真空冷冻干燥对柠檬挥发性风味化合物保留的影响

谢焕雄，胡志超，王海鸥，陈守江，扶庆权



真空冷冻干燥对柠檬挥发性风味化合物保留的影响

谢焕雄1，胡志超1，王海鸥2※，陈守江2，扶庆权2

（1. 农业部南京农业机械化研究所，南京 210014；2. 南京晓庄学院食品科学学院，南京 211171）

为探索真空冷冻干燥方法对柠檬中挥发性风味化合物保留特性的影响，该研究采用一体化冻干、传统冷冻干燥2种不同工艺方法进行对比干燥试验。结果表明，柠檬一体化冻干法在真空冻结阶段预先脱除了近1/3的初始水分，在预冻和升华干燥环节分别与比传统冻干法节省2.5、2 h，冻干后形成相对致密的多孔网络结构，细胞壁孔室较为完整。新鲜柠檬原料挥发性风味化合物中单萜烯类化合物占绝对主导地位，主要为D-柠檬烯、萜品烯、左旋--蒎烯、-蒎烯，主要倍半萜烯风味化合物为1-石竹烯、巴伦西亚橘烯、-防风根烯，主要醛类化合物为柠檬醛、二甲基-辛二烯醛、壬醛、癸醛、己醛，主要醇类化合物为-松油醇、橙花醇、4-萜烯醇、芳樟醇、香叶醇，主要酯类化合物为橙花乙酸酯、5-甲基-2-4-己烯-1-醇乙酸酯；各类主要挥发性风味化合物在2种方法冻干柠檬中保留率均较低，绝大部分迁移出被冷阱凝霜捕集或真空泵抽排机外损失；一体化冻干柠檬中各类风味化合物含量显著高于传统冻干柠檬（<0.05），对挥发性风味化合物的保留具有显著优势；主要单萜烯类风味化合物在传统冻干冷阱凝霜中含量显著高于一体化冻干冷阱凝霜（<0.05），而主要倍半萜烯化合物、醛类化合物、醇类化合物、脂类化合物在一体化冷阱凝霜中含量均显著高于传统冻干冷阱凝霜（<0.05）。2种冻干柠檬挥发性风味化合物保留特性的差异可能与冻干工艺时间、微观组织形态有关。该研究结果为柠檬等果蔬冷冻干燥加工制品的保香提质提供参考。

真空；冷冻；干燥；柠檬；挥发性风味化合物；一体化冻干；保留

0 引 言

真空冷冻干燥是国际公认的生产高品质、高附加值脱水食品的加工方法，可最大限度地保持原料的色、香、味、形和营养成分，其在食品工业中的应用越来越广泛[1-5]。风味是决定干燥食品可接受性的重要品质特性，而挥发性风味物质是构成食品风味品质特征的主要因素，但其种类和含量受食品干燥加工方法影响较大，在干燥过程中由于受复杂的物理、化学作用导致一些组分损失或新组分生成，最终影响干制品香气品质特征[6-7]。

挥发性风味物质在食品真空冷冻干燥过程中变化已经引起了国内外不少学者的关注。不同物料经过冷冻干燥后，挥发性风味物质均有不同程度的损失：榴莲中主要挥发性风味物质损失率在71.5%~97.2%[8]；咖啡提取物挥发性风味物质平均损失率为50％[9]；冻干香蕉片挥发性风味平均损失率为37.5%[10]；面包屑中香芹酮挥发损失55%[11]；杏仁冻干后原有挥发性风味物质种类损失了15%[12]；卷心菜经过冻干后虽然大部分挥发性风味物质种类得以保存，但是各物质均有较大程度的损失[13]；冻干百里香和鼠尾草中挥发性风味物质保留率甚至低于温和条件下的热风干燥[14]。作者调研柠檬、榴莲、玫瑰花等冷冻干燥生产企业也发现冷冻干燥后物料香味品质有明显损失或改变。从现有研究资料和工业生产实践情况可知，真空冷冻干燥对果蔬等食品物料原有挥发性风味物质保留程度并未达到人们预期，真空冷冻干燥食品的“保香作用”是其诸多突出优势中一面短板。

柠檬（citrus limon）是具有极高营养和药用价值的柑橘类水果，通过冷冻干燥加工制成的柠檬片（粉）产品受到众多消费者的追捧[15-16]。国内外学者大量研究表明，柠檬果实含有丰富的挥发性风味物质化合物，含量由高到低分别为帖烯类、醇类、醛类、酯类和酮类等物质，其中D-柠檬烯、蒎烯、萜品烯等单萜烯类风味化合物占据绝对主导地位，D-柠檬烯所占比例超过50%[16-21]。浓郁而独特的天然清香风味是冻干柠檬制品的主要品质追求，而真空冷冻干燥过程中柠檬挥发性风味化合物变化规律未见有相关研究报道，有待进行深入探究。

