热风干制对青花椒品质的影响及工艺优化

杨兵，梅晓飞，彭林，陈厚荣，阚建全*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)2(农业部农产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室(重庆)，重庆，400715)

青花椒属芸香科花椒属的一种香辛料和油料作物，是我国传统的“八大调料”之一，因表皮呈青绿色而得名“青花椒”[1-2]。青花椒除作为调味料，其花椒精油、调味油、乳化油以及油树脂的微胶囊制剂等青花椒精深加工产品的应用也越来越广泛[3]。青花椒麻味浓郁、香气浓郁，相比红花椒更受广大消费者喜爱[4]。青花椒富含挥发油和酰胺类物质，是其主要麻味物质，同时青花椒还含有丰富的生物碱、香豆素、脂肪酸以及黄酮等[5-7]。青花椒也是一种药用经济作物，具有杀虫止痛止痒、温中等功效[8-10]，现已收录于《中华人民共和国药典》[11]。

青花椒含有丰富的叶绿素，色泽是青花椒及其产品的最重要品质之一[12]。目前，在青花椒干制方面还存在以下问题，主要是青花椒中叶绿素稳定性差，易降解，所以青花椒在干制期间，极易受外界环境因素影响，其叶绿素极易发生氧化降解而变色和退绿，干制后产品发褐，且青花椒干制后品质不稳定，导致其经济价值降低[13]。在工业干制条件下只能依靠工人的生产经验对热风干制设备的干制温度、干制风速以及物料厚度等参数进行初步控制，这就极大影响了青花椒干制产品的品质稳定性。因此，增加鲜青花椒前处理步骤，并进一步研究干制工艺，找出优化工艺参数组合，为实际生产中的青花椒干燥工艺条件提供参考依据，保持青花椒产品品质稳定性，减小营养成分损失，对提高青花椒产品品质具有重要意义。

现阶段，工业中常采用热风干制技术，热风干制设备具有设备成熟、操作简单、成本低、产量大、不受气候条件影响等优点，是目前应用最广泛的干制方法[14-16]。同时工业中也有采用微波干制技术[17]、热泵干制技术[18]、远红外干制技术[19]等，但是鲜有护色前处理工艺[20-21]。基于此，本试验以重庆市江津九叶青花椒为试验原料，青花椒干制前采用汽蒸处理，并结合热风干制技术，以青花椒感官评分、色差ΔE、挥发油含量和麻味物质含量为评价指标，优化热风干制工艺参数，以期解决青花椒在干制过程中的颜色及其他品质变化，为青花椒护色以及干制研究提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鲜九叶青花椒，重庆市江津区凯扬农业发展有限公司；甲醇(分析纯)，成都市科龙化学品有限公司；麻味物质标准样品，实验室自制。

1.2 仪器与设备

FA2004分析天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；YGKRK热风干燥机，东莞市永淦节能科技有限公司；Agilent 1260高效液相色谱仪，安捷伦科技有限公司；Scan Ultra PRO色差仪，上海信联创体电子有限公司；Centrifuge 5810离心机，艾本德(上海)国际贸易有限公司进口。

1.3 方法

1.3.1 样品预处理

去除霉烂和病虫害的鲜九叶青花椒，进行汽蒸处理，设定汽蒸温度100 ℃，汽蒸时间5 min，汽蒸结束迅速冷却，用于热风干制试验。

称取一定质量汽蒸处理青花椒，然后装盘。热风设备先预热到设定参数，然后放入青花椒进行干制，干制时间以含水率≤11%为止。干制产品4 ℃密封保存备用，用于感官评分以及测定色差ΔE、挥发油含量、麻味物质含量等指标。

1.3.2 青花椒感官评分

参考GB/T 30391—2013 花椒中花椒质量等级划分标准[22]以及周秀梅[23]制定的花椒质量评分标准，采用综合加权评分法计分，拟订了青花椒品质评分方法(见表1)，对青花椒品质进行量化，对不同品质的花椒进行评分，评分越高青花椒品质越好。

表1 花椒质量评分标准Table 1 Quality grading standard of Zanthoxylumschinifolium

1.3.3 青花椒色差的测定

参考方法[24]进行色差的测定。以ΔE表示总色差。

(1)

