花椒(Zanthoxylum bungeanum)属芸香科花椒属植物,其果皮是我国著名的“八大调味品”之一,特别在川菜、麻辣火锅中必不可少[1-3]。根据果皮颜色,花椒主要分为青花椒(Zanthoxylum schinifolium Sieb.et Zucc.)和红花椒(Z. bungeanum Maxim)两大类,前者因麻味纯正、香气清雅浓郁而更受青睐。目前,不管是种植面积和年产量,还是消费者的数量和感官偏好,青花椒都要高于红花椒[4]。根据GH/T 1284《青花椒》[5],高品质一级青花椒应呈青绿或黄绿色,有光泽,麻味浓烈、持久,无异味,香气浓郁、纯正,闭眼椒和椒籽占比较低。

青花椒的成熟期集中在每年的6—7月,由于鲜花椒含水量超过60%[6],极易发生褐变和霉烂。因此,除一小部分用于制备冷榨精油和花椒油树脂外,绝大多数的青花椒会被干燥处理,以保存其营养和风味成分及延长贮藏时间。目前干制处理应用最多的是自然晾晒,然而自然光尤其是其中的紫外光,能引起叶绿素的降解和褐色叶绿素衍生物的积累,使得青花椒变得黯淡无光[7-9];而自然阴干(shade drying,SD)能有效避免光照的不利影响[7],并能保留更多的香气成分[10]。然而,自然干燥极易受到天气影响,且干燥时间长,容易发生变色和滋生微生物,造成青花椒品质下降甚至是卫生安全不达标。

和自然干燥相比,热风干燥(hot air drying,HAD)、冷冻干燥(freeze drying,FD)、热泵干燥(hot pump drying,HPD)和微波干燥(microwave drying,MD)等[11-14],不受天气的影响,且热干燥方式的脱水时间明显缩短[8, 14, 15],但这些基于传质/传热原理的干燥方法不可避免地会影响青花椒的品质。目前的研究主要集中在探究某一特定干燥方式对青花椒脱水过程的影响因素[11,12,14],或不同干燥方式对青花椒中某一种(类)品质指标的影响[10, 13, 16],鲜有不同干燥方法对青花椒外观颜色和植物化学成分影响的系统分析和评估。

本研究拟以我国年产量最高的九叶青花椒为研究对象,利用SD、HAD、HPD、MD和FD对青花椒进行干制处理,通过测定颜色参数、叶绿素、挥发油、麻味物质和酚类物质含量,结合熵权法多指标模型系统分析不同干制处理对青花椒品质的影响,以期为高品质干制青花椒的高效生产提供一定的理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

九叶青花椒,采自重庆市江津区青花椒种植基地,花椒采摘后2 h内运回实验室,铺于实验台上,自然通风1 h,散去田间热。用剪刀沿着花椒枝梗逐粒剪下花椒,剔除伤病果和虫害果,挑选颜色均匀、大小一致的青花椒,随机混匀,分组备用。

甲醇(色谱纯)、乙腈(色谱纯),上海麦克林生化科技有限公司;福林酚、没食子酸、芦丁,北京索莱宝科技有限公司;羟基-α-山椒素(分析标准品),成都普什生物技术有限公司;其他所用试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

Alpha 2-4 LSCplu型冷冻干燥机,德国Martin Christ公司;WB-KQ01型热泵干燥机,广州温伴节能热泵有限公司;MP17C-KE型微波炉,广东美的微波制造有限公司;GZX-9146MBE型热风干燥机,上海精科有限公司医疗设备厂;WR-18型色差仪,深圳浪潮光电科技有限公司;1260型高效液相色谱仪,美国安捷伦公司;GCMS-GP2010型气相色谱-质谱联用仪,日本岛津公司。

1.3 实验方法

1.3.1 样品预处理和干制处理

初始含水率的测定:称取一定质量的青花椒,105 ℃烘干至恒重,称量质量并计算花椒的初始含水率,记为W0。

杀青预处理:参照杨兵等[11]的汽蒸预处理(pretreatment by steaming,PS)方法,将新鲜青花椒平铺在蒸盘中,利用100 ℃的蒸汽处理5 min,以钝化氧化酶活性。

不同干制处理:准确称取相同质量(250 g)的青花椒,置于托盘中,平铺展开,厚度约为1.5 cm。根据前期已有的研究基础和干燥工艺优化结果[9,11],设定干制参数。热干燥处理时,将仪器预热至所设参数,并先运行20 min。

1.3.1.1 SD和PSSD处理

将未处理和杀青处理后的青花椒分别置于托盘中,平铺展开,自然通风,干燥室的温度为(30±2) ℃,相对湿度为65%±5%。每隔4 h翻面一次,称量质量并计算湿基含水率。

