Vergleich der Trocknungseigenschaften von Ganoderma lucidum, hergestellt durch den Konvektionstrockner und den Infrarottrockner

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12636 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Ganoderma lucidum ist ein vielversprechendes Arzneimittel mit einem hohen Anteil an Antioxidantien und Kalzium. Die Auswahl geeigneter Trocknungsverfahren spielt in der Lebensmittelwissenschaft eine entscheidende Rolle, um die besten Endeigenschaften zu erzielen. Ziel dieser Studie war es, die Auswirkungen von Luftgeschwindigkeit und Temperatur im Konvektionstrockner, Probenabstand und Infrarotleistung in Infrarottrocknern auf die Trocknungskinetik und Qualität von Ganoderma lucidum-Scheiben zu untersuchen. Darüber hinaus wurde die Response-Surface-Methodik auf Basis des zentralen Kompositionsdesigns zur Optimierung und Analyse der Trocknungsbedingungen eingesetzt. Die Temperatur- und Luftgeschwindigkeitsbereiche lagen beim konvektiven Trocknungsprozess bei 40–60 °C bzw. 0,5–1,5 m/s, während der Abstandsbereich und die Infrarotleistung im Infrarotbereich 4–16 cm bzw. 500–1500 W betrugen Trocknungsprozess. Erwähnenswert ist, dass der Gehalt an Antioxidantien und Kalzium während des Trocknungsprozesses stark erhöht wurde. Darüber hinaus lagen die Werte der Gesamtfarbdifferenz zwischen 8,21 und 19,66 beim Konvektionstrockner und 8,14 und 28,85 beim Infrarottrockner. Eine kinetische Studie ergab, dass getrocknete Proben durch den Infrarot-Trockner aufgrund der Einwirkung von IR-Strahlung schnell den Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalt erreichen könnten. Folglich deuten die Ergebnisse darauf hin, dass der Infrarot-Trockner hinsichtlich Trocknungszeit, Energieverbrauch sowie Menge an Kalzium und Antioxidantien eine bessere Leistung als der Konvektionstrockner aufweist.

Ganoderma lucidum ist eines der prestigeträchtigsten traditionellen chinesischen Arzneimittel und außerdem einer der prestigeträchtigsten Inhaltsstoffe der Gattung orientalischer Makropilze, bekannt als Lingzhi1,2,3,4. Dieses Produkt wird gleichzeitig in Medikamenten und Lebensmitteln verwendet5,6. Mehrere phenolische Verbindungen in Ganoderma lucidum wurden untersucht, nämlich Gallussäure, Pyrogallol, Hydroxybenzoesäure, Cumarsäure, Zimtsäure, Protocatechinsäure, Catechin, Naringin, Myricetin, Quercetin, Kaempferol, Hesperetin und Formononetin7,8,9. Kürzlich haben Forscher berichtet, dass die Polysaccharide einer der vielversprechendsten aktiven Bestandteile von Ganoderma lucidum sind und für viele Zwecke eingesetzt werden können, darunter Antitumor10,11,12, antioxidative13,14,15,16, hypoglykämische und immunstimulierende Wirkung17. 18,19,20,21,22 aufgrund ihrer biologischen Aktivitäten. In der Lebensmittelindustrie und Medizin werden seit langem natürliche Polysaccharide eingesetzt. Es wurden zahlreiche Studien zu bioaktiven Polysacchariden, insbesondere zu ihren Strukturen und Mechanismen bei Krankheiten, durchgeführt23,24,25. Mehrere Jahre Forschung haben bewiesen, dass Ganoderma lucidum sowohl ein Immunstimulans als auch ein starkes Antioxidans ist. Heutzutage wird es als Ergänzung zur Vermeidung der Nebenwirkungen einer Chemotherapie und zur Behandlung von Krebs eingesetzt25. GLP-Polysaccharide weisen eine Vielzahl biologischer Wirkungen auf, darunter immunmodulatorische, antineurodegenerative, antidiabetische, entzündungshemmende, krebsbekämpfende und antibakterielle Eigenschaften. Insbesondere -d-Glucane sind für ihre biologische und physiologische Aktivität bekannt26. Darüber hinaus wurden größtenteils natürliche Polysaccharide mit unterschiedlichen Heilwirkungen untersucht und sogar in Therapien eingesetzt27,28. Mehrere Faktoren, darunter chemische Komponenten, Molekulargewicht, Struktur, Konformation und sogar Trocknungstechniken, können die antioxidative Aktivität von Polysacchariden beeinflussen, insbesondere im Hinblick auf die aus dem Rohmaterial entfernten oder isolierten Komponenten15,29,30,31,32. Das Trocknen von Ganoderma ist typischerweise ein Ansatz für eine längere Haltbarkeit ohne den Einsatz chemischer Konservierungsstoffe und die Konzentration des medizinischen Werts im Fruchtkörper15,33,34. Laut Literaturstudien sind der Gewebetyp und seine Position in der Zelle wichtige Faktoren bei verschiedenen Trocknungsmethoden, um deren Auswirkungen auf phenolische Verbindungen herauszufinden35. Der Einsatz und die Auswahl der besten Nacherntetechniken spielen eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Haltbarkeit und dem Erhalt der Pilzqualität36. Hayati et al. fanden heraus, dass die Form der Trocknungsmaterialien einen großen Einfluss auf die Beibehaltung des Gehalts an wasserlöslichen Polysacchariden und die antioxidativen Aktivitäten von Ganoderma lucidum hat. Darüber hinaus waren die Fruchtkörper dadurch bei jeder Form der Trocknung (Trocknung unter direkter Sonneneinstrahlung, Trocknung unter der Sonne, bedeckt mit schwarzem Stoff, Ofentrocknung und Umluftofentrocknung) wirksamer bei der Erhaltung thermolabiler pharmazeutischer Wirkstoffe von Ganoderma. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Luftzirkulation während der Ofentrocknung von Ganoderma lucidum unter anderen Trocknungstechniken den höchsten Erhalt des Gehalts an wasserlöslichen Polysacchariden und antioxidativen Aktivitäten aufwies37. Chen et al. verwendeten eine Kombinationstrocknungstechnik aus Mikrowellen-Vakuum und herkömmlichen Vakuumtrocknungsmethoden, um die Polysaccharide zu extrahieren und die Ergebnisse mit der Gefriertrocknungsmethode zu vergleichen. Sie gaben an, dass die Extraktionsqualität mit dieser Kombinationstechnik nahe an der Qualität der gefriergetrockneten Extraktion lag und viel besser war als die des herkömmlichen vakuumgetrockneten Ansatzes34. Der Ansatz der konvektiven Heißlufttrocknung für Ganoderma tsugae Murrill wurde von Chin et al. untersucht. bei unterschiedlichen Trocknungstemperatur-, Größen- und Luftstrombedingungen. Sie fanden heraus, dass bei 50 °C und einer Luftgeschwindigkeit von 1,401 m/s getrocknetes Ganoderma den maximalen Gehalt an roher Ganodersäure aufweist33. Afzal et al. untersuchten den Energieverbrauch und die Eigenschaften von getrockneter Gerste durch einen kombinierten FIR-Konvektionstrockner38. Sie fanden heraus, dass Infrarot die Trocknungsgeschwindigkeit erhöhen und den Energieverbrauch während des Trocknungsprozesses senken kann. Darüber hinaus haben Taghinezhad et al. untersuchten den Trocknungsprozess von Rübenscheiben durch den Konvektiv-Infrarot-Trockner und nutzten eine intelligente Modellierungstechnik, um den vorgeschlagenen Färbeprozess zu optimieren und zu modellieren39.

