山药干燥技术及对品质的影响研究进展

刘云飞，顾震，徐志勇，张森旺

（江西省科学院应用化学研究所，江西南昌 330096）

山药是薯蓣科薯蓣属藤本植物的根茎，由于其营养丰富并且具有药理作用，已经被我国列为食药两用资源，在发展农村经济中起重要作用。新鲜山药不易储存，通常需要干燥来延长储存期和开展后续加工。

山药干燥就是去除水分的过程，包括蒸发和升华。山药中的主要营养成分是淀粉，还有非淀粉多糖、蛋白、糖蛋白、脂肪、微量元素和多种天然活性成分（多酚、黄酮、尿囊素、皂苷等），这些活性成分赋予山药降血糖、降血脂、抗氧化、抗衰老、免疫调节、抗肿瘤、保护神经系统、调节肠道菌群等功能。山药干燥过程伴随着水分迁移、热传递等，营养成分在水分和温度的作用下如何变化一直是研究热点。本文综述了各种山药干燥技术原理，各营养成分的变化及其机制，对山药干燥技术的发展进行了展望，以期为山药的干燥和产品开发提供理论依据。

1 山药干燥概述

目前山药干燥研究主要集中于国内，韩国[1]、非洲一些国家（尼日利亚和南非）[2-3]和欧洲的荷兰[4-5]也有少量学者对山药的干燥进行研究。国内对山药干燥研究较多有河南科技大学[6-11]、湖南农业大学[12-18]、中国农业大学[19-24]、江南大学[25-26]、河北农业大学[27-28]、河南中医药大学[29-30]、中原工学院[31-32]、内蒙古农业大学[33]等学校，其中河南科技大学任广跃教授、段续教授，中国农业大学肖红伟教授，江南大学张慜教授，湖南农业大学李清明教授等干燥领域的知名学者对山药的干制有长期研究。当前国内针对山药干燥的研究内容包括干燥方式及工艺对比、山药干燥特性、营养成分变化及预处理对山药干燥的影响等。

2 干燥原理

干燥原理有热传导、热对流和热辐射，热对流指利用热空气加热山药来干燥，例如热风、热泵干燥；热辐射指利用电磁波加热山药，如远红外和微波干燥；热传导指利用加热套对山药加热升温，达到水分蒸发目的，通常采用真空冷冻干燥结合热对流和热传导两种方式。表1综述了各种干燥方式的作用原理，以及用于山药干燥的优/劣势。

表1 各种干燥方式的干燥原理和优/劣势

由于单一干燥方式存在能耗、设备选型、产量等弊端，研究人员往往采用多干燥方式并联或者串联对山药进行干燥，例如真空微波干燥[34-35]、热泵-热风联合干燥[36]、常压冷冻干燥[10]、微波-热风干燥[37]、微波辅助真空冷冻干燥[38]及热泵-高压电场联合干燥[32]等。

3 干燥工艺的选择

刘亚男[9]采用喷雾干燥和热风干燥两种方式干制山药，发现酶解预处理能提高喷雾干燥怀山药可溶物的溶出率，山药粉冲调性好。狄建兵等[39]发现固形物含量30%、进风温度为160 ℃、干燥助剂添加量为4%时，喷雾干燥制备的山药粉品质较高，颜色雪白，粒度均匀。而山药片的真空干燥适宜工艺条件为0.06 MPa和50 ℃，所得山药的复水最佳温度60 ℃，时间40 min[40]。

张欣等[41]发现山药切片真空干燥最优工艺参数为干燥温度63.76 ℃、压强0.053 2 MPa和切片厚度2.46 mm，此时干燥速率快，能耗低，并且得到的山药白度较高。李亚楠[27]研究了真空冷冻干燥过程的护色工艺、粉碎工艺、预冻工艺和干燥工艺对山药的影响，发现采用柠檬酸、植酸、氯化钙混合液预处理可以有效防止干燥过程褐变，湿法粉碎有利于干燥，预冻工艺-24 ℃，真空度为40 Pa冻干制备的山药品质较优，营养成分保留最多。

陈艳珍[6]对比微波、热风和真空3种干燥方式发现，微波干燥速度最快，真空干燥速度最慢，微波干燥的最适工艺为压力0.03 MPa，微波功率13.62 W/g、山药片2 mm厚，此时干燥时间最短。时秋月[11]讨论了热泵干燥、真空干燥的最佳工艺，发现热泵干燥采用切片厚度5 mm、温度40 ℃、进风速度3.0 m/s工艺得到的怀山药品质优良，在切片厚度3 mm、温度60 ℃和真空度0.09 Mpa下真空干燥可以得到品质优良的干山药。

