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摘要对热风干燥和冷冻干燥处理香草兰样品的干燥效果进行比较，结果表明热风干燥的干燥速率随温度的增加而增加，冷冻干燥的干燥速率介于40和50℃热风干燥的速率之间。电子鼻分析结果表明，与40、50和60℃热风干燥相比，相同干燥时间条件下，冷冻干燥能更好的保留香草兰原有风味，同时冷冻干燥处理的香草兰样品具有更强的香气强度。
关键词香草兰 ；冷冻干燥 ；热风干燥 ；水分含量 ；香气
分类号S573+.9 ；TQ651
Comparison of Drying Techniques for Vanilla Bean
GU Fenglin1,3)DONG Zhizhe2)PAN Siyi2)
XU Fei1,3)WANG Qinghuang1,3)ZHAO Jianping3)
(1 Spice and Beverage Research Institute, CATAS, Wanning, Hainan 571533, China
2 College of Food Science and Technology, Huazhong Agricultural University,
Wuhan, Hubei 430070, China
3 Ministry of Agriculture Key Laboratory of Genetic Resources Utilization of Spice
and Beverage Crops, Wanning, Hainan 571533, China)
AbstractDesiccative effects of hot-air drying and vacuum freeze-drying for vanilla were compared in this research. The results showed that drying rate of hot-air drying increased with the increasing drying temperature, and the rate of vacuum freeze-drying is between the rates of hot-air drying at 40℃and 50℃. E-nose analysis revealed that, compared with hot-air drying at 40℃, 50℃and 60℃, the drying vanilla treated by vacuum freeze-drying at the same drying time can retain its original flavor and give higher odor intensity.
Keywordsvanilla ; vacuum freeze-drying ; hot-air drying ; moisture content ; odor
香草兰(Vanilla planifolia Andrews)属兰科(Orchidaceae)香草兰属(Vanilla)，因其独特的香气而被认为是最具有经济价值的兰科植物[1]，素有“食品香料之王”的美誉。香草兰原产于墨西哥，目前种植地区主要分布在南北纬27°以内、海拔700 m以下的热带和亚热带地区[2]。对香草兰的开发应用已有四百多年历史，它已作为一种高级香料广泛用于饮料、冰激凌、糖果、巧克力、奶制品、香烟等食品工业，也用于化妆行业，如香水制造[1,3-4]。
目前，对香草兰的研究主要集中在香草兰发酵生香机理及工艺、香气成分、生物活性功能等方面[5-12]，而对香草兰成品豆荚的干燥工艺研究较少。虽然在香草兰生香过程中会通过日晒或其它方式对香草兰进行干燥，但成品豆荚中仍有20%以上的水分，有些产地的豆荚如汤加地区豆荚中水分含量甚至接近40%。对某些要求水分含量较低的食品而言，香草兰成品豆荚作为一种香味添加剂，其水分含量仍然较高，因此为满足生产的需要，有必要对香草兰成品豆荚做进一步的干燥研究。
1材料与方法
1.1材料
1.1试验材料
香草兰豆荚由中国热带农业科学院香料饮料研究所提供。
1.1.2主要仪器设备
MB45快速水分测定仪(奥豪斯，美国)；电子鼻分析系统(Alpha MOS 法国)。
1.2方法
1.2.1冷冻干燥
样品分别经冷冻干燥处理2、4、6、8、10 h，干燥后的样品快速装入密封袋，再经水分测定仪测定水分含量。每个样品重复测量3次。
1.2.2热风干燥
样品在40℃条件下分别热风干燥3、6、9、12、15 h；在50℃条件下干燥2、4、6、8、10 h；在60℃条件下干燥1、2、3、4、5 h。干燥处理的样品快速装入密封袋，再经水分测定仪测定水分含量。每个样品重复测量3次。
1.2.3电子鼻分析
用电子鼻系统分析经不同干燥方式、干燥时间处理的香草兰样品。分析条件为：加热温度50℃，加热时间5 min，顶空进样量1.5 mL。每个样品重复测量5次。
1.2.4数据分析
