專利名稱：植物材料干燥方法
植物材料干燥方法
本申請要求于2010年5月11日提交的美國專利申請No. 61/333,403的優(yōu)先權(quán)。 技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明一般地涉及植物材料的干燥，并且更具體地涉及一種用于干燥植物材料以 保持高含量的不穩(wěn)定生物活性分子的非顯而易見的新方法。
背景技術(shù)：
迷迭香酸(RA)是咖啡酸和3，4_ 二羥基苯乙酸的酯。它也是各種植物物種包括 唇形科植物的植物物種的次生代謝產(chǎn)物。留蘭香(Mentha spicata L.)特別地已知為用 于香料和風(fēng)味劑工業(yè)的富含香芹酮的精油的主要來源，并種植在世界各地。其是快速生 長的多年生植物，可生物合成大量的RA和其他酚類物質(zhì)，當(dāng)選擇這樣處理時(Fletcher RS, McAuley C and Kott LS. 2005a. Novel Mentha Spicata clones with enhanced rosmarinic acid and antioxidant activity. Proc. WOCMAP III, Vol. 6 Traditional Medicine and Nutraceuticals Ada Horticulture. 6S0, ISHS. pp31-40 SA-08-06337 ； Fletcher RS, McAuley C and Kott LS. 2005b. Heat stress reduces the accumulation of rosmarinic acid and the antioxidant activity of Spearmint(Mentha spicata L )· Journal of Science of Food and Agriculture 85 :2429-2436SA-09_06343)。有興 趣開發(fā)基于提取自留蘭香的更具極性RA的產(chǎn)品，其可能在飲料、調(diào)味料和乳液中比鼠尾草 酸具有更高的抗氧化功效。另外，這種分子已知具有獨特的性能，包括抗病毒、抗菌、抗炎活 性(Mazumder A，Neamati N，Sunder S，Schulz J，Pertz H，Eich E，and Pommier Y.1997. Curcumin analogs with altered potencies against HIV-1 integrase as probles for biochemical mechanisms of drug action. Journal of medical Chemistry. 40 3057-3063 ；Szabo EiThelen A and Paterson M. 1999. Fungal elicitor preparations and methyl jasmonate enhance rosmarinic acid accumulation in suspension cultures of Coleus Blume1. Plant Cell Reports 18 :485-489 ；Hooker CW, Lott WB and Harrich D.2001.1nhibitors of human immunodeficiency virus Type lreverse transcriptase target distinct phases of early reverse transcription. Journal Virology.75 3095-3104)o
像許多其他草本植物一樣留蘭香季節(jié)性很強，并且具有較高含量的水分。為了保 存這種高度易腐的生物量資源，并使得可以在全年都可以進行提取，亟需組織的收獲后技 術(shù)處理，如干燥和/或冷凍。在一般情況下，芳香草本植物和香料對于包括干燥或冷凍技術(shù) 在內(nèi)的任何收獲后加工都是非常敏感的，這加快組織的生物學(xué)惡化。這樣的處理導(dǎo)致?lián)]發(fā) 物和風(fēng)味成分的損失、顏色和質(zhì)地的變化、以及營養(yǎng)價值的減少。
