优化热风干燥工艺可提高高丽参（Gastrodia elata）中的胃蛋白酶活性成分（gastrodin）含量及其抗氧化活性：基于化学和微观结构分析的发现

天麻热风干燥工艺优化及协同机制研究。通过HPLC和UHPLC/Q-TOF MS分析结合显微结构表征，确定150℃干燥3小时时天麻苷（GAS）含量达峰值（20.09 mg/g，较对照提高5.72倍），其提升机制源于苷类转化（化学）与淀粉糊化、组织破碎及维管束结构改变（物理）的协同作用。

沈建铎|张龙|董庆星|姜玉倩|李学进|李梦茹|拉米莎·安朱姆|纪文菊|李世明|张晓英|唐尧

中国天津市科学技术大学食品科学与工程学院食品营养与安全国家重点实验室，天津300457

摘要

优化天麻（Gastrodia elata）的干燥工艺可以增加其关键生物活性化合物——天麻素（GAS）的含量。本研究主要探讨了热风干燥条件（90–160°C，4小时；或150°C，1–5小时）对天麻素含量的影响。结果表明，在150°C下干燥3小时可使天麻素含量达到最大值（20.09 mg/g，比对照组高出5.72倍）。高效液相色谱（HPLC）与四极杆飞行时间质谱（UHPLC/Q-TOF MS）结合微观结构分析进一步证实，热风干燥导致天麻素含量增加的原因是化学和物理作用的协同效应：多种酚类化合物转化为天麻素是主要的化学机制，而淀粉糊化、组织破坏以及维管束结构的变化则是主要的物理机制。这项工作为优化天麻的加工工艺以应用于功能性食品提供了依据。

引言

天麻（Gastrodia elata）作为一种传统功能性食品，主要分布于中国、日本、韩国和俄罗斯。由于其悠久的使用历史和显著的药用价值，2023年被列入中国的药食同源物质名录（Su等人，2024年）。天麻具有多种生物活性，包括抗氧化、神经保护、降脂、抗癌和心脏保护作用（Li等人，2025年）。这些活性主要归因于其中丰富的酚类化合物，如天麻素、对羟基苯甲醇（HBA）和酚类衍生物（Wu等人，2022年）。《中国药典》（2025年）规定天麻素和对羟基苯甲醇的总含量应不低于0.25%（w/w）。其中，天麻素是天麻的主要药用成分，因此保持甚至提高其含量至关重要（Li等人，2021年）。然而，新鲜天麻中的天麻素含量较低，干重约为0.57 mg/g（Wu等人，2022年），且其易被内源性苷酶降解，因此需要及时进行适当的干燥处理（Li等人，2025年）。适当的加工方法可以将原材料转化为成分优化、功能性的产品（Ma等人，2021年）。例如，蒸煮可使天麻素和对羟基苯甲醇的含量分别提高3.44倍和1.11倍。蒸煮结合热风干燥或冷冻干燥可以进一步提高这些成分的含量，但所得总含量仍难以达到《中国药典》的要求（Wu等人，2022年）。某些组合工艺（如蒸煮结合真空干燥）的效果仍低于药典标准（Li等人，2025年），且这些工艺复杂、能耗较高。

传统的天麻加工方法包括蒸煮后进行3–4天的日晒干燥。这一过程可以失活酶并保留苷类化合物，从而提高天麻素含量（Li等人，2025年）。然而，精确控制蒸煮时间非常困难：蒸煮不足可能导致酶未被完全失活，从而引起天麻素降解；而过度蒸煮则会严重破坏细胞结构，导致水溶性成分（如天麻素）流失，最终降低产品质量（Xie等人，2021年）。此外，蒸煮过程中的高温和高湿度会导致淀粉糊化，使产品质地粘稠，增加发霉和变质的风险（Hu等人，2019年）。传统日晒干燥的温度较低（通常为30–40°C），导致干燥时间较长。其他干燥技术虽然具有优势，但在大规模应用时存在局限性。例如，微波干燥可使总酚类化合物含量提高3.4倍，并能失活水解天麻素的酶（Subramaniam等人，2020年），但温度难以控制，可能导致加热不均匀（Zhang等人，2025年）。冷冻干燥在低温和真空条件下进行，能有效保持材料原有的性质并抑制微生物生长和酶活性（Nowak & Jakubczyk，2020年），但由于能耗高，难以大规模工业化应用（Zhang等人，2025年）。热风干燥利用热空气同时进行传热和传质，具有精确且可调节的温度控制能力（Orphanides等人，2016年），是处理和制备中药材料的主要技术（Li等人，2021年）。尽管热风干燥效率高、易于控制且能保证质量均匀性（Bai等人，2023年），但高温下酚类化合物的化学转化与物理结构变化之间的机制尚不明确，这限制了其商业化应用。虽然热风干燥具有优势，但对其影响生物活性化合物积累和稳定性的机制（包括化学转化和从植物基质中的释放过程）仍缺乏全面理解。这些机制对于实现真正优化和可扩展的加工工艺至关重要。

本研究旨在确定最佳的热风干燥参数，以最大化天麻素含量和整体品质。通过结合分析化学（HPLC和UHPLC/Q-TOF MS）与微观结构分析，阐明了热风干燥过程中关键生物活性成分增强的化学转化和物理释放机制，为开发高质量的天麻产品提供了科学依据。

原材料和试剂

新鲜的天麻（Gastrodia elata Bl. f. glauca S. Chow）块茎采自中国云南省昭通市小曹坝镇，由天津科学技术大学食品科学与工程学院的唐尧教授进行鉴定。选择了大小均匀、成熟度适中、无腐烂、虫害和霉变的块茎。用流水冲洗去除表面土壤，并仔细检查以清除残留的霉菌或腐烂部分。

各酚类化合物的含量

为了研究干燥温度和时间对天麻生物活性成分的影响，使用HPLC测定了六种活性成分：天麻素（GAS）、对羟基苯甲醇（HBA）、PE、PB、PC和PA。其中，天麻素是天麻的主要药理活性成分，其含量是评估最佳干燥条件的关键指标（Li等人，2021年）。图1A展示了样品的HPLC色谱图，图1B显示了这六种化合物的化学结构。

结论

本研究通过最大化天麻素含量确定了最佳的热风干燥条件，并系统评估了其对总多糖（TPC/TFC）、抗氧化活性和微观结构的影响。结果表明，在150°C下干燥3小时是最佳条件：该条件下的天麻素含量比传统处理组高出5.72倍，总多糖含量和抗氧化活性（通过DPPH和FRAP测定）也有所提高。

作者贡献声明

沈建铎：撰写初稿、方法设计、数据分析、概念构建。 张龙：方法设计、数据分析。 董庆星：数据可视化、数据分析。 姜玉倩：数据分析、概念构建。 李学进：方法设计、概念构建。 李梦茹：方法设计、数据分析。 拉米莎·安朱姆：方法设计、数据分析。 纪文菊：方法设计、数据分析。 李世明：数据可视化、概念构建。 张晓英：撰写：

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：32101954）和中国新疆维吾尔自治区“天池人才”杰出专家项目的支持（项目编号：XJTC202302）。