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      干燥方式對(duì)香芋片揮發(fā)性物質(zhì)的影響

      2022-10-20 04:58:10王雪清劉云宏
      食品與機(jī)械 2022年9期
      關(guān)鍵詞:酯類化合物香芋苯環(huán)

      楊 玉 梁 端 宋 佩 王雪清 董 鐘 孫 雪 劉云宏,2,3

      (1. 河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,河南 洛陽 471000;2. 食品綠色加工與質(zhì)量安全控制河南省國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽 471000;3. 食品微生物河南省工程技術(shù)研究中心,河南 洛陽 471000)

      香芋(ColocasiaesculentaL.Schott)為天南星科植物芋的塊莖,因內(nèi)部具有檳榔花紋又稱為“檳榔芋”,主要分布在非洲、亞洲等地[1]。香芋中含有豐富的淀粉、蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)等,營養(yǎng)價(jià)值高[2-3]。

      蘇可珍等[4]研究發(fā)現(xiàn),不同處理時(shí)間荔浦芋的特征風(fēng)味來自氮氧化物、甲基類、硫化物、醛類及醇類。程元珍[5]研究發(fā)現(xiàn),新鮮芋泥和冷藏芋泥的主要風(fēng)味物質(zhì)為醛類,隨著冷藏時(shí)間的延長,醛類、苯環(huán)化合物等相對(duì)含量不斷增加。成文[6]分析模擬了香芋的生長模型,研究了香芋中的揮發(fā)性物質(zhì)。甘泳紅等[7]對(duì)海芋的揮發(fā)性成分進(jìn)行研究,確認(rèn)了28種化學(xué)成分。但有關(guān)干燥加工方法對(duì)香芋片風(fēng)味成分的影響尚未見報(bào)道。

      目前,針對(duì)常規(guī)干燥方式加工時(shí)間長、產(chǎn)品品質(zhì)低等缺陷,常采用一些現(xiàn)代技術(shù)對(duì)干燥過程進(jìn)行強(qiáng)化,從而達(dá)到提高干燥效率及保護(hù)產(chǎn)品品質(zhì)等目的[8]。直觸超聲技術(shù)和遠(yuǎn)紅外輻射技術(shù)均為強(qiáng)化干燥過程的有效方式,已被證實(shí)能夠加快干燥進(jìn)程和提高營養(yǎng)保留[9-10]。超聲強(qiáng)化干燥主要體現(xiàn)為利用超聲的空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和湍動(dòng)效應(yīng),可在不進(jìn)一步加熱的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)物料內(nèi)部傳質(zhì)的有效促進(jìn)[11]。遠(yuǎn)紅外輻射干燥主要是利用其良好的加熱效果和能量穿透性,實(shí)現(xiàn)對(duì)物料傳熱的有效提升[12]。但上述兩種強(qiáng)化干燥技術(shù)對(duì)物料揮發(fā)性成分能夠產(chǎn)生何種影響尚未可知。此外,若將直觸超聲技術(shù)與遠(yuǎn)紅外輻射加熱聯(lián)合應(yīng)用于干燥過程,其對(duì)物料風(fēng)味的保護(hù)效果是否優(yōu)于單一超聲和單一遠(yuǎn)紅外輻射,需進(jìn)行研究與探討。

      研究擬基于主成分分析法,以新鮮香芋為原料,采用熱風(fēng)干燥(HAD)、直觸超聲強(qiáng)化熱風(fēng)干燥(CU-HAD)、遠(yuǎn)紅外輻射干燥(FIRD)、直觸超聲強(qiáng)化遠(yuǎn)紅外輻射干燥(CU-FIRD)和冷凍干燥(FD)5種不同干燥方式對(duì)香芋片進(jìn)行干燥,其中HAD和FD作為對(duì)照,利用氣相色譜—質(zhì)譜法(GC-MS)對(duì)不同干燥方式所得干制香芋片的揮發(fā)性成分進(jìn)行比較分析,探明單一超聲強(qiáng)化、單一遠(yuǎn)紅外輻射和超聲聯(lián)合遠(yuǎn)紅外輻射對(duì)香芋片風(fēng)味物質(zhì)的影響規(guī)律,以期為香芋片干燥加工技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

