西洋參真空冷凍干燥工藝研究

陸國(guó)勝

（浙江尖峰健康科技有限公司，浙江金華321000）

西洋參為五加科植物西洋參Panax quinquefolium L.的干燥根。別名花旗參、洋參、西洋人參、American ginseng，西洋參原產(chǎn)于美國(guó)北部和加拿大南部，作為藥食兩用產(chǎn)品已在我國(guó)有300余年的應(yīng)用歷史，目前已形成吉林、遼寧、山東和北京等主產(chǎn)區(qū)[1-2]?；瘜W(xué)成分研究表明，西洋參主要活性成分為人參皂苷類(lèi)，此外還含有多糖、多肽、氨基酸、揮發(fā)油等類(lèi)成分[3-6]。現(xiàn)代藥理研究發(fā)現(xiàn)，西洋參具有多種活性，主要體現(xiàn)為抗腫瘤、降血壓、降血脂、抗疲勞等[7]。西洋參是一種補(bǔ)而不燥、男女老少皆宜名貴的滋補(bǔ)藥材，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上銷(xiāo)售的西洋參主要為烘干或曬干的西洋參段或片，這些產(chǎn)品質(zhì)地堅(jiān)硬，使用時(shí)還需要軟化切片或浸泡等方法處理，而在烘干或曬干的加工過(guò)程中由于干燥溫度太高，長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，會(huì)導(dǎo)致活性成分、有效成分的破壞。

冷凍干燥法[8-9]是在低溫的條件排除95%～99%以上的水分，使干燥后產(chǎn)品能長(zhǎng)期保存而不致變質(zhì)，特別適用于熱敏性、易氧化和易揮發(fā)性物質(zhì)，適合一些化學(xué)產(chǎn)品、藥品和食品干燥，廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥工業(yè)和食品工業(yè)[10-14]，也被認(rèn)為是目前保存植物的生物活性成分最全面的干燥方法。因此為了提高西洋參質(zhì)量，本文采用先進(jìn)的真空冷凍干燥工藝進(jìn)行加工并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為開(kāi)發(fā)西洋參拓寬市場(chǎng)具有深遠(yuǎn)的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮西洋參：吉林省通化縣崇參人參種植專(zhuān)業(yè)合作社；人參皂苷Rb1對(duì)照品（批號(hào)110704-201424）：中國(guó)食品藥品檢定研究院。

1.2 主要儀器設(shè)備

LYO-1真空冷凍干燥機(jī)及配套共晶點(diǎn)、共熔點(diǎn)溫度測(cè)定儀：上海東富龍科技有限公司；LC-2030高效液相色譜儀：島津企業(yè)管理（中國(guó)）有限公司；BT125D電子天平：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；HH.S21-4恒溫水浴鍋：金壇市科興儀器廠(chǎng)。

1.3 方法

1.3.1 共晶點(diǎn)和共熔點(diǎn)溫度測(cè)定

共晶點(diǎn)、共融點(diǎn)的測(cè)定方法主要有電阻法、差示掃描量熱法、數(shù)字公式計(jì)算法和低溫顯微鏡直接觀(guān)察法[15-17]，其中，電阻法操作簡(jiǎn)單易實(shí)施，測(cè)量范圍廣，結(jié)果比較穩(wěn)定，因此本文采用電阻法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2 生產(chǎn)工藝流程

新鮮原料→清洗→切片→平鋪在夾板上→預(yù)凍結(jié)→真空冷凍干燥→包裝→成品

1.3.3 人參皂苷Rb1的測(cè)定方法

西洋參所含的化學(xué)成分較復(fù)雜，包括皂苷類(lèi)、多糖類(lèi)、揮發(fā)油類(lèi)、氨基酸類(lèi)等?，F(xiàn)代藥學(xué)研究證明，人參和西洋參中主要有效成分是人參皂苷，其中人參皂苷Rb1含量比較高[18-21]。本試驗(yàn)采用人參皂苷Rb1為考察指標(biāo)。

人參皂苷Rb1的測(cè)定方法參照中華人民共和國(guó)藥典一部（2015年版）西洋參[22]項(xiàng)下含量測(cè)定的方法進(jìn)行檢測(cè)，具體如下：

色譜條件與系統(tǒng)適用性試驗(yàn)：以十八烷基硅烷鍵合硅膠為填充劑；以乙腈為流動(dòng)相A，以0.1%磷酸溶液為流動(dòng)相B，按表1中的規(guī)定進(jìn)行梯度洗脫；檢測(cè)波長(zhǎng)為203 nm；柱溫40℃。理論板數(shù)按人參皂苷Rb1峰計(jì)算應(yīng)不低于5 000。

