布在非洲、亞洲等地[1]。香芋中含有豐富的淀粉、蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)等，營養(yǎng)價(jià)值高[2-3]。

蘇可珍等[4]研究發(fā)現(xiàn)，不同處理時(shí)間荔浦芋的特征風(fēng)味來自氮氧化物、甲基類、硫化物、醛類及醇類。程元珍[5]研究發(fā)現(xiàn)，新鮮芋泥和冷藏芋泥的主要風(fēng)味物質(zhì)為醛類，隨著冷藏時(shí)間的延長，醛類、苯環(huán)化合物等相對(duì)含量不斷增加。成文[6]分析模擬了香芋的生長模型，研究了香芋中的揮發(fā)性物質(zhì)。甘泳紅等[7]對(duì)海芋的揮發(fā)性成分進(jìn)行研究，確認(rèn)了28種化學(xué)成分。但有關(guān)干燥加工方法對(duì)香芋片風(fēng)味成分的影響尚未見報(bào)道。

目前，針對(duì)常規(guī)干燥方式加工時(shí)間長、產(chǎn)品品質(zhì)低等缺陷，常采用一些現(xiàn)代技術(shù)對(duì)干燥過程進(jìn)行強(qiáng)化，從而達(dá)到提高干燥效率及保護(hù)產(chǎn)品品質(zhì)等目的[8]。直觸超聲技術(shù)和遠(yuǎn)紅外輻射技術(shù)均為強(qiáng)化干燥過程的有效方式，已被證實(shí)能夠加快干燥進(jìn)程和提高營養(yǎng)保留[9-10]。超聲強(qiáng)化干燥主要體現(xiàn)為利用超聲的空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和湍動(dòng)效應(yīng)，可在不進(jìn)一步加熱的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)物料內(nèi)部傳質(zhì)的有效促進(jìn)[11]。遠(yuǎn)紅外輻射干燥主要是利用其良好的加熱效果和能量穿透性，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料傳熱的有效提升[12]。但上述兩種強(qiáng)化干燥技術(shù)對(duì)物料揮發(fā)性成分能夠產(chǎn)生何種影響尚未可知。此外，若將直觸超聲技術(shù)與遠(yuǎn)紅外輻射加熱聯(lián)合應(yīng)用于干燥過程，其對(duì)物料風(fēng)味的保護(hù)效果是否優(yōu)于單一超聲和單一遠(yuǎn)紅外輻射，需進(jìn)行研究與探討。

研究擬基于主成分分析法，以新鮮香芋為原料，采用熱風(fēng)干燥(HAD)、直觸超聲強(qiáng)化熱風(fēng)干燥(CU-HAD)、遠(yuǎn)紅外輻射干燥(FIRD)、直觸超聲強(qiáng)化遠(yuǎn)紅外輻射干燥(CU-FIRD)和冷凍干燥(FD)5種不同干燥方式對(duì)香芋片進(jìn)行干燥，其中HAD和FD作為對(duì)照，利用氣相色譜—質(zhì)譜法(GC-MS)對(duì)不同干燥方式所得干制香芋片的揮發(fā)性成分進(jìn)行比較分析，探明單一超聲強(qiáng)化、單一遠(yuǎn)紅外輻射和超聲聯(lián)合遠(yuǎn)紅外輻射對(duì)香芋片風(fēng)味物質(zhì)的影響規(guī)律，以期為香芋片干燥加工技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

優(yōu)質(zhì)荔浦香芋：選擇整體完整，無霉變蟲蛀的新鮮香芋，市售；

檸檬酸、正己烷：分析純，天津市德恩化學(xué)試劑有限公司；

無水硫酸鈉：分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

氣相色譜—三重四級(jí)桿串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)儀：TSQ9000型，美國賽默飛世爾公司；

熱風(fēng)干燥機(jī)：101-3ES型，北京市永光明醫(yī)療儀器廠；

遠(yuǎn)紅外輻射干燥設(shè)備、直觸超聲強(qiáng)化裝置、超聲強(qiáng)化遠(yuǎn)紅外輻射干燥裝置：河南科技大學(xué)自制；

超低溫冰箱：DW-86L486型，中國海爾集團(tuán)公司；

真空冷凍干燥機(jī)：LGJ-10D型，北京四環(huán)起航科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品預(yù)處理 將香芋切成3 mm薄片，使用0.2%檸檬酸護(hù)色8 min，沸水漂燙90 s，用吸水紙吸干香芋片表面水分，使用5種不同干燥方式將香芋片干燥至干基含水率低于10%備用[13]。

