香莢蘭生香加工工藝優化

楊敏

（云南農業大學香料研究所，云南 昆明 650201）

香莢蘭，又名香子蘭，系蘭科香莢蘭屬多年生草本植物，廣泛分布于熱帶和亞熱帶地區，它是蘭科植物中具有實用價值的一種名貴天然香料，由于具有一種沁人心脾的獨特香氣，被廣泛用于各種食品的加香，素有“食品香料之王”的美譽[1]。我國自1960年開始引種，現在主要種植于我國的海南、云南一帶。人工栽培的品種主要有3種：墨西哥香莢蘭（Vanilla planifolia Andrews）、塔希提香莢蘭（Vanilla tahitensis J.W.Moor）、大花香莢蘭（Vanilla pompona Schiede），其中以墨西哥香莢蘭的栽培面積最大。綠色的香莢蘭鮮豆莢經發酵生香等工藝后，形成和諧、優雅的特有芳香氣味[2]，可生成250多種芳香成分，形成的獨特香味是人工合成香料無法比擬的[3]。香莢蘭的傳統生香方法是通過殺青、干燥、陳化等一系列處理過程讓莢果的內源酶得以活化并釋放出來，在一定的條件下由其自身的內源酶和外界微生物的共同作用，釋放香氣成分。Leong等[4]利用色譜和光譜技術從青豆莢中成功地分離和鑒定了香蘭素葡糖苷，這些前體物在加工過程中經植物體內酶的作用和一系列的非酶轉化后，分解形成具有揮發性的香氣成分，賦予豆莢令人愉快的香氣，完成生香過程。研究結果表明，香莢蘭中揮發性成分有49種，主要揮發性成分是香蘭素。殺青和發酵處理、酶促反應在香蘭素的形成過程中有著重要的作用[5]。香莢蘭產地不同，其微量成分和香氣也不完全一樣，大致可分為波旁型、墨西哥型和塔希提型3種香氣類型[6-7]。經發酵生香后的香莢蘭被廣泛應用于食品、化妝品及醫藥等領域。香蘭素是香莢蘭中最重要的風味物質，在輕工業、化學工業、農業生產上都有廣泛的應用，Dignum等[8]報道香蘭素、愈創木酚等對香莢蘭整體香氣均有重要影響，香蘭素通常作為食品香料、天然醫藥和藥物中間體，具有抗菌的功效[9-10]。鄰甲氧基苯酚又名愈創木酚，是一種重要的酚類香料，可用來合成香草醛[11]。在醫藥上，香莢蘭可作為芳香型神經系統興奮劑，有強心、補腦、健胃、驅風作用，可治療虛熱、胃病、風濕熱、抑郁等病癥，具有抗癌、抗輻射、抗誘變、抗驚厥等功效[12-14]。香莢蘭提取物中多種揮發性成分均具有特殊的生物活性，如抗氧化、抗衰老等，因此可應用于化妝品行業中調配高檔香水，楊慶明等[15]證明香莢蘭可作為抗氧化劑應用到多種護膚品中。本研究對云南省西雙版納地區種植的香莢蘭進行了傳統生香加工及酶促生香的研究，外加β-葡萄糖苷酶處理青莢促進香蘭素糖苷等化合物的分解，加速生香過程，縮短生香周期，探討酶促生香用于生產中的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

云南香莢蘭豆莢（墨西哥香莢蘭）：云南農業大學香料研究所種植與保藏；β-葡萄糖苷酶（酶活力5.5U/mg）、香蘭素、香蘭酸、對羥基苯甲醛、對羥基苯甲酸標準品（純度＞95%）：美國sigma公司；甲醇、乙醇、冰醋酸（均為分析純）：阿拉丁公司。

1.2 儀器與設備

Waters510高效液相色譜儀（510泵、millennium2010化學工作站）、色譜柱 Nova-PakC8（3.9 mm×150 mm×4 μm）、996二極管陣列紫外檢測器：美國Waters公司；GZX-9070MBZ電熱恒溫鼓風干燥箱：上海博迅實業有限公司醫療設備廠；JA5003N電子分析天平：上海箐海儀器有限公司；CQ250超聲波清洗儀：上海超聲波儀器廠；8002型數顯恒溫水浴鍋：北京永光明醫療儀器廠；79-1型磁力加熱攪拌器：常州國華電器有限公司；RE-2000E旋轉蒸發儀：西安禾普生物科技有限公司；TG16MW離心機：湖南赫西儀器裝備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 香莢蘭生香加工的工藝