對(duì)照品溶液的制備：取人參皂苷Rb1對(duì)照品適量，精密稱(chēng)定，加甲醇制成每1 mL人參皂苷Rb1 1 mg的溶液，即得。

供試品溶液的制備：取本品粉末（過(guò)三號(hào)篩）約1 g，精密稱(chēng)定，置具塞錐形瓶中，精密加入水飽和的正丁醇50 mL，稱(chēng)定重量，置水浴中加熱回流提取1.5 h，放冷，再稱(chēng)定重量，用水飽和正丁醇補(bǔ)足減失的重量，搖勻，濾過(guò)。精密量取續(xù)濾液25 mL，置蒸發(fā)皿中，蒸干，殘?jiān)?0%甲醇適量使溶解，轉(zhuǎn)移至10 mL量瓶中，加50%甲醇至刻度，搖勻，濾過(guò)，取續(xù)濾液，即得。

測(cè)定法：分別精密吸取對(duì)照品溶液與供試品溶液各10 μL，注入液相色譜儀，測(cè)定，即得。

2 結(jié)果與分析

2.1 西洋參共晶點(diǎn)和共熔點(diǎn)溫度測(cè)定

在冷凍干燥過(guò)程中，物料的共晶點(diǎn)和共熔點(diǎn)是凍干工藝中最為重要的2個(gè)參數(shù)。物料預(yù)凍溫度要低于物料共晶點(diǎn)5℃～10℃，保證物料完全凍結(jié)，若預(yù)凍溫度過(guò)低，將延長(zhǎng)冷凍時(shí)間，增加生產(chǎn)成本，浪費(fèi)時(shí)間和能源；若預(yù)凍溫度高于共晶點(diǎn)，則物料中的水分不能完全凍結(jié)，以至于水分不能完全以冰的形式升華，干燥過(guò)程容易發(fā)生局部沸騰和起泡現(xiàn)象，導(dǎo)致物料發(fā)生收縮和失形等質(zhì)量問(wèn)題[23-24]。

共晶點(diǎn)溫度測(cè)量曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 共晶點(diǎn)溫度測(cè)量曲線(xiàn)Fig.1 Temperature measurement curve of eutectic point

由圖1可看出，逐步降溫過(guò)程中在-20℃時(shí)電阻突然增至很大，由此得出西洋參的共晶點(diǎn)溫度為-20℃。

升華干燥時(shí)物料溫度不能高于其共熔點(diǎn)，否則物料會(huì)融化，導(dǎo)致物料沸騰，在物料內(nèi)部產(chǎn)生氣泡、充氣膨脹或干縮等現(xiàn)象，影響凍干制品的質(zhì)量。故準(zhǔn)確地測(cè)定物料的共晶點(diǎn)與共熔點(diǎn)，對(duì)冷凍干燥工藝方案的制定和凍干過(guò)程的優(yōu)化控制具有重要的意義。

共熔點(diǎn)溫度測(cè)量曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

由圖2可看出，逐步升溫過(guò)程中在-16℃時(shí)電阻突然降至很低，由此得出西洋參的共熔點(diǎn)溫度為-16℃。

圖2 共熔點(diǎn)溫度測(cè)量曲線(xiàn)Fig.2 Curve of temperature measurement of common melting point

2.2 切片厚度對(duì)人參皂苷Rb1的影響

將西洋參分別切成 1、3、5、7、9 mm 厚的圓片，進(jìn)行凍干試驗(yàn)研究，不同切片厚度對(duì)人參皂苷Rb1和產(chǎn)品性狀的影響見(jiàn)表2。

表2 不同切片厚度對(duì)人參皂苷Rb1和產(chǎn)品性狀的影響Table2 Effects of different slice thickness on ginsenoside Rb1 and product traits

由表2可看出，厚度太薄時(shí)，比較難切成完整的圓片，碎片比較多，外觀(guān)比較難看，而且切片產(chǎn)量不高。當(dāng)切片厚度太厚時(shí)，會(huì)延長(zhǎng)升華干燥和解析干燥時(shí)間，從而破壞人參皂苷Rb1等有效成分。因此，綜合考慮選擇切片厚度為5 mm。

2.3 預(yù)凍時(shí)間對(duì)人參皂苷Rb1的影響

將西洋參切成5 mm厚的圓片，預(yù)凍結(jié)溫度設(shè)置在-30 ℃進(jìn)行不同預(yù)凍時(shí)間（1、2、3、4、5 h）試驗(yàn)研究，結(jié)果如表3所示。

表3 不同預(yù)凍時(shí)間對(duì)人參皂苷Rb1和產(chǎn)品性狀的影響Table3 Effects of different prefreezing time on ginsenoside Rb1 and product properties

