不同干燥方法對(duì)林下參品質(zhì)的影響

賴 文，楊利民，韓佳宏，劉芳菲，馬嘉欣，蔡恩博，韓 梅

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 中藥材學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

林下參是指人工播種在山林野生狀態(tài)下自然生長(zhǎng)的人參。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2020年，吉林省林下參種植面積約150萬(wàn)畝，其中參齡在15年以上的占了30%以上?，F(xiàn)代化學(xué)和藥理研究表明林下參中含有人參皂苷、人參多糖、人參酚類、黃酮類等化學(xué)成分［1］，林下參的藥理活性包括對(duì)機(jī)體的免疫功能［2］、抗運(yùn)動(dòng)性疲勞作用［3］、和抗氧化活性作用［4］等。林下參的形態(tài)美觀，體形多樣，藥用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，達(dá)到一定年限的林下參，其功效理論上接近野生人參［5］，林下參未來(lái)發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)優(yōu)勢(shì)大。干燥對(duì)于藥材十分重要，能夠避免藥材的藥用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值受到嚴(yán)重的損失［6］，目前林下參在加工生產(chǎn)的過(guò)程中多采用曬干和烘干的干燥方式，但對(duì)于林下參來(lái)說(shuō)，曬干用時(shí)長(zhǎng)，易受氣候影響，參表面抽溝較嚴(yán)重；烘干對(duì)產(chǎn)品外觀有不利影響，影響美觀。這兩種干燥方法已不能滿足林下參加工產(chǎn)業(yè)高品質(zhì)發(fā)展的需要，因而研究建立適宜林下參的干燥方法已迫在眉睫。

本實(shí)驗(yàn)以林下參為研究對(duì)象，選用真空冷凍干燥、熱風(fēng)干燥和微波干燥三種干燥方法，以干燥過(guò)程參數(shù)、主要物理性質(zhì)及內(nèi)在質(zhì)量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了不同干燥方法的干燥過(guò)程和不同干燥方法對(duì)林下參的物理性質(zhì)、化學(xué)成分的影響，以篩選建立適宜的林下參干燥方法，提升林下參干燥產(chǎn)品的品質(zhì)，提高林下參產(chǎn)品價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)藥材

15年生林下參采自于通化市柳河縣野山參基地，經(jīng)吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)中藥材學(xué)院楊利民教授鑒定為五加科植物人參（Panax ginsengC. A. Meyer）的根。林下參平均質(zhì)量為每支12 g，平均直徑1.46 cm。

1.1.2 設(shè)備儀器

DHG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海申賢恒溫設(shè)備廠），CHRIST ALPHA1-4/2-4LSC冷凍干燥機(jī)（博勱行儀器有限公司），DL91150游標(biāo)卡尺（得力集團(tuán)有限公司），XL11000根系測(cè)定儀（精工愛(ài)普生公司），CR410色差儀（柯尼卡美能達(dá)株式會(huì)社），生物體式顯微鏡（杭州光學(xué)儀器公司），BSA224S萬(wàn)分之一電子天平（賽多利斯科學(xué)儀器有限公司），KQ-250DB型數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司），1260型高效液相色譜儀（安捷倫公司）。

1.1.3 試劑

乙醇、濃硫酸等試劑均為分析純，色譜甲醇、色譜乙腈（費(fèi)舍爾公司），人參皂苷標(biāo)準(zhǔn)品Rg1、Re、Rc、Rb2、Rf、Rb3、Rd、K3、F2、S-Rg3、R-Rg3（吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院）。

1.2 方法

1.2.1 干燥工藝

樣品處理：取林下參鮮品去除雜質(zhì)，洗凈后剪去蘆頭上的莖稈，陰干表皮水分，備用。干燥過(guò)程中，按下述干燥方案處理，林下參含水量降低至11%以下時(shí)停止干燥。熱風(fēng)干燥：將處理好的林下參置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，電烘箱溫度設(shè)置在45℃，期間每小時(shí)翻動(dòng)一次，同時(shí)排潮。

