基于主成分分析法综合评价4 种干燥方式对山药脆片香气品质的影响

高 琦，张建超，陈佳男，刘春菊，刘春泉，薛友林,,*

（1.辽宁大学轻型产业学院，辽宁 沈阳 110036；2.辽宁行政学院，辽宁 沈阳 110161；3.江苏省农业科学院农产品加工研究所，江苏 南京 210014）

山药又称薯蓣、白山药，是一种常见的食材。山药性平、味甘，具有养肺、补脾、固肾、益经、滋养强壮、助消化等功效[1]。除此之外，山药富含碳水化合物以及许多矿物质、淀粉酶、皂苷等，还含有1%～3%的蛋白质（鲜质量），其中80%以上为储藏蛋白[2]，是药食兼用的佳品。我国山药资源丰富，东北、华北、西南、华东和华中地区的17 个省市都有种植。

山药的特点是能够供给人体大量的黏液蛋白[3]。蛋白质的降解能够促使风味物质的形成，同时还可以通过提高挥发性成分的传质阻力在不同程度上改变风味的整体平衡，对食品的风味释放有很大影响[4]。目前，山药的食用主要是以鲜食为主，食用方式单一，而且贮存时间较短，因而限制其销售范围。近年来发展起来的果蔬脆片是一种受国内外消费者十分青睐的休闲食品[4]。开发山药脆片产品不仅缓解农业上贮存难、运输难的被动局面，而且减少贮存和运输的费用，有利于扩大销售范围，带动农业发展，提高农产品经济价值，实现高产、优质、高效农业。冷冻干燥、膨化干燥、真空干燥、热风干燥等干制方法已应用在苹果脆片[5]、芒果脆片[6]中，但对山药脆片的加工品质影响报道较少。

独特的香气成分对果蔬及其加工品的风味有极其重要的影响[7]，目前对于果蔬干制香气成分主要有刘璇[6]和段亮亮[8]等对不同干燥方式所得的甘薯脆片、芒果脆片香气的研究；张丽等[9]以荠菜为原料，研究了不同热风干燥温度对荠菜品质和风味的影响等；但鲜见山药脆片香气的相关研究成果。因而，本实验采用冷冻干燥、膨化干燥、真空干燥和热风干燥4 种干燥方式对山药进行干燥处理，运用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱（headspace solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry，HS-SPME-GC-MS）联用技术对4 种山药脆片的风味成分进行分析鉴别，并采用SPSS软件进行主成分分析法，构建鲜山药脆片香气品质的评价模型，采用主成分得分分布图对其结果进行分析，旨在为山药脆片的加工提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

白玉山药（含水量83.3%） 沈阳十二线果蔬批发市场；护色剂NaHSO3（分析纯） 国药集团化学试剂沈阳有限公司。

1.2 仪器与设备

GZX-9.76MBE型电热鼓风干燥机 上海博讯实业有限公司医疗设备；SCIENTEZ-10N型冷冻干燥机宁波新芝生物科技股份有限公司；DZF-6050B型真空干燥箱 巩义市予华仪器责任有限公司；QDPH10-1型果蔬膨化干燥机 天津勤德新材料科技有限公司；TSQ 8000 EVO型GC-MS分析仪 赛默飞世尔科技公司；75 μm碳分子筛/聚二甲基硅氧烷（divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane，CAR/PDMS）萃取头 美国Supelco公司。

1.3 方法

1.3.1 山药脆片干燥工艺参数

冷冻干燥：切片厚度3.0 mm；预处理温度-18 ℃；冻干过程真空度恒定为60 Pa；冷阱表面温度-40～-45 ℃；干燥时间14 h；含水率7.33%。

膨化干燥：切片厚度3.0 mm；膨化温度70～75 ℃；停滞时间5～10 min；压力差0.3 MPa；抽空温度80 ℃；抽空时间30 min；干燥时间195 min；含水率6.04%。

