香荚兰全粉干燥工艺研究及品质变化分析

徐飞，霍建文，初众，张彦军*，朱科学

(1.中国热带农业科学院香料饮料研究所，海南 万宁 571533;2.国家重要热带作物工程技术 研究中心，海南 万宁 571533;3.海南省热带香料饮料作物工程技术研究中心，海南 万宁 571533;4.黑龙江东方学院 食品与环境工程学部，哈尔滨 150066)

香草兰，又名香子兰、香果兰、香荚兰，属兰科类唯一可食用的多年生攀援类藤本植物[1]。原产于墨西哥，20世纪60年代引入中国，目前主要种植于我国的海南、云南一带[2]。处于成熟期的香荚兰绿色果荚经3～6个月的发酵陈化后会变成深棕色或深褐色[3]，并产生200多种香气成分，其中香草醛是最主要的呈香化合物[4]。但与人工合成的单一物质香草醛相比，天然香荚兰气味更为丰富、自然、独特、宜人，广泛地应用于调味品、焙烤食品、化妆品等领域，也因此被人们冠于“食品香料之王”的美誉。

香荚兰在调味品、烘焙食品、化妆品等领域主要起到提香、增香作用，在使用方法上一般用刀将果皮划开，取内部种子(香荚兰籽)使用[5]。而果皮纤维含量高、不利于咀嚼，常常被废弃。有研究表明，在香荚兰的果皮中检测出比香荚兰籽中更多的香气成分[6]，这就造成了香荚兰在利用过程中有效成分的损失较重、利用率低，无法很好地应用到食品中。但干制加工成全粉可以保留包括果皮在内的所有干物质，解决高纤维果皮食用困难的同时，又极大程度保留了更多香气成分，提高其附加值。目前，全粉制作技术在某些果蔬制品上已经得以应用，其中干燥工艺是全粉制作较为关键的步骤，邓资靖对紫薯全粉的加工工艺进行了优化，得到真空冷冻干燥加工的全粉外观品质最佳，营养成分损失最少[7]；苏小军等对淮山全粉的喷雾干燥工艺进行了优化实验，得出工艺参数为进风温度170 ℃，排风温度90 ℃，进料泵转速15 r/min，固液比1∶1.5时，品质较佳，综合评分得分最高[8]；但对于香荚兰全粉的制备工艺研究未见报道，因此本文将真空冷冻干燥工艺应用到香荚兰全粉的制备中，对其关键工艺条件进行优化，确定最佳工艺参数，同时比较了真空冷冻干燥、风干、微波干燥3种不同制备工艺条件下香荚兰全粉的感官品质及风味物质差异。旨在为香荚兰全粉生产工艺的开发及改进提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

香荚兰发酵豆荚 中国热带农业科学院香料饮料研究所；香草醛标准品 美国Sigma公司；甲醇 西陇化工股份有限公司；娃哈哈纯净水 深圳娃哈哈荣泰实业有限公司；ME5-F精密分析天平 德国Sartorius股份公司；1260高效液相色谱仪、7890A-5975C气相色谱质谱联用仪 美国Agilent公司；JDG-0.2真空冷冻干燥机 兰州科近真空冷冻技术有限公司；MB45 快速水分测定仪 瑞士奥豪斯仪器公司。

1.2 试验方法

1.2.1 真空冷冻干燥优化试验设计

1.2.1.1 单因素试验设计

通过单因素试验，系统地研究了各因素对香荚兰干燥过程中的水分、香草醛含量以及香荚兰全粉感官品质的影响，合理地选取水平，为正交优化试验做准备，本试验中选择了时间、温度及物料形态作为3个考察因素，其中，时间选择为6，8，10，12，14 h，冻干温度为55 ℃，物料形态为粗粉冻干；温度选择为50，55，65，75，85 ℃，冻干时间为12 h，物料形态为整荚冻干；为了考虑实际生产的可行性，将正交优化试验物料形态的因素水平固定为整荚冻干、切段冻干及粗粉冻干，不对其进行单因素试验范围考察。