真空冷凍干燥：先將真空冷凍干燥機(jī)冷阱制冷，擱板溫度降至-20℃左右，取處理好的林下參放置于擱板上，待4 h后，擱板溫度達(dá)到-25℃，制品溫度為-25℃。開(kāi)真空泵，待2 min后將壓力抽至70 pa左右。同時(shí)對(duì)擱板進(jìn)行加熱，控制其加熱速度，確定隔板加熱溫度最高為50℃，直至擱板溫度與樣品溫度相接近時(shí)，停止加熱，取出樣品。

微波干燥：將處理好的林下參放置于微波爐中，調(diào)至中低火，功率320 w，干燥20 s，間歇90 s。

1.2.2 干燥參數(shù)的測(cè)定

取林下參鮮品，按照2020年版中國(guó)藥典四部通則水份測(cè)定法（第二法烘干法測(cè)定），重復(fù)測(cè)定3次，計(jì)算初始干基含水率M0（g·g-1）。

1.2.3 干基含水率（Mt）

按公式：Mt=（mt-mg）/mg計(jì)算。mg為絕干物質(zhì)時(shí)人參的質(zhì)量（g），mt為干燥過(guò)程中t時(shí)刻時(shí)林下參的質(zhì)量（g）。

1.2.4 水分比（MR）

按公式：MR=Mt/M0計(jì)算。Mt為t時(shí)刻的干基含水率（g·g-1）。

1.2.5 干燥速率（DR）

按公式［7］：DR=（Mt-Mt-1）/△t計(jì)算。DR為時(shí)間t與時(shí)間 t-1之間的干燥速率（g·g-1·h-1）；Mt和 Mt-1分別為t和t-1時(shí)刻的干基含水率（g·g-1）；△t為兩個(gè)時(shí)刻的間隔時(shí)間（h）。

1.3 物理參數(shù)的測(cè)定和外觀結(jié)構(gòu)的觀察

1.3.1 外觀結(jié)構(gòu)的觀察

干燥后林下參使用肉眼進(jìn)行整體觀察，使用體式顯微鏡對(duì)林下參斷面進(jìn)行觀察［8］。

1.3.2 蘆頭和主根的直徑和長(zhǎng)度

使用游標(biāo)卡尺測(cè)定林下參蘆頭和主根的直徑和長(zhǎng)度。直徑收縮率=（干燥前直徑-干燥后直徑）/干燥前直徑×100%。長(zhǎng)度收縮率=（干燥前長(zhǎng)度-干燥后長(zhǎng)度）/干燥前長(zhǎng)度×100%。

1.3.3 體積收縮率

使用根系掃描儀測(cè)定干燥前后林下參的體積。林下參根體積收縮率=（（鮮林下參根體積-干林下參根體積）/鮮人參根體積）×100%。

1.3.4 色澤的測(cè)定

取林下參粉末和干燥前后林下參，以標(biāo)準(zhǔn)白板為對(duì)照，使用色差儀測(cè)定林下參粉末和表皮的色澤。林下參表皮色差增長(zhǎng)率=（（干林下參表皮色差-鮮林下參表皮色差）/鮮林下參表皮色差）×100%。

1.4 單體皂苷含量的測(cè)定

1.4.1 色譜條件

ZORBAX SB-C18（ 250 mm×4.6 mm，5 μm）色譜柱，流動(dòng)相分別為乙腈（C）：水（A），洗脫條件為二元梯度洗脫：0～40 min，19%～21%（C）；40～42 min，21%～26%（C）；42～46 min，26%～32%（C）；46～72 min，32%～40%（C）；72～79 min，40%～49%（C）；79～83 min，49%（C）；83～85 min，49%～51%（C）；85～89 min，51%～60%（C）；89～92 min，60%～65%（C）；92～95 min，65%（C）；95～98 min，65%～85%（C）；98～105 min，85%～100%（C）；105～109 min，100%～19%（C）；109～116 min，19%（C）；流速 0.8 mL/min；進(jìn)樣量10 μL，檢測(cè)波長(zhǎng)為203 nm，柱溫25℃。