本研究以尤力克柠檬果实为对象，采用一体化冻干法、传统冻干法2种不同真空冷冻干燥方法进行柠檬片干燥对比试验，对冻干工艺曲线、冻干样品微观结构、冻干样品和冷阱凝霜中的挥发性风味化合物组成等进行测试分析，探索不同真空冷冻干燥方法对柠檬挥发性风味化合物保留的影响，以期为柠檬等果蔬冷冻干燥加工制品的保香提质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜柠檬（尤力克）购于南京苏果超市。环己酮（纯度＞99.5%）标准样品购于Sigma公司；氯化钠（分析纯）购于国药集团。

1.2 仪器与设备

Agilent 7890A/5975C气相色谱质谱联用仪，美国Agilent 公司；CAR/PDMS/DVB固相微萃取萃取头，美国supeclo公司；HP-INNOWAX毛细管色谱柱，美国Agilent 公司；BS224S电子分析天平，北京赛多利斯科学仪器公司；524G数显磁力搅拌器，上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司；FA25高剪切分散均质机，弗鲁克流体机械制造有限公司；SCIENTZ-50F冷冻干燥机，宁波新芝生物科技股份有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 柠檬的前处理

同一批购买的生鲜柠檬初始湿基平均含水率为88.40%，从中挑选形状大小均匀、无损伤、颜色一致的果实，清洗干净后沿轴向切成厚度为3 mm的柠檬片，并去除每片中的柠檬籽，每次干燥试验所用柠檬片鲜质量约为1 kg。

1.3.2 真空冷冻干燥方法

1）一体化冻干法

冷冻干燥试验所采用SCIENTZ-50F冷冻干燥机，该冻干机可采用真空冻结和常压平板冻结2种不同方式进行物料预冻，具体过程见参考文献[15]所描述方法。在一体化冻干法中，物料预冻采用真空冻结方式，在料盘上平铺一层上述鲜切柠檬片，将料盘置于干燥仓隔板上，密闭仓门，开启制冷机和真空泵，当干燥仓压强持续下降到800～1 000 Pa时，柠檬片中水分达到闪点，水分在真空状态下快速蒸发，并从物料中带走大量热量使物料快速降温冻结，随后水分蒸发作用减弱，干燥仓压强持续下降趋势，最终维持在20～30 Pa，物料预冻结束，真空冻结过程维持0.5 h。经过真空冻结的物料在原位进行冷冻干燥，采用渐进式隔板温升程序，“温度-时间”控制程序设定为：-20 ℃-1 h，-10 ℃-1 h，0 ℃-1 h，10 ℃-1 h，20 ℃-1 h，30 ℃-1 h，40 ℃-1 h，50 ℃-1 h后维持到干燥终点，干燥仓压力控制在50 Pa以下。通过前期试验摸索，当物料温度达到（45±0.5）℃时，物料实测湿基含水率在5%以下，此时判定为冷冻干燥终点，获得真空冻结冷冻干燥柠檬片样品[15]。

2）传统冻干法

传统冻干法物料预冻采用常压平板冻结的方式，隔板温度设定为-30 ℃，在常压下进行平板冷冻3 h，然后再转入冷冻干燥过程，隔板“温度-时间”程序、真空条件及干燥终点确定等条件均与一体化冻干法一致。

1.4 测定指标

1.4.1 干燥工艺耗时、冻干曲线及耗电量

2种真空冷冻干燥方法物料冻结、冷冻干燥（升华干燥和解吸干燥）是中主要工艺过程，因此将物料完成冻结和冻干2个工序过程所需的总时间记录为干燥工艺耗时。在冻干过程中，每隔0.5 h记录一次隔板温度和样品温度，然后绘制成冻干曲线。用电功率表测定2种冻干方法下冻干机耗电量。

1.4.2 冻干柠檬片皮部组织微观结构观察

从冻干柠檬片皮部制取断面观察样本（自然形成的断面），用碳导电胶将横断面观察样本粘在样品托上，采用离子溅射仪在断面观察样本上喷金，再用扫描电子显微镜观察拍照。

1.4.3 挥发性风味化合物测定

1）测试样品制备

新鲜柠檬和冻干柠檬片样液制备：为了便于比较测试结果，测试柠檬样品称取质量均按干物质计算，分别准确称取干物质2.00 g的新鲜柠檬、传统冻干柠檬片和一体化冻干柠檬片，加入15 mL蒸馏水，混匀后以9 000 r/min的转速进行分散均质2 min，获得柠檬样液。

冷阱凝霜样液制备：为了便于测试结果比较，按照公式（1）将2.00 g干物质柠檬样品折算成对应的冷阱凝霜取样质量，2.00 g干物质柠檬相当于15.14 g冷阱凝霜。传统冻干和一体化冻干柠檬片结束后，分别从冷阱中称取15.14 g冷阱凝霜，放置于密闭取样管中常温融化，即可获得传统冻干和一体化冻干冷阱凝霜样液。

