高大鹿藥噴霧干燥粉制備工藝及抗氧化研究

胡祥，闞歡，胡海燕，趙李寧，劉云，*

（1.西南林業(yè)大學園林園藝學院，云南昆明650224；2.西南林業(yè)大學生命科學學院，云南昆明650224；3.云南寧茂環(huán)境科技有限公司，云南昆明650100）

高大鹿藥（Smilacina atropurpurea）又稱竹葉菜，系百合科的一種藥食兩用多年生草本植物[1]，在我國主要分布于海拔2 100米至4 000米的云南西北部、四川東南部及西藏地區(qū)[2]。高大鹿藥營養(yǎng)物質豐富，富含多種微量元素及人體不能合成的氨基酸[3-4]，其幼苗是深受滇西北地區(qū)人們喜愛的野生蔬菜，且碳水化合物和脂肪含量很低，可作為減肥產品[2，5-6]。高大鹿藥含有豐富的活性物質，主要是甾體皂苷和核苷類抗癌活性成分[7]，還具有補腎壯陽、活血祛瘀、祛風止痛的藥效[8]，是很好的保健食品。

國內外對高大鹿藥的研究主要集中在栽培、保鮮、儲藏及其根莖中皂苷化合物等方面的研究，在食品開發(fā)利用方面的研究鮮有報道。桂明英[2-3]測定了云南省中甸縣高大鹿藥的營養(yǎng)成分，比較了不同處理方式營養(yǎng)成分的差異。張曦[5]運用對比樣方帶和線性回歸分析了人為干擾是高大鹿藥種群特征變化重要因素之一。楊順麗[9-11]從高大鹿藥地上部分甲醇提取物中分離出14個化合物，且總提取物對K562細胞生長有顯著的抑制作用。張影[12-14]從高大鹿藥地下部分分離出10個甾體皂苷，9個為新化合物，有3個能抑制真菌。趙淑杰[15]從Smilacina japonica中分離出一種新化合物，這種化合物具有抑制人肺腺癌SPC-A-1細胞生長的活性。

噴霧干燥技術在食品中的應用使得許多果蔬的價值得以大大體現(xiàn)[16-17]。近年來，有學者采用噴霧干燥技術制備果蔬粉[18]和提取物速溶粉[19-21]，但應用噴霧干燥技術在高大鹿藥提取物加工方面的研究還未見報道。本研究以采自云南怒江州的高大鹿藥為原料，測定其主要的的營養(yǎng)成分，并通過提取、濃縮、噴霧干燥等工藝，采用單因素及正交試驗確定高大鹿藥噴霧干燥粉的最優(yōu)制備工藝條件，并對其進行抗氧化活性分析，為高大鹿藥的開發(fā)和利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

高大鹿藥：采自云南省怒江州貢山縣。樣品45℃烘干粉碎，過60目篩，取篩下樣品，4℃密封保存。

維生素C：廣東光華科技股份有限公司；DPPH試劑、ABTS+試劑、95%乙醇：天津市致遠化學試劑有限公司，以上試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

超聲波清洗器（SG5200HDT）：上海冠特超聲儀器有限公司；EYELA旋轉蒸發(fā)儀（N-1001）、冷卻水循環(huán)裝置（CA-1111）：日本東京理化器械有限公司；數(shù)顯電熱鼓風干燥箱（DGH-9140A）：上海一恒科學儀器有限公司；電子天平（CP224C）：上海奧豪斯儀器有限公司；紫外可見分光光度計（UV-2600）：島津儀器（蘇州）有限公司；噴霧干燥機（B-290BUCHI）：瑞士步琦有限公司。

