干燥方式对香芋片挥发性物质的影响

杨 玉 梁 端 宋 佩 王雪清 董 钟 孙 雪 刘云宏,2,3

(1. 河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471000；2. 食品绿色加工与质量安全控制河南省国际联合实验室，河南 洛阳 471000；3. 食品微生物河南省工程技术研究中心，河南 洛阳 471000)

香芋(ColocasiaesculentaL.Schott)为天南星科植物芋的块茎，因内部具有槟榔花纹又称为“槟榔芋”，主要分布在非洲、亚洲等地[1]。香芋中含有丰富的淀粉、蛋白质、维生素和矿物质等，营养价值高[2-3]。

苏可珍等[4]研究发现，不同处理时间荔浦芋的特征风味来自氮氧化物、甲基类、硫化物、醛类及醇类。程元珍[5]研究发现，新鲜芋泥和冷藏芋泥的主要风味物质为醛类，随着冷藏时间的延长，醛类、苯环化合物等相对含量不断增加。成文[6]分析模拟了香芋的生长模型，研究了香芋中的挥发性物质。甘泳红等[7]对海芋的挥发性成分进行研究，确认了28种化学成分。但有关干燥加工方法对香芋片风味成分的影响尚未见报道。

目前，针对常规干燥方式加工时间长、产品品质低等缺陷，常采用一些现代技术对干燥过程进行强化，从而达到提高干燥效率及保护产品品质等目的[8]。直触超声技术和远红外辐射技术均为强化干燥过程的有效方式，已被证实能够加快干燥进程和提高营养保留[9-10]。超声强化干燥主要体现为利用超声的空化效应、机械效应和湍动效应，可在不进一步加热的条件下实现对物料内部传质的有效促进[11]。远红外辐射干燥主要是利用其良好的加热效果和能量穿透性，实现对物料传热的有效提升[12]。但上述两种强化干燥技术对物料挥发性成分能够产生何种影响尚未可知。此外，若将直触超声技术与远红外辐射加热联合应用于干燥过程，其对物料风味的保护效果是否优于单一超声和单一远红外辐射，需进行研究与探讨。

研究拟基于主成分分析法，以新鲜香芋为原料，采用热风干燥(HAD)、直触超声强化热风干燥(CU-HAD)、远红外辐射干燥(FIRD)、直触超声强化远红外辐射干燥(CU-FIRD)和冷冻干燥(FD)5种不同干燥方式对香芋片进行干燥，其中HAD和FD作为对照，利用气相色谱—质谱法(GC-MS)对不同干燥方式所得干制香芋片的挥发性成分进行比较分析，探明单一超声强化、单一远红外辐射和超声联合远红外辐射对香芋片风味物质的影响规律，以期为香芋片干燥加工技术研发与应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

优质荔浦香芋：选择整体完整，无霉变虫蛀的新鲜香芋，市售；

柠檬酸、正己烷：分析纯，天津市德恩化学试剂有限公司；

无水硫酸钠：分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司。

1.2 仪器与设备

气相色谱—三重四级杆串联质谱联仪：TSQ9000型，美国赛默飞世尔公司；

热风干燥机：101-3ES型，北京市永光明医疗仪器厂；

远红外辐射干燥设备、直触超声强化装置、超声强化远红外辐射干燥装置：河南科技大学自制；

超低温冰箱：DW-86L486型，中国海尔集团公司；

真空冷冻干燥机：LGJ-10D型，北京四环起航科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品预处理 将香芋切成3 mm薄片，使用0.2%柠檬酸护色8 min，沸水漂烫90 s，用吸水纸吸干香芋片表面水分，使用5种不同干燥方式将香芋片干燥至干基含水率低于10%备用[13]。

(1) HAD干燥：热风温度45 ℃，风速1.5 m/s。

(2) CU-HAD干燥：超声功率36 W，热风温度45 ℃，风速1.5 m/s。

(3) FIRD干燥：远红外辐射板温度180 ℃，干燥过程中，物料温度由常温逐渐升至45 ℃。

(4) CU-FIRD干燥：超声功率36 W，远红外辐射板温度180 ℃。

(5) FD干燥：将预处理后的香芋片于-20 ℃下预冻24 h，真空冷冻干燥24 h，其中冷阱温度为-50 ℃，干燥室内压力为10 Pa。

1.3.2 气相色谱—质谱分析 准确称取干重5.00 g香芋片，剪碎，加入500 mL蒸馏水和沸石，加热使其沸腾。蒸馏出的物质用正己烷进行萃取，加入适量无水硫酸钠脱水，过0.22 μm滤膜，采取进样瓶自动进样方式。

