黃紀(jì)民,王溱蘭,邱展鴻,吳釗龍,4,覃海波,4,李秉正,4,5**,黃志民**

(1.廣西科學(xué)院,廣西微波先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西南寧 530007;2.南寧學(xué)院食品科學(xué)與質(zhì)量工程學(xué)院,廣西南寧 530200;3.廣西華泰藥業(yè)有限公司,廣西賀州 546800;4.廣西科學(xué)院大健康研究所,廣西南寧 530007;5.廣西科學(xué)院來賓分院,廣西來賓 546100)

紅花滇黃精(PolygonatumkzngzanumColl.et Hemsl.)是百合科(Liliaceae)植物紅花滇黃精干燥后的根莖,收錄于《中華人民共和國藥典(一部)》(2020年版)[1],又稱為“雞頭黃精”和“雞頭參”。多花黃精根莖中富含多酚、多糖以及甾醇類生物活性物質(zhì)[2],是藥食同源性的滋補(bǔ)中藥。鮮黃精收獲時間短,水分含量極高,容易腐壞變質(zhì),不能長期保存,不利于貯藏和運(yùn)輸[3]。將黃精干燥不僅能消除刺激性和毒性,還能轉(zhuǎn)變其藥性,有利于有效成分的保存與積累,而且干燥后的黃精可以有效減少水分含量,延長貯藏期,減少后期炮制黃精的工作量[4]。

目前黃精的干燥方法通常采用自然曬干和熱風(fēng)干燥(Hot Air Drying,HAD)等傳統(tǒng)加工方法。衡銀雪等[5]研究發(fā)現(xiàn)微波真空干燥法能更加有效地保留黃精中的多糖、酚類、皂苷類化合物等活性成分。劉怡菲[2]研究發(fā)現(xiàn)真空冷凍干燥(Vacuum Freeze Drying,VFD)處理得到的黃精片樣品的硬度、彈性及咀嚼性等指標(biāo)最接近于新鮮狀態(tài)下的黃精片,且其品質(zhì)均優(yōu)于自然干燥、熱風(fēng)干燥、熱泵干燥、變溫壓差膨化干燥等4種干燥方式處理過的黃精片。黃夏[6]研究發(fā)現(xiàn)黃精真空冷凍干燥過程中的干燥時間、加熱板溫度及干燥室真空度對黃精色差值均具有顯著影響。近年來,干燥技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用越來越廣泛,雖然黃精的干燥方法多樣,但是對于確定黃精最適的干燥方法缺乏系統(tǒng)性的定論[7]。

本研究通過探究熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥、真空干燥(Vacuum Drying,VD)、微波干燥(Microwave Drying,MD)等4種干燥方式對紅花滇黃精(以下簡稱“黃精”)片的干燥特性、有效水分?jǐn)U散系數(shù)、色澤、收縮率、復(fù)水比、單位能耗以及微觀結(jié)構(gòu)的影響,確定黃精片的最適干燥方式,為黃精片的深加工提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料及預(yù)處理

新鮮黃精購自廣西百色市隆林各族自治縣,經(jīng)廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)莫勇生高級工程師鑒定為紅花滇 黃 精 (PolygonatumkzngzanumColl.et Hemsl.)。挑選無病蟲害和機(jī)械損傷的新鮮黃精,清洗除去表面的泥沙和雜質(zhì)并瀝干,采用旋轉(zhuǎn)切片機(jī)切成厚度為4 mm 的黃精切片。

1.2 儀器與設(shè)備

微波干燥機(jī)(Webox-A6型,株洲市微朗科技有限公司),鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9240A 型,上海一恒科學(xué)儀器有限公司),冷凍干燥機(jī)(Sciontz-12N/c型,寧波市新芝生物科技股份有限公司),真空干燥箱(DZF-6050型,上海一恒科學(xué)儀器有限公司),電子天平(JJ1000型,常熟市雙杰測試儀器廠),水分測定儀(DHS-20A 型,上海立辰儀器科技有限公司),色彩色差計(jì)(CR-10Plus,日本Konica Minolta公司),掃描電子顯微鏡(S-3400N,日本Hitachi公司)。

