山藥干燥技術(shù)及對品質(zhì)的影響研究進展

劉云飛，顧震，徐志勇，張森旺

（江西省科學(xué)院應(yīng)用化學(xué)研究所，江西南昌 330096）

山藥是薯蕷科薯蕷屬藤本植物的根莖，由于其營養(yǎng)豐富并且具有藥理作用，已經(jīng)被我國列為食藥兩用資源，在發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟中起重要作用。新鮮山藥不易儲存，通常需要干燥來延長儲存期和開展后續(xù)加工。

山藥干燥就是去除水分的過程，包括蒸發(fā)和升華。山藥中的主要營養(yǎng)成分是淀粉，還有非淀粉多糖、蛋白、糖蛋白、脂肪、微量元素和多種天然活性成分（多酚、黃酮、尿囊素、皂苷等），這些活性成分賦予山藥降血糖、降血脂、抗氧化、抗衰老、免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、保護神經(jīng)系統(tǒng)、調(diào)節(jié)腸道菌群等功能。山藥干燥過程伴隨著水分遷移、熱傳遞等，營養(yǎng)成分在水分和溫度的作用下如何變化一直是研究熱點。本文綜述了各種山藥干燥技術(shù)原理，各營養(yǎng)成分的變化及其機制，對山藥干燥技術(shù)的發(fā)展進行了展望，以期為山藥的干燥和產(chǎn)品開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 山藥干燥概述

目前山藥干燥研究主要集中于國內(nèi)，韓國[1]、非洲一些國家（尼日利亞和南非）[2-3]和歐洲的荷蘭[4-5]也有少量學(xué)者對山藥的干燥進行研究。國內(nèi)對山藥干燥研究較多有河南科技大學(xué)[6-11]、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)[12-18]、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)[19-24]、江南大學(xué)[25-26]、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)[27-28]、河南中醫(yī)藥大學(xué)[29-30]、中原工學(xué)院[31-32]、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)[33]等學(xué)校，其中河南科技大學(xué)任廣躍教授、段續(xù)教授，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)肖紅偉教授，江南大學(xué)張慜教授，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)李清明教授等干燥領(lǐng)域的知名學(xué)者對山藥的干制有長期研究。當(dāng)前國內(nèi)針對山藥干燥的研究內(nèi)容包括干燥方式及工藝對比、山藥干燥特性、營養(yǎng)成分變化及預(yù)處理對山藥干燥的影響等。

2 干燥原理

干燥原理有熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射，熱對流指利用熱空氣加熱山藥來干燥，例如熱風(fēng)、熱泵干燥；熱輻射指利用電磁波加熱山藥，如遠(yuǎn)紅外和微波干燥；熱傳導(dǎo)指利用加熱套對山藥加熱升溫，達(dá)到水分蒸發(fā)目的，通常采用真空冷凍干燥結(jié)合熱對流和熱傳導(dǎo)兩種方式。表1綜述了各種干燥方式的作用原理，以及用于山藥干燥的優(yōu)/劣勢。

表1 各種干燥方式的干燥原理和優(yōu)/劣勢

由于單一干燥方式存在能耗、設(shè)備選型、產(chǎn)量等弊端，研究人員往往采用多干燥方式并聯(lián)或者串聯(lián)對山藥進行干燥，例如真空微波干燥[34-35]、熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合干燥[36]、常壓冷凍干燥[10]、微波-熱風(fēng)干燥[37]、微波輔助真空冷凍干燥[38]及熱泵-高壓電場聯(lián)合干燥[32]等。

3 干燥工藝的選擇

劉亞男[9]采用噴霧干燥和熱風(fēng)干燥兩種方式干制山藥，發(fā)現(xiàn)酶解預(yù)處理能提高噴霧干燥懷山藥可溶物的溶出率，山藥粉沖調(diào)性好。狄建兵等[39]發(fā)現(xiàn)固形物含量30%、進風(fēng)溫度為160 ℃、干燥助劑添加量為4%時，噴霧干燥制備的山藥粉品質(zhì)較高，顏色雪白，粒度均勻。而山藥片的真空干燥適宜工藝條件為0.06 MPa和50 ℃，所得山藥的復(fù)水最佳溫度60 ℃，時間40 min[40]。

