干燥方式对铁皮石斛活性成分的影响.pdf

Vol.9 No.4Aug.2023生物化工Biological Chemical Engineering第 9 卷 第 4 期2023 年 8 月文章编号：2096-0387（2023）04-05干燥方式对铁皮石斛活性成分的影响熊慧薇，刘光宪，闵华，付晓记，李菁（江西省农业科学院农产品加工研究所，江西南昌 330002）摘 要：以氨基酸、多糖、总黄酮、总生物碱和叶绿素为指标，研究不同干燥方式对铁皮石斛活性成分含量的影响。结果表明，采用真空冷冻干燥法干燥鲜条，干燥周期最短（57 d），比其他干燥方式缩短时间50%以上；真空冷冻干燥后水分含量为5.23%，满足长期保存的水分含量要求。与其他干燥样品相比，真空冷冻干燥样品的色泽、质地保持良好；真空冷冻干燥样品的必需氨基酸、多酚、叶绿素含量最高，多糖含量最低，总生物碱含量持平。因此真空冷冻干燥法十分适合用来干燥铁皮石斛鲜茎条。关键词：铁皮石斛；干燥方式；活性成分；必需氨基酸中图分类号：TS218 文献标识码：AEffectofDryingMethodsonActiveComponentsofDendrobium officinaleXIONG Huiwei,LIU Guangxian,MIN Hua,FU Xiaoji,LI Jing(Jiangxi Academy of Agricultural Sciences,Agricultural Processing Institute,Nanchang 330002,China)Abstract:The effects of drying methods on the content of active components of Dendrobium officinale are studied.The amino acids,polysaccharides,total flavonoids,total alkaloids and chlorophyll are detected.The results show that the drying period of vacuum freeze-drying method is 5 7 d,which is more than 50%shorter than other drying methods.After vacuum freeze-drying,the moisture content of samples is 5.23%,which fully meets the requirement of long-term preservation.Compared with other dried samples,the color and texture of freeze-dried samples are good.The contents of essential amino acids,polyphenols and chlorophyll in freeze-dried samples are the highest,the content of polysaccharide is the lowest,and the contents of total alkaloids has little change.Therefore,vacuum freeze drying is particularly suitable for drying fresh stems of Dendrobium officinale.Keywords:Dendrobium officinale;dry method;active components;essential amino acid铁皮石斛（Dendrobium officinale）为兰科石斛属多年生附生型草本植物，多生长在温暖、潮湿、半阴半阳的环境中。野生铁皮石斛为濒危植物，多分布于热带、亚热带国家，在我国主要分布于安徽省西南部、浙江省东部、福建省西部、广西壮族自治区西北部、湖南省西南部等地区1。铁皮石斛喜温凉，怕寒且怕高温，属于气生根植物，为半阴生，人工种植过程中对种植方式要求比较严格。铁皮石斛作为我国传统名贵珍稀中药材，在唐代医学经典 道藏 中被列为“中华九大仙草之首”。