Der Zweck dieser Forschung besteht darin, die Auswirkungen verschiedener Trocknungstechniken auf die antioxidative Aktivität von Ganoderma lucidum zu untersuchen. Die Response Surface Methodology (RSM) wird als wertvoller statistischer Ansatz zur Untersuchung der Auswirkungen verschiedener Eingabevariablen eingesetzt, die eine wichtige Rolle für die Qualität der Produkte spielen können40,41,42,43. Die Auswirkungen verschiedener Variablen wie Lufttemperatur, Abstand, Infrarotleistung und Luftgeschwindigkeit auf die Prozessvariablen wie Trocknungszeit, Energieverbrauch, Antioxidantien, Kalziumgehalt und Gesamtfarbunterschied von Ganoderma lucidum werden von RSM mit zentraler Zusammensetzungsgestaltung untersucht und optimiert (CCD). Die Neuheit des aktuellen Beitrags ist die Untersuchung der medizinischen Aspekte von Ganoderma lucidum als großartigem Kräuterheilmittel, wie z. B. Antioxidantien und Kalziummengen, die durch Infrarot- und Konvektionstrockner getrocknet werden. Darüber hinaus kann diese Forschung Forschern, die sich mit pflanzlichen Arzneimitteln befassen, dabei helfen, Materialien unter den besten Bedingungen zu trocknen.

Frische Fruchtkörper von Ganoderma lucidum wurden von Hand auf einer Farm in Bandar-e Anzali, einer Stadt in der Provinz Gilan im Iran, geerntet, dann zum Labor transportiert und in 2 × 2 cm große quadratische Scheiben mit 2 mm Dicke geschnitten. Der anfängliche Feuchtigkeitsgehalt der Proben auf Nassbasis wurde mit 78,46 ± 2 % WB unter Verwendung des Ofens bei 105 °C für 24 Stunden gemessen.

