不同干燥程度草果果实形态及种仁挥发油的变化规律

许倬卉，杨绍兵，杨天梅，王元忠，张金渝*

(1.云南中医药大学 中药学院，昆明 650500；2.云南省农业科学院药用植物研究所，昆明 650200)

草果(AmomumtsaokoCrevost et Lemarie)属于姜科豆蔻属，生长在海拔1000～1300 m的阴蔽潮湿的环境中，主要分布于中国西南部以及越南北部；我国产量和种植面积最大的为云南省，该物种常作为扶贫经济作物种植于适宜生长的偏远山区[1]。根据调查发现，其鲜果香味清淡，使用率较低；干燥后的果实辛香气味浓烈，耐储存，日常用作调味品，被人们誉为食品调味中的“五香之一”、“王守义十三香”等系列产品均要用到，入药则具有燥湿温中、截疟除痰的作用[2]。将其添加到肉制品中，既可治病又可增加肉类风味，降低油腻感，提升食用口感；芳香物质可防止肉品变质，延长保存时间，但干燥可能导致其含量与种类出现波动和变化，影响其作用[3]。

前人研究表明，该植物的主要化学成分有挥发油、黄酮、脂肪酸、二芳基庚烷、酚类等[4]。挥发油是一类次生代谢产物，当植物受到外界胁迫时，可抵御细菌的攻击，保护植株正常生长[5]。草果的主要香气成分来自分泌组织中挥发油单萜和倍半萜类化合物，单萜类主要包含萜烯及其衍生物(单萜醛、单萜醇等)，具有较强的香气和活性，倍半萜类化合物具有抗炎抑菌作用，二者皆是医药、食品、化妆品的重要原料[6]。黄酮等化学成分具有抗氧化、抗阴道毛滴虫、抗肿瘤和神经保护作用[7]。根据调查发现，干燥是防止新鲜果实霉变、腐烂、保证品质的关键一步。依据2020版《中国药典》，草果以秋季成熟果实，晒干或低温干燥入药最佳[8]；在实际生产中，云南怒江地区常用熏烤的方式烘干草果，烘干时间较长，为8～10 d；临沧和德宏地区则直接晒干，干燥时间为4～5 d，易受天气的制约，如遇阴雨天气，草果就会腐烂、长霉。阴干、55 ℃烘干、熏干、冷冻干燥4种处理的化学成分有差异，其中熏干的草果化学成分较为丰富和复杂，但对应化合物含量较低[9]。目前的文献主要集中在草果完全干燥后挥发油的变化情况，其新鲜果实在干燥过程中挥发油含量和成分的变化未见系统报道[10-11]。中药材在干燥过程中形态和有效成分均会发生改变[12]，草果的挥发油含量和成分在干燥过程中会出现怎样的变化仍需进一步研究。

本研究选取安全可控的烘箱低温(50 ℃)烘干法，分别测量0～48 h果实外观形态，参照2020版《中国药典》XD法提取并计算烘干过程中各时间段的挥发油得率，然后用气相色谱-质谱法(GC-MS)鉴定不同时间段的挥发油化学成分，着重分析其成分在烘干过程中的变化规律，探究香味形成机理，为进一步研究草果采后加工提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

实验样品于2019年11月采自云南省怒江州贡山县独龙江乡，经云南省农业科学院药用植物研究所张金渝研究员鉴定为草果(AmomumtsaokoCrevost et Lemarie)的新鲜果实。

1.2 方法

1.2.1 干燥

将洗净的草果果实放入烘箱中，50 ℃低温干燥。分别选取0，12，24，36，48 h 5个时间段的草果样品，48 h样品恒重，用于下一步实验。

1.2.2 测量草果各时间段形态数据

选取具有代表的20个草果分别测量干燥0～48 h后的草果外观形态，具体指标包括果重、果壳厚、果壳重、种子重。测量工具为游标卡尺，精度为0.01 mm;分析天平，精确度为0.01 g。

