巨浩羽,趙士豪,趙海燕,張衛(wèi)鵬,高振江,肖紅偉

(1.河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,河北 石家莊 050061;2.河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)工商管理學(xué)院,河北 石家莊 050061;3.北京工商大學(xué)人工智能學(xué)院,北京 100048;4.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,北京 100083)

中藥主要由植物藥、動物藥和礦物藥組成,常用的中藥品種1 000余種,其中可人工栽培的200多種。因植物藥占中藥的大多數(shù),所以中藥也稱中草藥[1]。中草藥由于其天然、毒副作用小等特點長期以來在治療諸多疾病上有顯著優(yōu)勢,近年來已經(jīng)逐步走向世界。目前,我國的中草藥產(chǎn)品出口到130多個國家和地區(qū),全球有約40億人使用中草藥及其制劑。我國中草藥資源豐富,中草藥已成為廣大學(xué)者的研究開發(fā)對象。

采收后的中草藥,在貯藏過程中經(jīng)常會出現(xiàn)霉變、蟲蛀、褐變的現(xiàn)象,不易長時間保存,不能夠滿足臨床需要。因此,中草藥采收后的產(chǎn)地初加工顯得尤為重要,其中產(chǎn)地干燥技術(shù)是減少中草藥藥效及有效成分損失的有效技術(shù)方法。干燥過程是影響中草藥質(zhì)量和藥效的重要環(huán)節(jié),干燥結(jié)果直接影響著產(chǎn)品的使用和經(jīng)濟價值[2]。中草藥干燥技術(shù)為在常壓或減壓環(huán)境中以熱對流、熱傳導(dǎo)、熱輻射或在高頻電場中加熱使之干燥,以促使水分蒸發(fā)、達到目標(biāo)含水率,并保持較好的產(chǎn)品品質(zhì)。目前,傳統(tǒng)的中草藥干燥包括:曬干、陰干、熱風(fēng)干燥等方式;新型干燥技術(shù)主要有:氣體射流沖擊干燥、真空脈動干燥、中短波紅外干燥、真空冷凍干燥、射頻干燥、微波干燥等。為保證中草藥干制后的藥效和品質(zhì),詳細分析干燥條件對中草藥干燥脫水過程和有效成分降解的影響機制,從而針對不同的物料選用合適的干燥方式和干燥工藝[3-4]。因此,對中草藥的干燥技術(shù)方法和干燥過程中有效成分的變化規(guī)律進行綜述總結(jié),準(zhǔn)確把握中草藥干燥的發(fā)展趨勢,對中草藥的研究和開發(fā)具有十分重要的意義。

1 中草藥干燥技術(shù)研究

1.1 傳統(tǒng)干燥技術(shù)

傳統(tǒng)的中草藥干燥方法主要有陰干、曬干和烘干法。陰干法是將中藥材放在陰涼通風(fēng)的環(huán)境下,利用風(fēng)的流動,將水分吹去,從而實現(xiàn)中草藥的干燥。該干燥方法常用于含有揮發(fā)油、易變色的中草藥,如薄荷、當(dāng)歸、肉桂、沉香、麻黃等[5]。曬干法是將中草藥平鋪在薄的蘆葦席上或清洗后的水泥地板,讓陽光照射直至充分干燥的方法。該技術(shù)簡單便捷,成本低、效果好,適用于大批量的中草藥的干燥加工。研究表明,除芳香性、易揮發(fā)性的藥用植物,其余藥材均可選用曬干法[6]。王偉影等[7]在梔子的干燥研究中發(fā)現(xiàn),曬干法是較優(yōu)的干燥方式。在考慮成本及有較大加工需求，并且陽光充足的地區(qū)。然而,無論是曬干法還是陰干法仍存在著諸多工藝上的問題。比如:占地面積大、干制時間長、有效成分損失嚴重;遭遇陰雨天容易霉?fàn)€變質(zhì);衛(wèi)生環(huán)境不能保證,易受到灰塵、蠅、鼠污染等[3]。