1.3 高大鹿藥營養(yǎng)成分測定及方法

氨基酸含量：參照國標GB/T 5009.124-2016《食品安全國家標準食品中氨基酸的測定》的方法進行測定[22]。礦質元素含量：參照國標NY/T 1653-2008《蔬菜、水果及制品中礦質元素的測定》的方法進行測定[23]。蛋白質含量：GB 5009.5-2010《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》的方法進行測定[24]。水分含量：GB 5009.3-2010《食品安全國家標準食品中水分的測定》的方法進行測定[25]。脂肪含量：GB/T 5009.6-2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》的方法進行測定[26]?？偦曳趾浚篏B 5009.4-2010《食品安全國家標準食品中灰分的測定》的方法進行測定[27]。

1.4 高大鹿藥噴霧干燥粉制備工藝條件優(yōu)化試驗

1.4.1 噴霧干燥粉制備工藝流程及操作要點

1.4.1.1 工藝流程

高大鹿藥粉末→超聲波提取→收集提取液→濃縮→噴霧干燥→包裝

1.4.1.2 操作要點

1）超聲波提?。焊鶕?jù)前期研究基礎，以料水比1 ∶50（g/mL）、超聲功率 400 W、超聲時間 50 min、超聲溫度50℃進行提取。

2）濃縮：用旋轉蒸發(fā)儀濃縮提取液，以可溶性固形物為指標，濃縮至噴霧干燥所需的濃縮液濃度。

3）噴霧干燥：根據(jù)前期研究基礎，以200 mL濃縮液為基量，出風溫度為80℃，β-環(huán)糊精作為助干劑添加量7 g/100 mL、濃縮液濃度10%、進風溫度220℃和進料速度14 mL/min進行。

1.4.2 單因素試驗

以出粉率為評價指標，考察噴霧干燥過程中助干劑的添加量、濃縮液濃度、進料速度和進風溫度等對出粉率的影響。

式中：m1為收集到的噴霧干燥粉，g；m2為高大鹿藥粉質量，g；m3為助干劑添加量，g。

1.4.2.1 助干劑添加量對出粉率的影響

量取濃度為20%的高大鹿藥提取物濃縮液200 mL，設置進樣速度為20 mL/min，進風溫度220℃，助干劑的添加量依次為 10、12、14、16、18 g，將其充分溶于水后加入濃縮液中，考察助干劑添加量對出粉率的影響。

1.4.2.2 濃縮液濃度對出粉率的影響

設置噴霧干燥機進風溫度220℃，進樣速度為20 mL/min，助干劑的添加量參照1.4.2.1中的最佳值，200 mL濃縮液濃度依次為5%、10%、15%、20%、25%，考察濃縮液濃度對出粉率的影響。

1.4.2.3 進風溫度對出粉率的影響

以1.4.2.1中的助干劑的添加量，1.4.2.2中的最佳濃縮液濃度為基準，量取高大鹿藥可溶性物質濃縮液200 mL，進樣速度設置為20 mL/min，設置進風溫度依次為 160、180、200、220、240 ℃，考察進風溫度對出粉率的影響。

1.4.2.4 進樣速度對出粉率的影響

以上述中最佳助干劑的添加量、濃縮液濃度以及進風溫度，設置進樣速度為 10、15、20、25、30 mL/min，考察進樣速度對出粉率的影響。

1.4.3 正交試驗

根據(jù)單因素試驗所得到的結果，選擇助干劑的添加量、濃縮液濃度、進風溫度、進料速度4個因素，采用L9（34）設計正交試驗。根據(jù)正交試驗得到的數(shù)據(jù)，確定高大鹿藥噴霧干燥粉制備的最佳工藝條件。

各因素的水平值如表1。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Orthogonal test factor level table

1.4.4 驗證試驗

正交試驗得到的最佳因素組合，應通過驗證試驗來進一步驗證所得到的工藝參數(shù)是否可靠。進行3次重復試驗，將重復試驗的結果與正交試驗得到的結果進行比較，直觀地分析出工藝條件的可靠性。