張欣等[41]發(fā)現(xiàn)山藥切片真空干燥最優(yōu)工藝參數(shù)為干燥溫度63.76 ℃、壓強0.053 2 MPa和切片厚度2.46 mm，此時干燥速率快，能耗低，并且得到的山藥白度較高。李亞楠[27]研究了真空冷凍干燥過程的護色工藝、粉碎工藝、預(yù)凍工藝和干燥工藝對山藥的影響，發(fā)現(xiàn)采用檸檬酸、植酸、氯化鈣混合液預(yù)處理可以有效防止干燥過程褐變，濕法粉碎有利于干燥，預(yù)凍工藝-24 ℃，真空度為40 Pa凍干制備的山藥品質(zhì)較優(yōu)，營養(yǎng)成分保留最多。

陳艷珍[6]對比微波、熱風(fēng)和真空3種干燥方式發(fā)現(xiàn)，微波干燥速度最快，真空干燥速度最慢，微波干燥的最適工藝為壓力0.03 MPa，微波功率13.62 W/g、山藥片2 mm厚，此時干燥時間最短。時秋月[11]討論了熱泵干燥、真空干燥的最佳工藝，發(fā)現(xiàn)熱泵干燥采用切片厚度5 mm、溫度40 ℃、進風(fēng)速度3.0 m/s工藝得到的懷山藥品質(zhì)優(yōu)良，在切片厚度3 mm、溫度60 ℃和真空度0.09 Mpa下真空干燥可以得到品質(zhì)優(yōu)良的干山藥。

研究人員對比發(fā)現(xiàn)，常壓冷凍干燥的山藥品質(zhì)接近真空冷凍干燥，優(yōu)于變溫壓差干燥和真空干燥，但是能耗比真空冷凍干燥低70%。干燥至水分含量8%以下時，真空冷凍干燥的最佳工藝是真空度-60 Pa，溫度-40 ℃；變溫壓差膨化干燥的最佳工藝是70 ℃預(yù)干燥50 min，在壓差為0.3 MPa環(huán)境保留5 min，75 ℃條件下干燥90 min；真空干燥的最佳工藝是真空度-0.030～-0.025 MPa，溫度70 ℃，干燥時間350 min；熱風(fēng)干燥的最佳工藝是風(fēng)速2.3 m/s，溫度70 ℃，干燥時間110 min[42]。

李永遠(yuǎn)[43]對比高壓電場和熱風(fēng)干燥的山藥的紅外光譜發(fā)現(xiàn)，高壓電場干燥下的山藥品質(zhì)比熱風(fēng)干燥下要好，營養(yǎng)和藥用成分含量明顯高于熱風(fēng)干燥，這主要是由于高壓電場干燥幾乎不產(chǎn)熱，使得山藥的結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)都能保留。其在對不同電極（Ag、Cu、Fe）、不同針間距、不同極性電壓對山藥的干燥特性的影響研究中發(fā)現(xiàn)，高壓電場干燥選擇針間曲率更小的電極，有利于提升干燥速率

由于微波干燥速度快，但是溫度過高容易引起山藥焦化，越來越多的研究開始探索微波結(jié)合其他干燥方式干制山藥。李琳琳[26]采用脈沖噴動協(xié)同微波冷凍干燥山藥，發(fā)現(xiàn)干燥時間與微波功率和干燥溫度正相關(guān)，但容易造成產(chǎn)品營養(yǎng)品質(zhì)和色澤的劣變；噴動間隔對干燥時間無顯著影響，但較長的噴動間隔導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)的劣變。葉曉夢[35]采用凍干-微波聯(lián)合干燥方式干燥山藥，最佳干燥工藝為凍干階段溫度50 ℃、真空度0.032 MPa、干燥時間4.5 h，微波階段的條件為微波強度0.25 W/g、真空度0.095 MPa，此條件干制的山藥品質(zhì)較優(yōu)。