1.2.1.2 正交试验设计

在上述单因素试验的基础上，按照正交表，对真空冷冻工艺的温度、时间、物料形态3因素做正交试验，并将水分含量、香草醛含量和香荚兰全粉品质作为正交试验的指标，从而筛选出香荚兰全粉品质最好的冻干工艺条件。试验因素水平见表1，试验设计方案见表2。

表1 冻干试验因素水平表Table 1 Factors and levels of freeze-drying experiment

表2 冻干试验方案设计表Table 2 Design Table of freeze-drying test scheme

1.2.2 指标测定方法

1.2.2.1 水分含量的测定

准确称量1.00 g样品放置于快速水分测定仪中测定，读数，平行测定3次，计算其平均值。

1.2.2.2 香草醛的测定

采用HPLC法对香草醛含量进行测定，称取1.00 g香草兰粉末置于50 mL锥形瓶中，加入25 mL、80%的乙醇，摇晃震荡混合均匀，置于60 ℃恒温水浴锅上提取13 h，滤出滤液，定容至25 mL容量瓶中备用。

HPLC检测条件根据卢少芳等[9]的方法略作修改，采用XDB-C18 色谱柱(4.6 mm×150 mm，5 μm)；进样量取3 μL；流速设为1.0 mL/min；检测波长设为280 nm；柱温设为室温(26 ℃)；流动相采用甲醇∶0.5%冰醋酸溶液(20∶80)；样品采集时间35 min；机器灵敏度为0.01 AUFS。采用香草醛标准品和目标峰保留时间定性，外标法确定物质含量。

1.2.2.3 感官评价方法

参考国家农业部标准NY/T 483—2002《香荚兰》及10位经过培训的专业评委的反馈信息[10]，并对各指标的权重进行打分，制定香荚兰全粉的感官评价规则(见表3)，采用加权评分法计算总分。

表3 香荚兰全粉品质感官评价表Table 3 Sensory evaluation Table for quality of vanilla whole powder

1.2.2.4 挥发性成分的测定

采用HS-SPME-GC-MS法对挥发性成分进行测定，根据董智哲等优化后的方法略作修改，称取2 g香草兰豆荚粉末，置于15 mL固相萃取瓶中，加盖密封，在80 ℃条件下预热20 min，再将CAR/PDMS(75 μm)纤维头插入固相萃取瓶中吸附20 min待GC解吸附[11]。

色谱条件：色谱柱为DB-5MS毛细管柱(30 m×0.25 mm，0.25 mm)；升温程序：起始温度40 ℃，保持2 min，以1.5 ℃/min的速率升温至65 ℃，保持2 min，再以0.5 ℃/min的速率升温至70 ℃，再以5 ℃/min升温至90 ℃，再以3 ℃/min升温至170 ℃，最后以4 ℃/min的速率升温至220 ℃并保持2 min；载气为氦气，流速1 mL/min，不分流进样。

质谱条件：电子电离源；离子源温度250 ℃；传输线温度280 ℃；连接口温度250 ℃；电子能量70 eV；电子倍增电压1200 V；扫描方式：全扫描；质量扫描范围30～300 m/z。

定性分析：定性分析按照GC-MS谱库(NIST 14，Mainlib, Replib)进行检索并参考有关文献定性鉴定检出成分，与谱库中化合物相似度低于80 (最大值 100)的组分标为未鉴定出，通过面积归一化法确定其相对质量分数。

1.3 数据分析

数据采用SPSS 20.0软件分析处理，采用Origin 8.5软件绘图。

2 结果与分析

2.1 真空冷冻干燥的单因素试验结果与分析

2.1.1 冻干时间对香荚兰全粉各指标的影响

图1 冻干时间对各指标的影响Fig.1 Effect of freeze-drying time on each indicators

由图1可知，干燥过程中随着时间的延长，香荚兰中的主要风味物质香草醛的含量呈缓慢下降趋势，但下降幅度较小；在冻干时间小于10 h时，水分含量随着冻干时间的延长逐渐下降，此时感官得分随之上升。原因是水分含量低时，香荚兰在粉碎时粉碎效果更好，粉尘粒度较细，颗粒形貌较佳；当冻干时间超过10 h后，香荚兰的水分含量基本维持在2%～2.5%左右。其次由于干燥时间过长，香荚兰颜色变化较大，气味损失，感官得分开始下降。综合考虑，选择冻干时间8，10，12 h作为因素水平。

