铁皮石斛(Dendrobium officinale)又名“黑节草”,是兰科石斛属植物,因其茎呈铁绿色而得名[1-2]。其具有“益胃生津、滋阴清热[3]”、“主伤中,除痹下气,补五脏虚劳羸瘦,强阴,久服厚肠胃[4]”等功效,在我国药用历史悠久,是一类珍贵的药用植物。现代研究发现,铁皮石斛中含有如多糖、生物碱、黄酮、多酚等丰富的生物活性物质,具有抗肿瘤、抗氧化、预防糖尿病、调节免疫力、保护神经系统等多种功效[5-11]。
铁皮石斛为多年生常绿草本植物,在我国主要分布在福建、云南、海南、台湾、广西等热带和亚热带地区,需温度适中、潮湿多雾的生长环境[12],但这些地区温热潮湿,铁皮石斛保存不当时易霉变[13],且在石斛鲜条中依然进行着诸多生化反应,植物体将不断水解多糖以用于能量供应[14];因此,需将铁皮石斛干燥储存。由于铁皮石斛茎结构独特,难以自然阴干,古人将铁皮石斛干制为“铁皮枫斗”,即铁皮石斛采收、除去杂质后,剪去部分须根,加热的同时将铁皮石斛茎扭呈螺旋状或弹簧状[3],此法历史悠久,但耗时耗力、成本颇高,不利于铁皮石斛的大规模推广。因此,本实验以目前常见的3 种干燥方法——真空冷冻干燥、微波间歇干燥及热风干燥[15]对铁皮石斛鲜条进行处理,在研究干燥方法对铁皮石斛干燥速率影响的同时,从成品色差和主要活性成分两个角度对铁皮石斛品质进行分析,确定适宜干燥工艺的同时,为铁皮石斛现代加工技术的开发提供参考。
实验所用材料种源来自浙江大学‘圣兰八号’品种,编号为S95,为两年生铁皮石斛鲜条,试样去除杂质、切成1 cm小段后备用。
石斛碱 美国Sigma公司;苯酚、浓硫酸 国药集团化学试剂有限公司。
FD-1A-50真空冷冻干燥机 北京傅医康实验仪器有限公司;UV-5200紫外-可见分光光度计 上海元析有限公司;FXB101-1干燥箱 上海树立仪器有限公司;ADDI色差仪 北京辰泰克仪器技术有限责任公司。
1.3.1 干燥工艺
热风干燥:取铁皮石斛(50.0f0.1)g均匀平铺于托盘,在风温70、80、90、100 ℃下分别进行干燥,每30 min测定样品质量。
微波间歇干燥:首先确定微波间歇加热的加工功率,取经预处理的铁皮石斛(50.0f0.1)g平铺于托盘,置于微波炉中,选取微波功率分别为500、550、600 W,微波加热间隔时间为30 s,每2 min测定样品质量。在确定微波间歇干燥功率后,分别在间歇时间为30 s和1、2、4 min的条件下进行干燥。
真空冷冻干燥:取经预处理的铁皮石斛(50.0f0.1)g,放入-80 ℃冰箱预冷1 h后平铺于托盘,置于真空冷冻干燥机中,在真空度600 Pa、冷冻温度-56 ℃的条件下进行干燥,每1 h测定样品质量。
当干基水分质量分数不大于12%时,取出样品,粉碎备用,分析不同条件下铁皮石斛的干燥过程及干燥品质。
1.3.2 指标测定
1.3.2.1 水分比、干燥速率的测定
参照GB 5009.3ü2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》,采用直接干燥法测定水分含量。
按式(1)计算水分比(moisture ratio,MR)[16]。
式中:Mt为t时刻的干基水分含量/(g/g);Me为干燥到平衡时的干基水分含量/(g/g);M0为初始干基水分含量/(g/g)。
按式(2)计算干燥速率(drying rate,DR)[17]。
式中:M1、M2分别为t1、t2时刻的干基水分含量(g/g);对于热风、真空冷冻干燥,t1、t2单位为h,DR单位为g/(gg h);对于微波间歇干燥,t1、t2单位为min,DR单位为g/(gg min)。
1.3.2.2 色差的测定