1.5 高大鹿藥噴霧干燥粉抗氧化活性分析

1.5.1 DPPH自由基清除試驗

將樣品溶液稀釋到目標濃度梯度以后，精確吸取2 mL不同濃度的樣品溶液加至具塞刻度試管中，再加入2 mL DPPH溶液，搖勻，于37℃水浴保溫反應30 min后取出，在517 nm處測其吸光度值AS，空白組用蒸餾水替換樣品，并在517 nm處測其吸光度值AC。配置和樣品溶液相同濃度的維生素C溶液，重復上述試驗并記錄[28-29]。

1.5.2 羥基自由基的清除試驗

將樣品溶液稀釋至目標濃度梯度后，向具塞刻度試管中依次加入9 mmol/L水楊酸1 mL，0.75 mmol/L硫酸亞鐵溶液1 mL，不同目標濃度樣品溶液1 mL，0.01%H2O2溶液1 mL以及4 mL的蒸餾水，總反應體系的體積為8 mL，避光反應37℃反應30 min后取出用紫外分光光度計在510 nm處測量并記錄吸光度值為AX，以無水乙醇代替樣品液作空白，等量無水乙醇替代水楊酸-乙醇溶液作對照，在510 nm處分別測量吸光值A0和Ax0。配置和樣品溶液相同濃度的維生素C溶液，重復上述試驗并記錄[28，30]。

1.5.3 ABTS+自由基清除試驗

將樣品溶液稀釋至目標濃度梯度，去0.1 mL樣品稀釋液與3.9 mL ABTS+工作液避光反應7 min后，用70%乙醇空白對照，用紫外分光光度計測定734 nm處吸光度值為Ax，用蒸餾水代替樣品，測得的吸光度值為A0，調零組為70%的乙醇。配置和樣品溶液相同濃度的維生素C溶液重復上述試驗并記錄[28，31]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

成分分析所得試驗數(shù)據(jù)均有測定設備自帶軟件自動輸出，正交試驗設計及結果分析采用latin正交軟件助手處理，所用圖表的繪制均采用office2016軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 高大鹿藥主要營養(yǎng)成分

2.1.1 氨基酸的組成測定

高大鹿藥氨基酸含量見表2。

表2 高大鹿藥氨基酸含量Table 2 Amino acid contents of Smilacina atropurpurea

2.1.2 礦質元素的含量測定

高大鹿藥礦質元素含量見表3。

表3 高大鹿藥礦質元素含量Table 3 Mineral element content of Smilacina atropurpurea

2.1.3 其他成分的含量測定

高大鹿藥其他營養(yǎng)成分含量見表4。

表4 高大鹿藥其他營養(yǎng)成分含量Table 4 The major nutritional components of Smilacina atropurpurea

由表2、3、4可知，高大鹿藥營養(yǎng)物質豐富，已檢測的氨基酸總量14.99%，含有20種氨基酸的17種，必需氨基酸有7種。礦物質元素含量也比較可觀，K高Na低，很適合高血壓人群，微量元素Fe、Mn、Zn含量較高。干品中蛋白質有42.10%、總碳水化合物42.79%，具有很大開發(fā)價值。

2.2 高大鹿藥噴霧干燥粉制備工藝條件優(yōu)化試驗

2.2.1 單因素試驗

2.2.1.1 助干劑添加量對出粉率的影響

助干劑添加量對出粉率的影響見圖1。

由圖1可知，隨著助干劑添加量的增加，高大鹿藥的出粉率呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，在助干劑添加量為14 g時達最大值27.93%，在此之后隨著助干劑添加量的增加出粉率反而下降，很可能是適當?shù)奶砑恿靠梢蕴岣叱龇勐?，但當添加量過多時，濃縮液黏度發(fā)生變化，從而影響了噴霧干燥效果，所以選擇12、14、16 g進行正交優(yōu)化試驗。

圖1 助干劑添加量對出粉率的影響Fig.1 The influence of the amount of dry aid on the output of powder