1.4.2 供試品溶液的制備

取林下參粉末0.5 g（過(guò)4號(hào)篩），精密稱定，加30 mL甲醇，稱重，放置12 h，超聲提取60 min，補(bǔ)足失重，過(guò)濾，蒸干，甲醇復(fù)溶定容于10 mL容量瓶中備用。使用前過(guò)0.22 μm針孔濾膜。

1.4.3 對(duì)照標(biāo)品溶液的制備

取人參單體皂苷對(duì)照品，配置成對(duì)照品溶液，取Rg1、Re、Rb2、Rf、Rb3、Rd、K3、F2、S-Rg3、R-Rg3配置成2 mg/mL的對(duì)照品溶液，取Rc、Rb1配置成4 mg/mL的對(duì)照品溶液。

1.4.4 線性關(guān)系

精密吸取配置好的對(duì)照品溶液，并配置成混合對(duì)照品溶液，稀釋成A、B、C、D、E，5個(gè)濃度，分別進(jìn)樣，以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，峰面積為縱坐標(biāo)，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，見(jiàn)表1。

表1 人參單體皂苷回歸方程Tab.1 Regression equation of ginsenoside

1.4.5 方法學(xué)考察

精密度實(shí)驗(yàn)：對(duì)照標(biāo)品溶液重復(fù)進(jìn)樣6次，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（Relative standard deviation，RSD）≤1.57%；穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)：供試品在0 h、4 h、8 h、12 h、16 h、24 h進(jìn)樣分析測(cè)定，RSD≤1.96%；重復(fù)性實(shí)驗(yàn)：取同一樣品6份制備為供試品溶液進(jìn)樣分析測(cè)定，RSD≤1.78%；加樣回收率實(shí)驗(yàn)：取已知含量的粉末樣品6份，精密稱定，每份加入適量人參皂苷對(duì)照品，制成供試溶液分析測(cè)定，回收率在92%～108%之間，RSD≤1.85%。

1.5 總皂苷含量的測(cè)定

使用香草醛-硫酸比色法［9］測(cè)定林下參總皂苷含量。

1.6 統(tǒng)計(jì)方法

使用Excel 2019對(duì)林下參的各指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，所有數(shù)據(jù)由SPSS 23.0版本統(tǒng)計(jì)軟件使用LSD法進(jìn)行差異性顯著檢驗(yàn)（P＜0.05），并計(jì)算相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥過(guò)程的研究

林下參預(yù)凍溫度為-25℃，預(yù)凍時(shí)間為4 h，升華過(guò)程采用逐步升溫的方式控制加熱溫度，升華時(shí)間為24 h，可以有效防止產(chǎn)品起泡和局部塌陷甚至融化，林下參中大部分固態(tài)水在升華干燥階段轉(zhuǎn)化為氣態(tài)水，被直接除去，解析溫度為50℃，時(shí)間維持4 h，可以除去林下參中的少量結(jié)合水；干燥時(shí)間總計(jì)32 h（圖1）。

圖1 凍干曲線Fig.1 Freeze drying curve

在干燥林下參所需時(shí)間上：熱風(fēng)干燥時(shí)間為42 h，微波干燥時(shí)間最短，為1.7 h。林下參熱風(fēng)干燥和微波干燥的干燥曲線呈現(xiàn)隨著干燥時(shí)間的增長(zhǎng)，水分比逐漸下降并最終趨近于零的規(guī)律。將熱風(fēng)干燥失水曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，其干燥曲線符合指數(shù)模型（R2=0.993），將微波干燥失水規(guī)律進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，其干燥曲線符合3次函數(shù)模型（R2=0.998），干燥曲線數(shù)學(xué)模型的建立有利于干燥過(guò)程中水分的控制，見(jiàn)表2。林下參干燥速率曲線表明，微波干燥的干燥速率明顯較高，在微波干燥的干燥過(guò)程中，干燥速率在前期干基含水率高時(shí)快速下降，而后干燥速率下降較為緩慢；熱風(fēng)干燥干燥過(guò)程中，干燥速率在林下參內(nèi)部含水量高時(shí)，大幅度快速下降，當(dāng)林下參內(nèi)部含水量低時(shí)，下降速度減緩，兩種干燥方法干燥林下參的干燥階段主要為降速階段，預(yù)熱階段和恒速階段幾乎不可見(jiàn)（圖2）。