式中m为冷阱凝霜取样质量，g；m为取样柠檬干物质质量，g；1为新鲜柠檬湿基含水率，%；1为新鲜柠檬干物质质量分数，%；2为冻干柠檬湿基含水率，%；2为冻干柠檬干物质质量分数，%。

2）挥发性风味化合物的SPME（solid phase microextraction）萃取

分别将上述新鲜柠檬、传统冻干柠檬片样液、一体化冻干柠檬片样液、传统冻干冷阱凝霜样液和一体化冻干冷阱凝霜样液装入20 mL顶空瓶中，再加入0.052L/mL环己酮2L及搅拌子，用聚四氟乙烯隔垫密封。将顶空瓶放在磁力搅拌器上于50 ℃加热平衡20 min，将已老化的萃取针头插入样品瓶中，用手柄将石英纤维头推出暴露到样品瓶顶空气体中，恒温50 ℃萃取30 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。

3）挥发性风味物质GC/MS条件及定性定量方法

色谱条件：色谱柱为HP-INNOWAX（30 m×ID 0.32 mm×0.25m）分析柱；升温程序为：起初温度40 ℃保持2 min，然后5 ℃/min升温至220℃；进样口温度250 ℃，解析2 min，采用不分流进样；载气：He。

质谱条件：离子源温度230 ℃，传输线温度为150 ℃，电离化方式：EI，电子能量70 eV，质量扫描范围质荷比（/）：30～450，扫描速率为5.27 次/s，溶剂延迟：1 min。

定性方法：通过GC/MS所带的NIST图谱库和Willey图谱库对柠檬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。

定量方法：利用图谱库工作站数据处理系统获得各成分峰面积与内标物峰面积对比进行半定量分析，按照式（2）计算出各风味成分的质量分数。

式中f为某种风味成分质量分数，g/g；S为某种风味成分峰面积；0为内标峰面积；0为加入的内标物质量，g；m为加入的柠檬样品干物质质量，g。

冻干样品中某种风味成分保留率按照式（3）计算。

式中R为某种风味成保留率，%；f为冻干样品中某种风味成分质量分数，g/g；f0为新鲜样品中某种风味成分质量分数，g/g。

1.5 数据处理

采用SPSS 16.0软件对试验数据进行统计分析，采用Duncan’s法进行多重比较，显著性水平<0.05，其他数据采用Origin7.5软件进行分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 干燥工艺曲线、干燥工艺耗时及耗电量

2种真空冷冻干燥工艺中的物料冻结采用了2种完全不同的冻结原理。一体化冻干法中依靠物料中水分在真空状态下快速蒸发实现物料冻结，柠檬片经抽真空降温维持0.5 h后物料冻结终温达到-28.5 ℃，物料失水率约25%；而传统冻干法物料冻结为常压条件下的平板冻结过程，柠檬片冷冻3 h后物料冻结终温达到-29.5 ℃，物料失水率仅为5%左右，与文献[15]研究报道基本一致。

一体化冻干法和传统冻干法干燥工艺曲线（物料温度-干燥时间变化曲线）如图1所示。冷冻干燥一般分为升华干燥（一次干燥）和解吸干燥（二次干燥）2个过程，通常以物料温度跃变经过0 ℃的时刻为分界线。

由图1可见，一体化冻干法中柠檬片从冻结温度到干燥终温所需干燥时间为11 h，升华干燥和解吸干燥耗时分别耗时约为4、7 h；传统冻干法中柠檬片干燥所需干燥时间为13 h，升华干燥和解吸干燥耗时分别耗时约为6、7 h；与传统冻干法相比，一体化冻干法物料温度升高相对较快，升华干燥速度快，升华干燥维持时间少2 h，主要是由于在冻结阶段预先脱除了近1/3的初始水分，减少后期冷冻干燥负荷，有利于缩短冻干时间，柠檬预冻阶段失水特性已在文献[15]中进行了报道。

图1 柠檬片2种冻干方法物料温度-干燥时间曲线

如表1所示，综合考虑冻结（预冻）和冻干（干燥）2个阶段，一体化冻干法和传统冻干法总干燥工艺耗时为11.5、16 h，一体化冻干法最终比传统冷冻干燥方式节省干燥工艺时间4.5 h，其中预冻和干燥环节分别省2.5、2 h。真空冷冻干燥过程相对缓慢，物料中冰晶含量、物料组织中水蒸气迁移孔道与外界的通畅性以及过程中细胞多孔结构形态对冻干脱水速度和冻干时间有着较大影响。有研究表明，食品物料在干燥过程中挥发性风味物质保留与干燥速率、干燥时间、干燥温度等存在密切关系，挥发物在干燥层网络组织结构中扩散系数越小、干燥时间越短（干燥速率越大）、真空条件下暴露时间越短、干燥温度越低、干燥厚度越大，越有利于体系中挥发性风味物质保留[22-26]。蘑菇、香蕉等食品物料研究证实，在冷冻干燥初期挥发性风味物质损失比干燥后期要快的多，因此升华干燥速度越快、升华干燥时间越短，对挥发性风味物质保留越有利[10,27-28]。

表1 柠檬片2种冻干方法干燥工艺耗时

注：同一指标字母不同表示有显著性差异（<0.05），下同。

Note: Different letters in the same indicators indicate significant differences (<0.05), the same as below.