1.3.1.2 HAD和PSHAD处理

设置温度为60 ℃,风速为0.5 m/s。将未处理和杀青处理后的青花椒分别置于托盘中,平铺展开,置于干燥机中,每隔2 h翻面一次,称量质量并计算湿基含水率。

1.3.1.3 HPD和PSHPD处理

设定温度为60 ℃,相对湿度为40%。将未处理和杀青处理后的青花椒分别置于托盘中,平铺展开,置于干燥机中,每隔2 h翻面一次,称量质量并计算湿基含水率。

1.3.1.4 MD和PSMD处理

设定微波功率为360 W,将未处理和杀青处理后的青花椒分别置于玻璃皿中,平铺展开,每次干燥持续1 min,间隔1 min,称量质量并计算湿基含水率。

1.3.1.5 FD和PSFD处理

设定冷阱温度低于-60 ℃,真空度小于1 000 Pa。将未处理和杀青处理后的青花椒分别置于托盘中,平铺展开,先置于-80 ℃冰箱预冻4 h,而后放入干燥机中,脱水48 h后取出,称量质量并计算湿基含水率。

青花椒的湿基含水率按式(1)[17]计算。

(1)

式(1)中:Wwt为湿基含水率,%;Mt为干燥时间为t时青花椒的质量,g;M0为花椒的初始质量,g;W0为初始含水率,%。

根据GB/T 30391《花椒》[18]和GH/T 1284《青花椒》[5]中一级干花椒湿基含水率低于9.5%的要求,参考实际生产中常常控制成品的水分含量略低于标准值的现状,以湿基含水率低于8.5%作为干燥终点。干燥完成后,对每种干制青花椒,随机选择其中的一部分,用于色泽分析和破壳率统计,其余样品去除种籽后粉碎,过40目筛,收集粉末,于-20 ℃冰箱中储存,备用。

1.3.2 干燥特性和方程模拟

青花椒的干基含水率按式(2)[17]计算。

(2)

式(2)中:Wdt为干基含水率,%;Mt为干燥时间为t时青花椒的质量,g;M0为花椒的初始质量,g;W0为初始含水率,%。

水分比按式(3)[19]计算。

水分比

(3)

式(3)中:We为平衡含水率,%;Wdt为干基含水率,%;W0为初始含水率,%。

干燥速率按式(4)[20]计算。

干燥速率

(4)

式(4)中:t1、t2为不同干燥时刻,min或h;Mt1和Mt2分别为t1、t2时刻的青花椒干基含水率,%。

利用已建立的经典干燥模型(Lewis、Henderson-Pabis、Logarithimc和Weibull模型)[12] 对干燥过程中青花椒的水分比进行模型方程拟合。

1.3.3 青花椒的品质指标检测

1.3.3.1 色泽和叶绿素含量检测

用黑白板校正色差仪,随机挑选30粒花椒,依次测定L*、a*和b*,并按式(5)[19]计算相对色差指标ΔE。

(5)

式(5)中,L*、a*和b*分别为干制青花椒的明亮度、红绿值和黄绿值;L0、a0和b0分别为市售一级青花椒的明亮度、红绿值和黄绿值。

参照前期研究方法[21]提取叶绿素。将150 mg样品与5 mL丙酮充分混匀,置于4 ℃冰箱中过夜;在6 000 r/min条件下离心10 min,用分光光度计分别测定上清液在663、647 nm处的吸光度,按式(6)和式(7)[21]计算叶绿素a和b的含量。

(6)

(7)

式(6)和式(7)中:wa、wb分别为叶绿素a和b的质量分数,μg/g;V为提取液的体积,mL;M为花椒样品的质量,g;A663为提取液在663 nm处的吸光度,A647为提取液在647 nm处的吸光度。

1.3.3.2 破壳率的测定

获得各种干制青花椒后,随机取出一部分,逐一观察300粒花椒,统计开口椒和闭口椒的数量,计算青花椒的破壳率[20]。

1.3.3.3 麻味物质含量的测定

称取100 mg青花椒粉,加入50 mL甲醇,充分混匀,50 ℃超声提取40 min,在6 000 r/min条件下离心10 min,收集上清液。向沉淀中加入30 mL甲醇,重复提取步骤;将所有上清液转入100 mL容量瓶中,定容,过0.22 μm滤膜后,备用[22]。

利用高效液相色谱仪测定麻味物质的含量。色谱柱为Agilent ZORBAX Eclipse XDB-C18柱(250 mm×4.6 mm×5 μm),流动相为乙腈(A相)和水(B相),按55∶45的比例等度洗脱;柱温为40 ℃,检测波长为254 nm,流速为0.8 mL/min,进样量为20 μL。基于前期建立的“一测多评法”[22],由羟基-α-山椒素含量计算花椒中的麻味物质含量。

1.3.3.4 挥发油含量和物质组成及其风味的分析

参照Shi等[19]的方法,用水蒸气回流法提取花椒中的挥发油,结果以mL/100 g计。参照黄山[6]的方法并稍加修改,采用气相色谱-质谱联用仪分析挥发油的组成成分。色谱条件:色谱柱为DB-5MS石英毛细柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm),以氦气作为载气,流量为1.0 mL/min,分流进样,分流比为1∶25。升温程序:起始温度为60 ℃,持续10 min,以2 ℃/min升温到 70 ℃,然后以10 ℃/min升至140 ℃,再以5 ℃/min升至170 ℃,保持1 min,最后以15 ℃/min升至230 ℃,持续4 min。质谱条件:进样口温度250 ℃,离子源温度250 ℃,电子能量为70 eV。此外,进样1 μL烷烃标准混合物(C7-C40),保留与标准谱库NIST17匹配相似度大于85的物质。对筛选到的各类化合物所有峰的面积进行归一化处理,去除相对含量小于0.1%的物质。根据香气成分的嗅觉阈值[23],按式(8)[24]计算相对气味活性值(relative odor activity value,ROAV)。

