不同干燥方式对玉竹干燥动力学特征及品质的影响

彭小伟，彭雅兰，何旭华，阚 欢，邓 佳，赵 平，刘 云

（西南林业大学 西南山地森林资源保育与利用教育部重点实验室，云南 昆明 650224）

玉竹Polygonatum odoratum别名铃铛菜、尾参、地管子，是百合科Liliaceae 黄精属Polygonatum植物，根茎为长圆柱形，长4～18 cm，直径0.5～1.4 cm，色为黄棕或黄白。我国玉竹资源丰富，广泛分布于吉林、山西、陕西、湖北、湖南、四川、广东等地，其中较为常见的品种有湖南湘玉竹、东北关玉竹、广东西玉竹、江苏海门玉竹等[1]。玉竹为药食同源植物，含有大量的碳水化合物、蛋白质、氨基酸等营养物质以及黄酮、多糖等活性成分，具有免疫调节、降血糖、抗氧化、抗疲劳、抗肿瘤等药理功能，开发前景广阔[2]。

玉竹采摘后水分含量高，易腐烂、发霉，不易保存。通过干燥处理可以降低其水分，抑制微生物生长繁殖，缓解腐烂变质，延长贮存期[3]。目前，果蔬类制品的常见干燥方式除了传统的阴干、晒干、热风干燥，还有较为先进的真空干燥、微波干燥、冷冻干燥、红外干燥以及多方式组合干燥等[4]。自然阴干晒干周期长、效率低、水分干燥不彻底，且受外界环境影响大，不适用大规模干燥；热风干燥成本低，容量大、周期较短、易于操作，是目前较为普遍的干燥方式[5]；微波干燥与红外干燥均具有效率高、干燥均匀、清洁节能、物料损伤小、能有效保留物料中营养成分等优点[6-7]；冷冻干燥能够较好地保存物料的色泽、形态、热敏性成分，具有脱水彻底、复水快等优点[8]。

根据玉竹自身特点，选择冷冻干燥、真空干燥、热风干燥（60、80、100℃）方式，研究不同干燥方式对玉竹的干燥特性和品质的影响，并通过相关性分析干燥过程中各指标之间的关联性，通过聚类分析探究各干燥方式之间的差异，为玉竹干燥加工提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉竹，采购于湖南省张家界卓家山中药材种植专业合作社。

牛血清蛋白、考马斯亮蓝R-250，北京兰杰柯科技有限公司；葡萄糖标准品、芦丁标准品、Vc标准品，上海源叶生物科技有限公司；DPPH、ABTS，北京博奥拓达科技有限公司；所有试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

101-2AB 电热鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司；FD5-series 冷冻干燥机，金西盟（北京）仪器有限公司；DP43C 真空干燥箱，重庆雅马托拓科技有限公司；SC-80 轻便色彩色差计，北京康光仪器有限公司；UV-2600 紫外可见分光光度计，岛津仪器（苏州）有限公司。

1.3 样品处理方法

1.3.1 预处理

选取无机械损伤、腐烂、虫害，大小均匀的新鲜玉竹，洗净、去须，切成厚约0.5 cm 的片。

1.3.2 干燥

冷冻干燥（Freeze drying，FD）：温度-62℃、压强0.004 5 kPa 下干燥至安全含水率（低于0.1 g水/g 干基），每4 h 测一次含水量。

真空干燥（Vacuum drying，VD）：温 度60℃，压强40 kPa 下干燥至安全含水率，每2 h测1 次含水量。

热风干燥（Hot air drying，HAD）：分别在温度60、80、100℃下干燥至安全含水率，每1 h 测1 次含水量。

1.4 指标的测定

1.4.1 水分含量的测定

按GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》中的直接干燥法测定。

1.4.2 色差的测定

色差的测定采用色差仪，将不同干燥方式处理后的玉竹片粉碎，过60 目筛，用校准后色差仪分别测其色泽。∆E代表色差综合偏差量，它表示所测样品的L*、a*、b*值与标准陶瓷白板之间的色差值[9]。