真空干燥：切片厚度3.0 m m；真空度0.025～0.03 MPa；温度70 ℃；干燥时间350 min；含水率7.18%。

热风干燥：切片厚度3.0 mm；风速2.3 m/s；温度70 ℃；干燥时间110 min；含水率6.74%。

4 种干制处理的山药脆片含水量均控制在（7±1）%，符合GB/T 23787—2009《非油炸水果、蔬菜脆片》干制脆片中水分含量的要求。

1.3.2 香气成分的测定

1.3.2.1 香气成分提取

将2 g样品[10]转移到用75 μm CAR/PDMS纤维制成的SPME小瓶中。将小瓶放在50 ℃水浴锅中加热平衡20 min，将萃取针头插入小瓶中，用手柄将石英纤维头推出，暴露到样品瓶顶空气体中，恒定温度（50 ℃）萃取60 min，用手柄将纤维头推回针头内，将萃取针头拔出，插入GC-MS进样器中，于250 ℃解吸2 min，同时启动仪器进行GC-MS检测。

1.3.2.2 GC条件

TG-5MS毛细管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；载气为氦气；流量1 mL/min，不分流进样。程序升温：起始温度40 ℃，保持3 min，以3 ℃/min升至80 ℃，保留1 min，再以5 ℃/min升至150 ℃，保持1 min，再以10 ℃/min升至280 ℃，保持2 min。

1.3.2.3 MS条件

电子电离源；电子能量70 eV；离子源温度300 ℃；接口温度280 ℃；质量扫描范围33～800 u。

1.3.2.4 香气成分定性定量

定性：经过NIST图谱库和Willey图谱库对山药脆片挥发性风味成分进行解析，确认挥发性风味成分的各化学组成，只有当正反匹配度均大于800（最大值1 000）的鉴定结果才予以确认。定量：采用图谱库工作站数据处理系统按峰面积归一化法进行定量分析[11]，求得各化学成分在挥发性风味物质中的相对含量。

1.4 数据处理

采用SPSS 23.0对数据进行处理。将数据标准化后，以山药脆片所检测出的风味成分的相对含量矩阵为指标，用SPSS对其进行主成分分析，得出主成分的特征根及特征向量，以风味物质累计贡献率达到98%以上为标准，确定主成分个数以及每个主成分所反映的因子。依据主成分特征向量和主成分的方差贡献率得出山药脆片风味品质的评价模型，根据该模型计算出不同干制方式所得山药脆片风味品质的综合得分及相关得分分布图。

2 结果与分析

2.1 不同干燥处理的山药脆片总离子流图

采用HS-SPME-GC-MS技术对山药脆片的风味成分进行检测，然后在化合物的裂解GC-MS谱库中进行检索分析，得到不同干燥处理的山药脆片风味物质种类及其相对含量，总离子流图见图1。

图1 冷冻干燥（A）、膨化干燥（B）、真空干燥（C）与热风干燥（D）脆片香气总离子流图Fig. 1 GC-MS TIC chromatograms of aroma compounds in FD (A),EPD (B), VD (C) and AD (D) dried chips

2.2 不同干燥处理的山药脆片香气成分种类及相对含量

表1 不同干制山药脆片香气成分的GC-MS分析结果Table 1 GC-MS analysis results of aroma compounds in yam chips dried by different methods

4 种干燥方式处理的山药脆片共鉴别出33 种风味成分，分别从冷冻干燥、膨化干燥、真空干燥和热风干燥中鉴别出挥发性风味成分13、15、11、14 种。根据表1可知，4 种干燥处理的山药脆片中风味物质均含有酮类、醛类、腈类、烃类、酯类、醇类、酸类和其他类这8 类化合物；冷冻干燥山药脆片中主要挥发性物质包括醛类2 种（24.31%）、腈类1 种（32.96%）、酮类2 种（23.62%）；膨化干燥山药脆片中主要挥发性物质包括醛类2 种（14.49%）、腈类1 种（25.50%）、酮类3 种（11.76%）、烃类4 种（18.29%）、醇类2 种（13.11%）；真空干燥样品中主要包括醛类1 种（9.32%）、腈类1 种（32.24%）、烃类2 种（10.48%）、醇类3 种（21.62%）、酯类2 种（16.17%）；热风干燥山药脆片检测到香气成分包括醛类3 种（60.59%）、腈类1 种（13.33%）、烃类3 种（9.82%）、醇类2 种（5.80%）。