式中：ΔL*=L*(样品)-L*(标准)；Δa*=a*(样品)-a*(标准)；Δb*=b*(样品)-b*(标准)。

1.3.4 青花椒挥发油含量的测定

参考GB/T 17527—2009 胡椒精油含量的测定[25]。

1.3.5 青花椒麻味物质含量的测定

参考DB50/T 321—2009花椒麻味物质检测方法高效液相色谱法[26]。

精确称取1.000 0 g粉碎花椒于100 mL离心管中，加入甲醇50 mL并封口，超声提取麻味物质(50 ℃，300 W，40 min)，离心(4 000 r/min，10 min)，上清液置于100 mL容量瓶，重复提取2次，甲醇定容，4 ℃冰箱保存备用。过0.45 μm孔径滤膜，进HPLC检测。

色谱参考条件：色谱柱：Agilent ZORBAX Eclipse XDB C-18；流动相，水-甲醇，梯度洗脱条件见表2；柱温：40 ℃；进样量，20 μL；流速，0.8 mL/min；检测波长，254 nm。

表2 液相色谱梯度洗脱条件Table 2 Liquid chromatography gradient elution conditions

以本课题组制备的花椒麻味物质标准品为标样，用甲醇溶解后配制一系列不同浓度的标准品分析液。采用上述条件进行分析测定。花椒麻味物质在高效液相色谱中主要有3个峰，保留时间在14～16 min，如图1所示。

图1 花椒麻味物质标准品HPLC色谱图Fig.1 High performance liquid chromatogram of numb taste standard of Zanthoxylum schinifolium

以峰面积之和(Y)与对应花椒麻味物质标准品的浓度(X)进行线性回归，得回归方程为Y=26.392X-13.009(R2=0.999 9)。结果表明，花椒麻味物质浓度在一定范围时，线性关系良好。

1.3.6 热风干燥单因素试验

称取一定质量青花椒进行热风干燥，分别研究不同温度(55、60、65、70、75 ℃)、不同铺放量(450、500、550、600、650 g)和风速(0.4、0.5、0.6、0.7 m/s)对青花椒感官评分以及色差ΔE、挥发油含量和麻味物质含量等品质的影响。

1.3.7 Box-Benhnken试验设计

根据单因素试验的结果，采用Box-Benhnken的中心组合实验设计原理，以干制温度、铺放量、风速为响应变量，以感官评分、色差ΔE、挥发油含量、麻味物质含量为响应值进行响应面优化。Box-Benhnken试验因素水平表见表3。

表3 Box-Benhnken试验因素与水平表Table 3 Box-Benhnken response surface test factorlevel table

1.4 数据统计与分析

2 结果与分析

2.1 汽蒸处理对干制青花椒品质的影响

青花椒含有丰富的叶绿素，研究表明，叶绿素降解主要原因是植物多酚氧化酶引起的酶促氧化，其催化多酚物质氧化成醌，醌进一步氧化聚合，形成黑色素，导致颜色劣变[27]。因此采用高温灭酶处理青花椒，使多酚氧化酶失活，减少青花椒干制过程中的颜色劣变。

表4显示的汽蒸处理组对青花椒品质的影响。由表可知，汽蒸处理组的感官评分高于未处理组，且差异显著(p<0.05)；汽蒸处理组的色差ΔE低于未处理组，且差异显著(p<0.05)，说明汽蒸处理通过灭酶以降低青花椒叶绿素的降解，提高青花椒绿色色值。通过对比汽蒸处理组和未汽蒸处理组的挥发油含量和麻味物质含量可知，汽蒸处理组挥发油含量低于未处理组，且差异显著(p<0.05)，麻味物质含量之间无显著性差异(p>0.05)。原因为汽蒸高温处理导致青花椒中的挥发油挥发，从而导致汽蒸处理组挥发油含量较低。综合比较汽蒸处理对青花椒感官评分以及色差ΔE、麻味物质和挥发油3个主要品质的影响，可以得出，汽蒸处理有利于青花椒色值的保持，对麻味物质无显著影响，故汽蒸处理适用于青花椒的护色。

表4 汽蒸处理对干制青花椒品质的影响Table 4 Effect of steam treatment on the quality of Zanthoxylum schinifolium

