铁皮石斛松真空冷冻生产工艺

袁秋萍，何国庆，余威府，李梦园，姚玉成，徐宏

1. 浙江科技学院生物与化学工程学院，浙江省农产品化学与生物加工技术重点试验室，浙江省农业生物资源生化制造协同创新中心（杭州 310023）；2. 浙江红石梁集团天台山乌药有限公司（天台 317200）

铁皮石斛富含石斛碱和多糖，是一种非常名贵的药食两用的中药材，具有清热解毒、滋阴养血、生津益胃、增智安神之功效，并被道家养生经典《道藏》誉为中华九大仙草之首[1]。

铁皮石斛传统的加工方法通常有两种：一是将鲜铁皮石斛的茎切成段烘干；二是将鲜铁皮石斛茎段边加热边扭成螺旋状或弹簧状后烘干，称“铁皮枫斗”。均采用普通干燥方法，其成品细胞壁皱缩后坚硬，食用时需久煎2 h以上才能使其破壁，而且有效成分大量流失，口感差。

真空冷冻干燥技术在国内外已有广泛研究[1-22]，Meng等[2]研究发现真空冷冻技术应用于铁皮石斛干燥技术中对铁皮石斛的生物活性物质和多糖物质的保留表现最佳。Yrjö等[3]对食品的干燥方法进行研究，表明真空冷冻干燥技术作为一种加工食品的工艺有其独特的优势，在生物活性物质保存方面相较与其他传统的干燥工艺有较强的特点。

在国内，周伟等[5]主要研究不同干燥方式对铁皮石斛干燥特性及品质的影响，表明多糖含量受干燥方式和温度的影响较大，冷冻干燥后干品的多糖含量测定值和鲜品没有显著性差异，高于热风干燥和真空干燥；冷冻干燥可最大程度保留铁皮石斛的感官品质，在保持物料原本的形态结构方面也优于热风干燥和真空干燥。在真空冷冻干燥加工过程中，铁皮石斛由于冷冻干燥加工温度较低，多糖损失较少，但相对的干燥时间延长，因此必须对其能耗问题予以关注[6-8]。

采用真空冷冻干燥技术加工铁皮石斛，具有产品含水量低，能最好地保存铁皮石斛的色、香、味、形及有效成分；复水后更加接近新鲜品、避免产品表面硬化、营养损失少、保质期长等优点，显著优于传统的热干燥法。但是真空冷冻干燥技术并没有在铁皮石斛加工中得到广泛应用，究其原因主要是能耗问题，高能量消耗导致的高生产成本是制约生产企业使用该项技术瓶颈，如何降低能量消耗是实现产业化生产的关键技术。

为了降低能源消耗，降低真空冷冻干燥生产成本，经过多次试验发现，对整条的新鲜铁皮石斛进行真空冷冻干燥，干燥时间从24 h逐渐延长至72 h，仍无法获得水分低于4%的冻干品，能耗巨大。铁皮石斛的表皮阻碍了水分的蒸发，铁皮石斛表皮的物理性状是影响能源消耗主要原因。采用自行设计制造的成丝机组（实用新型专利号ZL93214006.8）将铁皮石斛均匀地撕成纤维丝状，在相同条件下只需24 h真空冷冻干燥就得到水分低于4%的铁皮石斛松冻干品，该产品细脆蓬松，即可直接食用，也可包装成袋泡铁皮石斛茶饮用，有效成分能快速溶出；可粉碎至粉状，用温水冲泡即成铁皮石斛汁饮料，其色、香、味可与鲜榨铁皮石斛汁媲美。研究结果表明破坏铁皮石斛的表皮结构能大幅降低能源消耗，开创一条用物理方法降低能源消耗的新途径。研究节能效果显著，为铁皮石斛松的生产应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

鲜铁皮石斛（乐清亚森铁皮石斛有限公司）。

1.2 试验设备

DSDK-0.5真空冷冻干燥机（广州梅利永利机械设备有限公司）；YP 202 N电子天平（上海华德衡器有限公司）；成丝机（自行设计制造，实用新型专利号ZL93214006.8）；XL-04 A型密封粉碎机（济南旭众机械设备有限公司）；DSH-50 A-1水分测定仪（上海佑科仪器有限公司）。

1.3 试验方法

铁皮石斛松加工工艺是建立在真空冷冻干燥基础上，选择影响能源消耗的主要因素，进行多次单因素试验和多因素正交试验，研究铁皮石斛在真空冷冻干燥过程中高效节能的工艺参数，降低生产过程中的能源消耗。

