干燥方式對香芋片揮發性物質的影響

楊 玉 梁 端 宋 佩 王雪清 董 鐘 孫 雪 劉云宏,2,3

(1. 河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471000；2. 食品綠色加工與質量安全控制河南省國際聯合實驗室，河南 洛陽 471000；3. 食品微生物河南省工程技術研究中心，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、維生素和礦物質等，營養價值高[2-3]。

蘇可珍等[4]研究發現，不同處理時間荔浦芋的特征風味來自氮氧化物、甲基類、硫化物、醛類及醇類。程元珍[5]研究發現，新鮮芋泥和冷藏芋泥的主要風味物質為醛類，隨著冷藏時間的延長，醛類、苯環化合物等相對含量不斷增加。成文[6]分析模擬了香芋的生長模型，研究了香芋中的揮發性物質。甘泳紅等[7]對海芋的揮發性成分進行研究，確認了28種化學成分。但有關干燥加工方法對香芋片風味成分的影響尚未見報道。

目前，針對常規干燥方式加工時間長、產品品質低等缺陷，常采用一些現代技術對干燥過程進行強化，從而達到提高干燥效率及保護產品品質等目的[8]。直觸超聲技術和遠紅外輻射技術均為強化干燥過程的有效方式，已被證實能夠加快干燥進程和提高營養保留[9-10]。超聲強化干燥主要體現為利用超聲的空化效應、機械效應和湍動效應，可在不進一步加熱的條件下實現對物料內部傳質的有效促進[11]。遠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，實現對物料傳熱的有效提升[12]。但上述兩種強化干燥技術對物料揮發性成分能夠產生何種影響尚未可知。此外，若將直觸超聲技術與遠紅外輻射加熱聯合應用于干燥過程，其對物料風味的保護效果是否優于單一超聲和單一遠紅外輻射，需進行研究與探討。

研究擬基于主成分分析法，以新鮮香芋為原料，采用熱風干燥(HAD)、直觸超聲強化熱風干燥(CU-HAD)、遠紅外輻射干燥(FIRD)、直觸超聲強化遠紅外輻射干燥(CU-FIRD)和冷凍干燥(FD)5種不同干燥方式對香芋片進行干燥，其中HAD和FD作為對照，利用氣相色譜—質譜法(GC-MS)對不同干燥方式所得干制香芋片的揮發性成分進行比較分析，探明單一超聲強化、單一遠紅外輻射和超聲聯合遠紅外輻射對香芋片風味物質的影響規律，以期為香芋片干燥加工技術研發與應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

優質荔浦香芋：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，天津市德恩化學試劑有限公司；

無水硫酸鈉：分析純，天津市風船化學試劑科技有限公司。

1.2 儀器與設備

氣相色譜—三重四級桿串聯質譜聯儀：TSQ9000型，美國賽默飛世爾公司；

熱風干燥機：101-3ES型，北京市永光明醫療儀器廠；

遠紅外輻射干燥設備、直觸超聲強化裝置、超聲強化遠紅外輻射干燥裝置：河南科技大學自制；

超低溫冰箱：DW-86L486型，中國海爾集團公司；

真空冷凍干燥機：LGJ-10D型，北京四環起航科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品預處理 將香芋切成3 mm薄片，使用0.2%檸檬酸護色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：熱風溫度45 ℃，風速1.5 m/s。

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

(3) FIRD干燥：遠紅外輻射板溫度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，遠紅外輻射板溫度180 ℃。

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

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

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

1.3.4 質譜條件 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 ℃；質量掃描范圍m/z45～500。

1.4 數據處理

所得GC-MS檢測結果通過計算機標準物質質譜數據庫(replib、mainlib)檢索處理，選取正反匹配度均>500的成分作為定性結果，并根據揮發性氣體成分的峰面積采用面積歸一化法得到各個揮發性氣體成分的相對含量。使用SPSS 20.0進行主成分分析，使用Origin 2021軟件進行作圖及數據分析，通過方差分析進行不同干燥方式所得產品的顯著性分析，P<0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 揮發性成分分析

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，揮發性成分及相對含量見表1。

圖1 不同干燥方式所得香芋片的揮發性成分總離子流圖

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

表1 香芋及其干制品的揮發性成分及其相對含量?

續表1

續表1

續表1

由圖2可知，干燥后的樣品中均檢測出較多的苯環類及酯類化合物。隨著樣品中水分的減少，烴類化合物發生變化，空間結構改變，生成多種烷烴類物質[16]，與張思頡等[17]的研究結果相似，但其對香芋風味貢獻較小[18]。酸類物質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性成分的相對含量

苯環類包括苯環類、呋喃類、吡喃類化合物，苯及其同系物是常見的食品揮發性物質[20]，呋喃類、吡喃類主要來源于美拉德反應和焦糖化反應[21]。CU-HAD、FIRD、CU-FIRD 3種干燥方式的苯環類物質相對含量無顯著性差異，但HAD和FD的干燥結果差異顯著，與龍杰等[22]的結果相似。隨著干燥的進行，香芋內物質長時間受熱生成苯環類物質，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香芋片的干燥時間最長，物料受熱時間最長，其苯環類化合物相對含量最高(為46.15%)。FD香芋片中苯環類化合物相對含量最少(為37%)，可能是FD較低的干燥溫度和干燥壓力不利于苯環類物質生成，與Keskin等[23]的結果類似。CU-FIRD的苯環類化合物含量與單一使用CU和FIRD差別不大，說明將超聲強化和遠紅外輻射加熱聯合應用，兩者的作用會部分抵消，未對苯環類化合物產生協同增強作用。