干燥是最古老的保存技術(shù)之一。自然干燥(在陰涼處干燥)和熱空氣干燥仍然是 最廣泛使用的方法。然而，這些方法有幾個缺點和限制，例如，它們需要相對長的持續(xù)時間 和高的溫度以獲得最佳的干燥。干燥的材料與熱空氣的接觸使得重要的香味化合物和營養(yǎng)物質(zhì)的快速降解，以及顏色變化。這種方法的另一個缺點是組織的收縮，這導(dǎo)致組織塌陷從 而減少可用的生物量。冷凍干燥是材料冷凍，然后在真空下脫水的技術(shù)，其中所含的水通過 從冷凍狀態(tài)變成氣體狀態(tài)。盡管冷凍干燥從質(zhì)量的觀點來看是一種極好的方法，但是干燥 過程需要更多的時間和專門的設(shè)備，從而導(dǎo)致高能源和成本消耗。
相比空氣干燥，熱空氣干燥和冷凍干燥、微波或混合微波干燥技術(shù)(微波熱空氣 干燥、微波冷凍干燥、微波真空干燥、組合的微波熱空氣干燥前的滲透預(yù)處理)可以大大減 少生物學(xué)材料的干燥時間同時保證質(zhì)量。微波干燥技術(shù)有廣泛的研究，特別是在干燥水果 和蔬菜方面(Bouraout M，Richard P and Durance T. 1994. Microwave and convective drying of potato slices， Journal of Food Process Engineering 17 :353-363 ； Tulasidas TN，Ratti C and Raghavan GSV. 1997. Modelling of microwave drying of grapes，Canadian Agricultural Engineering 39 :57-67 ；Funebo T and Ohlsson T. 1998. Microwave-assisted air dehydration of apple and mushroom, Journal of Food Engineering 38(3) :353-367)。引進微波干燥/加熱技術(shù)，大大減少干燥時間，并且產(chǎn)生 高品質(zhì)的終產(chǎn)品，從而帶來了有前途的替代方法，對草本植物加工工業(yè)是重大貢獻。雖然 微波干燥是一種快速的技術(shù)，但由于非均勻的溫度分布，組織無法均勻地干燥(Vadivambal DS and Jayas R. 2007. Changes in the microwave treated agricultural products—a review. Biosystems Engineering. 28 :1-16)。
真空微波干燥提供一種替代方法來提高脫水產(chǎn)品的質(zhì)量。通過真空所帶來的低溫 和快速質(zhì)量傳遞與微波加熱的快速能量轉(zhuǎn)移組合，產(chǎn)生非常迅速的低溫干燥。由于在干燥 過程沒中有空氣存在，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、顏色和感官質(zhì)量可以更好地保存。真空微波干燥需要投 入大量的資金，但已成功地用于水果和蔬菜的脫水(Vadivamabal et al.)。
在最近的研究中，在留蘭香中進行不同的干燥技術(shù)如對流干燥、曬干、室內(nèi)空氣干 燥和太陽能干燥(使用聚乙烯篷干燥器)以比較復(fù)水性、顏色、油含量和干燥率(Parminder K,Satish K,Sadhana A,Neena C,and Manpreet S. 2009.1nfluence of different drying techniques on quality of spearmint(Mentha spicata L. ). Journal of Food Science and Technology. 46 (5) :440-444)。在這項研究中，相比對流干燥的樣品，常規(guī)空氣干燥的 薄荷樣品具有較高的油含量，特別是在較高的溫度下。相比較高溫度下常規(guī)干燥的樣品，對 流干燥的綠色保留更好。在了解熱應(yīng)激對生長的留蘭香植物的影響的研究中(Fletcher et al. ;2005b)，發(fā)現(xiàn)高溫干燥(80°C)顯著減少總的酚類物質(zhì)(高達87%)。該研究還表明， 當(dāng)組織在低溫(35°C時)下然后進行高溫干燥時，RA水平并沒有顯著降低。