Der Versuchsaufbau und das Schema der in dieser Studie verwendeten Konvektions- und Infrarottrockner sind in Abb. 1 dargestellt. Dieser Aufbau kann als Konvektionstrockner verwendet werden, wenn nur die Heizung und der Ventilator in Betrieb sind. Im Konvektionstrockner wurden die Probenscheiben heißer Luft bei Temperaturen zwischen 40 und 60 °C und Luftgeschwindigkeiten zwischen 0,5 und 1,5 m/s ausgesetzt. Daher wurden 10 g des Rohmaterials mit einer elektronischen Waage (A&D, EK-6000i, Japan) gemessen und der Konvektionstrockner etwa 30 Minuten lang gestartet, um einen stabilen Zustand zu erreichen, bevor die Proben in den Konvektionstrockner gegeben wurden. Anschließend wurde der Gewichtsverlust der Scheiben alle 15 Minuten mit einer elektronischen Waage gemessen, bis der Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalt (EMC) erreicht war. Darüber hinaus ist es erwähnenswert, dass der Energieverbrauch alle 15 Minuten bis zum Erreichen des EMV-Werts mit einem Leistungsmonitor (Energiemodell EMS-EU, England) gemessen wurde. Nach Erreichen der EMC wurden die Proben mit einer mechanischen Mühle (Grindmatic-Modell Nr. QYX-501, Hongkong) zu Pulver gemahlen, um sie in charakteristischen Tests zu verwenden.

Tatsächliches (a) und schematisches (b) von Konvektions- und Infrarottrocknern: (1) Gebläse; (2) elektrische Heizung; (3) Infrarotlampen; (4) Trockenkammer; (5) Steuereinheit; (6) Luftauslass.

Wie in Abb. 1 zu sehen ist, kann der Infrarottrockner eingesetzt werden, wenn die Heizung und der Ventilator nicht in Betrieb sind und die Infrarotlampe in Betrieb sein sollte. Zur Bereitstellung von Infrarotenergie wurde eine Infrarotlampe (Victory, England) mit einer Leistung von 1500 W verwendet. Die Abstände zwischen der Infrarotlampe und der Probe können bei diesem System per Kabel verändert werden. Bei der IR-Trocknung wurde der Einfluss unterschiedlicher Strahlungsintensitäten (z. B. 500, 1000, 1500 W) und des Lampenabstands zur Probe (4, 10, 16 cm) untersucht. Die konvektiven oder Infrarot-Trocknungsprozesse wurden fortgesetzt, bis das Gewicht der Probe auf einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 12 ± 2 % (nasse Basis) abfiel. Genauer gesagt wurden der Gewichtsverlust der Scheiben und der Energieverbrauch alle 2 Minuten bis zum Erreichen des EMV-Werts mit der elektronischen Waage und dem Leistungsmonitor gemessen. Nachdem die EMC erreicht worden war, wurden die Proben mit einer mechanischen Mühle zu Pulver gemahlen, um sie für charakteristische Tests zu verwenden.

Die Bestimmung des Radikalfängers erfolgte mit 2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl, das üblicherweise als DPPH bezeichnet wird. Gemäß den Richtlinien änderte Miliauskas das Brand-Williams-Verfahren zur Bestimmung des DPPH-Radikalfängerpotenzials jedes Extrakts44,45. Die maximale Absorptionsbande des DPPH-Radikals beträgt 515 nm und verschwindet bei Reduktion durch ein Antioxidans.

Die DPPH-Lösung in Methanol (\(6\times {10}^{-5} \mathrm{M}\)) wurde täglich hergestellt und 3 ml dieser Lösung wurden mit 100 μl methanolischen Pflanzenextraktlösungen gemischt. Anschließend wurden die Proben 20 Minuten lang bei 37 °C in einem Wasserbad inkubiert und die Abnahme der Absorption bei 515 nm gemessen (AE). Zusätzlich wurde die Blindprobe täglich in der DPPH-Lösung mit 100 μl Methanol vorbereitet und ihre Absorption bestimmt (AB). Dieses Experiment wurde dreimal wiederholt. Zur Quantifizierung der Radikalfängeraktivität wurde die folgende Formel verwendet.

Dabei ist AB die Absorption der Blindprobe und AE die Absorption des Pflanzenextrakts.

Die Farbe gilt als Schlüsselparameter bei der Beurteilung von Lebensmitteln und ihrer Stabilität46. Während des Trocknens wurde aufgrund der biochemischen Reaktionen eine Farbverschiebung beobachtet. Die Reaktionsgeschwindigkeiten werden stark von den Prozessbedingungen und den Trocknungsmethoden beeinflusst47. Die Oberflächenfarbwerte sowohl getrockneter als auch frischer Ganoderma-Scheiben wurden mit einem von Konica Minolta aus Japan entwickelten Chroma Meter Colorimeter bei Raumbedingungen charakterisiert. Das Kolorimeter wurde vor den Messungen auf eine normale Schwarz-Weiß-Tafel kalibriert. Die durch L∗ dargestellten Farbwerte liegen zwischen 0 (bezieht sich auf die Schwärze) und 100 (bezieht sich auf die Weiße). Darüber hinaus gibt es zwei weitere Farbparameter, darunter a und b, die zwischen − a (Grünheit) und + a (Rotheit) sowie − b (Blauheit) und + b (Gelbheit) liegen48. Darüber hinaus können die Werte für Chroma (C), Gesamtfarbdifferenz (∆E) und Farbtonwinkel durch die folgenden Gleichungen49 bestimmt werden.

wobei L0*, a0* und b0* für die frischen Proben stehen.

