淮山微波真空干燥工艺优化及功能活性评价

夏 磊 黄 昭 欧阳华峰 郭时印 苏小军,2 王 锋 李清明

(1. 湖南农业大学食品科学与技术学院生物质醇类燃料湖南省工程实验室，湖南 长沙 410128；2. 湖南省植物功能成分利用协同创新中心，湖南 长沙 410128)

淮山又称薯蓣(DioscoreaoppositaThunb)，是薯蓣科(Dioscoreaceae)薯蓣属(Dioscorea)植物，富含皂苷、糖蛋白、甘露聚糖、植酸、尿囊素等多种生物活性物质，具有丰富的营养价值[1]。微波真空干燥是一种新型现代化干燥技术，具有快速、低温、高效等特点，能较好地保持原料的色香味及营养成分，并有效地避免了微波干燥容易因温度过高而使食品产生硬化、结壳和焦化甚至烧伤等缺点[2]，在荔枝果肉[3]、马铃薯[4]、板栗[5]等多种果蔬干制中得到应用。传统的淮山干燥方法为晒干或烘干，干制过程中淮山易发生褐变，常用熏硫或焦亚硫酸钠处理等方法进行护色，易导致含硫量超标。化春光[6]44-48研究了多种干燥方式对怀山药片品质的影响，发现微波真空干燥速率最快，产品品质较好。由于微波具有降解作用，所以微波真空干燥可能会引起原料中活性成分的变化，从而影响其功能活性，但目前针对淮山微波真空干燥的研究[7]主要集中在干燥特性、动力学及产品的物理、化学性质等方面，关于微波真空干燥对淮山功能活性的影响尚未见报道。

本试验拟以多糖含量、白度和复水率为考察指标，通过单因素和二次旋转正交试验，探究微波功率、真空度、切片厚度等因素对淮山微波真空干燥品质的影响，并进行工艺优化，通过测定其抗氧化能力与功能活性成分含量，以期揭示微波真空干燥对淮山功能活性的影响，为淮山微波真空干燥工业化生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜淮山：由双峰县青树坪镇金土地农业合作社提供，挑选个体完整、粗细均匀、表皮无霉、无病虫害、无机械损伤的淮山；

无水乙醇、甲醇、氢氧化钠、邻苯三酚：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；

三羟甲基氨基甲烷(Tris-base)：分析纯，美国Sigma-Aldrich公司；

α-淀粉酶、糖化酶：分析纯，上海瑞永生物科技有限公司；

DPPH(1,1-二苯基-2-三硝基苯肼)：分析纯，东京化成工业株式会社。

1.2 仪器与设备

电子天平：TP-1200A型，湘仪天平仪器设备有限公司；

分析天平：BS224S型，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司；

微波真空干燥箱：JDH-1GZ型，广州永泽微波能设备有限公司；

色彩色差计：CR-400型，日本KONICA MINOLTA公司；

可见分光光度计：V-5000型，上海元析仪器有限公司；

台式超声波清洗器：KM-600DV型，昆山美美超声仪器有限公司；

台式低速离心机：TDZ5型，湖南赫西仪器装备有限公司；

高效液相色谱仪：1260-Agilent型，美国安捷伦科技有限公司；

旋转蒸发仪：N-1200AS型，东京理化仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 微波真空干燥 将新鲜淮山去皮、洗净、切片，根据单因素及旋转正交试验设计调整工艺参数，干燥至淮山干基含水率低于0.3 g/g，密封保存。

1.3.2 单因素试验

(1) 装载量：固定真空度-0.07 MPa、转盘转速8 r/min、切片厚度3 mm、干燥温度55 ℃，考察不同装载量(20，40，60，80，100 g/kW)对多糖含量、白度和复水率的影响。

(2) 真空度：固定装载量60 g/kW、转盘转速8 r/min、切片厚度3 mm、干燥温度55 ℃，考察不同真空度(-0.05,-0.06，-0.07，-0.08，-0.09 MPa)对多糖含量、白度和复水率的影响。

(3) 转盘转速：固定装载量60 g/kW、真空度-0.07 MPa、切片厚度3 mm、干燥温度55 ℃，考察不同转盘转速(2，4，6，8，10 r/min)对淮山多糖含量、白度和复水率的影响。