中国药典（2020 版）记载，铁皮石斛具有益胃生津、滋阴清热的功效，主治热病津伤、口干烦渴、胃阴不足、食少干呕、病后虚热不退、阴虚火旺、骨蒸劳热、目暗不明、筋骨痿软2。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、多酚及生物碱等物质，因此铁皮石斛具有抗氧化、抗肿瘤、降低血糖、消炎、提高免疫功能等功效3-4。20 世纪末至 21 世纪初，浙江省率先开展了石斛繁殖研究和人工种植实践，经过多年探索，先后突破了铁皮石斛繁殖和种植难关。2021 年，我国石斛属植物种植总面积达 3.03 万 hm2，综合产值逾 500 亿元5。根据国家卫健委、国家市场监督管理总局 2020年发布的 关于对党参等 9 种物质开展按照传统既是食品又是中药材的物质管理试点工作的通知，铁皮基金项目：江西省重点研发计划项目一般项目（20192BBF60040）。作者简介：熊慧薇（1981），女，江西南昌人，硕士，助理研究员，研究方向为农产品加工。2生物化工2023 年石斛被列入既是食品又是中药材的物质名单，铁皮石斛产业迎来全新发展。铁皮石斛为江西省“赣食十味”之一，在贵溪市、德兴市、广丰区、铅山县、修水县等地均有仿生栽培，其种植模式可以概括为崖壁附生种植、挂树附生种植、大棚种植 3 种。目前，铁皮石斛鲜品的应用已经非常广泛6。新鲜铁皮石斛的水分含量较高，在常温状态下放置一段时间后，鲜条易发生褐变或微生物侵染7。因此，对新鲜铁皮石斛进行干燥处理，参照中药材贮存，降低水分含量至安全水分含量（9%），铁皮石斛可以长期保存8。本研究从干燥方法切入，研究了干燥方法对铁皮石斛活性成分的影响，通过对氨基酸、多糖、多酚、生物碱等指标进行检测和分析比较，为不同干燥方法在铁皮石斛精深加工及药食同源的应用方面提供参考。1 材料与方法1.1 材料新鲜铁皮石斛，产地为江西省萍乡市，人工栽培，3 4 年生。苦参碱标准品、没食子酸标准品、叶绿素 a 标准品、叶绿素 b 标准品、葡萄糖标准品，均来自上海源叶生物科技有限公司；硫酸、苯酚、石油醚、氢氧化钾、丙酮、乙醇、甲醇、盐酸、氢氧化钠、三氯甲烷，均为分析纯，购自西陇科学股份有限公司。1.2 仪器与设备LA8080 氨基酸自动分析仪，日立高新技术集团；FA-1004 电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；BR4I 离心机，赛默飞世尔科技公司；8453 紫外可见分光光度计，安捷伦科技有限公司；HE53 水分测定仪，梅特勒托利多科技（中国）有限公司；DF-70 水冷双级高速齿轮传动粉碎机，温岭林大机械有限公司；KQ-800DE数控超声波清洗器，昆山超声仪器有限公司；DHG-9070A 电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；热泵干燥房，南昌永淦节能科技有限公司；LGJ-18真空冷冻干燥机，北京松原华兴科技发展有限公司。1.3 方法1.3.1 采摘及预处理铁皮石斛适宜采收的时间是每年11月至次年6月，采取采旧留新和全草采收两种方式。于晴天采收，枝条表皮无水珠时采收，采收前 90 d 不得使用化肥及农药。采收方法：待叶片自然脱落、叶鞘变为银灰色后，采收 3 年及以上生茎条。于茎基部以上留 1 2 个带肉质的茎节处 45斜切采收。采收后及时剔除病株及杂质，平铺摆放备用。1.3.2 干燥将新鲜铁皮石斛茎条清洗干净，采用 3 种干燥方法进行干燥至安全水分含量。（1）热风干燥。75 恒温，鼓风干燥箱连续干燥 12 h 后静置 12 h，反复进行此过程，直到物料水分含量 10%。（2）热泵干燥。热泵房三阶段温度干燥，干燥程序起始温度 45 持续 2 h，升温至 60 持续 12 h，最后降温至 40 持续 2 h，常温静置 12 h。重复该干燥程序，直至物料水分含量 10%。（3）真空冷冻干燥。将铁皮石斛鲜条切段，置于-65 冰箱冷冻 6 h 以上，然后冷冻干燥。在干燥过程中，冷阱温度保持-65，真空度 20 Pa 左右，每次干燥周期为 48 h 左右。干燥周期可重复，直至获得水分含量 10%的铁皮石斛段。1.4 铁皮石斛活性成分检测利用切断机将干燥好的铁皮石斛茎条切断，每段长度约为 5 mm，然后用台式粉碎机进行粉碎，获得铁皮石斛粉。1.4.1 氨基酸检测取适量铁皮石斛粉置于试管中，并加入 12 mL 盐酸溶液（6 mol/L），将试管放入冷冻剂中冷冻 4 min，充氮保护，拧紧瓶盖，将试管于110 1 水解22 h 后，取出，冷却至室温。