任麗影[10]采用微波輔助常壓冷凍干燥干制山藥，裝置內(nèi)部帶有渦流管制冷裝置，加熱方式為對流輻射耦合變溫方式。這種加熱模式可以增大物料表面和物料中心的溫度差，加快水分蒸發(fā)。

段柳柳[7]研究微波干燥懷山藥過程中的水分?jǐn)U散特性發(fā)現(xiàn)，干燥過程中水分由自由度高向自由度低的方向遷移，提高微波功率可以有效增加水分?jǐn)U散系數(shù)；1.5～4.4 W的微波功率條件下對應(yīng)的水分?jǐn)U散系數(shù)為1.129×10-9～5.439×10-9m2/s，隨著水分?jǐn)U散遷移的速度增大，非結(jié)合水向結(jié)合水方向轉(zhuǎn)化逐漸增多。采用Page、Newton等模型與實驗數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果表明Page擬合度較高，可以較好地對懷山藥微波真空冷凍干燥過程進行預(yù)測和控制。陳雪濤也發(fā)現(xiàn)Page模型能很好地擬合山藥熱風(fēng)干燥動力學(xué)曲線[44]。

總結(jié)上述干燥工藝發(fā)現(xiàn)，不同干燥方式的干燥工藝存在較大差異，即使同一種干燥方式，由于設(shè)備、原料的差異，干燥工藝也有所不同，需要根據(jù)實際生產(chǎn)需求選擇合適的干燥設(shè)備并且調(diào)整干燥工藝參數(shù)。

4 不同干燥方式對山藥品質(zhì)的影響

干制山藥的品質(zhì)主要包括外觀、蒸煮沖泡性、口感、營養(yǎng)等。外觀主要是顏色、形狀；蒸煮沖泡性指山藥在食用前的蒸煮沖泡，涉及復(fù)水率、持水性等性質(zhì)；口感主要是質(zhì)構(gòu)；營養(yǎng)包括淀粉、蛋白、多糖、微量元素等成分的含量。

4.1 顏色

高溫干燥的山藥顏色顯著黃于低溫干燥的山藥，真空冷凍干燥的山藥片色差值最小[42]。酒曼[31]發(fā)現(xiàn)采用變溫?zé)犸L(fēng)干燥可以解決恒溫?zé)犸L(fēng)干燥山藥變黑和干縮的問題，提高復(fù)水率。李麗[33]利用鹽溶液滲透輔助熱風(fēng)干燥制備的山藥片顏色雪白，而對照組出現(xiàn)褐變現(xiàn)象；張記[45]發(fā)現(xiàn)熱燙預(yù)處理后干制山藥最白，褐變指數(shù)最低，說明適當(dāng)?shù)念A(yù)處理可以提高干制山藥外觀品質(zhì)。陳艷珍[6]研究發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)干燥會影響山藥中酪氨酸酶的活性，導(dǎo)致山藥出現(xiàn)不同的顏色。時秋月[11]采用熱泵干燥懷山藥，發(fā)現(xiàn)干制品多酚含量與褐變度顯著相關(guān)，真空干燥方式下懷山藥干制品多酚含量與褐變度相關(guān)性不顯著，熱泵干燥懷山藥過程中發(fā)生的褐變主要為非酶褐變。

