熱風干制對青花椒品質的影響及工藝優化

楊兵，梅曉飛，彭林，陳厚榮，闞建全*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(農業部農產品貯藏保鮮質量安全風險評估實驗室(重慶)，重慶，400715)

青花椒屬蕓香科花椒屬的一種香辛料和油料作物，是我國傳統的“八大調料”之一，因表皮呈青綠色而得名“青花椒”[1-2]。青花椒除作為調味料，其花椒精油、調味油、乳化油以及油樹脂的微膠囊制劑等青花椒精深加工產品的應用也越來越廣泛[3]。青花椒麻味濃郁、香氣濃郁，相比紅花椒更受廣大消費者喜愛[4]。青花椒富含揮發油和酰胺類物質，是其主要麻味物質，同時青花椒還含有豐富的生物堿、香豆素、脂肪酸以及黃酮等[5-7]。青花椒也是一種藥用經濟作物，具有殺蟲止痛止癢、溫中等功效[8-10]，現已收錄于《中華人民共和國藥典》[11]。

青花椒含有豐富的葉綠素，色澤是青花椒及其產品的最重要品質之一[12]。目前，在青花椒干制方面還存在以下問題，主要是青花椒中葉綠素穩定性差，易降解，所以青花椒在干制期間，極易受外界環境因素影響，其葉綠素極易發生氧化降解而變色和退綠，干制后產品發褐，且青花椒干制后品質不穩定，導致其經濟價值降低[13]。在工業干制條件下只能依靠工人的生產經驗對熱風干制設備的干制溫度、干制風速以及物料厚度等參數進行初步控制，這就極大影響了青花椒干制產品的品質穩定性。因此，增加鮮青花椒前處理步驟，并進一步研究干制工藝，找出優化工藝參數組合，為實際生產中的青花椒干燥工藝條件提供參考依據，保持青花椒產品品質穩定性，減小營養成分損失，對提高青花椒產品品質具有重要意義。

現階段，工業中常采用熱風干制技術，熱風干制設備具有設備成熟、操作簡單、成本低、產量大、不受氣候條件影響等優點，是目前應用最廣泛的干制方法[14-16]。同時工業中也有采用微波干制技術[17]、熱泵干制技術[18]、遠紅外干制技術[19]等，但是鮮有護色前處理工藝[20-21]。基于此，本試驗以重慶市江津九葉青花椒為試驗原料，青花椒干制前采用汽蒸處理，并結合熱風干制技術，以青花椒感官評分、色差ΔE、揮發油含量和麻味物質含量為評價指標，優化熱風干制工藝參數，以期解決青花椒在干制過程中的顏色及其他品質變化，為青花椒護色以及干制研究提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮九葉青花椒，重慶市江津區凱揚農業發展有限公司；甲醇(分析純)，成都市科龍化學品有限公司；麻味物質標準樣品，實驗室自制。

1.2 儀器與設備

FA2004分析天平，上海舜宇恒平科學儀器有限公司；YGKRK熱風干燥機，東莞市永淦節能科技有限公司；Agilent 1260高效液相色譜儀，安捷倫科技有限公司；Scan Ultra PRO色差儀，上海信聯創體電子有限公司；Centrifuge 5810離心機，艾本德(上海)國際貿易有限公司進口。

1.3 方法

1.3.1 樣品預處理

去除霉爛和病蟲害的鮮九葉青花椒，進行汽蒸處理，設定汽蒸溫度100 ℃，汽蒸時間5 min，汽蒸結束迅速冷卻，用于熱風干制試驗。

稱取一定質量汽蒸處理青花椒，然后裝盤。熱風設備先預熱到設定參數，然后放入青花椒進行干制，干制時間以含水率≤11%為止。干制產品4 ℃密封保存備用，用于感官評分以及測定色差ΔE、揮發油含量、麻味物質含量等指標。

1.3.2 青花椒感官評分

參考GB/T 30391—2013 花椒中花椒質量等級劃分標準[22]以及周秀梅[23]制定的花椒質量評分標準，采用綜合加權評分法計分，擬訂了青花椒品質評分方法(見表1)，對青花椒品質進行量化，對不同品質的花椒進行評分，評分越高青花椒品質越好。

表1 花椒質量評分標準Table 1 Quality grading standard of Zanthoxylumschinifolium

1.3.3 青花椒色差的測定

參考方法[24]進行色差的測定。以ΔE表示總色差。

(1)