过滤并定容至50 mL容量瓶中，摇匀。取 1.0 mL 滤液移入至 15 mL 试管内，40 减压至干，用 1.0 mL 柠檬酸钠缓冲溶液（pH 值为 2.2）复溶，过滤膜，上氨基酸自动分析仪测定氨基酸。1.4.2 多糖检测采用苯酚硫酸法测定多糖含量。称取 0.2 1.0 g 样品于 50 mL 具塞离心管内。用 5 mL 水浸润样品，缓慢加入 20 mL 无水乙醇，同时使用涡旋振荡器振摇，使混合均匀，置超声波提取器，120 W 超声提取30 min。提取结束后，于 4 000 r/min 离心 10 min，弃第 4 期3熊慧薇等：干燥方式对铁皮石斛活性成分的影响去上清液。不溶物用10 mL 80%乙醇溶液洗涤、离心。用水将上述不溶物转移入圆底烧瓶，加入 50 mL 水，120 W 超声提取 30 min，重复 2 次。冷却至室温，过滤上清液转移至200 mL容量瓶中，残渣洗涤23次，洗涤液转至容量瓶中，加水定容。此溶液为样品测定液（如颜色过深，可通过C18、SPE小柱等进行脱色处理）。分别吸取 0 mL、0.2 mL、0.4 mL、0.6 mL、0.8 mL、1.0 mL 的标准葡萄糖工作溶液（100 mg/L）置于 20 mL 具塞试管中，用蒸馏水补至 1.0 mL。向试液中加入 1.0 mL 5%苯酚溶液，然后快速加入 5.0 mL 硫酸（与液面垂直加入，勿接触试管壁，以便与反应液充分混合），静置10 min。使用旋涡振荡器使反应液充分混合，然后将试管放置于 30 水浴中反应 20 min，490 nm 测吸光度。以葡萄糖质量浓度为横坐标，吸光度值为纵坐标，制定标准曲线。吸取 1.0 mL 样品测定液于 20 mL具塞试管中，重复上述操作，于 490 nm 测吸光度。1.4.3 多酚检测称取 0.2 g 样品于 10 mL 离心管中，加 70%甲醇水溶液，移入 70 水浴提取 10 min，冷却至室温，3 500 r/min 离心 10 min，上清液转移至 10 mL 容量瓶中，残渣再用 70%甲醇水溶液提取一次，合并提取液，定容至 10 mL，为测试液。如有浑浊或沉淀，过滤后待用。移取 1.0 mL、2.0 mL、3.0 mL、4.0 mL、5.0 mL 没食子酸标准溶液（1 000 g/mL）于 100 mL容量瓶中，定容至刻度，获得没食子酸工作液。吸取没食子酸工作液、测试液及水（空白样）各 1 mL 于刻度试管中，在试管内分别加入 5.0 mL 10%福林酚试剂，摇匀，反应 3 8 min，加入 4.0 mL 7.5%Na2CO3溶液，摇匀。室温下放置60 min，于765 nm处测吸光度。根据没食子酸标样工作液的吸光度绘制标准曲线。1.4.4 总生物碱检测采用溴麝香草酚蓝法测定总生物碱含量。（1）精密量取苦参碱对照品溶液（1 mg/mL）0 mL、0.1 mL、0.2 mL、0.3 mL、0.4 mL、0.5 mL、0.6 mL 分别置于离心管中，各管均加三氯甲烷至 1.0 mL，再加入 5 mL溴麝香草酚蓝显色剂、5 mL 三氯甲烷，振摇 2 min，静置 2 h，取三氯甲烷层 4 mL 移入比色管中，分别加入 0.2 g 无水硫酸钠，振摇，放置 10 min，以未加苦参碱的为空白对照，于 414 nm 处测定吸光度，建立标准曲线。（2）称取 0.5 g 捣碎样品于离心管中，加入 10 mL 无水甲醇，200 W 超声提取 1 h，3 500 r/min离心 10 min。将上清液移入另一离心管中。同法重复提取 3 次，合并上清液，加热蒸发浓缩为浸膏。用 10 15 mL 2%盐酸溶液洗涤溶解，然后用 10%NaOH 溶液调 pH 值至 10，再用等体积三氯甲烷萃取3 次，合并萃取液于旋蒸瓶中，旋蒸浓缩后再用 10 mL三氯甲烷溶解，为待测液。取 0.5mL 待测液，按照标准样品的处理方式，于 414 nm 测吸光度。1.4.5 叶绿素 a、叶绿素 b 检测取适量样品 0.5 g 左右，加入 50 mL 无水乙醇与丙酮混合溶液（1 1，V V）提取 5 h，过滤，取滤液待测。分别测定 645 nm 处和 663 nm 处的吸光度。标准曲线标样为叶绿素 a 和叶绿素 b，叶绿素 a 和叶绿素 b 含量分别根据公式（1）和（2）计算。