(1) HAD干燥：熱風(fēng)溫度45 ℃，風(fēng)速1.5 m/s。

(2) CU-HAD干燥：超聲功率36 W，熱風(fēng)溫度45 ℃，風(fēng)速1.5 m/s。

(3) FIRD干燥：遠(yuǎn)紅外輻射板溫度180 ℃，干燥過程中，物料溫度由常溫逐漸升至45 ℃。

(4) CU-FIRD干燥：超聲功率36 W，遠(yuǎn)紅外輻射板溫度180 ℃。

(5) FD干燥：將預(yù)處理后的香芋片于-20 ℃下預(yù)凍24 h，真空冷凍干燥24 h，其中冷阱溫度為-50 ℃，干燥室內(nèi)壓力為10 Pa。

1.3.2 氣相色譜—質(zhì)譜分析 準(zhǔn)確稱取干重5.00 g香芋片，剪碎，加入500 mL蒸餾水和沸石，加熱使其沸騰。蒸餾出的物質(zhì)用正己烷進(jìn)行萃取，加入適量無水硫酸鈉脫水，過0.22 μm濾膜，采取進(jìn)樣瓶自動(dòng)進(jìn)樣方式。

1.3.3 色譜條件 色譜柱為DB-5MS石英毛細(xì)柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；升溫程序參照文獻(xiàn)[14]。

1.3.4 質(zhì)譜條件 電子轟擊(EI)離子源；電子能量70 eV；傳輸線溫度250 ℃；離子源溫度230 ℃；質(zhì)量掃描范圍m/z45～500。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所得GC-MS檢測(cè)結(jié)果通過計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(replib、mainlib)檢索處理，選取正反匹配度均>500的成分作為定性結(jié)果，并根據(jù)揮發(fā)性氣體成分的峰面積采用面積歸一化法得到各個(gè)揮發(fā)性氣體成分的相對(duì)含量。使用SPSS 20.0進(jìn)行主成分分析，使用Origin 2021軟件進(jìn)行作圖及數(shù)據(jù)分析，通過方差分析進(jìn)行不同干燥方式所得產(chǎn)品的顯著性分析，P<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 揮發(fā)性成分分析

干燥處理前的香芋片以及5種不同干燥方式所得香芋片的總離子流色譜圖如圖1所示，揮發(fā)性成分及相對(duì)含量見表1。

圖1 不同干燥方式所得香芋片的揮發(fā)性成分總離子流圖

由表1可知，香芋及其干制品共檢出149種揮發(fā)性成分，預(yù)處理后的香芋檢出63種揮發(fā)性成分。香芋富含蛋白質(zhì)、糖類等物質(zhì)，在干燥過程中會(huì)發(fā)生一系列反應(yīng)，如美拉德反應(yīng)、脂肪酸氧化等[15]。隨著干燥的進(jìn)行，香芋的揮發(fā)性成分會(huì)有一定的損失，同時(shí)也有新的揮發(fā)性成分生成。

表1 香芋及其干制品的揮發(fā)性成分及其相對(duì)含量?

續(xù)表1

續(xù)表1

續(xù)表1

由圖2可知，干燥后的樣品中均檢測(cè)出較多的苯環(huán)類及酯類化合物。隨著樣品中水分的減少，烴類化合物發(fā)生變化，空間結(jié)構(gòu)改變，生成多種烷烴類物質(zhì)[16]，與張思頡等[17]的研究結(jié)果相似，但其對(duì)香芋風(fēng)味貢獻(xiàn)較小[18]。酸類物質(zhì)主要來自脂肪氧化及醛的還原，其香氣閾值較高[19]。

圖2 香芋及其干制品不同類別揮發(fā)性成分的相對(duì)含量

苯環(huán)類包括苯環(huán)類、呋喃類、吡喃類化合物，苯及其同系物是常見的食品揮發(fā)性物質(zhì)[20]，呋喃類、吡喃類主要來源于美拉德反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)[21]。CU-HAD、FIRD、CU-FIRD 3種干燥方式的苯環(huán)類物質(zhì)相對(duì)含量無顯著性差異，但HAD和FD的干燥結(jié)果差異顯著，與龍杰等[22]的結(jié)果相似。隨著干燥的進(jìn)行，香芋內(nèi)物質(zhì)長時(shí)間受熱生成苯環(huán)類物質(zhì)，以丁基羥基甲苯和2,2'-亞甲基雙[6-(1,1-二甲基乙基)-4-甲基-苯酚為主。HAD香芋片的干燥時(shí)間最長，物料受熱時(shí)間最長，其苯環(huán)類化合物相對(duì)含量最高(為46.15%)。FD香芋片中苯環(huán)類化合物相對(duì)含量最少(為37%)，可能是FD較低的干燥溫度和干燥壓力不利于苯環(huán)類物質(zhì)生成，與Keskin等[23]的結(jié)果類似。CU-FIRD的苯環(huán)類化合物含量與單一使用CU和FIRD差別不大，說明將超聲強(qiáng)化和遠(yuǎn)紅外輻射加熱聯(lián)合應(yīng)用，兩者的作用會(huì)部分抵消，未對(duì)苯環(huán)類化合物產(chǎn)生協(xié)同增強(qiáng)作用。