選取長度為18 cm～20 cm的香莢蘭，經熱水殺青處理后擦干水，趁熱用毛毯包裹殺青后的香莢蘭進行保溫保濕發酵處理發汗，經β-葡萄糖苷酶處理后在30℃～70℃、相對濕度（60±10）%和適當的時間條件下將香莢蘭放于恒溫發酵箱中直接進行發酵，然后上架陰干，陳化5個月后進行評香及檢測。

傳統工藝流程：香莢蘭→殺青→發酵→陳化→干燥→成品莢。

優化工藝流程：香莢蘭→殺青→酶活化→發酵→陳化→干燥→成品莢。

1.3.2 香莢蘭生香加工的單因素試驗

1.3.2.1 殺青溫度及時間的確定

熱水殺青處理以抑制或減弱豆莢組織的生命活力，使豆莢退綠產生褐變，但不影響豆莢內的酶活性。分別在 60、65、70、75、80 ℃進行殺青，以香蘭素含量為指標，篩選最佳的殺青溫度；分別殺青 30、45、60、75、90 s，以香蘭素含量為指標，篩選最佳的殺青時間。

1.3.2.2 發酵溫度及時間的確定

豆莢的發酵過程是生香加工的重要環節，需要一定的溫度和較高的濕度，豆莢中香蘭素含量是在這個階段產生的。通過控制酶系反應過程中所需的發酵溫度、時間和濕度，使其快速干燥。分別在 30、40、50、60、70℃進行發酵，以香蘭素含量為指標，篩選最佳的發酵溫度；發酵時間分別為 24、36、48、60、72 h，以香蘭素含量為指標，篩選最佳的發酵時間。

1.3.3 香莢蘭生香加工的正交試驗設計

在單因素試驗基礎上，以殺青溫度、殺青時間、發酵溫度及發酵時間為因素，設計四因素三水平的正交試驗，以香蘭素含量為評價指標，正交試驗設計如表1所示。

表1 L9（34）正交試驗因素水平Table 1 Factors and levels of L9（34）orthogonal test

1.3.4 香莢蘭酶促生香的工藝

1.3.4.1 β-葡萄糖苷酶對香莢蘭豆莢的處理

取100 g豆莢殺青后勻漿，準確稱量10 g勻漿樣品，加入50 U/g的β-葡萄糖苷酶，調節反應體系至pH6，同樣條件下制備一個不加酶的空白對照樣。樣品置于40℃水浴中反應48 h，分別用體積分數95%乙醇提取8 h，提取物定容至100 mL，待分析。

1.3.4.2 生香工藝的優化

香莢蘭豆莢殺青后加入50 U/g的β-葡萄糖苷酶，使β-葡萄糖苷酶對每克豆莢的處理活性分別為50單位，陳化期每隔2個月取樣，高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC） 分析豆莢在不同生香階段的有關成分含量，監測4個主香成分的含量變化，并對豆莢的香氣進行評定，確定香莢蘭酶促生香的最佳工藝。

1.3.5 生香樣品的香氣成分分析

樣品的預處理：取100 g生香香莢蘭豆莢，切為長0.5 cm～1.0 cm小段，混勻準確稱量10 g，用體積分數95%乙醇索式提取16 h，提取物定容至100 mL待分析。用HPLC分析傳統生香、酶促生香樣品中主要香氣成分的含量。

1.3.6 外標溶液配制及定性定量分析

外標溶液配制：準確稱取香蘭素5.000 0 g、對羥基苯甲醛0.250 0 g、香蘭酸0.250 0 g、對羥基苯甲酸0.050 0 g，分別用體積分數95%乙醇溶解，并定容至250mL容量瓶中。再用移液管各取5、10、10mL和15mL 4種溶液用體積分數95%乙醇定容于100 mL容量瓶中，得到4個標樣的外標溶液。

定性定量分析：豆莢提取物與標準溶液在同一液相色譜分析條件下進行保留時間及紫外光譜圖對照，并參照文獻[16-18]完成樣品中4個待分析成分的定性定量鑒定。取供試液5 μL進樣，在254 nm處測吸收度，通過標準曲線Y=2 100X-377 000，R2=0.999 987外標法峰面積定量計算得到樣品的香蘭素濃度含量，再將結果換算為百分含量（%）。

