韓姝葶,王婉馨,袁國(guó)強(qiáng),昌?萍,董蘭營(yíng),王增利,*
(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院,北京 100083;2.北京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,北京 100083;3.北京嘉萬成生物科技有限公司,北京 102600)
鐵皮石斛(Dendrobium officinale)又名“黑節(jié)草”,是蘭科石斛屬植物,因其莖呈鐵綠色而得名[1-2]。其具有“益胃生津、滋陰清熱[3]”、“主傷中,除痹下氣,補(bǔ)五臟虛勞羸瘦,強(qiáng)陰,久服厚腸胃[4]”等功效,在我國(guó)藥用歷史悠久,是一類珍貴的藥用植物。現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn),鐵皮石斛中含有如多糖、生物堿、黃酮、多酚等豐富的生物活性物質(zhì),具有抗腫瘤、抗氧化、預(yù)防糖尿病、調(diào)節(jié)免疫力、保護(hù)神經(jīng)系統(tǒng)等多種功效[5-11]。
鐵皮石斛為多年生常綠草本植物,在我國(guó)主要分布在福建、云南、海南、臺(tái)灣、廣西等熱帶和亞熱帶地區(qū),需溫度適中、潮濕多霧的生長(zhǎng)環(huán)境[12],但這些地區(qū)溫?zé)岢睗瘢F皮石斛保存不當(dāng)時(shí)易霉變[13],且在石斛鮮條中依然進(jìn)行著諸多生化反應(yīng),植物體將不斷水解多糖以用于能量供應(yīng)[14];因此,需將鐵皮石斛干燥儲(chǔ)存。由于鐵皮石斛莖結(jié)構(gòu)獨(dú)特,難以自然陰干,古人將鐵皮石斛干制為“鐵皮楓斗”,即鐵皮石斛采收、除去雜質(zhì)后,剪去部分須根,加熱的同時(shí)將鐵皮石斛莖扭呈螺旋狀或彈簧狀[3],此法歷史悠久,但耗時(shí)耗力、成本頗高,不利于鐵皮石斛的大規(guī)模推廣。因此,本實(shí)驗(yàn)以目前常見的3 種干燥方法——真空冷凍干燥、微波間歇干燥及熱風(fēng)干燥[15]對(duì)鐵皮石斛鮮條進(jìn)行處理,在研究干燥方法對(duì)鐵皮石斛干燥速率影響的同時(shí),從成品色差和主要活性成分兩個(gè)角度對(duì)鐵皮石斛品質(zhì)進(jìn)行分析,確定適宜干燥工藝的同時(shí),為鐵皮石斛現(xiàn)代加工技術(shù)的開發(fā)提供參考。
實(shí)驗(yàn)所用材料種源來自浙江大學(xué)‘圣蘭八號(hào)’品種,編號(hào)為S95,為兩年生鐵皮石斛鮮條,試樣去除雜質(zhì)、切成1 cm小段后備用。
石斛堿 美國(guó)Sigma公司;苯酚、濃硫酸 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
FD-1A-50真空冷凍干燥機(jī) 北京傅醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;UV-5200紫外-可見分光光度計(jì) 上海元析有限公司;FXB101-1干燥箱 上海樹立儀器有限公司;ADDI色差儀 北京辰泰克儀器技術(shù)有限責(zé)任公司。
1.3.1 干燥工藝
熱風(fēng)干燥:取鐵皮石斛(50.0f0.1)g均勻平鋪于托盤,在風(fēng)溫70、80、90、100 ℃下分別進(jìn)行干燥,每30 min測(cè)定樣品質(zhì)量。
微波間歇干燥:首先確定微波間歇加熱的加工功率,取經(jīng)預(yù)處理的鐵皮石斛(50.0f0.1)g平鋪于托盤,置于微波爐中,選取微波功率分別為500、550、600 W,微波加熱間隔時(shí)間為30 s,每2 min測(cè)定樣品質(zhì)量。在確定微波間歇干燥功率后,分別在間歇時(shí)間為30 s和1、2、4 min的條件下進(jìn)行干燥。
真空冷凍干燥:取經(jīng)預(yù)處理的鐵皮石斛(50.0f0.1)g,放入-80?℃冰箱預(yù)冷1 h后平鋪于托盤,置于真空冷凍干燥機(jī)中,在真空度600 Pa、冷凍溫度-56?℃的條件下進(jìn)行干燥,每1 h測(cè)定樣品質(zhì)量。
當(dāng)干基水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于12%時(shí),取出樣品,粉碎備用,分析不同條件下鐵皮石斛的干燥過程及干燥品質(zhì)。
1.3.2 指標(biāo)測(cè)定
1.3.2.1 水分比、干燥速率的測(cè)定
參照GB 5009.3ü2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)?食品中水分的測(cè)定》,采用直接干燥法測(cè)定水分含量。