(8)

式(8)中:Ci为挥发性风味化合物i的相对含量,%;Cm为对样品总体风味贡献最大组分的相对含量,%;Ti为组分在空气中的气味阈值,mg/m3;Tm为对样品总体风味贡献最大组分的气味阈值,mg/m3。

1.3.3.5 总酚和总黄酮含量的测定

参照前期研究方法[21]提取青花椒中的酚类和黄酮类物质。称取0.5 g青花椒粉,加4.0 mL提取液,充分混匀,室温下超声提取30 min,而后在8 000 r/min条件下离心15 min,收集上清液,即得游离酚。向沉淀物中加入160 g/L的NaOH溶液10 mL,避光静置4 h,碱解完成后,再用500 mL/L的HCl调节其pH值至1～2,而后在8 000 r/m条件下离心15 min,收集上清液,即得结合酚。

采用基于没食子酸当量的福林酚法测定总酚含量,结果以mg/g表示;采用基于芦丁当量的AlCl3显色法测定总黄酮含量,结果以mg/g表示[21]。

1.3.4 主成分分析和偏最小二乘法判别分析

以不同样品的叶绿素、麻味物质、挥发油及其组分、总酚和总黄酮的含量,构建各个指标的数据矩阵,利用OmicShare云工具[25]进行主成分分析(principal component analysis,PCA)和偏最小二乘法判别分析(partial least squares discriminant analysis,PLS-DA)。

1.3.5 综合评价

采用熵权法[12]对不同干制青花椒进行综合评价,按式(9)计算综合得分。

综合得分=W1×X1+W2×X2+W3×X3+W4×X4+W5×X5+W6×X6+W7×X7。

(9)

式(9)中:X1为破壳率,X2为ΔE值,X3为叶绿素a和b的总含量,X4为挥发油含量,X5为麻味物质含量,X6为总酚含量,X7为总黄酮含量,其中,ΔE为负向指标。各个指标的权重按照代建武等[12]的方法确定。

1.4 数据处理

实验数据以平均值±标准差(X±SD)表示;用SPSS软件分析数据,用Duncan多重比较的方法分析差异显著性,以P<0.05表示差异显著;采用Origin软件和OmicShare云工具[25]绘图。

2 结果与分析

2.1 不同干制方式对九叶青花椒干燥特性的影响

2.1.1 不同干制方式对九叶青花椒水分比和干燥速率的影响

漂烫和PS是植物物料杀青处理最常用的两种方法[19,26-27],考虑到漂烫可能会引起很多水溶性成分的损失[19],本研究采用PS对青花椒进行杀青预处理。PSSD、SD、PSHAD、HAD、PSHPD、HPD、PSMD、MD、PSFD和FD所需干燥时间依次为:44、44、20、20、16、16、0.57、0.53、48、48 h。由此可见,PS不会对青花椒干燥时间产生较大影响,这和以前的研究存在一些不同[26-27]。如付琪其[27]报道,漂烫预处理可加快细胞内部水分的迁移和扩散,缩短干燥时间;Shi等[19]也发现,漂烫预处理能破坏八角的细胞,使得HAD、HPD和MD的干燥速率显著提高。这些不同的结果可能是由于物料和预处理方式等因素的差异造成的。

FD和PSFD只能称量干燥前后青花椒的质量,无法监测过程中相关参数的变化,因此没有进行经典模型方程拟合。除FD和PSFD外,不同干燥时间的青花椒水分比和干燥速率变化趋势见图1。HPD和HAD都属于对流干燥,利用热空气为干燥介质,采用强制对流循环的方式与物料进行湿热交换[28],因而HPD和HAD的干燥速率比SD更高[图1(c)],用时也更短[图1(a)]。MD、PSMD的用时最短,仅需约30 min即能完成整个干燥过程。在MD过程中,湿物料处于振荡周期极短的微波高频电场内,其内部的水分子会发生极化并沿着微波电场的方向整齐排列;当微波频率为2 450 MHz时,介质的分子产生的振动为24.5亿次/s,分子间剧烈碰撞和摩擦,使物料内部、外部几乎同时加热升温,形成体热源状态,推动内部水分迅速向表面迁移扩散,从而使物料快速脱水。不同于传统干燥方式,MD的热传导方向与水分扩散方向相同,大大缩短了常规加热中的热传导时间[19,28]。和HAD相比,MD可节省90%以上的干燥时间[19,28]。此外,从图1(b)可以看出,MD干燥初期,MD-青花椒的水分比较高;而在干燥中后期,MD-青花椒的水分比显著低于(P<0.05)PSMD-青花椒的[图1(b)],这可能是由于物料经PS后,少量水分附着于物料上,而干燥时间过短,无法完全干燥。