1.4.3 复水比的测定

参考Zhou 等[10]的方法并略作修改。将5 g 干制玉竹片置于盛有100 mL 蒸馏水的烧杯内，维持60℃，复水40 min。结束后将玉竹片捞出并用滤纸吸去表面水分，冷却、称量。

1.4.4 营养成分的测定

蛋白质的测定参考Akyuz 等[11]的方法并略作修改。以牛血清蛋白浓度为横坐标，吸光度值为纵坐标，绘制标准曲线为y=5.865x+0.127 9（R2=0.999 5）。脂肪的测定按GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》中索氏抽提法。总糖的测定参考陈欢等[12]的方法并略作修改。以葡萄糖浓度作为横坐标，吸光度值作为纵坐标，绘制葡萄糖标准曲线为y=9.596 1x–0.000 02（R2=0.999 6）。

1.4.5 活性成分的测定

多糖的测定参考邵佩等[13]的方法并略作修改。以葡萄糖浓度作为横坐标，吸光度值作为纵坐标，绘制葡萄糖标准曲线为y=9.596 1x–0.000 02（R2=0.999 6）。黄酮的测定参考Liao 等[14]的方法并略作修改。以芦丁浓度为横坐标，吸光度值为纵坐标，绘制芦丁标准曲线为y=0.194 6x+0.014 5（R2=0.999 4）。

1.4.6 抗氧化能力的测定

（1）DPPH 自由基清除能力的测定

参考Guo 等[15]的方法并稍作修改。以Vc 浓度（mmol/L）为横坐标，清除率为纵坐标，绘制标准曲线为y=0.021 9x+0.007 6（R2=0.998 6）。玉竹DPPH自由基清除能力表示为每克玉竹（干物质）所具有的清除能力相当于多少毫克的Vc。

（2）ABTS 自由基清除能力的测定

参考Marcin 等[16]方法并稍作修改。以Vc 浓度（mmol/L）为横坐标，清除率为纵坐标，绘制标准曲线为y=0.001 6x–0.158 9（R2=0.997 2）。玉竹ABTS自由基清除能力表示为每克玉竹（干物质）所具有的清除能力相当于多少毫克的Vc。

1.4.7 干燥动力学模型

国有企业或国有资本是我国经济的重要引擎和主导力量，近年来，国有资本向关系国家经济命脉、国家安全的重要行业集中，但对一般性或竞争性实体行业的经营和投资持续弱化，造成投资不足，国有企业在大部分行业中并没有发挥促进产业融合、改善产业组织结构的功能， 建议加快完善国有企业治理结构和考核机制。

运用7 个常用干燥动力学模型对3 种干燥方式下5 组玉竹干燥曲线进行拟合，并从中筛选出最适合描述各干燥方式的干燥动力学模型。干燥动力学模型及其方程见表1。

表1 干燥动力学模型及其方程Table 1 Drying dynamic model and equation

采用相关系数R2、卡方检验系数c2以及均方根误差RMSE来判断模型拟合度。R2值越接近1，表明拟合度越高；c2与RMSE值越接近0，表明拟合度越高。R2、c2、RMSE计算公式如下：

式中：MRexp,i，第i个实验MR 值；MRpre,i，第i个干燥模型预测MR 值；，MR 实验值的平均值；N为实验数据个数；Z为模型方程中参数的个数。

1.4.8 数据处理

利用Origin 2018 软件进行干燥动力学模型拟合，GraphPad Prism 8 软件进行作图，SPSS 26.0软件进行相关性分析、主成分分析及聚类分析。数据均表示为平均值±SD。

