不同干燥方法对林下参品质的影响

赖 文，杨利民，韩佳宏，刘芳菲，马嘉欣，蔡恩博，韩 梅

（吉林农业大学 中药材学院，吉林 长春 130118）

林下参是指人工播种在山林野生状态下自然生长的人参。据统计，截止2020年，吉林省林下参种植面积约150万亩，其中参龄在15年以上的占了30%以上。现代化学和药理研究表明林下参中含有人参皂苷、人参多糖、人参酚类、黄酮类等化学成分［1］，林下参的药理活性包括对机体的免疫功能［2］、抗运动性疲劳作用［3］、和抗氧化活性作用［4］等。林下参的形态美观，体形多样，药用价值和经济价值高，达到一定年限的林下参，其功效理论上接近野生人参［5］，林下参未来发展潜力和市场优势大。干燥对于药材十分重要，能够避免药材的药用价值和经济价值受到严重的损失［6］，目前林下参在加工生产的过程中多采用晒干和烘干的干燥方式，但对于林下参来说，晒干用时长，易受气候影响，参表面抽沟较严重；烘干对产品外观有不利影响，影响美观。这两种干燥方法已不能满足林下参加工产业高品质发展的需要，因而研究建立适宜林下参的干燥方法已迫在眉睫。

本实验以林下参为研究对象，选用真空冷冻干燥、热风干燥和微波干燥三种干燥方法，以干燥过程参数、主要物理性质及内在质量为评价指标，研究了不同干燥方法的干燥过程和不同干燥方法对林下参的物理性质、化学成分的影响，以筛选建立适宜的林下参干燥方法，提升林下参干燥产品的品质，提高林下参产品价值。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验药材

15年生林下参采自于通化市柳河县野山参基地，经吉林农业大学中药材学院杨利民教授鉴定为五加科植物人参（Panax ginsengC. A. Meyer）的根。林下参平均质量为每支12 g，平均直径1.46 cm。

1.1.2 设备仪器

DHG-9070A电热恒温鼓风干燥箱（上海申贤恒温设备厂），CHRIST ALPHA1-4/2-4LSC冷冻干燥机（博劢行仪器有限公司），DL91150游标卡尺（得力集团有限公司），XL11000根系测定仪（精工爱普生公司），CR410色差仪（柯尼卡美能达株式会社），生物体式显微镜（杭州光学仪器公司），BSA224S万分之一电子天平（赛多利斯科学仪器有限公司），KQ-250DB型数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司），1260型高效液相色谱仪（安捷伦公司）。

1.1.3 试剂

乙醇、浓硫酸等试剂均为分析纯，色谱甲醇、色谱乙腈（费舍尔公司），人参皂苷标准品Rg1、Re、Rc、Rb2、Rf、Rb3、Rd、K3、F2、S-Rg3、R-Rg3（吉林大学化学学院）。

1.2 方法

1.2.1 干燥工艺

样品处理：取林下参鲜品去除杂质，洗净后剪去芦头上的茎秆，阴干表皮水分，备用。干燥过程中，按下述干燥方案处理，林下参含水量降低至11%以下时停止干燥。热风干燥：将处理好的林下参置于电热恒温鼓风干燥箱中，电烘箱温度设置在45℃，期间每小时翻动一次，同时排潮。

真空冷冻干燥：先将真空冷冻干燥机冷阱制冷，搁板温度降至-20℃左右，取处理好的林下参放置于搁板上，待4 h后，搁板温度达到-25℃，制品温度为-25℃。开真空泵，待2 min后将压力抽至70 pa左右。同时对搁板进行加热，控制其加热速度，确定隔板加热温度最高为50℃，直至搁板温度与样品温度相接近时，停止加热，取出样品。

微波干燥：将处理好的林下参放置于微波炉中，调至中低火，功率320 w，干燥20 s，间歇90 s。

1.2.2 干燥参数的测定

取林下参鲜品，按照2020年版中国药典四部通则水份测定法（第二法烘干法测定），重复测定3次，计算初始干基含水率M0（g·g-1）。

1.2.3 干基含水率（Mt）

按公式：Mt=（mt-mg）/mg计算。mg为绝干物质时人参的质量（g），mt为干燥过程中t时刻时林下参的质量（g）。

1.2.4 水分比（MR）

按公式：MR=Mt/M0计算。Mt为t时刻的干基含水率（g·g-1）。

1.2.5 干燥速率（DR）

按公式［7］：DR=（Mt-Mt-1）/△t计算。DR为时间t与时间 t-1之间的干燥速率（g·g-1·h-1）；Mt和 Mt-1分别为t和t-1时刻的干基含水率（g·g-1）；△t为两个时刻的间隔时间（h）。

