微波真空干燥对铁皮石斛品质特性影响的研究

林鸿 王为为 郑宝东 郭泽镔

摘  要：本研究以新鮮铁皮石斛为原料，采用微波真空干燥方法干燥，通过测定铁皮石斛的多糖含量、色泽、多酚氧化酶（PPO）、水分分布状态、组成氨基酸以及多酚的DPPH·和·OH清除率，研究微波真空干燥对铁皮石斛品质特性的影响。结果表明：相比于新鲜样品，当微波强度为9 W/g，干燥后样品的多糖含量最高可达52.21%;氨基酸分析仪分析结果表明，微波真空干燥后铁皮石斛的总游离氨基酸和风味氨基酸含量显著提高。在微波强度9 、12 、15 W/g下，微波真空干燥的铁皮石斛的PPO活性分别在干燥16、12、6 min后不再存在，表明微波真空干燥能够在较短时间内钝化铁皮石斛的PPO活性，且微波强度越大时间越短。干燥过程的非酶促褐变主要由Maillard反应引起。低场核磁共振结果表明，自由水驰豫时间T₂₃和A₂₃均显著降低。自由基清除能力研究结果表明，铁皮石斛多酚仍具有较强的羟基自由基清除能力。通过观察干燥后样品的微观结构发现，随着微波功率密度的增大，样品孔状结构受到更严重破坏，微波强度越大，铁皮石斛的复水特性越好。

关键词：铁皮石斛;微波真空干燥;氨基酸;多糖;品质特性中图分类号：S567      文献标识码：A

Effect of Microwave Vacuum Drying on Quality Characteristics of Dendrobium officinale

LIN Hong， WANG Weiwei， ZHENG Baodong， GUO Zebin^*

College of Food Science， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， Fujian 350002， China

Abstract： The microwave vacuum drying method was used to dryDendrobium officinale. The effects of microwave vacuum drying on the quality characteristics ofD.officinalewere studied by measuring the content of polysaccharides， color， polyphenol oxidase （PPO）， water distribution， Composition of amino acids and DPPH· and ·OH scavenging rates of polyphenols. When the microwave intensity was 9 W/g compared with the fresh sample， the dried sample had the highest polysaccharide content of 52.21%. The content of total free amino acids and flavor amino acids ofD. officinalewas significantly increased after microwave vacuum drying. PPO activity ofD. officinaleafter microwave vacuum drying at microwave intensity of 9 W/g， 12 W/g and 15 W/g was no longer present at the 16th， 12th and 6th minutes respectively， indicating that microwave vacuum drying could inactivate PPO activity ofD.officinalein a relatively short time， and higher microwave intensity would lead to shorter time. Non-enzymatic browning in drying process was caused by Maillard reaction. The free water relaxation time T₂₃and A₂₃decreased significantly. The free radical scavenging ability ofD. officinaleshowed that the hydroxyl radical scavenging ability was still strong. By observing the microstructure of the sample after drying， the pore structure of the sample was seriously damaged with the increase of microwave power density. The rehydration characteristics ofD. officinalisshowed that higher microwave intensity resulted in better rehydration characteristics.

Keywords： Dendrobium officinale; microwave vacuum drying; amino acid; polysaccharide; quality characteristic

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.07.024

铁皮石斛（Dendrobium officinale）系兰科（Orchi-daceae）石斛属（Dendrobium）多年生草本植物^[1]，是我国传统名贵中药，具有养胃生津、滋阴清热、增强免疫、延缓衰老等功效。随着科技的发展和现代检测技术的进步，铁皮石斛中已被分离和验证的功能性物质主要有石斛多糖、氨基酸、多酚类物质等^[2]。植物化学成分分析等研究表明，铁皮石斛中生物活性物质主要是多糖类化合物，其抗氧化、降血压、降血糖等药理活性被广泛报道^[3]。铁皮石斛大部分化合物具有酚类结构，是重要的药用活性成分，可以作为天然抗氧化剂来使用。铁皮石斛野生资源多分布于热带、亚热带地区，如东亚、东南亚、澳大利亚等国家。在我国，野生铁皮石斛有36个品种2个变种，主要分布于云南、福建、广西等地区^[4]。铁皮石斛自然资源匮乏，对生长环境要求严格，生长于悬崖峭壁、树干等处。目前常依赖人工种植，人工种植面积已超过6000 hm^2[5]。新鲜铁皮石斛水分含量较高，在常温状态下放置一周左右易发生褐变或受微生物侵染而降低其食用品质，影响其商业价值。