一些加工工業(yè)的科學(xué)報告報道了水果和蔬菜的改進的微波干燥方法 (Vadivamabal et al.)。然而，在可行的報告中，目前很少有資料直接用微波干燥草本 植物，所有的研究主要集中在使用真空微波干燥技術(shù)。已經(jīng)研究了干燥方法如傳統(tǒng)干 燥、太陽能干燥、烘箱干燥和微波真空干燥對百里香(Thymus vulgaris L.)、鼠尾草、 牛至(Origanum sp)和迷迭香(Rosmarinus officinalis L.)中揮發(fā)性化合物的影 口向(Balladin DA and 0. Headley 0. 1999. Evaluation of solar dried thyme(Thymus vulgaris L.)herbs, Renewable Energy 17 :523-531) ；Venskutonis PR, Poll L and Larsen M. 1996.1nfluence of drying and irradiation on the composition of the volatile compounds of thyme(Thymus vulgaris L. ), Flavour and Fragrance Journal11 =123-128 ;)。所有這些研究表明，較高的溫度和長持續(xù)時間的暴露減少這些草本植物中重要揮發(fā)性化合物的水平。沒有科學(xué)報告是關(guān)于留蘭香的干燥動力學(xué)，特別是對出于商業(yè)提取酚類化合物及其穩(wěn)定性的目的比較不同的干燥技術(shù)。能夠迅速干燥葉生物量同時保持溫度不穩(wěn)定的目標(biāo)分子迷迭香酸的最佳水平的能力對植物化學(xué)產(chǎn)業(yè)使用這種植物物種是一個重大突破。
因此，亟需開發(fā)保留最高水平的迷迭香酸的留蘭香生物量的合適干燥方法。理想的干燥技術(shù)允許早期收獲，多地運輸時重量更輕，并減少用于生物量的長期存儲的空間而不發(fā)生劣化從而使得能整年進行提取。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明由控制使用能量以從植物材料去除水同時保持大量的熱不穩(wěn)定性成分組成。在一個具體實例中，將微波能量施用于新鮮收獲的薄荷以從植物材料去除水，而不破壞存在于薄荷中的大量迷迭香酸。所述方法允許快速和有效地干燥大量植物材料，減少植物材料的重量和體積，從而降低運輸和存儲的要求，同時保持大量的熱不穩(wěn)定性成分以用于后續(xù)的提取。


圖1是使用脫水器的相對水含量作為干燥時間函數(shù)的圖。
圖2是使用脫水器的溫度和干燥 持續(xù)時間對RA含量影響的圖。
圖3是微波干燥過程中相對水含量和RA水平作為樣品重量函數(shù)的圖。
圖4是冷凍干燥過程中相對水含量和RA水平作為樣品重量函數(shù)的圖。
具體實施方式
迷迭香酸(RA)是在包括留蘭香(Mentha spicata L.)在內(nèi)的各種植物物種中發(fā)現(xiàn)的有效酚類抗氧化劑。保持高水平RA的干燥留蘭香組織的有效方法對于可行的商業(yè)生產(chǎn)RA是重要的。進行研究以確定三種不同的留蘭香組織干燥方法如冷凍干燥、常規(guī)熱空氣干燥和微波干燥的效率。對使用冷凍干燥機的四種不同干燥持續(xù)時間，使用常規(guī)脫水器 (熱空氣干燥)的12種不同溫度-持續(xù)時間組合，以及使用微波的8種不同干燥持續(xù)時間進行測試。評價了干燥方法對相對水含量、組織顏色和RA水平的影響。在常規(guī)脫水器及冷凍干燥器中，在48h后達到干燥的留蘭香組織的最低穩(wěn)定的水分水平(< 10%)。另一方面， 在2. 5分鐘內(nèi)用微波干燥達到穩(wěn)定的水分水平。組織的RA水平的變化取決于干燥方法，干燥的持續(xù)時間和干燥所用的溫度。相比微波干燥和冷凍干燥的樣品，留蘭香組織的空氣干燥的樣品和脫水器干燥的樣品的綠色較少并且RA水平較低。室溫(RT)下空氣干燥或脫水器干燥超過48h的組織的RA水平隨干燥持續(xù)時間增加而下降。然而，使用脫水器，在非常高的溫度(彡570C )下，24h的干燥后RA水平降低高達80%。使用微波干燥時，保持RA最高水平以及最少組織收縮的最適宜干燥時間為2. 5分鐘。不考慮干燥時間，與所有其他方法相比，冷凍干燥的樣品保留最高水平的RA并且組織收縮量最少。然而，微波干燥看起來是在短時間內(nèi)保持高RA水平、期望的組織顏色和密度的最有效的干燥留蘭香組織的方式。
雖然微波能量用于在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，但是本發(fā)明包括還包括使用其他類型的能量和方法，其也會實現(xiàn)干燥新鮮植物材料同時保持植物材料存在的經(jīng)濟量的不穩(wěn) 定化合物的目的。例如，在適合的條件下，紅外干燥器和流化床是本領(lǐng)域已知的干燥植物材 料的有效方法。
