淮山微波真空干燥工藝優化及功能活性評價

夏 磊 黃 昭 歐陽華峰 郭時印 蘇小軍,2 王 鋒 李清明

(1. 湖南農業大學食品科學與技術學院生物質醇類燃料湖南省工程實驗室，湖南 長沙 410128；2. 湖南省植物功能成分利用協同創新中心，湖南 長沙 410128)

淮山又稱薯蕷(DioscoreaoppositaThunb)，是薯蕷科(Dioscoreaceae)薯蕷屬(Dioscorea)植物，富含皂苷、糖蛋白、甘露聚糖、植酸、尿囊素等多種生物活性物質，具有豐富的營養價值[1]。微波真空干燥是一種新型現代化干燥技術，具有快速、低溫、高效等特點，能較好地保持原料的色香味及營養成分，并有效地避免了微波干燥容易因溫度過高而使食品產生硬化、結殼和焦化甚至燒傷等缺點[2]，在荔枝果肉[3]、馬鈴薯[4]、板栗[5]等多種果蔬干制中得到應用。傳統的淮山干燥方法為曬干或烘干，干制過程中淮山易發生褐變，常用熏硫或焦亞硫酸鈉處理等方法進行護色，易導致含硫量超標。化春光[6]44-48研究了多種干燥方式對懷山藥片品質的影響，發現微波真空干燥速率最快，產品品質較好。由于微波具有降解作用，所以微波真空干燥可能會引起原料中活性成分的變化，從而影響其功能活性，但目前針對淮山微波真空干燥的研究[7]主要集中在干燥特性、動力學及產品的物理、化學性質等方面，關于微波真空干燥對淮山功能活性的影響尚未見報道。

本試驗擬以多糖含量、白度和復水率為考察指標，通過單因素和二次旋轉正交試驗，探究微波功率、真空度、切片厚度等因素對淮山微波真空干燥品質的影響，并進行工藝優化，通過測定其抗氧化能力與功能活性成分含量，以期揭示微波真空干燥對淮山功能活性的影響，為淮山微波真空干燥工業化生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮淮山：由雙峰縣青樹坪鎮金土地農業合作社提供，挑選個體完整、粗細均勻、表皮無霉、無病蟲害、無機械損傷的淮山；

無水乙醇、甲醇、氫氧化鈉、鄰苯三酚：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

三羥甲基氨基甲烷(Tris-base)：分析純，美國Sigma-Aldrich公司；

α-淀粉酶、糖化酶：分析純，上海瑞永生物科技有限公司；

DPPH(1,1-二苯基-2-三硝基苯肼)：分析純，東京化成工業株式會社。

1.2 儀器與設備

電子天平：TP-1200A型，湘儀天平儀器設備有限公司；

分析天平：BS224S型，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；

微波真空干燥箱：JDH-1GZ型，廣州永澤微波能設備有限公司；

色彩色差計：CR-400型，日本KONICA MINOLTA公司；

可見分光光度計：V-5000型，上海元析儀器有限公司；

臺式超聲波清洗器：KM-600DV型，昆山美美超聲儀器有限公司；

臺式低速離心機：TDZ5型，湖南赫西儀器裝備有限公司；

高效液相色譜儀：1260-Agilent型，美國安捷倫科技有限公司；

旋轉蒸發儀：N-1200AS型，東京理化儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 微波真空干燥 將新鮮淮山去皮、洗凈、切片，根據單因素及旋轉正交試驗設計調整工藝參數，干燥至淮山干基含水率低于0.3 g/g，密封保存。

1.3.2 單因素試驗

(1) 裝載量：固定真空度-0.07 MPa、轉盤轉速8 r/min、切片厚度3 mm、干燥溫度55 ℃，考察不同裝載量(20，40，60，80，100 g/kW)對多糖含量、白度和復水率的影響。

(2) 真空度：固定裝載量60 g/kW、轉盤轉速8 r/min、切片厚度3 mm、干燥溫度55 ℃，考察不同真空度(-0.05,-0.06，-0.07，-0.08，-0.09 MPa)對多糖含量、白度和復水率的影響。

