生鲜香蕉和真空冷冻干燥香蕉粉的品质与挥发性组分的研究

陈铭中，钟旭美*，孔令开，陈勇，叶颖娴

1(阳江职业技术学院 食品与环境工程系，广东 阳江，529566) 2(阳江市功能性食品研发与质量评价重点实验室，广东 阳江，529566)

香蕉广泛种植在热带、亚热带地区，成熟的香蕉果实甘糯，富含多种营养元素，并具有“快乐水果”之称。因其种植面积大、在世界水果贸易中占据着重要的地位[1]。香蕉中的碳水化合物、粗蛋白和热量都高于荔枝、菠萝、芒果、龙眼、橙子等水果，且在中医理论中，香蕉还具有降血压、通便、清热祛毒和抗衰老等功效，深受广大消费者的喜爱[2]。香蕉难以贮藏，容易受到外界湿度、温度等影响导致失去商用价值。真空冷冻干燥技术在芒果[3]、蓝莓[4]等果蔬加工中参与了实际应用并得到了较高的认可和评价。通过真空冷冻干燥技术将香蕉果肉加工成香蕉粉，可以最大程度地保留原有色泽、营养成分和风味，并具有易吸收、易溶解的特点[5]。降低香蕉果肉的含水率，并且改变了香蕉状态，既可以缓解不耐贮藏和包装的问题，还可以为人们生活带来便捷，具有极大的发展潜力。庄远红等[6]和何艾等[7]分别研究了真空冷冻干燥工艺对香蕉片和芭蕉片的品质影响，WANG等[8]采用真空带式干燥、冷冻干燥和风干3种不同的干燥方法对香蕉泥进行处理，采用统计分析系统评价香蕉粉主要挥发物的贡献。目前，关于香蕉切片经不同时间的真空冷冻干燥后研磨成粉，与新鲜香蕉品质和挥发性组分的差异比较的研究未见报道。

本研究以八成熟的新鲜香蕉为原料，切片后护色，在不同时长中真空冷冻干燥，研磨成香蕉粉，对新鲜香蕉和真空冷冻干燥24 h、33 h，将得到的香蕉粉三者进行品质分析。利用顶空固相微萃取(head space-solid phase micro-extraction, HS-SPME)结合气相色谱-质谱联用仪(gas chromatograph-mass spectrometer，GC-MS)测定3种不同香蕉样品的挥发性组分，分析不同处理方式的香蕉挥发性组分的分类、生鲜香蕉与干燥后香蕉粉的挥发性组分的差异。根据品质和挥发性组分的变化确定香蕉切片真空冷冻干燥的时间，为香蕉深加工的香气变化和香蕉粉代餐食品等的研制提供参考。

1 材料与方法

1.1 试剂与材料

香蕉，阳江市阳东区水果市场；DPPH，福州飞净生物科技有限公司；氯化钠分析纯，国药集团化学试剂有限公司；2-辛醇标准品(GC≥99.5%)，上海源叶生物科技有限公司；正构烷烃混标(C7～C40，1 000 μg/mL)，上海安谱实验科技股份有限公司；亚硝酸钠、硝酸铝，广州化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

QP2020型GC-MS，日本岛津仪器有限公司；SH-Rxi-5Sil MS 气相色谱柱，岛津公司；75 μm CAR/PDMS萃取头、SPME手动进样器，美国Supelco公司；SPME专用衬管，岛津(上海)有限公司；90-2A磁力加热搅拌器，天津市赛得利斯实验分析仪器制造厂；SHT-060SD超声波清洗机，深圳市深华泰超声洗净设备有限公司；FA224电子天平，上海舜宇恒平科技仪器有限公司；DK-S24恒温水溶锅，上海精宏实验设备有限公司；A11分析研磨机，德国IKA公司；研磨料理机KD-607，中山市康典电器有限公司；I3紫外可见分光光度计，济南海能仪器有限公司；FBZ1002-UP-P超纯水机，青岛富勒姆科技有限公司；真空冷冻干燥机，宁波新芝生物科技有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 样品制备