1.3.1 工艺流程

鲜铁皮石斛条→称质量→清洗→切段→成丝→预冻→真空冷冻干燥→称质量→分装→成品

1.3.2 操作方法

称取100 g鲜铁皮石斛条，将表面杂质清洗干净，将清洗好的铁皮石斛切成5 cm左右段状，经辊压预处理后进入成丝机中，撕裂成均匀纤维丝状，将纤维丝状原料铺平放入盘子，放入冷冻室预冻，预冻完之后，进行真空冷冻升华干燥，干燥完成后取出称质量、包装即为成品。测定水分。

1.4 试验过程

选取原料形状、预冻时间、真空冷冻干燥时间3个影响能源消耗的主要因素进行单因素试验，再根据单因素试验结果进行正交试验，以水分含量为指标设计三因素三水平正交试验。

1.4.1 单因素试验

选取原料预冻时间、真空冷冻干燥时间、原料形状这3个影响能源消耗的主要因素各进行5组试验。

设置原料预冻时间1.5，2.0，2.5，3.0和3.5 h，取相同原料形状（粗纤维状），在真空冷冻干燥时间24 h的情况下进行冻干样品制作，测定水分。

设置真空冷冻干燥时间16，20，24，28和32 h，取相同预冻时间2 h，在原料形状（粗纤维状）情况下进行冻干样品制作，测定水分。

设置原料形状：长段状（2.5 cm左右）、短段状（0.5 cm左右）、粗纤维状、中纤维状、细纤维状，取相同预冻时间2 h，在真空冷冻干燥时间24 h情况下进行冻干样品制作，测定水分。

单因素试验见表1。

表1 单因素试验设计

1.4.2 正交试验

根据单因素试验结果选出三因素三水平进行正交试验，具体见表2。

2 结果与分析

2.1 原料预冻时间对干燥效果的影响

原料预冻时间对干燥效果的影响见图1。在真空干燥时间24 h、真空冷冻干燥机设定的加热板温度40℃、冷阱温度-60 ℃、原料形状采用粗纤维条件下，探究不同原料预冻时间对铁皮石斛干燥效果的影响。原料预冻时间从1.5 h延长至2.0 h，干燥效果明显提高，原料预冻时间从2 h延长至3 h过程中，干燥效果变化趋于平缓，原料预冻时间3.5 h的效果为最佳，但能源消耗最大，考虑节能因素，因此选择原料预冻时间2.0，2.5和3.0 h进行正交试验。

表2 正交试验因素水平表

图1 原料预冻时间对干燥效果的影响

2.2 真空冷冻干燥时间对干燥效果的影响

真空冷冻干燥时间对干燥效果的影响见图2。在原料预冻时间2 h、真空冷冻干燥机设定的加热板温度40 ℃、冷阱温度为60 ℃、原料形状采用粗纤维条件下，不同真空干燥时间对干燥效果有较大影响。随着真空干燥时间增加，水分呈下降趋势，下降趋势随着真空干燥时间增加而变缓，但能源消耗逐渐增加，考虑节能因素及应达到的干燥效果，因此选择真空冷冻干燥时间20，24和28 h进行正交试验。

图2 真空冷冻干燥时间对干燥效果的影响

2.3 原料形状对干燥效果的影响

原料形状对干燥效果的影响见图3。随着原料形状变化，干燥效果产生很大差异，纤维状原料干燥效果显著高于段状原料，因此选择粗纤维状、中纤维状和细纤维状的原料形状进行正交试验。

图3 原料形状对干燥效果的影响

2.4 正交试验结果分析

根据正交试验三因素三水平，选择L9(33)正交试验方案制作铁皮石斛松，并分别用水分测定仪测定水分，结果见表3。

对试验结果进行统计分析，得出3个影响因素中原料形状对铁皮石斛松干燥效果的影响最大，从理论上来说纤维状越细，表面积越大，干燥效果越好。但是，由于铁皮石斛富含多糖，黏性大，细纤维会相互粘连成团状而降低干燥效果，因此中纤维状干燥效果最佳，真空冷冻干燥时间次之，预冻时间最小。最佳工艺参数为：原料预冻时间2 h、真空冷冻干燥时间24 h、原料形状采用中纤维状。铁皮石斛松真空冷冻干燥效果最优方案为A1B2C2，但该方案为理论上的最优方案，需对其进行验证。

表3 正交试验结果分析表

2.5 验证试验

其他工艺条件不变，选取最佳条件组合，即原料预冻时间2 h，真空冷冻干燥时间24 h，原料形状采用中纤维状，进行验证性试验，测定铁皮石斛松试验样品中的水分含量，为2.23%，在所有试验中水分最低，达到最优方案效果，验证试验结果可行。

3 结论

通过三因素三水平的正交试验及验证试验，结果表明，最优方案为：原料预冻时间2 h、真空冷冻干燥时间24 h、原料形状采用中纤维状。此时铁皮石斛松干燥效果最好，节能效果显著。