专利名称：植物材料干燥方法
植物材料干燥方法
本申请要求于2010年5月11日提交的美国专利申请No. 61/333,403的优先权。 技术领域
本发明一般地涉及植物材料的干燥，并且更具体地涉及一种用于干燥植物材料以 保持高含量的不稳定生物活性分子的非显而易见的新方法。
背景技术：
迷迭香酸(RA)是咖啡酸和3，4_ 二羟基苯乙酸的酯。它也是各种植物物种包括 唇形科植物的植物物种的次生代谢产物。留兰香(Mentha spicata L.)特别地已知为用 于香料和风味剂工业的富含香芹酮的精油的主要来源，并种植在世界各地。其是快速生 长的多年生植物，可生物合成大量的RA和其他酚类物质，当选择这样处理时(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)。有兴 趣开发基于提取自留兰香的更具极性RA的产品，其可能在饮料、调味料和乳液中比鼠尾草 酸具有更高的抗氧化功效。另外，这种分子已知具有独特的性能，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
像许多其他草本植物一样留兰香季节性很强，并且具有较高含量的水分。为了保 存这种高度易腐的生物量资源，并使得可以在全年都可以进行提取，亟需组织的收获后技 术处理，如干燥和/或冷冻。在一般情况下，芳香草本植物和香料对于包括干燥或冷冻技术 在内的任何收获后加工都是非常敏感的，这加快组织的生物学恶化。这样的处理导致挥发 物和风味成分的损失、颜色和质地的变化、以及营养价值的减少。
干燥是最古老的保存技术之一。自然干燥(在阴凉处干燥)和热空气干燥仍然是 最广泛使用的方法。然而，这些方法有几个缺点和限制，例如，它们需要相对长的持续时间 和高的温度以获得最佳的干燥。干燥的材料与热空气的接触使得重要的香味化合物和营养物质的快速降解，以及颜色变化。这种方法的另一个缺点是组织的收缩，这导致组织塌陷从 而减少可用的生物量。冷冻干燥是材料冷冻，然后在真空下脱水的技术，其中所含的水通过 从冷冻状态变成气体状态。尽管冷冻干燥从质量的观点来看是一种极好的方法，但是干燥 过程需要更多的时间和专门的设备，从而导致高能源和成本消耗。
相比空气干燥，热空气干燥和冷冻干燥、微波或混合微波干燥技术(微波热空气 干燥、微波冷冻干燥、微波真空干燥、组合的微波热空气干燥前的渗透预处理)可以大大减 少生物学材料的干燥时间同时保证质量。微波干燥技术有广泛的研究，特别是在干燥水果 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)。引进微波干燥/加热技术，大大减少干燥时间，并且产生 高品质的终产品，从而带来了有前途的替代方法，对草本植物加工工业是重大贡献。虽然 微波干燥是一种快速的技术，但由于非均匀的温度分布，组织无法均匀地干燥(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种替代方法来提高脱水产品的质量。通过真空所带来的低温 和快速质量传递与微波加热的快速能量转移组合，产生非常迅速的低温干燥。由于在干燥 过程没中有空气存在，产品的结构、颜色和感官质量可以更好地保存。真空微波干燥需要投 入大量的资金，但已成功地用于水果和蔬菜的脱水(Vadivamabal et al.)。
在最近的研究中，在留兰香中进行不同的干燥技术如对流干燥、晒干、室内空气干 燥和太阳能干燥(使用聚乙烯篷干燥器)以比较复水性、颜色、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)。在这项研究中，相比对流干燥的样品，常规空气干燥的 薄荷样品具有较高的油含量，特别是在较高的温度下。相比较高温度下常规干燥的样品，对 流干燥的绿色保留更好。在了解热应激对生长的留兰香植物的影响的研究中(Fletcher et al. ;2005b)，发现高温干燥(80°C)显著减少总的酚类物质(高达87%)。该研究还表明， 当组织在低温(35°C时)下然后进行高温干燥时，RA水平并没有显著降低。