Es sollte erwähnt werden, dass der Farbtonwinkelparameter den Farbton darstellt (dh Rot-Lila: 0°, Blaugrün: 180°, Gelb: 90° und Blau: 270°). Darüber hinaus dient der Chroma-Parameter (C) als Maßstab für die Sättigung oder Reinheit der Farbe.

Die Proben wurden gemäß der zuvor veröffentlichten Literatur50 vorbereitet (gewaschen, getrocknet und gemahlen). Zuerst wurden die Proben mit Wasser gewaschen und dann wurden sie erneut mit 0,1 mol HCl-Lösung und destilliertem Wasser gewaschen. Die Pflanzenprobe wurde 48 Stunden lang bei 70 °C in einem Ofen getrocknet und anschließend gemahlen. Die gemahlene Probe wurde durch ein 0,5-mm-Sieb gegeben und die Menge der aufgenommenen Nährstoffe wie N, P, K, Ca und Mg wurde gemessen. Der aus der Gefriertrocknung gewonnene Extrakt wurde zur Bestimmung der Menge an Calcium und Magnesium verwendet. Hierzu wurde 1 ml Extrakt mit destilliertem Wasser im Verhältnis 1:9 verdünnt. Zusätzlich wurden 0,25 ml verdünnter Extrakt mit einer Mikropipette in ein Röhrchen überführt und dann 4,75 ml La(NO3)3-Lösung mit 1 mg La in das Röhrchen gegeben. Dieser vorbereitete Extrakt wurde verwendet, um die Calciumabsorption bei einer Wellenlänge von 422,7 nm mit einem Absorptionsspektrophotometer zu bestimmen. Zur Berechnung des Calciumgehalts in den getrockneten Pflanzenproben wurde die folgende Formel angewendet.

Dabei ist a die Calciumkonzentration des Extrakts in ppm, b die Calciumkonzentration der Kontrollprobe in ppm, V das Anfangsvolumen in ml, W das Probengewicht in g und DM den Gewichtsprozentsatz der getrockneten Pflanze. Erwähnenswert ist, dass der Calciumgehalt der frischen Probe mit 0,2 % gemessen wurde.

Während der Vorbereitung der getrockneten Proben in beiden Trocknern wurde das Gewicht der Proben gemessen. Mit der folgenden Gleichung lässt sich der spezifische Energieverbrauch des Trocknungsprozesses in MJ/g Wasser ermitteln.

Dabei steht Et für den Energieverbrauch der Entfeuchtung und Mw für das Gewicht des während des Trocknungsprozesses aus den Proben entfernten Wassers.

Die Response-Surface-Methodik (RSM) der Design-Expert-Software Version 12.0 mit Central Composition Design (CCD) wurde verwendet, um die Auswirkungen mehrerer Faktoren wie Lufttemperatur, Entfernung, Leistungsinfrarot und Luftgeschwindigkeit auf den Prozess für Trocknungszeit und Energieverbrauch zu optimieren , Antioxidantien-Extraktion, Calcium-Extraktion und Gesamtfarbunterschied zu Ganoderma lucidum.

Ein CCD ist die am häufigsten verwendete Kategorie von Experimenten mit Reaktionsoberflächendesign. Darüber hinaus handelt es sich um einen faktoriellen oder fraktionellen faktoriellen Entwurf mit Mittelpunkten, erweitert um eine Gruppe von Sternpunkten, die große Möglichkeiten bei der Krümmungsvorhersage bieten können. In dieser Studie schlug der CCD-Ansatz entsprechend zwei berücksichtigten Eingangsvariablen für den Konvektions- und Infrarottrocknungsprozess 13 Experimente vor und nach dem Testen dieser experimentellen Bedingungen wurden Modellierungs- und Optimierungsstudien in der oben genannten Software durchgeführt.

Die Trocknungszeit der Fruchtkörper von Ganoderma lucidum hing im Wesentlichen von der Trocknungstechnik, der Temperatur und der Leistung ab. Die Parameterbereiche von Infrarot- und Konvektionstrocknern sind in den Tabellen 1 und 2 aufgeführt.

Es wurde beobachtet, dass die kürzeste Trocknungszeit mit dem Infrarot-Trockner (IP = 1000 W, L = 4 cm) und die höchste mit dem Konvektionstrockner (T = 50 °C, V = 0,5 m/s) zusammenhängt. Die minimale Trocknungszeit der Proben in Konvektiv- und Infrarottrocknern betrug 270 bzw. 25 Minuten. Das bedeutet, dass der Infrarot-Trockner die Trocknungszeit um bis zu 90 % reduziert hat. Durch die Absorption der Infrarotstrahlung im Infrarottrockner wird Wärme aus dem Inneren der Probe freigesetzt und Wasser aus dem Inneren der Probe an ihre Oberfläche transportiert, was zu einer schnellen Trocknung führt. Diese Beobachtungen wurden in der Fachliteratur51 zu den Trocknungseigenschaften von Pilzscheiben bestätigt. Je höher die Leistung und je geringer die Probenabstände, desto kürzer ist die Trocknungszeit im Infrarot-Trockner. Darüber hinaus ergab diese Untersuchung, dass die Trocknungszeit in einem Konvektionstrockner umso kürzer ist, je höher die Luftgeschwindigkeit und -temperatur ist. Motevali et al.52 fanden heraus, dass eine Erhöhung der Luftströmungsrate den Dampfdruck verringert, was dazu führt, dass das Material Feuchtigkeit schneller verdunsten kann.