香蕉粉加工工艺图如图1所示。

图1 香蕉粉加工流程图Fig.1 Processing flow chart of banana powder

1.3.2 操作要点

原料筛选：由于不同成熟度的香蕉果实淀粉含量和所含挥发性组分的种类差异都较大，成熟后香蕉果实中维生素和果胶含量越低；膳食纤维和可溶性糖含量增高，果胶和糖含量是导致香蕉打粉时出现结块的主要根源，因此，选择长度15 cm无机械损伤、八成熟的香蕉做原料[9-10]。

去皮、切分：样品形状、大小会导致都会影响真空时间和口感，本研究借鉴焦丹[11]处理香蕉厚度的方法将香蕉片厚度控制在0.5 cm左右，这个厚度有利于护色和缩短干燥时间。

护色：黄华梅等[12]发现柠檬酸添加量≥0.4%时，可以有效抑制多酚氧化酶的活力，从而达到护色目的，本文借鉴该方法稍作改动进行护色处理。

干燥处理：将处理好的香蕉切片置于调配好的真空冷冻干燥机中，进行脱水处理。预实验发现当干燥时间少于24 h时香蕉片不容易粉碎，出现了粉团现象；当干燥时间久于33 h时，香蕉虽然可以呈较好的粉碎效果，但极易吸潮，难以保持颗粒状，并且当干燥时间>33 h时，成本增高，过长的干燥时间难以实现在工业中应用。结合预实验结果与成本考虑，干燥时间在24 h与33 h时制得的香蕉粉色泽和状态适中，成本相对较低。故本实验的香蕉片真空冷冻干燥时间确定为24 h、33 h两种。

磨粉和过筛：将香蕉干片放入高速打粉机中，打开高速打粉机开关，使打粉机高速运行至香蕉干片完全呈细小粉状颗粒，随后倒入100目不锈钢筛中，过筛完成后用铝箔袋包装，得香蕉粉成品。

1.3.3 理化指标的测定

1.3.3.1 样品制备

准确称取样品3 g于15 mL离心管中，准确加入80%(体积分数)甲醇溶液10 mL；50 ℃超声波提取20 min后取出，用混匀器充分2 min后转移到高速离心机中8 000 r/min收集上清液，重复2次；使用80%甲醇定容50.0 mL容量瓶中，在-80 ℃冰箱保存，待测。该提取液可用于总酚、DPPH抗氧化能力指标的测定。试验做3个平行测定。

1.3.3.2 含水率的测定

取称量瓶，放入烘箱中以100 ℃烘干(至恒重状态)，置于干燥器中冷却，然后精准称量。取分析样品5～10 g放入称量瓶中准确称重，使样品平坦，然后将称量瓶放入烘箱中，先在65 ℃烘2 h至样品变脆，再以100 ℃烘2 h，取出后置于干燥器中冷却，称重后继续烘1 h。冷却称重，直至2次重量差不超过3 mg为止，生鲜样品由于黏度大，加入已恒重10 g石英砂在水浴搅拌，使其近干，再进行以上操作。

1.3.3.3 总酚的测定

参考陈蓬凤等[13]的方法测定，稍有改动。

准确吸取不同样品提取液0.5 mL于试管中，分别向试管加入0.5 mL福林酚溶液(体积比1∶10)；手动摇荡试管15 s后加入1 mL 75 g/L的碳酸钠溶液和1 mL纯水，避光保存1 h，取出在725 nm处测定吸光度，同样方法以系列浓度梯度的没食子酸制得标准溶液，绘制标准曲线计算总酚浓度，得到样品总酚含量(μg/g)。

1.3.3.4 DPPH自由基清除率的测定

参照王定美等[14]和张岩等[15]的方法测定，有所改动。测定结果以清除率表示。各取0.3 mL 3种不同香蕉样品提取液加入到10 mL比色管中，然后向每管中加入3.7 mL 0.063 mmol/L的DPPH乙醇溶液，混匀常温避光，静置20 min,在517 nm下测定吸光度，以无水乙醇做空白对照。DPPH自由基清除率计算如公式(1)所示：

(1)

式中：A0为DPPH溶液与无水乙醇的吸光度；A1为样品与DPPH溶液的吸光度。

1.3.4 三种香蕉样品挥发性组分测定

1.3.4.1 挥发性组分的SPME萃取与测定

称取新鲜香蕉样品及真空冷冻干燥制备好的香蕉粉样品3 g于螺口样品瓶中，把磁力拌子置入样品瓶后准确加5 mL饱和氯化钠使香蕉样品充分溶解，分别加入5.0 μL质量浓度为0.99 mg/mL内标物2-辛醇，将样品瓶盖子旋紧避免挥发性组分流失导致测定结果偏差，样品瓶置于恒温40 ℃的磁力恒温搅拌器中水浴加热，推出萃取纤维头，顶空吸附40 min后，从样品瓶上拔出萃取针头，萃取的样品供GC-MS解析3 min后进行分析。