1.3.3 色谱条件 色谱柱为DB-5MS石英毛细柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；升温程序参照文献[14]。

1.3.4 质谱条件 电子轰击(EI)离子源；电子能量70 eV；传输线温度250 ℃；离子源温度230 ℃；质量扫描范围m/z45～500。

1.4 数据处理

所得GC-MS检测结果通过计算机标准物质质谱数据库(replib、mainlib)检索处理，选取正反匹配度均>500的成分作为定性结果，并根据挥发性气体成分的峰面积采用面积归一化法得到各个挥发性气体成分的相对含量。使用SPSS 20.0进行主成分分析，使用Origin 2021软件进行作图及数据分析，通过方差分析进行不同干燥方式所得产品的显著性分析，P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 挥发性成分分析

干燥处理前的香芋片以及5种不同干燥方式所得香芋片的总离子流色谱图如图1所示，挥发性成分及相对含量见表1。

图1 不同干燥方式所得香芋片的挥发性成分总离子流图

由表1可知，香芋及其干制品共检出149种挥发性成分，预处理后的香芋检出63种挥发性成分。香芋富含蛋白质、糖类等物质，在干燥过程中会发生一系列反应，如美拉德反应、脂肪酸氧化等[15]。随着干燥的进行，香芋的挥发性成分会有一定的损失，同时也有新的挥发性成分生成。

表1 香芋及其干制品的挥发性成分及其相对含量†

续表1

续表1

续表1

由图2可知，干燥后的样品中均检测出较多的苯环类及酯类化合物。随着样品中水分的减少，烃类化合物发生变化，空间结构改变，生成多种烷烃类物质[16]，与张思颉等[17]的研究结果相似，但其对香芋风味贡献较小[18]。酸类物质主要来自脂肪氧化及醛的还原，其香气阈值较高[19]。

图2 香芋及其干制品不同类别挥发性成分的相对含量

苯环类包括苯环类、呋喃类、吡喃类化合物，苯及其同系物是常见的食品挥发性物质[20]，呋喃类、吡喃类主要来源于美拉德反应和焦糖化反应[21]。CU-HAD、FIRD、CU-FIRD 3种干燥方式的苯环类物质相对含量无显著性差异，但HAD和FD的干燥结果差异显著，与龙杰等[22]的结果相似。随着干燥的进行，香芋内物质长时间受热生成苯环类物质，以丁基羟基甲苯和2,2'-亚甲基双[6-(1,1-二甲基乙基)-4-甲基-苯酚为主。HAD香芋片的干燥时间最长，物料受热时间最长，其苯环类化合物相对含量最高(为46.15%)。FD香芋片中苯环类化合物相对含量最少(为37%)，可能是FD较低的干燥温度和干燥压力不利于苯环类物质生成，与Keskin等[23]的结果类似。CU-FIRD的苯环类化合物含量与单一使用CU和FIRD差别不大，说明将超声强化和远红外辐射加热联合应用，两者的作用会部分抵消，未对苯环类化合物产生协同增强作用。

沸点较低的酯类化合物在干燥过程中容易挥发损失[24]。方差分析表明不同干燥方式所得脂类化合物差异显著(P<0.05)。FD温度最低，酯类化合物挥发损失最少，相对含量最多(为25.01%)，张艳荣等[18]也发现FD能很好保护酯类成分。FIRD由于施加了远红外辐射进行加热，导致干燥温度较高，酯类化合物挥发损失最多，相对含量最少(为14.84%)。超声主要是利用空化效应和机械效应对物料内部水分传递进行强化，其热效应并不明显，因此CU-HAD与HAD过程的干燥温度基本相同，但CU-HAD在干燥过程中可以通过增强香芋片内部传质以减少干燥时间，主要体现在乙酸正十八酯和邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯相对含量要高于HAD，导致CU-HAD所得酯类化合物相对含量(为17.59%)高于HAD的(为16.94%)。与HAD相比，CU-FIRD的乙酸正十八酯、邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯等主要酯类成分总量比较接近。干燥过程中，CU-FIRD将强化内部水分传递的超声与改善物料受热状态的远红外辐射联合应用，能够同步强化香芋片的传热传质进程，虽然干燥温度较高不利于酯类化合物的保留，但其干燥时间最短又有利于减少酯类化合物的损失，该负面作用和正面作用相互抵消，导致其所得酯类化合物相对含量(为16.96%)与HAD差别不大。

