干燥方式对北虫草品质的影响

邱隽蒙1,符群1,2*,吴小杰1,钟明旭1,赵海桃1,石统帅1

1(东北林业大学 林学院,黑龙江 哈尔滨,150040)2(黑龙江省植物资源利用重点实验室,黑龙江 哈尔滨,150040)

摘 要 为比较4种不同干燥方式对北虫草品质的影响,分别采用远红外、真空冷冻、热风循环、自然干燥对北虫草进行干燥,测定不同干燥方式下北虫草干制品的活性成分含量、物理性质、复水后的感官质量、体外抗氧化活性以及抗炎活性。结果表明,真空冷冻干燥的北虫草复水性和持油性最优,对北虫草颜色有良好保护,复水后的感官质量最佳,并且最大程度地保留了生物活性物质,虫草素(22.52 mg/g)、虫草多糖(134.05 mg/g)、蛋白质(200.5 mg/g)、总黄酮(12.48 mg/g)含量最高;DPPH自由基、ABTS阳离子自由基和·OH清除能力的半抑制浓度 (half inhibitory concentration,IC50)分别为0.829、0.508、3.609 mg/mL;透明质酸酶和牛血清白蛋白变性抑制率的IC50分别是21.114和41.231 mg/mL,较其他3种干燥方式制得的干品差异显著(P<0.05);几种干燥方式的综合品质结果为:真空冷冻>红外干燥>自然干燥>热风干燥。综合考虑,真空冷冻干燥处理对北虫草品质显著优于其他干燥方式,可作为北虫草适宜的干燥方式推广应用。

关键词 北虫草;干燥方式;活性成分;物理性质;抗氧化;抗炎

北虫草(Cordyceps militaris),又称蛹虫草、北冬虫夏草,属麦角菌科、虫草属,2009年被卫生部批准为新资源食品。野生北虫草主要分布在辽宁、吉林、内蒙古、陕西等多地[1],天然资源有限,目前以家蚕幼虫或蛹为寄主的人工培育蚕蛹虫草技术已渐成熟,而固态或液态培养子实体技术能使北虫草的培育实现规模生产。研究表明,北虫草子实体除含有蛋白质、氨基酸、多糖等常规营养成分,更有虫草素、虫草酸、甘露醇、超氧化物歧化酶等多种特殊活性物质,北虫草中含有的生物活性物质与冬虫夏草相似,虫草素和虫草多糖含量甚至高于冬虫夏草,氨基酸和微量元素等含量相近[2]。北虫草因其丰富的化学成分具有免疫调节、抗炎抗氧化、降血糖降血脂、抗癌等多种生理功能[3],兼具成本低廉优势,目前不仅成为常规食材,亦在医药领域尝试替代冬虫夏草,极具开发价值,市场前景广阔。

北虫草鲜子实体的含水量大于80%,难以满足长年货架期供应及深加工需求,国内外食药用真菌干燥技术应用较为广泛的主要有自然干燥、热风干燥、红外辐射干燥、微波真空干燥及真空冷冻干燥等[4]。对于干燥方式的研究相继展开,罗晓莉等[5]探究了自然干燥、热风变温干燥、空气能热泵干燥、微波真空干燥、真空冷冻干燥、微波真空-热泵联合干燥等6种干燥方法对护色后金耳切片品质的影响,发现真空冷冻干燥得到的金耳品质最好。杨玲等[6]研究了真空冷冻干燥、热风烘干、速冻-真空冷冻干燥对松露品质的影响,综合分析干制松露的复水率、粉碎度、感官质量、含水率、营养成分,试验得出真空冷冻干燥为松露的最佳干燥方式。在我国,北虫草产品除部分以鲜品形式供应市场外,绝大部分产品还是通过干制品的形式销售,采用的加工技术是单一的热风干燥。由于干燥方法之间的差异会造成北虫草干制品的营养成分及生理活性有所差异,因此加工品质的好坏,直接影响到产品的等级和经济价值。

本研究采用红外干燥、真空冷冻干燥、热风干燥以及自然干燥的方式分别对北虫草进行干燥,通过对北虫草子实体干制品的活性成分、物理性质、复水后的感官评定、抗氧化活性及抗炎活性综合对比评价不同干燥方式对北虫草品质的影响,旨在为选择适宜的干燥方法,高效获得高品质的北虫草干制品并为其深加工制备高附加值产品提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

北虫草,2021年采集自吉林长白山人工培育基地,低温贮藏。精氨酸标准品(≥97%)、芦丁标准品(≥98%)、虫草素标准品(≥98%),上海源叶生物科技有限公司;其他药品试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