经测定，一体化冻干法和传统冻干法中冻干机耗电量分别为28.09、32.26 kW·h，一体化冻干法耗电量显著低于传统冻干法（<0.05），其差异主要来源于2种工艺过程中冻干机各种器件开启和运行时间的不同。在物料预冻阶段，一体化冻干法中真空冻结处理开启制冷机组和真空泵，维持0.5 h耗电量为1.95 kW·h，而传统冻干法中常压平板冻结处理仅开启制冷机组，维持3 h耗电量为3.32 kW·h；而在冷冻干燥阶段，2种方法中冻干机各器件均开启，一体化冻干法维持11 h耗电量为26.14 kW·h，传统冻干法维持13 h耗电量为28.94 kW·h。从干燥工艺耗时及冻干机耗电量测试结果来看，柠檬一体化冻干法相对传统冻干法具有一定的加工经济性优势。

2.2 柠檬皮部组织微观结构扫描电镜观察

果蔬组织是由无数个细胞单元粘结在一起形成的群体网络结构体系，细胞与细胞存在一定间隙，在组织内部形成细胞间隙网络通道，与外界交换水分、气体等物质。在食品加工过程中，食品微观结构在风味物质保留、释放方面发挥重要作用[29]。这是因为微观结构的复杂性与食品大分子之间相互作用密切相关，微观结构影响着风味化合物与食品基质的结合位点性质和数量，决定了挥发性化合物对食品基质的结合程度[30]。但由于食品体系的复杂性，食品质地和微观结构对于风味特性的影响往往难以得出结论性的结果。

果蔬冷冻干燥后最终形成蜂窝状多孔结构，而冷冻干燥过程中细胞组织结构完整性及网络孔道形态对挥发性风味物质保留产生重要影响[31-33]。2种真空冷冻干燥柠檬皮部组织微观结构扫描电镜观察如图2所示，其多孔网络构造基本反映柠檬皮部群体细胞干燥固化后的细胞壁形态。对比观察发现：传统冻干柠檬样品群体细胞构成的网络孔隙直径相对较大、多孔组织较为蓬松，部分孔室单元的细胞壁出现裂口破损现象；而一体化冻干柠檬群体细胞多孔组织较为致密、孔隙直径相对较小，孔室单元细胞壁相对较为完整。物料冻结条件和干燥条件是影响冷冻干燥样品多孔网络结构的主要因素。一体化冻干法中的真空冻结属于一种极快速自我冷却冻结过程，在柠檬群体细胞组织中形成细密冰晶体网络结构，再经升华干燥后群体细胞壁固化形成较为致密的网络孔道，该过程对细胞壁破坏小；而传统冻干法中物料在常压下进行平板冻结，冻结速度远低于真空冻结，群体细胞组织中生成冰晶体颗粒相对较大，后期升华干燥形成网络孔道也相对较大，同时由于细胞内外水分冻结后存在体积膨胀作用，相对较大冰晶体颗粒更容易造成部分细胞壁破损[33]。

图2 2种冻干方法柠檬片SEM图（×600）

2.3 主要单萜烯类风味化合物变化

帖烯类化合物是柠檬水果主要香气组分，主要有单萜烯和倍半萜烯2类化合物。单萜烯，以2个异戊二烯单位，“头尾”相连接而成的2,6-二甲基辛烷为基本骨架。新鲜柠檬、传统冻干柠檬片、一体化冻干柠檬片、传统冻干冷阱凝霜及一体化冻干冷阱凝霜中的4种主要单萜烯类化合物的变化如表2所示。中可以看出，新鲜柠檬中D-柠檬烯（23 320.39g/g）质量分数最高，其次萜品烯（4 509.64g/g）、左旋--蒎烯（2 279.08g/g）、-蒎烯（879.92g/g）。D-柠檬烯质量分数约占柠檬果实挥发性风味化合物总量的50%左右，占据绝对主导地位，其具有令人愉快的柠檬清香味，被广泛应用于日常化妆品、食品添加剂、防腐剂、香料等制造生产。传统冻干和一体化冻干2种干燥方式对该4种单萜烯类化合物均有显著影响（<0.05）。在一体化冻干法中，冻干柠檬D-柠檬烯质量分数7 091.33g/g，占新鲜柠檬的30.41%，冷阱凝霜D-柠檬烯质量分数5 986.15g/g，占新鲜柠檬的25.67%，新鲜柠檬中剩余43.92%D-柠檬烯可能由真空泵抽排到空气中或在柠檬中发生其他物质转化而损失；在传统冷冻干燥法中，传统冻干柠檬D-柠檬烯质量分数1 769.23g/g，占新鲜柠檬的7.59%，冷阱凝霜D-柠檬烯质量分数8 092.56g/g，占新鲜柠檬的34.70%，新鲜柠檬中57.71%的D-柠檬烯发生流失或物质转化。对于冻干柠檬产品而言，某一种风味化合物通过冷阱凝霜捕集、真空泵抽排流失以及发生物质转化而引起的新鲜柠檬中原有含量的改变，均认为是冷冻干燥加工损失。2种冷冻干燥方法相比，一体化冻干柠檬D-柠檬烯保留率显著高于传统冻干柠檬，一体化冻干冷阱凝霜D-柠檬烯损失显著低于传统冻干冷阱凝霜（<0.05）；但2种冷冻干燥方法通过冷阱凝霜捕集均获得相当多的D-柠檬烯，说明D-柠檬烯抽排到机外或发生物质转化的损失比例也非常高。