2.1.2 冻干温度对香荚兰全粉各指标的影响

图2 温度对各指标的影响Fig.2 Effect of temperature on each indicator

由图2可知，随着冻干温度的增大，香草醛的含量逐渐下降，当温度超过65 ℃时，下降趋势较大，可见温度对香草醛含量影响较大，温度越高，香草醛挥发较严重。此时香荚兰的水分含量几乎不发生变化，较高温度使香荚兰的非酶褐变反应更为剧烈，产生更多黄褐色物质，导致干制品色泽变差，其次温度过高，热敏性挥发性香气成分损失较大，产生细微焦糊味，导致感官得分下降，综合分析，选择温度55，65，75 ℃作为因素水平。

2.1.3 正交试验结果分析

2.1.3.1 正交试验的直观分析

表4 综合平衡法直观极差分析表Table 4 Intuitive range analysis Table of comprehensive balance method

续 表

由表4可知，在真空冷冻干燥过程中，冻干时间、冻干温度、物料状态对香荚兰水分含量、香草醛含量及感官得分的变化有着不同的影响，各因素对水分含量影响的先后顺序为C>B>A，最优组合为A3B3C1，即冻干时间为12 h时，冻干温度为75 ℃，物料状态为粗粉时，香荚兰的水分含量最小；各因素对香草醛含量影响的先后顺序为C>A>B，最优组合为A1B1C3或A1B2C3，即冻干时间为8 h，冻干温度为55 ℃或65 ℃，物料状态为整荚时，香草醛含量最高；各因素对感官得分影响的先后顺序为C>B>A，最优组合为A1B2C2，即冻干时间为8 h，冻干温度为65 ℃，物料形态为切段冻干时，感官得分最高。由上述结果可知，物料形态对3个指标均有最大的影响，不同物料冻干形态组织完整性和致密质地结构毛细管萎缩变形程度，导致冻干时物料与外界接触面积大小不同，进而影响其水分蒸发速度、挥发性成分散失程度及色泽、气味等感官品质差异性较大[12]。从各指标的最优方案上看，在3个指标上，A1均为最优方案，所以冻干时间为8 h。从温度B对各指标的影响看，在B2水平下对香草醛含量及感官得分均为最优水平，对水分含量B2及B3水平的k值分别为5.51及4.17，均在可接受范围内，综合考虑，选择B2作为温度的最优水平。从物料形态C对各指标的影响看，C1水平下香荚兰的水分含量最小，但该水平下香草醛含量及感官得分均最小，故C1不可作为物料形态的最优水平，C2水平下水分含量的k值为6.18，在实验过程中发现，当香荚兰水分含量低于7%时，物料粉碎后的颗粒形貌较为细腻，无明显的颗粒感，故C2水平下香荚兰水分含量属于可接受范围内，从香草醛含量分析，C2与C3的k值分别为2.01和2.03，相比与C1水平下的k值1.52，两者无明显差异，感官得分在C2水平下更高，故选择C2即切段形式作为物料形态的最优水平。

2.1.3.2 正交试验综合评分分析

在正交试验设计中，本研究需要考察水分含量、香草醛含量、感官得分3个指标，同一因素水平对每项指标的影响不同，因此对正交试验结果从多方面进行考虑，寻求对各项指标均比较好的因素水平。将正交试验结果各项指标进行标准化处理，具体处理方法如下：

本试验中的各评价指标对香荚兰全粉的品质均有重要影响，因此将各指标的权重系数均设为1，香草醛含量、感官得分这2个指标值越大，说明香荚兰全粉品质越好，因此取其标准化值的正数；水分含量指标值越小，香荚兰全粉品质越好，因此取其标准化值的负数，最终将同组试验下各指标试验结果的标准化值求和即为综合指标。综合指标的计算结果见表5。

表5 综合评分法结果极差分析表Table 5 Range analysis Table of comprehensive scoring method results