預(yù)凍時(shí)間在1、2 h時(shí)，物料外部達(dá)到共晶點(diǎn)以下，物料內(nèi)部卻還沒(méi)達(dá)到共晶點(diǎn)就開(kāi)始進(jìn)入干燥階段，使得升華干燥時(shí)間變短，解析干燥時(shí)間要延長(zhǎng)，故部分物料出現(xiàn)鼓泡現(xiàn)象，人參皂苷Rb1含量也有所降低。整體來(lái)看，隨著預(yù)凍時(shí)間的延長(zhǎng)而增高，當(dāng)預(yù)凍時(shí)間超過(guò)3 h后，凍干效果無(wú)明顯差異。

2.4 升華干燥時(shí)間對(duì)人參皂苷Rb1的影響

采用不同升華干燥時(shí)間（4、6、8、10、12 h）進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果如表4所示。

表4 不同升華干燥時(shí)間對(duì)人參皂苷Rb1和產(chǎn)品性狀的影響Table4 Effect of different sublimation drying time on ginsenoside Rb1 and product properties

升華干燥時(shí)間太短時(shí)，物料里面的水分沒(méi)有充分升華就直接進(jìn)入解析干燥，導(dǎo)致部分物料出現(xiàn)變形、干縮。當(dāng)升華干燥時(shí)間超過(guò)8 h以上，對(duì)人參皂苷Rb1的影響趨勢(shì)趨于穩(wěn)定，因此在試驗(yàn)過(guò)程中，需要篩選出最佳升華干燥時(shí)間。

2.5 解析干燥溫度與時(shí)間對(duì)人參皂苷Rb1的影響

采用不同解析干燥溫度與時(shí)間（30/6、35/5、40/4、45/3、50/2℃/h）進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果如表5所示。

表5 不同解析干燥溫度與時(shí)間對(duì)人參皂苷Rb1和產(chǎn)品性狀的影響Table5 Influence of different drying temperature and time on ginsenoside Rb1 and product properties

不同解析干燥溫度與時(shí)間對(duì)人參皂苷Rb1的含量會(huì)產(chǎn)生一定的影響，溫度越高含量隨之降低。

2.6 正交試驗(yàn)

2.6.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以切片厚度、預(yù)凍時(shí)間、升華干燥時(shí)間、解析干燥溫度與時(shí)間為影響因素，以人參皂苷Rb1為考察指標(biāo)進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)，其因素與水平見(jiàn)表6。

表6 因素與水平表Table6 Factors and level tables

2.6.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)結(jié)果與分析見(jiàn)表7、表8。

表7 L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table7L9（34）orthogonal test design and results

表8 方差分析結(jié)果Table8 Analysis of variance

從表 7 可以看出，極差 RD＞RA＞RB＞RC。極差越大，表明該因素的變動(dòng)對(duì)人參皂苷Rb1含量的影響越大。故解析干燥溫度與時(shí)間對(duì)人參皂苷Rb1含量影響最大，其次是切片厚度和預(yù)凍時(shí)間，升華干燥時(shí)間的影響最小。表8方差分析結(jié)果顯示，僅D因素對(duì)工藝具有顯著性影響。

通過(guò)以上試驗(yàn)，優(yōu)選出最優(yōu)凍干工藝參數(shù)：切片厚度3 mm、預(yù)凍時(shí)間4 h、升華干燥時(shí)間8 h、解析干燥溫度與時(shí)間30℃/6 h。

2.7 驗(yàn)證試驗(yàn)

按上述最優(yōu)工藝參數(shù)，用同一批原材料進(jìn)行3批試驗(yàn)，3批成品人參皂苷Rb1含量結(jié)果分別是2.38%、2.41%、2.39%。3批工藝驗(yàn)證結(jié)果表明，此優(yōu)化后的工藝比較穩(wěn)定，批次間無(wú)明顯差異，具有明顯的優(yōu)越性，對(duì)今后進(jìn)一步優(yōu)化具有極強(qiáng)的參考價(jià)值。

3 結(jié)果與討論

對(duì)西洋參的共晶點(diǎn)和共熔點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)定，其值分別為-20℃和-16℃。通過(guò)單因素和正交試驗(yàn)，確定了各種因素對(duì)西洋參凍干的影響情況，確定了參數(shù)最優(yōu)取值：切片厚度3 mm、預(yù)凍時(shí)間4 h、升華干燥時(shí)間8 h解析干燥溫度與時(shí)間30℃/6 h，并進(jìn)行了驗(yàn)證，人參皂苷Rb1的含量可達(dá)2.41%。