1.2.3 草果挥发油的提取

取0～48 h 5个时间段的草果种仁，粉碎至40目，精密称取100 g，置于2000 mL的圆底烧瓶中，加8倍量水，参照2020年《中国药典》挥发油测定甲法(通则2204)进行总挥发油的提取。提取完成之后加入无水硫酸钠，密封，置于4 ℃冰箱中保存，并根据下式计算得油率(mL/g)：

1.3 GC-MS分析

Agilent 7890A GC型气相色谱仪、Agilent 5975 MSD型质谱仪。色谱柱HP-5MS 5% 苯基甲基硅氧烷(0.25 mm×30 m×0.25 μm)。程序升温40 ℃，保持1 min，以10 ℃/min的速率升至130 ℃，保持15 min，以5 ℃/min的速率升至260 ℃，保持15 min；载气：He，流速1.0 mL/min；不分流，气化温度290 ℃；溶剂延迟5.00 min，电离方式：EI源，电子能量70 eV，离子源温度230 ℃，质量范围(m/z)：50～600 amu，扫描速度2.11 s/dec。

1.4 数据处理与分析

利用标准数据库NIST 11进行检索匹配，取匹配率>90%的数据，当出现一个化合物的匹配率>90%的数据有多个的情况时，根据文献进行比较，筛选一个最适宜的化合物。采用面积归一法计算各个成分的相对百分含量。

2 结果与分析

2.1 草果干燥过程中果实形态及挥发油得率的变化

草果果实烘干过程中果壳厚度变化见图1，样品在烘干过程中果壳越来越薄，其厚度在12～24 h之间下降最明显。

图1 草果干燥过程中果壳厚度的变化Fig.1 The changes of shell thickness during the drying process of A. tsaoko

由图2可知，果实在未干燥之前，果壳质量比种仁重，随着干燥过程的进行，果壳重量下降明显，以12～24 h最为显著，但种仁重量变化较为平缓。直至干燥结束时，种仁重量大于果壳重量。单个果实重量也呈现下降趋势。综合图1和图2，在干燥过程中，果壳厚度和果壳重量变化显著，而种仁重量变化较小，说明草果果实中果壳水分含量较高。

图2 草果单个果实、种仁、果壳重量在干燥过程中的变化Fig.2 The changes of the weight of fruit, seed kernel and shell during the drying process of A. tsaoko

草果果实质量在干燥过程中的变化见表1。

表1 草果果实质量在干燥过程中的变化Table 1 The changes of the weight of fruit during the drying process of A. tsaoko

样品在干燥前期失重迅速，至烘干恒重时，失重率可高达66%。果实种仁得油率在干燥过程中逐渐增加，从鲜果的0.55% (mL/g)上升至36 h的1.25% (mL/g)，完全干燥(48 h)时得油率最高，为2.72% (mL/g)，符合药典标准。结果表明，在干燥过程中，种仁得油率一直上升，其中36～48 h增加明显，完全烘干时的挥发油得油率明显高于鲜果样品。干燥前处理使储存挥发油的组织破裂，种仁中的挥发油得以释放；加工干燥会激起植物的抗逆反应，刺激果壁外的酶产生大量的次生代谢成分，挥发油也会随逆境胁迫而积累。上述内部结构破裂和逆境胁迫可能是导致草果种仁挥发油上升的主要原因，但挥发油沸点低，与空气接触后，挥发性物质可能会降低或消失，造成挥发油减少。

2.2 草果烘干过程中化学成分分析

采用GC-MS技术对草果烘干过程中化学成分进行分析，获得总离子流，见图3。

图3 不同干燥时间草果种仁挥发油总离子流图Fig.3 Total ionic chromatogram of volatile oil in A. tsaoko seed kernel at different drying time

比较GC-MS图谱发现，保留时间在10～12 min时草果挥发油化学成分有明显变化。为进一步分析草果种仁在干燥过程中的变化规律，通过NIST 11图谱库，并结合文献报道的化合物，逐个鉴定检测出的化合物，进行定性分析，用面积归一法计算每个化合物的相对百分含量，见表2。

表2 草果果仁干燥种挥发性成分变化Table 2 The changes of volatile components in dried seeds of A. tsaoko seed kernel %