烘干法即熱風(fēng)干燥方式,利用熱源加熱干燥室內(nèi)空氣,依靠熱空氣和物料之間的溫度梯度和水分梯度使物料內(nèi)部水分蒸發(fā),并由流動的熱風(fēng)將物料表面蒸發(fā)的水蒸氣帶走的干燥方式[8]。熱風(fēng)干燥方式因其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,操作使用方便,廣泛應(yīng)用于中草藥的干燥加工中,是中草藥干燥研究的熱點和難點[9-12]。表1列選取了5種常見的中草藥的熱風(fēng)干燥工藝及主要結(jié)論[13-17]。由表1可知,中草藥的熱風(fēng)干燥方式的一般結(jié)論為:干燥溫度越高、風(fēng)速越大、切片越薄,則干燥速率越快,反之則干燥時間越長。中草藥熱風(fēng)干燥方式的缺點主要體現(xiàn)為:干制時間長,有效成分損失嚴重。為提高干燥效率,若單一的提高干燥溫度,則較高的干燥溫度可能會使中草藥物料表面因干燥過快而發(fā)生結(jié)殼硬化,阻礙內(nèi)部水分的進一步遷移擴散,另一方面高溫可能導(dǎo)致有效成分發(fā)生降解[18-19]。研究文獻表明可以通過變溫干燥方式或調(diào)控干燥過程中相對濕度的大小的方式來彌補這一缺點。例如吳中華等[20]研究發(fā)現(xiàn),干燥溫度40 ℃(6 h)、50 ℃(6 h)及60 ℃至干燥結(jié)束,相對濕度40%,料層厚度3層，在此條件下,枸杞干燥效率較高,干制品營養(yǎng)色澤俱佳,復(fù)水性良好。齊婭汝等[13]研究表明,二至丸干燥至恒速干燥階段后,可采用低溫干燥以降低能耗,提高干燥效率。Davidson等[21]在西洋參的干燥研究得出,當(dāng)西洋參濕基含水率為50%～55%時,干燥溫度38 ℃;濕基含水率18%～20%時,干燥溫度50 ℃;濕基含水率8%～10%時,干燥溫度38 ℃,此變溫干燥相對于恒定干燥溫度38 ℃干燥時間縮短了40%。另一方面巨浩羽等[8-9,22]、陸學(xué)中等[23]通過階段調(diào)控相對濕度的方式來解決結(jié)殼和有效成分降解的問題。例如Ju等[24]研究得出,山藥片干在干燥溫度60 ℃,風(fēng)速1.5 m·s-1,相對濕度40%保持15 min后變?yōu)檫B續(xù)排濕,相對于恒連續(xù)排濕的干燥方式,干燥時間縮短了25%,且色澤品質(zhì)較好。故綜上所述,針對中草藥的熱風(fēng)干燥技術(shù),探索階段變溫干燥或階段調(diào)控相對濕度來提高干燥效率和干燥品質(zhì)可能為將來的研究方向之一。

表1 5種中草藥熱風(fēng)干燥條件及主要結(jié)論

1.2 新型干燥技術(shù)

中草藥的新型干燥技術(shù)按照傳熱方式分為對流干燥、傳導(dǎo)干燥、輻射干燥和介電干燥四種方式。本文選取對流干燥中的氣體射流沖擊干燥技術(shù)、傳導(dǎo)干燥中的真空脈動干燥技術(shù)、輻射干燥技術(shù)中的中短波紅外干燥技術(shù)和介電干燥中的射頻干燥技術(shù)為代表,說明該干燥技術(shù)的特點及所適用的物料范圍。明確單一傳熱方式的干燥技術(shù)的原理及適用范圍是合理應(yīng)用各干燥技術(shù)的理論基礎(chǔ)。各類干燥技術(shù)均以單一或組合方式傳熱實現(xiàn)對物料的干燥。例如真空冷凍干燥技術(shù)為傳導(dǎo)干燥;熱泵干燥技術(shù)以熱泵為熱源最終以對流方式對物料干燥;真空微波干燥方式為傳導(dǎo)和介電相聯(lián)合干燥方式。