1.3 物理参数的测定和外观结构的观察

1.3.1 外观结构的观察

干燥后林下参使用肉眼进行整体观察，使用体式显微镜对林下参断面进行观察［8］。

1.3.2 芦头和主根的直径和长度

使用游标卡尺测定林下参芦头和主根的直径和长度。直径收缩率=（干燥前直径-干燥后直径）/干燥前直径×100%。长度收缩率=（干燥前长度-干燥后长度）/干燥前长度×100%。

1.3.3 体积收缩率

使用根系扫描仪测定干燥前后林下参的体积。林下参根体积收缩率=（（鲜林下参根体积-干林下参根体积）/鲜人参根体积）×100%。

1.3.4 色泽的测定

取林下参粉末和干燥前后林下参，以标准白板为对照，使用色差仪测定林下参粉末和表皮的色泽。林下参表皮色差增长率=（（干林下参表皮色差-鲜林下参表皮色差）/鲜林下参表皮色差）×100%。

1.4 单体皂苷含量的测定

1.4.1 色谱条件

ZORBAX SB-C18（ 250 mm×4.6 mm，5 μm）色谱柱，流动相分别为乙腈（C）：水（A），洗脱条件为二元梯度洗脱：0～40 min，19%～21%（C）；40～42 min，21%～26%（C）；42～46 min，26%～32%（C）；46～72 min，32%～40%（C）；72～79 min，40%～49%（C）；79～83 min，49%（C）；83～85 min，49%～51%（C）；85～89 min，51%～60%（C）；89～92 min，60%～65%（C）；92～95 min，65%（C）；95～98 min，65%～85%（C）；98～105 min，85%～100%（C）；105～109 min，100%～19%（C）；109～116 min，19%（C）；流速 0.8 mL/min；进样量10 μL，检测波长为203 nm，柱温25℃。

1.4.2 供试品溶液的制备

取林下参粉末0.5 g（过4号筛），精密称定，加30 mL甲醇，称重，放置12 h，超声提取60 min，补足失重，过滤，蒸干，甲醇复溶定容于10 mL容量瓶中备用。使用前过0.22 μm针孔滤膜。

1.4.3 对照标品溶液的制备

取人参单体皂苷对照品，配置成对照品溶液，取Rg1、Re、Rb2、Rf、Rb3、Rd、K3、F2、S-Rg3、R-Rg3配置成2 mg/mL的对照品溶液，取Rc、Rb1配置成4 mg/mL的对照品溶液。

1.4.4 线性关系

精密吸取配置好的对照品溶液，并配置成混合对照品溶液，稀释成A、B、C、D、E，5个浓度，分别进样，以质量浓度为横坐标，峰面积为纵坐标，建立标准曲线，见表1。

表1 人参单体皂苷回归方程Tab.1 Regression equation of ginsenoside

1.4.5 方法学考察

精密度实验：对照标品溶液重复进样6次，相对标准偏差（Relative standard deviation，RSD）≤1.57%；稳定性实验：供试品在0 h、4 h、8 h、12 h、16 h、24 h进样分析测定，RSD≤1.96%；重复性实验：取同一样品6份制备为供试品溶液进样分析测定，RSD≤1.78%；加样回收率实验：取已知含量的粉末样品6份，精密称定，每份加入适量人参皂苷对照品，制成供试溶液分析测定，回收率在92%～108%之间，RSD≤1.85%。

1.5 总皂苷含量的测定

使用香草醛-硫酸比色法［9］测定林下参总皂苷含量。

1.6 统计方法

使用Excel 2019对林下参的各指标进行数据统计，所有数据由SPSS 23.0版本统计软件使用LSD法进行差异性显著检验（P＜0.05），并计算相应的统计学参数。

2 结果与分析

2.1 干燥过程的研究

林下参预冻温度为-25℃，预冻时间为4 h，升华过程采用逐步升温的方式控制加热温度，升华时间为24 h，可以有效防止产品起泡和局部塌陷甚至融化，林下参中大部分固态水在升华干燥阶段转化为气态水，被直接除去，解析温度为50℃，时间维持4 h，可以除去林下参中的少量结合水；干燥时间总计32 h（图1）。

