石斛花鼓風干燥機理和感官品質變化規律

張珍林 殷智超

(1. 皖西學院生物與制藥工程學院，安徽 六安 237012； 2. 植物細胞工程安徽省工程技術研究中心，安徽 六安 237012)

石斛為蘭科草本數年生植物[1-2]。目前發掘并開發石斛的藥、食、賞價值已經很成熟，但花作為石斛的一大亮點，在深度利用上沒有得到很好的研發。由于石斛鮮花具有花期短、采收期把握難、產量低、鮮花不易保存等缺點[3-5]，所以干制作為石斛鮮花保存的主要方法被大家廣泛采用。石斛鮮花的干燥是石斛花延長保存期的主要手段，干燥方法是影響石斛干花品質質量的重要環節[6]。

目前，行業內有多種形式的石斛花干制條件研究，資料[7-8]顯示多是采用不同干制工藝條件，對干制前后樣品進行簡單的感官品質對比分析，沒有從根本上闡述石斛花干制本質，也沒有具體說明干制的石斛花品質質量和保質期的關系。要從本質上進行石斛花干燥方法的優化，需考察的關鍵對象不只是加工前后感官品質，還應該包括干制過程中受溫濕度氣流影響的干燥溫度、干燥時間、干燥物品的堆積厚度變化。

本試驗擬對霍山石斛花(米斛花)和鐵皮石斛花干燥動力學和感官質量穩定性進行研究。將石斛花在干燥過程中水分狀態變化作為研究切入點，利用遠紅外鼓風干燥裝置進行干制，借助低頻核磁共振儀[9-10]和質構儀[11]進行分析測定。為深入研究石斛花干制后營養成分和生物活性物質變化提供理論數據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗材料

霍山石斛鮮花、鐵皮石斛鮮花：霍山縣長沖中藥材開發有限公司。

1.1.2 試驗儀器

遠紅外鼓風干燥箱：DGT-G250型，合肥華德利科學器材有限公司；

紐曼核磁共振成像分析儀：NMI20-015V-I型，上海紐曼電子科技有限公司；

超技質構儀：TA-XT plus41905型，臺北超技儀器公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗條件 設定溫度、時間、堆料厚度3個影響因素作為干制梯度的變量，2種石斛花在同一梯度里采用相同條件烘干，室溫下回軟3 d，再干制回軟，如此重復3次；同時采用低頻核磁共振自旋回波(CPMG)序列方法測定每次烘干后水分變化情況，用質構儀分析每次烘干后硬度和脆性的變化，確定試驗變量條件如表1所示。

表1 石斛花干制試驗條件

1.2.2 CPMG分析 在不同干制階段取樣用低頻核磁共振的CPMG模式檢測水分變化程度，然后利用 sirt 算法，迭代次數為10萬次進行反演得到橫向弛豫時間(T2)譜圖，主要測定參數設置：主頻21 MHz，偏移頻率 61 789.03 kHz，累加采樣次數64，回波時間0.5 ms，回波個數10 000，重復采樣等待時間3 000 ms，接收機帶寬200，增益3，90°脈沖時間15 μs，180°脈沖時間30 μs，得出水分變化曲線。

1.2.3 質構分析 在不同干制階段下干制后對干制樣品進行質構分析，根據重量法計算得到霍山石斛花和鐵皮石斛花的含水率，用不同含水率表示測定階段，來獲取感官品質極優的石斛花，取一定質量的石斛干花放置直徑50 mm器皿中，使用P/36R圓柱型探頭進行壓縮測試，硬度、脆性作為感官質量評價依據，主要測定參數設置：測前速度、測中速度、測后速度均為1.00 mm/s，位移為5.00 mm，應變10%，觸發力50 g，采集點數500。

1.2.4 干燥動力學模型分析 在不同的干燥時間段下，有效水分擴散系數(De)能反應水分擴散快慢，有效擴散系數的計算可以根據已有的動力學假設模型得到，即菲克第二定律，具體計算公式如式(1)。

(1)