沸點(diǎn)較低的酯類化合物在干燥過程中容易揮發(fā)損失[24]。方差分析表明不同干燥方式所得脂類化合物差異顯著(P<0.05)。FD溫度最低，酯類化合物揮發(fā)損失最少，相對(duì)含量最多(為25.01%)，張艷榮等[18]也發(fā)現(xiàn)FD能很好保護(hù)酯類成分。FIRD由于施加了遠(yuǎn)紅外輻射進(jìn)行加熱，導(dǎo)致干燥溫度較高，酯類化合物揮發(fā)損失最多，相對(duì)含量最少(為14.84%)。超聲主要是利用空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)對(duì)物料內(nèi)部水分傳遞進(jìn)行強(qiáng)化，其熱效應(yīng)并不明顯，因此CU-HAD與HAD過程的干燥溫度基本相同，但CU-HAD在干燥過程中可以通過增強(qiáng)香芋片內(nèi)部傳質(zhì)以減少干燥時(shí)間，主要體現(xiàn)在乙酸正十八酯和鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯相對(duì)含量要高于HAD，導(dǎo)致CU-HAD所得酯類化合物相對(duì)含量(為17.59%)高于HAD的(為16.94%)。與HAD相比，CU-FIRD的乙酸正十八酯、鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯等主要酯類成分總量比較接近。干燥過程中，CU-FIRD將強(qiáng)化內(nèi)部水分傳遞的超聲與改善物料受熱狀態(tài)的遠(yuǎn)紅外輻射聯(lián)合應(yīng)用，能夠同步強(qiáng)化香芋片的傳熱傳質(zhì)進(jìn)程，雖然干燥溫度較高不利于酯類化合物的保留，但其干燥時(shí)間最短又有利于減少酯類化合物的損失，該負(fù)面作用和正面作用相互抵消，導(dǎo)致其所得酯類化合物相對(duì)含量(為16.96%)與HAD差別不大。

醛類化合物多由脂肪酸氧化裂解發(fā)生美拉德反應(yīng)而產(chǎn)生[25]。方差分析表明不同干燥方式所得醛類化合物差異顯著(P<0.05)。干燥過程中，CU-FIRD能在超聲強(qiáng)化和遠(yuǎn)紅外輻射加熱的聯(lián)合作用下實(shí)現(xiàn)最好的質(zhì)熱傳遞和最高的干燥效率，可以更好地促使原料中的脂肪酸氧化裂解，同時(shí)，超聲波的高頻振動(dòng)和遠(yuǎn)紅外輻射的電磁波能量均能促進(jìn)物料內(nèi)部脂肪酸氧化分解，因此CU-FIRD所得香芋片的醛類風(fēng)味物質(zhì)相對(duì)含量最高(為16.65%)。其次是FD所得香芋片，其醛類風(fēng)味物質(zhì)相對(duì)含量為12.16%。HAD中未檢出醛類化合物，但經(jīng)施加超聲的CU-HAD干燥后，檢出醛類化合物相對(duì)含量為8.23%，可能是超聲的機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)能夠促使部分脂肪酸氧化裂解產(chǎn)生更多的醛類化合物。FIRD所得香芋片的醛類化合物相對(duì)含量為11.59%，可能是遠(yuǎn)紅外輻射加熱的輻射效應(yīng)和熱效應(yīng)能夠促進(jìn)脂肪酸的氧化裂解。