      1 材料與方法

      1.1 材料與試劑

      優(yōu)質(zhì)荔浦香芋:選擇整體完整,無霉變蟲蛀的新鮮香芋,市售;

      檸檬酸、正己烷:分析純,天津市德恩化學(xué)試劑有限公司;

      無水硫酸鈉:分析純,天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司。

      1.2 儀器與設(shè)備

      氣相色譜—三重四級(jí)桿串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)儀:TSQ9000型,美國賽默飛世爾公司;

      熱風(fēng)干燥機(jī):101-3ES型,北京市永光明醫(yī)療儀器廠;

      遠(yuǎn)紅外輻射干燥設(shè)備、直觸超聲強(qiáng)化裝置、超聲強(qiáng)化遠(yuǎn)紅外輻射干燥裝置:河南科技大學(xué)自制;

      超低溫冰箱:DW-86L486型,中國海爾集團(tuán)公司;

      真空冷凍干燥機(jī):LGJ-10D型,北京四環(huán)起航科技有限公司。

      1.3 試驗(yàn)方法

      1.3.1 樣品預(yù)處理 將香芋切成3 mm薄片,使用0.2%檸檬酸護(hù)色8 min,沸水漂燙90 s,用吸水紙吸干香芋片表面水分,使用5種不同干燥方式將香芋片干燥至干基含水率低于10%備用[13]。

      (1) HAD干燥:熱風(fēng)溫度45 ℃,風(fēng)速1.5 m/s。

      (2) CU-HAD干燥:超聲功率36 W,熱風(fēng)溫度45 ℃,風(fēng)速1.5 m/s。

      (3) FIRD干燥:遠(yuǎn)紅外輻射板溫度180 ℃,干燥過程中,物料溫度由常溫逐漸升至45 ℃。

      (4) CU-FIRD干燥:超聲功率36 W,遠(yuǎn)紅外輻射板溫度180 ℃。

      (5) FD干燥:將預(yù)處理后的香芋片于-20 ℃下預(yù)凍24 h,真空冷凍干燥24 h,其中冷阱溫度為-50 ℃,干燥室內(nèi)壓力為10 Pa。

      1.3.2 氣相色譜—質(zhì)譜分析 準(zhǔn)確稱取干重5.00 g香芋片,剪碎,加入500 mL蒸餾水和沸石,加熱使其沸騰。蒸餾出的物質(zhì)用正己烷進(jìn)行萃取,加入適量無水硫酸鈉脫水,過0.22 μm濾膜,采取進(jìn)樣瓶自動(dòng)進(jìn)樣方式。

      1.3.3 色譜條件 色譜柱為DB-5MS石英毛細(xì)柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);升溫程序參照文獻(xiàn)[14]。

      1.3.4 質(zhì)譜條件 電子轟擊(EI)離子源;電子能量70 eV;傳輸線溫度250 ℃;離子源溫度230 ℃;質(zhì)量掃描范圍m/z45~500。

      1.4 數(shù)據(jù)處理

      所得GC-MS檢測(cè)結(jié)果通過計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(replib、mainlib)檢索處理,選取正反匹配度均>500的成分作為定性結(jié)果,并根據(jù)揮發(fā)性氣體成分的峰面積采用面積歸一化法得到各個(gè)揮發(fā)性氣體成分的相對(duì)含量。使用SPSS 20.0進(jìn)行主成分分析,使用Origin 2021軟件進(jìn)行作圖及數(shù)據(jù)分析,通過方差分析進(jìn)行不同干燥方式所得產(chǎn)品的顯著性分析,P<0.05表示差異顯著。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 揮發(fā)性成分分析