1.2.1 氣體射流沖擊干燥技術(shù) 氣體射流沖擊干燥技術(shù)的原理如圖1所示。氣體射流沖擊技術(shù),是將具有一定壓力的加熱氣體經(jīng)一定形狀的噴嘴噴出,借助噴嘴產(chǎn)生的高速氣流直接沖擊物料表面而攜走水分的一種技術(shù)。該干燥技術(shù)具有氣流速度高、流程短,邊界層薄,對流換熱系數(shù)高,干燥速度快、能耗低等優(yōu)點[25-26]。氣體射流沖擊干燥技術(shù)在中草藥的干燥加工應(yīng)用見表2所示。

圖1 氣體射流沖擊干燥技術(shù)原理示意圖[26]

表2 氣體射流沖擊干燥技術(shù)在中草藥干燥加工中的應(yīng)用

由表2可知,氣體射流沖擊干燥技術(shù)對中草藥干燥過程的影響一般結(jié)論如下:干燥溫度越高、風(fēng)速越大、切片厚度越薄,則干燥效率越高。干燥溫度對干燥過程的影響顯著大于風(fēng)速、切片厚度和噴嘴距離的對干燥過程影響。提高干燥效率的關(guān)鍵在于提高干燥溫度,然而較高的干燥溫度使得表面失水過快,而使物料表面結(jié)殼、收縮嚴重[31]。中草藥的氣體射流沖擊干燥過程多呈現(xiàn)為降速干燥過程或只有短暫的升速干燥段。氣體射流沖擊干燥技術(shù)可適用于多種中草藥的干燥加工,但一般用于中草藥的薄層干燥。故裝載量小、干燥不均勻和干燥結(jié)殼是限制氣體射流沖擊干燥技術(shù)廣泛應(yīng)用的主要因素[32]。代建武等[32]設(shè)計了一種傾斜料盤氣體射流沖擊干燥機,并對料盤托架傾角、料盤距噴嘴間距、噴嘴排列間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)和干燥室內(nèi)氣流溫度、濕度、風(fēng)速等工藝參數(shù)在一定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，哈密瓜的干燥實驗表明裝載量相比傳統(tǒng)射流沖擊裝置提高了1.7倍,干燥時間縮短了11.1%,干燥均勻系數(shù)達0.97。姚學(xué)東等[33]設(shè)計了一種氣體射流沖擊式滾筒干燥機同樣提高了物料的裝載量。因此,為提高中草藥的干燥效率和品質(zhì),氣體射流沖擊裝備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及干燥過程中溫度、濕度等參數(shù)的優(yōu)化調(diào)控可能是未來氣體射流沖擊干燥加工中草藥的方向之一。

1.2.2 真空脈動干燥技術(shù) 真空脈動是指壓力在真空和大氣壓周期性變化狀態(tài)下進行的傳質(zhì)過程。干燥時將物料置于一個密閉容器內(nèi),在保持一定溫度的同時,使容器內(nèi)的真空度達到相應(yīng)值并保持一段時間(圖2中t1),然后恢復(fù)至常壓,再保持一定時間(圖2中t2),如此交替循環(huán),使物料一直處于真空常壓的交變狀態(tài)下,直至物料含水率降至目標(biāo)數(shù)值時干燥過程完成,真空脈動干燥壓力變化示意圖如圖2所示[34]。真空脈動干燥不僅可以使物料內(nèi)部組織形成蜂窩狀孔隙結(jié)構(gòu),而且還可以打破物料表面蒸汽壓和干燥室內(nèi)壓力的平衡狀態(tài),具有干燥效率高和干燥品質(zhì)好等優(yōu)點[35]。關(guān)于真空脈動干燥技術(shù)在中草藥的干燥加工應(yīng)用見表3所示。

圖2 真空脈動工作原理示意圖[34]