(4) 切片厚度：固定装载量60 g/kW、真空度-0.07 MPa、转盘转速8 r/min、干燥温度55 ℃，考察不同切片厚度(1，2，3，4，5 mm)对淮山多糖含量、白度和复水率的影响。

(5) 干燥温度：固定装载量60 g/kW、真空度-0.07 MPa、转盘转速8 r/min、切片厚度3 mm，考察不同干燥温度(45，50，55，60，65 ℃)对多糖含量、白度和复水率的影响。

1.3.3 响应面优化试验 通过单因素试验发现，干燥温度、切片厚度、真空度对淮山微波真空干燥品质影响较大，故以这3个因素为自变量，利用Design-Expert 8.0.6软件，以多糖含量、白度、复水率为响应值，进行三因素五水平二次旋转正交设计组合试验，确定最佳的干燥工艺条件。

1.3.4 指标测定方法

(1) 淮山多糖提取与测定：称取2 g淮山干片研磨粉碎，置于100 mL容量瓶中，加80 mL蒸馏水，超声辅助提取1.5 h，再于沸水浴中加热1 h，冷却后补加水至刻度线，取50 mL提取液置于100 mL具塞锥形瓶中，加10%α-淀粉酶液1 mL和磷酸盐缓冲液0.5 mL，于55～60 ℃酶解1 h，再加5%糖化酶液0.5 mL，于60 ℃水解1 h(用碘液检验是否水解完全)后，在电炉上加热至沸(灭酶)，冷却定容；取5 mL提取液于50 mL离心管中，加20 mL无水乙醇，摇匀后4 ℃静置过夜，以5 000 r/min离心15 min，沉淀即为粗多糖；粗多糖复溶后经过Sevag试剂[氯仿∶正丁醇=5∶1 (体积比)]除蛋白，在脱蛋白后的多糖溶液中加入3倍无水乙醇，沉淀用丙酮、乙醚反复洗涤，抽滤，将沉淀用水溶解定容至100 mL备用。使用苯酚—硫酸法测定，并以葡萄糖为标准物绘制标准曲线。

(3) 复水率测定：用天平测量淮山干片的质量记为m0，再将干片置于60 ℃温水中恒温浸泡30 min，取出后擦干表面水分，测量质量记为m1，按式(1)计算复水率。

(1)

式中：

R——复水率，%；

m0——复水前干淮山的质量，g；

m1——复水后淮山片的质量，g。

(4) 抗氧化活性测定：DPPH自由基、羟自由基、超氧阴离子自由基清除率分别参考曾维才等[8]、蒋方程等[9]和张黎明等[10]的试验方法。

(5) 多酚、黄酮、尿囊素测定：分别按照李宁宁等[11]、赵立庭等[12]和李鑫等[13]的方法进行提取、测定，绘制标准曲线，并计算含量。

1.3.5 数据处理 每个样品重复5次试验，采用Design-Expert 8.0.6软件进行响应面试验设计及方差分析，使用Origin 8.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

由表1～5可以看出，装载量和转盘转速对指标的影响不显著，而干燥温度、切片厚度、真空度对淮山干燥产品的多糖含量、白度和复水率有显著影响。

蒋方程等[9]和付小雨[14]测定不同产地、不同品种山药中的多糖含量，发现其值一般在3%～8%。化春光[6]29-32研究发现，随着微波干燥温度的升高，多糖含量逐渐升高，但于55～60 ℃后显著下降。可能是支链淀粉在微波的作用下，发生解链，造成多糖含量随着干燥温度的升高而增加。田玉庭等[15]研究发现龙眼肉中的多糖含量随真空度的增加而增加。张雪等[16]在研究中发现，干燥温度对山药复水率有显著影响，且温度在50～60 ℃时，复水比最高。陈丰[17]在研究中发现，莲子的复水率随真空度增大而增大，复水能力在-0.08 MPa时最强，而当真空度为-0.09 MPa 时复水率反而降低。