图1 冻干曲线Fig.1 Freeze drying curve

在干燥林下参所需时间上：热风干燥时间为42 h，微波干燥时间最短，为1.7 h。林下参热风干燥和微波干燥的干燥曲线呈现随着干燥时间的增长，水分比逐渐下降并最终趋近于零的规律。将热风干燥失水曲线进行数据拟合，其干燥曲线符合指数模型（R2=0.993），将微波干燥失水规律进行数据拟合，其干燥曲线符合3次函数模型（R2=0.998），干燥曲线数学模型的建立有利于干燥过程中水分的控制，见表2。林下参干燥速率曲线表明，微波干燥的干燥速率明显较高，在微波干燥的干燥过程中，干燥速率在前期干基含水率高时快速下降，而后干燥速率下降较为缓慢；热风干燥干燥过程中，干燥速率在林下参内部含水量高时，大幅度快速下降，当林下参内部含水量低时，下降速度减缓，两种干燥方法干燥林下参的干燥阶段主要为降速阶段，预热阶段和恒速阶段几乎不可见（图2）。

表2 林下参的干燥曲线拟合公式Tab.2 Fitting formula of drying curve of ginseng in forest

图2 林下参热风干燥和微波干燥的干燥曲线（A、C）和干燥速率曲线（B、D）Fig.2 Drying curve （A、C） and drying rate curve （B、D） of hot air drying and microwave drying of ginseng in forest

2.2 干燥方法对林下参外观结构的影响

林下参的芦头较长，为二节芦，由竹节芦和马牙芦构成，稀有圆芦，其上具艼，体有顺体、灵体、元宝体、笨体等，须长，有多而密的珍珠点，见图3。真空冷冻干燥林下参、微波干燥林下参和热风干燥林下参的外观性状有明显的区别。真空冷冻干燥林下参整体无明显形变；表皮具有一定的粗横纹和较轻的纵皱，质地较脆，断面显粉性，颜色为淡黄白色偏白色；内部孔隙小而多，呈海绵状；真空冷冻干燥较好的保留了林下参原有的外形。微波干燥林下参表面具有纵皱，但纵皱浅；质地轻而脆；断面分层明显，木质部呈红褐色，与木栓层颜色有明显的区分；内部孔隙大而多，呈蜂窝状。热风干燥林下参表面具较深而粗的横纹和极明显的纵皱，质地较硬，芦和主根弯曲，断面颜色为淡黄白色；形成层环纹明显，呈淡棕黄色；内部紧密，孔隙少。

图3 不同干燥方法林下参的外观性状Fig.3 Appearance characteristics of ginseng in forest with different drying methods

2.3 干燥方法对林下参收缩情况和色泽的影响

干燥对林下参的体形有一定的影响，导致干燥后林下参的体积、芦直径和长度、主根直径和长度发生变化。不同干燥林下参的收缩率数据显示，热风干燥林下参的体积收缩率＞真空冷冻干燥林下参的体积收缩率＞微波干燥林下参的体积收缩率，三种干燥林下参的体积收缩率差异显著（P＜0.05），真空冷冻干燥林下参和微波干燥林下参的主根直径和长度及芦直径和长度的收缩率较小，真空冷冻干燥林下参和微波干燥林下参与热风干燥林下参的主根直径、主根长度和芦长度的收缩率有显著差异（P＜0.05）。由数据结果分析可知：热风干燥对林下参的体形有较为明显的影响；而真空冷冻干燥和微波干燥对林下参体形的影响较小。

表3 不同干燥方法对林下参收缩情况的影响Tab.3 Effects of different drying methods on shrinkage of ginseng in forest

鲜药材在干燥过程中易受酶和温度的影响发生褐变，导致颜色发生变化。色泽数据L*为白度值，L*越大色泽越白，a*为红度值，b*为黄度值，当a*和b*为正值时，a*越大色泽越红，b*越大色泽越黄，△E为色差值。不同干燥方法对林下参色泽的影响，如图4所示，热风干燥林下参的主根表皮色差增长率为22.16%，与其它两种干燥林下参的主根表皮色差增长率具显著差异（P＜0.05），真空冷冻干燥林下参的色差增长率最小，说明真空冷冻干燥对林下参表皮色泽的影响小。真空冷冻干燥林下参和热风干燥林下参的粉末色泽L*值大，a*、b*和总色差的值小，真空冷冻干燥林下参和热风干燥林下参与微波干燥林下参的粉末色泽L*、a*、b*和总色差值相比，差异显著（P＜0.05）；由不同干燥林下参的粉末色泽数据结果可知：微波干燥林下参与真空冷冻干燥林下参的粉末颜色存在明显区别，微波干燥林下参的粉末色泽偏红褐色，而真空冷冻干燥林下参和热风干燥林下参的粉末色泽为淡黄白色，说明真空冷冻干燥和热风干燥对林下参粉末色泽的影响小。