干燥可快速降低样品内水分，提高样品性能的稳定性，延长产品的货架期^[6]。传统热风干燥的铁皮石斛收缩率高、组织不均匀、复水性差。微波真空干燥很好地结合了微波干燥和真空干燥的各自优势：由于微波具有穿透性能使介质内外同时加热，不经过热传导，所以加热速度非常快，又能使物料整体结构受热更均匀;真空可在低温下使物料中的水分汽化，适合干燥热敏性物料。Li等^[7]采用微波真空干燥和真空干燥对黄芩进行研究，结果显示微波真空干燥的抗氧化性和理化性质等指标优于真空干燥。本课题组成员Zhao等^[8]将微波真空干燥应用在莲子上，结果显示，相较于传统的干燥方式，微波真空干燥后的样品品质得到了很大的改善。Monteiro等^[9]研究了不同干燥方法对脱水南瓜切片产品结构、复水动力学及复水指数的影响，结果表明微波真空干燥是生产脱水南瓜片的最佳工艺。

本研究以新鲜铁皮石斛为对象，通过测定铁皮石斛的多糖含量、色泽、多酚氧化酶（PPO）、水分分布状态、组成氨基酸以及多酚的DPPH·和·OH清除率，研究微波真空干燥對铁皮石斛品质特性的影响，以期为铁皮石斛微波真空干燥工艺优化和提高产品品质提供科学依据。

1  材料与方法

1.1  材料

铁皮石斛：由福建福清佳家农业综合开发有限公司提供，采摘后当天运达实验室，挑选粗细均匀、无虫眼、无霉变的铁皮石斛茎，置于4 ℃冰箱冷藏保存，试验前将铁皮石斛茎剪切成每根约5 cm长条。

1.2方法

1.2.1  微波真空干燥  采用福建农林大学和广州凯棱工业微波设备有限公司联合研制的新型微波真空干燥设备，其最大额定功率为5.0 kW。在进行干燥试验过程中，每次称取不同装载量（66.6、83.3、111.1 g）的铁皮石斛茎于载物盘上，设定载物盘转速为21 r/min。温度（60±5） ℃，真空度0.75 kPa。

1.2.2  氨基酸成分的测定  采用 L-8900 型全自动氨基酸分析仪（日本日立公司），按照《食品安全国家标准 食品中氨基酸的测定》（GB 5009.124—2016）的方法，测定样品总游离氨基酸的含量。

1.2.3  多糖含量的测定  根据黄丽等^[10]的方法，采用苯酚硫酸法测定多糖含量。吸取1.0 mL样品液按照文献描述步骤操作，在波长495 nm处测定吸光度，可得到标准曲线方程：

式中，X为葡萄糖含量（mg/mL）;Y为吸光度（OD值）。

1.2.4  水分状态分布的测定  采用NMI120型核磁共振分析仪（上海纽迈电子科技有限公司）测定铁皮石斛水分迁移状态。每根铁皮石斛待测样品干燥不同时间后，置于永久磁场中心位置处的射频线圈中心，并采用¹H NMR分光仪测定铁皮石斛的自旋-自旋弛豫时间。

1.2.5  色泽的测定  采用CM-5分光测色仪测定干制铁皮石斛茎同一部位的色泽，以仪器原有的白板为对照进行5次平行试验。其中，L^*值表示亮度，L^*值越大亮度越大;b^*值为黄度值，表示有色物质的黄蓝偏向，正值越大偏向黄色的程度越大，负值越大偏向蓝色的程度越大;a^*值为红度值，表示有色物质的红绿偏向，正值越大偏向红色的程度越大，负值越大偏向绿色的程度越大。DE表示与鲜品的参考颜色差距程度，DE越大表明与参考颜色差距越大。