      干燥處理前的香芋片以及5種不同干燥方式所得香芋片的總離子流色譜圖如圖1所示,揮發(fā)性成分及相對(duì)含量見表1。

      圖1 不同干燥方式所得香芋片的揮發(fā)性成分總離子流圖

      由表1可知,香芋及其干制品共檢出149種揮發(fā)性成分,預(yù)處理后的香芋檢出63種揮發(fā)性成分。香芋富含蛋白質(zhì)、糖類等物質(zhì),在干燥過程中會(huì)發(fā)生一系列反應(yīng),如美拉德反應(yīng)、脂肪酸氧化等[15]。隨著干燥的進(jìn)行,香芋的揮發(fā)性成分會(huì)有一定的損失,同時(shí)也有新的揮發(fā)性成分生成。

      表1 香芋及其干制品的揮發(fā)性成分及其相對(duì)含量?

      續(xù)表1

      續(xù)表1

      續(xù)表1

      由圖2可知,干燥后的樣品中均檢測(cè)出較多的苯環(huán)類及酯類化合物。隨著樣品中水分的減少,烴類化合物發(fā)生變化,空間結(jié)構(gòu)改變,生成多種烷烴類物質(zhì)[16],與張思頡等[17]的研究結(jié)果相似,但其對(duì)香芋風(fēng)味貢獻(xiàn)較小[18]。酸類物質(zhì)主要來自脂肪氧化及醛的還原,其香氣閾值較高[19]。

      圖2 香芋及其干制品不同類別揮發(fā)性成分的相對(duì)含量

      苯環(huán)類包括苯環(huán)類、呋喃類、吡喃類化合物,苯及其同系物是常見的食品揮發(fā)性物質(zhì)[20],呋喃類、吡喃類主要來源于美拉德反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)[21]。CU-HAD、FIRD、CU-FIRD 3種干燥方式的苯環(huán)類物質(zhì)相對(duì)含量無顯著性差異,但HAD和FD的干燥結(jié)果差異顯著,與龍杰等[22]的結(jié)果相似。隨著干燥的進(jìn)行,香芋內(nèi)物質(zhì)長時(shí)間受熱生成苯環(huán)類物質(zhì),以丁基羥基甲苯和2,2'-亞甲基雙[6-(1,1-二甲基乙基)-4-甲基-苯酚為主。HAD香芋片的干燥時(shí)間最長,物料受熱時(shí)間最長,其苯環(huán)類化合物相對(duì)含量最高(為46.15%)。FD香芋片中苯環(huán)類化合物相對(duì)含量最少(為37%),可能是FD較低的干燥溫度和干燥壓力不利于苯環(huán)類物質(zhì)生成,與Keskin等[23]的結(jié)果類似。CU-FIRD的苯環(huán)類化合物含量與單一使用CU和FIRD差別不大,說明將超聲強(qiáng)化和遠(yuǎn)紅外輻射加熱聯(lián)合應(yīng)用,兩者的作用會(huì)部分抵消,未對(duì)苯環(huán)類化合物產(chǎn)生協(xié)同增強(qiáng)作用。

      沸點(diǎn)較低的酯類化合物在干燥過程中容易揮發(fā)損失[24]。方差分析表明不同干燥方式所得脂類化合物差異顯著(P<0.05)。FD溫度最低,酯類化合物揮發(fā)損失最少,相對(duì)含量最多(為25.01%),張艷榮等[18]也發(fā)現(xiàn)FD能很好保護(hù)酯類成分。FIRD由于施加了遠(yuǎn)紅外輻射進(jìn)行加熱,導(dǎo)致干燥溫度較高,酯類化合物揮發(fā)損失最多,相對(duì)含量最少(為14.84%)。超聲主要是利用空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)對(duì)物料內(nèi)部水分傳遞進(jìn)行強(qiáng)化,其熱效應(yīng)并不明顯,因此CU-HAD與HAD過程的干燥溫度基本相同,但CU-HAD在干燥過程中可以通過增強(qiáng)香芋片內(nèi)部傳質(zhì)以減少干燥時(shí)間,主要體現(xiàn)在乙酸正十八酯和鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯相對(duì)含量要高于HAD,導(dǎo)致CU-HAD所得酯類化合物相對(duì)含量(為17.59%)高于HAD的(為16.94%)。與HAD相比,CU-FIRD的乙酸正十八酯、鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯等主要酯類成分總量比較接近。干燥過程中,CU-FIRD將強(qiáng)化內(nèi)部水分傳遞的超聲與改善物料受熱狀態(tài)的遠(yuǎn)紅外輻射聯(lián)合應(yīng)用,能夠同步強(qiáng)化香芋片的傳熱傳質(zhì)進(jìn)程,雖然干燥溫度較高不利于酯類化合物的保留,但其干燥時(shí)間最短又有利于減少酯類化合物的損失,該負(fù)面作用和正面作用相互抵消,導(dǎo)致其所得酯類化合物相對(duì)含量(為16.96%)與HAD差別不大。