1.3 干燥方法

將黃精片均勻分成4組,每組360 g,然后均勻平鋪于物料盤內(nèi),分別采用以下4 種方式進(jìn)行干燥處理,干燥至黃精片干基含水量為0.125 g/g。①真空冷凍干燥:-40℃預(yù)冷凍24 h,冷阱溫度為-50℃,真空度50 Pa以下,每隔120 min稱一次質(zhì)量。②熱風(fēng)干燥:溫度為70℃,每隔30 min 稱一次質(zhì)量。③真空干燥:溫度為70℃,每隔30 min稱一次質(zhì)量。④微波干燥:微波功率為280 W,加熱時間固定為2 min,間歇時間為1 min,利用間歇時間記錄干燥過程中的質(zhì)量。

1.4 指標(biāo)測定及計(jì)算方法

1.4.1 初始含水量

采用DHS-20A 型快速水分測定儀測定黃精片的含水量,得到黃精片平均初始含水量為77.78%。

1.4.2 干基含水量

干基含水量為濕物料中的水分質(zhì)量與濕物料中的絕對干料質(zhì)量之比,按式(1)計(jì)算[8]:

式中,M為干燥至t時刻的物料干基含水量(g/g);mt為干燥至t時刻的物料質(zhì)量(g);m為絕對干料的質(zhì)量(g)。

1.4.3 平均干燥速率

平均干燥速率是指單位時間內(nèi)物質(zhì)中水分的減少量,按式(2)計(jì)算[9]:

式中,DR為干燥速率,g/(g·min);M0為物料初始干基含水量(g/g);Mω為試驗(yàn)結(jié)束時物料的干基含水量(g/g);t為干燥時間(min)。

1.4.4 水分比

水分比表示樣品中剩余的未被去除的水分,按式(3)計(jì)算[10]:

式中,MR為水分比;Mt為干燥至t時刻的物料干基含水量(g/g)。

1.4.5 有效水分?jǐn)U散系數(shù)

有效水分?jǐn)U散系數(shù)(Deff)是用來衡量物料在干燥過程中其水分蒸發(fā)速率快慢的重要指標(biāo),Deff越高,則脫水能力越強(qiáng),并且該系數(shù)對物料內(nèi)部水分?jǐn)U散過程的深入分析具有重要意義[8]。運(yùn)用Fick非穩(wěn)態(tài)第二定律方程計(jì)算干燥過程中水分有效擴(kuò)散系數(shù):

式中,L為黃精片厚度的一半(mm);t為干燥時間(s);Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù)(m2/s)。從而得到lnMR和干燥時間t的線性關(guān)系,將直線方程的斜率k代入公式(5)中可求出有效水分?jǐn)U散系數(shù)[11]。

1.4.6 色澤

色澤是評價(jià)中藥材干制品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,是評判黃精片等級的重要參數(shù)。利用色彩色差計(jì)測定黃精片的顏色,測定樣品的亮度L*值,其值越大,產(chǎn)品的亮度越高,可以間接反映產(chǎn)品色澤的好壞[12]。每個樣品重復(fù)測定3次,取平均值。

1.4.7 收縮率

將黃精片視為圓柱體,利用游標(biāo)卡尺測量黃精片的直徑和厚度,收縮率表達(dá)式如(6)所示[13]。

式中,SR為收縮率(%);V0為初始時刻的體積(mm3);Vt為t時刻的體積(mm3)。

1.4.8 復(fù)水比

取2 g左右黃精片放入水浴鍋中,80℃恒溫浸泡30 min后放在無風(fēng)處瀝水20 min,再用濾紙吸去表面水分,最后稱質(zhì)量,計(jì)算復(fù)水比,如式(7)所示[14]。

式中,RR為復(fù)水比(g/g);m1為樣品復(fù)水后瀝干水分所稱得的質(zhì)量(g);m0為樣品復(fù)水前的質(zhì)量(g)。

1.4.9 單位能耗

用去除1 kg黃精片水分所消耗的能量來表征黃精片的干燥能耗[(k W ·h)/kg],通過電能表測定[15]。

1.4.10 微觀結(jié)構(gòu)測定

將干燥后的黃精片切成2 mm×2 mm 的小塊,使用掃描電子顯微鏡觀測,將樣品置于涂有一層導(dǎo)電膠的載物臺上,并輕輕按壓使其黏附,噴金,工作電壓為15.0 k V,放大倍數(shù)為150倍[16]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)均重復(fù)3次,試驗(yàn)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。采用SPSS 27.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異分析和鄧肯多重極差檢驗(yàn),采用Origin 8.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥方式對黃精片干燥特性的影響