式中，L^*₀、a^*₀、b^*₀分别为新鲜样品亮度、黄度、红度值。

1.2.6  多酚氧化酶的测定  参考田国政等^[11]的方法，略作修改。样品粗酶液的提取：称取适量样品于预冷的研钵中，加入5.0 g石英砂和适量磷酸缓冲液进行充分研磨，在4000 r/min条件下冷冻离心50 min后取上清液，置于4 ℃保存。

PPO活性的测定：在比色皿中加入5 mL 0.05 mol/L pH 7.8磷酸缓冲液、0.5 mL粗酶液和2 mL邻苯二酚溶液（0.5 mol/L），在紫外-分光光度计315 nm波长处测定其吸光度，每隔25 s测定一次，连续测定5 min。样品PPO活性以每分钟的吸光值改变0.001所需酶量记为1个活力单位（U）。PPO活性计算方程如下：

式中，?A₃₁₅为吸光度值在每分钟的变化值;V₀为反应体系中的酶液体积（mL）;V₁为定容后的粗酶液体积（mL）;V₂为比色杯中反应体系的体积（mL）;m_x为新鲜样品的质量（g）;t 为反应时间（min）。

1.2.7  多酚含量的测定  参照卜彦花等^[12]的方法，采用福林酚試剂法测定铁皮石斛中多酚含量。

1.2.8  DPPH·清除率的测定  称取DPPH·标准品8 mg，与无水乙醇混匀后进行充分振荡，再稀释定容100 mL容量瓶中，配成0.08 mg/mL溶液，冷藏保存。取不同微波强度样品多酚提取液1.5 mL，加入至0.08 mg/mL溶液，充分振荡，放置避光25 min，并以乙醇作为对照空白。在波长517 nm处测定其吸光度A样品。

1.2.9  ·OH清除率的测定  配置6 mmol/L FeSO₄溶液2 mL，加入不同浓度的多酚提取液1.5 mL与5 mmol/L H₂O₂溶液1.5 mL，再加入6 mmol/L水杨酸溶液2 mL后充分振荡，在波长500 nm处以蒸馏水为空白测量其波长，A_空白可用蒸馏水代替多酚提取液重复以上操作。

1.2.10  复水特性的测定  将干制铁皮石斛样品浸泡在75 ℃的热水中，直至含水量达到平衡状态，每15 min取出样品并在筛子上迅速沥干（60± 10）s。复水特性的计算公式如下：

式中，W_t为在任何浸液时间t时的重量;W₀为未浸液前的重量。

采用Peleg模型^[13]对复水速率进行拟合，模型表达式如下：

式中，X₀为干基表示的初始含水量（g/g）;X_t为时间t（min）的含水量;K₁ 为Peleg速率常数，与最初的质量转移速率有关（t=t₀）;K₂为Peleg流量系数，与最大吸水能力有关。

1.2.11  铁皮石斛形态结构观察  采用Nova NanoSEM 230型的场发射扫描电镜观察干制铁皮石斛的形态和结构。

1.3数据处理

采用Excel 2003、Origin 8.5软件进行数据处理，采用DPS 9.5软件进行差异显著性分析。

2  结果与分析

2.1 微波真空干燥对铁皮石斛氨基酸含量的影响

铁皮石斛的口味靠氨基酸体现，其在微波真空干燥过程中会遭到破坏、改变、流失。如表1所示，氨基酸分析仪总共检测出了17种氨基酸，其中必需氨基酸9种，非必需氨基酸8种。新鲜的铁皮石斛样品中天冬氨酸、谷氨酸含量较为丰富，该结果与曲继旭等^[14]、Liu等^[15]的研究结果相一致。在鲜品中，总游离氨基酸含量可达到1198.97 mg/100 g，亮氨酸和天冬氨酸分别是鲜品中含量最高的必需和非必需氨基酸。如表1所示，经过干燥后铁皮石斛的总游离氨基酸含量都显著提高，微波强度15 W/g干燥样品的总游离氨基酸含量最高，达到3199.89 mg/100g。如表1所示，与鲜品比较，无论是必需氨基酸还是非必需氨基酸含量都在微波真空干燥后显著提升，这些结果与Yoneda等^[16]的研究结果一致，可能是在干燥