图4 不同干燥方法对色泽的影响Fig.4 Effects of different drying methods on the color

2.4 干燥方法对林下参皂苷类成分含量的影响

人参皂苷含量的测定，采用单根林下参进行实验检测，对不同干燥林下参总皂苷、各单体皂苷含量及8种人参单体皂苷加和的均值进行分析检验，均无显著性差异（P＞0.05），因而采用以人参皂苷含量均值大小的比较来评价不同干燥方法对林下参皂苷类成分含量的影响。不同干燥林下参的皂苷类成分含量数据结果显示（图5、表4）：真空冷冻干燥林下参的总皂苷含量的平均值高，为4.29%，其次为微波干燥林下参和热风干燥林下参，真空冷冻干燥林下参的总皂苷含量的平均值是热风干燥林下参的1.13倍。林下参的人参三醇型皂苷含量和人参二醇型皂苷含量的平均值分别为：真空冷冻干燥林下参（0.78%、1.05%）＞微波干燥林下参（0.76%、0.96%）＞热风干燥林下参（0.66%、0.80%）。真空冷冻干燥、热风干燥和微波干燥林下参的8种单体皂苷含量加和的平均值分别为1.84%、1.46%、1.71%，真空冷冻干燥林下参的单体皂苷含量加和的平均值最高，其次为微波干燥林下参和热风干燥林下参，真空冷冻干燥林下参的单体皂苷含量加和的平均值相比于微波干燥林下参和热风干燥林下参，分别高了7.6%和26.03%。结果表明真空冷冻干燥对林下参中人参皂苷类成分含量的影响小，真空冷冻干燥林下参的人参皂苷类成分含量高。

图5 不同干燥方法林下参总皂苷含量Fig.5 Content of total saponins in ginseng in forest with different drying methods

表4 不同干燥方法林下参8种人参单体皂苷含量Tab.4 Contents of 8 kinds of ginsenosides in ginseng in forest under different drying methods

3 讨论与结论

热风干燥适宜大规模干燥药材，在大多数中草药的干燥中被广泛的使用［10］，通过查阅文献得知，人参干燥的适宜温度为40-48℃。微波干燥采用间歇性干燥的方式，条件参考西洋参的微波间歇干燥方法［11］。热风干燥和微波干燥的干燥过程主要为降速干燥，这主要可能是因为林下参内部水分不断向外渗出，物料水分不断减少，自由水占比不断降低，结合水占比不断增加，水分流失越来越困难，且热风干燥时物料是由外向内干燥的，水分迁移路径逐渐变长，水分向外流失所需要的时间逐渐变长，造成干燥速率不断降低［12］。真空冷冻干燥林下参的工艺条件极为缺少，因而在干燥前，根据林下参的物理性质，对其预冻时间、预冻温度、升华时间和温度的设定都经过大量前期预实验研究，最终确定其工艺条件；真空冷冻干燥的原理主要是通过低温使物料冻结，然后在真空环境下给与一定的温度，使物料中的冰晶升华，从而达到脱水干燥的目的［13］。林下参真空冷冻干燥的干燥过程主要就是固态水通过物态变化从而被转移除去的过程，热风干燥和微波干燥的干燥过程主要是林下参内部水分向外迁移扩散导致的降速干燥过程。

林下参的外观形态、体形和色泽是林下参感官品质评价的重要影响因素，通过不同干燥方法对林下参主要物理性质的影响结果可知：真空冷冻干燥对林下参原有的外形、体形、表皮和粉末色泽的影响小，真空冷冻干燥较好的保留了林下参的外形、体形和色泽，提升了林下参的品质。林下参经干燥后出现的皱缩主要是由收缩应力［14］和内部热应力［15］引起的。不同干燥方法对药材的内部结构有不同的影响［16］，真空冷冻干燥可基本保持药材组织细胞原有的微观结构［17］，干燥后林下参色泽的变化主要是酶和美拉德反应导致的［18］。

皂苷类成分含量是林下参质量的重要影响因素，研究结果表明：真空冷冻干燥对林下参的人参皂苷类成分含量影响小，可有效的提高林下参的质量。人参皂苷含量的降低，主要是由热降解［19］和酶降解［20］导致的。真空冷冻干燥的预冻处理及干燥过程中的低温真空环境，可以抑制酶的活性，在升华过程中，热量被林下参中固态水吸收，使冰直接升华成水蒸汽，水蒸气从林下参内部向外扩散后，热量也随之流失，林下参在此阶段内部温度不高，进入解析阶段后，林下参内部温度升高，但时间较短，受热的影响小，推测这是真空冷冻干燥林下参人参皂苷含量相对较高的原因。

综合上述研究结果，虽然真空冷冻干燥成本较高，但真空冷冻干燥林下参从外形、体形、色泽、内在成分含量来看，有效的提高了林下参的品质，具高附加值，再考虑到林下参较高的商品属性价值，因此真空冷冻干燥可以作为生产高档商品林下参的一种干燥方法。