表2 2种冻干方法冻干样品和冷阱凝霜中主要单萜烯类风味化合物质量分数

萜品烯、左旋--蒎烯、-蒎烯在5种检测样品测定结果表明：尽管3种单萜烯风味化合物含量高低排序与D-柠檬烯不完全一致，但均符合“一体化冻干柠檬单萜烯化合物保留率显著高于传统冻干柠檬，一体化冻干冷阱凝霜单萜烯损失显著低于传统冻干冷阱凝霜”的相同规律。4种主要单萜烯类风味化合物在传统冻干柠檬中的保留率分别为：D-柠檬烯7.59%、萜品烯4.98%、左旋--蒎烯8.18%、-蒎烯2.41%，在一体化冻干柠檬中的保留率分别为D-柠檬烯30.41%、萜品烯27.60%、左旋--蒎烯34.94%、-蒎烯19.13%。由此可见一体化冻干法在冻干制品单萜烯风味化合物保存方面具有显著优势。

含量相对较低的其他单萜烯类风味化合物测定结果如表3所示。其中蒎烯、萜品油烯、桧烯、(±)--水芹烯、罗勒烯5种物质在5种测试样品中含量同样符合前述分布规律，体现出一体化冻干法保留单萜烯风味化合物的优势。新鲜柠檬中(E)--罗勒烯、2,4-二甲基苯乙烯原始含量很低，经冷冻干燥后损失了绝大部分，以致在冻干柠檬中未被检出；别罗勒烯在4种测试样品中均未被检出；月桂烯和松油烯在新鲜柠檬预试验中未被检测出，但经过冷冻干燥后，在冻干柠檬和冷阱凝霜中均检测出较多含量月桂烯和松油烯，表明柠檬片在冷冻干燥过程中通过物质转化新生成了这2种风味化合物，而且这2种风味化合物在一体化冻干方法中的生成量要显著高于传统冷冻干燥方法。

表3 2种冻干方法冻干样品和冷阱凝霜中其他单萜烯类风味化合物质量分数

2.4 主要倍半萜烯类风味化合物变化

倍半萜烯又称倍半萜，萜烯系统(C5H8)n中=3的一类化合物，即3个异戊二烯单位的聚合体。在5种测试样品中检测出主要倍半萜烯风味化合物主要有1-石竹烯、巴伦西亚橘烯、-防风根烯3种，结果如图3所示。与前述的主要单萜烯化合物相比，柠檬中倍半萜烯风味化合物含量要相对低得多。

图3 2种冻干方法冻干样品和冷阱凝霜中主要倍半萜烯类风味化合物质量分数

3种倍半萜烯风味化合物在5种测试样品中呈现相同的分布规律：一体化冻干柠檬倍半萜烯风味物质含量显著高于传统冻干柠檬，而一体化冷阱凝霜中倍半萜烯风味物质含量显著高于传统冻干冷阱凝霜（<0.05）。从检测结果还可以看出，一体化冻干柠檬和冷阱凝霜中倍半萜烯风味物质含量总和均超过新鲜柠檬初始含量，表明在冻干期间风味化合物发生物质转化，新生增加了初始倍半萜烯风味物质含量，最终3种倍半萜烯风味化合物在传统冻干柠檬中的保留率分别为：1-石竹烯7.18%、巴伦西亚橘烯18.34%、-防风根烯12.28%，在一体化冻干柠檬中的保留率分别为1-石竹烯38.44%、巴伦西亚橘烯33.19%、-防风根烯59.83%。由此可见，一体化冻干对柠檬中倍半萜烯风味化合物保留优势明显。

2.5 主要醛类风味化合物变化

柠檬果实中的含氧类化合物主要有醛类、醇类、酯类和酮类，含氧化合物含量相对较少，但它却是柠檬果实香气的主要来源。醛类化合物是柠檬风味的主要形成物质，总醛含量决定柠檬香气的质量。本试验样品中主要醛类化合物检测结果如图4所示。新鲜柠檬中所含主要醛类化合物由高到低分别是：柠檬醛、二甲基-辛二烯醛、壬醛、癸醛、己醛。