式中：

W——干燥至某一時刻的樣品重量，g；

W0——樣品初始重量，g；

We——干燥至含水率不變時重量，g；

De——有效擴散系數；

t——干燥時間，h；

L——堆料厚度，mm。

1.2.5 MSE分析 對石斛干花復水速度和復水均勻性的分析是利用多層自旋回波(MSE)序列產生自旋回波圖像進行的，根據核磁共振成像原理，在一幅自旋回波圖像中，圖像上每點的信號強度可根據式(2)來描述。

(2)

式中：

S——信號強度；

A——質子密度；

TR——重復時間，ms；

TE——回波時間，ms；

T1——縱向弛豫時間，ms；

T2——橫向弛豫時間，ms。

通過成像特性分析可以得出石斛干花復水的矢狀面、冠狀面以及橫截面，這些截面圖均能展現石斛干花復水速度和復水均勻性。試驗中，選擇橫截面作為成像圖片。石斛干花沸水泡制，取0.1 mg樣品按照10，50，100，150，200，250，300，400，500，600 s 10個時間階段進行測試。主要測定參數設置：重復時間1 600 ms、重復采樣次數6、回波時間18 ms。

2 結果與分析

2.1 不同干燥階段石斛花的干基含水率

不同干燥階段石斛花的干基含水率如表2所示。根據設定的試驗條件，發現2種石斛花隨著干制次數增加，含水率都是降低的，說明這種干制方法在石斛花干燥工藝上是可行的。

2.2 不同干燥階段石斛花的橫向弛豫時間圖譜

樣品內部水分子主要以氫質子的形式存在，氫質子是弛豫過程的主要影響因素[12]。不同干燥階段所顯示的核磁共振弛豫時間不同，范圍較廣，一般為0.1～10 000.0 ms，弛豫峰譜有3～4 個。根據T2值可以界定水分的不同相態，加權歸一化后將10 ms 與 1 000 ms 處作為分界，T2譜中的峰分別對應石斛干花中3種狀態的水：0～10 ms(T21)為結合水，水分子與其他大分子間緊密結合，弛豫時間短，先出峰，10～1 000 ms(T22)為半結合水，水分子與其他大分子結合較牢固，弛豫時間較短，出峰稍慢，1 000～10 000 ms(T23)為自由水，水分子自由流動，弛豫時間長，出峰慢。

表2不同條件下石斛花的干基含水率

Table 2 Moisture content ofDendrobiumflowers dry base under different conditions %

試驗條件鐵皮石斛花霍山石斛花1#10102#873#76

通過圖1發現，在不同的干燥時間段，霍山石斛干花和鐵皮石斛干花信號幅度的大小變化不同，橫向弛豫時間的大小變化也不同。但均具有規律性，在1#、2#、3#干燥階段，2種干花的T2時間逐漸縮短，峰由左向右移動，結合水峰接收的信號幅度由高向低減小。不同品種的石斛花隨著干燥次數的增加，自由水被全部除去，只有半結合態水和結合水，兩者都是逐漸減少，信號越來越弱，根據熱力學平衡原理可知這是石斛花在干燥過程水分由低熵、低序狀態向高能級、有序狀態移動；能級越高、越有次序性，水分存在狀態越穩定。

表3中列出了不同弛豫時間對應的峰面積，采用加權歸一化方法得出不同峰面積下結合水和半結合水的相對含量。霍山石斛干花自由水相對含量為0.00%，半結合水相對含量為7.79%，結合水相對含量為92.19%，同理得出，鐵皮石斛干花中3種狀態水相對含量分別為0.00%，4.96%，95.04%，可見干制后石斛干花中水分主要以結合水狀態存在。

2.3 CPMG干燥曲線與干燥動力學模型相關性分析

利用干燥動力學公式和試驗水分比值(MR)，擬合出lnMR-t線性方程。結果見表4。

分析表4發現，不同干制條件下的試驗值與模型預測值相關性很好，相關系數均在0.99以上，說明利用干燥模型的值能夠指導實際操作。有效擴散系數隨著階段式干燥，值也在逐漸減少，表明隨著干制的深入，石斛花內部有效可擴散水分越來越少，進一步說明了干制后期主要以結合態水分存在，和CPMG的弛豫圖譜是相一致的。

