楊兵，梅小飛，闞建全*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)2(農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)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(guó)傳統(tǒng)的“八大調(diào)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(diào)味料，其花椒精油、調(diào)味油、乳化油以及油樹(shù)脂的微膠囊制劑等青花椒精深加工產(chǎn)品的應(yīng)用也越來(lái)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(fèi)者喜愛(ài)[4]。青花椒富含揮發(fā)油和酰胺類(lèi)物質(zhì)，且其主要麻味物質(zhì)由這2種物質(zhì)體現(xiàn)，同時(shí)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(jīng)濟(jì)作物，具有殺蟲(chóng)止痛止癢、溫中等功效[8-10]，現(xiàn)已收錄于《中華人民共和國(guó)藥典》[11]。

現(xiàn)階段，工業(yè)中常采用熱風(fēng)干制技術(shù)，但其能耗高，對(duì)綠色植物的護(hù)色效果無(wú)法達(dá)到要求[12-14]。同時(shí)，工業(yè)中也采用微波干制技術(shù)[15]、遠(yuǎn)紅外干制技術(shù)[16]、熱泵干制技術(shù)[17]等。熱泵干制技術(shù)原理是采用特殊干制系統(tǒng)排出濕氣，并在較高溫度下用有效熱能對(duì)物料進(jìn)行干制的一種干燥方式[18]。熱泵干制與其他干燥方式相比，其單位能耗除濕率達(dá)1.0～4.0 kg/(kW·h)，干制效果好于應(yīng)用廣泛的熱風(fēng)干制和干制物料穩(wěn)定的真空干制[19]，且具有控制簡(jiǎn)單、設(shè)備維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在輕紡、制藥和農(nóng)產(chǎn)品加工等行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛[20-21]。楊韋杰等[19]通過(guò)對(duì)荔枝整果水分比的變化擬合荔枝熱泵干制數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明Midilli模型對(duì)模擬整果荔枝熱泵干燥過(guò)程效果好。CHUA等[22]設(shè)計(jì)兩段式熱泵干燥方式干制番石榴，相比連續(xù)式等溫?zé)犸L(fēng)干燥，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的兩段式變溫?zé)岜酶芍茰p少20%的VC損失。

青花椒含有豐富的葉綠素，色澤是青花椒及其產(chǎn)品的最重要品質(zhì)之一[23]。由于葉綠素穩(wěn)定性差，易降解，所以青花椒干制期間，極易受外界環(huán)境因素影響，其葉綠素極易發(fā)生氧化降解而變色和退綠，干制后產(chǎn)品發(fā)褐，經(jīng)濟(jì)價(jià)值降低[24]。因此，青花椒干制過(guò)程中的護(hù)綠變得尤為重要?？偵睢鱁代表樣品顏色的可接受度，數(shù)值越低，其可接受度越高。熱泵干制技術(shù)是一種節(jié)能高效的干制技術(shù)，特別適合青花椒這種干制中易褪綠的原料?；诖?，本試驗(yàn)以重慶市江津九葉青花椒為試驗(yàn)原料，以青花椒色澤△E、揮發(fā)油含量和麻味物質(zhì)含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化熱泵干制工藝參數(shù)，以期解決青花椒在干制過(guò)程中的顏色及其他品質(zhì)變化，為青花椒護(hù)色干制護(hù)綠提供理論依據(jù)和參考意見(jiàn)。

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(qū)凱揚(yáng)農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司；甲醇(分析純)：成都市科峰化學(xué)品有限公司；麻味物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)樣品：實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 儀器與設(shè)備

FA2004分析天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；YGKRK熱泵干燥機(jī)，東莞市永淦節(jié)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(lián)創(chuàng)體電子有限公司；Centrifuge 5810離心機(jī)，艾本德(上海)國(guó)際貿(mào)易有限公司進(jìn)口。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品預(yù)處理

去除霉?fàn)€和病蟲(chóng)害的鮮九葉青花椒，稱(chēng)取一定質(zhì)量青花椒，然后裝盤(pán)。熱泵設(shè)備先預(yù)熱到設(shè)定參數(shù)，然后放入青花椒進(jìn)行干制，干制時(shí)間以含水率≤11%為止。干制產(chǎn)品4 ℃密封保存?zhèn)溆?，用于測(cè)定色差△E、揮發(fā)油含量和麻味物質(zhì)含量等指標(biāo)。