2.2.1.2 濃縮液濃度對出粉率的影響

濃縮液濃度對出粉率的影響見圖2。

圖2 濃縮液濃度對出粉率的影響Fig.2 The influence of material concentration on the output of powder

由圖2可知，在濃縮液濃度小于10%時，隨著濃縮液濃度的增加，出粉率也增加，可能是因為此時含水量比較高，可溶性固形物濃度比較低；在濃縮液濃度大于10%時呈現(xiàn)下降的趨勢，此時可溶性固形物較高，含水量低，可能會出現(xiàn)粘璧，減緩進料速度，從而導致出粉率下降的情況；在濃縮液濃度為10%時，出粉率達到最大值28.8%。綜合考慮，選取5%、10%、15%的濃縮液濃度進行正交優(yōu)化試驗。

2.2.1.3 進風溫度對出粉率的影響

進風溫度對出粉率的影響見圖3。

圖3 進風溫度對出粉率的影響Fig.3 The influence of inlet air temperature on the output of powder

由圖3可知，隨著進風溫度的增加，出粉率呈現(xiàn)出大幅度的上升趨勢并且還有繼續(xù)上升的可能，但在溫度為220℃時，出粉率的變化逐漸變小，繼續(xù)升高溫度，出粉率可能會出現(xiàn)下降趨勢。可能是溫度低時，水分尚未蒸發(fā)，粘璧現(xiàn)象較為嚴重，而溫度較高時，里面的糖分融化，粉末相互黏結，甚至粘璧，所以出粉率低?？悸实缴a成本，高溫對設備損耗和噴霧干燥粉品質等問題，遂選取200、210、220℃進行正交優(yōu)化試驗。

2.2.1.4 進料速度對出粉率的影響

進料速度對出粉率的影響見圖4。

圖4 進料速度對出粉率的影響Fig.4 The influence of feed speed on the output of powder

由圖4可知，從出粉率的變動趨勢來看，隨著進料速度的增加，出粉率一直在減小且減小幅度一直在不斷增大，可能是進料速度加快時受熱不均勻，水分揮發(fā)不徹底，出現(xiàn)粘璧現(xiàn)象；進料速度在10 mL/min時出粉率達最大值，如果繼續(xù)降低進料速度，出粉率還有增大的趨勢，但增幅減小?？紤]到生產成本，為了節(jié)省時間，加快生產進程，遂選取10、15、20 mL/min進行正交優(yōu)化試驗。

2.2.2 正交試驗

高大鹿藥噴霧干燥出粉率的正交試驗結果見表5。

續(xù)表5 高大鹿藥噴霧干燥出粉率的正交試驗結果Continue table 5 Orthogonal test results of spray drying rate of Smilacina atropurpurea

對不同試驗組合的綜合評價結果進行極差分析，結果表明：各因素對高大鹿藥提取物出粉率的影響的主次順序為：A＞C＞B＞D，最佳配方組合為 A1B2C3D1，即依次加入12 g的助干劑，10%的可溶性物質濃縮液，設置進風溫度為220℃，進料速度為10 mL/min對高大鹿藥提取物進行噴霧干燥。

2.2.3 驗證試驗

依據(jù)正交試驗進行驗證試驗，按最佳配方組合為：A1B2C3D1，進行3次平行試驗，出粉率為29.87%，符合正交試驗試驗結果，可得出L9（34）正交法得到的高大鹿藥噴霧干燥粉出粉率的工藝參數(shù)具有客觀實用價值。

2.3 高大鹿藥噴霧干燥粉抗氧化活性分析

2.3.1 DPPH自由基清除能力測定

噴霧干燥粉與VC對DPPH自由基清除效果見圖5。

圖5 噴霧干燥粉與VC對DPPH自由基清除效果Fig.5 The DPPH free radical scavenging effect of spray drying powder and VC