由图1(a)和图1(b)可见,尽管干燥方式不同,但随干燥时间延长,水分比均呈先急速下降后趋于平缓的趋势。由图1(c)和图1(d)的干燥速率曲线可知,干燥初期青花椒的含水量较高,表面大量游离水急剧向干燥室中扩散,并与内部形成一定的湿度梯度,此时水分比下降较快[28-29];同时,干燥室逐渐转向青花椒内部深处,与表面形成一定的温度梯度,在温度梯度和湿度梯度的共同作用下,干燥速率达到最大值。而MD存在间歇时间,且MD传热极快,导致初期的干燥速率较为波动[图1(d)]。随着干燥时间的延长,物料含水量不断下降,此时需脱去物料内部的结合水,湿度梯度和温度梯度也越来越小,导致水分迁移速度降低,干燥速率也随之逐渐降低;随着干燥持续进行,花椒颗粒内外层的热量和水分相互传递,逐渐达到表里均衡,干燥速率趋向于零,符合一般的干燥理论[30]。

2.1.2 基于经典模型的青花椒干燥特性曲线拟合

青花椒干燥的数学模型和相关参数见表1。从表1可以看出,Lewis和Henderson-Pabis两种模型的R2值较低,说明其模拟的相关性较差。而Logarithimc和Weibull两种模型,对所有的干燥方式,其R2值均接近数值1,说明这两种模型的拟合程度高,相关性强。在这两种模型中,k值越大表明干燥效率越低。Logarithimc模型显示,青花椒不同干燥处理组模型的k值从小到大依次为:MD、PSMD、PSHPD、HPD、PSHAD、HAD、PSSD和SD;Weibull模型建立的拟合方程,其k值从大到小依次为:PSSD、SD、PSHAD、HAD、HPD、PSHPD、PSMD和MD,进一步表明了MD的干燥速率比其他几种干燥方法快。

2.2 不同干制方式对九叶青花椒品质的影响

2.2.1 不同干制方式对九叶青花椒色泽和叶绿素含量的影响

新鲜青花椒含有丰富的叶绿素,呈现明亮的绿色或翠绿色。色泽是消费者衡量青花椒品质的重要指标,已成为影响消费者选购的首要因素。干燥过程中,褐变和色素降解是花椒色泽变化的主要原因,根据是否需要酶的参与,褐变又可分为酶促褐变与非酶促褐变。前者主要是酚类底物、氧气和多酚氧化酶三者的协同作用,即酚类物质先被氧化成醌类物质,后又经一系列氧化聚合反应生成褐色或黑色聚合物[28,31]。市售青花椒多为自然晒干,干制过程会导致叶绿素降解,发生褐变,成品呈褐色或绿褐色。不同干燥方式的青花椒外观形态、色泽参数值和叶绿素的含量见图2。由图2(a)可知,采用FD方式对青花椒在低温真空的环境下脱水,显著抑制了氧化酶的活性,有效减缓了叶绿素的降解[28,31],PSFD-青花椒和FD-青花椒较好地维持了新鲜青花椒的固有色泽,有效保留了叶绿素a和b[图2(c)],其a*呈现为负数,L*和b*较其他干燥方式均处于较高水平[图2(b)]。ΔE作为评价干制青花椒色泽变化的标准,其值越小,表示干制效果越接近一级青花椒。由图2(b)可知,PSFD-青花椒和FD-青花椒最接近新鲜青花椒的原有色泽,反映到ΔE数值上,其值反而最高,与市售一级青花椒在色泽上差异最大。

由图2(c)可知,在SD过程中,由于酶的作用,叶绿素持续降解,使得PSSD-青花椒和SD-青花椒的叶绿素a和b的含量处于较低水平,其L*、a*和b*均处于中等水平[图2(b)];而ΔE最小,显著低于(P<0.05)其他干燥方式的[图2(b)]。虽然PSMD-青花椒和MD-青花椒的干燥速率最快,但干燥后青花椒由翠绿色转变为黑褐色,且皱缩成一团,与其他干制青花椒形态迥异[图2(a)],其ΔE也处于较高水平[图2(b)]。这可能是因为在MD的急速脱水过程中,青花椒的温度上升过快,油胞破裂过多,引起糊化、焦化、变色及皱缩,使得色泽暗沉[21,31]。由于干燥时间较短,叶绿素分解相对较少,使得PSMD-青花椒和MD-青花椒具有较高的叶绿素a和b含量[图2(c)]。PSHAD-青花椒、PSHPD-青花椒和HPD-青花椒的色泽指标总体上都处于较高水平,且ΔE处于较低水平,说明它们的色泽与市售一级青花椒较为接近。同时,经PS的青花椒,其ΔE显著低于(P<0.05)直接干燥的(PSHPD、HPD两组除外);从图2(c)中也可以看出,经过PS的青花椒,无论采用何种干燥方式,其叶绿素a和b的含量都略高于或显著高于直接干燥组。这可能是由于PS时的高温能钝化多酚氧化酶和过氧化物酶等相关酶的活性,有效抑制了叶绿素的降解。