由表5可知，在以综合指标为目标值的正交试验中，冻干时间、冻干温度和物料形态对目标值的影响有着明显的不同。其影响的大小为物料状态>冻干温度>冻干时间，极差分析结果的最佳因素水平组合为A1B2C2，即冻干时间为8 h，冻干温度为65 ℃，物料状态为切段冻干时，综合指标的值最好。通过方差分析可以判断各因素对试验结果影响是否显著及其显著性水平。试验结果的方差分析见表6。

表6 综合法结果方差分析表Table 6 Variance analysis Table of comprehensive method results

由表6可知，各因素对香荚兰全粉的综合指标影响程度大小排序为：C>B>A，与极差分析结果一致。在本研究的试验条件范围内，冻干时物料形态对香荚兰全粉品质的影响最为显著，而冻干温度对香荚兰全粉品质有一定的影响，但并不显著，冻干时间的影响最小，因此根据方差分析结果，同时考虑防止香荚兰全粉制备过程中品质劣变及节约香荚兰全粉的制作成本，最终将香荚兰全粉制备工艺优化为：冻干时间8 h、冻干温度65 ℃、物料形态为切段冻干。

2.2 3种不同制备工艺香荚兰全粉感官品质及风味物质差异比较

试验时发现，当香荚兰全粉的含水量低于7%时，食用时无颗粒感、粉尘粒度小，呈均匀粉状，可以很好地在食品中得以应用，因此该研究采用风干、真空冷冻干燥、微波工艺将豆荚含水量设为7%，比较3种不同制备工艺对香荚兰全粉的香草醛含量、挥发性成分及感官品质的影响，工艺路线及参数如下：

2.2.1 风干

样品→切段→65 ℃热风干燥→水分达7%→粉碎。

2.2.2 真空冷冻干燥

样品→切段→80 ℃预冻→65 ℃升华干燥→65 ℃解吸干燥→水分达7%→粉碎。

2.2.3 微波

样品→切段→200 W微波干燥→水分达7%→粉碎。

2.3 不同制备工艺香荚兰全粉的感官品质差异结果

不同干燥工艺制得香荚兰全粉见图3，感官得分见表7，可知色泽上热风干燥制得的香荚兰全粉泛黄，与原豆荚发生偏离最高，得分最低，为36分，香荚兰中存在的氨基酸与还原糖，与枣粉干燥过程一样易发生美拉德反应造成香荚兰粉的非酶褐变，热风干燥时间越长，美拉德反应越剧烈[13]，导致风干颜色变化较大，而真空冷冻和微波干燥颜色变化相对较小，分数较高，分别为74分和86分。在气味上，真空冷冻干燥得分最高，为76分，其次是热风干燥(52分)，微波干燥可能由于其干燥原理特殊，分子运动内部发热温度较高，气味损失严重，得分最低，仅为37分，综合加权评分后真空冷冻干燥得分最高，为75.60分，风干和微波得分分别为57.38分和62.40分。

图3 不同制备工艺香荚兰粉Fig.3 Vanilla powder prepared by different methods

制备方式因素评委ABCDEFGHIJ因素得分总分气味654556565552风干色泽33433454343657.38颗粒形貌878978576974气味678888788876真空冷冻色泽77877888777475.60颗粒形貌786998876876气味442434543437微波色泽89999888998662.40颗粒形貌985998876877

2.4 不同制备工艺香荚兰全粉的香草醛含量差异结果

图4 不同制备工艺全粉中香草醛含量Fig.4 Vanillin content in whole powder prepared by different methods

由图4可知，3种制备工艺均会一定程度上降低香荚兰全粉的香草醛含量。其中，微波干燥对香草醛含量造成的损失最大，真空冷冻略高于风干，因此，真空冷冻干燥对香荚兰全粉香草醛含量的影响最小。