图4 2种冻干方法冻干样品和冷阱凝霜中主要醛类风味化合物质量分数

经过冷冻干燥后，样品中醛类化合物呈现的分布规律为：一体化冻干柠檬中醛类化合物含量显著高于传统冻干柠檬，一体化冷阱凝霜中醛类化合物含量显著高于传统冻干冷阱凝霜，冷阱凝霜中醛类化合物含量显著高于冻干柠檬片（<0.05），说明醛类化合物在冻干过程的损失非常严重。5种主要醛类化合物在传统冻干柠檬中的保留率分别为：柠檬醛5.92%、二甲基-辛二烯醛5.17%、壬醛10.34%，在一体化冻干柠檬中的保留率分别为柠檬醛12.75%、二甲基-辛二烯醛13.16%、壬醛18.73%，显著高于传统冻干柠檬；而癸醛和己醛在新鲜柠檬中初始含量较低，再经冷冻干燥后损失，两者在柠檬样品中未被检测出。

2.6 主要醇类风味化合物变化

醇类化合物是柠檬水果香气的重要成分，醇类物质含量越高对柠檬香气贡献越大，果香味更浓，其形成多与果实中的酯酶有关，并在其他香气成分合成时起着溶剂或载体的作用[34]。本试验样品中主要醇类化合物检测结果如图5所示。新鲜柠檬中主要醇类化合物初始含量由高到低依次是：-松油醇、橙花醇、4-萜烯醇、芳樟醇、香叶醇等。其中相对含量较高的-松油醇（-terpineol），是柠檬烯的降解产物，其他醇类物质也是重要的香气成分，均有检出。经过冷冻干燥后，一体化冻干柠檬中-松油醇、4-萜烯醇、芳樟醇含量均显著高于传统冻干柠檬，橙花醇、香叶醇在冻干柠檬中未被检测出；一体化冷阱凝霜中5种主要醇类化合物含量均显著高于传统冻干冷阱凝霜（<0.05）。醇类化合物在传统冻干柠檬中的保留率分别为：-松油醇4.33%、4-萜烯醇10.83%、芳樟醇5.33%，在一体化冻干柠檬中的保留率分别为-松油醇6.64%、4-萜烯醇34.43%、芳樟醇23.57%，同样证实了一体化冻干对柠檬中醇类化合物保留的优越性。

图5 2种冻干方法冻干样品和冷阱凝霜中主要醇类风味化合物质量分数

2.7 主要酯类风味化合物变化

酯类化合物对柠檬风味贡献也较大，在一定程度上能反应出香气品质高低。本试验样品中主要酯类化合物检测结果如图6所示。新鲜柠檬中检测出酯类化合物中橙花乙酸酯质量分数最高，为493.64g/g，经冷冻干燥后，传统冻干柠檬中质量分数为20.86g/g，保留率为4.22%，而一体化冻干柠檬中质量分数为45.29g/g，保留率为9.17%，显著高于传统冻干柠檬保留率；而在传统冻干冷阱凝霜和一体化冻干冷阱凝霜中保留率分别为：61.84%、66.48%，可见在冷冻干燥期间绝大部分橙花乙酸酯从柠檬片中逸出，经过冷阱被捕集下来。另一种检测到的酯类化合物为5-甲基-2-4-己烯-1-醇乙酸酯，其在新鲜柠檬中的初始含量很低，仅为8.56g/g，而经过冷冻干燥后，其在冻干柠檬和冷阱凝霜中的含量均超过新鲜柠檬中的初始含量，说明干燥过程中有物质转化新生成增加了5-甲基-2-4-己烯-1-醇乙酸酯含量。从图6检测结果可知，就冻干柠檬酯类化合物保留率而言，一体化冻干比传统冷冻干燥具有显著优势。

图6 2种冻干方法冻干样品和冷阱凝霜中主要酯类风味化合物质量分数

3 讨 论

国内外学者在果蔬等植物组织的冷冻干燥挥发性成分变化方面已进行了相关探索研究，为本研究中挥发性风味物质变化现象的解释提供一定借鉴。Mui等[10]认为果蔬干燥过程中挥发性风味物质的保留主要是微区包封和物理扩散作用引起的，果蔬组织中高浓度糖类物质和挥发物组分构成了包封微区，随着干燥进行微区水分下降，挥发物与糖类通过氢键产生分子交联作用，挥发物扩散阻力增大、损失速度减小，当局部微区水分达到临界点时微区封合，挥发物扩散停止，而水分子量相对较小可以选择性通过，水分干燥可以继续进行，因此在解吸干燥阶段挥发物损失会减少。本研究对比分析了传统冻干与一体化冻干柠檬挥发性风味物质变化差异，结果发现与传统冷冻干燥法相比，一体化冻干法对冻干柠檬各类主要风味化合物保留具有显著优势。借鉴前人研究的微区包封和物理扩散作用机制，分析认为：在一体化冻干法中，柠檬片预冻阶段虽处一定真空条件，但物料细胞组织内外水分在极短时间内迅速冻结，组织内部与外界连通的细胞间隙网络通道被迅速闭合，切断了挥发性风味物质扩散迁移通道；同时物料原始水分在真空冻结阶段已经失去近1/3，已完成了预干燥效果，细胞壁组织中大分子组分浓度相对较高，单元细胞内挥发性风味物质向外扩散的阻力大大增加，更有利于真空冻结过程中组织内部挥发性风味物质的微区包封保留作用。