表2 林下參的干燥曲線擬合公式Tab.2 Fitting formula of drying curve of ginseng in forest

圖2 林下參熱風(fēng)干燥和微波干燥的干燥曲線（A、C）和干燥速率曲線（B、D）Fig.2 Drying curve （A、C） and drying rate curve （B、D） of hot air drying and microwave drying of ginseng in forest

2.2 干燥方法對(duì)林下參外觀結(jié)構(gòu)的影響

林下參的蘆頭較長(zhǎng)，為二節(jié)蘆，由竹節(jié)蘆和馬牙蘆構(gòu)成，稀有圓蘆，其上具艼，體有順體、靈體、元寶體、笨體等，須長(zhǎng)，有多而密的珍珠點(diǎn)，見(jiàn)圖3。真空冷凍干燥林下參、微波干燥林下參和熱風(fēng)干燥林下參的外觀性狀有明顯的區(qū)別。真空冷凍干燥林下參整體無(wú)明顯形變；表皮具有一定的粗橫紋和較輕的縱皺，質(zhì)地較脆，斷面顯粉性，顏色為淡黃白色偏白色；內(nèi)部孔隙小而多，呈海綿狀；真空冷凍干燥較好的保留了林下參原有的外形。微波干燥林下參表面具有縱皺，但縱皺淺；質(zhì)地輕而脆；斷面分層明顯，木質(zhì)部呈紅褐色，與木栓層顏色有明顯的區(qū)分；內(nèi)部孔隙大而多，呈蜂窩狀。熱風(fēng)干燥林下參表面具較深而粗的橫紋和極明顯的縱皺，質(zhì)地較硬，蘆和主根彎曲，斷面顏色為淡黃白色；形成層環(huán)紋明顯，呈淡棕黃色；內(nèi)部緊密，孔隙少。

圖3 不同干燥方法林下參的外觀性狀Fig.3 Appearance characteristics of ginseng in forest with different drying methods

2.3 干燥方法對(duì)林下參收縮情況和色澤的影響

干燥對(duì)林下參的體形有一定的影響，導(dǎo)致干燥后林下參的體積、蘆直徑和長(zhǎng)度、主根直徑和長(zhǎng)度發(fā)生變化。不同干燥林下參的收縮率數(shù)據(jù)顯示，熱風(fēng)干燥林下參的體積收縮率＞真空冷凍干燥林下參的體積收縮率＞微波干燥林下參的體積收縮率，三種干燥林下參的體積收縮率差異顯著（P＜0.05），真空冷凍干燥林下參和微波干燥林下參的主根直徑和長(zhǎng)度及蘆直徑和長(zhǎng)度的收縮率較小，真空冷凍干燥林下參和微波干燥林下參與熱風(fēng)干燥林下參的主根直徑、主根長(zhǎng)度和蘆長(zhǎng)度的收縮率有顯著差異（P＜0.05）。由數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知：熱風(fēng)干燥對(duì)林下參的體形有較為明顯的影響；而真空冷凍干燥和微波干燥對(duì)林下參體形的影響較小。

表3 不同干燥方法對(duì)林下參收縮情況的影響Tab.3 Effects of different drying methods on shrinkage of ginseng in forest