用主成分分析法(Principal Component Analysis, PCA)对电子鼻实验数据进行统计分析，分析软件为SAS统计软件。
2结果与分析
2.1水分含量
热风干燥是借助烘干室内产生的热风促进样品快速干燥的一种方法。冷冻干燥则是基于低温条件下样品中的水份变为冰块，冰块在真空下快速升华的原理设计的干燥方法。图1显示了分别用这2种方法处理香草兰样品后水分含量的变化。从图中可以看出，热风干燥的干燥速率随温度的增加而增加。60℃条件下干燥速率相对较快，经5 h干燥后水分含量仅3.2%；40℃条件下干燥速率较慢，经15 h干燥后仍有7.8%的水分。冷冻干燥的速率介于40和50℃热风干燥的速率之间，经10 h干燥处理后水分含量为4.99%。
2.2香气分析
香草兰往往作为香味添加剂加入食品，因此在干燥过程中除要求具有较低的水分含量外，还需要保持香草兰豆荚原有的香气，尽量减少香气溢散或香气物质的分解。利用电子鼻对不同干燥条件处理后的香草兰样品进行测量，通过主成份分析法对电子鼻中各传感器的响应值进行统计分析。结果显示，第一主成份贡献率为77%，第一和第二主成份的累计贡献率为95%，能够较好的反映香草兰样品香气的实际情况。从干燥处理后香草兰样品的电子鼻分析结果(图2)可看出，经干燥处理的样品其香气分布区域能明显区分于未经干燥处理样品(对照)的香气分布分区，这说明干燥处理在一定程度上会影响香草兰的香气组成。此外，经相同干燥方式处理的香草兰样品随着干燥时间的增加，其香气分布区域与对照样品分布区域的距离也逐渐增加，这表明干燥时间的延长会加快香草兰整体香气的改变。40和50℃热风干燥以及冷冻干燥处理的样品随着干燥时间的增加，其香气分布区域逐渐向左方区域移动，而60℃热风干燥的样品则逐渐向上方移动，这可能是由于在较低温度条件下，香草兰样品中只是发生简单的香气溢散，而在高温条件下，香草兰样品在香气溢散的同时，部分香气物质会发生分解或是样品中生成了某些新的香味成分，这导致了高温热风干燥样品的香气区域变化趋势与低温热风干燥和冷冻干燥的变化趋势有所差异。
此外，冷冻干燥10 h样品的香气区域和对照样品香气区域的距离与40℃热风干燥15 h样品的香气区域距对照样品的距离接近，这说明二者香气变化幅度相似，但前者具有较低的水分含量且所用时间较短。50℃热风干燥10 h和60℃热风干燥5 h的样品水分含量略低于冷冻干燥，但距离对照样品香气区域较远，香气变化较大。
图3列出电子鼻中6个传感器对不同香草兰样品的响应值，响应值越大说明香气强度越强[13]。
从图3可看出，随着干燥时间的延长，香草兰样品的响应值会发生不同程度的减小(60℃热风干燥处理的样品除外)。在相同的干燥时间下，除干燥后期Sensor3和Sensor4略低于40℃热风干燥处理的样品外，冷冻干燥处理的香草兰样品的香气强度均强于40℃热风干燥处理的样品，而40℃热风干燥处理样品的香气强度又明显强于50℃处理的样品。对于60℃热风干燥处理的样品，Sensor1、Sensor2、Sensor3和Sensor4四个传感器响应值的变化趋势与另外几种干燥方式一样，均是随着时间的增加而逐渐降低，在干燥过程的中后期样品响应值逐渐超过50℃热风干燥处理的样品，而剩下两个传感器的响应值则出现，随着干燥时间的增加而先降低再增加再下降的趋势。这种差异可能是由于高温条件下，在干燥前期香气成分快速溢散，导致传感器响应值快速下降，随着干燥时间的延长香草兰中某些物质发生热反应产生新的香气物质，因此在干燥中期香气强度增强，在干燥后期热反应底物逐渐减少、香气物质生成的速率下降，导致传感器的响应值逐渐减小，香气强度变弱。综上，60℃热风干燥虽然在干燥的中后期有较强的香气强度，但香草兰的整体风味可能发生了变化，而冷冻干燥与40和50℃相比有较大的响应值，因此香气强度相对较强。
3结论
由于冷冻干燥和热风干燥在干燥机理上存在本质上的区别，因此干燥效果也存在差异。从干燥速率方面来看，冷冻干燥的干燥速率介于40和50℃热风干燥的速率之间，且更接近与50℃的干燥速率，经过10 h冷冻干燥处理后，香草兰水分含量能达到一个较低的水平，约为5%，接近于经50℃热风干燥处理10 h香草兰样品的4 %。从香气方面来看，两种干燥方式处理的香草兰样品香味均会发生变化，但变化的程度随着干燥方式、温度以及时间的不同而有所差异，随着干燥时间的延长、干燥温度的增加，香草兰香味变化越大。当用60℃热风干燥处理样品时，香草兰样品中除了发生香气快速溢散外，还可能产生新的挥发性物质，影响香草兰整体风味。PCA分析结果表明，冷冻干燥10 h样品的香气变化程度接近40℃ 15 h和50℃ 4 h热风干燥处理的样品，但冷冻干燥处理的样品有较强的香气强度以及较低的水分含量。因此，与40、50、60℃热风干燥相比，利用冷冻干燥处理香草兰具有较快的干燥速率和更好的保留原有香味的特点。由于不同食品对香草兰水分含量的要求不尽一致，所以在接下来的研究中有必要对冷冻干燥处理香草兰样品的干燥工艺进行优化，建立冷冻干燥动力学模型，对不同干燥条件下干燥效果进行预测，为工业化生产提供理论基础。
参考文献
[1] 陈庆文，郭运青. 海南香草兰产业发展概况[J]. 热带农业科学，2010，30(7)：61-64.