EPOCH12型酶标分析仪,美国BioTek公司;UV-5500PC型紫外可见分光光度计,上海元析仪器有限公司;FD-1A-80型真空冷冻干燥机,上海比朗仪器有限公司;766B-3型远红外辐射干燥箱,上海浦东荣丰科学仪器有限公司;DHG-9146A型电热恒温鼓风干燥箱,上海精宏实验设备有限公司;ZE-6000型色差仪,日本电色公司。

1.3 试验方法

1.3.1 北虫草的干燥方式

热风干燥法:将200 g新鲜北虫草均匀铺散在物料盘中,放于电热恒温鼓风干燥箱内,设置温度60 ℃,连续干燥24 h以上,至北虫草质量恒重(±0.1 g),混匀粉碎后过60目筛。

自然干燥法:将200 g新鲜北虫草均匀铺散在物料盘中,选择多日晴朗好天气,放置室外通风自然干燥,环境温度为20~25 ℃、相对湿度为50%~65%,干燥48 h,至北虫草质量恒重(±0.1 g),混匀粉碎后过60目筛。

红外干燥法:将200 g新鲜北虫草均匀铺散在物料盘中,放于远红外辐射干燥箱中,设置温度为65 ℃,干燥6 h以上,至北虫草质量恒重(±0.1 g),混匀粉碎后过60目筛。

真空冷冻干燥法:将200 g新鲜北虫草放入自封袋于超低温冰箱预冷冻后放入真空冷冻干燥机中,设置冷阱温度-60 ℃,真空度10 Pa,干燥24 h,混匀粉碎后过60目筛。

1.3.2 北虫草干制品活性成分的测定

虫草素含量测定采用分光光度法[7];虫草多糖含量测定采用苯酚-硫酸法[8];蛋白质含量测定采用考马斯亮蓝法[9];总黄酮含量测定采用硝酸铝络合法[10]

1.3.3 北虫草干制品物理性质的测定

含水量参考GB/T 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》,按公式(1)计算:

(1)

式中:X1,水分含量,%;m,容器和样品的质量,g;m1,恒重后容器和干燥样品的质量,g;m0,容器的质量,g。

色度采用色差仪进行测定[11]L*为明暗指数;a*为红绿值;b*为黄蓝值。以北虫草鲜品作为标准对照品,ΔE表示所测物体的L*a*b*值与鲜品之间的色差值,按公式(2)计算:

(2)

式中: L*a*b*,鲜品色泽值;Lab,样品色泽值。

取干燥后北虫草样品,加入60 ℃水200 mL,恒温浸泡30 min,取出沥水5 min后称重[12],按公式(3)计算复水率:

(3)

式中:X2,复水率,%;N,复水后样品质量,g;N0,复水前样品质量,g。

取干燥后的北虫草样品,放入离心管中,加入玉米油20 mL搅拌均匀,静置30 min后,3 000 r/min离心25 min,倒出游离的油并测量总质量[13],按公式(4)计算持油性:

(4)

式中:X3,持油性,%;P1,离心管的质量,g;P2,油和管的总质量,g;P0,北虫草粉的质量,g。

1.3.4 北虫草干制品复水后的感官质量评定

为研究北虫草干制品的食用品质,依据GB/T 16860—1997《感官分析方法 质地剖面检验》进行产品质地评定。结合北虫草产品的自身特点,选择其中的色泽、形态、硬性、弹性、易咀嚼性相关指标制定感官质量评分标准,具体评分标准见表1。

表1 北虫草干制品复水后的质地感官评价表
Table 1 Sensory evaluation of dried Cordyceps militaris after rehydration

评分/分色泽(20分)形态(20分)硬性(20分)弹性(20分)易咀嚼性(20分)15~20色泽均匀、金黄形态饱满,平整无显著褶皱软硬适中质感饱满柔软,弹性适中咀嚼性良好8~14色泽较均匀、略暗较平整,轻微褶皱稍硬或稍软质感稍有皱缩,弹性稍差咀嚼性稍差0~7色泽不均匀或暗淡表面不平整、褶痕深过硬或过软质感皱缩严重,弹性过差不易咀嚼

1.3.5 北虫草干制品体外抗氧化活性的测定

DPPH自由基清除能力的测定参考文献[14]的方法;ABTS阳离子自由基清除能力的测定参考文献[15]的方法;·OH清除能力的测定参考文献[16]的方法;总还原力的测定参考文献[17]的方法。