式中：ΔL*=L*(樣品)-L*(標準)；Δa*=a*(樣品)-a*(標準)；Δb*=b*(樣品)-b*(標準)。

1.3.4 青花椒揮發油含量的測定

參考GB/T 17527—2009 胡椒精油含量的測定[25]。

1.3.5 青花椒麻味物質含量的測定

參考DB50/T 321—2009花椒麻味物質檢測方法高效液相色譜法[26]。

精確稱取1.000 0 g粉碎花椒于100 mL離心管中，加入甲醇50 mL并封口，超聲提取麻味物質(50 ℃，300 W，40 min)，離心(4 000 r/min，10 min)，上清液置于100 mL容量瓶，重復提取2次，甲醇定容，4 ℃冰箱保存備用。過0.45 μm孔徑濾膜，進HPLC檢測。

色譜參考條件：色譜柱：Agilent ZORBAX Eclipse XDB C-18；流動相，水-甲醇，梯度洗脫條件見表2；柱溫：40 ℃；進樣量，20 μL；流速，0.8 mL/min；檢測波長，254 nm。

表2 液相色譜梯度洗脫條件Table 2 Liquid chromatography gradient elution conditions

以本課題組制備的花椒麻味物質標準品為標樣，用甲醇溶解后配制一系列不同濃度的標準品分析液。采用上述條件進行分析測定。花椒麻味物質在高效液相色譜中主要有3個峰，保留時間在14～16 min，如圖1所示。

圖1 花椒麻味物質標準品HPLC色譜圖Fig.1 High performance liquid chromatogram of numb taste standard of Zanthoxylum schinifolium

以峰面積之和(Y)與對應花椒麻味物質標準品的濃度(X)進行線性回歸，得回歸方程為Y=26.392X-13.009(R2=0.999 9)。結果表明，花椒麻味物質濃度在一定范圍時，線性關系良好。

1.3.6 熱風干燥單因素試驗

稱取一定質量青花椒進行熱風干燥，分別研究不同溫度(55、60、65、70、75 ℃)、不同鋪放量(450、500、550、600、650 g)和風速(0.4、0.5、0.6、0.7 m/s)對青花椒感官評分以及色差ΔE、揮發油含量和麻味物質含量等品質的影響。

1.3.7 Box-Benhnken試驗設計

根據單因素試驗的結果，采用Box-Benhnken的中心組合實驗設計原理，以干制溫度、鋪放量、風速為響應變量，以感官評分、色差ΔE、揮發油含量、麻味物質含量為響應值進行響應面優化。Box-Benhnken試驗因素水平表見表3。

表3 Box-Benhnken試驗因素與水平表Table 3 Box-Benhnken response surface test factorlevel table

1.4 數據統計與分析

2 結果與分析

2.1 汽蒸處理對干制青花椒品質的影響

青花椒含有豐富的葉綠素，研究表明，葉綠素降解主要原因是植物多酚氧化酶引起的酶促氧化，其催化多酚物質氧化成醌，醌進一步氧化聚合，形成黑色素，導致顏色劣變[27]。因此采用高溫滅酶處理青花椒，使多酚氧化酶失活，減少青花椒干制過程中的顏色劣變。

表4顯示的汽蒸處理組對青花椒品質的影響。由表可知，汽蒸處理組的感官評分高于未處理組，且差異顯著(p<0.05)；汽蒸處理組的色差ΔE低于未處理組，且差異顯著(p<0.05)，說明汽蒸處理通過滅酶以降低青花椒葉綠素的降解，提高青花椒綠色色值。通過對比汽蒸處理組和未汽蒸處理組的揮發油含量和麻味物質含量可知，汽蒸處理組揮發油含量低于未處理組，且差異顯著(p<0.05)，麻味物質含量之間無顯著性差異(p>0.05)。原因為汽蒸高溫處理導致青花椒中的揮發油揮發，從而導致汽蒸處理組揮發油含量較低。綜合比較汽蒸處理對青花椒感官評分以及色差ΔE、麻味物質和揮發油3個主要品質的影響，可以得出，汽蒸處理有利于青花椒色值的保持，對麻味物質無顯著影響，故汽蒸處理適用于青花椒的護色。

表4 汽蒸處理對干制青花椒品質的影響Table 4 Effect of steam treatment on the quality of Zanthoxylum schinifolium