      醛類化合物多由脂肪酸氧化裂解發(fā)生美拉德反應(yīng)而產(chǎn)生[25]。方差分析表明不同干燥方式所得醛類化合物差異顯著(P<0.05)。干燥過程中,CU-FIRD能在超聲強(qiáng)化和遠(yuǎn)紅外輻射加熱的聯(lián)合作用下實(shí)現(xiàn)最好的質(zhì)熱傳遞和最高的干燥效率,可以更好地促使原料中的脂肪酸氧化裂解,同時(shí),超聲波的高頻振動(dòng)和遠(yuǎn)紅外輻射的電磁波能量均能促進(jìn)物料內(nèi)部脂肪酸氧化分解,因此CU-FIRD所得香芋片的醛類風(fēng)味物質(zhì)相對(duì)含量最高(為16.65%)。其次是FD所得香芋片,其醛類風(fēng)味物質(zhì)相對(duì)含量為12.16%。HAD中未檢出醛類化合物,但經(jīng)施加超聲的CU-HAD干燥后,檢出醛類化合物相對(duì)含量為8.23%,可能是超聲的機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)能夠促使部分脂肪酸氧化裂解產(chǎn)生更多的醛類化合物。FIRD所得香芋片的醛類化合物相對(duì)含量為11.59%,可能是遠(yuǎn)紅外輻射加熱的輻射效應(yīng)和熱效應(yīng)能夠促進(jìn)脂肪酸的氧化裂解。

      醇類化合物是食品中常見的風(fēng)味成分。方差分析表明不同干燥方式所得醇類化合物差異顯著(P<0.05)。干燥加工后,香芋片中醇類物質(zhì)相對(duì)含量有所降低,可能是由于醇類化合物受熱易分解所致[26],這些醇類物質(zhì)在干燥過程中易氧化生成醛、酮類物質(zhì)[27],與Liu等[28]的結(jié)果一致。FD可以得到最高的醇類物質(zhì)相對(duì)含量,由于FD的干燥溫度較低,且在真空條件下進(jìn)行,大多數(shù)醇類化合物難以氧化,因此醇類化合物分解較少,保留率較高。HAD也具有較高的醇類物質(zhì)相對(duì)含量,但施加超聲后的CU-HAD所得醇類物質(zhì)相對(duì)含量(為3.86%)有所降低,超聲在干燥過程中不會(huì)導(dǎo)致物料溫度顯著升高[29],但其空化效應(yīng)和湍動(dòng)效應(yīng)能夠增加物料內(nèi)部水分振動(dòng)、流動(dòng)和波動(dòng),從而在促進(jìn)水分?jǐn)U散的同時(shí)也加快了易揮發(fā)性醇類物質(zhì)的損失。FIRD所得醇類物質(zhì)相對(duì)含量(為1.96%)更低,是由于遠(yuǎn)紅外輻射加熱改善了物料的受熱狀態(tài),有利于水分的蒸發(fā)和干燥的進(jìn)行,但同時(shí)也會(huì)加快醇類化合物的受熱分解或汽化損失。CU-FIRD所得醇類物質(zhì)相對(duì)含量為0.49%,是由于在超聲和遠(yuǎn)紅外輻射的雙重強(qiáng)化干燥作用下,CU-FIRD雖對(duì)促進(jìn)脫水進(jìn)程有積極作用,但其對(duì)醇類化合物的保留產(chǎn)生了負(fù)面作用。