研究人员对比发现，常压冷冻干燥的山药品质接近真空冷冻干燥，优于变温压差干燥和真空干燥，但是能耗比真空冷冻干燥低70%。干燥至水分含量8%以下时，真空冷冻干燥的最佳工艺是真空度-60 Pa，温度-40 ℃；变温压差膨化干燥的最佳工艺是70 ℃预干燥50 min，在压差为0.3 MPa环境保留5 min，75 ℃条件下干燥90 min；真空干燥的最佳工艺是真空度-0.030～-0.025 MPa，温度70 ℃，干燥时间350 min；热风干燥的最佳工艺是风速2.3 m/s，温度70 ℃，干燥时间110 min[42]。

李永远[43]对比高压电场和热风干燥的山药的红外光谱发现，高压电场干燥下的山药品质比热风干燥下要好，营养和药用成分含量明显高于热风干燥，这主要是由于高压电场干燥几乎不产热，使得山药的结构和营养都能保留。其在对不同电极（Ag、Cu、Fe）、不同针间距、不同极性电压对山药的干燥特性的影响研究中发现，高压电场干燥选择针间曲率更小的电极，有利于提升干燥速率

由于微波干燥速度快，但是温度过高容易引起山药焦化，越来越多的研究开始探索微波结合其他干燥方式干制山药。李琳琳[26]采用脉冲喷动协同微波冷冻干燥山药，发现干燥时间与微波功率和干燥温度正相关，但容易造成产品营养品质和色泽的劣变；喷动间隔对干燥时间无显著影响，但较长的喷动间隔导致产品品质的劣变。叶晓梦[35]采用冻干-微波联合干燥方式干燥山药，最佳干燥工艺为冻干阶段温度50 ℃、真空度0.032 MPa、干燥时间4.5 h，微波阶段的条件为微波强度0.25 W/g、真空度0.095 MPa，此条件干制的山药品质较优。

任丽影[10]采用微波辅助常压冷冻干燥干制山药，装置内部带有涡流管制冷装置，加热方式为对流辐射耦合变温方式。这种加热模式可以增大物料表面和物料中心的温度差，加快水分蒸发。

段柳柳[7]研究微波干燥怀山药过程中的水分扩散特性发现，干燥过程中水分由自由度高向自由度低的方向迁移，提高微波功率可以有效增加水分扩散系数；1.5～4.4 W的微波功率条件下对应的水分扩散系数为1.129×10-9～5.439×10-9m2/s，随着水分扩散迁移的速度增大，非结合水向结合水方向转化逐渐增多。采用Page、Newton等模型与实验数据进行拟合，结果表明Page拟合度较高，可以较好地对怀山药微波真空冷冻干燥过程进行预测和控制。陈雪涛也发现Page模型能很好地拟合山药热风干燥动力学曲线[44]。

总结上述干燥工艺发现，不同干燥方式的干燥工艺存在较大差异，即使同一种干燥方式，由于设备、原料的差异，干燥工艺也有所不同，需要根据实际生产需求选择合适的干燥设备并且调整干燥工艺参数。

4 不同干燥方式对山药品质的影响

干制山药的品质主要包括外观、蒸煮冲泡性、口感、营养等。外观主要是颜色、形状；蒸煮冲泡性指山药在食用前的蒸煮冲泡，涉及复水率、持水性等性质；口感主要是质构；营养包括淀粉、蛋白、多糖、微量元素等成分的含量。

4.1 颜色

高温干燥的山药颜色显著黄于低温干燥的山药，真空冷冻干燥的山药片色差值最小[42]。酒曼[31]发现采用变温热风干燥可以解决恒温热风干燥山药变黑和干缩的问题，提高复水率。李丽[33]利用盐溶液渗透辅助热风干燥制备的山药片颜色雪白，而对照组出现褐变现象；张记[45]发现热烫预处理后干制山药最白，褐变指数最低，说明适当的预处理可以提高干制山药外观品质。陈艳珍[6]研究发现热风干燥会影响山药中酪氨酸酶的活性，导致山药出现不同的颜色。时秋月[11]采用热泵干燥怀山药，发现干制品多酚含量与褐变度显著相关，真空干燥方式下怀山药干制品多酚含量与褐变度相关性不显著，热泵干燥怀山药过程中发生的褐变主要为非酶褐变。