2 结果与分析

2.1 不同干燥方式下玉竹干燥曲线及干燥动力学模型

干燥的实质是水分从物料内部向外表面迁移并在外表面蒸发的过程，水分迁移和蒸发的速率与干燥方式有着密切的关系。如图1 所示，各干燥方式下玉竹水分比与干燥速率随时间呈下降趋势，且干燥初期干燥速率大于中后期。这是因为干燥初期，物料水分从内部向外部迁移速率与外表面的蒸发速率一致，干燥速率恒定；干燥中后期，物料表面积缩小、内部水分减少，导致干燥速率逐渐减慢直至自由水完全干燥。由图1 可知，冷冻干燥、真空干燥、热风60℃干燥、热风80℃干燥、热风100℃干燥下玉竹达到安全含水率（MR低于0.1）所需时间（以下简称“干燥时间”）分别为20、14、9、6、4 h。因此，干燥速率大小：冷冻干燥＜真空干燥＜热风60℃干燥＜热风80℃干燥＜热风100℃干燥。

图1 不同干燥方式下玉竹干燥曲线Fig.1 Drying curves of P.odoratum under different drying treatments

干燥过程是一个复杂但有规律可循的质量、热量传递过程，它与物料本身特性、外界环境有着直接联系。前人通过对不同物料的不同干燥试验进行探究，得到了用来描述物料在干燥过程水分含量随时间变化规律的多个干燥模型[17-18]。为了更好地探究不同干燥方式下玉竹水分含量变化规律，本试验选用7 个常用干燥模型对3 种干燥方式下5 组玉竹干燥曲线进行拟合。采用RMSE、R2、c2对干燥模型的拟合度进行评价。由表2 可知，模型Cubic 的RMSE值在0.003 7～0.017 3之间，R2值在0.997 4～0.999 9 之间，λ2值在2.453 8×10-5～6.968 3×10-4之间，RMSE 值均大于其他模型，R2、λ2值均小于其他模型，说明模型Cubic 不仅与玉竹的干燥曲线拟合度较高，而且均高于其他6 种模型的拟合度，因此，Cubic 模型能够很好地反应不同干燥方式下玉竹含水量随时间的变化规律，可通过该模型对玉竹的干燥过程进行分析与预测。

表2 玉竹干燥动力学模型拟合结果†Table 2 Fitting results of the drying dynamic model of P.odoratum

2.2 不同干燥方式对玉竹色泽的影响

色泽是评价干制品品质优劣的一个重要指标，其不仅与营养成分、色素含量息息相关，更直接决定消费者的接受程度，影响干制品的商品价值。不同干燥方式下玉竹干制品的色泽差异显著（P＜0.05）。由表3 可知，玉竹在冷冻干燥下的亮度值（L*）、绿度值（a*）和色差值（ΔE）均高于其他干燥方式，而黄度值（b*）低于其他干燥方式，表明冷冻干燥下玉竹的色泽优于其他干燥方式，能较好地保存玉竹热敏性成分。其原因可能是高温加剧了玉竹非酶褐变与色素降解[19]。

表3 干燥方式对玉竹色泽的影响Table 3 Effects of the color of P.odoratum under different drying treatments

2.3 不同干燥方式对玉竹复水性能的影响

复水性能也是评价干制品品质的一个重要指标，常用复水比表示干制品的复水性能。复水比越大，表示其重新吸收水分能力越强，复水时间越短。由图2 可知，冷冻干燥下玉竹复水比最大，真空干燥次之，热风干燥组最小，且不同温度下的热风干燥对玉竹复水比的影响无显著性差异（P＞0.05）。冷冻干燥将物料中的水分在固态下直接升华，干燥过程中不带动可溶性物质迁移到物料表面，避免物料表面硬化结壳，并且水分从物料内部干燥，脱水后物料形成多孔海绵结构，有利于复水。热风干燥与真空干燥下的玉竹受温度的影响表面出现硬化结壳现象以及脱水过程中体积收缩，导致玉竹片硬度大，复水性能差，这与刘含龙等[20]研究不同干燥方式对草菇切片复水性能的结论一致。

图2 不同干燥方式对玉竹复水比的影响Fig.2 Effects of the rehydration capacity of P.odoratum under different drying treatments