1.3.2 青花椒色差的測(cè)定

參考方法[25]進(jìn)行色差的測(cè)定。以△E表示總色差，如式(1)。

(1)

式中：△L*=L*(樣品)-L*(標(biāo)準(zhǔn))；△a*=a*(樣品)-a*(標(biāo)準(zhǔn))；△b*=b*(樣品)-b*(標(biāo)準(zhǔn))。

1.3.3 青花椒揮發(fā)油含量的測(cè)定

參考GB/T 17527—2009 胡椒精油含量的測(cè)定[26]。

1.3.4 青花椒麻味物質(zhì)含量的測(cè)定

根據(jù)DB50/T321—2009花椒麻味物質(zhì)檢測(cè)方法高效液相色譜法[27]。

精確稱(chēng)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(zhì)(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(fù)提取2次，甲醇定容，4 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩＿^(guò)0.45 μm孔徑濾膜，進(jìn)HPLC檢測(cè)。

色譜參考條件：色譜柱：Agilent ZORBAX Eclipse XDB C-18；流動(dòng)相，水-甲醇(V/V)，梯度洗脫條件如表1；柱溫，40 ℃；進(jìn)樣量，20 μL；流速，0.8 mL/min；檢測(cè)波長(zhǎng)，254 nm。

表1 液相色譜梯度洗脫條件Table 1 Liquid chromatography gradient elution conditions

以本課題組制備的花椒麻味物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)品為標(biāo)樣，用甲醇溶解后配制一系列不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)品分析液。采用上述條件進(jìn)行分析測(cè)定?；ń仿槲段镔|(zhì)在高效液相色譜中主要有3個(gè)峰，保留時(shí)間在14～16 min，如圖1所示。

圖1 花椒麻味物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)品HPLC色譜圖Fig.1 High performance liquid chromatogram of numb taste standard of Zanthoxylum L.

以峰面積之和(Y)與對(duì)應(yīng)花椒麻味物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)品的濃度(X)進(jìn)行線性回歸，得回歸方程為Y=26.392X-13.009(R2=0.999 9)。結(jié)果表明，花椒麻味物質(zhì)濃度在一定范圍時(shí)，線性關(guān)系良好。

1.3.5 熱泵干燥單因素試驗(yàn)

稱(chēng)取一定質(zhì)量青花椒進(jìn)行熱泵干燥，分別研究不同溫度(45、50、55、60、65 ℃)；不同相對(duì)濕度(30%、35%、40%、45%、50%)、不同鋪放量(450、600、750、900、1 050 g)對(duì)青花椒色差△E、麻味物質(zhì)含量以及揮發(fā)油含量的影響。

1.3.6 Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果，采用Box-Benhnken的中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以干制溫度、鋪放量、干制相對(duì)濕度為響應(yīng)變量，以色差△E、揮發(fā)油含量、麻味物質(zhì)含量為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。Box-Benhnken試驗(yàn)因素水平表見(jiàn)表2。

表2 Box-Benhnken試驗(yàn)因素與水平表Table 2 Box-Benhnken response surface test factor level table

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

每個(gè)樣品3次重復(fù)測(cè)定，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析采用Excel和SPSS軟件，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(X±SD)的形式表示。方差分析采用ANOVA分析，數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，符合正態(tài)分布的多重比較采用Duncan法，不符合正態(tài)分布的用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)，差異顯著性為P<0.05。圖表繪制采用Origin 8.6軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 溫度對(duì)熱泵干制青花椒品質(zhì)的影響

不同熱泵干制溫度對(duì)青花椒品質(zhì)的影響如圖2所示。

圖2 溫度對(duì)熱泵干制青花椒品質(zhì)的影響Fig.2 Effect of temperature on quality of Zanthoxylum L.