表3 真空脈動干燥技術(shù)在中草藥干燥加工中的應(yīng)用

由表3可知,中草藥的真空脈動干燥技術(shù)的結(jié)論為升高干燥溫度、減小切片厚度有助于提高干燥效率。對于不同的物料,真空和常壓的保持時間對干燥特性的影響各不相同。常壓階段,物料充分加熱;真空階段,物料水分蒸發(fā)量增大,物料溫度下降。真空脈動干燥技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在:真空低氧的環(huán)境能夠減少有效成分的降解,一般都用于熱敏性蠟質(zhì)層覆蓋、易褐變、高糖分物料的干燥加工[35-36,40]。真空脈動干燥技術(shù)中的加熱裝置多采用電加熱板,容易造成物料加熱不均勻、干燥不均勻的現(xiàn)象。薛令陽等[40]將碳纖維紅外加熱板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電加熱板,并設(shè)計了基于過零觸發(fā)控制的加熱板輻射強度控制硬件電路,減小氣流擾動對干燥整體均勻性的影響,干燥均勻度達95%以上。因此,關(guān)于真空脈動干燥技術(shù)中加熱源的選擇及針對不同物料脈動比的工藝優(yōu)化仍為中草藥真空脈動干燥加工的研究方向。

1.2.3 中短波紅外干燥技術(shù) 中短波紅外干燥技術(shù)使用0.75～4 μm 范圍的中短波,其特點是輻射頻率大,能量高,可以使分子間發(fā)生轉(zhuǎn)動能級、振動能級的躍遷,可提高中草藥的干燥效率及品質(zhì)、降低能耗。關(guān)于中短波紅外干燥技術(shù)在中草藥干燥加工的應(yīng)用如表4所示。

表4 中短波紅外干燥技術(shù)在中草藥干燥加工中的應(yīng)用

由表4可知,中短波紅外干燥技術(shù)的一般結(jié)論為:提高干燥溫度、輻射功率和縮短輻射距離可提高干燥效率,具有干燥品質(zhì)好、能耗低等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于百合、人參、陳皮、三棱、天花粉、莪術(shù)、白芍、板藍根等中草藥的干燥[2]。然而為中短波的穿透深度有限，不適用于厚度較大物料的干燥[28]。中短波干燥技術(shù)與傳統(tǒng)干燥方式聯(lián)合應(yīng)用較少,有研究表明中短波聯(lián)合干燥相對于單一的干燥方式更高效、更節(jié)能[44]。因此,中短波聯(lián)合熱風(fēng)干燥、真空干燥等聯(lián)合干燥方式將會有巨大的潛在市場,為未來的研究方向。

1.2.4 射頻干燥技術(shù) 射頻(Radio frequency,RF)是一種高頻交流變化的電磁波,工業(yè)、科研以及醫(yī)藥行業(yè)的3個射頻頻率分別為13.56、27.12、40.68 MHz。射頻可穿透到物料內(nèi)部,引起物料內(nèi)部極性分子和帶電離子的振蕩遷移,相互摩擦,將電能轉(zhuǎn)化為熱能,物料的溫度隨之升高,進而達到干燥的目的[45-46]。射頻干燥技術(shù)的優(yōu)勢在于對物料的迅速加熱作用,能夠促進內(nèi)部水分的遷移,但由于與射頻加熱速率正相關(guān)的介電損耗因子隨溫度的升高而增大,射頻能量往往集中于局部溫度較高的部位,導(dǎo)致該部位過熱,出現(xiàn)熱偏移現(xiàn)象[45]。射頻干燥技術(shù)現(xiàn)廣泛應(yīng)用于胡蘿卜、蘋果、土豆、獼猴桃等果蔬物料的加工。目前關(guān)于中草藥的射頻干燥加工應(yīng)用較少。

2 干燥模型的研究

中草藥的干燥過程涉及傳熱傳質(zhì)效率、能源消耗和產(chǎn)品品質(zhì)等重要指標(biāo),建立有效的干燥模型以調(diào)控干燥工藝具有重要的意義。干燥模型主要包括理論模型、半理論模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚47-48]。