4.2 復(fù)水率

復(fù)水率是干制山藥的一個重要特性，對人們的食用感受有重要影響。酒曼[31]發(fā)現(xiàn)變溫干燥可提高干制山藥的復(fù)水率。陳艷珍[6]發(fā)現(xiàn)懷山藥復(fù)水率隨著熱風(fēng)干燥的溫度、真空干燥的溫度和真空度、微波干燥功率的增加而提高，且微波干燥得到的產(chǎn)品復(fù)水率最優(yōu)?；汗鈁8]發(fā)現(xiàn)2 400 W微波功率結(jié)合-0.04 MPa的真空度干燥的山藥復(fù)水率最好。陳雪濤[44]發(fā)現(xiàn)微波干燥持水力最大，可能是微波導(dǎo)致淀粉糊化引起，微波干燥山藥的溶解度和溶脹度也最高。段柳柳[7]在微波輔助凍干山藥過程發(fā)現(xiàn)微波功率越大，干山藥的復(fù)水性越好。

真空冷凍干燥得到的山藥片由于結(jié)構(gòu)收縮最小，復(fù)水性最佳。真空冷凍干燥優(yōu)于變溫壓差膨化干燥，優(yōu)于真空干燥，熱風(fēng)干燥的復(fù)水效果最差[42]。

還有研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)那疤幚硪材芴岣呱剿幍膹?fù)水率，例如任麗影[10]利用預(yù)凍使山藥在干燥前形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，干燥后山藥外觀變化不大。冷凍干燥結(jié)合常壓、真空、微波等方式都能促進山藥內(nèi)部形成海綿狀多孔結(jié)構(gòu)，提高干制山藥的復(fù)水率。張記[45]和李琳琳[26]都發(fā)現(xiàn)在山藥干燥前，利用氯化鈉、焦亞硫酸鈉、蔗糖或者檸檬酸熱燙處理山藥，都能提高干制山藥的復(fù)水率。

4.3 質(zhì)構(gòu)

研究山藥經(jīng)過熱風(fēng)、真空、真空冷凍和變溫壓差膨化干燥樣品的質(zhì)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，真空干燥樣品硬度最大，變溫壓差樣品由于發(fā)生膨化而脆度較大，真空冷凍干燥脆度和硬度都較小[42]。

段柳柳[7]發(fā)現(xiàn)高功率干制山藥的脆性和硬度比低功率微波要大，但感官評分低于低功率，山藥片的硬度和脆性都與水分含量有關(guān)，孔隙率也影響山藥的硬度。

4.4 營養(yǎng)成分

山藥中最主要的成分是淀粉，淀粉的消化性也是影響山藥品質(zhì)的重要指標(biāo)。李杰[46]發(fā)現(xiàn)不同干燥方法得到的山藥粉均呈非牛頓流體特性，冷凍真空干燥的山藥熟粉的粘彈性最高，熱處理顯著降低山藥粉抗性淀粉含量，真空干燥山藥熟粉的抗性淀粉含量最高，真空冷凍干燥能較好保留山藥粉的原有理化特性。研究指出，冷凍干燥還有利于保留山藥中的抗性淀粉[46,47]。

不同干燥工藝對于山藥中香氣成分的影響有較大差異，如陳佳男[42]發(fā)現(xiàn)十二烷和2,5,9-三甲基癸烷己醛是高低功率真空微波聯(lián)合干燥的特征香氣，而低功率真空微波干燥與變溫壓差膨化聯(lián)合干燥的特征香氣成分是2,7,10-三甲基十二烷、十一醛和對烯丙基茴香醚。

多糖是山藥中除淀粉外含量最高的營養(yǎng)成分，以下所述山藥多糖含量的變化主要是指干制后其提取率不同。時秋月[11]發(fā)現(xiàn)熱泵干燥處理后懷山藥復(fù)水率及多糖得率均優(yōu)于真空干燥成品。化春光[8]使用微波真空干燥山藥發(fā)現(xiàn)，微波功率2 400 W、真空度為0時多糖得率最大，微波功率1 600 W、真空度-0.08 MPa時皂苷得率最大。陳艷珍[6]發(fā)現(xiàn)微波干燥懷山藥多糖得率最高，真空干燥多糖得率次之，熱風(fēng)干燥的山藥多糖得率最低；多糖得率最優(yōu)的干燥條件為真空度0.062 MPa，微波功率11.092 W/g、山藥厚度為2 mm。