表1 不同装载量对淮山品质的影响†

† 同列字母不同表示差异显著(P<0.05)。

表2 不同真空度对淮山品质的影响†

† 同列字母不同表示差异显著(P<0.05)。

表3 不同转盘转速对淮山品质的影响†

† 同列字母不同表示差异显著(P<0.05)。

表4 不同切片厚度对淮山品质的影响†

† 同列字母不同表示差异显著(P<0.05)。

表5 不同干燥温度对淮山品质的影响†

† 同列字母不同表示差异显著(P<0.05)。

2.2 二次旋转正交试验

在单因素试验基础上，以多糖含量、白度、复水率为响应值，进行三因素五水平二次旋转正交设计组合试验，设计方案见表6，试验结果见表7。

2.3 回归模型的建立与检验

根据二次旋转正交试验结果，使用Design-Expert 8.0.6 软件进行数据处理，分别得到多糖含量、白度、复水率与干燥温度、切片厚度、真空度的回归模型：

(2)

(3)

表6 因素水平编码表

表7 二次旋转正交组合设计试验结果

(4)

对回归方程进行方差分析，并进行拟合度和显著性检验，结果见表8～10。

由表8可知，方程回归性检验F1=5.32，P=0.007 7<0.01，说明该模型极显著；方程失拟性检验F2=25.69，P=0.515 4>0.05，说明失拟项不显著；同时模型的相关系数R2=0.914 9，说明回归方程和试验结果拟合度较高。可以认为回归模型成立，并能较好地描述3个因素与淮山干片中多糖含量的关系。

由表9可知，方程回归性检验F1=4.63，P=0.012 6<0.05，说明该模型显著；方程失拟性检验F2=5.18，P=0.064 9>0.05，说明失拟项不显著；同时模型的相关系数R2=0.925 9，说明回归方程和试验结果拟合度较高。可以认为回归模型成立，并能较好地描述这3个因素与淮山干片白度之间的关系。

由表10可知，方程回归性检验F1=30.42，P<0.000 1，说明该模型极显著；方程失拟性检验F2=3.11，P=0.119 1>0.05，说明失拟项不显著；同时模型的相关系数R2=0.933 0，说明回归方程和试验结果拟合度较高。可以认为回归模型成立，并能较好地描述这3个因素与淮山干片复水率之间的关系。

2.4 各因素协同作用分析

2.4.1 各因素对多糖含量的交互作用响应面分析 由图1 可知，干燥温度、切片厚度和真空度的交互作用对多糖含量的影响显著。当干燥温度上升时，多糖含量先升后降，并于0水平左右达到最高值；切片厚度增加时，多糖含量也呈先增后减的趋势，但影响没有干燥温度那么显著；真空度上升时，多糖含量先缓慢增加，并于0水平后迅速减小。徐晚秀等[18]研究发现干燥温度和物料厚度对铁棍山药多糖含量有显著影响。

表8 多糖含量回归方程方差分析

表9 白度回归方程方差分析

2.4.2 各因素对白度的交互作用响应面分析 由图2可知，干燥温度、切片厚度和真空度的交互作用对白度的影响显著。当干燥温度上升时，白度先缓慢增加，后迅速减小，+2水平(65 ℃)时，白度值达到最低，说明温度对淮山干片白度影响十分明显；切片厚度增加时，白度先迅速增加，在0水平左右达到最大值后缓慢减小。真空度增加时，白度先增后减。

表10 复水率回归方程方差分析

2.4.3 各因素对复水率的交互作用响应面分析 由图3可知，干燥温度、切片厚度和真空度的交互作用对复水率的影响显著。当干燥温度上升时，复水率先迅速增加，后缓慢减小，-2水平(45 ℃)时，复水率值达到最低，说明较低的干燥温度对淮山干片复水率影响十分显著；切片厚度增加时，复水率先增后减，在0水平左右达到最大值。真空度增加时，复水率先迅速增大，而后缓慢减小。周琦等[19]研究发现真空度及物料厚度对微波真空干燥柠檬片的复水率和色差值有显著影响。