一些加工工业的科学报告报道了水果和蔬菜的改进的微波干燥方法 (Vadivamabal et al.)。然而，在可行的报告中，目前很少有资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术。已经研究了干燥方法如传统干 燥、太阳能干燥、烘箱干燥和微波真空干燥对百里香(Thymus vulgaris L.)、鼠尾草、 牛至(Origanum sp)和迷迭香(Rosmarinus officinalis L.)中挥发性化合物的影 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 ;)。所有这些研究表明，较高的温度和长持续时间的暴露减少这些草本植物中重要挥发性化合物的水平。没有科学报告是关于留兰香的干燥动力学，特别是对出于商业提取酚类化合物及其稳定性的目的比较不同的干燥技术。能够迅速干燥叶生物量同时保持温度不稳定的目标分子迷迭香酸的最佳水平的能力对植物化学产业使用这种植物物种是一个重大突破。
因此，亟需开发保留最高水平的迷迭香酸的留兰香生物量的合适干燥方法。理想的干燥技术允许早期收获，多地运输时重量更轻，并减少用于生物量的长期存储的空间而不发生劣化从而使得能整年进行提取。发明内容
本发明由控制使用能量以从植物材料去除水同时保持大量的热不稳定性成分组成。在一个具体实例中，将微波能量施用于新鲜收获的薄荷以从植物材料去除水，而不破坏存在于薄荷中的大量迷迭香酸。所述方法允许快速和有效地干燥大量植物材料，减少植物材料的重量和体积，从而降低运输和存储的要求，同时保持大量的热不稳定性成分以用于后续的提取。
图1是使用脱水器的相对水含量作为干燥时间函数的图。
图2是使用脱水器的温度和干燥 持续时间对RA含量影响的图。
图3是微波干燥过程中相对水含量和RA水平作为样品重量函数的图。
图4是冷冻干燥过程中相对水含量和RA水平作为样品重量函数的图。
具体实施方式
迷迭香酸(RA)是在包括留兰香(Mentha spicata L.)在内的各种植物物种中发现的有效酚类抗氧化剂。保持高水平RA的干燥留兰香组织的有效方法对于可行的商业生产RA是重要的。进行研究以确定三种不同的留兰香组织干燥方法如冷冻干燥、常规热空气干燥和微波干燥的效率。对使用冷冻干燥机的四种不同干燥持续时间，使用常规脱水器 (热空气干燥)的12种不同温度-持续时间组合，以及使用微波的8种不同干燥持续时间进行测试。评价了干燥方法对相对水含量、组织颜色和RA水平的影响。在常规脱水器及冷冻干燥器中，在48h后达到干燥的留兰香组织的最低稳定的水分水平(< 10%)。另一方面， 在2. 5分钟内用微波干燥达到稳定的水分水平。组织的RA水平的变化取决于干燥方法，干燥的持续时间和干燥所用的温度。相比微波干燥和冷冻干燥的样品，留兰香组织的空气干燥的样品和脱水器干燥的样品的绿色较少并且RA水平较低。室温(RT)下空气干燥或脱水器干燥超过48h的组织的RA水平随干燥持续时间增加而下降。然而，使用脱水器，在非常高的温度(彡570C )下，24h的干燥后RA水平降低高达80%。使用微波干燥时，保持RA最高水平以及最少组织收缩的最适宜干燥时间为2. 5分钟。不考虑干燥时间，与所有其他方法相比，冷冻干燥的样品保留最高水平的RA并且组织收缩量最少。然而，微波干燥看起来是在短时间内保持高RA水平、期望的组织颜色和密度的最有效的干燥留兰香组织的方式。
虽然微波能量用于在本发明的优选实施方案中，但是本发明包括还包括使用其他类型的能量和方法，其也会实现干燥新鲜植物材料同时保持植物材料存在的经济量的不稳 定化合物的目的。例如，在适合的条件下，红外干燥器和流化床是本领域已知的干燥植物材 料的有效方法。