将干燥后的铁皮石斛磨成粉末,采用色差仪测定铁皮石斛粉L*、a*、b*值;其中,L*值表示样品明度,L*值越大,样品越亮;a*值表示红绿色度,正数值越大,样品越偏红色,负数值越大,样品越偏绿色;b*值表示黄蓝色度,正数值越大,样品越偏黄色,负数值越大,样品越偏蓝色。
1.3.2.3 多糖含量的测定
多糖含量的测定参考范传颍等[18]的方法,并略作修改。
标准曲线的绘制:配制1.0 mg/mL的葡萄糖标准溶液,吸取0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 mL标准溶液定容至10 mL,取1.0 mL稀释至4 mL,各加入5 g/mL苯酚溶液1.0 mL、浓硫酸7.0 mL,沸水浴10 min后冷却,测定其在490 nm波长处吸光度,并以蒸馏水作空白对照,以葡萄糖溶液质量浓度为横坐标、吸光度为纵坐标绘制标准曲线。
铁皮石斛多糖的提取及测定:取干燥后的铁皮石斛磨粉、过筛,取0.1 g加入10 mL、体积分数80%的乙醇溶液于25 ℃浸提6 h后抽滤,并用体积分数80%的乙醇溶液洗涤,收集沉淀,向收集的沉淀中加入20 mL蒸馏水,超声30 min后过滤,收集滤液并将滤渣溶入水中,继续超声3 次,合并滤液待测。取1 mL待测液按照标准溶液中多糖含量的测定方法进行操作,根据标准曲线计算铁皮石斛中的多糖含量。
1.3.2.4 总酚含量的测定
总酚含量的测定参考李娟等[19]的方法,并略作修改。
标准曲线的绘制:配制1.0 mg/mL的没食子酸标准溶液,量取0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 mL标准溶液分别定容至10 mL,各取3 mL于试管中,依次加入5.0 mL去离子水,3.5 mL体积分数7.5%碳酸钠溶液,1 mL体积分数10%福林-酚溶液,摇匀后45 ℃水浴加热90 min,冷却后测定其在760 nm波长处吸光度,并以蒸馏水为空白对照,以没食子标准溶液质量浓度为横坐标,以吸光度为纵坐标绘制标准曲线。
铁皮石斛总酚的提取及含量测定:干燥后的铁皮石斛磨粉、过筛,取0.1 g以10 mL、体积分数80%甲醇溶液在室温下浸提2 h,过滤,5 000 r/min离心10 min,取上清液用体积分数80%的甲醇溶液补足至25 mL待测。取3 mL待测液按照标准溶液中总酚含量测定方法进行操作,根据标准曲线计算铁皮石斛中总酚的含量。
1.3.2.5 黄酮含量的测定
黄酮含量的测定参考张露月等[20]的方法,并略作修改。
标准曲线的绘制:配制0.1 mg/mL的芦丁标准溶液,量取5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0 mL标准溶液于10 mL容量瓶中,用体积分数70%的乙醇溶液定容,各取1 mL上述各质量浓度标准溶液,每隔6 min依次加入0.3 mL 0.05 g/mL亚硝酸钠溶液、0.3 mL 0.1 g/mL硝酸铝溶液、2 mL 0.04 g/mL氢氧化钠溶液,室温反应15 min后测定其在510 nm波长处吸光度,以体积分数70%乙醇作空白对照,以芦丁标准溶液的质量浓度为横坐标,吸光度为纵坐标,绘制标准曲线。
铁皮石斛黄酮的提取及含量测定:干燥后的铁皮石斛磨粉、过筛,称取0.2 g加入10 mL、体积分数70%乙醇溶液,60 ℃水浴浸提3 h后过滤,收集滤液,并用体积分数70%乙醇溶液补足至25 mL待测,取3 mL待测液按标准溶液中黄酮含量的测定方法进行操作,根据芦丁标准曲线计算铁皮石斛中的黄酮含量。
采用Excel 2016软件对数据进行初步处理,并绘制曲线,采用SPSS 22软件进行数据处理和分析。结果以平均值±标准差表示。不同的样品数据使用LSD及Tukey显著差异法进行分析,P<0.05表示差异显著。