[2] 刘爱芳，卢少芳，刘爱勤，等. 香草兰产业发展现状调研[J]. 热带农业科学，2008，28(5)：59-65.
[3] 魏来，初众，赵建平. 香草兰的药用保健价值[J].中国农学通报，2009，25(06)：249-251.
[4] 朱自慧. 海南发展香草兰种植模式初探[J]. 热带农业科学，2003，23(5)：27-29.
[5] Odoux E, Chauwin A, Brillouet J M.Purification and characterization of vanilla bean (Vanilla planifolia Andrews) β-D-glucosidase [J].Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2003, 51: 3 168-3 173.
[6] Dignum M J W , Van Der Heijden R , Kerler J, et al.Identification of glucosides in green beans of Vanilla planifolia Andrews and kinetics of vanilla β-glucosidase[J]. Food Chemistry, 2004, 85: 199-205.
[7] Brunschwig C, Senger-Emonmot P, Aubanel M L, et al. Odor-active compounds of Tahitian vanilla flavor[J]. Food Research International, 2012, 46: 148-157.
[8] Al-Naqeb G, Ismail M, Bagalkotkar G, et al. Vanillin rich fraction regulates LDLR and HMGCR gene expression in HepG2 cells[J]. Food Research Internationa, 2010, 43: 2 437-2 443.
[9] Shyamala B N, Madhava N M, Ulochanamma G S, et al. Studies on the antioxidant activities of natural vanilla extract and its constituent compounds through in vitro models[J]. Journal Agriculture Food Chemistry. 2007, 55, 7 738-7 743.
[10] Araceli Pérez Silva, Ziya Gunata and Jean-Paul Lepoutre , et al.New insight on the genesis and fate of odor-active compounds in vanilla beans(Vanilla planifolia G.Jackson) during traditional curing[J]. Food Research International, 2011, 44: 2 930-2 937.
[11] Toth S J. Comparison and integration of analytical methods for the characterization of vanilla chemistry[D]. New Brunswick: The State University of New Jersey, 2012.
[12] Perez-Silva A, Odoux E, Bart P, et al. GC-MS and GC-olfactometry analysis of aroma compounds in a representative organic aroma extract from cured Vanilla (Vanilla planifolia G.Jackson)beans[J]. Food Chemistry, 2006, 99(4): 728-735.
[13] Zhizhe Dong, Fenglin Gu, Fei Xu, et al. Comparison of Four Kinds of Extraction Techniques and Kinetics of Microwave-Assisted Extraction of Vanillin from Vanilla planifolia Andrews. Food Chemistry, 2014, 149(15): 54-61.
关键词香草兰 ；冷冻干燥 ；热风干燥 ；水分含量 ；香气
分类号S573+.9 ；TQ651
Comparison of Drying Techniques for Vanilla Bean
GU Fenglin1,3)DONG Zhizhe2)PAN Siyi2)
XU Fei1,3)WANG Qinghuang1,3)ZHAO Jianping3)
(1 Spice and Beverage Research Institute, CATAS, Wanning, Hainan 571533, China
2 College of Food Science and Technology, Huazhong Agricultural University,
Wuhan, Hubei 430070, China
3 Ministry of Agriculture Key Laboratory of Genetic Resources Utilization of Spice
and Beverage Crops, Wanning, Hainan 571533, China)
AbstractDesiccative effects of hot-air drying and vacuum freeze-drying for vanilla were compared in this research. The results showed that drying rate of hot-air drying increased with the increasing drying temperature, and the rate of vacuum freeze-drying is between the rates of hot-air drying at 40℃and 50℃. E-nose analysis revealed that, compared with hot-air drying at 40℃, 50℃and 60℃, the drying vanilla treated by vacuum freeze-drying at the same drying time can retain its original flavor and give higher odor intensity.