實施例
實施例1
材料和方法
植物材料和樣品采集選用專用的能夠快速再生和積累高RA水平的留蘭香株系 用于此研究。在冬季(11月至I月)，在溫室中于補充照明的條件下建立這種株系的克隆。 本研究通過夾取包含新葉及較小的莖的植物的頂端4-6em來取得樣品。用于不同干燥方法 的每個重復(fù)的留蘭香組織樣品的初始鮮重為5±0. 05g。
干燥方法使用三種不同的干燥方法進行干燥實驗常規(guī)脫水器、常規(guī)微波和冷 凍干燥。
(a)常規(guī)脫水器使用標(biāo)準(zhǔn)蔬菜脫水器(Open Country-Sportsman Kitchen)干 燥組織葉，每個實驗重復(fù)三次。將預(yù)先稱重的葉組織在脫水器的托盤上平鋪為薄層。在脫 水器中設(shè)定三種不同的干燥溫度(35°C、41°C和57°C)來干燥組織樣品。此外，作為對照， 在室溫(RT)下干燥組織。在四個不同的溫度下將組織干燥0h、24h、48h、72h和96h。總體 而言，對于干燥器方法，在5個不同時間點、4個不同溫度下，分析干燥的組織的三次重復(fù)實 驗的60個樣品。對于每個處理，在設(shè)定的時間和溫度干燥后，記錄每個樣品的重量(處理 后的重量)。干燥處理后，每個樣品中的相對水含量估計為(處理后的重量/處理前的重 量)*100，并表示為百分比(% )。
(b)微波干燥實驗使用可編程的最大輸出為1150W的家用微波爐(GE-JES 1656SJ-02)。在每個干燥實驗中，將5±0.1g葉組織均勻地平鋪在微波腔內(nèi)的轉(zhuǎn)盤上，并允 許轉(zhuǎn)動以均勻吸收微波能量。以隨機選擇的70%的輸出功率，將樣品干燥8個不同的時間 段(30sec、lmin、Imin30sec、2min、2min30sec、3min、3min30sec、4min)。根據(jù)預(yù)設(shè)的微波輸 出功率，將每個處理重復(fù)三次。每個干燥時間點后立即稱重組織樣品。每次處理后的相對 水含量估計為(處理后的重量/處理前的重量)*100，并表示為％。
(C)冷凍干燥使用研究水平冷凍干燥機干燥留蘭香組織。將三份重復(fù)的組織 (5±0.1g)凍干0h、24h、48h、72h和96h。每個干燥時間點后立即稱重組織樣品。每次處理 后的相對水含量估計為(處理后的重量/處理前的重量)*100，且表示為％。
化學(xué)類型將所有三個干燥實驗的每個樣品的葉(其包括脫水器、微波和冷凍干 燥以及和空氣干燥處理的樣品)用研杵和研缽手工研磨。如下所述的HPLC作為RA的快速 定量方法用于所有樣品。每種干燥方法的所有樣品在干燥實驗內(nèi)和干燥實驗之間都互相進 行比較。
數(shù)據(jù)分析分別使用SAS 9. 2對每種干燥方法的所有數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析。對于 冷凍干燥和微波干燥方法，每個處理的RA水平和重量通過單向方差分析進行分析。因素設(shè) 計(溫度X持續(xù)時間)用來分析脫水器干燥方法。每個處理和處理組合所得到的Fisher 最小顯著性差異(LSD)用來區(qū)分比較方式。
誅迭香酸定量
化學(xué)品和試劑RA參比標(biāo)準(zhǔn)品(99. 0% )從Sigma-Aldrich公司獲得(目錄號53,6954)。乙腈、乙醇、水和正磷酸(o-phosphoric acid) (85% )為 HPLC 級，并從 Fisher Scientific 獲得。
樣品制備方法在I月收獲留蘭香植物組織，并通過上述材料和方法部分的干燥參數(shù)干燥。用研缽和研杵研磨葉和細莖組織。準(zhǔn)確稱取約10. 25±0. 25mg新鮮的磨碎的留蘭香組織，并置于已稱重的2. OmL微離心管中。精確地轉(zhuǎn)移1. 8mL提取溶劑(20mM KH2PO4(pH 2.5):乙醇(I Iv/v))到每管，并渦旋lmin。制備20mM磷酸鉀溶液(KH2PO4):將0.680g磷酸二氫鉀(HPLC級)中溶于燒杯中的約450mL水(HPLC級)，用幾微升磷酸調(diào)節(jié)pH至2. 5， 轉(zhuǎn)移到500mL容量瓶中，并以水定容。在室溫(約22°C )下，將微離心管部分浸入超聲浴 (具有固定功率設(shè)定的Fisher Scientific Model FS60D)，并且管口不被淹沒。將管超聲處理10分鐘，然后再渦旋額外的一分鐘。將管放置微型離心機中，在9600xg下離心10分鐘。將每種上清的一部分轉(zhuǎn)移到帶濾器的注射器(O. 245 μ m PTFE, 25mm直徑)，并注射過濾到琥珀色自動進樣器瓶，用壓帽密封。之前使用尼龍注射濾器發(fā)現(xiàn)RA回收以可重現(xiàn)的方式下降。通過PTFE或者尼龍介質(zhì)過濾的相同樣品等份的評價顯示約10%的RA留在尼龍中， 所以必須使用PTFE濾器，以保證從含水RA樣品的定量回收。