注：甜味氨基酸：丙氨酸+甘氨酸+丝氨酸;苦味氨基酸：精氨酸+组氨酸+异亮氨酸+亮氨酸+蛋氨酸+苯丙氨酸+缬氨酸;无味氨基酸：赖氨酸+酪氨酸。同一行中，不同小写字母表示在0.05水平差异显著。

Note： Sweet amino acid： Alanine + Glycine + Serine; Bitter amino acid： Arginine + Histidine + Isoleucine + Leucine + Methionine + Phenylalanine + Valine; Tasteless amino acids： Lysine + Tyrosine. Different lowercase letters in the same row indicate significant differences at the 0.05 level.

过程中高温促进蛋白质的水解。在不同的微波强度比较下，较高微波强度（15 W/g）干制出的样品中所含的总氨基酸含量比在较低的微波强度（9 W/g）干制出的样品含量高，这可能是因为微波强度低的条件下干燥时间太长，导致游离氨基酸的损失。总体而言，微波真空干燥可以提高铁皮石斛中游离氨基酸的含量。

2.2 微波真空干燥对铁皮石斛多糖含量的影响

绘制得到标准曲线y=0.01x（R²=0.9974），表明葡萄糖含量与OD值呈现良好的线性关系。由图1可知，相对于新鲜样品，经过微波真空干燥的铁皮石斛的多糖含量显著升高（P<0.05），随着干燥时间的延长，3个微波强度的多糖含量都呈现了先上升后下降的趋势，微波强度为9 W/g的样品，多糖含量最高可达到52.21%。铁皮石斛在干燥初期，由于水分含量较大，其干燥速率較快，而铁皮石斛中的活性成分随着水分同样较快地迁移至细胞表面，并因为微波的破壁作用，导致其活性成分较易提取;而较长的微波干燥时间导致了铁皮石斛中多糖聚集^[17]。但过高的微波强度和过长的干燥时间会使多糖含量减少。总体来说，通过控制铁皮石斛的微波强度和干燥时间可以有效地提高铁皮石斛中活性成分的含量。

2.3 微波真空干燥对铁皮石斛水分状态分布的影响

图2A、图2B、图2C分别为微波强度为9、12、15 W/g干燥铁皮石斛T₂驰豫时间反演图谱，按波峰所在区域划定物料中水分的3种状态。如图所示，T₂₂和T₂₃是新鲜铁皮石斛水分的主要组成部分。峰面积A_2x（x=1～3）值可以用来表示样品水分分布情况，所以用A_2x对样品中不同的水分状态进行标注。根据Li等^[18]、Sun等^[19]研究表明，随着干燥时间的延长，A₂₁和A₂₂在水分含量较高时会出现先升高后下降的趋势，与干燥过程中水分状态的变化是一致的。干燥过程中内部水分迁移规律为：部分自由水先向不易流动水和结合水转变，结合水向不易流动水的转变伴随着整个干燥过程。由图2可知，随着时间的延长，整个T₂图谱逐渐向细胞壁水T₂₁的峰值靠近，液泡水T₂₃慢慢地移动至胞质体积水T₂₂附近。这可能是由于样品内液泡水的自由度大，导致它较易被清除。由图2可知，随着微波强度的增加，T₂₁和T₂₂减少，它们的峰值位置向信号强度T₂曲线的左边移动，这和朱文学等^[20]研究结果一致。此外，随着微波强度从9 W/g增加到15 W/g，A₂₁呈现增加的趋势，A₂₂反之，并且二者的变化在微波强度15 W/g下体现更明显，造成该现象的原因可能是由于微波过度加热造成的，导致细胞膜的破裂。可见低微波强度对铁皮石斛组织破坏较小，更利于组织中不易流动水转化为自由水，进而较快散失。

A： 9 W/g; B： 12 W/g; C： 15 W/g.