4.2 复水率

复水率是干制山药的一个重要特性，对人们的食用感受有重要影响。酒曼[31]发现变温干燥可提高干制山药的复水率。陈艳珍[6]发现怀山药复水率随着热风干燥的温度、真空干燥的温度和真空度、微波干燥功率的增加而提高，且微波干燥得到的产品复水率最优。化春光[8]发现2 400 W微波功率结合-0.04 MPa的真空度干燥的山药复水率最好。陈雪涛[44]发现微波干燥持水力最大，可能是微波导致淀粉糊化引起，微波干燥山药的溶解度和溶胀度也最高。段柳柳[7]在微波辅助冻干山药过程发现微波功率越大，干山药的复水性越好。

真空冷冻干燥得到的山药片由于结构收缩最小，复水性最佳。真空冷冻干燥优于变温压差膨化干燥，优于真空干燥，热风干燥的复水效果最差[42]。

还有研究发现适当的前处理也能提高山药的复水率，例如任丽影[10]利用预冻使山药在干燥前形成稳定结构，干燥后山药外观变化不大。冷冻干燥结合常压、真空、微波等方式都能促进山药内部形成海绵状多孔结构，提高干制山药的复水率。张记[45]和李琳琳[26]都发现在山药干燥前，利用氯化钠、焦亚硫酸钠、蔗糖或者柠檬酸热烫处理山药，都能提高干制山药的复水率。

4.3 质构

研究山药经过热风、真空、真空冷冻和变温压差膨化干燥样品的质构发现，真空干燥样品硬度最大，变温压差样品由于发生膨化而脆度较大，真空冷冻干燥脆度和硬度都较小[42]。

段柳柳[7]发现高功率干制山药的脆性和硬度比低功率微波要大，但感官评分低于低功率，山药片的硬度和脆性都与水分含量有关，孔隙率也影响山药的硬度。

4.4 营养成分

山药中最主要的成分是淀粉，淀粉的消化性也是影响山药品质的重要指标。李杰[46]发现不同干燥方法得到的山药粉均呈非牛顿流体特性，冷冻真空干燥的山药熟粉的粘弹性最高，热处理显著降低山药粉抗性淀粉含量，真空干燥山药熟粉的抗性淀粉含量最高，真空冷冻干燥能较好保留山药粉的原有理化特性。研究指出，冷冻干燥还有利于保留山药中的抗性淀粉[46,47]。

不同干燥工艺对于山药中香气成分的影响有较大差异，如陈佳男[42]发现十二烷和2,5,9-三甲基癸烷己醛是高低功率真空微波联合干燥的特征香气，而低功率真空微波干燥与变温压差膨化联合干燥的特征香气成分是2,7,10-三甲基十二烷、十一醛和对烯丙基茴香醚。

多糖是山药中除淀粉外含量最高的营养成分，以下所述山药多糖含量的变化主要是指干制后其提取率不同。时秋月[11]发现热泵干燥处理后怀山药复水率及多糖得率均优于真空干燥成品。化春光[8]使用微波真空干燥山药发现，微波功率2 400 W、真空度为0时多糖得率最大，微波功率1 600 W、真空度-0.08 MPa时皂苷得率最大。陈艳珍[6]发现微波干燥怀山药多糖得率最高，真空干燥多糖得率次之，热风干燥的山药多糖得率最低；多糖得率最优的干燥条件为真空度0.062 MPa，微波功率11.092 W/g、山药厚度为2 mm。

陈雪涛[44]发现微波干燥引起淀粉、蛋白含量下降，微波干燥前后总可溶性多酚、黄酮含量没有显著差异，而热风干燥后产品中总酚和总黄酮含量降低；山药总黄酮、可溶性总多酚含量及抗性淀粉含量在40 ℃条件下干燥时保留率较高，而尿囊素含量在60 ℃条件下干燥得到产品中最高；尿囊素退变过程遵循一级反应方程，在温度不超过60 ℃时，尿囊素的退变速率较小。微波辅助真空冷冻干燥技术适合怀山药等富含热敏性活性成分含量高的物料干燥[10]。

叶晓梦[35]发现微波干燥山药时，较低温度条件下增加微波功率不会影响多糖的提取率，而高温则会降低多糖的提取率并且此时Vc的损失较大。张子琪等[48]发现低温干燥的紫淮山全粉水溶性优于热风干燥，总酚含量保留率和抗氧化活性也优于热风干燥。

真空冷冻干燥产品中总酚和Vc保留最多，热风干燥对营养成分破坏最大，真空微波联合干燥对营养成分的破坏大于变温压差膨化干燥[42]。而李永远[43]发现高压电场干燥的山药在营养和药用成分保持上比常规干燥好。

