夏 磊 黃 昭 歐陽華峰 郭時印 蘇小軍,2 王 鋒 李清明

(1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)學(xué)院生物質(zhì)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(xié)同創(chuàng)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(zhì)，具有豐富的營養(yǎng)價值[1]。微波真空干燥是一種新型現(xiàn)代化干燥技術(shù)，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(yǎng)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(chǎn)生硬化、結(jié)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(yīng)用。傳統(tǒng)的淮山干燥方法為曬干或烘干，干制過程中淮山易發(fā)生褐變，常用熏硫或焦亞硫酸鈉處理等方法進行護色，易導(dǎo)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(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)微波真空干燥速率最快，產(chǎn)品品質(zhì)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(xué)及產(chǎn)品的物理、化學(xué)性質(zhì)等方面，關(guān)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(fù)水率為考察指標，通過單因素和二次旋轉(zhuǎn)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(zhì)的影響，并進行工藝優(yōu)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(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

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(zhèn)金土地農(nóng)業(yè)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(xué)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(yè)株式會社。

1.2 儀器與設(shè)備

電子天平：TP-1200A型，湘儀天平儀器設(shè)備有限公司；

分析天平：BS224S型，賽多利斯科學(xué)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(shè)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(zhuǎn)蒸發(fā)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(jù)單因素及旋轉(zhuǎn)正交試驗設(shè)計調(diào)整工藝參數(shù)，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(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)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(fù)水率的影響。

(2) 真空度：固定裝載量60 g/kW、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)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(fù)水率的影響。

(3) 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)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(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速(2，4，6，8，10 r/min)對淮山多糖含量、白度和復(fù)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(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)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(fù)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(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)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(fù)水率的影響。

1.3.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗 通過單因素試驗發(fā)現(xiàn)，干燥溫度、切片厚度、真空度對淮山微波真空干燥品質(zhì)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(fù)水率為響應(yīng)值，進行三因素五水平二次旋轉(zhuǎn)正交設(shè)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(fù)溶后經(jīng)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(fù)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(fù)水率測定：用天平測量淮山干片的質(zhì)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(zhì)量記為m1，按式(1)計算復(fù)水率。

(1)

式中：

R——復(fù)水率，%；

m0——復(fù)水前干淮山的質(zhì)量，g；

m1——復(fù)水后淮山片的質(zhì)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(shù)據(jù)處理 每個樣品重復(fù)5次試驗，采用Design-Expert 8.0.6軟件進行響應(yīng)面試驗設(shè)計及方差分析，使用Origin 8.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

由表1～5可以看出，裝載量和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)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(chǎn)品的多糖含量、白度和復(fù)水率有顯著影響。

蔣方程等[9]和付小雨[14]測定不同產(chǎn)地、不同品種山藥中的多糖含量，發(fā)現(xiàn)其值一般在3%～8%。化春光[6]29-32研究發(fā)現(xiàn)，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?？赡苁侵ф湹矸墼谖⒉ǖ淖饔孟?，發(fā)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，干燥溫度對山藥復(fù)水率有顯著影響，且溫度在50～60 ℃時，復(fù)水比最高。陳豐[17]在研究中發(fā)現(xiàn)，蓮子的復(fù)水率隨真空度增大而增大，復(fù)水能力在-0.08 MPa時最強，而當(dāng)真空度為-0.09 MPa 時復(fù)水率反而降低。

表1 不同裝載量對淮山品質(zhì)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(zhì)的影響?

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

表3 不同轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對淮山品質(zhì)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(zhì)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(zhì)的影響?

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

2.2 二次旋轉(zhuǎn)正交試驗

在單因素試驗基礎(chǔ)上，以多糖含量、白度、復(fù)水率為響應(yīng)值，進行三因素五水平二次旋轉(zhuǎn)正交設(shè)計組合試驗，設(shè)計方案見表6，試驗結(jié)果見表7。

2.3 回歸模型的建立與檢驗

根據(jù)二次旋轉(zhuǎn)正交試驗結(jié)果，使用Design-Expert 8.0.6 軟件進行數(shù)據(jù)處理，分別得到多糖含量、白度、復(fù)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(zhuǎn)正交組合設(shè)計試驗結(jié)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(jié)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(guān)系數(shù)R2=0.914 9，說明回歸方程和試驗結(jié)果擬合度較高?？梢哉J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(guān)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(guān)系數(shù)R2=0.925 9，說明回歸方程和試驗結(jié)果擬合度較高?？梢哉J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(guān)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(guān)系數(shù)R2=0.933 0，說明回歸方程和試驗結(jié)果擬合度較高?？梢哉J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(fù)水率之間的關(guān)系。

2.4 各因素協(xié)同作用分析

2.4.1 各因素對多糖含量的交互作用響應(yīng)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(dāng)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(fā)現(xiàn)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(yīng)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(dāng)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(fù)水率回歸方程方差分析

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

2.5 淮山微波真空干燥工藝優(yōu)化

經(jīng)三因素五水平二次旋轉(zhuǎn)試驗及響應(yīng)面優(yōu)化，并根據(jù)3個品質(zhì)指標的重要程度，分配多糖含量、白度、復(fù)水率的權(quán)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(yīng)的參數(shù)分別為55 ℃、3 mm、-0.08 MPa，此時得到的預(yù)測指標值分別為多糖含量4.13%、白度78.81、復(fù)水率223.88%。根據(jù)以上最佳工藝參數(shù)對預(yù)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(fù)水率為(223.29±1.31)%。與預(yù)測值偏差<5%，說明該試驗結(jié)果與模型擬合度高。因此，該響應(yīng)面分析所得的優(yōu)化工藝參數(shù)有參考價值，對實際生產(chǎn)加工有一定的指導(dǎo)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(zhì)量濃度的增加，其對自由基的清除率均呈上升趨勢。當(dāng)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(nóng)2號和紫淮山等3個品種在冷凍干燥、熱風(fēng)干燥和滾筒干燥條件下的抗氧化能力，發(fā)現(xiàn)抗氧化能力與品種、濃度和干燥方式有關(guān)，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(xié)同作用對多糖含量的影響

圖2 各因素協(xié)同作用對白度的影響

圖3 各因素協(xié)同作用對復(fù)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(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)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(fēng)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(huán)境的氧含量和干燥溫度等因素密切相關(guān)，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(fā)，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(jié)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(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速8 r/min。此條件下得到的淮山產(chǎn)品多糖含量為(4.12±0.08)%、白度為(78.04±0.82)、復(fù)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(dāng)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(chǎn)品質(zhì)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(yè)化干燥加工提供了理論支持，今后可結(jié)合傅里葉變換紅外光譜、X衍射等技術(shù)，進一步研究干燥過程中淮山功能與結(jié)構(gòu)的變化。