儀器和條件所有色譜分析使用配備二極管陣列檢測器、四元泵、自動進樣器、 柱加熱器和在線脫氣機的Agilent 1100和1200系列HPLC模塊的組合進行。使用HPLC ChemStation LC3D軟件對數(shù)據(jù)進行分析。柱是具有C18保護(SUPELC0)和PEEK偶合器的 LiChrosorb RP-18(250x 4. 6mm, 5 μ m, Supelco)。
流動相由0.1 %正磷酸(通道A)和0.1 %的乙腈中的正磷酸(通道B)組成。流動相A的制備向1-L容量瓶中的水中加入1. OOmL正磷酸水并用水定容。用乙腈類似地制備流動相B。梯度項目列在表I中，恒定流速為1. OmL/min,柱溫度保持在35°C，以多個波長監(jiān)測色譜(參見監(jiān)測的波長，僅在330nm處定量)，并且進樣為5 μ L。
表I HPLC洗脫程序
權(quán)利要求
1.一種從含有熱不穩(wěn)定性化合物的植物組織去除水的方法，所述方法包括將所述植物組織暴露于足以從植物材料去除大部分水而不使大部分所述熱不穩(wěn)定性化合物降解的強度的能量下持續(xù)足以從植物材料去除大部分水而不使大部分所述熱不穩(wěn)定性化合物降解的時間。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述能量是電磁能量。
3.權(quán)利要求2的方法，其中所述能量選自微波和紅外波長。
4.權(quán)利要求3的方法，其中所述強度為O.001ff/cm-l. OW/cm3。
5.權(quán)利要求4的方法，其中所述時間為5秒-250秒。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述植物組織收獲自唇形科(Lamiaceae)或唇形屬(Labiatae spp)的植物。
7.權(quán)利要求6的方法，其中所述植物為薄荷屬。
8.權(quán)利要求1的方法，其中所述熱不穩(wěn)定性化合物是酚類化合物。
9.權(quán)利要求9的方法，其中所述酚類化合物具有抗氧化性質(zhì)。
10.一種從生長中的植物提取熱不穩(wěn)定性化合物的方法，所述方法包括以下步驟(a)從所述生長中的植物收獲新鮮植物材料；(b)在收獲所述新鮮植物材料的24小時內(nèi)，將所述新鮮植物材料暴露于足以從所述新鮮植物材料去除大部分水而不使大部分所述熱不穩(wěn)定性化合物降解的強度的微波能量下持續(xù)足以從所述新鮮植物材料去除大部分水而不使大部分所述熱不穩(wěn)定性化合物降解的時間，以產(chǎn)生干燥的植物材料；以及(C)從所述干燥的植物材料分離所述熱不穩(wěn)定性化合物。
11.權(quán)利要求10的方法，其中所述植物是唇形科(Lamiaceae)或唇形屬(Labiataespp)。
12.權(quán)利要求10的方法，其中所述不穩(wěn)定的化合物具有抗氧化性質(zhì)。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所述不穩(wěn)定的化合物包括迷迭香酸。
全文摘要
一種干燥新鮮植物材料的方法，其中將含有期望的熱不穩(wěn)定性化合物的新鮮植物材料暴露于足以從植物材料去除大部分水而不使大部分所述熱不穩(wěn)定性化合物降解的強度的能量下持續(xù)足以從植物材料去除大部分水而不使大部分所述熱不穩(wěn)定性化合物降解的時間。該方法特別適合現(xiàn)場干燥新鮮收獲的植物材料，以減少植物材料的重量和體積，對于提取設(shè)備節(jié)約運輸成本，同時保持期望的熱不穩(wěn)定性化合物高水平的量和活性。
文檔編號A23L3/32GK103025179SQ201180023813
公開日2013年4月3日 申請日期2011年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月11日
發(fā)明者S·魯?shù)? B·納拉辛汗摩爾蒂, J·格里夫斯, S·威爾登 申請人:凱敏工業(yè)公司