4.5 抗氧化活性

陈雪涛[44]发现微波干燥产品的抗氧化活性最低，显著低于新鲜山药，而总酚和尿囊素含量在热风干燥样品中最高，表明热风干燥是一种较好的山药干燥方法。而任丽影[10]发现真空冷冻干燥样品的抗氧化活性最好；热泵干燥山药的抗氧化活性最差，干燥后的山药片中酪氨酸酶仍具有很高的活力，因此保存时依然需要隔绝空气且放在干燥阴暗处，以防发生褐变。刘亚男[9]发现热风干燥的山药全粉的抗氧化性好于真空、喷雾冷冻、微波真空冷冻获得的产品。王艺曼[32]采用热泵联合高压电场干燥山药，发现可以减少干制山药中总酚的损失，抑制羟自由基清除能力的下降。

4.6 外观微观形貌

真空冷冻干燥能最大限度保持山药的原始结构，通常为蜂窝状孔隙；真空干燥和热风干燥引起山药内部收缩，结构出现塌陷，易形成紧密球状结构。李丽[33]发现渗透辅助热风干燥有助于降低山药片干燥过程的皱缩，卷曲程度减少。

微波干燥引起山药片出现裂纹而且表面比较粗糙，扫描电镜观察显示山药片内部同时存在小块的淀粉颗粒聚集和大块的淀粉颗粒聚集，偏光显微镜下光差偏光十字最少[44]。微波辅助冻干山药时，山药内部的孔洞由闭合态逐渐变成开孔状态，并且孔隙率慢慢变大，孔径最大为106 nm，最小为10 nm，处于中位的孔径呈现由大到小再变大的过程，而大孔径的孔洞呈现由闭合到打开的状态；微波功率对干山药孔隙率影响较大；预处理会促进山药孔隙的形成，加速干燥，渗透预处理的干山药结构最为紧密，而超声预处理导致山药内部为海绵状结构[7]。

低温干燥能有效保持山药干燥前后的细胞完整性，例如叶晓梦[35]采用冷冻干燥制备干铁棍山药时发现，干制山药和新鲜山药的细胞形态相似，无明显皱缩；淀粉颗粒与新鲜山药形貌也相似；而冻干再串联微波真空干燥铁棍山药，依然能使铁棍山药干燥后保持良好外观，缩小程度不明显。

陈雪涛[44]发现干燥后的山药呈现A型晶体结构，微波干燥引起淀粉糊化，在X衍射图谱上无法观察到特征峰；相比于风干和冻干，热风干燥结晶度最小；微波干燥后的样品中淀粉分子有序程度最低，冻干和风干的有序程度最高。DUAN等[49]研究发现不同干燥方式会促使淀粉链断裂，造成淀粉分子尺寸减小。

根据干制山药的不同性质，可以利用冷冻干燥开发慢消化山药产品，利用热风干燥开发适用于冰激凌的高持水性的山药粉，溶胀度低的山药粉可用于制备药物包衣等。

5 结语

本文归纳了不同干燥方式和条件下山药的干燥特性（干燥动力学）和营养成分的变化，从多方面总结了山药干燥过程中内外部结构的变化。在实际应用中，山药片的干燥方式主要是热风干燥，山药粉的干燥方式包括热风干燥和喷雾干燥，少数企业应用热泵-热风联合干燥，冻干、微波、远红外或者多种干燥方式并联或者串联等干燥方式也有一定应用，但是单一干燥方式在产量、能耗等方面都存在一定的局限性，因此采用多种干燥方式联合的技术对山药进行干燥处理是未来的趋势。

虽然应用于山药干燥的方式非常多，但现有研究主要集中于设备的干燥条件对山药干燥特性（干燥速率等）和品质（外观、营养成分变化）的影响，山药干燥的专用设备研发不足，无法精准监控山药干燥过程的湿热传递，山药干燥过程湿热传递的机理依然不太明确。虽然现有研究对水分和热量在干燥过程的变化（温度变化、水分含量变化、水分迁移等）进行了多尺度分析，但对于山药孔洞结构形成机理、干燥过程孔洞的变化情况，以及热量和水分如何从山药的内部向外扩散的机理等尚未报道。淀粉是山药中的主要成分，淀粉的多尺度结构变化决定了山药的结构，从而影响干制山药的糊化和后续加工，目前研究只是关注山药感官、食用品质等方面变化，因此着重开展淀粉在干制过程的变化研究对于明晰干燥方式对山药干燥的影响机制有重要意义。