2.1 理論模型

中草藥干燥過程中的傳熱和傳質(zhì)控制方程分別可由傅里葉導(dǎo)熱定律和費克第二定律來描述,如式(1)～(2)所示[49]。

(1)

(2)

式(1)的初始條件和邊界條件分別為:

t=t0:T=T0

(3)

n(-kT)=ht(T∞-T)+λn(DeffC)

(4)

式(2)的初始條件和邊界條件分別為:

t=t0:C=Ci

(5)

n(DeffC)=hm(Cb-C)

(6)

式中,k為物料的導(dǎo)熱系數(shù),W·m-1·℃-1;ρ為物料的密度,kg·m-3;Cp為物料的比熱容,J·kg-1·℃-1;T為物料溫度,℃;T0為物料的初始溫度,℃;t為干燥時間,s;C為物料中的水分濃度,mol·m-3;Cb為干燥室內(nèi)的水分濃度,mol·m-3;Ci為物料初始水分濃度,mol·m-3;Deff為水分有效擴散系數(shù),m2·s-1;λ為水分蒸發(fā)潛熱,J·mol-1;ht為對流傳熱系數(shù)，W·m-2·℃-1;hm為對流傳質(zhì)系數(shù),m·s-1。

理論模型一般基于Comsol Multiphysics、CFD或Matlab等軟件輔助求解,采用有限元方法,將物料分割為若干網(wǎng)格而后進行數(shù)值求解。理論模型的優(yōu)點為可以求解出任意干燥時刻時,物料中水分分布和溫度的三維分布,直觀地反映水分傳遞過程和溫度變化規(guī)律。例如,王學(xué)成等[50]基于Comsol Multiphysics建立了二至丸無孔底和篩孔底在60、80、100 ℃下的干燥過程,研究發(fā)現(xiàn)使用篩孔底干燥盤可提高干燥的均勻性;Ju等[51]基于Comsol Multiphysics模擬分析了干燥溫度60 ℃,相對濕度30%,5 mm厚的山藥片的干燥過程中的水分空間分布;此外Khan等[52]基于Comsol Multiphysic模擬仿真了蘋果塊微波熱風(fēng)干燥過程中的水分和溫度三維分布演化過程;Onwude等[49]基于Comsol Multiphysic建立了馬鈴薯的紅外聯(lián)合熱風(fēng)干燥理論模型,并模擬了干燥過程中內(nèi)部水分和溫度的演化規(guī)律。

理論模型要求首先明確對流傳熱系數(shù)(ht)、對流傳質(zhì)系數(shù)(hm)、水分有效擴散系數(shù)(Deff)、物料的密度(ρ)、比熱容(Cp)、導(dǎo)熱系數(shù)(k)等基本參數(shù)。其中ht、hm、k、ρ、Cp一般由經(jīng)驗公式確定;Deff由經(jīng)驗公式或?qū)嶒灤_定。由經(jīng)驗公式所計算出的參數(shù)誤差會直接影響到理論模型的精度;此外,模型計算中假設(shè)中草藥物料傳熱和傳質(zhì)各向同性及忽略了物料的收縮變性,也可能會影響模型的精度。因此,如何提高理論模型的求解精度以更真實的反映干燥傳熱傳質(zhì)過程為目前的研究方向之一。

2.2 半理論模型

半理論模型可由牛頓冷卻定律或費克第二定律求解得出,常用的模型方程見表5所示[48]。半理論模型在中草藥的干燥過程中有廣泛的應(yīng)用。例如,齊婭汝等[13]研究發(fā)現(xiàn)二至丸的熱風(fēng)干燥過程符合Midilli et al. model模型;薛珊等[30]研究得出苦瓜片的氣體射流沖擊干燥過程符合Two term exponential模型;李文峰等[29]研究得出山楂的氣體射流沖擊干燥過程可以用Modified Page模型描述;曾祥媛等[26]研究表明,黨參根的氣體射流沖擊干燥技術(shù)符合Modified Page模型;高鶴等[42]研究表明Henderson and Pabis模型是番木瓜中短波紅外干燥過程的最適模型;胡居吾[53]研究得出,蔓三七的熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合干燥過程中,恒速干燥階段符合Henderson and Pabis模型,降速干燥階段符合Modified Page model模型。