进入升华干燥阶段后，冰晶升华在物料中由外层向内层逐渐推进，干燥形成多孔网络结构，一个单元细胞壁孔室就一个单元包封微区，细胞和细胞之间的间隙通道与外界相通，为柠檬组织中的挥发性风味物质向外的扩散迁移提供基本条件，挥发物从冷冻干燥界面向外的扩散运输是控制挥发物损失和保留的关键因素。挥发物扩散速度由其扩散系数来决定，扩散系数随着包封微区细胞壁组分含水率减小而急剧降低，因此挥发物在干燥初期扩散迁移速度相对较快，挥发物扩散迁移随着干燥进程而逐渐变缓，当细胞壁组分含水率达到临界点时，挥发物向外的扩散阻力越来越大，最终停止扩散作用而保留在微区结构中。挥发物在干燥制品中的保留程度是选择性扩散和微区包封阻滞作用2种竞争机制综合作用结果。干燥过程中挥发性风味物质迁移损失主要发生在干燥初期，一体化冻干法在预冻阶段已失去近1/3的水分，其升华干燥进程快于传统冻干法，包封微区细胞壁更快地达到挥发物停止扩散的临界水分点，大大减少初期干燥所用时间，升华干燥所需时间整整缩短了2 h，因此一体化冻干法比传统冻干法更有利于挥发性风味物质的保留。在细胞微观结构方面，一体化冻干法获得相对致密的细胞壁网络孔道结构，且细胞壁孔室构成的包封微区相对完整，更有利于风味物质的保留，而传统冻干法对细胞壁孔室破坏作用较大，产生的破洞、裂口使得细胞壁孔室与细胞间隙通道直接相通，单元细胞壁孔室内部风味物质向外迁移阻力大大降低，真空条件下干燥过程中风味物质损失明显增加。

柠檬中挥发性风味化合物在冷阱凝霜中捕集是真空条件下水蒸气和挥发性风味化合物在冷阱盘管上协同凝结的复杂作用过程，捕集效果与冷阱环境的压强、温度、各类挥发性风味化合物初始含量、沸点与饱和蒸汽压等物理特性密切相关。挥发性风味化合物在冷阱凝霜分布规律可以归纳为：初始含量较高的主要单萜烯类风味化合物在传统冻干冷阱凝霜中含量显著高于一体化冻干冷阱凝霜，而初始含量相对较低的主要倍半萜烯化合物、醛类化合物、醇类化合物、脂类化合物在一体化冷阱凝霜中含量均显著高于传统冻干冷阱凝霜。分析其主要原因可能为：初始含量相对较低痕量风味化合物在真空冻结阶段受强烈的水分蒸腾作用影响较大，可能随水蒸气大量蒸发携带出物料，在冷阱中被快速冷凝凝结捕集于冷阱盘管表层，尽管传统冻干法的升华干燥时间比一体化冻干法长2 h，这些初始含量相对较低味化合物在后期升华干燥阶段蒸发损失量有限，最终在一体化冻干凝霜中的捕集量更高；而主要单萜烯类风味化合物由于初始含量是其他类风味化合物的2～50倍，这类物质可能大部分在升华干燥段从物料中挥发出在冷阱中被捕集，所以升华干燥时间长的传统冻干冷阱凝霜中捕集量相对较高。

4 结 论

1）与传统冻干法相比，柠檬一体化冻干法在预冻阶段去除近1/3的初始水分，预冻和升华干燥环节分别省2.5、2 h，冻干后微观组织呈相对致密的多孔网络结构，细胞壁孔室较为完整。

2）在新鲜柠檬原料中检测出的主要单萜烯类化合物为D-柠檬烯、萜品烯、左旋--蒎烯、-蒎烯，主要倍半萜烯风味化合物为1-石竹烯、巴伦西亚橘烯、-防风根烯，主要醛类化合物为柠檬醛、二甲基-辛二烯醛、壬醛、癸醛、己醛，主要醇类化合物为-松油醇、橙花醇、4-萜烯醇、芳樟醇、香叶醇，主要酯类化合物为橙花乙酸酯、5-甲基-2-4-己烯-1-醇乙酸酯。其中单萜烯类化合物含量占绝对主导地位。