按式(1)計(jì)算水分比(moisture ratio,MR)[16]。
式中:Mt為t時(shí)刻的干基水分含量/(g/g);Me為干燥到平衡時(shí)的干基水分含量/(g/g);M0為初始干基水分含量/(g/g)。
按式(2)計(jì)算干燥速率(drying rate,DR)[17]。
式中:M1、M2分別為t1、t2時(shí)刻的干基水分含量(g/g);對(duì)于熱風(fēng)、真空冷凍干燥,t1、t2單位為h,DR單位為g/(gg h);對(duì)于微波間歇干燥,t1、t2單位為min,DR單位為g/(gg min)。
1.3.2.2 色差的測(cè)定
將干燥后的鐵皮石斛磨成粉末,采用色差儀測(cè)定鐵皮石斛粉L*、a*、b*值;其中,L*值表示樣品明度,L*值越大,樣品越亮;a*值表示紅綠色度,正數(shù)值越大,樣品越偏紅色,負(fù)數(shù)值越大,樣品越偏綠色;b*值表示黃藍(lán)色度,正數(shù)值越大,樣品越偏黃色,負(fù)數(shù)值越大,樣品越偏藍(lán)色。
1.3.2.3 多糖含量的測(cè)定
多糖含量的測(cè)定參考范傳潁等[18]的方法,并略作修改。
標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制:配制1.0 mg/mL的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液,吸取0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 mL標(biāo)準(zhǔn)溶液定容至10 mL,取1.0 mL稀釋至4 mL,各加入5 g/mL苯酚溶液1.0 mL、濃硫酸7.0 mL,沸水浴10 min后冷卻,測(cè)定其在490 nm波長(zhǎng)處吸光度,并以蒸餾水作空白對(duì)照,以葡萄糖溶液質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)、吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。
鐵皮石斛多糖的提取及測(cè)定:取干燥后的鐵皮石斛磨粉、過篩,取0.1 g加入10 mL、體積分?jǐn)?shù)80%的乙醇溶液于25 ℃浸提6 h后抽濾,并用體積分?jǐn)?shù)80%的乙醇溶液洗滌,收集沉淀,向收集的沉淀中加入20 mL蒸餾水,超聲30 min后過濾,收集濾液并將濾渣溶入水中,繼續(xù)超聲3 次,合并濾液待測(cè)。取1 mL待測(cè)液按照標(biāo)準(zhǔn)溶液中多糖含量的測(cè)定方法進(jìn)行操作,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算鐵皮石斛中的多糖含量。
1.3.2.4 總酚含量的測(cè)定
總酚含量的測(cè)定參考李娟等[19]的方法,并略作修改。
標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制:配制1.0 mg/mL的沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)溶液,量取0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 mL標(biāo)準(zhǔn)溶液分別定容至10 mL,各取3 mL于試管中,依次加入5.0 mL去離子水,3.5 mL體積分?jǐn)?shù)7.5%碳酸鈉溶液,1 mL體積分?jǐn)?shù)10%福林-酚溶液,搖勻后45 ℃水浴加熱90 min,冷卻后測(cè)定其在760 nm波長(zhǎng)處吸光度,并以蒸餾水為空白對(duì)照,以沒食子標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),以吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。
鐵皮石斛總酚的提取及含量測(cè)定:干燥后的鐵皮石斛磨粉、過篩,取0.1 g以10 mL、體積分?jǐn)?shù)80%甲醇溶液在室溫下浸提2 h,過濾,5 000 r/min離心10 min,取上清液用體積分?jǐn)?shù)80%的甲醇溶液補(bǔ)足至25 mL待測(cè)。取3 mL待測(cè)液按照標(biāo)準(zhǔn)溶液中總酚含量測(cè)定方法進(jìn)行操作,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算鐵皮石斛中總酚的含量。
1.3.2.5 黃酮含量的測(cè)定
黃酮含量的測(cè)定參考張露月等[20]的方法,并略作修改。