2.2.1 不同干燥处理的山药脆片共有香气成分

表2 不同干制山药脆片香气成分种类及相对含量Table 2 Chemical groups and amounts of aroma compounds in yam chips dried by different methods

从表1、2可以看出，4 种干燥处理的山药脆片中共同拥有的风味物质共计3 种，醛类1 种，为壬醛，在冷冻干燥和真空干燥的相对含量较高，分别为7.75%和9.32%；酮类1 种，为薄荷酮，在冷冻干燥和真空干燥的相对含量较高，分别为6.94%和5.73%；醇类1 种，为山梨醇，在冷冻干燥、膨化干燥、真空干燥的相对含量较高，分别为3.40%、5.07%和4.03%。

2.2.2 不同干燥处理的山药脆片特有香气成分

冷冻干燥的独有成分有5 种，分别为2,3-丁二醇（2.72%）、3-甲氧基-6甲基-1-羟基-2-三甲基甲硅烷-9,10-蒽醌（2.64%）、2,6-双（1,1-二甲基乙基）-4-甲基-3-甲基氨基甲酸酯（0.80%）、10,12-二十五二炔酸（0.34%）和2-（丙-2-烯基氧基）十三烷（2.89%）。膨化干燥的独有成分有7 种，分别为2,4-二甲基-2,3-庚二烯-5-炔（3.22%）、1-碘十四烷（8.29%）、2-己基-1-癸醇（8.04%）、N-[4-溴-正丁基]-2-哌啶酮（1.93%）、异丁酸酐（9.97%）、（E）-2-庚烯酸乙酯（4.20%）和（5α）-胆甾烯-14-烯（0.80%）。真空干燥独有成分3 种，分别为2-（丙-2-烯基氧基）十五烷（4.23%）、2-噻吩羧酸-4-甲基戊基酯（5.54%）和2-己基-1-辛醇（0.81%）。热风干燥的独有成分有6 种，分别为己醛（48.32%）、苯甲醛（7.57%）、环己烷羧酸-4-十四烷基酯（1.69%）、1-十八烷磺酰氯（0.58%）、2-甲基-癸烷（2.67%）、2,2,4-三甲基-3-羧基异丙基异丁基酯戊酸（4.22%）。

2.3 主成分分析结果

2.3.1 山药脆片香气成分主成分分析

表3 提取3 个主成分的特征值以及贡献率Table 3 Eigenvalues and contribution rates of fi rst three principal components

如表3所示，选取特征值大于1的成分为主成分，可见有3 个主成分，并且这3 个主成分的方差累计贡献率达100.00%，能够充分解释原有的所有香气的成分信息，所以，将选择这3 个主成分代表所有香气因子进行风味品质分析。

表4 主成分的特征向量与载荷矩阵Table 4 Eigenvectors and loading matrix of fi rst three principal components

由表3、4可以看出，第1主成分的方差贡献率为51.699%，主要反映醛类、腈类、醇类、酯类这4 种风味成分的变异信息；第2主成分的方差贡献率为28.560%，主要反映酮类、烃类这2 种风味成分的变异信息；第3主成分的方差贡献率为19.741%，主要反映酸类的变异信息。

另外，从表4可以看出，第1主成分与腈类、醇类和酯类风味物质呈正相关关系，与醛类呈负相关关系；第2主成分与烃类呈正相关，与酮类呈负相关关系；第3主成分与酸类呈正相关关系。

2.3.2 基于主成分分析建立香气品质评价模型

根据表3、4，以3 个成分代表原来的8 类风味成分所表达的信息，建立山药脆片风味品质的评价模型，得出如下脆片风味成分的线性关系式，式中F1、F2和F3表示3 个主成分的得分值，得分值相对越大，脆片风味品质越好。

将表3中特征向量进行标准化处理，与所对应的3 个主成分的方差贡献率做内积，得到综合风味品质的评价函数F的表达式为F=0.517 0F1+0.285 6F2+0.197 4F3。根据各式得到的风味评价综合得分值及排序，见表5。

表5 标准化后主成分综合得分Table 5 Overall scores of principal components after standardization

图2 不同干燥方法山药脆片的主成分得分图Fig. 2 PCA score plot of yam chips dried by different drying methods