2.4 不同干燥方式对玉竹营养成分的影响

蛋白质、脂肪与糖类物质是蔬菜类食品营养价值的重要指标，其含量对蔬菜营养价值影响至关重要。干燥方式的不同会导致玉竹营养成分含量有所差异，如图3A 所示，冷冻干燥下玉竹的蛋白质含量（2.94±0.01 mg/g）最高，热风100℃干燥含量（1.74±0.02 mg/g）最低。随着干燥温度的升高，蛋白质含量下降明显，其原因可能是高温激发酶活性，加速美拉德反应与蛋白质分解成小分子物质，如多肽、氨基酸等[5]。低温与低氧能够有效缓解玉竹中油脂的氧化与水解。如图3B 所示，冷冻干燥条件下，玉竹脂肪含量（44.53±0.34 mg/g）高于其他干燥方式。玉竹在干燥过程中产生美拉德反应是总糖含量变化的主要原因，且温度和持续时间是影响美拉德反应的重要因素[21]。如图3C 所示，冷冻干燥下玉竹总糖含量（594.13±11.95 mg/g）高于其他干燥方式，而不同热风干燥温度下玉竹总糖含量之间无显著性差异（P＞0.05）。

图3 不同干燥方式对玉竹营养成分的影响Fig.3 Effects of the nutrients content of P.odoratum under different drying treatments

2.5 不同干燥方式对玉竹活性成分的影响

多糖与黄酮是玉竹重要的生物活性成分。不同干燥方式下玉竹多糖、黄酮含量均有差异。如图4A所示，冷冻干燥下玉竹多糖含量(49.46±1.93 mg/g)高于其他干燥方式，其原因可能是冷冻干燥温度低，减缓了玉竹多糖发生美拉德反应的速率，多糖含量损失较少。其次，多糖具有抗氧化活性，低温降低了氧化反应中酶的活性从而减缓氧化反应速率。这与李然等[22]探究干燥方式对百三叶多糖含量影响的结论一致。黄酮化学性质不稳定，受温度影响较大。如图4B 所示，冷冻干燥下玉竹黄酮含量(6.51±0.08 mg/g)最高，是真空干燥的1.07 倍，这与赵愉涵等[3]的结论一致。在热风干燥组中，随着温度的升高，黄酮含量逐渐降低，说明高温导致酶活性增强，加速了黄酮的降解，导致黄酮含量减少。总的来说，冷冻干燥下的低温环境会抑制氧化酶活性与降低美拉德反应速率，从而最大限度地保留了多糖与黄酮活性物质，而温度较高的热风干燥不易于保留活性物质。真空干燥下玉竹由于处理时间过长，也不利于保留多糖与黄酮。

图4 不同干燥方式对玉竹活性成分的影响Fig.4 Effects of the active ingredient content of P.odoratum under different drying treatments

2.6 不同干燥方式对玉竹抗氧化活性的影响

不同干燥方式下玉竹抗氧化活性如图5 所示，真空干燥处理的玉竹清除DPPH 自由基能力（0.35±0.01 mg Vc/g）最强且与热风100℃处理的玉竹清除DPPH 自由基能力相近，均大于其他三种干燥方式。真空干燥处理后的玉竹清除ABTS自由基能力最强（8.88±0.11 mg Vc/g），且远远高于其他干燥方式处理后的玉竹。但由图4 可知，冷冻干燥处理的玉竹多糖、黄酮含量均高于其他干燥方式，但其清除DPPH、ABTS 自由基的能力却不是最高的。这并不否定物料的抗氧化能力与其生物活性成分含量存在剂量-效应关系[23]。其原因可能是真空干燥处理的玉竹中存在抗氧化活性较高的非多糖、黄酮类生物活性成分。例如，通过美拉德反应产生了大量具有抗氧化活性的美拉德反应产物，如吡咯、呋喃、类黑精以及还原酮等[24]。由图3C 可知，真空干燥下玉竹总糖含量低于其他干燥方式，从而佐证了这一推测。

图5 不同干燥方式对玉竹抗氧化能力的影响Fig.5 Effects of the in vitro antioxidant activity of P.odoratum under different drying treatments