图1 不同干燥工艺下铁皮石斛的干燥曲线
Fig.1 Drying curves of Dendrobium officinale stems during different drying processes
由图1A可知,铁皮石斛的干燥时间随着干燥温度的升高而缩短,在干燥温度分别为70、80、90、100 ℃时,干燥时间分别为14、7、4 h和2.5 h,温度对干燥时间影响显著(P<0.05);但热风干燥温度升高的同时,其能耗也逐渐加大[21]。
由图1B1可知,微波功率为500 W时,干燥时间最长,为64 min,在550、600 W的微波功率下,干燥时间分别为48 min和54 min,无明显差异。由于微波功率为550 W时铁皮石斛干燥时间最短,因此本实验在550 W功率下,对不同间隔时间下微波干燥铁皮石斛的时间进行分析研究。由图1B2可知,干燥功率一定(550 W)时,随着间隔时间的延长,干燥时间也相应延长,当间隔30 s和1、2、4 min时,干燥时间分别为48、60、62 min和68 min,其中,间隔1 min与间隔2 min的曲线无明显差异;张黎骅等[22]的研究结果表明,当功率一定时,间歇时间的延长会导致物料温度降低,干燥效率下降,能耗增高。
由图1C可知,采用真空冷冻干燥法干燥铁皮石斛所需时间为11 h,相比微波间歇干燥和80、90、100 ℃热风干燥,其耗时更久。图1所有的干燥曲线均为前期陡直、后期趋于平缓的曲线。
图2 不同干燥方式下铁皮石斛的干燥速率曲线
Fig.2 Drying rate curves of Dendrobium officinale stems during different drying processes
由图2可知,在不同干燥方式下,铁皮石斛的干燥速率均在初期快速上升,达峰值后逐渐下降,干燥主要发生在降速干燥阶段。由图2A可知,当采用热风干燥进行处理时,不同温度下的铁皮石斛干燥速率均在0.5 h达到峰值,70、80、90 ℃和100 ℃的最大干燥速率分别为2.44、3.26、3.44、4.65 g/(gg h),热风干燥过程中未出现明显的恒速干燥。由图2B1可知,在550、600 W的微波功率下,铁皮石斛的干燥速率并无明显差异,其最大干燥速率分别为0.42、0.43 g/(gg min),当干燥功率为500 W时,最大干燥速率最小,为0.29 g/(gg min)。由图2B2可知,当微波干燥的功率一定(550 W)时,铁皮石斛的最大干燥速率不受间隔时间的影响,均在0.41 g/(gg min)左右。由图2C可知,当采用真空冷冻干燥进行处理时,铁皮石斛的干燥速率在干燥1 h左右即达峰值,其最大干燥速率为1.86 g/(gg h),随后干燥速率逐渐降低。
图3 干燥方式对铁皮石斛色差值的影响
Fig.3 Effect of different drying methods on color of Dendrobium officinale stems
由图3A可知,在不同温度干燥后,铁皮石斛的L*值未出现显著差异,但铁皮石斛的a*值和b*值均随温度升高先升高后降低,说明80~100 ℃干燥时,破坏了铁皮石斛中的叶绿素等呈色物质,使铁皮石斛粉末的颜色逐渐偏红、偏黄,呈现黄绿色;由图3B1、B2可知,经不同功率、不同间隔时间微波间歇加热处理后,铁皮石斛颜色无显著性差异,在微波间歇干燥工艺下,铁皮石斛会发生褐变,粉末呈暗黄绿色。热风干燥和微波间歇干燥的干燥原理均为通过升高温度加速物料内部水分蒸发,尽管温度升高会抑制物料内的酶促褐变,但会加速非酶褐变反应的发生,导致物料颜色发生改变[23]。由图3C可知,真空冷冻干燥处理后的铁皮石斛a*为-1.94f0.08,为3 种干燥工艺处理后唯一绿色更明显的粉末,说明真空冷冻干燥对铁皮石斛呈色物质的破坏程度小于另两种干燥方式。