2.1.1 不同干燥方式對黃精片干基含水量及干燥時間的影響

由圖1(a)可知,隨著干燥時間的延長,不同干燥方式下黃精片的干基含水量持續(xù)降低。由圖1(b)可知,VFD、HAD、VD、MD 的干燥時間分別為660、240、340、131 min,可見MD 的干燥時間最短,與VFD、HAD、VD 相比,用時分別縮短80%、45%、61%。

圖1 不同干燥方式下黃精片的干基含水量及干燥時間Fig.1 Drying basis moisture content and drying time of P.kzngzanum Coll.et Hemsl.slices under different drying methods

2.1.2 不同干燥方式對黃精片平均干燥速率和有效水分?jǐn)U散系數(shù)的影響

由圖2可知,黃精片的平均干燥速率大小依次為MD＞HAD＞VD＞VFD,與金鑫等[17]的研究結(jié)果類似。可能是因?yàn)槲⒉ň哂休^強(qiáng)的穿透性和只對極性分子加熱的高選擇性,使其可以穿透物料內(nèi)部對物料整體進(jìn)行加熱,把水分從內(nèi)部轉(zhuǎn)移到表面,使物料受熱更加均勻,并且能快速蒸發(fā)水分,因此干燥用時短[18]。

圖2 不同干燥方式下黃精片的平均干燥速率Fig.2 Average drying rate of P .kzngzanum Coll.et Hemsl slices under different drying methods

由表1可知,4種干燥方式干燥后的黃精片的有效水分?jǐn)U散系數(shù)為1.46×10-10-6.49×10-10m2/s,均在食品干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)(1×10-12-1×10-7m2/s)范圍內(nèi)[19]。MD 的干燥時間最短,有效水分?jǐn)U散系數(shù)最高,為6.49×10-10m2/s;而VFD的干燥時間最長,有效水分?jǐn)U散系數(shù)最低,為1.46×10-10m2/s。綜上,MD 的有效水分?jǐn)U散系數(shù)要高于其他3種干燥方式,主要是因?yàn)槲⒉ǜ稍锼俾士?該結(jié)果與孟建升等[20]的研究結(jié)果類似。

表1 不同干燥方式下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)Table 1 Effective moisture diffusion diffusivities coefficient under different drying methods

2.2 不同干燥方式對黃精片色澤的影響

由圖3可知,4種干燥方式下黃精片的L*值在75.00-78.00內(nèi)小幅波動,HAD 的黃精片L*值與VFD存在顯著性差異,而MD、VD 與VFD 無顯著差異,表明采用真空、微波和真空冷凍干燥方式能夠更好地保持黃精片的顏色。這是因?yàn)樵谡婵栈蛘吒稍飼r間短的條件下,黃精片在干燥過程中酶促褐變和非酶促褐變的程度都相對較低,因此VFD、VD 以及MD 的產(chǎn)品具有較好的色澤。相比之下,熱風(fēng)干燥過程中由于水分和酶的作用、氧化和較高溫度引起的酶促褐變及美拉德反應(yīng)等因素,導(dǎo)致樣品色澤變化較大[21]。

2.3 不同干燥方式對黃精片收縮率的影響

從圖4可知,MD 和VFD 的黃精片收縮率較低,分別為69.42%和69.36%,兩者間無顯著性差異;HAD 和VD 的黃精片收縮率顯著高于MD 和VFD,分別為73.67%和73.04%,且兩者間無顯著性差異。究其原因可能是因?yàn)檎婵绽鋬龈稍镞^程中黃精片的水分以冰晶態(tài)直接升華排出,能較好地保持黃精片結(jié)構(gòu)的完整性,故收縮率相對較小;在微波干燥過程中,黃精片內(nèi)部的高水蒸氣壓力會使細(xì)胞膨脹,從而降低黃精片的收縮率[22]。

圖4 不同干燥方式下黃精片的收縮率Fig.4 Shrinkage rate of P.kzngzanum Coll.et Hemsl.slices under different drying methods