1.3.6 北虫草干制品体外抗炎活性的测定

透明质酸酶抑制率的测定参考文献[18]的方法;牛血清白蛋白变性抑制率的测定参考文献[19]的方法。

1.4 统计学分析

试验数据均平行测定3次,基础数据采用Excel 2016软件统计,采用Origin 8.5软件作图,显著性分析采用 SPSS 19.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同干燥方式对北虫草活性成分含量的影响

如图1所示,不同干燥方式对于鲜北虫草的基本成分都会造成一定程度的损失。除红外干燥与自然干燥制得的北虫草干品中虫草素含量无显著性差异,其他干燥方式之间均存在显著性差异(P<0.05)。真空冷冻干燥能够较大程度上保持干品中虫草素的含量,高达(22.52±0.37)mg/g,虫草素在红外干燥的过程中受到红外线的影响,使虫草素受到破坏,从而使虫草素含量减少,较高温度使虫草素发生降解。

图1 不同干燥方式对北虫草干制品活性成分的影响
Fig.1 Effects of different drying methods on the active substances of C. militaris dried products

不同干燥方式制备的北虫草干制品中可溶性蛋白含量依次为真空冷冻干燥>自然干燥>热风干燥>红外干燥。高温会引起蛋白质分解以及糖类物质发生分解和美拉德反应,而红外干燥由于热辐射作用使干燥样品处于较高温度中,致使糖类和蛋白质含量相对减少。冷冻真空干燥制成的干品多糖含量最多,这与代昌雨等[20]的研究结果相一致。

黄酮类物质在受热时易发生酚类氧化反应,对温度条件较为敏感。热风干燥和远红外干燥在干燥样品时由于内部温度过高且干燥时间较长,黄酮损失相对较多。而真空冷冻干燥能较好地保护北虫草中黄酮类物质。

2.2 不同干燥方式对北虫草物理性质的影响

由表2可知,4种干燥方式制备的北虫草干制品物理特性均呈现显著差异(P<0.05)。干制品的含水量与鲜品相比显著下降(P<0.05),其中以真空冷冻干燥获得的干制品含水量最低。且真空冷冻干燥制得的干品复水性和持油性最好,因为真空冷冻干燥的原理是利用组织的冰晶升华,因此得到的产品体积不变、疏松多孔,亲水性好,复水率大,持油性好,这与苏定昌[21]的研究结果一致。热风干燥的北虫草复水性和持油性最低,可能是因为不同干燥工艺的水分传导方式不同,热风干燥通过热传导达到干燥效果,热损伤较大,组织表面急剧收缩,干燥后的样品组织较硬,吸水能力较差,复水性相对较小。

表2 不同干燥方式对北虫草物理特性的影响 单位:%

Table 2 Effects of different drying methods on physical characteristics of C.militaris

物理特性干燥方式红外干燥真空冷冻干燥热风干燥自然干燥鲜北虫草含水率1.47±0.05d1.05±0.08e2.54±0.13c3.08±0.06b87.35±0.27a复水性2.17±0.14b2.48±0.02a1.78±0.02c2.05±0.04b—持油性3.04±0.07b5.16±0.18a2.76±0.08c3.08±0.02b—

注:同行不同小写字母表示差异显著(P<0.05),“—”表示未测定

北虫草干制品的持油能力受加工工艺及其化学结构等条件影响,当原料中存在更多的非极性末端时,持油能力也会相应提高。在热风干燥过程中,含有不同极性末端的蛋白质含量相对减少,所以持油力变差。

2.3 不同干燥方式对北虫草干制品色泽的影响

4种干燥方式制备的北虫草干品色泽差异极显著(P<0.01)。由表3可知,通过真空冷冻干燥制得的干品ΔE最小,最接近北虫草鲜品的颜色,热风干燥制得的干品颜色ΔE最大,可见较高温度及较长时间的干燥工艺将对色泽产生显著影响。红外干燥制得的干品偏红的程度最大,而偏蓝程度最小的是自然干燥制得的干品。

表3 不同干燥方式对北虫草色泽的影响
Table 3 Effect of different drying methods on color of C. militaris

干燥方式L∗a∗b∗ΔE鲜北虫草75.97±0.21a9.16±0.035e28.83±0.14ab—红外干燥69.03±0.15d16.14±0.098a29.28±0.02a9.85±0.05b真空冷冻干燥71.02±0.051b12.78±0.040c26.25±0.48c6.65±0.036d热风干燥67.58±0.068e14.77±0.025b28.25±0.36b12.10±0.15a自然干燥70.27±0.11c10.88±0.055d25.05±0.65d7.05±0.27c

注:同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)