2.2.2 不同干制方式对九叶青花椒破壳率的影响

青花椒的果皮是主要食用对象,GB/T 30391《花椒》[18]明确规定,干花椒产品中的闭眼椒、椒籽含量不得高于8%。因此,干制青花椒的破壳率愈高,种籽的去除效率越高,可归为更高的等级,获得更好的经济效益。不同干制青花椒的破壳率见表2,由表2可知,PS对破壳率没有显著影响。3种热干燥方式制得的青花椒,其破壳率(约为90%)没有显著差异,但显著高于(P<0.05)PSSD-青花椒和SD-青花椒的破壳率。结合图1(c)和图1(d),热干燥方式具有更高的干燥速率,随着干燥速率的升高,青花椒表面水分的逸出加快,原本水分所占据的空间逐渐被空气填充,青花椒内外部的压力平衡被打破,形成收缩应力,果皮发生皱缩变形。此时,内部种籽阻碍果皮收缩而受到挤压,压缩应力使得果皮开裂,果皮持续收缩,裂口逐渐增大,致使种籽脱出[20]。SD-青花椒主要依靠阴凉的自然风实现干燥目的,水分蒸发缓慢,果皮无法快速收缩,因此破壳率较低;而对于FD来说,新鲜青花椒初期在低温下冻结,样品破壳受阻,致使其破壳率最低。

2.2.3 不同干制方式对九叶青花椒麻味物质含量的影响

花椒麻味物质是山椒素及其由烷基不饱和度差异或碳链氧化引起结构变化的酰胺类同系物,摄入后能刺激舌黏膜产生强烈的“针刺感”和“麻木感”[2]。不同干制青花椒的麻味物质含量见表2。由表2可知,PS-青花椒中的麻味物质含量与直接干燥组中的总体上没有明显差别。PSMD-青花椒和MD-青花椒中的麻味物质含量显著高于(P<0.05)其他几种干燥方式的。氧化和水解等一般是造成花椒中麻味物质损失的重要因素[26],而密闭、短时的干燥环境可减小物料与空气的接触面积和时间,有效避免了麻味物质降解反应的发生。因此,干燥速率高、高温时间极短的MD处理,物料与空气接触较少,麻味物质的损失也呈现较低水平。除MD外,麻味物质含量较高的是FD-青花椒和PSFD-青花椒,这可能是由于低温、高真空度(低氧)处理能够有效避免青花椒中麻味物质的降解和损失。值得注意的是,具有共轭三烯结构的麻味物质,其性质十分活泼,即使是低温、避光和隔绝氧气的条件下,麻味物质含量仍会呈稳定的下降趋势[32],这可能是用时极短的MD-青花椒和PSMD-青花椒中的麻味物质含量显著高于FD-青花椒和PSFD-青花椒的主要原因。

2.2.4 不同干制方式对九叶青花椒挥发油及其组分含量的影响

挥发油贮藏于青花椒的油腺中,主要由柠檬烯、月桂烯、水芹烯、蒎烯等单萜(C10)和榄香烯、石竹烯等倍半萜(C15)类化合物组成。不同干制青花椒的挥发油含量见表2。由表2可知,除FD外,直接干燥的青花椒挥发油含量显著高于(P<0.05)经PS的。高温会导致青花椒油胞破裂,存于其中的挥发油在PS过程中挥发逸散,损失增多。各种处理方式中,SD-青花椒、HPD-青花椒和MD-青花椒的挥发油含量没有显著差异,处于最高水平,显著高于(P<0.05)其他干制青花椒中的。在干燥过程中,挥发油的含量主要由温度、干制时间和真空度等因素决定。SD过程温度较低而干燥时间较长,HPD的特点是相对较高的温度和相对较短的干燥时间,MD则是急剧升温,达到高温和极短的干制时间,在各因素的综合影响下,这3种干燥方式下青花椒中的挥发油含量大致相等,没有显著差异。FD虽在低温下运行,但长时间、低真空度的环境使得挥发性成分很容易逸出,导致FD-青花椒和PSFD-青花椒中的挥发油含量处于最低水平。HAD的温度和HPD一致,但是干燥时间明显长于HPD,也容易造成易挥发性成分的损失。

利用气相色谱-质谱联用仪进一步明确了青花椒挥发油中的物质组成,共鉴定出了21种物质,包括4种醇类、2种醛类、1种酯类、10种单萜烯类和4种倍半萜类物质,见图3。不论是何种干燥处理方式,青花椒挥发油中的组分含量均以单萜烯类物质(61.80%～77.98%)为主,其次为醇类(13.11%～20.56%)和倍半萜类物质(7.03%～15.88%),醛类(0.38%～0.82%)和酯类物质(1.28%～2.45%)的占比较小。总的来说,不同干燥方式对青花椒挥发油的亚类成分总含量的影响较小[图3(a)],但对挥发油组分的相对含量具有显著影响(P<0.05)[图3(b)]。大多数挥发油组分在PS-青花椒中的含量都显著低于(P<0.05)直接干制的青花椒,可能是因为在PS过程中,水分扩散系数随着温度升高而加快,加速细胞间物质交换,高温下物料中的挥发油成分逐渐逸出[28,31]。FD-青花椒和PSFD-青花椒中的大多数香气成分都明显减少,处于较低水平。这可能是由于FD过程中较高的真空度和较长的干燥时间,大大增加了青花椒物料中易挥发成分的释放[26,28]。同时,单萜烯类物质在热干燥处理的青花椒挥发油中的相对含量显著低于(P<0.05)SD-青花椒和PSSD-青花椒的,与之相反,醇类、醛类、酯类和倍半萜烯类物质的相对含量在SD-青花椒和PSSD-青花椒挥发油中较高,而在热干燥处理的青花椒挥发油中较低。一般来说,HAD和HPD等对流干燥方式会显著降低物料的挥发油及其组分含量,因为大流量和长时间的空气对流,会引起挥发油组分逸出和发生氧化反应[28]。