实施例
实施例1
材料和方法
植物材料和样品采集选用专用的能够快速再生和积累高RA水平的留兰香株系 用于此研究。在冬季(11月至I月)，在温室中于补充照明的条件下建立这种株系的克隆。 本研究通过夹取包含新叶及较小的茎的植物的顶端4-6em来取得样品。用于不同干燥方法 的每个重复的留兰香组织样品的初始鲜重为5±0. 05g。
干燥方法使用三种不同的干燥方法进行干燥实验常规脱水器、常规微波和冷 冻干燥。
(a)常规脱水器使用标准蔬菜脱水器(Open Country-Sportsman Kitchen)干 燥组织叶，每个实验重复三次。将预先称重的叶组织在脱水器的托盘上平铺为薄层。在脱 水器中设定三种不同的干燥温度(35°C、41°C和57°C)来干燥组织样品。此外，作为对照， 在室温(RT)下干燥组织。在四个不同的温度下将组织干燥0h、24h、48h、72h和96h。总体 而言，对于干燥器方法，在5个不同时间点、4个不同温度下，分析干燥的组织的三次重复实 验的60个样品。对于每个处理，在设定的时间和温度干燥后，记录每个样品的重量(处理 后的重量)。干燥处理后，每个样品中的相对水含量估计为(处理后的重量/处理前的重 量)*100，并表示为百分比(% )。
(b)微波干燥实验使用可编程的最大输出为1150W的家用微波炉(GE-JES 1656SJ-02)。在每个干燥实验中，将5±0.1g叶组织均匀地平铺在微波腔内的转盘上，并允 许转动以均匀吸收微波能量。以随机选择的70%的输出功率，将样品干燥8个不同的时间 段(30sec、lmin、Imin30sec、2min、2min30sec、3min、3min30sec、4min)。根据预设的微波输 出功率，将每个处理重复三次。每个干燥时间点后立即称重组织样品。每次处理后的相对 水含量估计为(处理后的重量/处理前的重量)*100，并表示为％。
(C)冷冻干燥使用研究水平冷冻干燥机干燥留兰香组织。将三份重复的组织 (5±0.1g)冻干0h、24h、48h、72h和96h。每个干燥时间点后立即称重组织样品。每次处理 后的相对水含量估计为(处理后的重量/处理前的重量)*100，且表示为％。
化学类型将所有三个干燥实验的每个样品的叶(其包括脱水器、微波和冷冻干 燥以及和空气干燥处理的样品)用研杵和研钵手工研磨。如下所述的HPLC作为RA的快速 定量方法用于所有样品。每种干燥方法的所有样品在干燥实验内和干燥实验之间都互相进 行比较。
数据分析分别使用SAS 9. 2对每种干燥方法的所有数据进行统计学分析。对于 冷冻干燥和微波干燥方法，每个处理的RA水平和重量通过单向方差分析进行分析。因素设 计(温度X持续时间)用来分析脱水器干燥方法。每个处理和处理组合所得到的Fisher 最小显著性差异(LSD)用来区分比较方式。
诛迭香酸定量
化学品和试剂RA参比标准品(99. 0% )从Sigma-Aldrich公司获得(目录号53,6954)。乙腈、乙醇、水和正磷酸(o-phosphoric acid) (85% )为 HPLC 级，并从 Fisher Scientific 获得。
样品制备方法在I月收获留兰香植物组织，并通过上述材料和方法部分的干燥参数干燥。用研钵和研杵研磨叶和细茎组织。准确称取约10. 25±0. 25mg新鲜的磨碎的留兰香组织，并置于已称重的2. OmL微离心管中。精确地转移1. 8mL提取溶剂(20mM KH2PO4(pH 2.5):乙醇(I Iv/v))到每管，并涡旋lmin。制备20mM磷酸钾溶液(KH2PO4):将0.680g磷酸二氢钾(HPLC级)中溶于烧杯中的约450mL水(HPLC级)，用几微升磷酸调节pH至2. 5， 转移到500mL容量瓶中，并以水定容。在室温(约22°C )下，将微离心管部分浸入超声浴 (具有固定功率设定的Fisher Scientific Model FS60D)，并且管口不被淹没。将管超声处理10分钟，然后再涡旋额外的一分钟。将管放置微型离心机中，在9600xg下离心10分钟。将每种上清的一部分转移到带滤器的注射器(O. 245 μ m PTFE, 25mm直径)，并注射过滤到琥珀色自动进样器瓶，用压帽密封。之前使用尼龙注射滤器发现RA回收以可重现的方式下降。通过PTFE或者尼龙介质过滤的相同样品等份的评价显示约10%的RA留在尼龙中， 所以必须使用PTFE滤器，以保证从含水RA样品的定量回收。