1.3.4.2 GC-MS定性和定量分析

色谱条件：SHIMADZU SH-Rxi-5 sil MS(30 m×250 μm×0.25 μm)毛细管色谱柱，载气为氦气，其他色谱条件进行比较筛选后确定。程序升温：初始温度40 ℃，保持1 min；以2 ℃/min的速率升至60 ℃；保持2 min，再以5 ℃/min的速率升至150 ℃，保持2 min，以10 ℃/min的速率升至180 ℃，保持1 min。载气为高纯氦(He)，流速为1.0 mL/min；进样口温度220 ℃，不分流。质谱条件：EI电离源；电子能量70 eV，电压350 V，扫描范围m/z35～400。

定性分析：原始数据导入MS-DIAL 4.70软件进行色谱峰解卷积[16]对齐等处理后，导入NIST 17质谱库进行组分搜索与鉴定，根据NIST 17质谱库中的正向匹配度(match factor，MF)、反向匹配度(reverse match factor，RMF)均≥800，同时参考未知组分的计算保留指数(retention index，RIact)与NIST 17质谱库的参考保留指数(RIref)接近原则，确定该组分名称。

定量分析：采用内标法进行半定量分析，内标物2-辛醇的质量浓度为0.99 mg/mL，加标体积为5.0 μL。

1.3.4.3 数据处理

WPS Office进行组分浓度计算，自动质谱退卷积定性系统[17]建立本实验的保留指数校正库，MS-DIAL 软件(V.4.70)进行原始质谱数据的预处理，SIMCA软件(V.14.1)进行正交偏最小二乘法判别分析(orthogonal partial least squares discriminant analysis，OPLS-DA)分类，R语言(V.4.0.2)绘制火山图、韦恩图，Origin 2019b绘制品质含量图。

2 结果与分析

图2中生鲜香蕉(FR)样品，表面呈黄白色，质地完好，甘甜软糯，香味浓郁；真空冷冻干燥24 h(FD 24h)研制成香蕉粉后，色泽如面粉洁净、质地细腻，味道香甜，水溶后口感丝滑；真空冷冻干燥33 h(FD 33h)研制成香蕉粉后，色泽微黄，暗沉，质地粗糙，味道香甜，水溶后有结块现象。

图2 三种香蕉样品视图Fig.2 Sample view of three kinds of bananas

2.1 三种不同香蕉样品水分和总酚的含量比较

水分是决定香蕉贮存的重要条件，降低水分活度(water activity,Aw)可以有效抑制微生物的生长，还可以降低香蕉中酶类的酶促反应。由表1可知，生鲜香蕉的样品含水率最高，随着真空冷冻干燥对香蕉样品干燥时间延长，其含水率降低，即水分活度越低。3种不同样品的含水率分别是FR(80.3%)>FD 24h(4.1%)>FD 33h(2.6%)，三者具有显著的差异，干燥33 h的香蕉含水率最低，更耐贮藏。

总酚是果蔬中次代谢产物，和果蔬的色泽、品质抗逆性病有密切联系，并且影响着果蔬的贮存和营养价值[18]。没食子酸标准曲线方程为y=0.072 8x-0.001 8，R2=0.999 3，代入标准曲线计算香蕉样品的总酚含量。由表1可知，3种样品中生鲜香蕉样品的总酚含量最高，其次是干燥24 h后的香蕉样品，含量最低的是干燥33 h的香蕉样品，有可能是在采用真空冷冻干燥技术对香蕉样品干燥时，随着水分的流失，总酚随着干燥时间延长也有所损失，干燥时长对样品中的总酚含量有显著的影响。24 h干燥时间保留了生鲜香蕉大于70%的总酚物质，33 h干燥时间只保留了生鲜香蕉不超过13%的总酚物质，在保留总酚物质含量上，24 h干燥时间优于33 h干燥时间。