醇類化合物是食品中常見的風(fēng)味成分。方差分析表明不同干燥方式所得醇類化合物差異顯著(P<0.05)。干燥加工后，香芋片中醇類物質(zhì)相對(duì)含量有所降低，可能是由于醇類化合物受熱易分解所致[26]，這些醇類物質(zhì)在干燥過程中易氧化生成醛、酮類物質(zhì)[27]，與Liu等[28]的結(jié)果一致。FD可以得到最高的醇類物質(zhì)相對(duì)含量，由于FD的干燥溫度較低，且在真空條件下進(jìn)行，大多數(shù)醇類化合物難以氧化，因此醇類化合物分解較少，保留率較高。HAD也具有較高的醇類物質(zhì)相對(duì)含量，但施加超聲后的CU-HAD所得醇類物質(zhì)相對(duì)含量(為3.86%)有所降低，超聲在干燥過程中不會(huì)導(dǎo)致物料溫度顯著升高[29]，但其空化效應(yīng)和湍動(dòng)效應(yīng)能夠增加物料內(nèi)部水分振動(dòng)、流動(dòng)和波動(dòng)，從而在促進(jìn)水分?jǐn)U散的同時(shí)也加快了易揮發(fā)性醇類物質(zhì)的損失。FIRD所得醇類物質(zhì)相對(duì)含量(為1.96%)更低，是由于遠(yuǎn)紅外輻射加熱改善了物料的受熱狀態(tài)，有利于水分的蒸發(fā)和干燥的進(jìn)行，但同時(shí)也會(huì)加快醇類化合物的受熱分解或汽化損失。CU-FIRD所得醇類物質(zhì)相對(duì)含量為0.49%，是由于在超聲和遠(yuǎn)紅外輻射的雙重強(qiáng)化干燥作用下，CU-FIRD雖對(duì)促進(jìn)脫水進(jìn)程有積極作用，但其對(duì)醇類化合物的保留產(chǎn)生了負(fù)面作用。

2.2 主成分分析

由表2可知，對(duì)不同干燥方式香芋片的揮發(fā)性成分進(jìn)行主成分分析，提取出3個(gè)主成分，各主成分的貢獻(xiàn)率分別為36.352%，35.822%，13.251%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為85.424%。由表3可知，F(xiàn)D得分較高，說明FD的低溫、低氧、低壓干燥環(huán)境能夠較好地保護(hù)香芋片內(nèi)風(fēng)味成分，但該干燥環(huán)境也難以生成新的風(fēng)味物質(zhì)，導(dǎo)致FD得分并不是最高。HAD香芋片的得分最低，為0.33，CU-HAD得分比HAD高1.95，說明施加超聲生成新的揮發(fā)性成分，進(jìn)而提高其風(fēng)味。FIRD得分比HAD高1.45，說明遠(yuǎn)紅外輻射對(duì)揮發(fā)性成分的保留與產(chǎn)生有積極作用。CU-FIRD香芋片得分為2.56，為5種干燥方式中最高，說明CU-FIRD同時(shí)采用超聲強(qiáng)化傳質(zhì)和遠(yuǎn)紅外輻射改善傳熱，不但可以加速香芋片的干燥脫水，還對(duì)香芋片的揮發(fā)性成分產(chǎn)生了明顯的積極影響。

表2 香芋片主成分分析的提取平方載荷

表3 不同干燥方式香芋片主成分分析得分表

3 結(jié)論

采用氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對(duì)不同干燥方式處理的香芋片的揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，共檢出149種揮發(fā)性成分，其中新鮮香芋42種、預(yù)處理后的香芋63種、熱風(fēng)干燥香芋片42種、直觸超聲強(qiáng)化熱風(fēng)干燥香芋片59種、遠(yuǎn)紅外輻射干燥香芋片46種、直觸超聲強(qiáng)化遠(yuǎn)紅外輻射干燥香芋片50種、冷凍干燥香芋片52種。5種干燥方式下的揮發(fā)性物質(zhì)存在差異，均有一定數(shù)量的特有揮發(fā)性成分。不同方式干燥后的香芋片在烷烴類、烯烴類和苯環(huán)類化合物的相對(duì)含量均增加。熱風(fēng)干燥香芋片的苯環(huán)類化合物相對(duì)含量最高，但醛類、酸類、酮類物質(zhì)含量最少，且揮發(fā)性成分種類最少；直觸超聲強(qiáng)化熱風(fēng)干燥的烷烴類物質(zhì)種類多，含量高，但對(duì)香芋的風(fēng)味貢獻(xiàn)較小。遠(yuǎn)紅外輻射干燥香芋片的醛類、酸類、醇類、苯環(huán)類、酮類化合物相對(duì)含量均較少；直觸超聲強(qiáng)化遠(yuǎn)紅外輻射干燥香芋片的醛類、酸類、苯環(huán)類、酯類化合物相對(duì)含量均較多；冷凍干燥香芋片的酯類化合物相對(duì)含量最多，但苯環(huán)類化合物相對(duì)含量最少。主成分分析結(jié)果表明，將直觸超聲技術(shù)和遠(yuǎn)紅外輻射加熱聯(lián)合應(yīng)用于干燥強(qiáng)化，對(duì)香芋風(fēng)味的保護(hù)作用要好于單一超聲和單一遠(yuǎn)紅外輻射的效果。后續(xù)可對(duì)不同超聲功率及遠(yuǎn)紅外輻射功率下的香芋片特征揮發(fā)性成分產(chǎn)生機(jī)制及功能評(píng)價(jià)進(jìn)行深入研究。