图4 不同干燥方式处理后的铁皮石斛粉
Fig.4 Dendrobium officinale stem powders obtained by different drying methods
图4 为3 种干燥方式处理后所得的铁皮石斛粉,也可以发现真空冷冻干燥所得铁皮石斛粉的色泽更好地得到保持,更接近新鲜铁皮石斛。
由图5A、B可知,热风干燥中,干燥温度对铁皮石斛多糖和总酚含量有显著影响(P<0.05),90 ℃干燥后的铁皮石斛多糖和总酚含量最高,分别为184.61 mg/g和6.67 mg/g;70 ℃和80 ℃处理后的铁皮石斛多糖含量分别为154.98 mg/g和130.53 mg/g,总酚含量分别为6.10 mg/g和5.96 mg/g。这是由于70~80 ℃的干燥时间过长,铁皮石斛多糖和总酚参与生化反应的程度越高[24];在不同温度的热风干燥处理后,铁皮石斛黄酮含量无显著性差异(图5C)。由于90 ℃、4 h的热风干燥可以在较短时间内完成干燥的同时,更好地保持铁皮石斛中的有效成分;因此,铁皮石斛最佳的热风干燥工艺应为90 ℃、4 h。
图5 热风干燥后铁皮石斛主要活性成分含量
Fig.5 Contents of main bioactive components in hot-air dried Dendrobium officinale stems
图6 不同功率微波间歇干燥后铁皮石斛主要活性成分含量
Fig.6 Effect of microwave power on contents of main bioactive components in Dendrobium officinale stems
由图6A可知,微波功率显著影响铁皮石斛中的多糖含量,在500、550、600 W功率下,铁皮石斛多糖含量分别为167.26、193.57 mg/g和182.44 mg/g,说明随着干燥时间的延长,铁皮石斛多糖含量下降;而不同功率的微波干燥对铁皮石斛黄酮和总酚的含量并无显著影响(图6B、C)。邹小琳等[25]的研究结果表明,由于微波具有较强的穿透力,加热时间短且加热均匀,对黄酮类化合物的破坏较小。为了更好地保留铁皮石斛中的多糖,且尽量缩短干燥时间,确定铁皮石斛微波干燥的适宜功率为550 W。
图7 不同间隔时间微波间歇干燥后铁皮石斛主要活性成分含量
Fig.7 Effect of time interval between two microwave treatments on main contents of bioactive components in Dendrobium officinale stems
由图7A可知,微波间歇干燥过程中,随着间歇时间的延长,铁皮石斛多糖和总酚的含量总体呈下降趋势;这是由于随着间隔时间的延长,微波间歇干燥所需的时间也会延长,导致多糖和总酚两种物质均会发生一定程度的反应,这与图5A、B所示结果一致。在间隔时间为30 s时,铁皮石斛多糖与总酚的含量最高,分别为195.35 mg/g和7.24 mg/g;在间隔时间为2 min时,多糖与总酚含量最低,分别为145.17 mg/g和5.64 mg/g,且铁皮石斛中多糖与总酚含量在间隔时间2 min与4 min时均无显著差异;间隔时间对黄酮含量并没有显著影响。当间隔时间为30 s时可以更好地保留铁皮石斛中的多糖与总酚;因此,铁皮石斛适宜的微波间歇干燥工艺为在550 W功率下间隔30 s,在该干燥工艺下铁皮石斛黄酮含量与热风干燥无明显差异,但其多糖和总酚含量明显高于热风干燥的铁皮石斛。
表1 真空冷冻干燥后铁皮石斛主要活性成分含量