细胞壁水驰豫时间（T₂₁）为0.01～10 ms，胞质体积水驰豫时间（T₂₂）为10～70 ms，液泡水驰豫时间（T₂₃）>70 ms。

Cell wall water relaxation time T₂₁is 0.01～10 ms. Cytosomalhydrops relaxation time T₂₂is 10～70 ms. Vacuole waterrelaxation time T₂₃， >70 ms.

2.4 微波真空干燥对铁皮石斛色泽和多酚氧化酶的影响

如图3所示，经9、12、15 W/g微波真空干燥，铁皮石斛的PPO活性分别在处理16、12、6 min后不再存在，这是因为在干燥过程中PPO活性对微波功率和温度十分敏感。在微波真空干燥整个期间，烘箱内的温度始终控制在50 ～60 ℃。而钝化PPO的最佳反应温度是40～43 ℃。在微波真空干燥初期，细胞中的氧会与PPO发生反应，直到没有氧气和PPO剩余。因此，在随后的微波真空干燥中，非酶促褐变被认为是导致干品颜色变化的主要原因。由于干燥室里没有氧气，所以发生的较高程度的非酶促褐变可能是Maillard反应引起的^[21]。此外，钝化铁皮石斛的多酚氧化酶活性有利于改善铁皮石斛品质特性。

如表2所示，颜色变化速率大致分为两个时期，由酶促褐变引起的快速变化时期和由非酶促褐变引起的缓慢变化时期。干燥样品的亮度变化可以作为褐变的测量值，微波强度15 W/g的样品L^*值从48.02降至41.18。此外，使用较高的微波强度进行干燥时，由于干燥时间减少，Maillard反应程度减少，这与表1较高的微波强度下氨基酸含量较高的结果一致。b^*值可能是由非酶促褐变的变化，或者是由棕色色素的形成引起的。a^*的增加可能是由铁皮石斛中叶绿素的减

少导致，对比12 W/g和15 W/g，9 W/g的a^*值偏低，而绿色是体现铁皮石斛新鲜程度的颜色。根据Lv等^[22]、Dong等^[23]和Nahimana等^[24]的研究表明，经过微波真空干燥，圆竹和绿咖啡豆的色泽参考值L^*、a^*、b^*值都在提升，与本研究结果较不一致。相反的是，根据课题组Zhao等^[8]的研究表明，莲子经过微波真空干燥后，其L^*值下降，莲子在干燥过程中发生褐变，该研究与本研究结果一致。

注：同一列中，不同的小写字母表示差异显著（P<0.05）。

Note： Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at the 0.05 level.

2.5 微波真空干燥对铁皮石斛多酚含量的影响

绘制得到多酚标准曲线方程y=0.05x（R²= 0.996），没食子酸含量与OD值呈现良好的线性关系。铁皮石斛的大部分化合物具有酚类结构，酚类化合物也可以当作天然抗氧化剂来使用。由图4可知，相对于新鲜样品，经过微波真空干燥后铁皮石斛的多酚含量显著增大（P<0.05），随着干燥时间的延长，3个微波强度的多酚含量都呈现了先上升后下降的趋势，微波强度为9 W/g条件下干燥的样品，多酚含量最高可达到32.21%。根据廖素溪^[17]的研究结果表明，造成该现象的原因可能是由于酚类化合物在高温条件下降解，从而导致其含量下降。

2.6  微波真空干燥对铁皮石斛清除DPPH·、·OH活性的影响

由图5可知，铁皮石斛多酚具有较强的羟基自由基清除能力，在不同的微波强度下，较高微波强度干燥样品的羟基自由基清除能力比在较低的微波强度干燥样品的羟基自由基清除能力有显