()663645a12.722.59=1 000AAVCm（1）()()663645b22.884.67=1 000AAVCm（2）式中，Ca和 Cb分别为叶绿素 a 和叶绿素 b 的含量，mg/g；A663和 A645分别为 663 nm 和 645 nm 处吸光度值；V 为试液体积，mL；m 为称样量，g。1.5 数据处理运用 Excel 2019 进行数据统计分析和作图。2 结果与分析2.1 干燥效果评价干燥至水分含量 10%为结束节点，分析比较各种干燥方法的干燥效果，从干燥温度、干燥周期、色泽、茎条韧性等指标评价干燥方法，见表 1。表 1 三种干燥方法对比干燥方法最高干燥温度/干燥周期/d水分含量/%茎条色度茎条韧性气味鼓风干燥758 126.34 深褐色无韧性，脆无异味热泵干燥6015 178.44 黄褐色韧性较差无异味真空冷冻干燥205 75.23 绿色、紫色松软有韧性无异味4生物化工2023 年结果表明，在各自的干燥周期内，铁皮石斛茎条的水分含量均下降到 10%以下，真空冷冻干燥样品的水分含量最低（5.23%），热泵干燥样品的水分含量最高（8.44%），这些水分含量对于铁皮石斛茎条的保存均是安全的，可以实现长期保存。按照本文的操作方法，将水分含量降至安全水分含量，热风干燥需要 8 12 d，热泵干燥需要 15 17 d，真空冷冻干燥需要 5 7 d。铁皮石斛中胶质和多糖含量极高，干燥和冷却交替进行，有助于铁皮石斛内部的水分向外扩散，提高干燥效率和保持品质。观察铁皮石斛茎条干燥后的茎条色度和韧性，发现鼓风干燥获得的铁皮石斛茎条颜色最深，呈现深褐色，无韧性且脆；热泵干燥获得的铁皮石斛茎条颜色呈现黄或淡褐色，保留了部分韧性；真空冷冻干燥获得的铁皮石斛茎条基本能够保持原有的色泽，绿杆铁皮石斛呈现绿色，红杆铁皮石斛呈现紫色，而且茎条具有良好的柔韧性，不易折断。结果显示，真空冷冻干燥法的干燥周期最短，耗时 5 7 d，比其他干燥方法缩短 40%65%（以中间值计算，下同）的时耗。从水分含量来看，真空冷冻干燥可以在最短的干燥周期内获得低水分含量的铁皮石斛干制品，同时保持了原有色泽和质感。鼓风干燥和热泵干燥等常规的干燥方法脱水效果不好，原因可能是铁皮石斛本身富含纤维、多糖、胶质等成分，鲜条受热后表面容易产生致密的组织，阻碍水分从鲜条内向外扩散，而真空冷冻干燥特别适合用于干燥铁皮石斛，冷冻干燥在低温（-65）的条件下进行，有利于铁皮石斛鲜条形成玻璃态结构，使物料组织具有由内到外的水分通道，因此真空冷冻干燥的效率高于普通干燥方式。真空冷冻干燥法特别适用于干燥铁皮石斛，可以在较短的干燥周期获得品相最佳的铁皮石斛制品。但是该法的程序比较复杂、处理量小、成本高，考虑到加工成本，该法适用于加工附加值高的产品。铁皮石斛作为名贵中药材，非常适合采用真空冷冻干燥法进行处理。如果需要量产或加大处理量的情况下，可以结合采用热泵干燥法进行处理。2.2 铁皮石斛活性成分测定2.2.1 氨基酸含量分别检测 3 种干燥方式处理的铁皮石斛样品中的氨基酸含量。图 1 为氨基酸出峰谱图，结果表明氨基酸鲜条中检出了 17 种氨基酸，包括 6 种人体必需氨基酸（苏氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸）。表 2 显示了样品中 6 种必需氨基酸含量及变化。结果表明，冷冻干燥样品中的必需氨基酸含量高于其他样品。2.2.2 多糖、总生物碱和多酚含量多糖是生物体中维持细胞组织结构和提供能量来源的物质，生物碱是一类含氮的碱性化合物，黄酮类物质是一种天然植物成分，它们均广泛存在于植物图 1 铁皮石斛氨基酸出峰谱图表 2 三种干燥方式样品中六种必需氨基酸含量（单位：g/100 g）干燥方法苏氨酸缬氨酸异亮氨酸亮氨酸苯丙氨酸赖氨酸鼓风干燥0.200.240.220.460.210.20热泵干燥0.200.230.210.470.230.20真空冷冻干燥0.220.250.240.520.250.27第 4 期5熊慧薇等：干燥方式对铁皮石斛活性成分的影响中。研究结果表明9-10，这些物质还具有多种生物活性和生理功能，包括免疫调节、抗肿瘤、抗氧化、抗疲劳、抗炎、控制血糖和代谢胆固醇、降血脂及护肝等。根据表 3，鼓风干燥样品中的多糖含量最高，热泵干燥样品次之，真空冷冻干燥样品最低。在热处理过程中，一部分纤维素发生了降解，氢键断裂，转化为多糖，处理温度越高，降解越多，因此，鼓风干燥样品中的多糖含量最高。冷冻干燥样品中的纤维素保存较完整。根据表 3，真空冷冻干燥样品中的多酚含量最高。