2.2 單因素試驗結果與分析

2.2.1 溫度對熱風干制青花椒感官評分以及品質的影響

不同熱風干制溫度對青花椒感官評分以及品質的影響如圖2所示。青花椒的感官評分隨著干制溫度的升高呈先增加后減小的趨勢，干制溫度為65 ℃時，青花椒顏色偏綠，當溫度達到75 ℃時，青花椒顏色出現褐色變化；青花椒的色差ΔE隨著干制溫度的升高呈先降低后升高的趨勢，原因為干制溫度低，則干制時間延長，導致葉綠素的損失，隨著干制溫度升高至65 ℃時，高溫對青花椒中葉綠素破壞力加大，損失較多，色差ΔE增大。同時，青花椒感官評分與色差ΔE的變化呈現相互呼應。麻味物質含量和揮發油含量隨著干制溫度的升高均呈現先升高后降低的趨勢，主要原因為55 ℃低溫干制時間為9 h，65 ℃干制時間為6.5 h，所以55 ℃低溫干制導致揮發油含量損失較多，當溫度達到75 ℃時，高溫會加快揮發油的揮發，進而導致其含量降低。青花椒感官評分在溫度為60～65 ℃時達到最大，色差ΔE在溫度65 ℃時達到最小，揮發油含量在溫度65 ℃時達到最大，麻味物質含量在70 ℃達到最大，綜合評價得出熱風溫度為65 ℃時，青花椒品質最高。

圖2 溫度對熱風干制青花椒感官評分以及品質的影響Fig.2 Effect of temperature on quality and the sensory evaluation of Zanthoxylum schinifolium

2.1.2 鋪放量對熱風干制青花椒感官評分以及品質的影響

鋪放量對干制青花椒感官評分以及品質的影響如圖3所示。如圖3所示，青花椒的感官評分隨著鋪放量的增加呈現先升高后降低的趨勢，當鋪放量達到650 g時，青花椒顏色出現褐色變化，導致評分較低。原因是青花椒鋪放量較大，致使鋪放厚度變大，最終導致干制不均勻出現顏色劣變；青花椒的色差ΔE隨著鋪放量的升高呈先降低后升高的趨勢，且青花椒感官評分與色差ΔE的變化呈現相互呼應。青花椒揮發油含量隨著鋪放量的增加呈升高的趨勢，原因是青花椒鋪放量增加，厚度增加，減緩揮發油的揮發量，使青花椒干制后揮發油含量較高。青花椒麻味物質隨著鋪放量的增加呈先降低后趨于平穩的趨勢，但無顯著性差異(p>0.5)。感官評分和揮發油含量均在鋪放量600 g時達到最大，色差ΔE在鋪放量500 g時達到最小值，麻味物質在450～500 g時含量最大。綜合評價得出鋪放量為550 g時，青花椒品質最高。

圖3 鋪放量對熱風干制青花椒感官評分以及品質的影響Fig.3 Effect of weight on quality and the sensory evaluation of Zanthoxylum schinifolium

2.1.3 風速對熱風干制青花椒感官評分以及品質的影響

不同熱風風速對熱風干制青花椒感官評分以及品質的影響見圖4。由圖4可知，青花椒感官評分隨著熱風風速的升高呈下降的趨勢，青花椒色差ΔE隨熱風風速的增加呈先降低后升高的趨勢，青花椒麻味物質含量隨熱風的增加總體呈升高的趨勢。青花椒揮發油含量隨熱風風速的增加呈先升高后降低的趨勢，原因是熱風風速增加，促使青花椒揮發油揮發量增加，含量降低。綜合青花椒感官評分和品質的變化，確定熱風風速0.5 m/s為熱風干制最佳風速。

圖4 風速對熱風干制青花椒感官評分以及品質的影響Fig.4 Effect of weight on quality and the sensory evaluation of Zanthoxylum schinifolium

2.3 響應面試驗結果與分析

采用Box-Behnken設計試驗，以干制溫度、鋪放量、相對濕度為響應變量，以單位能耗、色差ΔE、揮發油含量、麻味物質含量為響應值進行響應面優化。試驗結果以及回歸模型方差分析見表4和表5。

利用Design-Expert軟件對實驗數據進行二次多項回歸擬合，得到感官評分的回歸方程：Y1=8.48-0.058A-0.017B-0.032C+0.011AB-0.035AC+0.089BC-0.18A2-0.067B2-0.038C2；色差ΔE的回歸方程：Y2=8.80+0.32A+0.063B+0.83C-0.67AB-0.00425AC-0.009 5BC+1.46A2+0.41B2+0.64C2；揮發油的回歸方程：Y3=5.37+0.21A-0.20B-0.012C-0.11AB+0.13AC-0.14BC-0.82A2-0.44B2-0.57C2；麻味物質的回歸方程：Y4=2.79-0.15A+0.062B-0.078C+0.31AB-0.39AC-0.070BC-063A2-0.18B2-0.18C2。