2.2 单因素试验结果与分析

2.2.1 温度对热风干制青花椒感官评分以及品质的影响

不同热风干制温度对青花椒感官评分以及品质的影响如图2所示。青花椒的感官评分随着干制温度的升高呈先增加后减小的趋势，干制温度为65 ℃时，青花椒颜色偏绿，当温度达到75 ℃时，青花椒颜色出现褐色变化；青花椒的色差ΔE随着干制温度的升高呈先降低后升高的趋势，原因为干制温度低，则干制时间延长，导致叶绿素的损失，随着干制温度升高至65 ℃时，高温对青花椒中叶绿素破坏力加大，损失较多，色差ΔE增大。同时，青花椒感官评分与色差ΔE的变化呈现相互呼应。麻味物质含量和挥发油含量随着干制温度的升高均呈现先升高后降低的趋势，主要原因为55 ℃低温干制时间为9 h，65 ℃干制时间为6.5 h，所以55 ℃低温干制导致挥发油含量损失较多，当温度达到75 ℃时，高温会加快挥发油的挥发，进而导致其含量降低。青花椒感官评分在温度为60～65 ℃时达到最大，色差ΔE在温度65 ℃时达到最小，挥发油含量在温度65 ℃时达到最大，麻味物质含量在70 ℃达到最大，综合评价得出热风温度为65 ℃时，青花椒品质最高。

图2 温度对热风干制青花椒感官评分以及品质的影响Fig.2 Effect of temperature on quality and the sensory evaluation of Zanthoxylum schinifolium

2.1.2 铺放量对热风干制青花椒感官评分以及品质的影响

铺放量对干制青花椒感官评分以及品质的影响如图3所示。如图3所示，青花椒的感官评分随着铺放量的增加呈现先升高后降低的趋势，当铺放量达到650 g时，青花椒颜色出现褐色变化，导致评分较低。原因是青花椒铺放量较大，致使铺放厚度变大，最终导致干制不均匀出现颜色劣变；青花椒的色差ΔE随着铺放量的升高呈先降低后升高的趋势，且青花椒感官评分与色差ΔE的变化呈现相互呼应。青花椒挥发油含量随着铺放量的增加呈升高的趋势，原因是青花椒铺放量增加，厚度增加，减缓挥发油的挥发量，使青花椒干制后挥发油含量较高。青花椒麻味物质随着铺放量的增加呈先降低后趋于平稳的趋势，但无显著性差异(p>0.5)。感官评分和挥发油含量均在铺放量600 g时达到最大，色差ΔE在铺放量500 g时达到最小值，麻味物质在450～500 g时含量最大。综合评价得出铺放量为550 g时，青花椒品质最高。

图3 铺放量对热风干制青花椒感官评分以及品质的影响Fig.3 Effect of weight on quality and the sensory evaluation of Zanthoxylum schinifolium

2.1.3 风速对热风干制青花椒感官评分以及品质的影响

不同热风风速对热风干制青花椒感官评分以及品质的影响见图4。由图4可知，青花椒感官评分随着热风风速的升高呈下降的趋势，青花椒色差ΔE随热风风速的增加呈先降低后升高的趋势，青花椒麻味物质含量随热风的增加总体呈升高的趋势。青花椒挥发油含量随热风风速的增加呈先升高后降低的趋势，原因是热风风速增加，促使青花椒挥发油挥发量增加，含量降低。综合青花椒感官评分和品质的变化，确定热风风速0.5 m/s为热风干制最佳风速。

图4 风速对热风干制青花椒感官评分以及品质的影响Fig.4 Effect of weight on quality and the sensory evaluation of Zanthoxylum schinifolium

2.3 响应面试验结果与分析

采用Box-Behnken设计试验，以干制温度、铺放量、相对湿度为响应变量，以单位能耗、色差ΔE、挥发油含量、麻味物质含量为响应值进行响应面优化。试验结果以及回归模型方差分析见表4和表5。