新鲜的北虫草子实体呈橙黄色,是目前报道的所有大型食药用真菌中类胡萝卜素含量最多的真菌,其明亮的色泽亦常作为天然色素赋予食品良好感官。真空冷冻干燥过程中温度较低,可能对北虫草中呈色物质的破坏较小,因而可最大程度保持原有色泽。热风干燥和红外干燥的干燥温度较高,北虫草在一定程度上发生了褐变,使得产品颜色变暗。自然干燥的产品L*值较大,且a*值和b*值均较小,说明自然干燥制得的干品色度较低,颜色较浅。推测可能的原因是己糖的美拉德反应、焦糖化反应以及氨基酸的破坏作用等而导致产品褪色和褐变。

2.4 干制品复水后的质地感官评定

由表4可知,真空冷冻干燥的干制品复水后形态饱满,平整无褶皱,显著优于其他3种干燥方式;热风干燥制备的北虫草干品硬性评分最高,质地比较脆易断裂。真空冷冻干燥与热风干燥的弹性差异显著(P<0.05),这可能是由于热风干燥早期游离水损失,后期子实体组织中的结合水蒸发,组织趋于纤维化,弹性降低,而脆性增加,这与沈静等[22]的研究结果相符。在易咀嚼性方面,与弹性呈现类似的趋势。综合评价得分真空冷冻干燥>红外干燥>热风干燥>自然干燥。

表4 北虫草干制品复水后质地感官评价结果
Table 4 Sensory evaluation results of dried C.militaris after rehydration

干燥方式感官指标色泽形态硬性弹性易咀嚼性总分红外干燥17.2±1.64a16.4±1.14b14.8±0.83b16.2±1.78ab16.6±1.82ab81.2±1.30b真空冷冻干燥18.6±1.67a18.4±0.89a15.2±1.10b17.6±1.67a17.8±1.3a87.6±2.19a热风干燥14.8±1.09b15.8±1.79b18.4±0.55a14.6±2.30b14.2±0.84c77.8±5.07bc自然干燥14.2±0.84b15.6±0.89b14.4±2.41b15.8±1.64ab15.2±1.79bc75.2±2.95c

2.5 不同干燥方式对北虫草体外抗氧化活性的影响

北虫草经过干燥加工后,其抗氧化活性均有不同程度的下降。如图2所示,在4种测定方式中,除总还原力外,北虫草干制品的抗氧化活性表现一致,均为真空冷冻干燥>红外干燥>热风干燥>自然干燥。不同干燥方式对北虫草干燥产品的抗氧化活性有一定影响,这一影响的结果与干燥方式对北虫草总黄酮含量的影响结果一致,表明北虫草干制品的体外抗氧化活性与总黄酮含量存在一定的相关性。真空冷冻干燥抗氧化活性强于其他几种,可能是由于真空冷冻干燥的时间较短,能够较大程度上保持干品中黄酮含量。红外干燥和热风干燥时温度过高,致使黄酮含量相对减少。因为干燥时间较长,并与空气接触的时间长,自然干燥制得的干品抗氧化活性最低,黄酮类化合物与氧自由基反应程度高于其他干燥方式。

a-DPPH自由基清除率;b-ABTS阳离子自由基清除率;c-·OH清除率;d-总还原力
图2 不同干燥方式对北虫草体外抗氧化活性的影响
Fig.2 Effects of different drying methods on antioxidant activity of C.militaris in vitro

红外干燥制得的北虫草干制品总还原力高于其他干燥方式,这可能是因为在干燥过程中热辐射产生高温,使得物料发生美拉德反应等非酶褐变反应,其中间产物使其总还原力增大。北虫草干制品的组分构成和抗氧化活性机理的不同导致了总还原力与另外3种测定方式的差别,可见抗氧化能力的高低要综合各种抗氧化活性成分的含量和比例来考虑。

2.6 不同干燥方式对北虫草体外抗炎活性的影响

如图3所示,北虫草干制品的抗炎活性表现为真空冷冻干燥>红外干燥>自然干燥>热风干燥,与新鲜北虫草相比,干制品的抗炎活性略低。透明质酸酶是炎症过程中参与组织重塑的酶之一,它可以降低人类和动物组织中透明质酸的黏度,并引发炎症。抑制透明质酸酶活性是衡量抗炎活性的有效指标。真空冷冻干燥制得的北虫草干制品透明质酸酶抑制率最高,半抑制浓度 (half inhibitory concentration,IC50)为21.114 mg/mL,这一结果与干燥方式对北虫草虫草素含量的影响是一致的,说明北虫草干制品抗炎活性主要来源于虫草素,这与CHIU等[23]报道的虫草素在抗炎活性中起主要作用的结果相符。

a-透明质酸酶抑制率;b-白蛋白变性抑制率
图3 不同干燥方式对北虫草体外抗炎活性的影响
Fig.3 Effect of different drying methods on anti-inflammatory activity of C.militaris in vitro