陳雪濤[44]發(fā)現(xiàn)微波干燥引起淀粉、蛋白含量下降，微波干燥前后總可溶性多酚、黃酮含量沒有顯著差異，而熱風(fēng)干燥后產(chǎn)品中總酚和總黃酮含量降低；山藥總黃酮、可溶性總多酚含量及抗性淀粉含量在40 ℃條件下干燥時保留率較高，而尿囊素含量在60 ℃條件下干燥得到產(chǎn)品中最高；尿囊素退變過程遵循一級反應(yīng)方程，在溫度不超過60 ℃時，尿囊素的退變速率較小。微波輔助真空冷凍干燥技術(shù)適合懷山藥等富含熱敏性活性成分含量高的物料干燥[10]。

葉曉夢[35]發(fā)現(xiàn)微波干燥山藥時，較低溫度條件下增加微波功率不會影響多糖的提取率，而高溫則會降低多糖的提取率并且此時Vc的損失較大。張子琪等[48]發(fā)現(xiàn)低溫干燥的紫淮山全粉水溶性優(yōu)于熱風(fēng)干燥，總酚含量保留率和抗氧化活性也優(yōu)于熱風(fēng)干燥。

真空冷凍干燥產(chǎn)品中總酚和Vc保留最多，熱風(fēng)干燥對營養(yǎng)成分破壞最大，真空微波聯(lián)合干燥對營養(yǎng)成分的破壞大于變溫壓差膨化干燥[42]。而李永遠(yuǎn)[43]發(fā)現(xiàn)高壓電場干燥的山藥在營養(yǎng)和藥用成分保持上比常規(guī)干燥好。

4.5 抗氧化活性

陳雪濤[44]發(fā)現(xiàn)微波干燥產(chǎn)品的抗氧化活性最低，顯著低于新鮮山藥，而總酚和尿囊素含量在熱風(fēng)干燥樣品中最高，表明熱風(fēng)干燥是一種較好的山藥干燥方法。而任麗影[10]發(fā)現(xiàn)真空冷凍干燥樣品的抗氧化活性最好；熱泵干燥山藥的抗氧化活性最差，干燥后的山藥片中酪氨酸酶仍具有很高的活力，因此保存時依然需要隔絕空氣且放在干燥陰暗處，以防發(fā)生褐變。劉亞男[9]發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)干燥的山藥全粉的抗氧化性好于真空、噴霧冷凍、微波真空冷凍獲得的產(chǎn)品。王藝曼[32]采用熱泵聯(lián)合高壓電場干燥山藥，發(fā)現(xiàn)可以減少干制山藥中總酚的損失，抑制羥自由基清除能力的下降。

4.6 外觀微觀形貌

真空冷凍干燥能最大限度保持山藥的原始結(jié)構(gòu)，通常為蜂窩狀孔隙；真空干燥和熱風(fēng)干燥引起山藥內(nèi)部收縮，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，易形成緊密球狀結(jié)構(gòu)。李麗[33]發(fā)現(xiàn)滲透輔助熱風(fēng)干燥有助于降低山藥片干燥過程的皺縮，卷曲程度減少。

微波干燥引起山藥片出現(xiàn)裂紋而且表面比較粗糙，掃描電鏡觀察顯示山藥片內(nèi)部同時存在小塊的淀粉顆粒聚集和大塊的淀粉顆粒聚集，偏光顯微鏡下光差偏光十字最少[44]。微波輔助凍干山藥時，山藥內(nèi)部的孔洞由閉合態(tài)逐漸變成開孔狀態(tài)，并且孔隙率慢慢變大，孔徑最大為106 nm，最小為10 nm，處于中位的孔徑呈現(xiàn)由大到小再變大的過程，而大孔徑的孔洞呈現(xiàn)由閉合到打開的狀態(tài)；微波功率對干山藥孔隙率影響較大；預(yù)處理會促進山藥孔隙的形成，加速干燥，滲透預(yù)處理的干山藥結(jié)構(gòu)最為緊密，而超聲預(yù)處理導(dǎo)致山藥內(nèi)部為海綿狀結(jié)構(gòu)[7]。