PLS-DA是一种有监督的判别分析方法,能按照预先定义的分类最大化组间的差异,获得很好的分离效果,特别适合多变量的统计分析[33]。变量贡献度(variable important in projection,VIP)是PLS-DA模型变量的变量权重值,可衡量各代谢物的表达模式对各组样本分类判别的影响强度和解释能力,一般以VIP>1为标准,其值越高表示对变量的影响越大[31]。由不同干制青花椒挥发油组分的VIP值可知,VIP>1的组分依次是β-水芹烯(2.39)、芳樟醇(2.19)、D-柠檬烯(1.65)、α-可巴烯(1.31)和荜澄茄油烯(1.29),这5种物质可被认为是受干燥方式影响较大的挥发油组分。β-水芹烯和D-柠檬烯的相对含量在SD-青花椒和PSSD-青花椒挥发油中最高,芳樟醇、α-可巴烯和荜澄茄油烯的相对含量则分别在HPD-青花椒和PSHPD-青花椒、PSHAD-青花椒和PSHPD-青花椒挥发油中最高。

ROAV是一种相对量化的气味强度和贡献度的评估方法,ROAV≥1的挥发性化合物被认为是关键气味化合物,ROAV为0.1～1.0的挥发性化合物对样品总体风味具有重要修饰作用[23]。不同干制青花椒挥发油组分的ROAV见表3。芳樟醇、反-橙花叔醇和罗勒烯主要提供“花香”,α-松油醇和γ-松油烯是“萜烯香”的主要来源,乙酸芳樟酯、α-蒎烯和β-蒎烯呈现出“药草香”,月桂烯和β-石竹烯具有“辛香”,反-2-壬烯醛和D-柠檬烯则分别属于“脂香”和“柑橘香”。由ROAV可知,青花椒挥发油中对风味起关键作用的化合物分别是月桂烯(74.47～95.94)、反-2-壬烯醛(16.07～41.73)和D-柠檬烯(5.36～6.02),其中,月桂烯呈“醚味、树脂味、皂味、辛香”,ROAV在SD-青花椒和PSSD-青花椒挥发油中最高;反-2-壬烯醛具有“黄瓜味、脂肪味、纸味、陈味、油脂香”,对PSHAD-青花椒挥发油的香气贡献最为明显;D-柠檬烯呈“柑橘香、果香”,SD-青花椒和PSSD-青花椒挥发油中D-柠檬烯的ROAV显著高于(P<0.05)其他处理的。综合分析挥发油组分的VIP值和ROAV值,表明D-柠檬烯可能是引起不同干燥方式下青花椒挥发油香气差异的关键物质。

2.2.5 不同干制方式对九叶青花椒酚类物质含量的影响

酚类物质处于植物次生代谢网络的中心位置,本身可作为防御物质协助植物抵御各种生物和非生物胁迫,部分物质还参与了花椒独特色泽、风味及滋味的形成[21,34-36],兼之近年来大量的研究揭示其具有多重健康促进作用[34,37],花椒中的酚类物质也愈发受到关注和重视。酚类物质在植物体中主要以游离酚和结合酚的形式存在[37],目前有关花椒中酚类物质的报道基本集中在游离酚的提取、鉴定和活性分析方面[38-39],鲜有关于结合酚的研究。本研究中,鲜花椒的游离酚和结合酚的总酚质量比分别为17.32、30.44 mg/g,总黄酮质量比分别为102.56、48.72 mg/g。不同干制青花椒游离酚和结合酚的总酚和总黄酮含量如图4。从图4(a)可以看出,青花椒中结合酚的总酚含量显著高于(P<0.05)游离酚,这可能是酚类物质的存在形式和分布特点导致的,如水杨酸主要以游离酚的形式存于青花椒中,在结合酚中检测不到[6];Wang等[40]在与花椒同属于芸香科的锦橙果皮中也发现了类似的现象,很多酚酸在结合酚中大量分布,而在游离酚中则仅有少量存在甚至检测不出。不论是游离酚还是结合酚,不同干制青花椒中的总酚含量存在显著差异(P<0.05),且结合酚质量比(18.33～24.83 mg/g)的差异程度总体上高于游离酚(11.46～12.59 mg/g)。游离酚的总黄酮质量比(40.28～92.83 mg/g)都显著高于(P<0.05)结合酚的总黄酮质量比(20.46～40.30 mg/g)[图4(b)]。很多黄酮物质如山柰酚、槲皮素和异鼠李素等,只以游离酚的形式存在,在结合酚中根本检测不到;而一些黄酮类的糖苷,如番石榴苷、金丝桃苷、槲皮苷和异槲皮苷等,可在结合酚中检出,但其含量远远低于其在游离酚中的[6]。总的来说,PS对总酚含量的影响较小,但对总黄酮含量具有显著影响(P<0.05),经PS的青花椒,其总黄酮含量都显著高于(P<0.05)不作处理的。