Die Gleichungen (7) und (8) wurden ermittelt, um die Trocknungszeit von Proben in Konvektions- bzw. Infrarottrocknern vorherzusagen (Tabelle 3).

Den Ergebnissen von ANOVA zufolge lagen die R2-Werte für Konvektions- und Infrarot-Trockner bei 0,9990 bzw. 0,9896.

Dabei beziehen sich X1X2 und X3X4 auf Temperatur × Geschwindigkeit bzw. Leistung × Abstand. Darüber hinaus stellt das negative Vorzeichen die inkompatiblen Effekte dar, während das positive Vorzeichen auf die synergistischen Effekte hinweist.

Um eine gute Anpassung an das vorgeschlagene Modell zu gewährleisten, wurden die Signifikanzkriterien des Regressionsmodells und die einzelnen Modellkoeffizienten basierend auf dem F-Wert oder P-Wert mit einem Konfidenzniveau von 95 % erreicht. Abbildung 2 zeigt Regressionsdiagramme zwischen der vorhergesagten und der tatsächlichen Trocknungszeit für Konvektions- und Infrarottrockner. Wie in dieser Abbildung zu sehen ist, stimmen die durch das Quadrat dargestellten tatsächlichen Datenpunkte aufgrund ihrer Nähe zur Y = X-Linie gut mit den vorhergesagten Trocknungszeitwerten überein.

Regressionsdiagramm zur Vorhersage der Trocknungszeit für: (a) Konvektionstrockner und (b) Infrarottrockner.

Darüber hinaus untersucht das in Abb. 3 dargestellte 3D-Oberflächendiagramm die Auswirkungen von Temperatur und Geschwindigkeit beim Konvektionstrockner sowie Leistung und Abstand beim Infrarot-Trockner auf die Trocknungszeit.

Das 3D-Oberflächendiagramm der Trocknungszeit für: (a) Konvektionstrockner und (b) Infrarottrockner.

Statistische Analysen zwischen experimenteller und vorhergesagter Trocknungszeit für Konvektions- und Infrarottrockner wie R2, relativer Abweichungsprozentsatz (CV %), F-Wert und Standardabweichung (STD) wurden berechnet und in Tabelle 4 dargestellt.

Der spezifische Energieverbrauch ist die Energie, die benötigt wird, um den Proben Feuchtigkeit zu entziehen. Gemäß den Tabellen 1 und 2 betrug der minimale SEC-Wert für den Konvektionstrockner 0,7416 kWh/kg Wasser bei 60 °C und 1 m/s, während der minimale SEC-Wert für den Infrarot-Trockner 0,31392 MJ/g Wasser bei 1354 W und 6 cm betrug des Lampenabstands. Es ist auch zu beobachten, dass die SEC-Werte von der Trocknungszeit abhängen, denn je kürzer die Trocknungszeit ist, desto geringer ist der SEC-Wert. Die niedrigste zum Trocknen von Pilzscheiben erforderliche Energie wurde von Motevali et al.52 mit 12,33 MJ/g Wasser bei einer Strahlungsintensität von 0,49 W/cm2 und einer Luftgeschwindigkeit von 0,5 m/s ermittelt.

Basierend auf den Ergebnissen der ANOVA betrugen die R2-Werte für Konvektions- und Infrarot-Trockner außerdem 0,9759 bzw. 0,9550.

Abbildung 4 zeigt Regressionsdiagramme zwischen der vorhergesagten und der tatsächlichen SEC für Konvektions- und Infrarot-Trockner. Wie in dieser Abbildung zu sehen ist, besteht aufgrund ihrer Nähe zur Y = X-Linie eine große Übereinstimmung zwischen experimentellen und vorhergesagten Trocknungszeitwerten.

Regressionsdiagramm zur Vorhersage der SEC für (a) Konvektionstrockner und (b) Infrarottrockner.

Darüber hinaus wird das in Abb. 5 dargestellte 3D-Oberflächendiagramm verwendet, um die Auswirkungen von Temperatur und Geschwindigkeit beim Konvektionstrockner sowie Leistung und Abstand beim Infrarot-Trockner auf den SEC zu untersuchen. Beim Konvektionstrockner hat die Temperatur einen größeren Einfluss auf den SEC als die Luftgeschwindigkeit, während die Leistung eines Infrarot-Trockners im Vergleich zum Lampenabstand einen erheblichen Einfluss auf den SEC hat.

Das 3D-Oberflächendiagramm von SEC für (a) Konvektionstrockner und (b) Infrarottrockner.

Statistische Analysen zwischen experimenteller und vorhergesagter SEC für Konvektions- und Infrarottrockner wie R2, relativer Abweichungsprozentsatz (CV %), F-Wert, P-Wert und Standardabweichung (STD) wurden berechnet und in Tabelle 5 dargestellt.