(3) 轉盤轉速：固定裝載量60 g/kW、真空度-0.07 MPa、切片厚度3 mm、干燥溫度55 ℃，考察不同轉盤轉速(2，4，6，8，10 r/min)對淮山多糖含量、白度和復水率的影響。

(4) 切片厚度：固定裝載量60 g/kW、真空度-0.07 MPa、轉盤轉速8 r/min、干燥溫度55 ℃，考察不同切片厚度(1，2，3，4，5 mm)對淮山多糖含量、白度和復水率的影響。

(5) 干燥溫度：固定裝載量60 g/kW、真空度-0.07 MPa、轉盤轉速8 r/min、切片厚度3 mm，考察不同干燥溫度(45，50，55，60，65 ℃)對多糖含量、白度和復水率的影響。

1.3.3 響應面優化試驗 通過單因素試驗發現，干燥溫度、切片厚度、真空度對淮山微波真空干燥品質影響較大，故以這3個因素為自變量，利用Design-Expert 8.0.6軟件，以多糖含量、白度、復水率為響應值，進行三因素五水平二次旋轉正交設計組合試驗，確定最佳的干燥工藝條件。

1.3.4 指標測定方法

(1) 淮山多糖提取與測定：稱取2 g淮山干片研磨粉碎，置于100 mL容量瓶中，加80 mL蒸餾水，超聲輔助提取1.5 h，再于沸水浴中加熱1 h，冷卻后補加水至刻度線，取50 mL提取液置于100 mL具塞錐形瓶中，加10%α-淀粉酶液1 mL和磷酸鹽緩沖液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(用碘液檢驗是否水解完全)后，在電爐上加熱至沸(滅酶)，冷卻定容；取5 mL提取液于50 mL離心管中，加20 mL無水乙醇，搖勻后4 ℃靜置過夜，以5 000 r/min離心15 min，沉淀即為粗多糖；粗多糖復溶后經過Sevag試劑[氯仿∶正丁醇=5∶1 (體積比)]除蛋白，在脫蛋白后的多糖溶液中加入3倍無水乙醇，沉淀用丙酮、乙醚反復洗滌，抽濾，將沉淀用水溶解定容至100 mL備用。使用苯酚—硫酸法測定，并以葡萄糖為標準物繪制標準曲線。

(3) 復水率測定：用天平測量淮山干片的質量記為m0，再將干片置于60 ℃溫水中恒溫浸泡30 min，取出后擦干表面水分，測量質量記為m1，按式(1)計算復水率。

(1)

式中：

R——復水率，%；

m0——復水前干淮山的質量，g；

m1——復水后淮山片的質量，g。

(4) 抗氧化活性測定：DPPH自由基、羥自由基、超氧陰離子自由基清除率分別參考曾維才等[8]、蔣方程等[9]和張黎明等[10]的試驗方法。

(5) 多酚、黃酮、尿囊素測定：分別按照李寧寧等[11]、趙立庭等[12]和李鑫等[13]的方法進行提取、測定，繪制標準曲線，并計算含量。

1.3.5 數據處理 每個樣品重復5次試驗，采用Design-Expert 8.0.6軟件進行響應面試驗設計及方差分析，使用Origin 8.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

由表1～5可以看出，裝載量和轉盤轉速對指標的影響不顯著，而干燥溫度、切片厚度、真空度對淮山干燥產品的多糖含量、白度和復水率有顯著影響。

蔣方程等[9]和付小雨[14]測定不同產地、不同品種山藥中的多糖含量，發現其值一般在3%～8%。化春光[6]29-32研究發現，隨著微波干燥溫度的升高，多糖含量逐漸升高，但于55～60 ℃后顯著下降。可能是支鏈淀粉在微波的作用下，發生解鏈，造成多糖含量隨著干燥溫度的升高而增加。田玉庭等[15]研究發現龍眼肉中的多糖含量隨真空度的增加而增加。張雪等[16]在研究中發現，干燥溫度對山藥復水率有顯著影響，且溫度在50～60 ℃時，復水比最高。陳豐[17]在研究中發現，蓮子的復水率隨真空度增大而增大，復水能力在-0.08 MPa時最強，而當真空度為-0.09 MPa 時復水率反而降低。

表1 不同裝載量對淮山品質的影響?