圖1 石斛花干燥過程T2圖譜Figure 1 T2 atlas of the drying process of Dendrobium flowers

試驗條件霍山石斛花A21A22A23A24總峰面積鐵皮石斛花A21A22A23A24總峰面積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的結合態水峰面積；A22表示T2在1～10 ms的結合態水峰面積；A23表示T2在10～100 ms的半結合態水峰面積；A24表示T2在100～1 000 ms的半結合態水峰面積。

表4 試驗值和預測值結果

2.4 不同干燥階段石斛干花的質構

為更好評價遠紅外干燥產品的質量，分別按霍山石斛花5%，10%，15%含水率和鐵皮石斛花7%，12%，17%含水率進行質構分析，結果如表5所示。

表5 不同含水率石斛干花質構值

從表5可以看出，僅僅經過一次干制的霍山石斛花(15%)和鐵皮石斛花(17%)的硬度和脆性都不是很高，結合CPMG脈沖序列分析的來看，干制的1#階段，水分主要以半結合態形式存在，水分活度較高，在后期貯藏時就會出現不同層次的劣變化學反應，不利于貯藏[13]；再經過2#、3#階段干制后，2種花的硬度和脆性都上升到很大高度，CPMG脈沖序列圖也標示出水分狀態主要是結合水，此種狀態下，水分活度低，不利于劣變化學反應，可延長貨架期，說明質構分析對于石斛花干燥過程也具有很強的指導作用。作為石斛花干制的表征參數，除干燥動力學分析得到的有效擴散系數和CPMG脈沖分析得到的水分狀態外，也可以通過樣品的質構分析得到。

2.5 石斛干花復水的弛豫特性圖

石斛干花作為一種藥食同源的花茶類飲品，不僅需要明確如何保存，也需要保證飲用時形態、口感和香氣的最佳，為此進行了石斛干花復水后的MSE成像圖譜觀察，見圖2、3。

觀察圖2、3可以看出，自由水包圍下的霍山石斛花干品和鐵皮石斛花干品復水情況。圖2、3中稍微有點亮的地方是自由水，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的就已經存在這樣的亮點，由此可知10 s內石斛干花吸水已經開始；但從圖2中可以看出，霍山石斛花復水速度稍慢于鐵皮石斛花，主要是因為干制品中后者的結合水含量稍低于前者，鐵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，所以呈現出較快的復水速度。600 s時，自由水已經完全吸入于霍山石斛干花和鐵皮石斛干花細胞中，由此說明兩者干品復水均勻性佳，干品質地均勻、干燥充分。從色、香、味、形觀察泡制好的2種石斛花茶，在600 s時形態、口感和香氣最佳。

圖2 霍山石斛干花MSE復水圖譜Figure 2 MSE rehydration map of D. huoshanensestem flowers

3 結論

利用遠紅外鼓風干燥和間斷-回軟干燥方式，得到石斛花干基含水率都遠遠低于10%。結合低頻核磁共振儀CPMG序列、MSE序列和質構儀分析出：① 石斛干花中水分主要以結合水狀態存在；② 石斛干花樣品的復水速度快、復水均勻性好；③ 石斛干花硬度和脆性與干燥過程溫濕度氣流的熱質傳遞動力學參數之間，表征出極大的關聯性，隨著干燥次數增加，硬度和脆性逐漸上升。

圖3 鐵皮石斛干花MSE復水圖譜Figure 3 MSE rehydration map of D. officinalestem flowers

干燥本質是將具有一定溫濕度的氣流作為干燥介質對產品進行一定時間的加工處理，從而達到產品的干制效果。本試驗從本質上進行石斛干花品質變化研究，利用樣品干制過程中溫濕度氣流的熱質傳遞本質原理，分別從石斛鮮花干制過程中的水分狀態變化、石斛干花硬度和脆性變化以及干花復水品質變化進行相關分析，補充干制前后樣品只是進行簡單感官品質對比分析的缺陷性。

后期將著重考察多種干燥方式對石斛花品質特性的影響，并對石斛花干品和鮮品的營養成分、生物活性成分等作進一步研究，尤其對石斛花揮發油成分提取、分離進行深入研究，進一步增加石斛花的深加工產品，實現石斛花商品化生產。