Als Folge des Zellstoffwechsels werden regelmäßig reaktive Sauerstoffspezies produziert, und Oxidation gilt als Hauptursache für mehrere chronische degenerative Erkrankungen53. Ganoderma lucidum weist aufgrund seines hohen Gehalts an Phenolen, Triterpenoiden und Polysacchariden eine erhebliche antioxidative Aktivität in vitro und in vivo auf54,55. In dieser Studie wurden die Auswirkungen der verschiedenen Trocknungsprozesse auf die antioxidative Aktivität von Ganoderma lucidum mithilfe der DPPH-Fängeraktivität untersucht.

Die Leistungsfähigkeit des vorgeschlagenen Modells war das Hauptziel bei der Auswertung der Datenanalyse des Experiments. Die Gleichungen (11) und (12) mit R2 von 0,9004 bzw. 0,9485 wurden entwickelt, um die Antioxidantien in Infrarot- und Konvektionstrocknern vorherzusagen.

Abbildung 6 zeigt Regressionsdiagramme zwischen der vorhergesagten und der tatsächlichen antioxidativen Aktivität für Konvektions- und Infrarot-Trockner. Wie in dieser Abbildung zu sehen ist, besteht aufgrund ihrer Nähe zur Y = X-Linie eine große Übereinstimmung zwischen experimentellen und vorhergesagten Antioxidantienwerten.

Regressionsdiagramm zur Vorhersage des Antioxidanswerts für (a) Konvektionstrockner und (b) Infrarottrockner.

Darüber hinaus untersucht das in Abb. 7 dargestellte 3D-Oberflächendiagramm die Auswirkungen von Temperatur und Geschwindigkeit im Konvektionstrockner sowie Leistung und Abstand im Infrarottrockner auf die Antioxidationswerte. Gemäß Abb. 7 war die Fähigkeit des DPPH zum Abfangen freier Radikale im Infrarot-Trockner besser als beim Konvektionstrockner und konnte den Prozentsatz der Hemmung auf bis zu 47 % steigern. An et al.7 bestätigten, dass die antioxidative Kapazität von getrocknetem chinesischem Ingwer mit einem Infrarot-Trockner höher war als mit Heißluft- und Mikrowellen-Trocknern.

Das 3D-Oberflächendiagramm des Antioxidanswerts für (a) Konvektionstrockner und (b) Infrarottrockner.

Gemäß den ANOVA-Ergebnissen zeigt Tabelle 3 den Unterschied in der Menge der Extraktion getrockneter Ganoderma-Antioxidantien.

Statistische Analysen zwischen experimenteller und vorhergesagter antioxidativer Aktivität für Konvektiv- und Infrarot-Trockner wie R2, relativer Abweichungsprozentsatz (CV %), F-Wert, P-Wert und Standardabweichung (STD) wurden berechnet und in Tabelle 6 dargestellt.

Die Farbe ist einer der wichtigsten Qualitätsfaktoren, der die Wahl des Verbrauchers beeinflusst und die Qualität des Endprodukts bestimmt. Farbveränderungen durch Trocknung bei Gemüse und Obst können neben Pigmentverlust auch durch nicht-enzymatische Bräunung verursacht werden56. Die Ergebnisse zeigten, dass in den Mittelpunkten des für Leistung und Abstand definierten Bereichs die Oberflächenfarbveränderungen der Proben während des Trocknens gering sind. Hohe Leistung verursacht viele Farbveränderungen. Mit zunehmender Leistungssteigerung und abnehmendem Abstand konnten deutliche Veränderungen in der Farboberfläche des Infrarot-Trockners beobachtet werden. Im Konvektionstrockner kam es bei konstanten Temperaturen bei hohen Geschwindigkeiten zu deutlichen Farbveränderungen und die Probe war dunkel. Ganoderma-Proben reagieren empfindlicher auf höhere Temperaturen, was sich an der zunehmenden Bräunung der Proben zeigt, die bei Erhöhung der Trocknungstemperatur auftrat. Im Fall der Heißlufttrocknung wurde ein ähnliches Phänomen von Kotwaliwale et al.57 und Argyropoulos et al.58 beim Trocknen von Austernpilzen bzw. Boletus edulis bestätigt.

Es ist auch zu beobachten, dass bei niedrigen Temperaturen und Geschwindigkeiten die Farbveränderungen gering und gleichmäßig waren. Basierend auf den ANOVA-Ergebnissen betrugen die R2-Werte 0,9973 bzw. 0,9052 für Infrarot- bzw. Konvektionstrockner.

Die Gleichungen (13) und (14) wurden entwickelt, um die Änderung der Oberflächenfarbe der Proben in Infrarot- bzw. Konvektionstrocknern vorherzusagen:

Abbildung 8 zeigt Regressionsdiagramme zwischen vorhergesagten und tatsächlichen Farbunterschieden für Konvektions- und Infrarot-Trockner. Wie in dieser Abbildung zu sehen ist, besteht aufgrund ihrer Nähe zur Y = X-Linie eine große Übereinstimmung zwischen experimentellen und vorhergesagten Farbdifferenzwerten.