利用Design-Expert软件对实验数据进行二次多项回归拟合，得到感官评分的回归方程：Y1=8.48-0.058A-0.017B-0.032C+0.011AB-0.035AC+0.089BC-0.18A2-0.067B2-0.038C2；色差ΔE的回归方程：Y2=8.80+0.32A+0.063B+0.83C-0.67AB-0.00425AC-0.009 5BC+1.46A2+0.41B2+0.64C2；挥发油的回归方程：Y3=5.37+0.21A-0.20B-0.012C-0.11AB+0.13AC-0.14BC-0.82A2-0.44B2-0.57C2；麻味物质的回归方程：Y4=2.79-0.15A+0.062B-0.078C+0.31AB-0.39AC-0.070BC-063A2-0.18B2-0.18C2。

表5 响应面试验方案及结果Table 5 Response surface test plan and results

表6 回归模型方差分析Table 6 Analysis of variance for the regression model

从各因素影响程度分析，各因素F值可以反映出各因素对试验指标的重要性，F值越大表明对试验指标影响越大，结合表6得出各因素对感官评分的影响大小顺序为：热风温度>风速>铺放量；各因素对色差ΔE值的影响大小顺序为：风速>铺放量>热风温度；各因素对挥发油含量的影响大小顺序为：铺放量>热风温度>风速；各因素对麻味物质含量的影响大小顺序为：热风温度>风速>铺放量。

感官评分和色差ΔE的响应面见图5，由图5可以看出，感官评分响应值随着热风温度和风速的变化幅度较大，而铺放量对感官评分响应值的影响较小，铺放量和风速两两之间的交互作用显著，热风温度和铺放量、热风温度和风速的两两交互作用不显著。色差ΔE响应值随各因素的变化幅度较大，热风温度和铺放量、热风温度和风速的两两交互作用不显著，热风温度和风速之间相互作用显著。

挥发油含量和麻味物质含量的响应面见图6，由图6可以看出，挥发油响应值随各因素的变化幅度较大，热风温度和铺放量、热风温度和风速的两两交互作用不显著，铺放量和风速两两交互作用显著。麻味物质响应值随着热风温度的变化幅度较大，而铺放量和风速对麻味物质含量响应值的影响较小，热风温度和铺放量、热风温度和风速的两两相互交互作用显著，铺放量和风速两两相互作用不显著。

a-c：感官评分响应值；d-f：色差ΔE响应值图5 各因素交互作用对感官评分和色差ΔE的影响Fig.5 Effects of interaction between two factors on viscosity of chromatism ΔE and sensory evaluation

2.4 回归模型的验证

利用Design-Expert软件，通过对回归方程求解，得到色差ΔE最小值为8.52，感官评分、挥发油含量和麻味物质含量最大值分别为8.49、5.37 mL/100g和2.78 g/100g，此时的工艺条件为热风温度64.80 ℃、铺放量为540.85 g、风速为0.48 m/s。为进一步验证回归方程的准确性和有效性，选择在最佳热风温度64.80 ℃、铺放量为540.00 g、风速为0.48 m/s条件下热风干制青花椒，并进行相关指标测定，测定结果感官评分8.50、色差ΔE8.65、挥发油含量5.44 mL/100g、麻味物质含量为2.81 g/100g；验证结果与优化结果之间的误差分别为感官评分0.10%、色差1.52%、挥发油含量1.30%、麻味物质含量1.08%，与模型预测值相近，可见回归模型能很好地预测热风干制青花椒品质以及单位能耗，优化结果可靠。

3 结论

青花椒经汽蒸处理后的品质优于未经汽蒸处理组。采用单因素试验及响应面分析法对热风干制青花椒的工艺条件进行优化，并建立拟合度良好的数学模型；其最佳优化工艺条件为：干制温度64.80 ℃、铺放量为540.00 g、风速0.48 m/s。在此工艺条件下干制青花椒，其感官评分8.50、色差ΔE8.65、挥发油含量5.44 mL/100g、麻味物质含量为2.81 g/100g，验证结果与优化结果之间的误差均小于1.60%，与预测值相近，模型预测效果良好。且优化后的干制青花椒的色差ΔE以及麻味物质含量较优化前有所提高。本研究将对降低青花椒干制后叶绿素降解以及降低干制过程中品质的变化等方面提供参考依据。此外，关于绿色植物产品护色方面，如何选择天然优良的护色剂，以及改善绿色植物产品的干制先进技术仍需进一步深入探索，以降低传统干制的污染耗能以及产品品质不佳的情况，提高青花椒产品的经济价值。