鮮藥材在干燥過(guò)程中易受酶和溫度的影響發(fā)生褐變，導(dǎo)致顏色發(fā)生變化。色澤數(shù)據(jù)L*為白度值，L*越大色澤越白，a*為紅度值，b*為黃度值，當(dāng)a*和b*為正值時(shí)，a*越大色澤越紅，b*越大色澤越黃，△E為色差值。不同干燥方法對(duì)林下參色澤的影響，如圖4所示，熱風(fēng)干燥林下參的主根表皮色差增長(zhǎng)率為22.16%，與其它兩種干燥林下參的主根表皮色差增長(zhǎng)率具顯著差異（P＜0.05），真空冷凍干燥林下參的色差增長(zhǎng)率最小，說(shuō)明真空冷凍干燥對(duì)林下參表皮色澤的影響小。真空冷凍干燥林下參和熱風(fēng)干燥林下參的粉末色澤L*值大，a*、b*和總色差的值小，真空冷凍干燥林下參和熱風(fēng)干燥林下參與微波干燥林下參的粉末色澤L*、a*、b*和總色差值相比，差異顯著（P＜0.05）；由不同干燥林下參的粉末色澤數(shù)據(jù)結(jié)果可知：微波干燥林下參與真空冷凍干燥林下參的粉末顏色存在明顯區(qū)別，微波干燥林下參的粉末色澤偏紅褐色，而真空冷凍干燥林下參和熱風(fēng)干燥林下參的粉末色澤為淡黃白色，說(shuō)明真空冷凍干燥和熱風(fēng)干燥對(duì)林下參粉末色澤的影響小。

圖4 不同干燥方法對(duì)色澤的影響Fig.4 Effects of different drying methods on the color

2.4 干燥方法對(duì)林下參皂苷類成分含量的影響

人參皂苷含量的測(cè)定，采用單根林下參進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，對(duì)不同干燥林下參總皂苷、各單體皂苷含量及8種人參單體皂苷加和的均值進(jìn)行分析檢驗(yàn)，均無(wú)顯著性差異（P＞0.05），因而采用以人參皂苷含量均值大小的比較來(lái)評(píng)價(jià)不同干燥方法對(duì)林下參皂苷類成分含量的影響。不同干燥林下參的皂苷類成分含量數(shù)據(jù)結(jié)果顯示（圖5、表4）：真空冷凍干燥林下參的總皂苷含量的平均值高，為4.29%，其次為微波干燥林下參和熱風(fēng)干燥林下參，真空冷凍干燥林下參的總皂苷含量的平均值是熱風(fēng)干燥林下參的1.13倍。林下參的人參三醇型皂苷含量和人參二醇型皂苷含量的平均值分別為：真空冷凍干燥林下參（0.78%、1.05%）＞微波干燥林下參（0.76%、0.96%）＞熱風(fēng)干燥林下參（0.66%、0.80%）。真空冷凍干燥、熱風(fēng)干燥和微波干燥林下參的8種單體皂苷含量加和的平均值分別為1.84%、1.46%、1.71%，真空冷凍干燥林下參的單體皂苷含量加和的平均值最高，其次為微波干燥林下參和熱風(fēng)干燥林下參，真空冷凍干燥林下參的單體皂苷含量加和的平均值相比于微波干燥林下參和熱風(fēng)干燥林下參，分別高了7.6%和26.03%。結(jié)果表明真空冷凍干燥對(duì)林下參中人參皂苷類成分含量的影響小，真空冷凍干燥林下參的人參皂苷類成分含量高。

圖5 不同干燥方法林下參總皂苷含量Fig.5 Content of total saponins in ginseng in forest with different drying methods

表4 不同干燥方法林下參8種人參單體皂苷含量Tab.4 Contents of 8 kinds of ginsenosides in ginseng in forest under different drying methods