表5 半理論模型

半理論模型是理論模型的簡化,其中的參數(shù)通常由干燥過程中水分比(MR)隨著干燥時間t的曲線關(guān)系,采用最小二乘法對曲線進行回歸確定。再建立參數(shù)隨干燥條件如干燥溫度、風(fēng)速、物料厚度等參數(shù)的關(guān)系。半理論模型對干燥過程中草藥的水分比的預(yù)測具有較高的精確度,但模型中參數(shù)無法反映出干燥過程的升速或降速過程,沒有實際的物理意義[12,54]。因此半理論模型沒有完全反映出中草藥的干燥特性。

2.3 經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜑椴捎枚囗検健?shù)、指數(shù)、冪函數(shù)等函數(shù)形式來描述中草藥干燥過程中水分比隨干燥時間的變化關(guān)系,其同樣是基于干燥特性曲線進行最小二乘法回歸計算得出。常用的經(jīng)驗?zāi)Ｐ腿绫?所示[48]。

經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀脕矸从澈皖A(yù)測干燥過程中的物料的水分比的變化規(guī)律,在中草藥的干燥中也有較廣泛的應(yīng)用。例如,林冰等[55]研究發(fā)現(xiàn),雞矢藤、忍冬藤、首烏藤、番薯藤4種藤類中藥材的熱風(fēng)干燥過程均可以用Aghbashlo模型描述。其中Weibull分布函數(shù)模型在中草藥干燥過程的應(yīng)用最廣泛。Weibull 函數(shù)結(jié)合尺度參數(shù)α、形狀參數(shù)β可對不同干燥方式、傳熱傳質(zhì)過程進行有效分析[56-57]。α用于表示干燥過程中的速率常數(shù),約等于干燥過程中物料脫去63%水分所需要的時間,并且基于α可以求解干燥過程中的估算水分有效擴散系數(shù);β與干燥過程開始時的干燥速率相關(guān),當(dāng)β>1時,干燥速率先升高后降低,而當(dāng)β<1時,干燥過程呈現(xiàn)為降速干燥過程。故Weibull分布函數(shù)不僅可以用來預(yù)測水分比,還可以通過分析干燥過程有無升速干燥階段,估算水分擴散系數(shù)和干燥時間等。

萬芳新等[58]研究得出Weibull分布函數(shù)可以較好地模擬不同超聲波處理條件下枸杞的遠紅外真空干燥過程,α隨著超聲頻率、超聲功率和處理時間的增大而增大;β>1。李武強等[59]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)歸切片的遠紅外干燥過程符合Weibull分布函數(shù),α和β均與干燥溫度、切片厚度和輻射高度有關(guān),并且基于α求解了估算水分有效擴散系數(shù)。李波等[60]同樣發(fā)現(xiàn),Weibull分布函數(shù)能夠很好地模擬當(dāng)歸低溫陰干與回潮干燥過程。此外,Weibull分布函數(shù)還用在枸杞[35]、山藥[24,39]、茯苓[27]、黃芪[61]、百合[62]等物料的干燥過程分析中。

2.4 3種模型對比

理論模型可以直接模擬計算出不同干燥條件下,不同干燥時間下物料的溫度和水分的空間分布,具有直觀、具體的優(yōu)點;缺點為計算耗時長,理論模型的構(gòu)建復(fù)雜,當(dāng)模型參數(shù)不精確時對模擬計算結(jié)果影響較大。目前基于理論模型模擬仿真中草藥干燥過程的研究較少。半理論模型是理論模型的簡化,采用最小二乘法對水分比和干燥時間回歸得出模型各參數(shù)值。半理論模型對干燥過程的水分比的預(yù)測具有較高的精確度,在中草藥的干燥模擬中有著較廣泛的應(yīng)用。經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭械腤eibull分布函數(shù)模型在中草藥干燥過程的應(yīng)用最廣泛,結(jié)合模型中尺度參數(shù)α、形狀參數(shù)β可對不同干燥方式、傳熱傳質(zhì)過程進行有效分析。