Regressionsdiagramm zur Vorhersage des gesamten Farbunterschieds für (a) Konvektionstrockner und (b) Infrarottrockner.

Darüber hinaus untersucht das in Abb. 9 dargestellte 3D-Oberflächendiagramm die Auswirkungen von Temperatur und Geschwindigkeit beim Konvektionstrockner sowie Leistung und Abstand beim Infrarot-Trockner auf die Farbdifferenzwerte.

Das 3D-Oberflächendiagramm der Gesamtfarbdifferenz für (a) Konvektionstrockner und (b) Infrarottrockner.

Statistische Analysen zwischen experimentellen und vorhergesagten Gesamtfarbunterschieden für Konvektions- und Infrarottrockner wie R2, relativer Abweichungsprozentsatz (CV %), F-Wert, P-Wert und Standardabweichung (STD) wurden berechnet und in Tabelle 7 dargestellt.

Den in den Tabellen 1 und 2 aufgeführten Ergebnissen zufolge war die Konservierung von Kalziumverbindungen im Infrarot-Trockner viel besser als im Konvektionstrockner. Der Kalziumgehalt in frischem Ganoderma beträgt 0,2.

Die Gleichungen (15) und (16) wurden zur Abschätzung des Kalziumgehalts der getrockneten Ganoderma in Konvektions- bzw. Infrarottrocknern erstellt.

Abbildung 10 zeigt Regressionsdiagramme zwischen vorhergesagten und tatsächlichen Kalziumwerten für Konvektions- und Infrarot-Trockner. Wie in dieser Abbildung zu sehen ist, besteht aufgrund ihrer Nähe zur Y = X-Linie eine große Übereinstimmung zwischen experimentellen und vorhergesagten Calciumwerten.

Regressionsdiagramm zur Vorhersage von Kalzium für: (a) Konvektionstrockner und (b) Infrarottrockner.

Darüber hinaus untersucht das in Abb. 11 dargestellte 3D-Oberflächendiagramm die Auswirkungen von Temperatur und Geschwindigkeit beim Konvektionstrockner sowie Leistung und Abstand beim Infrarot-Trockner auf die Kalziumwerte.

Das 3D-Oberflächendiagramm von Kalzium für (a) Konvektionstrockner und (b) Infrarottrockner.

Wie in Abb. 11 dargestellt, war der Kalziumgehalt in getrockneten Proben bei niedrigeren Leistungen und größeren Entfernungen höher. Darüber hinaus führt eine hohe Leistung dazu, dass im Infrarot-Trockner Kalzium verloren geht. Darüber hinaus wurden bei einem Konvektionstrockner bei konstanter Geschwindigkeit bessere Reaktionen am Anfang und Ende der Temperaturen erzielt. Das bedeutet, dass bei 40 °C und 60 °C höhere Kalziumgehalte vorlagen und auch bei der niedrigsten Geschwindigkeit war dieser Kalziumgehalt viel höher. Dieser Befund wurde durch den Artikel von Rongchai et al.59 über die Bestimmung des Kalziumgehalts in getrockneten Moringablättern bestätigt. Sie wiesen darauf hin, dass bei niedrigeren Temperaturen der Kalziumgehalt anstieg.

Statistische Analysen zwischen experimentellem und vorhergesagtem Kalziumgehalt für Konvektions- und Infrarottrockner wie R2, relativer Abweichungsprozentsatz (CV %), F-Wert, P-Wert und Standardabweichung (STD) wurden berechnet und in Tabelle 8 dargestellt.

Zur Untersuchung der Trocknungskinetik wurde das Feuchtigkeitsverhältnis während des Trocknungsprozesses gemessen, das auf eine Verringerung der Feuchtigkeit der Proben hinweist. Darüber hinaus sind Abb. 12 und 13 geben die Feuchtigkeitsverhältnisse im Vergleich zu den Trocknungszeiten für Konvektions- bzw. Infrarot-Trockner an. Wie man sieht, ist bei konstanter Trocknungszeit das Feuchtigkeitsverhältnis beim Konvektionstrockner höher als beim Infrarot-Trockner, da der Infrarot-Trockner die Trocknungszeit verkürzt, was den Vorteil des Infrarot-Trockners gegenüber dem Konvektionstrockner darstellt. Zur Bestimmung des Feuchteverhältnisses kann die folgende Formel verwendet werden39.

Feuchtigkeitsverhältnis versus Trocknungszeit für Konvektionstrockner.

Feuchtigkeitsverhältnis versus Trocknungszeit für Infrarot-Trockner.

Mt und M0 beziehen sich auf das zeitabhängige bzw. vorläufige Gewicht der Probe und Me ist das Gewicht der Probe unter EMV-Bedingungen.

Wie aus den Feuchtigkeitskurven hervorgeht, haben bei konstanter Geschwindigkeit getrocknete Proben bei höheren Temperaturen bei Konvektionstrocknern kürzere Trocknungszeiten. Darüber hinaus kann die Trocknungszeit im Infrarot-Trockner verlängert werden, wenn der Lampenabstand bei konstanter Leistung vergrößert wird.