2.7 相关性分析

采用Pearson 双尾检验，对不同干燥方式处理的玉竹各指标进行相关性分析。如图6 所示，在α=0.01 级别上存在显著性相关的有3 对，分别是干燥时间与黄酮含量、色泽与多糖含量、黄酮含量与蛋白含量；在α=0.05 级别上存在显著性相关的有4 对，分别是干燥时间与复水率、干燥时间与蛋白质含量、复水率与多糖含量、色泽与脂肪含量。而DPPH、ABTS 自由基清除能力与黄酮、多糖活性成分含量无显著相关性，这可能是因为玉竹在干燥过程中生成美拉德产物提高了DPPH、ABTS 自由基清除效果。根据相关性分析结果可知，3 种干燥方式5 种处理下玉竹的10 个指标均存在不同程度的相关性，同时各品质指标间存在差异，因此通过某一指标来评价5 种处理下玉竹品质的优劣是不客观的。想要对玉竹综合品质有一个客观、准确的评价，就需要对5 种处理下玉竹的品质指标进行简化与分类。

图6 不同干燥方式下玉竹各指标相关性系数热图Fig.6 The heat map of Pearson’s correlation coefficient among each index of P.odoratum under different drying treatments

2.8 聚类分析

利用系统聚类法对3 种干燥方式5 种处理的玉竹进行分类。聚类分析结果如图7 所示，以5.45为阈值[25]，5 种不同处理被分为三类：第一类为冷冻干燥，该干燥方式下玉竹复水性能好、色泽鲜艳、营养成分与活性成分含量高；第二种为类真空干燥，该干燥方式下玉竹抗氧化能力较强；第三类为热风60℃、热风80℃、热风100℃干燥，该方式下玉竹干燥速率快。

图7 5 种干燥处理玉竹的聚类分析图Fig.7 Cluster analysis of P.odoratum under 5 drying treatments

3 结论与讨论

通过对不同干燥方式下玉竹的色泽、复水性能、营养成分、活性成分以及抗氧化能力对比分析，发现干燥方式对玉竹的各项指标影响差异显著。3 种不同温度热风干燥速率均远高于冷冻干燥与真空干燥；冷冻干燥下的玉竹在复水性能、色泽、蛋白质、脂肪、总糖、多糖、黄酮品质指标上均优于其他干燥方式；而在清除DPPH、ABTS 自由基能力上，真空干燥下的玉竹要强于其他干燥方式。运用7 个常用干燥动力学模型对3 种干燥方式下5 组玉竹干燥曲线进行拟合，发现Cubic 模型能够较好地反应不同干燥方式下玉竹含水量随时间的变化规律，可通过该模型对玉竹的干燥过程进行分析与预测。相关性分析表明，不同干燥方式处理的玉竹各指标均存在不同程度的相关性。5 种不同干燥处理的玉竹，根据各品质指标差异被分成三类：第一类为冷冻干燥；第二种为类真空干燥；第三类为热风60℃、热风80℃、热风100℃干燥。不同干燥方式下玉竹品质差异明显，冷冻干燥与真空干燥费用高、周期长、效率低，热风80℃、100℃干燥对玉竹中蛋白质、多糖以及黄酮物质损失较大，从经济价值与产品品质角度上选择热风60℃干燥对玉竹进行干燥处理的方法是值得推广的。

随着联合式干燥技术的诞生，逐渐弥补单一干燥方式带来的不足，热风-真空干燥、热风-微波干燥、微波-真空干燥等协同联合干燥方式将成为未来干燥领域热点。汤小红等[26]在探究油茶籽的干燥特性时发现微波真空协同干燥较热风干燥缩短了4～32 倍的干燥时间。薛扬等[27]利用超声强化热泵干燥方式对铁棍山药进行干燥，缩短了干燥时间并提高了产品品质。目前，本实验采用的均为单一干燥方式，尚未对玉竹的协同式组合干燥方法进行研究，接下来将进一步探究协同式组合干燥对玉竹单一活性成分的影响。这对于玉竹的开发利用有着深远的影响。