续 表

2.2.1 从草果中鉴定出的挥发性化合物

草果种仁中共鉴定出38种化合物，在0～48 h的5个时间段分别检测出26，23，21，22，26种成分。主要包含烯烃类16种、醛类7种、芳香烃类3种、醚类1种、醇类11种。烯烃均为萜烯类化合物，具有相同的分子式C6H10，根据碳环的数目分为：链状萜烯、单环单萜和双环单萜烯。月桂烯和β-罗勒烯是最典型的链状单萜烯，月桂烯具有辛香和胡椒的香味，β-罗勒烯则有清香、柑橘香味；单环单萜烯主要有D-柠檬烯、松油烯、γ-松油烯、α-水芹烯和β-菲兰烯，是薄荷二烯中的双键异构体；D-柠檬烯具有果香，松油烯和γ-松油烯常存在于一种挥发油中，具有柑橘的香味，α-水芹烯和β-菲兰烯是两种旋光异构体，具有柑橘、胡椒香气；双环单萜包含蒈烯、蒎烯、莰烯、侧柏烯，是由薄荷烯在不同位置环化形成的，草果中蒈烯有(+)-3-蒈烯、2-蒈烯；蒎烯有左旋-α-蒎烯、(1R)-(+)-α蒎烯，α-蒎烯在空气中容易氧化为树脂状物质；莰烯是唯一的结晶性萜烯；这些双环单萜在一定条件下能发生重排，产生更多结构类型的化合物。萜烯可能随着温度增加，发生氧化反应脱氢成芳香族化合物，如邻-异丙基苯，对-异丙基苯和2,3-二氢-1H-茚-4-甲醛[13]。

醛类化合物主要是由不饱和脂肪酸在脂肪氧化酶的催化氧化作用下形成的，是干草果中主要的香气活性物质。(E)-2-辛烯醛带有青叶香味，是一种稀少的合成香精，主要用于食品添加剂。α-柠檬醛是香叶醇的氧化产物，β-柠檬醛是香橙醇的氧化产物，此两种单萜含氧衍生物常共存于同一挥发油中，可相互转变，具有较广的抑菌谱,是研制新型天然抗菌剂的重要原料[14]。

醇类化合物包括单萜醇类和倍半萜醇类。单萜醇类有萜品醇、香叶醇、芳樟醇，分子式均为C10H18O，都是同分异构体。萜品醇有α-松油醇及4-萜品醇，均含有手性碳，其单体分别为(+)-α-萜品醇、(-)-α-萜品醇、(+)-4-萜品醇、(R)-(-)-4-萜品醇，有丁香气味。香叶醇具有玫瑰的香味，芳樟醇有木香和青香气味，在外界环境发生变化时，会发生相互转换，如香叶醇可转化为芳樟醇，芳樟醇可变为α-松油醇；香叶醇部分氢化还原后得到D-香茅醇。倍半萜类有橙花叔醇、(E)-反橙花叔醇，常作为香调料。在烘干过程中香叶醇可能与外界空气接触，发生氧化反应，酯化形成乙酸香叶酯，上述醇类和酯类成分使草果果仁具有果香和花香气息。1,8-桉叶素是一种醚类香气活性化合物，它可由焦磷酸香叶醇酯在1,8-桉叶素环化酶的催化作用下生成，具有消炎和抗菌的作用[15]。

2.2.2 种仁挥发性成分在干燥过程中的变化

选取相对百分含量超过1%的化合物，分析其在干燥过程中的变化情况，见表2。在烘干过程中，草果挥发性化合物变化规律有以下几个特点：(1)在烘干过程中，干燥程度不同导致某些化合物含量减少至无法检测。如(1R)-(+)-α蒎烯在24 h和36 h的相对含量几乎检测不到，而在0，24，48 h可以检测到其含量。(1S)-β-蒎烯、β-罗勒烯、左旋-α-蒎烯、β-蒎烯、α-柠檬醛、松油醇等化合物也出现类似现象。(2)某些化学成分的相对百分含量呈先上升后下降的趋势。如1,8-桉叶素在烘干12 h的含量高于鲜样，24～48 h含量逐渐下降，(E)-反-2-辛烯醛、香叶醇的含量变化也呈相似趋势。(3)α-水芹烯的相对百分含量在12 h先增加，在24 h和36 h下降，48 h增至含量最高(4.71%)。(4)正新醛的相对百分含量变化基本保持不变，在鲜样中占1.01%，12～36 h略有波动，48 h含量为0.95%，其含量基本保持不变。

