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）

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2～3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 μg/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。

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

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。

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）

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。

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）

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。

2.2.3 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）

3 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。