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

表2 不同真空度對淮山品質的影響?

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

表3 不同轉盤轉速對淮山品質的影響?

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

表4 不同切片厚度對淮山品質的影響?

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

表5 不同干燥溫度對淮山品質的影響?

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

2.2 二次旋轉正交試驗

在單因素試驗基礎上，以多糖含量、白度、復水率為響應值，進行三因素五水平二次旋轉正交設計組合試驗，設計方案見表6，試驗結果見表7。

2.3 回歸模型的建立與檢驗

根據二次旋轉正交試驗結果，使用Design-Expert 8.0.6 軟件進行數據處理，分別得到多糖含量、白度、復水率與干燥溫度、切片厚度、真空度的回歸模型：

(2)

(3)

表6 因素水平編碼表

表7 二次旋轉正交組合設計試驗結果

(4)

對回歸方程進行方差分析，并進行擬合度和顯著性檢驗，結果見表8～10。

由表8可知，方程回歸性檢驗F1=5.32，P=0.007 7<0.01，說明該模型極顯著；方程失擬性檢驗F2=25.69，P=0.515 4>0.05，說明失擬項不顯著；同時模型的相關系數R2=0.914 9，說明回歸方程和試驗結果擬合度較高。可以認為回歸模型成立，并能較好地描述3個因素與淮山干片中多糖含量的關系。

由表9可知，方程回歸性檢驗F1=4.63，P=0.012 6<0.05，說明該模型顯著；方程失擬性檢驗F2=5.18，P=0.064 9>0.05，說明失擬項不顯著；同時模型的相關系數R2=0.925 9，說明回歸方程和試驗結果擬合度較高。可以認為回歸模型成立，并能較好地描述這3個因素與淮山干片白度之間的關系。

由表10可知，方程回歸性檢驗F1=30.42，P<0.000 1，說明該模型極顯著；方程失擬性檢驗F2=3.11，P=0.119 1>0.05，說明失擬項不顯著；同時模型的相關系數R2=0.933 0，說明回歸方程和試驗結果擬合度較高。可以認為回歸模型成立，并能較好地描述這3個因素與淮山干片復水率之間的關系。

2.4 各因素協同作用分析

2.4.1 各因素對多糖含量的交互作用響應面分析 由圖1 可知，干燥溫度、切片厚度和真空度的交互作用對多糖含量的影響顯著。當干燥溫度上升時，多糖含量先升后降，并于0水平左右達到最高值；切片厚度增加時，多糖含量也呈先增后減的趨勢，但影響沒有干燥溫度那么顯著；真空度上升時，多糖含量先緩慢增加，并于0水平后迅速減小。徐晚秀等[18]研究發現干燥溫度和物料厚度對鐵棍山藥多糖含量有顯著影響。

表8 多糖含量回歸方程方差分析

表9 白度回歸方程方差分析

2.4.2 各因素對白度的交互作用響應面分析 由圖2可知，干燥溫度、切片厚度和真空度的交互作用對白度的影響顯著。當干燥溫度上升時，白度先緩慢增加，后迅速減小，+2水平(65 ℃)時，白度值達到最低，說明溫度對淮山干片白度影響十分明顯；切片厚度增加時，白度先迅速增加，在0水平左右達到最大值后緩慢減小。真空度增加時，白度先增后減。

表10 復水率回歸方程方差分析

2.4.3 各因素對復水率的交互作用響應面分析 由圖3可知，干燥溫度、切片厚度和真空度的交互作用對復水率的影響顯著。當干燥溫度上升時，復水率先迅速增加，后緩慢減小，-2水平(45 ℃)時，復水率值達到最低，說明較低的干燥溫度對淮山干片復水率影響十分顯著；切片厚度增加時，復水率先增后減，在0水平左右達到最大值。真空度增加時，復水率先迅速增大，而后緩慢減小。周琦等[19]研究發現真空度及物料厚度對微波真空干燥檸檬片的復水率和色差值有顯著影響。