由圖5中可以看出，樣品對DPPH自由基的清除效果不如VC，但是考慮到VC的純度和樣品中雜質較多，故高大鹿藥噴霧干燥粉的抗氧化性效果良好，從圖中可以看出DPPH自由基的清除能力隨著高大鹿藥噴霧干燥粉溶液的質量濃度增加而增加，高大鹿藥噴霧干燥粉對DPPH自由基清除率的IC50根據(jù)公式計算可得到為 92.594 μg/mL。

2.3.2 羥基自由基清除能力測定

噴霧干燥粉與VC對羥基自由基清除效果見圖6。

圖6 噴霧干燥粉與VC對羥基自由基清除效果Fig.6 The hydroxyl free radical scavenging effect of spray drying powder and VC

由圖6可以看出，高大鹿藥噴霧干燥粉清除羥基自由基的能力隨著濃度的增加而逐漸增強，但低于同濃度的VC，在檢測濃度區(qū)間高大鹿藥噴霧干燥粉對羥基自由基清除效果上升明顯，根據(jù)公式高大鹿藥噴霧干燥粉對羥基自由基的IC50值為25.85 μg/mL。

2.3.3 ABTS+自由基清除能力測定

噴霧干燥粉與VC對ABTS+自由基清除效果見圖7。

圖7 噴霧干燥粉與VC對ABTS+自由基清除效果Fig.7 The ABTS+free radical scavenging effect of spray drying powder and VC

由圖7可以看出，VC與高大鹿藥噴霧干燥粉對ABTS+自由基的清除率都隨著物質濃度的增加而增加，而且呈現(xiàn)出較為良好的線性關系，同濃度的高大鹿藥噴霧干燥粉清除率低于VC，高大鹿藥噴霧干燥粉對ABTS+自由基清除效果明顯，高大鹿藥噴霧干燥粉對ABTS+自由基清除率的IC50值為219.27 μg/mL。

3 結論

本試驗對高大鹿藥營養(yǎng)成分進行測定和噴霧干燥粉最佳制備工藝條件進行探討，可為后續(xù)繼續(xù)深入研究高大鹿藥的深度開發(fā)利用提供一定的研究基礎。高大鹿藥營養(yǎng)物質豐富，干燥莖葉中蛋白質為42.1%，碳水化合物為42.79%，氨基酸和礦質元素含量豐富，K高Na低。高大鹿藥營養(yǎng)成分中氨基酸的種類有17種，與桂明英[2，3]孫玉敏[4]所測一樣，各營養(yǎng)成分間的含量略有偏差，造成這樣的原因可能是和材料的采集地點、時期、部位及檢測方法有關。

通過正交試驗確定了噴霧干燥最優(yōu)工藝為：助干劑的添加量7 g/100 mL、濃縮液濃度10%、進風溫度220℃以及進料速度14 mL/min，在此條件下出粉率達29.87%。本研究的出粉率較低，分析可知噴霧干燥過程中β-環(huán)糊精添加量是影響出粉率的主要因素。β-環(huán)糊精添加量過低，粘壁現(xiàn)象嚴重，添加量過多，最終產品純度太低；粘璧現(xiàn)象嚴重也是致使出粉率低的原因。對其噴霧干燥粉進行抗氧化活性分析，對DPPH自由基、羥基自由基及ABTS+自由基均表現(xiàn)出清除作用，但低于VC，可能是噴霧干燥粉中的活性成分略低。Kha T C[32]和趙玉丹[33]分別對苦瓜和馬甲子噴霧干燥粉進行抗氧化研究，發(fā)現(xiàn)在一定濃度范圍內對DPPH自由基的清除能力有明顯的量效關系；丁玉松[34]對不同干燥方式葡萄籽提取物抗氧化性進行研究結果表明噴霧干燥的抗氧化性略高于自然干燥。本研究尚未對噴霧干燥粉的品質特征和溶解性進行研究，其中的活性成分后期也會深入探索。