图3 不同干燥方法山药脆片香气得分坐标图Fig. 3 Aroma scores of fi rst three principal components for yam chips dried by different drying methods

由表5可知，第1主成分得分最高的为冷冻干燥，其次是热风干燥处理的山药脆片，第2主成分得分最高的为真空干燥处理的山药脆片，第3主成分得分最高的为膨化干燥处理的山药脆片。结合图2、3，在风味品质综合评价得分中可以更加直观地看出，冷冻干燥处理的山药脆片得分最高，为1.816，其次为膨化干燥、真空干燥、热风干燥。综合以上分析，冷冻干燥处理的山药脆片的风味品质最好，膨化干燥、真空干燥、热风干燥次之，利用冷冻干燥加工山药脆片可以更好地维持山药脆片风味品质。

3 讨 论

3.1 山药脆片香气成分比较

醛类、腈类为山药脆片的典型香气成分，其次为酯类、醇类和酮类。山药中含有丰富的蛋白质和淀粉等[12]，这些物质在干燥过程中特别是高温条件下，可能会发生降解而形成一系列复杂的复合风味物质。从这4 种干燥处理的山药脆片中，检测到了醛类、腈类、酮类、烃类、醇类、酸类、酯类和其他类化合物共8 种风味物质。

其中，醇类在菠萝（9.23%）[13]、芒果（12.42%）、香蕉（2.04%）[14]、苹果（16.97%）[8]、甘薯（17.79%）[15]、鲜枣（2.51%）[16]等中含有，主要呈现清香和青鲜香气。醇类主要来源于山药干制过程中一些氨基酸的转化和亚麻酸等不饱和脂肪酸降解物质的氧化[17]，其中醇类物质主要为2,3-丁二醇、山梨醇、2-己基-1-癸醇，不同干制处理后，热风干燥的醇类总相对含量减少，这主要是因为醇类物质参与了酯类或醛类的合成以及干制过程中合成了其他的物质[18]。

菠萝（1 0.1 6%）、芒果（0.7 1%）、甘薯（33.26%）、鲜枣（19.41%）、脐橙（2.72%）[19]等都含有醛类物质。在4 种干燥处理的山药脆片中鉴别出醛类共5 种，冷冻干燥、膨化干燥和真空干燥中醛类物质的相对含量为9.32%～24.31%，而热风干燥醛类的相对含量较高，达60.59%。在醛类物质中，（E,Z）-2,6-壬二烯醛、壬醛、己醛、苯甲醛均属于C6～C9的小分子醛类。其中己醛可能是山药中的一些脂肪酸在干燥过程中分解形成的，是葡萄、芒果、菠萝、香蕉和桃子的嗅感成分[20]，其阈值较低，对香味的呈现具有较大作用[21]。热风干燥中独有的己醛、苯甲醛可能与干燥过程中发生的美拉德反应、焦糖化反应或脂肪热氧化以及抗坏血酸的降解有关，也是干制处理山药脆片拥有特殊焦香味的原因[12,22]；（E,Z）-2,6-壬二烯醛是生活中常用的食用香料，主要用来配制瓜类香精。具有各种瓜果蔬菜特别是黄瓜风味，这类风味物质可由2,6-壬二烯-1-醇经加热氧化得到[23]。

腈类在水果中含量较少，主要存在植物的果实和种子中，如各种水果的种子（苦杏仁、枇杷仁、桃仁）和银杏种子以及木薯等其他植物[24]，还有荠菜等十字花科植物[25]。腈类化合物具有十分独特的风味，类似于相应的醛，但比醛更加强烈和尖辛，是山药脆片相较于现有研究的其他果蔬脆片所含香气成分中较少见和独特的成分。其主要为苯丙腈和4-[（二环[2.2.1]庚-2,5-二烯-7-基）氧基]苄腈，这可能是甲苯类、卤代甲苯类或苯甲酸类与一些含氮化合物在高温条件下氧化得到的，或者烯烃氨在干燥过程中氧化形成的[26]。