干燥方式也显著影响酚类物质在干制青花椒中的组成及其含量,FD-青花椒和PSFD-青花椒总体上呈现出最高水平的总酚含量,这可能与FD过程的低温和高真空条件密不可分,在此条件下,酚类底物被氧化和消耗的酶促褐变反应受到强烈抑制[28, 31]。PSHPD-青花椒也呈现出了较高水平的总酚(31.81 mg/g)和总黄酮含量(93.32 mg/g),而较低水平的总酚和总黄酮含量则在SD-青花椒、PSSD-青花椒和HAD-青花椒中观察到。热干燥过程中的热效应可以破坏细胞结构,从而使结合态的酚类和黄酮类物质被释放出来[28,41]。因此,热干燥过程对青花椒中游离酚的影响可能至少包括两个方面:物料本身的游离酚由于动态的生化反应而不断被破坏和消耗;同时,结合酚从植物组织的生物大分子中被释放出来,成为更容易提取的游离酚[41]。这可能是一些干制青花椒结合酚含量较低而游离酚含量较高的原因之一。

2.3 PCA和PLS-DA

构建青花椒品质指标的数据矩阵,对不同干制青花椒进行PCA和PLS-DA,结果见图5。由图5(a)可知,PC1的贡献率为49.2%,PC2的贡献率为28.2%,两者之和为77.4%,说明PC1和PC2能反映样品中的大部分信息。根据PCA的载荷数值,PC1主要与叶绿素a、b和游离酚-总黄酮的含量呈正相关关系,与破壳率和挥发油含量呈负相关关系;而PC2则主要受结合酚-总黄酮、麻味物质含量和结合酚-总酚含量的影响。在图5(a)中,距离越近的样本,其相似度越高。代表同一处理的3个点彼此靠近甚至重合在一起,说明实验数据重复性较好。同一干燥方式下,PS和直接干燥的样品散点彼此靠近,而不同干燥方式制得的青花椒相距较远,说明干燥方式对青花椒品质的影响远远高于PS。代表PSSD-青花椒、SD-青花椒、PSHAD-青花椒、PSHPD-青花椒、HPD-青花椒的散点相距较近,其置信椭圆多有重叠,说明这些干制青花椒的品质较为接近;而代表其他干制青花椒的点分散在图上,彼此相距较远,说明这些干制青花椒之间的差别较大。

基于VIP>1的标准,由图5(b)可知,VIP>1的变量依次是麻味物质含量(1.42)、游离酚-总黄酮含量(1.38)、破壳率(1.32)和叶绿素a含量(1.19),说明这4个指标对不同干制青花椒之间的品质差异贡献较大。而这4个指标数值的最高值分别在MD-青花椒、PSFD-青花椒、HPD-青花椒和PSFD-青花椒中观察到,最低值则出现在HAD-青花椒、HAD-青花椒、PSFD-青花椒和HAD-青花椒中。

2.4 综合评价

熵权法是根据各指标的变异程度,利用信息熵计算出各指标熵权的一种客观赋权方法。利用熵权法,对各个品质指标的平均值进行标准化处理,获得X1、X2、X3、X4、X5、X6和X7的权重依次为0.703 4、-0.532 9、0.241 4、0.075 82、0.236 5、0.016 22和0.259 6,即综合得分可表示为:

综合得分=0.703 4X1-0.532 9X2+0.241 4X3+0.075 82X4+0.236 5X5+0.016 22X6+0.259 6X7。

由此计算出不同干制青花椒的综合得分见图6。 由图6可知,综合得分由高到低依次是:PSFD-青花椒(221.79)、FD-青花椒(215.58)、PSHPD-青花椒(215.47)、HPD-青花椒(210.98)、PSMD-青花椒(204.82)、MD-青花椒(201.13)、其他-青花椒(<195.00)。 一般来说,FD能最大程度地保留物料固有的形状、色泽、物性、营养和风味成分及活性物质,本研究中,PSFD-青花椒和FD-青花椒的综合得分也最高;但FD会导致极低的破壳率,不利于后续种籽的去除。此外,FD运行时间长,所需能耗大,兼之物料需要冻结预处理,使得FD的成本是常规干燥方式的4～6倍。因此,FD主要还是用于高附加值的精深加工产品和对热、氧敏感的农产品,如速溶咖啡、即食果蔬和中药材等,在大规模工业化生产中还面临诸多困难[35]。考虑到成本和实际适用性,热干燥方式依然是未来很长一段时间里干燥大宗物料的主流手段。此外,PS需要额外的锅炉、燃料和繁重的操作,人工/机械成本和能耗较高。从这些角度来看,就食用消费的综合品质而言,HPD处理的综合得分最高,是较为适合的青花椒干燥方法;主要用途为制备花椒油或花椒油树脂的,挥发油损失较少的SD和MD是理想首选;着重关注“麻感”和用于萃取麻味物质的,则可优先考虑MD。