草果中的挥发油主要是萜类和倍半萜类化合物，受温度、光照和空气的影响，这两类化合物不耐热、极易挥发。单萜类化合物可由一分子焦磷酸异戊烯醇酯(IPP)和一分子二磷酸3-甲基-2-丁烯醇酯(DMAPP)聚合形成C10化合物二磷酸香叶酯(GPP)，在植物酶的作用下可异构化为焦磷酸橙花酯(NPP)，进而转化为各种单萜化合物，焦磷酸香叶酯(GPP)同一分子焦磷酸异戊烯酯聚合成焦磷酸麝子油脂(NPP)，从而形成倍半萜。据报道，当单萜类化合物接触到空气中的氧气，含量会升高，氧气被消耗时，其化合物结构可能发生重排；光照会使松油烯和月桂烯等降解或者发生分子内异构化；高温会加速萜类化合物降解[16]。因此单萜类化合物如(E)-反-2-辛烯醛、1,8-桉叶素等，在干燥初期，接触到氧气时时含量会升高，在光照的影响下，其化合物含量下降；GC-MS过程中高温加速其化合物降解或者转变为其他同分异构体。此外，本次实验中倍半萜化合物仅有橙花叔醇和(E)-反橙花叔醇，比前人报道的倍半萜少，推测可能是倍半萜类化合物长期暴露在高温空气中已降解为单萜类化合物[17]。

不同干燥程度的草果种仁化学成分与含量存在差异。干燥前后即使微小的含量变化也会影响香气[18]，如1,8-桉叶素，鲜果中含量为37.43%，随着干燥的进行，干果中的含量下降为34.25%，桉树叶气息下降，脂肪香气强烈。干草果中的脂肪辛香气息来自醛类化合物，在干燥过程中，由于萜醇的氧化，醛类化合物逐渐成为干草果中的主要香气成分，就本实验结果而言，虽然含量有略微下降的趋势，但通过烘干处理、储存过程中与空气的接触，温度、水分、氧化等多方面因素导致其醛类化合物慢慢增加，辛香气味愈发浓烈[19]。

3 结论

调料的质量与产地、采收期有关，但干燥才是保证品质最重要的一步。由于草果的果实含水量较高，为防止其在储存过程中霉变和回潮，探明干燥过程中化学成分变化显得格外重要。本文从果实外观形态、种仁挥发油得率及其挥发油化学成分差异方面分析草果果实在干燥过程中的变化规律。结果表明，在烘干过程中，种仁的挥发油得油率逐渐上升，烘干至48 h恒重时，挥发油得率最高(2.72%, mL/g)。根据鉴定和分析，1,8-桉叶素、醛类化合物相对含量占比较高，为主要的香气成分，此外，其余含量较低的成分也不可忽略，如单萜类、倍半萜类化合物含量虽然偏低，但与主要香气成分相互作用、相互补充，构成草果的独特香味。不同干燥程度下，上述化合物含量发生变化，导致香气有所差异。种仁中的醛类物质是肉类香气的重要组成部分，可由其前体物在干燥中氧化形成，达到增香提味的作用；单萜类化合物受温度、光照、空气等因素的影响会发生重排或降解，这提示在干燥、存储和提取挥发油时需要考虑外界因素的影响。

综上所述，草果在干燥过程中挥发油含量增高，同时其化合物也会在此过程中发生氧化、重排或降解。为确保其香味，应将草果干燥至恒重，避免回潮，影响使用。除低温烘干过程中的化学成分变化，不同干燥方式(熏干、冻干、晒干)的化学成分及形态的动态变化规律仍需要进一步探索。此外，其挥发油在储存过程中的温度、光照、水分也会引起其香气成分的变化，有关草果精油储藏条件和方式有待更深入研究。