Als entscheidende Kriterien für die Optimierung der Trocknungsprozesse galten maximale Antioxidantien- und Calciumgehalte sowie minimale Farbunterschiede und Trocknungszeiten. Die Lösungen zur optimalen Abdeckung der Kriterien wurden mithilfe des Erwünschtheitsfunktionsansatzes angegeben. Die Idealwerte aller drei Variablen mit dem höchsten Erwünschtheitskoeffizienten lagen bei 0,5 m/s und 60 °C beim Konvektionstrockner und bei 947 W und 7 cm beim Infrarottrockner. Zu diesem Zeitpunkt wurde erwartet, dass der Unterschied zwischen Antioxidans, Kalziumgehalt, Zeit und Farbe 0,332 %, 0,5 %, 485,91 min bzw. 6,71 im Konvektionstrockner (siehe Abb. 14) und 0,404 %, 0,62 %, 40,39 beträgt min bzw. 10,183 im Infrarottrockner (siehe Abb. 15).

Optimierungspunkt für Konvektionstrockner.

Optimierungspunkt für Infrarot-Trockner.

Als kurze Zusammenfassung der aktuellen Studie zeigt Abb. 16 ein Flussdiagramm des Trocknungsprozesses durch Konvektions- und Infrarottrockner und zeigt auch den Fortschritt der Modellierungs- und Optimierungsmethode, die durch den RSM-Ansatz durchgeführt wird.

Flussdiagramm des Trocknungsprozesses in dieser Studie.

Ziel der vorliegenden Studie war es, verschiedene Eigenschaften von Ganoderma lucidum zu untersuchen, wie z. B. Kalzium, Gesamtfarbunterschied und Antioxidantienwerte, die mit dem Konvektionstrockner und dem Infrarottrockner getrocknet wurden. Die experimentelle Untersuchung dieser Eigenschaften begleitet von der Modellierung des Trocknungsprozesses ist das Novum des aktuellen Beitrags. Die messbaren Parameter beim Konvektionstrockner waren Temperatur und Luftgeschwindigkeit, während beim Infrarottrockner Lampenabstand und Leistung Einflussgrößen waren. Die Ergebnisse zeigten, dass der Infrarottrockner eine bessere Wirkung auf Trocknungszeit, Energieverbrauch, Kalziummenge und Antioxidantien hat. Der Kalziumgehalt der getrockneten Probe im Infrarottrockner stieg im Vergleich zur frischen Probe von 0,2 auf 0,62 %, während diese Eigenschaft im Konvektionstrockner von 0,2 auf 0,5 % anstieg. Im Infrarot-Trockner war die Menge der extrahierten Antioxidantien deutlich höher als im Konvektionstrockner. Die höchste Menge an Kalzium wurde bei geringer Leistung und geringer Distanz erhalten und die höchste Menge an Antioxidantien wurde bei hoher Leistung und kurzer Distanz erhalten. Darüber hinaus hatten die Erhöhung der Leistung und die Verringerung des Abstands bemerkenswerte Auswirkungen auf die Reduzierung der Trocknungszeit und des Energieverbrauchs. Die Oberflächenfarbveränderungen der Proben waren im Konvektionstrockner geringer. Darüber hinaus wurde ANOVA verwendet, um Formeln zur Vorhersage von Antioxidans-, Kalziumgehalt-, Trocknungszeit- und Farbdifferenzwerten zu entwickeln. Die optimalen Bedingungen wurden bei einem Abstand von 7 cm und einer Leistung von 947 W im Infrarot-Trockner erreicht, während diese Bedingungen bei einer Luftgeschwindigkeit von 0,5 m/s und einer Lufttemperatur von 60 °C im Konvektionstrockner erreicht wurden. Folglich stellt diese Forschung ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung hochwertiger medizinischer Produkte dar und kann Forschern, die sich mit pflanzlichen Arzneimitteln befassen, dabei helfen, Materialien unter den besten Bedingungen zu trocknen.

Die Autoren erklären, dass die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, in der Arbeit verfügbar sind. Sollten Rohdatendateien in einem anderen Format benötigt werden, sind diese auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde von der Babol Noshiravani University of Technology unter der Fördernummer BNUT/370675/99 unterstützt.

Fakultät für Chemieingenieurwesen, Technische Universität Babol Noshirvani, Babol, Mazandaran, Iran

Maryam Naseri, Kamyar Movagharnejad und Sara Nanvakenari

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Alle Autoren trugen zum Schreiben, zur Konzeption, zu Experimenten und zur Modellierung bei.

Korrespondenz mit Maryam Naseri oder Kamyar Movagharnejad.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Naseri, M., Movagharnejad, K. & Nanvakenari, S. Vergleich der Trocknungseigenschaften von Ganoderma lucidum, hergestellt durch den Konvektionstrockner und den Infrarottrockner. Sci Rep 13, 12636 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39883-z

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Eingegangen: 25. April 2023

Angenommen: 01. August 2023

Veröffentlicht: 03. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39883-z

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