石斛花鼓风干燥机理和感官品质变化规律

张珍林 殷智超

(1. 皖西学院生物与制药工程学院，安徽 六安 237012； 2. 植物细胞工程安徽省工程技术研究中心，安徽 六安 237012)

石斛为兰科草本数年生植物[1-2]。目前发掘并开发石斛的药、食、赏价值已经很成熟，但花作为石斛的一大亮点，在深度利用上没有得到很好的研发。由于石斛鲜花具有花期短、采收期把握难、产量低、鲜花不易保存等缺点[3-5]，所以干制作为石斛鲜花保存的主要方法被大家广泛采用。石斛鲜花的干燥是石斛花延长保存期的主要手段，干燥方法是影响石斛干花品质质量的重要环节[6]。

目前，行业内有多种形式的石斛花干制条件研究，资料[7-8]显示多是采用不同干制工艺条件，对干制前后样品进行简单的感官品质对比分析，没有从根本上阐述石斛花干制本质，也没有具体说明干制的石斛花品质质量和保质期的关系。要从本质上进行石斛花干燥方法的优化，需考察的关键对象不只是加工前后感官品质，还应该包括干制过程中受温湿度气流影响的干燥温度、干燥时间、干燥物品的堆积厚度变化。

本试验拟对霍山石斛花(米斛花)和铁皮石斛花干燥动力学和感官质量稳定性进行研究。将石斛花在干燥过程中水分状态变化作为研究切入点，利用远红外鼓风干燥装置进行干制，借助低频核磁共振仪[9-10]和质构仪[11]进行分析测定。为深入研究石斛花干制后营养成分和生物活性物质变化提供理论数据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 试验材料

霍山石斛鲜花、铁皮石斛鲜花：霍山县长冲中药材开发有限公司。

1.1.2 试验仪器

远红外鼓风干燥箱：DGT-G250型，合肥华德利科学器材有限公司；

纽曼核磁共振成像分析仪：NMI20-015V-I型，上海纽曼电子科技有限公司；

超技质构仪：TA-XT plus41905型，台北超技仪器公司。

1.2 试验方法

1.2.1 试验条件 设定温度、时间、堆料厚度3个影响因素作为干制梯度的变量，2种石斛花在同一梯度里采用相同条件烘干，室温下回软3 d，再干制回软，如此重复3次；同时采用低频核磁共振自旋回波(CPMG)序列方法测定每次烘干后水分变化情况，用质构仪分析每次烘干后硬度和脆性的变化，确定试验变量条件如表1所示。

表1 石斛花干制试验条件

1.2.2 CPMG分析 在不同干制阶段取样用低频核磁共振的CPMG模式检测水分变化程度，然后利用 sirt 算法，迭代次数为10万次进行反演得到横向弛豫时间(T2)谱图，主要测定参数设置：主频21 MHz，偏移频率 61 789.03 kHz，累加采样次数64，回波时间0.5 ms，回波个数10 000，重复采样等待时间3 000 ms，接收机带宽200，增益3，90°脉冲时间15 μs，180°脉冲时间30 μs，得出水分变化曲线。

1.2.3 质构分析 在不同干制阶段下干制后对干制样品进行质构分析，根据重量法计算得到霍山石斛花和铁皮石斛花的含水率，用不同含水率表示测定阶段，来获取感官品质极优的石斛花，取一定质量的石斛干花放置直径50 mm器皿中，使用P/36R圆柱型探头进行压缩测试，硬度、脆性作为感官质量评价依据，主要测定参数设置：测前速度、测中速度、测后速度均为1.00 mm/s，位移为5.00 mm，应变10%，触发力50 g，采集点数500。

1.2.4 干燥动力学模型分析 在不同的干燥时间段下，有效水分扩散系数(De)能反应水分扩散快慢，有效扩散系数的计算可以根据已有的动力学假设模型得到，即菲克第二定律，具体计算公式如式(1)。

(1)

式中：

W——干燥至某一时刻的样品重量，g；

W0——样品初始重量，g；

We——干燥至含水率不变时重量，g；

De——有效扩散系数；

t——干燥时间，h；

L——堆料厚度，mm。

1.2.5 MSE分析 对石斛干花复水速度和复水均匀性的分析是利用多层自旋回波(MSE)序列产生自旋回波图像进行的，根据核磁共振成像原理，在一幅自旋回波图像中，图像上每点的信号强度可根据式(2)来描述。

(2)