標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制:配制0.1 mg/mL的蘆丁標(biāo)準(zhǔn)溶液,量取5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0 mL標(biāo)準(zhǔn)溶液于10 mL容量瓶中,用體積分?jǐn)?shù)70%的乙醇溶液定容,各取1 mL上述各質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液,每隔6 min依次加入0.3 mL 0.05 g/mL亞硝酸鈉溶液、0.3 mL 0.1 g/mL硝酸鋁溶液、2 mL 0.04 g/mL氫氧化鈉溶液,室溫反應(yīng)15 min后測(cè)定其在510 nm波長(zhǎng)處吸光度,以體積分?jǐn)?shù)70%乙醇作空白對(duì)照,以蘆丁標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),吸光度為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。
鐵皮石斛黃酮的提取及含量測(cè)定:干燥后的鐵皮石斛磨粉、過篩,稱取0.2 g加入10 mL、體積分?jǐn)?shù)70%乙醇溶液,60 ℃水浴浸提3 h后過濾,收集濾液,并用體積分?jǐn)?shù)70%乙醇溶液補(bǔ)足至25 mL待測(cè),取3 mL待測(cè)液按標(biāo)準(zhǔn)溶液中黃酮含量的測(cè)定方法進(jìn)行操作,根據(jù)蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算鐵皮石斛中的黃酮含量。
采用Excel 2016軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理,并繪制曲線,采用SPSS 22軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。不同的樣品數(shù)據(jù)使用LSD及Tukey顯著差異法進(jìn)行分析,P<0.05表示差異顯著。
圖1 不同干燥工藝下鐵皮石斛的干燥曲線Fig.1 Drying curves of Dendrobium officinale stems during different drying processes
由圖1A可知,鐵皮石斛的干燥時(shí)間隨著干燥溫度的升高而縮短,在干燥溫度分別為70、80、90、100 ℃時(shí),干燥時(shí)間分別為14、7、4 h和2.5 h,溫度對(duì)干燥時(shí)間影響顯著(P<0.05);但熱風(fēng)干燥溫度升高的同時(shí),其能耗也逐漸加大[21]。
由圖1B1可知,微波功率為500 W時(shí),干燥時(shí)間最長(zhǎng),為64 min,在550、600 W的微波功率下,干燥時(shí)間分別為48 min和54 min,無明顯差異。由于微波功率為550 W時(shí)鐵皮石斛干燥時(shí)間最短,因此本實(shí)驗(yàn)在550 W功率下,對(duì)不同間隔時(shí)間下微波干燥鐵皮石斛的時(shí)間進(jìn)行分析研究。由圖1B2可知,干燥功率一定(550 W)時(shí),隨著間隔時(shí)間的延長(zhǎng),干燥時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng),當(dāng)間隔30 s和1、2、4 min時(shí),干燥時(shí)間分別為48、60、62 min和68 min,其中,間隔1 min與間隔2 min的曲線無明顯差異;張黎驊等[22]的研究結(jié)果表明,當(dāng)功率一定時(shí),間歇時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致物料溫度降低,干燥效率下降,能耗增高。
由圖1C可知,采用真空冷凍干燥法干燥鐵皮石斛所需時(shí)間為11 h,相比微波間歇干燥和80、90、100 ℃熱風(fēng)干燥,其耗時(shí)更久。圖1所有的干燥曲線均為前期陡直、后期趨于平緩的曲線。
圖2 不同干燥方式下鐵皮石斛的干燥速率曲線Fig.2 Drying rate curves of Dendrobium officinale stems during different drying processes