表5 響應面試驗方案及結果Table 5 Response surface test plan and results

表6 回歸模型方差分析Table 6 Analysis of variance for the regression model

從各因素影響程度分析，各因素F值可以反映出各因素對試驗指標的重要性，F值越大表明對試驗指標影響越大，結合表6得出各因素對感官評分的影響大小順序為：熱風溫度>風速>鋪放量；各因素對色差ΔE值的影響大小順序為：風速>鋪放量>熱風溫度；各因素對揮發油含量的影響大小順序為：鋪放量>熱風溫度>風速；各因素對麻味物質含量的影響大小順序為：熱風溫度>風速>鋪放量。

感官評分和色差ΔE的響應面見圖5，由圖5可以看出，感官評分響應值隨著熱風溫度和風速的變化幅度較大，而鋪放量對感官評分響應值的影響較小，鋪放量和風速兩兩之間的交互作用顯著，熱風溫度和鋪放量、熱風溫度和風速的兩兩交互作用不顯著。色差ΔE響應值隨各因素的變化幅度較大，熱風溫度和鋪放量、熱風溫度和風速的兩兩交互作用不顯著，熱風溫度和風速之間相互作用顯著。

揮發油含量和麻味物質含量的響應面見圖6，由圖6可以看出，揮發油響應值隨各因素的變化幅度較大，熱風溫度和鋪放量、熱風溫度和風速的兩兩交互作用不顯著，鋪放量和風速兩兩交互作用顯著。麻味物質響應值隨著熱風溫度的變化幅度較大，而鋪放量和風速對麻味物質含量響應值的影響較小，熱風溫度和鋪放量、熱風溫度和風速的兩兩相互交互作用顯著，鋪放量和風速兩兩相互作用不顯著。

a-c：感官評分響應值；d-f：色差ΔE響應值圖5 各因素交互作用對感官評分和色差ΔE的影響Fig.5 Effects of interaction between two factors on viscosity of chromatism ΔE and sensory evaluation

2.4 回歸模型的驗證

利用Design-Expert軟件，通過對回歸方程求解，得到色差ΔE最小值為8.52，感官評分、揮發油含量和麻味物質含量最大值分別為8.49、5.37 mL/100g和2.78 g/100g，此時的工藝條件為熱風溫度64.80 ℃、鋪放量為540.85 g、風速為0.48 m/s。為進一步驗證回歸方程的準確性和有效性，選擇在最佳熱風溫度64.80 ℃、鋪放量為540.00 g、風速為0.48 m/s條件下熱風干制青花椒，并進行相關指標測定，測定結果感官評分8.50、色差ΔE8.65、揮發油含量5.44 mL/100g、麻味物質含量為2.81 g/100g；驗證結果與優化結果之間的誤差分別為感官評分0.10%、色差1.52%、揮發油含量1.30%、麻味物質含量1.08%，與模型預測值相近，可見回歸模型能很好地預測熱風干制青花椒品質以及單位能耗，優化結果可靠。

3 結論

青花椒經汽蒸處理后的品質優于未經汽蒸處理組。采用單因素試驗及響應面分析法對熱風干制青花椒的工藝條件進行優化，并建立擬合度良好的數學模型；其最佳優化工藝條件為：干制溫度64.80 ℃、鋪放量為540.00 g、風速0.48 m/s。在此工藝條件下干制青花椒，其感官評分8.50、色差ΔE8.65、揮發油含量5.44 mL/100g、麻味物質含量為2.81 g/100g，驗證結果與優化結果之間的誤差均小于1.60%，與預測值相近，模型預測效果良好。且優化后的干制青花椒的色差ΔE以及麻味物質含量較優化前有所提高。本研究將對降低青花椒干制后葉綠素降解以及降低干制過程中品質的變化等方面提供參考依據。此外，關于綠色植物產品護色方面，如何選擇天然優良的護色劑，以及改善綠色植物產品的干制先進技術仍需進一步深入探索，以降低傳統干制的污染耗能以及產品品質不佳的情況，提高青花椒產品的經濟價值。