仪器和条件所有色谱分析使用配备二极管阵列检测器、四元泵、自动进样器、 柱加热器和在线脱气机的Agilent 1100和1200系列HPLC模块的组合进行。使用HPLC ChemStation LC3D软件对数据进行分析。柱是具有C18保护(SUPELC0)和PEEK偶合器的 LiChrosorb RP-18(250x 4. 6mm, 5 μ m, Supelco)。
流动相由0.1 %正磷酸(通道A)和0.1 %的乙腈中的正磷酸(通道B)组成。流动相A的制备向1-L容量瓶中的水中加入1. OOmL正磷酸水并用水定容。用乙腈类似地制备流动相B。梯度项目列在表I中，恒定流速为1. OmL/min,柱温度保持在35°C，以多个波长监测色谱(参见监测的波长，仅在330nm处定量)，并且进样为5 μ L。
表I HPLC洗脱程序
权利要求
1.一种从含有热不稳定性化合物的植物组织去除水的方法，所述方法包括将所述植物组织暴露于足以从植物材料去除大部分水而不使大部分所述热不稳定性化合物降解的强度的能量下持续足以从植物材料去除大部分水而不使大部分所述热不稳定性化合物降解的时间。
2.权利要求1的方法，其中所述能量是电磁能量。
3.权利要求2的方法，其中所述能量选自微波和红外波长。
4.权利要求3的方法，其中所述强度为O.001ff/cm-l. OW/cm3。
5.权利要求4的方法，其中所述时间为5秒-250秒。
6.权利要求1的方法，其中所述植物组织收获自唇形科(Lamiaceae)或唇形属(Labiatae spp)的植物。
7.权利要求6的方法，其中所述植物为薄荷属。
8.权利要求1的方法，其中所述热不稳定性化合物是酚类化合物。
9.权利要求9的方法，其中所述酚类化合物具有抗氧化性质。
10.一种从生长中的植物提取热不稳定性化合物的方法，所述方法包括以下步骤(a)从所述生长中的植物收获新鲜植物材料；(b)在收获所述新鲜植物材料的24小时内，将所述新鲜植物材料暴露于足以从所述新鲜植物材料去除大部分水而不使大部分所述热不稳定性化合物降解的强度的微波能量下持续足以从所述新鲜植物材料去除大部分水而不使大部分所述热不稳定性化合物降解的时间，以产生干燥的植物材料；以及(C)从所述干燥的植物材料分离所述热不稳定性化合物。
11.权利要求10的方法，其中所述植物是唇形科(Lamiaceae)或唇形属(Labiataespp)。
12.权利要求10的方法，其中所述不稳定的化合物具有抗氧化性质。
13.权利要求12的方法，其中所述不稳定的化合物包括迷迭香酸。
全文摘要
一种干燥新鲜植物材料的方法，其中将含有期望的热不稳定性化合物的新鲜植物材料暴露于足以从植物材料去除大部分水而不使大部分所述热不稳定性化合物降解的强度的能量下持续足以从植物材料去除大部分水而不使大部分所述热不稳定性化合物降解的时间。该方法特别适合现场干燥新鲜收获的植物材料，以减少植物材料的重量和体积，对于提取设备节约运输成本，同时保持期望的热不稳定性化合物高水平的量和活性。
文档编号A23L3/32GK103025179SQ201180023813
公开日2013年4月3日 申请日期2011年5月11日 优先权日2010年5月11日
发明者S·鲁登, B·纳拉辛汗摩尔蒂, J·格里夫斯, S·威尔登 申请人:凯敏工业公司