3）但总体而言，2种冻干柠檬中上述各类主要挥发性风味化合物保留率均相对较低，绝大部分迁移出被冷阱凝霜捕集或真空泵抽排机外损失；一体化冻干柠檬中各类主要风味化合物含量显著高于传统冻干柠檬，表明一体化冻干法对柠檬中各类主要风味化合物保留具有显著优势。主要单萜烯类风味化合物在传统冻干冷阱凝霜中含量显著高于一体化冻干冷阱凝霜，而主要倍半萜烯化合物、醛类化合物、醇类化合物、脂类化合物在一体化冷阱凝霜中含量均显著高于传统冻干冷阱凝霜。

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Effect of vacuum freeze-drying methods on retention of volatile flavor compounds of lemon

Xie Huanxiong1, Hu Zhichao1,Wang Haiou2※, Chen Shoujiang2, Fu Qingquan2

(1.210014,; 2.211171,)

Volatile flavor compounds are the main factors that constitute the flavor characteristics of foods. Vacuum freeze-drying (FD) is internationally recognized as the best method of producing high-quality dehydrated foods. However, the retention of volatile flavor compounds by FD cannot meet our expectation. It had been verified by many researchers that volatile flavor compounds in food materials would lost in freeze-drying process, depending on the material type and the processing parameters. Lemon is a citrus fruit with extremely high nutritional and medicinal value. It is rich in volatile flavor compounds such as terpenes, alcohols, aldehydes, esters and ketones. Lemon slice or powder products made by freeze-drying are popular with lots of consumers. In order to explore the effect of FD methods on the retention characteristics of volatile flavor compounds in lemon, two different process methods including the integrated FD method and the conventional FD method were employed to dry lemon slice for comparing the distribution of volatile flavor compounds.The previous research results showed that nearly one-third of the initial moisture in lemon slices was removed during the vacuum freezing process in the method of the integrated FD method, which contribute 2.5 h to saving time of pre-freezing process and 2 h to saving time of sublimation drying process in contrast to the conventional FD method, respectively. Smaller and denser porous network structure were formed in the dried lemon tissue after the integrated FD, and their cell wall chambers were more complete without broken or cracked piece. The monoterpene compounds were predominate among all the volatile flavor compounds in the raw lemon materials, mainly including D-limonene, terpinenes, L--pinene,-pinene. The main sesquiterpene flavor compounds in raw lemon materials were 1- caryophyllene, valencian eneene,-windproofene. The main aldehyde compounds were citral, dimethyl-octendialdehyde, nonanal, decanal, hexanal. The main alcohol compounds were-terpineol, nerol, 4-nonenol, linalool, geraniol. The main ester compounds were nerol acetate and 5-methyl-2-4-hexen-1-ol acetate. The retention rates of all major volatile flavor compounds in the two FD lemons were very low, and most of them migrated out from the FD lemon and were captured by the cold trap or discharged outside by the vacuum pumping machine. The content of all above volatile flavor compounds in the integrated FD lemon was significantly higher than that in the conventional FD lemon (<0.05), which showed that the integrated FD method had significant advantages in the retention of volatile flavor compounds. The content of the main monoterpene-flavor compounds in cold trap ice of the conventional FD method was significantly higher than that of integrated FD method (<0.05), while the opposite result was tested for the main sesquiterpene compounds, aldehyde compounds, alcohol compounds and lipid compounds in the cold trap ice of two FD methods (<0.05). The difference in the retention characteristics of the main volatile flavor compounds in two kinds of FD lemon may be related to their freeze-drying process time and micro-structure morphology. In general, the retention rates of the above-mentioned main volatile flavor compounds in the freeze-dried lemon slices with the two FD methods are both relatively low, most of them were lost in the cold trap ice and discharged into the environment. However, the integrated FD method had significant advantages for the retention of major flavor compounds in lemon slices in contrast to the conventional FD method. The results of this study can provide some references for the improvement of fragrant quality in fruits and vegetables during the freeze drying process.

vacuum; freeze; drying; lemon; volatile flavor compounds; the integrated freeze-drying; retention

谢焕雄，胡志超，王海鸥，陈守江，扶庆权. 真空冷冻干燥对柠檬挥发性风味化合物保留的影响[J]. 农业工程学报，2018，34(22)：282－290. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.035 http://www.tcsae.org

Xie Huanxiong, Hu Zhichao, Wang Haiou, Chen Shoujiang, Fu Qingquan. Effect of vacuum freeze-drying methods on retention of volatile flavor compounds of lemon[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(22): 282－290. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.035 http://www.tcsae.org

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.035

TS255.3

A

1002-6819(2018)-22-0282-09

2018-06-26

2018-08-24

国家自然科学基金资助（31872901）；中国农业科学院科技创新工程（农产品分级与贮藏装备创新团队）；国家自然科学基金资助项目（31301592）

谢焕雄，研究员，主要从事农产品加工技术与装备的研究。 Email：who1978@163.com

王海鸥，副教授，博士，主要从事食品冷冻与干燥技术研究。Email：who1978@163.com

中国农业工程学会高级会员：谢焕雄（E041200496S）；王海鸥（E041200664S）