2.5 淮山微波真空干燥工艺优化

经三因素五水平二次旋转试验及响应面优化，并根据3个品质指标的重要程度，分配多糖含量、白度、复水率的权重分别为0.4，0.3，0.3，采用Design-Expert 8.0.6软件分析得到干燥温度、切片厚度、真空度对应的参数分别为55 ℃、3 mm、-0.08 MPa，此时得到的预测指标值分别为多糖含量4.13%、白度78.81、复水率223.88%。根据以上最佳工艺参数对预测值进行验证，得到淮山干片的多糖含量为(4.12±0.08)%、白度为(78.04±0.82)、复水率为(223.29±1.31)%。与预测值偏差<5%，说明该试验结果与模型拟合度高。因此，该响应面分析所得的优化工艺参数有参考价值，对实际生产加工有一定的指导作用。

2.6 抗氧化活性研究与评价

由图4可知，随着淮山溶液质量浓度的增加，其对自由基的清除率均呈上升趋势。当淮山溶液达到最大试验浓度(50 mg/mL)时，其对DPPH自由基、羟自由基和超氧阴离子的清除率分别达到(88.43±0.66)%，(86.52±0.51)%，(83.81±0.75)%，半抑制率浓度(IC50)分别为(18.61±0.11),(19.86±0.15),(21.06±0.14) mg/mL。蒋方程等[16]测定铁棍山药、蕲春山药、淮山药水提物清除DPPH自由基的IC50值分别为35.05，37.68，40.26 mg/mL。苏小军等[20]测定喷雾冷冻干燥的紫淮山全粉(25 mg/mL)对DPPH自由基和羟基自由基的清除率分别为67.15%和54.45%。Hsu等[21]研究了台农2号和紫淮山等3个品种在冷冻干燥、热风干燥和滚筒干燥条件下的抗氧化能力，发现抗氧化能力与品种、浓度和干燥方式有关，在200 mg/mL浓度水平时，冷冻的紫淮山全粉自由基清除能力接近100%。

图1 各因素协同作用对多糖含量的影响

图2 各因素协同作用对白度的影响

图3 各因素协同作用对复水率的影响

图4 微波真空干燥淮山对3种自由基的清除效果

2.7 功能活性成分

由表11可知，与新鲜淮山相比较，微波真空干燥过程中淮山的活性成分损失率约为4%～10%。Jiang等[22]研究结果表明，相较于传统干燥方式，微波真空干燥的原料功能活性成分损失更少。衡银雪等[23]测定微波真空干燥、微波干燥、真空干燥、热风干燥黄精的多酚含量分别为(1.38±0.07),(0.87±0.1),(0.90±0.08),(0.44±0.09) mg/g。功能活性成分的损失与干燥环境的氧含量和干燥温度等因素密切相关，微波真空干燥过程具有较高的真空度，既能加速水分的蒸发，缩短干燥时间，又可以在一定程度上避免活性成分的氧化。

表11新鲜和微波真空干燥淮山功能活性成分含量

Table11ContentoffunctionalactivecomponentsinfreshyamMicrowavevacuumdryingyam(n=5)mg/g

样品多酚黄酮尿囊素新鲜淮山0.83±0.031.43±0.057.18±0.07干燥淮山0.71±0.051.32±0.046.86±0.08

3 结论

淮山的最佳微波真空干燥工艺条件为干燥温度55 ℃、切片厚度3 mm、真空度-0.08 MPa、装载量100 g/kW、转盘转速8 r/min。此条件下得到的淮山产品多糖含量为(4.12±0.08)%、白度为(78.04±0.82)、复水率为(223.29±1.31)%，多酚、黄酮、尿囊素的含量分别为(0.71±0.05),(1.32±0.04),(6.86±0.08) mg/g。当淮山浓度达到50 mg/mL时，对DPPH自由基、羟自由基、超氧阴离子自由基的清除率分别为(88.43±0.66)%,(86.52±0.51)%,(83.81±0.75)%，半抑制率浓度(IC50)分别为(18.61±0.11),(19.86±0.15),(21.06±0.14) mg/mL。本试验说明了微波真空干燥淮山的产品质量好，抗氧化能力强，也证明了微波对淮山中活性成分的损耗小，为淮山的微波真空工业化干燥加工提供了理论支持，今后可结合傅里叶变换红外光谱、X衍射等技术，进一步研究干燥过程中淮山功能与结构的变化。