由圖2可知,在不同干燥方式下,鐵皮石斛的干燥速率均在初期快速上升,達(dá)峰值后逐漸下降,干燥主要發(fā)生在降速干燥階段。由圖2A可知,當(dāng)采用熱風(fēng)干燥進(jìn)行處理時(shí),不同溫度下的鐵皮石斛干燥速率均在0.5 h達(dá)到峰值,70、80、90 ℃和100 ℃的最大干燥速率分別為2.44、3.26、3.44、4.65 g/(gg h),熱風(fēng)干燥過程中未出現(xiàn)明顯的恒速干燥。由圖2B1可知,在550、600 W的微波功率下,鐵皮石斛的干燥速率并無明顯差異,其最大干燥速率分別為0.42、0.43 g/(gg min),當(dāng)干燥功率為500 W時(shí),最大干燥速率最小,為0.29 g/(gg min)。由圖2B2可知,當(dāng)微波干燥的功率一定(550 W)時(shí),鐵皮石斛的最大干燥速率不受間隔時(shí)間的影響,均在0.41 g/(gg min)左右。由圖2C可知,當(dāng)采用真空冷凍干燥進(jìn)行處理時(shí),鐵皮石斛的干燥速率在干燥1 h左右即達(dá)峰值,其最大干燥速率為1.86 g/(gg h),隨后干燥速率逐漸降低。
圖3 干燥方式對(duì)鐵皮石斛色差值的影響Fig.3 Effect of different drying methods on color of Dendrobium officinale stems
由圖3A可知,在不同溫度干燥后,鐵皮石斛的L*值未出現(xiàn)顯著差異,但鐵皮石斛的a*值和b*值均隨溫度升高先升高后降低,說明80~100 ℃干燥時(shí),破壞了鐵皮石斛中的葉綠素等呈色物質(zhì),使鐵皮石斛粉末的顏色逐漸偏紅、偏黃,呈現(xiàn)黃綠色;由圖3B1、B2可知,經(jīng)不同功率、不同間隔時(shí)間微波間歇加熱處理后,鐵皮石斛顏色無顯著性差異,在微波間歇干燥工藝下,鐵皮石斛會(huì)發(fā)生褐變,粉末呈暗黃綠色。熱風(fēng)干燥和微波間歇干燥的干燥原理均為通過升高溫度加速物料內(nèi)部水分蒸發(fā),盡管溫度升高會(huì)抑制物料內(nèi)的酶促褐變,但會(huì)加速非酶褐變反應(yīng)的發(fā)生,導(dǎo)致物料顏色發(fā)生改變[23]。由圖3C可知,真空冷凍干燥處理后的鐵皮石斛a*為-1.94f0.08,為3?種干燥工藝處理后唯一綠色更明顯的粉末,說明真空冷凍干燥對(duì)鐵皮石斛呈色物質(zhì)的破壞程度小于另兩種干燥方式。
圖4 不同干燥方式處理后的鐵皮石斛粉Fig.4 Dendrobium officinale stem powders obtained by different drying methods
圖4 為3?種干燥方式處理后所得的鐵皮石斛粉,也可以發(fā)現(xiàn)真空冷凍干燥所得鐵皮石斛粉的色澤更好地得到保持,更接近新鮮鐵皮石斛。
由圖5A、B可知,熱風(fēng)干燥中,干燥溫度對(duì)鐵皮石斛多糖和總酚含量有顯著影響(P<0.05),90 ℃干燥后的鐵皮石斛多糖和總酚含量最高,分別為184.61 mg/g和6.67 mg/g;70 ℃和80 ℃處理后的鐵皮石斛多糖含量分別為154.98 mg/g和130.53 mg/g,總酚含量分別為6.10 mg/g和5.96 mg/g。這是由于70~80 ℃的干燥時(shí)間過長(zhǎng),鐵皮石斛多糖和總酚參與生化反應(yīng)的程度越高[24];在不同溫度的熱風(fēng)干燥處理后,鐵皮石斛黃酮含量無顯著性差異(圖5C)。由于90 ℃、4 h的熱風(fēng)干燥可以在較短時(shí)間內(nèi)完成干燥的同時(shí),更好地保持鐵皮石斛中的有效成分;因此,鐵皮石斛最佳的熱風(fēng)干燥工藝應(yīng)為90 ℃、4 h。
圖5 熱風(fēng)干燥后鐵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
圖6 不同功率微波間歇干燥后鐵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
由圖6A可知,微波功率顯著影響鐵皮石斛中的多糖含量,在500、550、600 W功率下,鐵皮石斛多糖含量分別為167.26、193.57 mg/g和182.44 mg/g,說明隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng),鐵皮石斛多糖含量下降;而不同功率的微波干燥對(duì)鐵皮石斛黃酮和總酚的含量并無顯著影響(圖6B、C)。鄒小琳等[25]的研究結(jié)果表明,由于微波具有較強(qiáng)的穿透力,加熱時(shí)間短且加熱均勻,對(duì)黃酮類化合物的破壞較小。為了更好地保留鐵皮石斛中的多糖,且盡量縮短干燥時(shí)間,確定鐵皮石斛微波干燥的適宜功率為550 W。
圖7 不同間隔時(shí)間微波間歇干燥后鐵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