式中：

S——信号强度；

A——质子密度；

TR——重复时间，ms；

TE——回波时间，ms；

T1——纵向弛豫时间，ms；

T2——横向弛豫时间，ms。

通过成像特性分析可以得出石斛干花复水的矢状面、冠状面以及横截面，这些截面图均能展现石斛干花复水速度和复水均匀性。试验中，选择横截面作为成像图片。石斛干花沸水泡制，取0.1 mg样品按照10，50，100，150，200，250，300，400，500，600 s 10个时间阶段进行测试。主要测定参数设置：重复时间1 600 ms、重复采样次数6、回波时间18 ms。

2 结果与分析

2.1 不同干燥阶段石斛花的干基含水率

不同干燥阶段石斛花的干基含水率如表2所示。根据设定的试验条件，发现2种石斛花随着干制次数增加，含水率都是降低的，说明这种干制方法在石斛花干燥工艺上是可行的。

2.2 不同干燥阶段石斛花的横向弛豫时间图谱

样品内部水分子主要以氢质子的形式存在，氢质子是弛豫过程的主要影响因素[12]。不同干燥阶段所显示的核磁共振弛豫时间不同，范围较广，一般为0.1～10 000.0 ms，弛豫峰谱有3～4 个。根据T2值可以界定水分的不同相态，加权归一化后将10 ms 与 1 000 ms 处作为分界，T2谱中的峰分别对应石斛干花中3种状态的水：0～10 ms(T21)为结合水，水分子与其他大分子间紧密结合，弛豫时间短，先出峰，10～1 000 ms(T22)为半结合水，水分子与其他大分子结合较牢固，弛豫时间较短，出峰稍慢，1 000～10 000 ms(T23)为自由水，水分子自由流动，弛豫时间长，出峰慢。

表2不同条件下石斛花的干基含水率

Table 2 Moisture content ofDendrobiumflowers dry base under different conditions %

试验条件铁皮石斛花霍山石斛花1#10102#873#76

通过图1发现，在不同的干燥时间段，霍山石斛干花和铁皮石斛干花信号幅度的大小变化不同，横向弛豫时间的大小变化也不同。但均具有规律性，在1#、2#、3#干燥阶段，2种干花的T2时间逐渐缩短，峰由左向右移动，结合水峰接收的信号幅度由高向低减小。不同品种的石斛花随着干燥次数的增加，自由水被全部除去，只有半结合态水和结合水，两者都是逐渐减少，信号越来越弱，根据热力学平衡原理可知这是石斛花在干燥过程水分由低熵、低序状态向高能级、有序状态移动；能级越高、越有次序性，水分存在状态越稳定。

表3中列出了不同弛豫时间对应的峰面积，采用加权归一化方法得出不同峰面积下结合水和半结合水的相对含量。霍山石斛干花自由水相对含量为0.00%，半结合水相对含量为7.79%，结合水相对含量为92.19%，同理得出，铁皮石斛干花中3种状态水相对含量分别为0.00%，4.96%，95.04%，可见干制后石斛干花中水分主要以结合水状态存在。

2.3 CPMG干燥曲线与干燥动力学模型相关性分析

利用干燥动力学公式和试验水分比值(MR)，拟合出lnMR-t线性方程。结果见表4。

分析表4发现，不同干制条件下的试验值与模型预测值相关性很好，相关系数均在0.99以上，说明利用干燥模型的值能够指导实际操作。有效扩散系数随着阶段式干燥，值也在逐渐减少，表明随着干制的深入，石斛花内部有效可扩散水分越来越少，进一步说明了干制后期主要以结合态水分存在，和CPMG的弛豫图谱是相一致的。

图1 石斛花干燥过程T2图谱Figure 1 T2 atlas of the drying process of Dendrobium flowers

试验条件霍山石斛花A21A22A23A24总峰面积铁皮石斛花A21A22A23A24总峰面积1#22 645.731 038.281 453.08638.8325 777.788 845.93542.95353.52150.009 892.412#16 897.48754.75525.32855.6819 033.248 213.131 383.66397.4876.4110 070.683#9 097.64964.36619.29251.6210 932.936 788.76447.54391.870.007 628.18