Keywordsvanilla ; vacuum freeze-drying ; hot-air drying ; moisture content ; odor
香草兰(Vanilla planifolia Andrews)属兰科(Orchidaceae)香草兰属(Vanilla)，因其独特的香气而被认为是最具有经济价值的兰科植物[1]，素有“食品香料之王”的美誉。香草兰原产于墨西哥，目前种植地区主要分布在南北纬27°以内、海拔700 m以下的热带和亚热带地区[2]。对香草兰的开发应用已有四百多年历史，它已作为一种高级香料广泛用于饮料、冰激凌、糖果、巧克力、奶制品、香烟等食品工业，也用于化妆行业，如香水制造[1,3-4]。
目前，对香草兰的研究主要集中在香草兰发酵生香机理及工艺、香气成分、生物活性功能等方面[5-12]，而对香草兰成品豆荚的干燥工艺研究较少。虽然在香草兰生香过程中会通过日晒或其它方式对香草兰进行干燥，但成品豆荚中仍有20%以上的水分，有些产地的豆荚如汤加地区豆荚中水分含量甚至接近40%。对某些要求水分含量较低的食品而言，香草兰成品豆荚作为一种香味添加剂，其水分含量仍然较高，因此为满足生产的需要，有必要对香草兰成品豆荚做进一步的干燥研究。
1材料与方法
1.1材料
1.1试验材料
香草兰豆荚由中国热带农业科学院香料饮料研究所提供。
1.1.2主要仪器设备
MB45快速水分测定仪(奥豪斯，美国)；电子鼻分析系统(Alpha MOS 法国)。
1.2方法
1.2.1冷冻干燥
样品分别经冷冻干燥处理2、4、6、8、10 h，干燥后的样品快速装入密封袋，再经水分测定仪测定水分含量。每个样品重复测量3次。
1.2.2热风干燥
样品在40℃条件下分别热风干燥3、6、9、12、15 h；在50℃条件下干燥2、4、6、8、10 h；在60℃条件下干燥1、2、3、4、5 h。干燥处理的样品快速装入密封袋，再经水分测定仪测定水分含量。每个样品重复测量3次。
1.2.3电子鼻分析
用电子鼻系统分析经不同干燥方式、干燥时间处理的香草兰样品。分析条件为：加热温度50℃，加热时间5 min，顶空进样量1.5 mL。每个样品重复测量5次。
1.2.4数据分析
用主成分分析法(Principal Component Analysis, PCA)对电子鼻实验数据进行统计分析，分析软件为SAS统计软件。
2结果与分析
2.1水分含量
热风干燥是借助烘干室内产生的热风促进样品快速干燥的一种方法。冷冻干燥则是基于低温条件下样品中的水份变为冰块，冰块在真空下快速升华的原理设计的干燥方法。图1显示了分别用这2种方法处理香草兰样品后水分含量的变化。从图中可以看出，热风干燥的干燥速率随温度的增加而增加。60℃条件下干燥速率相对较快，经5 h干燥后水分含量仅3.2%；40℃条件下干燥速率较慢，经15 h干燥后仍有7.8%的水分。冷冻干燥的速率介于40和50℃热风干燥的速率之间，经10 h干燥处理后水分含量为4.99%。
2.2香气分析
香草兰往往作为香味添加剂加入食品，因此在干燥过程中除要求具有较低的水分含量外，还需要保持香草兰豆荚原有的香气，尽量减少香气溢散或香气物质的分解。利用电子鼻对不同干燥条件处理后的香草兰样品进行测量，通过主成份分析法对电子鼻中各传感器的响应值进行统计分析。结果显示，第一主成份贡献率为77%，第一和第二主成份的累计贡献率为95%，能够较好的反映香草兰样品香气的实际情况。从干燥处理后香草兰样品的电子鼻分析结果(图2)可看出，经干燥处理的样品其香气分布区域能明显区分于未经干燥处理样品(对照)的香气分布分区，这说明干燥处理在一定程度上会影响香草兰的香气组成。此外，经相同干燥方式处理的香草兰样品随着干燥时间的增加，其香气分布区域与对照样品分布区域的距离也逐渐增加，这表明干燥时间的延长会加快香草兰整体香气的改变。40和50℃热风干燥以及冷冻干燥处理的样品随着干燥时间的增加，其香气分布区域逐渐向左方区域移动，而60℃热风干燥的样品则逐渐向上方移动，这可能是由于在较低温度条件下，香草兰样品中只是发生简单的香气溢散，而在高温条件下，香草兰样品在香气溢散的同时，部分香气物质会发生分解或是样品中生成了某些新的香味成分，这导致了高温热风干燥样品的香气区域变化趋势与低温热风干燥和冷冻干燥的变化趋势有所差异。
此外，冷冻干燥10 h样品的香气区域和对照样品香气区域的距离与40℃热风干燥15 h样品的香气区域距对照样品的距离接近，这说明二者香气变化幅度相似，但前者具有较低的水分含量且所用时间较短。50℃热风干燥10 h和60℃热风干燥5 h的样品水分含量略低于冷冻干燥，但距离对照样品香气区域较远，香气变化较大。
图3列出电子鼻中6个传感器对不同香草兰样品的响应值，响应值越大说明香气强度越强[13]。