2.5 淮山微波真空干燥工藝優化

經三因素五水平二次旋轉試驗及響應面優化，并根據3個品質指標的重要程度，分配多糖含量、白度、復水率的權重分別為0.4，0.3，0.3，采用Design-Expert 8.0.6軟件分析得到干燥溫度、切片厚度、真空度對應的參數分別為55 ℃、3 mm、-0.08 MPa，此時得到的預測指標值分別為多糖含量4.13%、白度78.81、復水率223.88%。根據以上最佳工藝參數對預測值進行驗證，得到淮山干片的多糖含量為(4.12±0.08)%、白度為(78.04±0.82)、復水率為(223.29±1.31)%。與預測值偏差<5%，說明該試驗結果與模型擬合度高。因此，該響應面分析所得的優化工藝參數有參考價值，對實際生產加工有一定的指導作用。

2.6 抗氧化活性研究與評價

由圖4可知，隨著淮山溶液質量濃度的增加，其對自由基的清除率均呈上升趨勢。當淮山溶液達到最大試驗濃度(50 mg/mL)時，其對DPPH自由基、羥自由基和超氧陰離子的清除率分別達到(88.43±0.66)%，(86.52±0.51)%，(83.81±0.75)%，半抑制率濃度(IC50)分別為(18.61±0.11),(19.86±0.15),(21.06±0.14) mg/mL。蔣方程等[16]測定鐵棍山藥、蘄春山藥、淮山藥水提物清除DPPH自由基的IC50值分別為35.05，37.68，40.26 mg/mL。蘇小軍等[20]測定噴霧冷凍干燥的紫淮山全粉(25 mg/mL)對DPPH自由基和羥基自由基的清除率分別為67.15%和54.45%。Hsu等[21]研究了臺農2號和紫淮山等3個品種在冷凍干燥、熱風干燥和滾筒干燥條件下的抗氧化能力，發現抗氧化能力與品種、濃度和干燥方式有關，在200 mg/mL濃度水平時，冷凍的紫淮山全粉自由基清除能力接近100%。

圖1 各因素協同作用對多糖含量的影響

圖2 各因素協同作用對白度的影響

圖3 各因素協同作用對復水率的影響

圖4 微波真空干燥淮山對3種自由基的清除效果

2.7 功能活性成分

由表11可知，與新鮮淮山相比較，微波真空干燥過程中淮山的活性成分損失率約為4%～10%。Jiang等[22]研究結果表明，相較于傳統干燥方式，微波真空干燥的原料功能活性成分損失更少。衡銀雪等[23]測定微波真空干燥、微波干燥、真空干燥、熱風干燥黃精的多酚含量分別為(1.38±0.07),(0.87±0.1),(0.90±0.08),(0.44±0.09) mg/g。功能活性成分的損失與干燥環境的氧含量和干燥溫度等因素密切相關，微波真空干燥過程具有較高的真空度，既能加速水分的蒸發，縮短干燥時間，又可以在一定程度上避免活性成分的氧化。

表11新鮮和微波真空干燥淮山功能活性成分含量

Table11ContentoffunctionalactivecomponentsinfreshyamMicrowavevacuumdryingyam(n=5)mg/g

樣品多酚黃酮尿囊素新鮮淮山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 結論

淮山的最佳微波真空干燥工藝條件為干燥溫度55 ℃、切片厚度3 mm、真空度-0.08 MPa、裝載量100 g/kW、轉盤轉速8 r/min。此條件下得到的淮山產品多糖含量為(4.12±0.08)%、白度為(78.04±0.82)、復水率為(223.29±1.31)%，多酚、黃酮、尿囊素的含量分別為(0.71±0.05),(1.32±0.04),(6.86±0.08) mg/g。當淮山濃度達到50 mg/mL時，對DPPH自由基、羥自由基、超氧陰離子自由基的清除率分別為(88.43±0.66)%,(86.52±0.51)%,(83.81±0.75)%，半抑制率濃度(IC50)分別為(18.61±0.11),(19.86±0.15),(21.06±0.14) mg/mL。本試驗說明了微波真空干燥淮山的產品質量好，抗氧化能力強，也證明了微波對淮山中活性成分的損耗小，為淮山的微波真空工業化干燥加工提供了理論支持，今后可結合傅里葉變換紅外光譜、X衍射等技術，進一步研究干燥過程中淮山功能與結構的變化。