綜上所述,當(dāng)需要明確干燥過程中水分溫度空間分布演化規(guī)律時,宜采用理論模型;需要預(yù)測不同干燥時刻水分比時宜采用半理論模型;當(dāng)需要明確干燥過程中水分有效擴散系數(shù)、干燥過程有無升速干燥階段時選用Weibull分布函數(shù)模型。

3 中草藥干燥過程中有效成分研究

根據(jù)中草藥入藥部分可將中藥材分為:根及根莖類、莖木類、皮類、花類、果種類、葉類、全草類、樹脂類、藻、菌、地衣類等。這種分類方式有利于我國實現(xiàn)中藥材的培育、種植、生產(chǎn)、銷售、流通、輸出等各個環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化,使得傳統(tǒng)中藥材以質(zhì)論價有據(jù)可依。但是,這只是單純的針對中藥材作為一種商品的分類,而不適合中草藥干燥的研究。

現(xiàn)代中藥材的分類方式有如下形式:按中藥功效分類、按自然屬性和親緣關(guān)系分類、按有效成分分類[63]。按有效成分分類方法是近幾十年來最常用的分類方法,此方法被廣泛應(yīng)用于中藥化學(xué)成分以及各種中藥相關(guān)研究,另外此方法對控制中藥材的質(zhì)量也有很大的幫助,因此考慮按有效成分分類中藥材,以此來研究中藥材的干燥現(xiàn)狀。

部分中草藥來源于植物,植物在生長過程中,合成和降解產(chǎn)生各種化學(xué)成分。根據(jù)中藥材中所含的主要有效成分或活性成分,本文將中藥材分為含生物堿類、黃酮類、多糖類、色素類、揮發(fā)油類,油脂類等。值得注意的是,同一種中藥中可能含有多種有效成分,因此,在干燥時,要選擇適當(dāng)?shù)姆椒āＶ胁菟幍乃幱贸煞志尸F(xiàn)出熱不穩(wěn)定性,干燥過程中持續(xù)的高溫使得有效成分大量降解。本文選用前四類作為代表性藥用成分來分析中草藥的干燥現(xiàn)狀。

3.1 生物堿類

生物堿是存在于自然界中的一類含氮的堿性有機化合物,具有種類繁多、化學(xué)結(jié)構(gòu)易修飾、生物活性多樣等特點,具有降血糖、抗腫瘤、抗菌、抗病毒等多種藥理活性,是中藥重要的有效成分之一[64]。

錢桂敏等[65]采用冷凍干燥、熱風(fēng)循環(huán)干燥和傳統(tǒng)烘干對金釵石斛進行干燥處理,干燥后樣品中石斛堿含量分別為0.450 9%、0.418 4%和0.428 2%,用冷凍干燥方法所得石斛堿含量略高,但對設(shè)備要求高,成本大;傳統(tǒng)烘干法操作簡單,成本較低,更適合石斛的干燥處理。郭鑫等[66]研究發(fā)現(xiàn),微波真空干燥時,真空度-0.08 MPa,微波功率0.5 kW 15 min+0.3 kW 10 min干燥條件下,膽黃連配方顆粒中間體生物堿成分無顯著變化,干燥時間短,質(zhì)地疏松。覃冬杰等[67]在不同干燥方法對鉤藤藥材中鉤藤堿的影響研究中得出,40 ℃烘干12 h>陰干168 h>暴曬40 h>60 ℃烘干4 h>80 ℃烘干4 h>60 ℃烘干6 h>60 ℃烘干8 h>40 ℃烘干18 h>80 ℃烘干6 h>40 ℃烘干24 h。實驗證明不同的干燥方法對鉤藤中鉤藤堿含量有一定影響,干燥溫度越高,鉤藤堿含量損失越多,可能與鉤藤堿的酯鍵受熱易分解有關(guān)[68]。劉釗圻等[69]研究得出,烘干溫度對黃柏藥材中小檗堿的含量有明顯影響。在40～100 ℃溫度范圍內(nèi),隨著溫度的升高,小檗堿含量逐漸下降,當(dāng)烘干溫度為40 ℃時,其小檗堿含量為6.32%,當(dāng)烘干溫度達到100 ℃時,含量為4.52%。原因可能在于隨著溫度的升高破壞了黃柏藥材內(nèi)在的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu),使黃柏藥材中的某些生物堿發(fā)生了降解。劉環(huán)香等[70]同樣發(fā)現(xiàn),黃連中小檗堿含量隨著干燥溫度的升高而減少。