多酚为热敏性的活性成分，因此多酚含量和干燥温度成反比。总生物碱成分比较稳定，因此 3 种干燥方式的样品中的含量变化不大。表 3 三种干燥方式样品中多糖、总生物碱和多酚含量（单位：g/100 g）干燥方法粗多糖总生物碱多酚鼓风干燥22.900.040.29热泵干燥17.800.130.27真空冷冻干燥15.700.210.292.2.3 叶绿素 a、b 含量检测结果显示，真空冷冻干燥样品的叶绿素 a、b含量远高于鼓风干燥样品和热泵干燥样品，见表 4。因此，真空冷冻干燥样品的色泽保持最好。表 4 三种干燥方式样品中叶绿素 a、b 含量（单位：mg/g）干燥方法叶绿素 a叶绿素 b鼓风干燥0.0400.090热泵干燥0.0410.129真空冷冻干燥0.7220.3623 讨论与结论铁皮石斛功能成分含量的变化可以反映干燥方式对铁皮石斛品质的影响效果。本研究有针对性地选取了一些具有代表性的功能成分作为分析对象。多糖类物质是生物体中维持细胞组织结构和提供能量来源的物质，生物碱是一类含氮的碱性化合物，多酚类物质是一种天然植物成分，它们均广泛存在于植物中。研究结果表明，植物多糖具有多种生物活性和生理功能，包括抗肿瘤、提高免疫力、延缓衰老、消炎、控制血糖和血脂等11-12。感官评价（色泽、气味和质地）也是判断脱水铁皮石斛品质的重要因素，良好的色泽、气味和质地可以提高产品的附加值。为了有效利用铁皮石斛特别是不可直接食用的铁皮石斛，拓展和延长铁皮石斛在食品加工和保健品加工业中的用途和生产周期，开展本研究。以下结论可为铁皮石斛资源的开发利用提供理论依据。（1）真空冷冻干燥法（温度-65，真空度 20 Pa）干燥铁皮石斛的干燥周期为 5 7 d，干燥时间较热风和热泵干燥缩短 50%以上。（2）同其他干燥样品相比较，真空冷冻干燥铁皮石斛中的必需氨基酸、总生物碱、叶绿素 a、叶绿素b 含量最高，多糖含量最低，总生物碱含量持平。（3）真空冷冻干燥法最大限度地保持鲜条的色泽、质感和气味，适合铁皮石斛的加工。参考文献1 周玉飞,康专苗,彭竹晶.珍稀濒危铁皮石斛的研究进展 J.基因组学与应用生物学,2018,37(4):1629-1635.2 国家药典委员会.中国药典 M.北京:中国医药科技出版社,2020.3 付伟丽,黄作喜,唐正义等.铁皮石斛多糖研究进展 J.内江师范学院学报,2010,26(4):40-44.4 张宇,高飞,王向军,等.铁皮石斛主要化学成分及生物活性研究进展 J.药物生物技术,2015,22(6):557-561.5 杨明志,单玉莹,陈晓梅,等.中国石斛产业发展现状分析与考量 J.中国现代中药,2022,24(8):1395-14026 王小青,何小群,曾慧婷,等.江西铁皮石斛鲜品等级划分标准研究初探 J.实用中西医结合临床,2021,21(3):154-156.7 林鸿,王为为,郑宝东,等.微波真空干燥对铁皮石斛品质特性影响的研究 J.热带作物学报,2020,41(7):1459-1468.8 兰志琼,艾青青,杨吉玉,等.基于水分吸附数学模型研究大黄的安全贮藏水分 J.中草药,2020,51(12):3165-3172.9 SUN Y,SUN T W,WANG F,et al.A polysaccharide from the fungi of Huaier exhibits anti-tumor potential and immunomodulatory effectsJ.Carbohydrate Polymers,2013,92(1):577-582.10 周炎.桑树组织中生物碱 DNJ 的提取及应用研究 D.合肥:安徽农业大学,2009.11 YAO Y,ZHU Y Y,REN G X.Immunoregulatory activities of polysaccharides from mung beanJ.Carbohydrate Polymers,2016,139:61-66.12 ZHU Z Y,LIU X C,FANG X N,et al.Structural characterization and anti-tumor activity of polysaccharide produced by Hirsutella sinensisJ.International Journal of Biological Macromolecules,2015,82:959-966.