表1 三种不同香蕉样品水分和总酚的含量Table 1 Contents of water and total phenol in three different banana samples

2.2 三种不同香蕉样品DPPH清除率比较

由图3可知，3种香蕉样品的DPPH自由基清除率的强弱顺序为：生鲜香蕉样品(58.81%)>干燥24 h香蕉粉(36.33%)>干燥33 h香蕉蕉粉(3.86%)。可见3种不同的样品之间的DPPH自由基清除能力相差极大，24 h干燥时间保留了生鲜香蕉大于60%的DPPH自由基清除能力，而33 h干燥时间的DPPH自由基清除能力下降到生鲜香蕉的7%以下，该值的变化趋势与含水率、总酚含量的规律一致，因此，DPPH自由基清除能力有可能和含水率有着密切关联，样品干燥时间越长，其DPPH清除能力的越弱[19]，合适的干燥时间有利于保留香蕉粉的总酚等热敏性生物活性物质，维持较强的抗氧化能力。尽管24 h真空冷冻时间香蕉的干燥度没33 h高，但相对保留了更高的DPPH自由基清除能力，在香蕉粉的精深加工中需要考虑产品的贮藏时间与生物活性物质之间的平衡，因此，24 h的真空冷冻干燥时间处理相对更合适。

图3 不同香蕉样品DPPH自由基清除率Fig.3 DPPH radical scavenging rate in different samples

2.3 三种不同香蕉样品挥发性组分分析

2.3.1 挥发性组分的定性与定量

通过顶空固相微萃取-气相色谱-质谱技术分别对FR、FD 24h和FD 33h样品挥发性组分进行测定，3种香蕉样品的总离子流图见图4-A，原始数据经MS-DIAL 4.70软件的峰对齐等处理，得到128个组分，导入NIST 17质谱数据库检索，正向匹配度、反向匹配度均≥800的组分共有64个，并以2-辛醇为内标计算得到各组分的相对含量。如表2所示，本实验的挥发性组分与前人报道的挥发性组分类似[20-21]；64个组分中(下文提到的组分含量均指已鉴定组分，不含未鉴定组分)，酯类有30个，酮类8个，醛类6个，醇类5个，其他类13个，酯类是香蕉挥发性组分的主要组分[22]。FR、FD 24h和FD 33h样品的总挥发性组分含量、主要类别含量分图4-B所示，3种样品的总挥发性组分含量分别是7 037.49、6 230.13(占FR的88.53%)、5 698.00 μg/kg(占FR的80.97%)，其中酯类占总挥发性组分的比例分别为59.15%、38.19%、47.71%，酮类分别为10.05%、27.50%、35.05%，醛类分别为18.03%、1.84%、0.84%，因此生鲜香蕉的香气组分以酯类、醛类还有酮类为主，而冷冻干燥后的样品以酯类和酮类为主，醛类占比很低。总体而言，冷冻干燥处理能够在一定程度上保持生鲜样品的原有香味，但生鲜样品和冷冻干燥处理样品的挥发性组分的类别含量还是存在一些差异。由图4-B可知，FD 24h样品的其他类别含量明显高于FR样品和FD 33h样品，主要是因为FD 24h样品中的丁香酚含量相对很高，可能是该组分在24 h的干燥过程中得到了富集，但继续干燥至33 h过程中，又有部分该组分随着水汽被抽走。

A-总离子流图；B-挥发性组分分类含量分布图图4 不同香蕉样品总离子流图与挥发性组分 分类含量分布图Fig.4 Total ion current diagram and volatile component content distribution diagram of different banana samples

表2 三种不同香蕉样品鉴定挥发性组分及含量Table 2 Identified volatile components and contents of three different banana samples

2.3.2 OPLS-DA分类与差异挥发性组分分析

将鉴定的64个组分的峰面积导入SIMCA 14.1软件中进行OPLS-DA分析。如图5所示，FR、FD 24h和FD 33h三种样品的挥发性组分在OPLS-DA中很好区分出3个区域，说明尽管真空冷冻干燥处理是一种非热式干燥加工方法，对热敏性组分保存较好，但其仍然对香蕉挥发性组分含量和种类有影响，进而影响产品香气，并且其处理时间长短对香气也有影响。