沸點較低的酯類化合物在干燥過程中容易揮發損失[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，酯類化合物揮發損失最少，相對含量最多(為25.01%)，張艷榮等[18]也發現FD能很好保護酯類成分。FIRD由于施加了遠紅外輻射進行加熱，導致干燥溫度較高，酯類化合物揮發損失最多，相對含量最少(為14.84%)。超聲主要是利用空化效應和機械效應對物料內部水分傳遞進行強化，其熱效應并不明顯，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香芋片內部傳質以減少干燥時間，主要體現在乙酸正十八酯和鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯相對含量要高于HAD，導致CU-HAD所得酯類化合物相對含量(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將強化內部水分傳遞的超聲與改善物料受熱狀態的遠紅外輻射聯合應用，能夠同步強化香芋片的傳熱傳質進程，雖然干燥溫度較高不利于酯類化合物的保留，但其干燥時間最短又有利于減少酯類化合物的損失，該負面作用和正面作用相互抵消，導致其所得酯類化合物相對含量(為16.96%)與HAD差別不大。

醛類化合物多由脂肪酸氧化裂解發生美拉德反應而產生[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能在超聲強化和遠紅外輻射加熱的聯合作用下實現最好的質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，超聲波的高頻振動和遠紅外輻射的電磁波能量均能促進物料內部脂肪酸氧化分解，因此CU-FIRD所得香芋片的醛類風味物質相對含量最高(為16.65%)。其次是FD所得香芋片，其醛類風味物質相對含量為12.16%。HAD中未檢出醛類化合物，但經施加超聲的CU-HAD干燥后，檢出醛類化合物相對含量為8.23%，可能是超聲的機械效應和空化效應能夠促使部分脂肪酸氧化裂解產生更多的醛類化合物。FIRD所得香芋片的醛類化合物相對含量為11.59%，可能是遠紅外輻射加熱的輻射效應和熱效應能夠促進脂肪酸的氧化裂解。

醇類化合物是食品中常見的風味成分。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，香芋片中醇類物質相對含量有所降低，可能是由于醇類化合物受熱易分解所致[26]，這些醇類物質在干燥過程中易氧化生成醛、酮類物質[27]，與Liu等[28]的結果一致。FD可以得到最高的醇類物質相對含量，由于FD的干燥溫度較低，且在真空條件下進行，大多數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相對含量，但施加超聲后的CU-HAD所得醇類物質相對含量(為3.86%)有所降低，超聲在干燥過程中不會導致物料溫度顯著升高[29]，但其空化效應和湍動效應能夠增加物料內部水分振動、流動和波動，從而在促進水分擴散的同時也加快了易揮發性醇類物質的損失。FIRD所得醇類物質相對含量(為1.96%)更低，是由于遠紅外輻射加熱改善了物料的受熱狀態，有利于水分的蒸發和干燥的進行，但同時也會加快醇類化合物的受熱分解或汽化損失。CU-FIRD所得醇類物質相對含量為0.49%，是由于在超聲和遠紅外輻射的雙重強化干燥作用下，CU-FIRD雖對促進脫水進程有積極作用，但其對醇類化合物的保留產生了負面作用。

2.2 主成分分析

由表2可知，對不同干燥方式香芋片的揮發性成分進行主成分分析，提取出3個主成分，各主成分的貢獻率分別為36.352%，35.822%，13.251%，累計貢獻率為85.424%。由表3可知，FD得分較高，說明FD的低溫、低氧、低壓干燥環境能夠較好地保護香芋片內風味成分，但該干燥環境也難以生成新的風味物質，導致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性成分，進而提高其風味。FIRD得分比HAD高1.45，說明遠紅外輻射對揮發性成分的保留與產生有積極作用。CU-FIRD香芋片得分為2.56，為5種干燥方式中最高，說明CU-FIRD同時采用超聲強化傳質和遠紅外輻射改善傳熱，不但可以加速香芋片的干燥脫水，還對香芋片的揮發性成分產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 結論

采用氣相色譜—質譜聯用技術對不同干燥方式處理的香芋片的揮發性成分進行分析，共檢出149種揮發性成分，其中新鮮香芋42種、預處理后的香芋63種、熱風干燥香芋片42種、直觸超聲強化熱風干燥香芋片59種、遠紅外輻射干燥香芋片46種、直觸超聲強化遠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性物質存在差異，均有一定數量的特有揮發性成分。不同方式干燥后的香芋片在烷烴類、烯烴類和苯環類化合物的相對含量均增加。熱風干燥香芋片的苯環類化合物相對含量最高，但醛類、酸類、酮類物質含量最少，且揮發性成分種類最少；直觸超聲強化熱風干燥的烷烴類物質種類多，含量高，但對香芋的風味貢獻較小。遠紅外輻射干燥香芋片的醛類、酸類、醇類、苯環類、酮類化合物相對含量均較少；直觸超聲強化遠紅外輻射干燥香芋片的醛類、酸類、苯環類、酯類化合物相對含量均較多；冷凍干燥香芋片的酯類化合物相對含量最多，但苯環類化合物相對含量最少。主成分分析結果表明，將直觸超聲技術和遠紅外輻射加熱聯合應用于干燥強化，對香芋風味的保護作用要好于單一超聲和單一遠紅外輻射的效果。后續可對不同超聲功率及遠紅外輻射功率下的香芋片特征揮發性成分產生機制及功能評價進行深入研究。