溫度單因素試驗(yàn)時(shí)，固定相對(duì)濕度40%，鋪放量750 g。由圖2可知，青花椒的色差△E隨著干制溫度的升高呈先降低后升高的趨勢(shì)，原因?yàn)楦芍茰囟鹊停瑒t干制時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致葉綠素的損失。隨著干制溫度升高至65℃時(shí)，高溫對(duì)青花椒中葉綠素破壞力加大，損失較多，色差△E增大。麻味物質(zhì)含量隨著干制溫度的升高呈升高的趨勢(shì)，揮發(fā)油含量呈先升高后降低的趨勢(shì)，原因是主要為45 ℃低溫干制時(shí)間為6 h， 60 ℃干制時(shí)間為3.5 h，所以45 ℃低溫干制導(dǎo)致?lián)]發(fā)油含量損失較多，當(dāng)溫度達(dá)到65 ℃時(shí)，高溫會(huì)加快揮發(fā)油的揮發(fā)，進(jìn)而導(dǎo)致其含量降低。

2.1.2 相對(duì)濕度對(duì)熱泵干制青花椒品質(zhì)的影響

不同熱泵干制相對(duì)濕度對(duì)青花椒品質(zhì)的影響如圖3所示。相對(duì)濕度單因素試驗(yàn)時(shí)，固定溫度55℃，鋪放量750 g。如圖3所示，青花椒色差△E隨著相對(duì)濕度的升高呈先降低后升高的趨勢(shì)，青花椒麻味物質(zhì)和揮發(fā)油含量隨著相對(duì)濕度的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)。原因是相對(duì)濕度較低時(shí)，水分蒸騰作用加快，相應(yīng)的揮發(fā)油蒸發(fā)速度也加快，含量較低；當(dāng)相對(duì)濕度較大時(shí)，青花椒干制時(shí)間延長(zhǎng)，其揮發(fā)油損失增加。麻味物質(zhì)含量和揮發(fā)油含量均在相對(duì)濕度40%時(shí)達(dá)到最大含量，色差△E在相對(duì)濕度40%時(shí)達(dá)到最小值。

圖3 相對(duì)濕度對(duì)熱泵干制青花椒品質(zhì)的影響Fig.3 Effect of relative humidity on quality of Zanthoxylum L.

2.1.3 鋪放量對(duì)熱泵干制青花椒品質(zhì)的影響

鋪放量對(duì)熱泵干制青花椒品質(zhì)的影響見(jiàn)圖4。鋪放量單因素試驗(yàn)時(shí)，固定相對(duì)濕度40%，溫度55 ℃。由圖4可知，青花椒色差△E隨著鋪放量的增加呈先降低后升高的趨勢(shì)，青花椒麻味物質(zhì)和揮發(fā)油含量隨著鋪放量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)青花椒鋪放量為750 g時(shí)，色差△E值最小，麻味物質(zhì)含量和揮發(fā)油含量最大。

圖4 鋪放量對(duì)熱泵干制青花椒品質(zhì)的影響Fig.4 Effect of weight on quality of Zanthoxylum L.

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以干制溫度、鋪放量、相對(duì)濕度為響應(yīng)變量，以色差△E、揮發(fā)油含量、麻味物質(zhì)含量為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果以及回歸模型方差分析見(jiàn)表3和表4。

利用Design-Expert軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)回歸擬合，得到色差△E的回歸方程：Y1=8.08-0.17A+0.056B-0.1C-0.057AB+0.15AC+0.19BC+0.35A2+0.67B2+0.53C2；麻味物質(zhì)的回歸方程：Y2=2.42-0.013A-0.042B+0.075C-0.043AB+0.043AC-0.073BC-0.25A2-0.14B2-0.16C2；揮發(fā)油的回歸方程：Y3=0.079-0.002 587A-0.001 437B-0.001 125C+0.000 975 0AB+0.000 55AC+0.000 35BC-0.005 938A2-0.004 788B2-0.003 862C2。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 3 Response surface test plan and results

表4 回歸模型方差分析Table 4 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(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的重要性，F(xiàn)值越大表明對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響越大，結(jié)合表4得出色差△E值和麻味物質(zhì)含量影響程度大小順序均為：干制溫度>相對(duì)濕度>鋪放量；揮發(fā)油含量影響程度大小順序?yàn)椋焊芍茰囟?鋪放量>相對(duì)濕度。