3 结 论

PS能有效抑制新鲜青花椒中叶绿素的降解,但会显著降低(P<0.05)其挥发油的含量;FD能最大限度地保留新鲜青花椒原有的色泽、叶绿素、麻味物质和酚类物质含量,但会导致极低的破壳率和挥发油含量;MD干燥时间短,MD-青花椒的麻味物质、挥发油和酚类物质含量均处于较高水平,但MD-青花椒皱缩成团,色泽暗沉,感官上与市售一级干制青花椒相差甚大;除SD-青花椒能保留较多的挥发油外,PSSD-青花椒和 SD-青花椒、PSHAD-青花椒和HAD-青花椒在维持色泽、保留营养和活性成分方面效果较差;PSHPD-青花椒和HPD-青花椒呈绿褐色,与市售一级青花椒较为接近,且能保持较高水平的色泽、呈色、呈味、呈香成分和活性物质。干燥方式对青花椒的品质具有显著影响(P<0.05),破壳率和D-柠檬烯、麻味物质、游离酚-总黄酮及叶绿素a的含量是影响不同干制青花椒品质差异的主要因素。本研究表明,PSFD-青花椒、FD-青花椒、PSHPD-青花椒、HPD-青花椒、PSMD-青花椒、MD-青花椒的综合得分较高,实际应用中,可根据干制成本和产品用途,选择适宜的干燥方法。

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Effect of Drying Methods on Drying Characteristics and Quality of Zanthoxylum schinifolium Sieb. et Zucc.

RAO Shengqi1, XU Fuhui1, FU Qingqing1, MEI Xiaofei2, LIU Meiqin3, YANG Zhenquan1, WANG Zhirong1,*

(1.School of Food Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China; 2.Chongqing Vocational Institute of Engineering, Chongqing 402260, China; 3.Yangzhou Hospital of Traditional Chinese Medicine, Yangzhou 225127, China)

Abstract：Drying is one of the important post-harvest processing steps of Zanthoxylum bungeanum, which has great influences on the quality of Zanthoxylum bungeanum. The effects of shade drying (SD), hot air drying (HAD), hot pump drying (HPD), microwave drying (MD), freeze drying (FD), and pretreatment by steaming (PS) combined with five drying methods on the drying characteristics and quality of Zanthoxylum schinifolium Sieb. et Zucc. (ZSSZ) were evaluated. The results showed that the Logarithimc and Weibull models fit well the variation of moisture ratio of ZSSZ with time under different drying conditions. PS significantly inhibited the degradation of chlorophylls, but significantly decreased the content of volatile oil. FD and PSFD effectively preserved the chlorophylls, alkylamides, total phenols and total flavonoids in ZSSZ, however, it resulted in relatively low coat dehiscing rate and volatile oil content. MD and PSMD depicted the highest drying rate, which only took about 30 min to complete the drying process, retaining the relatively higher level of alkylamides. However, the color and morphology of MD- and PSMD-ZSSZ were not attractive. Similarly, the color and phytochemical components of SD- and HAD-ZSSZ were generally frustrating. In contrast, the color of PSHPD-ZSSZ was similar to the color of first-class ZSSZ in the market, and it also contained high concentrations of volatile oil (4.0 mL/100 g), alkylamides (60.21 mg/g), total phenols (31.81 mg/g), and total flavonoids (93.32 mg/g). Drying methods significantly influenced the quality of ZSSZ. The coat dehiscing rate, and the contents of D-limonene, alkylamides, total flavonoids, and chlorophyll a were the main factors for the quality difference of dried ZSSZ. The top six composite scores for dried ZSSZ were PSFD, FD, PSHPD, HPD, PSMD and MD. Therefore, suitable drying methods for ZSSZ could be selected according to drying cost and product use.

Keywords：Zanthoxylum schinifolium Sieb. et Zucc.; drying method; pretreatment by steaming;drying characteristics; quality

中图分类号：TS255.3

文献标志码：A

doi：10.12301/spxb202400017

文章编号：2095-6002(2025)01-0156-15

引用格式：饶胜其,徐富慧,伏晴晴,等.干制方式对九叶青花椒干燥特性和品质的影响[J]. 食品科学技术学报,2025,43(1):156-170.

RAO Shengqi,XU Fuhui,FU Qingqing, et al. Effect of drying methods on drying characteristics and quality of Zanthoxylum schinifolium Sieb. et Zucc.[J]. Journal of Food Science and Technology, 2025,43(1):156-170.

收稿日期：2024-01-08

基金项目：中国博士后科学基金面上项目(2024M752713);重庆工程职业技术学院科研项目(2022KJB02);“十三五”国家重点研发计划项目(2018YFD0400303)。

Foundation：General Project of China Postdoctoral Science Foundation (2024M752713); Research Project of Chongqing Vocational Institute of Engineering (2022KJB02); 13th Five Year National Key R&D Program Project (2018YFD0400303).

第一作者：饶胜其,男,副教授,博士,主要从事食品生物技术与功能食品开发方面的研究。

*通信作者：王智荣,男,讲师,博士,主要从事食品化学与营养学方面的研究。

(责任编辑：叶红波)