图5 三种不同香蕉样品OPLS-DA分析Fig.5 OPLS-DA analysis of three different banana samples

对3种香蕉样品挥发性组分再次在SIMCA 14.1软件两两分别建立OPLS-DA模型，得到FR组与FD24 h组(Ⅰ组)、FR组与FD 33h组(Ⅱ组)、FD 24h组与FD 33h组(Ⅲ组)的倍数变化(fold change，FC)和T检验的P值，以|log2FC|>1且P<0.05筛选出两组间的差异组分，通过火山图直观显示差异组分的分布情况，其中图6-A是FR组与FD 24h组的组分差异情况(显著下调26个、显著上调15个，无显著变化23个)；图6-B是FR组与FD 33h组的组分差异情况(显著下调21个，显著上调10个，无显著变化33个)，图6-C是FD 24h组与FD 33h组的组分差异情况(显著下调6个，显著上调4个，无显著变化54个)。由图6可知，FR样品与FD样品的差异明显，其中FR样品与FD 24h样品的挥发性组分有41个差异组分，FR样品与FD 33h样品有31个差异组分；FD处理的2种样品的挥发性组分差异小，只有10个显著差异组分。结合表1分析，相对于FR组，无论是FD 24h组还是FD 33h组，最大差异的4个组分均为20号(己醛)、25号(2-己烯醛)和35号(环戊酸乙烯酯)、36号(3-庚烯-2-酮)，前两个是下调，后两个是上调。

A-FR组与FD 24h组；B-FR组与FD 33h组； C-FD 24h组与FD 33h组图6 差异挥发性组分火山图Fig.6 Volcano plots of volatile components from three different banana samples

图7是Ⅰ组、Ⅱ组和Ⅲ组的差异组分的韦恩图。由图7可知，Ⅰ组特有的差异组分有9个[乙酸异丁酯、2-己酮、1-甲基乙酸丁酯、乙酸异戊酯、丁酸异丁酯、丁酸异戊酯、2-壬酮、(E)-2-甲氧基-4-(1-丙烯基苯酚)、榄香素]，Ⅱ组特有的差异组分有3个(5-庚烯-2-酮、壬醛、6-乙基-4-庚烯基戊酸酯)，Ⅲ组特有的差异组分有2个(乙酸乙酯、异丙烯基环己基甲醇)，Ⅰ组与Ⅱ组的共同差异组分有24个，Ⅰ组、Ⅱ组和Ⅲ组共同的差异组分有4个(4-己烯醇乙酯、苯乙醛、甲基丁香酚、4-烯丙基-2,6-二甲氧基苯酚)。

图7 差异性组分的韦恩图Fig.7 Venn diagram of differential components

3 结论

本研究探索了生鲜香蕉和不同真空冷冻干燥时间的香蕉的品质和挥发性组分的差异。生鲜香蕉、真空冷冻干燥时间24 h和33 h的香蕉粉3种香蕉样品的含水率、总酚含量、DPPH自由基清除率有类似的下降趋势，香蕉片真空冷冻干燥24 h的品质保持优于33 h。GC-MS测定后共鉴定出3种样品果肉64个挥发性组分，生鲜香蕉的香气组分以酯类、醛类还有酮类为主，而冷冻干燥后的样品以酯类和酮类为主，醛类占比很低。3种香蕉样品的挥发性组分均有差异，其中生鲜香蕉与2种真空冷冻干燥样品的差异较大，2种真空冷冻干燥样品的差异小；真空冷冻干燥处理的2组样品与生鲜香蕉有共同的最大差异的4个组分为己醛、2-己烯醛、环戊酸乙烯酯、3-庚烯-2-酮；3种样品两两比较，共有的差异组分有4个(4-己烯醇乙酯、苯乙醛、甲基丁香酚、4-烯丙基-2,6-二甲氧基苯酚)。可见，尽管真空冷冻干燥技术是一种先进的非热加工技术，但采用该技术处理干燥生鲜香蕉片后，与生鲜香蕉的挥发性组分还是存在较大差异，这些差异有可能是由于加工过程中损失或浓缩导致，有待进一步研究。而真空冷冻干燥时间对挥发性组分的损失影响较大，从而影响了香蕉粉的香气组分，综合考虑香蕉粉的耐贮性、品质和香气，对于0.5 cm厚度的香蕉片采用真空冷冻干燥时间为24 h更合适，结果可为研制香蕉粉代餐食品提供参考。