2.4 不同干燥方式對黃精片復(fù)水比的影響

由圖5可知,MD 和VFD 的黃精片復(fù)水比無顯著差異,分別為4.39、4.88 g/g;HAD 和VD 的復(fù)水比分別為3.33、3.48 g/g,顯著低于MD 和VFD 的黃精片(P＜0.05),可能是因?yàn)镠AD 和VD 的黃精片干燥時間相對較長,細(xì)胞損傷程度較高,且容易出現(xiàn)皺縮和硬化結(jié)殼現(xiàn)象,因此復(fù)水率較低。VFD、MD的黃精片具有較高的復(fù)水比,可能是因?yàn)檎婵绽鋬龈稍飳S精片的組織和分子結(jié)構(gòu)破壞較小,能保持其原有的疏松結(jié)構(gòu),而微波干燥過程中的膨化效應(yīng),也賦予了干制品良好的復(fù)水性能[23]。

圖5 不同干燥方式下黃精片的復(fù)水比Fig.5 Rehydration ratio of P.kzngzanum Coll.et Hemsl.slices under different drying methods

2.5 不同干燥方式對黃精片單位能耗的影響

由圖6可知,VFD 的黃精片干燥至規(guī)定的干基含水量所需的單位能耗最高[27.44(k W·h)/kg],可能是因?yàn)閂FD 中的黃精片干燥速率和水分減少較慢,因而干燥時間長,單位能耗高。MD 的黃精片干燥至規(guī)定的干基含水量所需的單位能耗最低[5.78(k W·h)/kg],與VFD、HAD、VD 相比,單位能耗分別減少79%、9%、22%,主要是因?yàn)槲⒉ǜ稍飼裹S精片的內(nèi)部溫度升高,內(nèi)部組織遭到破壞,從而形成更大的通道使得水分流失,因此單位能耗減少[24]。

圖6 不同干燥方式下黃精片的單位能耗Fig.6 Unit energy consumption of P.kzngzanum Coll.et Hemsl.slices under different drying methods

2.6 不同干燥方式對黃精片微觀結(jié)構(gòu)的影響

由圖7可知,VFD 的黃精片組織結(jié)構(gòu)最疏松多孔且微孔道最大,因此其黃精干片相對而言收縮較少,組織細(xì)胞坍塌較少,復(fù)水比較高[25]。HAD 和VD的黃精片的組織結(jié)構(gòu)較為致密,微孔道小且數(shù)量少,主要是熱風(fēng)干燥和真空干燥后的黃精片組織結(jié)構(gòu)孔隙收縮較大所致。此外,組織結(jié)構(gòu)還會增加水分?jǐn)U散的阻力,阻礙水分的遷移,因此復(fù)水較少。MD 的黃精片也有較多孔隙,主要是因?yàn)辄S精片內(nèi)部吸收大量的微波能并產(chǎn)生較大的內(nèi)壓,促使內(nèi)部水分快速向外蒸發(fā),導(dǎo)致樣品內(nèi)部形成孔隙結(jié)構(gòu),與Yan等[26]研究的微波干燥法對甘薯丁微觀結(jié)構(gòu)的影響結(jié)果基本一致。

圖7 不同干燥方式下黃精片的SEM 圖Fig.7 SEM images of P.kzngzanum Coll.et Hemsl.slices under different drying methods

3 結(jié)論

真空冷凍干燥、熱風(fēng)干燥、真空干燥及微波干燥4種干燥方式對黃精片的干燥特性、色澤、收縮率、復(fù)水比及單位能耗均有顯著影響。微波干燥與其他干燥方式相比,不僅能大幅度縮短干燥時間,而且能降低干燥的單位能耗,且相比熱風(fēng)干燥的樣品具有良好的外觀和較疏松多孔的結(jié)構(gòu),降低了色澤劣變。同時微波干燥的黃精片的L*值、收縮率、復(fù)水比和微觀結(jié)構(gòu)均接近真空冷凍干燥樣品,顯著優(yōu)于熱風(fēng)和真空干燥樣品。綜上,采用微波干燥法干燥黃精片的工藝最佳且單位能耗最低,為黃精片干燥方式的應(yīng)用提供了理論支持。