色差△E、麻味物質(zhì)含量和揮發(fā)油含量的響應(yīng)面見(jiàn)圖5，由圖5可以看出，色差△E響應(yīng)值隨著相對(duì)濕度及干制溫度的變化幅度較大，而鋪放量對(duì)色差△E響應(yīng)值的影響較小，相對(duì)濕度和鋪放量的兩兩交互作用顯著，干制溫度和相對(duì)濕度、干制溫度和鋪放量之間相互作用不顯著。

a-色差△E響應(yīng)值；b-麻味物質(zhì)響應(yīng)值；c-揮發(fā)油含量響應(yīng)值圖5 各因素交互作用對(duì)色差△E、麻味物質(zhì)含量和揮發(fā)油含量的影響Fig.5 Effects of interaction between two factors on viscosity of chromatism △E and numb-taste components

麻味物質(zhì)響應(yīng)值隨著干制溫度的變化幅度較大，而鋪放量和相對(duì)濕度及對(duì)麻味物質(zhì)響應(yīng)值的影響較小，干制溫度和相對(duì)濕度、干制溫度和鋪放量、相對(duì)濕度與鋪放量之間的兩兩交互作用均不顯著，相互作用不顯著。揮發(fā)油響應(yīng)值隨著各因素的變化幅度較大，干制溫度、鋪放量和相對(duì)濕度之間的兩兩交互作用均不顯著。

2.4 參數(shù)優(yōu)化

利用Design-Expert軟件，通過(guò)對(duì)回歸方程求解，得到色差△E取最小值分別為8.11，麻味物質(zhì)含量、揮發(fā)油含量最大值分別為2.45 g/100 g、7.95 mL/100 g，此時(shí)的工藝條件為干制溫度59.34 ℃、鋪放量為734.61 g、相對(duì)濕度為39.65%。為進(jìn)一步驗(yàn)證回歸方程的準(zhǔn)確性和有效性，選擇在最佳干制溫度59.30 ℃、鋪放量為735 g、相對(duì)濕度為40%條件下熱泵干制青花椒，并進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測(cè)定，測(cè)定結(jié)果色差△E為8.10、 麻味物質(zhì)含量為2.40 g/100 g、揮發(fā)油含量7.90 mL/100 g，驗(yàn)證結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果之間的誤差分別為色差1.2%、麻味物質(zhì)含量2.00%、揮發(fā)油含量0.62%，與模型預(yù)測(cè)值相近，可見(jiàn)回歸模型能很好地預(yù)測(cè)熱泵干制青花椒品質(zhì)，優(yōu)化結(jié)果可靠。

3 結(jié)論

選取干制溫度、鋪放量和相對(duì)濕度為影響因素，以色差、麻味物質(zhì)含量和揮發(fā)油含量為響應(yīng)值，建立響應(yīng)面分析模型。各因素對(duì)色差△E值和麻味物質(zhì)含量影響為干制溫度的影響最大，其次是相對(duì)濕度，最后是鋪放量。干制溫度對(duì)揮發(fā)油含量的影響也是最大，其次是鋪放量和相對(duì)濕度。結(jié)果表明，最佳優(yōu)化工藝條件為：干制溫度59.30℃、鋪放量為735 g、相對(duì)濕度為40%。在此工藝條件下干制青花椒，其色差△E為8.10、麻味物質(zhì)含量為2.40 g/100g、揮發(fā)油含量7.90 mL/100g，驗(yàn)證結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果之間的誤差均小于2.00%，與預(yù)測(cè)值相近，模型預(yù)測(cè)效果良好。并且經(jīng)過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化后的工藝條件可提高干制青花椒的色差△E值以及麻味物質(zhì)含量。本研究將對(duì)延緩青花椒干制后葉綠素降解等方面提供理論支持。此外，關(guān)于綠色植物產(chǎn)品護(hù)色方面，如何選擇天然優(yōu)良的護(hù)色劑，以及改善綠色植物產(chǎn)品的干制先進(jìn)技術(shù)仍需進(jìn)一步深入探索，以降低傳統(tǒng)干制的污染耗能以及產(chǎn)品品質(zhì)不佳的情況，提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。