内源性蛋白发生变化是诱发慢性炎症的原因之一。炎症过程中释放的一些自身抗体会导致蛋白质变性。由此可用蛋白质变性抑制试验作为抗炎指标。北虫草中虫草素、虫草多糖通过抑制炎症因子起到抗炎作用[24]。真空冷冻干燥的时间较短、温度较低,能够最大程度上保持干品中虫草素和虫草多糖含量。热风干燥所得干品白蛋白变性抑制率最低,IC50为80.452 mg/mL,这可能是由于干燥时长时间温度过高使虫草素结构降解,同时发生美拉德反应而损失部分糖类。

3 结论与讨论

通过比较红外干燥、真空冷冻干燥、热风干燥和自然干燥对北虫草活性成分含量、物理性质、复水后的感官质量、抗氧化活性以及抗炎活性,表明4种干燥方式对北虫草干制品品质存在显著性差异。几种干燥方式的综合品质结果为真空冷冻干燥>红外干燥>自然干燥>热风干燥。真空冷冻干燥能够避免物料氧化,减少活性物质的破坏,虫草素、多糖、黄酮和蛋白质含量均最高。另外在干燥过程中,自然干燥的虫草干制品褪色严重,可能是由于类萝卜素见光易分解而导致颜色浅淡,红外干燥和热风干燥在高温作用下会发生非酶褐变,干燥产物颜色加深,复水率低,而真空冷冻干燥制备的干制品能更好地保存原料的形态结构、物理性质和色泽,表现出最佳的抗氧化性和抗炎活性,这与王丽威等[25]的观点一致,即冷冻干燥是使物料具备较高抗氧化活性的最好方法。从营养价值及产品品质来看,真空冷冻干燥可以最大程度地保留北虫草的营养成分,并显示出优良的物理性质。在实际生产过程中,应针对产品特点选用最适宜的干燥技术,同时应综合考虑设备投入、能源消耗、经济效益以及干燥时间等因素优化生产工艺,以便于达到经济效益最大化。

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Effects of drying methods on the quality of Cordyceps militaris

QIU Junmeng1, FU Qun1,2*, WU Xiaojie1, ZHONG Mingxu1, ZHAO Haitao1, SHI Tongshuai1

1(College of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China) 2(Key Laboratory of Forest Food Resources Utilization of Heilongjiang Province, Harbin 150040, China)

ABSTRACT To compare the effects of four different drying methods on the quality of Cordyceps militaris, C. militaris was dried by far-infrared, vacuum freezing, hot air circulation, and natural air drying. The content of active components, physical properties, sensory quality after rehydration, in vitro antioxidant activity, and anti-inflammatory activity of C. militaris dried products under different drying methods were measured. Results showed that vacuum freeze-dried C. militaris had the lowest water content, the best rehydration and oil retention, the best color protection, the best sensory quality after rehydration, and retained bioactive substances to the greatest extent. The contents of cordycepin (22.52 mg/g), C. militaris polysaccharide (134.05 mg/g), protein (200.50 mg/g), and total flavonoids (12.48 mg/g) were the highest. The IC50 of DPPH radical, ABTS cationic radical and hydroxyl radical scavenging capacity were 0.829, 0.508, and 3.609 mg/mL respectively. The IC50 of hyaluronidase and bovine serum albumin denaturation inhibition rate were 21.114 and 41.231 mg/mL, respectively. The activity was significantly better than that of the dry products prepared by the other three drying methods (P<0.05). The comprehensive quality results of several drying processes were as follows: vacuum freezing >infrared drying >natural air drying >hot air drying. Considering the vacuum freeze-drying treatment, the quality of C. militaris was significantly better than other drying methods, it could be popularized and applied as a suitable drying method for C. militaris.

Key words Cordyceps militaris; drying process; active ingredients; physical property; antioxidation; anti-inflammation

第一作者:硕士研究生(符群高级工程师为通信作者,E-mail:nefufuqun@163.com)

基金项目:“十三五”国家重点研发计划项目(2016YFC0500307-07)

收稿日期:2022-04-22,改回日期:2022-05-11

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.031811

引用格式:邱隽蒙,符群,吴小杰,等.干燥方式对北虫草品质的影响[J].食品与发酵工业,2023,49(11):233-239.QIU Junmeng, FU Qun, WU Xiaojie, et al.Effects of drying methods on the quality of Cordyceps militaris[J].Food and Fermentation Industries,2023,49(11):233-239.