1.4 數據分析

采用Excel2010分析軟件進行數據處理及作圖分析。方差分析時，P＜0.05或P＜0.01，表示具有顯著性差異，試驗結果具有統計學意義。

2 結果與分析

2.1 酶促生香工藝的優化研究

香莢蘭酶促生香研究是采用外加β-葡萄糖苷酶處理香莢蘭豆莢獲得酶促生香的最佳加工工藝。研究結果表明，香莢蘭豆莢中β-葡萄糖苷酶的最佳添加量是50 U/g，用β-葡萄糖苷酶處理香莢蘭豆莢2個月后，高效液相色譜分析豆莢的成分含量，香蘭素含量超過了3%，另外3個成分也有不同程度的提高。試驗證明外加β-葡萄糖苷酶可以更快更完全地分解香蘭素葡糖苷，β-葡萄糖苷酶對香莢蘭中香蘭素及有關成分的形成起了重要作用。陳化6個月，各樣品表面均附有白色透亮的香蘭素針狀結晶，外觀品質很好，香莢蘭特征香氣突出，香氣濃郁強烈，香蘭素糖苷分解完全，酶處理樣品中香蘭素含量已達3.085%，酶處理增效結果十分明顯。因此采用酶促生香工藝加工香莢蘭可促進香蘭素葡糖苷等物質的分解，縮短香莢蘭生香時間，提高豆莢中香蘭素的含量及成品莢的質量。

2.2 香莢蘭生香加工單因素試驗

2.2.1 殺青溫度對香蘭素含量的影響

殺青溫度對香蘭素含量的影響見圖1。

圖1 殺青溫度對香蘭素含量的影響Fig.1 Effects of green-removing temperature on the vanillin content

由圖1可知，當殺青溫度在70℃～75℃時，香蘭素含量隨著殺青溫度的升高而升高，殺青溫度大于75℃時，香蘭素含量逐漸降低，因此75℃是最佳的殺青溫度。殺青溫度的升高使鮮豆莢失去生理機能，組織細胞因膨脹破裂而釋放出細胞液，此時適當的溫度激發了細胞液中生物酶的活性。殺青溫度太高，使豆莢中的活性酶受到破壞而影響發酵，香蘭素含量降低，殺青溫度75℃時，香蘭素含量最高。

2.2.2 殺青時間對香蘭素含量的影響

殺青時間對香蘭素含量的影響見圖2。

圖2 殺青時間對香蘭素含量的影響Fig.2 Effects of green-removing time on the vanillin content

由圖2可知，殺青時間大于30 s時香蘭素含量逐漸降低，殺青時間太長，使豆莢中的活性酶受到破壞而影響發酵，香蘭素含量降低；殺青時間不足時，影響了后期發酵的酶反應，產生的香蘭素含量降低。殺青時間對香蘭素含量有顯著的影響，殺青充分時，豆莢后期發酵酶反應充分，香蘭素含量較高。因此選取30 s作為最佳殺青時間。殺青30 s時，成品香莢蘭香氣濃郁，香蘭素含量最高。

2.2.3 發酵溫度對香蘭素含量的影響

發酵溫度對香蘭素含量的影響見圖3。

圖3 發酵溫度對香蘭素含量的影響Fig.3 Effects of fermentation temperature on the vanillin content

由圖3可知，當發酵溫度在30℃～50℃時，香蘭素含量隨著發酵溫度的升高而升高，當發酵溫度大于50℃時，香蘭素含量逐漸降低。溫度的升高，有利于促進酶的反應，激發莢果中酶系催化作用產生良好反應生成香蘭素，溫度過高時，會引起有害的酶系反應，香蘭素含量降低。試驗結果表明，發酵溫度為50℃時，香蘭素含量最高，因此選取50℃作為最佳發酵溫度。

2.2.4 發酵時間對香蘭素含量的影響

發酵時間對香蘭素含量的影響見圖4。

圖4 發酵時間對香蘭素含量的影響Fig.4 Effects of fermentation time on the vanillin content

由圖4可知，發酵時間在24 h～48 h時，香蘭素含量隨發酵時間的增加而升高，但發酵時間超過48 h后香蘭素含量就降低。發酵時間的增加，有利于促進酶的反應和香蘭素的生成，阻止有害霉菌的產生，發酵時間過長時，會引起有害的酶系反應，不能激發莢果中酶系催化作用生成香蘭素，香蘭素含量降低。試驗結果表明，發酵時間為48 h，香蘭素含量最高，因此選取48 h作為最佳發酵時間。

2.3 香莢蘭生香加工的正交試驗

在單因素試驗結果基礎上，采用四因素三水平正交試驗設計法，研究殺青溫度、殺青時間、發酵溫度和發酵時間4個因素對香蘭素含量的影響，優化加工工藝參數，結果見表2，方差分析結果見表3。

表2 正交試驗結果Table 2 Results of orthogonal test

表3 正交試驗方差分析結果Table 3 The variance analysis of orthogonal experiment

由表2可知，影響香蘭素含量的各因素主次順序：A＞C＞B＞D，即殺青溫度的影響最大，其次是發酵溫度和殺青時間，發酵時間的影響最小。因此，以香蘭素含量為考察指標，最佳工藝條件為A2B2C2D3。