著减小（P<0.05），与Hirun等^[25]的发现一致，并且该研究结果与图4的多酚含量结果相一致。其原因可能是微波强度过高导致酚类化合物含量减小。微波强度12 W/g条件下干燥样品的DPPH·、·OH清除能力都高于其余2个微波强度组。

2.7 微波真空干燥对铁皮石斛复水特性和微观结构的影响

由图6可见，随着复水时间的增加，复水率随之提高，复水动力学过程包括前期较快的复水速率和后期缓慢的复水速率。微波强度15 W/g的水分含量明显高于其余两个;微波强度12 W/g和9 W/g的水分含量曲线很接近，也说明了它们的复水特性接近。同时，在所有复水试验中，复水后的微波真空干燥铁皮石斛的水分含量都达不到初始含水量。

如表3所示，通过比较不同的微波强度变化，随着微波强度的增加，动力学速率常數K₁和特征常数K₂的值随之减少。可能是由于增大微波强度会引起K₂减少，而方程中也显示平衡含水量和K₂间呈负相关的关系，所以当微波强度增加时，平衡含水量增加。水的转移是由微波强度的增加推动的，较高的微波强度导致更快的复水速率，与图6中较高微波强度的复水特性相对应。

由图7可知，经过3种不同微波强度干燥后铁皮石斛均有孔状结构，较低微波强度干燥后样品的孔状结构更加完整，但可以明显看出微波强度9 W/g的干燥样品中部分孔状结构被水分堵塞，说明它的复水特性较差。该结果与图6中较低微波强度的水分含量低的结果相一致。由9 W/g

注：同行不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

Note： Different lowercase letters in the same row indicate significant difference （P<0.05）.

图7 不同微波强度处理的铁皮石斛的扫描电镜图

Fig. 7  Scanning electron micrograph ofD. officinalistreated under different microwave intensities

和15 W/g的干燥样品微观结构观察得出，随着微波强度的增大，样品孔状结构被破坏严重，细胞结构也遭受破坏，可能与细胞形态损失的现象有关^[26]。同时样品表面也出现褶皱且稀疏，形成了小型破碎面筋网状结构。

3  讨论

新鲜铁皮石斛含水率和多酚氧化酶活性较高，易发生褐变影响其货架期。与传统热风干燥相比，微波真空干燥较大限度保留热敏性物质和营养成分，微波真空干燥因兼具微波快速干燥和真空低溫干燥的优点成为国内外食品干燥领域的研究热点。廖素溪等^[27]研究微波干燥对铁皮石斛品质特性的结果表明，与热风干燥相比，微波干燥后铁皮石斛中主要有效成分含量较高，且具有显著性差异（P<0.05）;在微波强度600 W干燥时多糖含量达到最高。此外，韩姝葶等^[28]采用微波间歇干燥铁皮石斛的研究结果表明，微波功率能显著影响铁皮石斛中多糖含量变化，铁皮石斛多糖含量随着干燥时间延长而逐渐下降;不同功率的微波干燥对铁皮石斛总酚的含量并无显著影响。

本文研究微波真空干燥对铁皮石斛品质特性的影响，结果表明在较低微波强度（9 W/g）下能更好地保留铁皮石斛中的多糖，且缩短干燥时间。微波真空干燥使样品在不同微波强度下多酚含量有显著变化。经微波真空干燥后铁皮石斛中亮氨酸、赖氨酸、谷氨酸含量显著增加，总游离氨基酸含量随微波强度的增大而显著增加。胞质体积水和液泡水是新鲜铁皮石斛水分的主要组成部分。干燥后自由水的降低使干制铁皮石斛的呼吸作用下降，有利于样品的储存。干制铁皮石斛的复水动力学过程包括前期较快的复水速率，以及后期缓慢的复水速率。随着复水时间的增加，铁皮石斛复水率随之提高，微波强度15 W/g的样品复水效果最佳。综合本研究中各项指标得出，微波强度12 W/g条件下的样品干燥效果最佳。本研究为铁皮石斛微波真空干燥工艺优化及产品品质控制提供科学依据，以期推动铁皮石斛加工产业的进一步发展。

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