Table1 Contents of bioactive components in vacuum freeze dried Dendrobium officinale stems
活性成分 多糖 总酚 黄酮含量/(mg/g)196.88f2.52 5.49f0.09 4.73f0.18
一般认为,真空冷冻干燥不会导致营养成分的损失,且有利于保持石斛的品质[26]。由表1可知,真空冷冻干燥与最佳工艺下的微波间歇干燥(550 W、间隔30 s)后得到的铁皮石斛多糖含量(195.35 mg/g)无明显差异,二者均高于90 ℃、4 h热风干燥(184.61 mg/g);但与最佳工艺下的微波间隙干燥和热风干燥组相比,真空冷冻干燥组的总酚及黄酮含量并未明显更高,这说明在最佳的热风干燥工艺和微波间歇干燥工艺下,铁皮石斛的总酚和黄酮均能得到较好的保持。虽然真空冷冻干燥耗时较长,但其干燥过程中隔绝氧气,可以减缓糖类物质生化反应的发生,而微波间歇干燥的速率更快,糖类物质的损失较少;因此,相比热风干燥,真空冷冻干燥和微波间歇干燥均可以较好地保存铁皮石斛中的多糖类物质,这与周伟等[27]的研究结果相符合。
由于铁皮石斛鲜条直径相近,在干燥时采取平铺的方式陈列,每平方米的干燥量相近,故以m2作为干燥单位进行计算。按照目前热风干燥、微波间歇干燥和真空冷冻干燥的市场平均价格进行成本核算(表2):热风干燥4.17 元/m2,微波间歇干燥6.4 元/m2,真空冷冻干燥24.9 元/m2,干燥成本热风干燥<微波间歇干燥<真空冷冻干燥,但微波间歇干燥的设备价格最低,一定程度上也可以降低干燥成本。因此,微波间歇干燥是一种相对经济的干燥方式,推广应用潜力较大。
表2 不同干燥方式的成本核算
Table2 Cost of different drying processes
干燥方式 生产公司 设备型号 价格/元 功率/kW 干燥时间设备 干燥量/m2总成本/(元/m2)热风干燥 天津市泰斯特仪器有限公司 DGF-5AB 51 000 12 4 h 11.52 4.17微波间歇干燥 上海赛涵机械设备有限公司 SH-500 13 000 2 48 min 0.25 6.4真空冷冻干燥 上海精学科学仪器有限公司 JK-FD-10N 280 000 23.5 11 h 10.38 24.9
热风干燥的最佳工艺参数为温度90 ℃、干燥4 h,所得铁皮石斛中,多糖、总酚及黄酮含量分别为184.61、6.67 mg/g和5.01 mg/g;微波间歇干燥的最佳工艺参数为:功率550 W,间隔30 s,干燥48 min,所得铁皮石斛中多糖、总酚及黄酮含量分别为195.35、7.24 mg/g和4.67 mg/g;真空冷冻干燥所需时间为11 h,所得铁皮石斛中,多糖、总酚及黄酮含量分别为196.88、5.49 mg/g和4.73 mg/g。在最佳工艺条件下,铁皮石斛平均干燥速率和最大干燥速率均为:微波间歇干燥>热风干燥>真空冷冻干燥。以上3 种干燥方法中,真空冷冻干燥对铁皮石斛颜色破坏程度最小。不同干燥工艺均可以发挥优势,如热风干燥有利于铁皮石斛黄酮类化合物的保留;微波间歇干燥可以在缩短干燥时间的同时,有效保留总酚及多糖类物质;真空冷冻干燥组石斛多糖含量较高,且更接近新鲜石斛的颜色。
综合成本进行分析,由于真空冷冻干燥耗时长,能耗大,且设备投资成本较高[28-29],因此适用于加工铁皮石斛高端产品,所得产品具有较好的感官品质;热风干燥及微波间歇干燥可用于铁皮石斛一般产品的加工,且微波间歇干燥的应用前景更佳。
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Effect of Different Drying Methods on Quality of Dendrobium off i cinale Stems