2.4 驗證試驗

試驗驗證結果見表4。

表4 正交試驗驗證結果Table 4 The result of orthogonal experimental verifies

由表4可知，最終傳統生香加工的最佳工藝條件為A2B2C2D3，即殺青溫度75℃，殺青時間45 s，發酵溫度50℃，發酵時間48 h。在此最優組合條件下，得到香蘭素含量為3.058%。

2.5 香莢蘭酶促生香的研究

2.5.1 酶處理香莢蘭豆莢的分析結果

標樣進樣前用0.45 μm的微孔過濾膜過濾，進樣分析后，所得各組分峰面積與濃度呈良好的線性關系,見表5。β-葡萄糖苷酶處理豆莢和空白對照的液相色譜圖見圖5。香莢蘭豆莢和酶處理過香莢蘭豆莢中4個主香成分含量比較見表6。

表5 各組分峰面積與濃度的線性關系Table 5 The linear relationship of component peak area and concentration

圖5 β-葡萄糖苷酶處理豆莢和空白對照的液相色譜圖Fig.5 Liquid chromatogram of β-glucosidase-treated pods and blank control

表6 香莢蘭豆莢和酶處理香莢蘭豆莢中4個主香成分含量比較Table 6 Comparison of the contents of four main aroma components in vanilla beans and enzyme-treated vanilla beans %

香莢蘭豆莢殺青后加入β-葡萄糖苷酶，使β-葡萄糖苷酶對每克豆莢的處理活性分別為50單位，陳化期每隔2個月取樣，液相色譜分析有關成分含量。1995年，Voisine等[19]用HPLC從青莢提取物中分離出香蘭素葡糖苷，并利用核磁共振和紫外線技術做了定性鑒定，參照他們的研究結果，可認為圖5A中的主成分1即為香蘭素葡糖苷。在外加β-葡萄糖苷酶的作用下，香蘭素葡糖苷色譜峰基本消失，香蘭素色譜峰明顯變大，其它3個組分色譜峰也有不同程度地提高，顯然β-葡萄糖苷酶對香莢蘭青莢中糖苷化合物的分解和香蘭素及其它香氣成分的形成起了重要作用。

2.5.2 酶處理香莢蘭陳化期主香化合物含量的變化

酶處理香莢蘭陳化期4個主香化合物含量的變化見表7。經不同生香處理后香莢蘭中主要香味成分含量的比較見表8。云南香莢蘭樣品分析的液相色譜圖見圖6。

表7 酶處理香莢蘭陳化期4個化合物含量的變化Table 7 Variation of four components in enzyme treated vanilla during its condition

表8 經不同生香處理后香莢蘭中主要香味成分含量的比較Table 8 Comparison of main aroma components in vanilla after different curing treatments

圖6 云南香莢蘭樣品分析的液相色譜圖Fig.6 The chromatogram of yunnan vanilla samples

從表7、表8中看出，豆莢在酶生香處理2個月后，香蘭素含量都大于3%，高于傳統技術加工的豆莢，另外3個成分也有不同程度的提高。陳化約4個月后，各樣品表面均附有白色透亮的香蘭素針狀結晶，酶處理豆莢的香莢蘭特征香氣突出，色澤均勻，香氣濃郁。在傳統生香加工過程中，香蘭素的形成主要依賴豆莢本身所含的葡萄糖苷酶對其糖苷的作用，但這一分解作用一般都進行的不夠完全，而外加β-葡萄糖苷酶處理豆莢可起到促進糖苷分解，提高豆莢中香蘭素含量的作用。此外從圖6分析看，所有豆莢的香蘭素糖甙峰均完全消失，可見酶處理的效果十分明顯。

3 結論

本研究采用殺青、發酵、干燥、陳化方法對香莢蘭進行傳統生香加工，結果表明香莢蘭傳統生香加工最佳工藝條件是殺青溫度75℃，殺青時間45 s，發酵溫度50℃，發酵時間48 h，豆莢加工后柔軟光澤，呈現油亮的褐色外觀，發酵后的豆莢進一步脫去水分陳化5個月后產生濃郁的香莢蘭特征香氣。同時采用外加β-葡萄糖苷酶處理香莢蘭豆莢，通過酶促生香技術可以使生香反應更加完全，且香蘭素等4個主香成分的含量達到或超過傳統生香方法的商品莢，提高了香莢蘭成品莢的質量。酶促生香法加工的豆莢具有純正、濃郁的香草香氣，外觀品質好，香氣強度大于傳統生香法的商品莢，在香莢蘭豆莢的生產中具有較好的工業生產應用前景。