从图3可看出，随着干燥时间的延长，香草兰样品的响应值会发生不同程度的减小(60℃热风干燥处理的样品除外)。在相同的干燥时间下，除干燥后期Sensor3和Sensor4略低于40℃热风干燥处理的样品外，冷冻干燥处理的香草兰样品的香气强度均强于40℃热风干燥处理的样品，而40℃热风干燥处理样品的香气强度又明显强于50℃处理的样品。对于60℃热风干燥处理的样品，Sensor1、Sensor2、Sensor3和Sensor4四个传感器响应值的变化趋势与另外几种干燥方式一样，均是随着时间的增加而逐渐降低，在干燥过程的中后期样品响应值逐渐超过50℃热风干燥处理的样品，而剩下两个传感器的响应值则出现，随着干燥时间的增加而先降低再增加再下降的趋势。这种差异可能是由于高温条件下，在干燥前期香气成分快速溢散，导致传感器响应值快速下降，随着干燥时间的延长香草兰中某些物质发生热反应产生新的香气物质，因此在干燥中期香气强度增强，在干燥后期热反应底物逐渐减少、香气物质生成的速率下降，导致传感器的响应值逐渐减小，香气强度变弱。综上，60℃热风干燥虽然在干燥的中后期有较强的香气强度，但香草兰的整体风味可能发生了变化，而冷冻干燥与40和50℃相比有较大的响应值，因此香气强度相对较强。
3结论
由于冷冻干燥和热风干燥在干燥机理上存在本质上的区别，因此干燥效果也存在差异。从干燥速率方面来看，冷冻干燥的干燥速率介于40和50℃热风干燥的速率之间，且更接近与50℃的干燥速率，经过10 h冷冻干燥处理后，香草兰水分含量能达到一个较低的水平，约为5%，接近于经50℃热风干燥处理10 h香草兰样品的4 %。从香气方面来看，两种干燥方式处理的香草兰样品香味均会发生变化，但变化的程度随着干燥方式、温度以及时间的不同而有所差异，随着干燥时间的延长、干燥温度的增加，香草兰香味变化越大。当用60℃热风干燥处理样品时，香草兰样品中除了发生香气快速溢散外，还可能产生新的挥发性物质，影响香草兰整体风味。PCA分析结果表明，冷冻干燥10 h样品的香气变化程度接近40℃ 15 h和50℃ 4 h热风干燥处理的样品，但冷冻干燥处理的样品有较强的香气强度以及较低的水分含量。因此，与40、50、60℃热风干燥相比，利用冷冻干燥处理香草兰具有较快的干燥速率和更好的保留原有香味的特点。由于不同食品对香草兰水分含量的要求不尽一致，所以在接下来的研究中有必要对冷冻干燥处理香草兰样品的干燥工艺进行优化，建立冷冻干燥动力学模型，对不同干燥条件下干燥效果进行预测，为工业化生产提供理论基础。
参考文献
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[6] Dignum M J W , Van Der Heijden R , Kerler J, et al.Identification of glucosides in green beans of Vanilla planifolia Andrews and kinetics of vanilla β-glucosidase[J]. Food Chemistry, 2004, 85: 199-205.
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[9] Shyamala B N, Madhava N M, Ulochanamma G S, et al. Studies on the antioxidant activities of natural vanilla extract and its constituent compounds through in vitro models[J]. Journal Agriculture Food Chemistry. 2007, 55, 7 738-7 743.
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[11] Toth S J. Comparison and integration of analytical methods for the characterization of vanilla chemistry[D]. New Brunswick: The State University of New Jersey, 2012.
[12] Perez-Silva A, Odoux E, Bart P, et al. GC-MS and GC-olfactometry analysis of aroma compounds in a representative organic aroma extract from cured Vanilla (Vanilla planifolia G.Jackson)beans[J]. Food Chemistry, 2006, 99(4): 728-735.
[13] Zhizhe Dong, Fenglin Gu, Fei Xu, et al. Comparison of Four Kinds of Extraction Techniques and Kinetics of Microwave-Assisted Extraction of Vanillin from Vanilla planifolia Andrews. Food Chemistry, 2014, 149(15): 54-61.