†A21表示T2在0～1 ms的结合态水峰面积；A22表示T2在1～10 ms的结合态水峰面积；A23表示T2在10～100 ms的半结合态水峰面积；A24表示T2在100～1 000 ms的半结合态水峰面积。

表4 试验值和预测值结果

2.4 不同干燥阶段石斛干花的质构

为更好评价远红外干燥产品的质量，分别按霍山石斛花5%，10%，15%含水率和铁皮石斛花7%，12%，17%含水率进行质构分析，结果如表5所示。

表5 不同含水率石斛干花质构值

从表5可以看出，仅仅经过一次干制的霍山石斛花(15%)和铁皮石斛花(17%)的硬度和脆性都不是很高，结合CPMG脉冲序列分析的来看，干制的1#阶段，水分主要以半结合态形式存在，水分活度较高，在后期贮藏时就会出现不同层次的劣变化学反应，不利于贮藏[13]；再经过2#、3#阶段干制后，2种花的硬度和脆性都上升到很大高度，CPMG脉冲序列图也标示出水分状态主要是结合水，此种状态下，水分活度低，不利于劣变化学反应，可延长货架期，说明质构分析对于石斛花干燥过程也具有很强的指导作用。作为石斛花干制的表征参数，除干燥动力学分析得到的有效扩散系数和CPMG脉冲分析得到的水分状态外，也可以通过样品的质构分析得到。

2.5 石斛干花复水的弛豫特性图

石斛干花作为一种药食同源的花茶类饮品，不仅需要明确如何保存，也需要保证饮用时形态、口感和香气的最佳，为此进行了石斛干花复水后的MSE成像图谱观察，见图2、3。

观察图2、3可以看出，自由水包围下的霍山石斛花干品和铁皮石斛花干品复水情况。图2、3中稍微有点亮的地方是自由水，而黑色的地方是石斛花干品，最亮的地方是石斛干花吸收的自由水，由于在10 s的就已经存在这样的亮点，由此可知10 s内石斛干花吸水已经开始；但从图2中可以看出，霍山石斛花复水速度稍慢于铁皮石斛花，主要是因为干制品中后者的结合水含量稍低于前者，铁皮石斛干花的水分活度大于霍山石斛干花，吸水速度自然就快，所以呈现出较快的复水速度。600 s时，自由水已经完全吸入于霍山石斛干花和铁皮石斛干花细胞中，由此说明两者干品复水均匀性佳，干品质地均匀、干燥充分。从色、香、味、形观察泡制好的2种石斛花茶，在600 s时形态、口感和香气最佳。

图2 霍山石斛干花MSE复水图谱Figure 2 MSE rehydration map of D. huoshanensestem flowers

3 结论

利用远红外鼓风干燥和间断-回软干燥方式，得到石斛花干基含水率都远远低于10%。结合低频核磁共振仪CPMG序列、MSE序列和质构仪分析出：① 石斛干花中水分主要以结合水状态存在；② 石斛干花样品的复水速度快、复水均匀性好；③ 石斛干花硬度和脆性与干燥过程温湿度气流的热质传递动力学参数之间，表征出极大的关联性，随着干燥次数增加，硬度和脆性逐渐上升。

图3 铁皮石斛干花MSE复水图谱Figure 3 MSE rehydration map of D. officinalestem flowers

干燥本质是将具有一定温湿度的气流作为干燥介质对产品进行一定时间的加工处理，从而达到产品的干制效果。本试验从本质上进行石斛干花品质变化研究，利用样品干制过程中温湿度气流的热质传递本质原理，分别从石斛鲜花干制过程中的水分状态变化、石斛干花硬度和脆性变化以及干花复水品质变化进行相关分析，补充干制前后样品只是进行简单感官品质对比分析的缺陷性。

后期将着重考察多种干燥方式对石斛花品质特性的影响，并对石斛花干品和鲜品的营养成分、生物活性成分等作进一步研究，尤其对石斛花挥发油成分提取、分离进行深入研究，进一步增加石斛花的深加工产品，实现石斛花商品化生产。