挥发性酯类具有强烈的水果香味，是菠萝（40.97%）、芒果（20.97%）、香蕉（69.23%）、猕猴桃（17.63%）[27]、甘薯（33.26%）、哈密瓜（26.73%）[28]等的特征风味物，具有天然水果的香气特征。在山药中含量虽然少，但对山药的风味有很大的影响。

烃类是从4 种干燥处理的山药脆片中检测到种类最多的风味成分，共有8 种，但其相对含量并不高。这可能是由于山药在干燥过程中发生了非酶褐变，如美拉德反应、焦糖化反应等，导致山药脆片中烃类总量较少的原因[29]。

3.2 干燥山药脆片香气品质评价

3.2.1 干燥方式对山药脆片香气的影响

表2表明，热风干燥的山药脆片的醛类相对含量多达60.59%，可能是由于发生了Strecker降解反应[30]；经热风干燥后，其他香气成分有所减少。可见，长时间的热风干燥不利于山药一些特征香气的保持；经过真空干燥的山药脆片，产生的醇类化合物的种类最多，相对含量也最高，干燥过程中酯类物质也较多，说明一定的真空度可以促成物料中香气前体物质的转化，促成醇、酯类风味物质的生成[31]；经膨化干燥的山药脆片的酸类物质和烃类物质较其他3 种干燥方法偏高，可能由于膨化过程导致更多的香气成分释放或生成；真空冷冻干燥的低温条件，产生风味物质的变化较少，但会出现一些特有的香气物质，而这些物质可能在其他3 种干燥中被氧化[31]，如蒽醌类。

3.2.2 干燥方式对山药脆片香气品质综合评价的影响

对不同干燥山药脆片的风味品质进行系统性评价，利用主成分分析比较不同干燥条件下山药脆片风味成分种类间差异，并提取了3 个主成分，累计方差贡献达100%，充分反映了醛类、腈类、酮类、烃类、醇类、酸类、酯类和其他类化合物的所有信息。通过对主成分的归一化处理，得到风味品质的综合评价模型，从而计算出主成分的综合得分，得到主成分的分布图[32]（图2）和得分图（图3），综合判断山药脆片的风味品质。风味评价模型的得分越高，脆片的香气越佳。不同干燥处理山药脆片的风味成分具有较为明显的差异，其中冷冻干燥的综合评价得分最高，风味品质最佳，其次为膨化干燥、真空干燥、热风干燥。因此，通过主成分分析建立风味品质综合评价模型可作为不同干燥处理山药脆片香气品质的潜在评价方法，避免了对风味成分的单一相对含量评价的弊端和风味阈值评价的不足之处。

4 结 论

采用主成分分析对香气成分综合评价可知，醛类、腈类、酯类、醇类和酮类物质载荷值较高，是影响山药脆片香气成分的主要因素。根据不同香气成分对山药整体风味贡献率的大小建立风味评价模型，可以计算出不同干制处理的山药脆片综合得分，根据得分的高低判断不同干制方法对山药整体风味的贡献和保留。

采用HS-SPME-GC-MS鉴别和分析不同干燥方法所得山药脆片的香气成分。4 种不同干制处理的山药脆片中共鉴别出33 种风味物质，包括醛类、腈类、酮类、烃类、醇类、酸类、酯类和其他化合物，其中冷冻干燥山药脆片含有13 种，膨化干燥山药脆片含有15 种，真空干燥山药脆片含有11 种，热风干燥山药脆片含14 种，共同构成了山药脆片的香气。风味物质中腈类和酮类是冷冻干燥、膨化干燥和真空干燥山药脆片主要的风味成分，醛类是热风干燥处理脆片中主要的香味成分。利用主成分分析建立风味品质综合评价模型，可以计算出冷冻干燥干制处理的山药脆片综合得分最高，其山药脆片风味品质依次优于膨化干燥、真空干燥、热风干燥。山药脆片的香气与干燥时的温度、时间、压强和干燥方式以及预处理条件等众多因素有关。特征风味成分的鉴定是一个非常复杂的过程，本实验主要对山药脆片香气物质进行分析鉴定，有关不同干燥方式制备的山药脆片特征香气以及形成机理有待进一步深入研究，为山药脆片开辟更为合适的加工与干燥方式，为脆片的加工方法的优选和脆片香气物质的跟踪检测提供技术支持和理论参考。