醛类化合物多由脂肪酸氧化裂解发生美拉德反应而产生[25]。方差分析表明不同干燥方式所得醛类化合物差异显著(P<0.05)。干燥过程中，CU-FIRD能在超声强化和远红外辐射加热的联合作用下实现最好的质热传递和最高的干燥效率，可以更好地促使原料中的脂肪酸氧化裂解，同时，超声波的高频振动和远红外辐射的电磁波能量均能促进物料内部脂肪酸氧化分解，因此CU-FIRD所得香芋片的醛类风味物质相对含量最高(为16.65%)。其次是FD所得香芋片，其醛类风味物质相对含量为12.16%。HAD中未检出醛类化合物，但经施加超声的CU-HAD干燥后，检出醛类化合物相对含量为8.23%，可能是超声的机械效应和空化效应能够促使部分脂肪酸氧化裂解产生更多的醛类化合物。FIRD所得香芋片的醛类化合物相对含量为11.59%，可能是远红外辐射加热的辐射效应和热效应能够促进脂肪酸的氧化裂解。

醇类化合物是食品中常见的风味成分。方差分析表明不同干燥方式所得醇类化合物差异显著(P<0.05)。干燥加工后，香芋片中醇类物质相对含量有所降低，可能是由于醇类化合物受热易分解所致[26]，这些醇类物质在干燥过程中易氧化生成醛、酮类物质[27]，与Liu等[28]的结果一致。FD可以得到最高的醇类物质相对含量，由于FD的干燥温度较低，且在真空条件下进行，大多数醇类化合物难以氧化，因此醇类化合物分解较少，保留率较高。HAD也具有较高的醇类物质相对含量，但施加超声后的CU-HAD所得醇类物质相对含量(为3.86%)有所降低，超声在干燥过程中不会导致物料温度显著升高[29]，但其空化效应和湍动效应能够增加物料内部水分振动、流动和波动，从而在促进水分扩散的同时也加快了易挥发性醇类物质的损失。FIRD所得醇类物质相对含量(为1.96%)更低，是由于远红外辐射加热改善了物料的受热状态，有利于水分的蒸发和干燥的进行，但同时也会加快醇类化合物的受热分解或汽化损失。CU-FIRD所得醇类物质相对含量为0.49%，是由于在超声和远红外辐射的双重强化干燥作用下，CU-FIRD虽对促进脱水进程有积极作用，但其对醇类化合物的保留产生了负面作用。

2.2 主成分分析

由表2可知，对不同干燥方式香芋片的挥发性成分进行主成分分析，提取出3个主成分，各主成分的贡献率分别为36.352%，35.822%，13.251%，累计贡献率为85.424%。由表3可知，FD得分较高，说明FD的低温、低氧、低压干燥环境能够较好地保护香芋片内风味成分，但该干燥环境也难以生成新的风味物质，导致FD得分并不是最高。HAD香芋片的得分最低，为0.33，CU-HAD得分比HAD高1.95，说明施加超声生成新的挥发性成分，进而提高其风味。FIRD得分比HAD高1.45，说明远红外辐射对挥发性成分的保留与产生有积极作用。CU-FIRD香芋片得分为2.56，为5种干燥方式中最高，说明CU-FIRD同时采用超声强化传质和远红外辐射改善传热，不但可以加速香芋片的干燥脱水，还对香芋片的挥发性成分产生了明显的积极影响。

表2 香芋片主成分分析的提取平方载荷

表3 不同干燥方式香芋片主成分分析得分表

3 结论

采用气相色谱—质谱联用技术对不同干燥方式处理的香芋片的挥发性成分进行分析，共检出149种挥发性成分，其中新鲜香芋42种、预处理后的香芋63种、热风干燥香芋片42种、直触超声强化热风干燥香芋片59种、远红外辐射干燥香芋片46种、直触超声强化远红外辐射干燥香芋片50种、冷冻干燥香芋片52种。5种干燥方式下的挥发性物质存在差异，均有一定数量的特有挥发性成分。不同方式干燥后的香芋片在烷烃类、烯烃类和苯环类化合物的相对含量均增加。热风干燥香芋片的苯环类化合物相对含量最高，但醛类、酸类、酮类物质含量最少，且挥发性成分种类最少；直触超声强化热风干燥的烷烃类物质种类多，含量高，但对香芋的风味贡献较小。远红外辐射干燥香芋片的醛类、酸类、醇类、苯环类、酮类化合物相对含量均较少；直触超声强化远红外辐射干燥香芋片的醛类、酸类、苯环类、酯类化合物相对含量均较多；冷冻干燥香芋片的酯类化合物相对含量最多，但苯环类化合物相对含量最少。主成分分析结果表明，将直触超声技术和远红外辐射加热联合应用于干燥强化，对香芋风味的保护作用要好于单一超声和单一远红外辐射的效果。后续可对不同超声功率及远红外辐射功率下的香芋片特征挥发性成分产生机制及功能评价进行深入研究。