2.5 不同制备工艺香荚兰全粉的挥发性成分差异结果

采用HS-SPME-GC-MS对挥发性成分进行检测，香荚兰的挥发性化合物主要包含芳香族、醛、酸、醇、酯、酮、杂环共七大类化合物，这些化合物的共同作用赋予了香荚兰独特的风味，其中，芳香类化合物对整体风味的贡献最大，如香荚兰的典型呈香物质香草醛，在整体中占比最高，还有一些芳香酚如愈创木酚和4-甲基苯酚，这两种物质虽然是微量成分，但香气阈值较低，有着和香草醛同样的香气强度[14]，且愈创木酚除了作为一种呈香物质的，它也是香草醛合成途径中重要的前体化合物之一[15]。其次是醛类和酯类，如正己醛具有苹果般的香气，呋喃甲醛具有杏仁的味道，正辛醛具有甜橙的香气，壬醛具有玫瑰和柑橘的香气，对甲氧基苯甲醛具有类似山楂的味道，水杨酸甲酯具有冬青油的香气，壬酸甲酯具有葡萄酒、椰子的香气，肉桂酸甲酯具有可可的香味。其他酮类、杂环类等阈值较高，对整体贡献不大。GC-MS总离子流色谱图见图5。

图5 不同工艺全粉的总离子流图Fig.5 Total ion chromatogram of whole powder with different process

由图5可知，微波工艺样品的离子峰数目明显减少，由总离子图可知微波工艺的香荚兰全粉的气味峰响应值明显降低，经分析后得挥发性成分结果(见表8)，共检出44种挥发性化合物，其中加工前香荚兰36种，经不同工艺制粉后分别为风干38种、真空冷冻35种、微波干燥12种，统计3种工艺加工后与原豆荚共有挥发性成分数目，得到真空冷冻干燥和风干的共有成分为31种，绝大部分原有物质均被保留，而微波干燥最少仅为12种，4-甲基苯酚及大部分具呈香作用的醛类和酯类均没有被检出，可能是微波工艺虽然干燥速度快，但由于干燥温度高，导致挥发性成分散失较为严重，香气浓度降低。

表8 不同工艺全粉中挥发性成分组分Table 8 Volatile components in whole powder with different process

续 表

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3 讨论

通过单因素考察和多指标正交试验的直观分析法和综合评分法的分析，得到香荚兰全粉最佳冻干工艺均为冻干时间8 h、冻干温度65 ℃、物料形态为切做段冻干。此条件下制得香荚兰全粉的水分含量低、感官品质佳、香草醛含量高，直观分析法各指标分别为5.99%、76.89、2.13 g/100 g；综合评分法得分为2.459。比较真空冷冻干燥、风干、微波干燥3种工艺制备的香荚兰全粉的感官品质及风味物质差异，得到真空冷冻干燥工艺制备的全粉既有着较高的感官得分和香草醛含量，同样挥发性成分的种类和组分也没有受到破坏，综合分析，相比于风干和微波干燥，真空冷冻干燥是制备香荚兰全粉相更为可靠的工艺。

香荚兰作为一种名贵天然食用香料，如何被高附加值地应用在食品中是目前急需解决的问题之一，全粉作为一种高利用率的产品加工形式可以保留包含香荚兰果皮在内大部分的香气有效成分，而干燥过程是全粉加工过程中最关键的工艺，干燥工艺的条件及方式极大程度地影响着产品最终的质量，张康逸等研究了真空冷冻干燥工艺对多谷物全粉品质的影响，发现在预冻温度为-40 ℃、物料厚度为5 mm、干燥时间为35 h时，多谷物全粉色泽均一、颗粒细腻、香气独特[16]。任广跃等比较了喷雾干燥、真空冷冻干燥、微波干燥等5种干燥工艺对怀山药全粉品质的影响，结果表明喷雾干燥得到的怀山药全粉品质最优[17]。雷苗等比较了真空冷冻干燥、微波真空干燥、热风干燥等5种不同干燥方式对光皮木瓜全粉品质的影响，表明微波真空干燥得到的全粉黄酮、总酚等各项指标较好、品质较佳[18]，可见针对不同类型的加工物料应采用合适的加工工艺。真空冷冻干燥工艺在加工过程中周围环境属抽真空状态，氧气少、干燥速度快，因此，一个良好的真空冷冻干燥工艺条件既可以实现香荚兰中一些热敏性较高的香气物质更少地损失，又能降低氧化反应的发生，更好地保证全粉的外观品质。