低溫干燥能有效保持山藥干燥前后的細(xì)胞完整性，例如葉曉夢[35]采用冷凍干燥制備干鐵棍山藥時發(fā)現(xiàn)，干制山藥和新鮮山藥的細(xì)胞形態(tài)相似，無明顯皺縮；淀粉顆粒與新鮮山藥形貌也相似；而凍干再串聯(lián)微波真空干燥鐵棍山藥，依然能使鐵棍山藥干燥后保持良好外觀，縮小程度不明顯。

陳雪濤[44]發(fā)現(xiàn)干燥后的山藥呈現(xiàn)A型晶體結(jié)構(gòu)，微波干燥引起淀粉糊化，在X衍射圖譜上無法觀察到特征峰；相比于風(fēng)干和凍干，熱風(fēng)干燥結(jié)晶度最?。晃⒉ǜ稍锖蟮臉悠分械矸鄯肿佑行虺潭茸畹?，凍干和風(fēng)干的有序程度最高。DUAN等[49]研究發(fā)現(xiàn)不同干燥方式會促使淀粉鏈斷裂，造成淀粉分子尺寸減小。

根據(jù)干制山藥的不同性質(zhì)，可以利用冷凍干燥開發(fā)慢消化山藥產(chǎn)品，利用熱風(fēng)干燥開發(fā)適用于冰激凌的高持水性的山藥粉，溶脹度低的山藥粉可用于制備藥物包衣等。

5 結(jié)語

本文歸納了不同干燥方式和條件下山藥的干燥特性（干燥動力學(xué)）和營養(yǎng)成分的變化，從多方面總結(jié)了山藥干燥過程中內(nèi)外部結(jié)構(gòu)的變化。在實際應(yīng)用中，山藥片的干燥方式主要是熱風(fēng)干燥，山藥粉的干燥方式包括熱風(fēng)干燥和噴霧干燥，少數(shù)企業(yè)應(yīng)用熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合干燥，凍干、微波、遠(yuǎn)紅外或者多種干燥方式并聯(lián)或者串聯(lián)等干燥方式也有一定應(yīng)用，但是單一干燥方式在產(chǎn)量、能耗等方面都存在一定的局限性，因此采用多種干燥方式聯(lián)合的技術(shù)對山藥進行干燥處理是未來的趨勢。

雖然應(yīng)用于山藥干燥的方式非常多，但現(xiàn)有研究主要集中于設(shè)備的干燥條件對山藥干燥特性（干燥速率等）和品質(zhì)（外觀、營養(yǎng)成分變化）的影響，山藥干燥的專用設(shè)備研發(fā)不足，無法精準(zhǔn)監(jiān)控山藥干燥過程的濕熱傳遞，山藥干燥過程濕熱傳遞的機理依然不太明確。雖然現(xiàn)有研究對水分和熱量在干燥過程的變化（溫度變化、水分含量變化、水分遷移等）進行了多尺度分析，但對于山藥孔洞結(jié)構(gòu)形成機理、干燥過程孔洞的變化情況，以及熱量和水分如何從山藥的內(nèi)部向外擴散的機理等尚未報道。淀粉是山藥中的主要成分，淀粉的多尺度結(jié)構(gòu)變化決定了山藥的結(jié)構(gòu)，從而影響干制山藥的糊化和后續(xù)加工，目前研究只是關(guān)注山藥感官、食用品質(zhì)等方面變化，因此著重開展淀粉在干制過程的變化研究對于明晰干燥方式對山藥干燥的影響機制有重要意義。