3 討論與結(jié)論

熱風(fēng)干燥適宜大規(guī)模干燥藥材，在大多數(shù)中草藥的干燥中被廣泛的使用［10］，通過(guò)查閱文獻(xiàn)得知，人參干燥的適宜溫度為40-48℃。微波干燥采用間歇性干燥的方式，條件參考西洋參的微波間歇干燥方法［11］。熱風(fēng)干燥和微波干燥的干燥過(guò)程主要為降速干燥，這主要可能是因?yàn)榱窒聟?nèi)部水分不斷向外滲出，物料水分不斷減少，自由水占比不斷降低，結(jié)合水占比不斷增加，水分流失越來(lái)越困難，且熱風(fēng)干燥時(shí)物料是由外向內(nèi)干燥的，水分遷移路徑逐漸變長(zhǎng)，水分向外流失所需要的時(shí)間逐漸變長(zhǎng)，造成干燥速率不斷降低［12］。真空冷凍干燥林下參的工藝條件極為缺少，因而在干燥前，根據(jù)林下參的物理性質(zhì)，對(duì)其預(yù)凍時(shí)間、預(yù)凍溫度、升華時(shí)間和溫度的設(shè)定都經(jīng)過(guò)大量前期預(yù)實(shí)驗(yàn)研究，最終確定其工藝條件；真空冷凍干燥的原理主要是通過(guò)低溫使物料凍結(jié)，然后在真空環(huán)境下給與一定的溫度，使物料中的冰晶升華，從而達(dá)到脫水干燥的目的［13］。林下參真空冷凍干燥的干燥過(guò)程主要就是固態(tài)水通過(guò)物態(tài)變化從而被轉(zhuǎn)移除去的過(guò)程，熱風(fēng)干燥和微波干燥的干燥過(guò)程主要是林下參內(nèi)部水分向外遷移擴(kuò)散導(dǎo)致的降速干燥過(guò)程。

林下參的外觀形態(tài)、體形和色澤是林下參感官品質(zhì)評(píng)價(jià)的重要影響因素，通過(guò)不同干燥方法對(duì)林下參主要物理性質(zhì)的影響結(jié)果可知：真空冷凍干燥對(duì)林下參原有的外形、體形、表皮和粉末色澤的影響小，真空冷凍干燥較好的保留了林下參的外形、體形和色澤，提升了林下參的品質(zhì)。林下參經(jīng)干燥后出現(xiàn)的皺縮主要是由收縮應(yīng)力［14］和內(nèi)部熱應(yīng)力［15］引起的。不同干燥方法對(duì)藥材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有不同的影響［16］，真空冷凍干燥可基本保持藥材組織細(xì)胞原有的微觀結(jié)構(gòu)［17］，干燥后林下參色澤的變化主要是酶和美拉德反應(yīng)導(dǎo)致的［18］。

皂苷類成分含量是林下參質(zhì)量的重要影響因素，研究結(jié)果表明：真空冷凍干燥對(duì)林下參的人參皂苷類成分含量影響小，可有效的提高林下參的質(zhì)量。人參皂苷含量的降低，主要是由熱降解［19］和酶降解［20］導(dǎo)致的。真空冷凍干燥的預(yù)凍處理及干燥過(guò)程中的低溫真空環(huán)境，可以抑制酶的活性，在升華過(guò)程中，熱量被林下參中固態(tài)水吸收，使冰直接升華成水蒸汽，水蒸氣從林下參內(nèi)部向外擴(kuò)散后，熱量也隨之流失，林下參在此階段內(nèi)部溫度不高，進(jìn)入解析階段后，林下參內(nèi)部溫度升高，但時(shí)間較短，受熱的影響小，推測(cè)這是真空冷凍干燥林下參人參皂苷含量相對(duì)較高的原因。

綜合上述研究結(jié)果，雖然真空冷凍干燥成本較高，但真空冷凍干燥林下參從外形、體形、色澤、內(nèi)在成分含量來(lái)看，有效的提高了林下參的品質(zhì)，具高附加值，再考慮到林下參較高的商品屬性價(jià)值，因此真空冷凍干燥可以作為生產(chǎn)高檔商品林下參的一種干燥方法。