由圖7A可知,微波間歇干燥過程中,隨著間歇時(shí)間的延長(zhǎng),鐵皮石斛多糖和總酚的含量總體呈下降趨勢(shì);這是由于隨著間隔時(shí)間的延長(zhǎng),微波間歇干燥所需的時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng),導(dǎo)致多糖和總酚兩種物質(zhì)均會(huì)發(fā)生一定程度的反應(yīng),這與圖5A、B所示結(jié)果一致。在間隔時(shí)間為30 s時(shí),鐵皮石斛多糖與總酚的含量最高,分別為195.35 mg/g和7.24 mg/g;在間隔時(shí)間為2 min時(shí),多糖與總酚含量最低,分別為145.17 mg/g和5.64 mg/g,且鐵皮石斛中多糖與總酚含量在間隔時(shí)間2 min與4 min時(shí)均無顯著差異;間隔時(shí)間對(duì)黃酮含量并沒有顯著影響。當(dāng)間隔時(shí)間為30 s時(shí)可以更好地保留鐵皮石斛中的多糖與總酚;因此,鐵皮石斛適宜的微波間歇干燥工藝為在550 W功率下間隔30 s,在該干燥工藝下鐵皮石斛黃酮含量與熱風(fēng)干燥無明顯差異,但其多糖和總酚含量明顯高于熱風(fēng)干燥的鐵皮石斛。
表1 真空冷凍干燥后鐵皮石斛主要活性成分含量Table1 Contents of bioactive components in vacuum freeze dried Dendrobium officinale stems
一般認(rèn)為,真空冷凍干燥不會(huì)導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)成分的損失,且有利于保持石斛的品質(zhì)[26]。由表1可知,真空冷凍干燥與最佳工藝下的微波間歇干燥(550 W、間隔30 s)后得到的鐵皮石斛多糖含量(195.35 mg/g)無明顯差異,二者均高于90 ℃、4 h熱風(fēng)干燥(184.61 mg/g);但與最佳工藝下的微波間隙干燥和熱風(fēng)干燥組相比,真空冷凍干燥組的總酚及黃酮含量并未明顯更高,這說明在最佳的熱風(fēng)干燥工藝和微波間歇干燥工藝下,鐵皮石斛的總酚和黃酮均能得到較好的保持。雖然真空冷凍干燥耗時(shí)較長(zhǎng),但其干燥過程中隔絕氧氣,可以減緩糖類物質(zhì)生化反應(yīng)的發(fā)生,而微波間歇干燥的速率更快,糖類物質(zhì)的損失較少;因此,相比熱風(fēng)干燥,真空冷凍干燥和微波間歇干燥均可以較好地保存鐵皮石斛中的多糖類物質(zhì),這與周偉等[27]的研究結(jié)果相符合。
由于鐵皮石斛鮮條直徑相近,在干燥時(shí)采取平鋪的方式陳列,每平方米的干燥量相近,故以m2作為干燥單位進(jìn)行計(jì)算。按照目前熱風(fēng)干燥、微波間歇干燥和真空冷凍干燥的市場(chǎng)平均價(jià)格進(jìn)行成本核算(表2):熱風(fēng)干燥4.17 元/m2,微波間歇干燥6.4 元/m2,真空冷凍干燥24.9 元/m2,干燥成本熱風(fēng)干燥<微波間歇干燥<真空冷凍干燥,但微波間歇干燥的設(shè)備價(jià)格最低,一定程度上也可以降低干燥成本。因此,微波間歇干燥是一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)的干燥方式,推廣應(yīng)用潛力較大。
表2 不同干燥方式的成本核算Table2 Cost of different drying processes
熱風(fēng)干燥的最佳工藝參數(shù)為溫度90 ℃、干燥4 h,所得鐵皮石斛中,多糖、總酚及黃酮含量分別為184.61、6.67 mg/g和5.01 mg/g;微波間歇干燥的最佳工藝參數(shù)為:功率550 W,間隔30 s,干燥48 min,所得鐵皮石斛中多糖、總酚及黃酮含量分別為195.35、7.24 mg/g和4.67 mg/g;真空冷凍干燥所需時(shí)間為11 h,所得鐵皮石斛中,多糖、總酚及黃酮含量分別為196.88、5.49 mg/g和4.73 mg/g。在最佳工藝條件下,鐵皮石斛平均干燥速率和最大干燥速率均為:微波間歇干燥>熱風(fēng)干燥>真空冷凍干燥。以上3?種干燥方法中,真空冷凍干燥對(duì)鐵皮石斛顏色破壞程度最小。不同干燥工藝均可以發(fā)揮優(yōu)勢(shì),如熱風(fēng)干燥有利于鐵皮石斛黃酮類化合物的保留;微波間歇干燥可以在縮短干燥時(shí)間的同時(shí),有效保留總酚及多糖類物質(zhì);真空冷凍干燥組石斛多糖含量較高,且更接近新鮮石斛的顏色。
綜合成本進(jìn)行分析,由于真空冷凍干燥耗時(shí)長(zhǎng),能耗大,且設(shè)備投資成本較高[28-29],因此適用于加工鐵皮石斛高端產(chǎn)品,所得產(chǎn)品具有較好的感官品質(zhì);熱風(fēng)干燥及微波間歇干燥可用于鐵皮石斛一般產(chǎn)品的加工,且微波間歇干燥的應(yīng)用前景更佳。