      2.2 主成分分析

      由表2可知,對(duì)不同干燥方式香芋片的揮發(fā)性成分進(jìn)行主成分分析,提取出3個(gè)主成分,各主成分的貢獻(xiàn)率分別為36.352%,35.822%,13.251%,累計(jì)貢獻(xiàn)率為85.424%。由表3可知,F(xiàn)D得分較高,說明FD的低溫、低氧、低壓干燥環(huán)境能夠較好地保護(hù)香芋片內(nèi)風(fēng)味成分,但該干燥環(huán)境也難以生成新的風(fēng)味物質(zhì),導(dǎo)致FD得分并不是最高。HAD香芋片的得分最低,為0.33,CU-HAD得分比HAD高1.95,說明施加超聲生成新的揮發(fā)性成分,進(jìn)而提高其風(fēng)味。FIRD得分比HAD高1.45,說明遠(yuǎn)紅外輻射對(duì)揮發(fā)性成分的保留與產(chǎn)生有積極作用。CU-FIRD香芋片得分為2.56,為5種干燥方式中最高,說明CU-FIRD同時(shí)采用超聲強(qiáng)化傳質(zhì)和遠(yuǎn)紅外輻射改善傳熱,不但可以加速香芋片的干燥脫水,還對(duì)香芋片的揮發(fā)性成分產(chǎn)生了明顯的積極影響。

      表2 香芋片主成分分析的提取平方載荷

      表3 不同干燥方式香芋片主成分分析得分表

      3 結(jié)論

      采用氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對(duì)不同干燥方式處理的香芋片的揮發(fā)性成分進(jìn)行分析,共檢出149種揮發(fā)性成分,其中新鮮香芋42種、預(yù)處理后的香芋63種、熱風(fēng)干燥香芋片42種、直觸超聲強(qiáng)化熱風(fēng)干燥香芋片59種、遠(yuǎn)紅外輻射干燥香芋片46種、直觸超聲強(qiáng)化遠(yuǎn)紅外輻射干燥香芋片50種、冷凍干燥香芋片52種。5種干燥方式下的揮發(fā)性物質(zhì)存在差異,均有一定數(shù)量的特有揮發(fā)性成分。不同方式干燥后的香芋片在烷烴類、烯烴類和苯環(huán)類化合物的相對(duì)含量均增加。熱風(fēng)干燥香芋片的苯環(huán)類化合物相對(duì)含量最高,但醛類、酸類、酮類物質(zhì)含量最少,且揮發(fā)性成分種類最少;直觸超聲強(qiáng)化熱風(fēng)干燥的烷烴類物質(zhì)種類多,含量高,但對(duì)香芋的風(fēng)味貢獻(xiàn)較小。遠(yuǎn)紅外輻射干燥香芋片的醛類、酸類、醇類、苯環(huán)類、酮類化合物相對(duì)含量均較少;直觸超聲強(qiáng)化遠(yuǎn)紅外輻射干燥香芋片的醛類、酸類、苯環(huán)類、酯類化合物相對(duì)含量均較多;冷凍干燥香芋片的酯類化合物相對(duì)含量最多,但苯環(huán)類化合物相對(duì)含量最少。主成分分析結(jié)果表明,將直觸超聲技術(shù)和遠(yuǎn)紅外輻射加熱聯(lián)合應(yīng)用于干燥強(qiáng)化,對(duì)香芋風(fēng)味的保護(hù)作用要好于單一超聲和單一遠(yuǎn)紅外輻射的效果。后續(xù)可對(duì)不同超聲功率及遠(yuǎn)紅外輻射功率下的香芋片特征揮發(fā)性成分產(chǎn)生機(jī)制及功能評(píng)價(jià)進(jìn)行深入研究。

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