各類生物堿中,有些有毒性(如吡咯烷生物堿、秋水仙堿、馬鞍菌素等),有些無毒(如黃嘌呤衍生物等),而在諸多研究富含生物堿類中藥材的干燥文獻中,大多都考慮溫度對生物堿的影響。因此,在干燥過程中,通過控制溫度,以此來控制生物堿含量。有些生物堿因含有酯鍵而具有毒性,例如,關(guān)白附含有次烏頭堿和附子堿等,在干燥之前,必須經(jīng)水煮或者蒸透,使這些生物堿的酯鍵破壞,這樣鎮(zhèn)痛效果依然存在,而毒性大大降低。

3.2 黃酮類

黃酮類化合物是一種廣泛存在于植物中的次級代謝產(chǎn)物,也是一類重要的中藥成分,多分布于蕓香科、菊科、豆科、玄參科、薔薇科等植物中。黃酮類成分具有多種生物活性,如抗氧化、抗炎癥、抗腫瘤、降血壓等功效。從植物中分離鑒定的天然黃酮類成分超過15 000種,天然黃酮常以糖苷形式存在,僅有少部分以游離苷形式存在[71-72]。

黃酮類化合物在干燥過程中隨著干燥溫度的升高而損失率逐漸增大。例如,姜珊等[73]研究發(fā)現(xiàn),金銀花在40 ℃熱風(fēng)烘干時含量最高為54.072 1 mg·g-1,而在60 ℃烘干時含量最低為18.533 3 mg·g-1。Lou等[74]同樣得到類似結(jié)論。此外顧熟琴等[75]研究表明,黃酮含量還受到干燥時間的影響,最佳干燥條件為:熱風(fēng)溫度40 ℃,干燥時間8 h,載樣量15 kg·m-2。

黃酮類中草藥干燥過程中,應(yīng)當(dāng)充分考慮干燥溫度和干燥時間等因素。黃酮類化合物容易氧化,長時間暴露于空氣中或?qū)ζ溥M行加熱都會加快黃酮的氧化速度,使黃酮損失較多。因此冷凍干燥或真空冷凍干燥可能較適合黃酮類中草藥的干燥加工,能夠減少黃酮類物質(zhì)的損失[76]。

3.3 多糖類

多(聚)糖類由10個以上單糖分子聚合而成,通常由幾百甚至幾千個單糖分子組成。多糖按功能可分為兩類,一類是不溶于水的動植物的支持組織,如植物中的纖維素,甲殼類動物中的甲殼素等,另一類為動植物的儲藏養(yǎng)料,可溶于熱水形成膠狀溶液。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,不少多糖的生物活性被發(fā)掘并用于臨床,如刺五加多糖、靈芝多糖、黃精多糖、黃芪多糖都可促進人體的免疫功能,香菇多糖具抗癌活性,鹿茸多糖可抗?jié)兊取?/p>

常秀蓮等[77]在研究庫拉索蘆薈凝膠黏度及多糖的熱穩(wěn)定性時發(fā)現(xiàn),干燥溫度在50～60 ℃之間,多糖由于酶解作用發(fā)生降解;在80～90 ℃時,隨著干燥溫度的升高,多糖含量逐漸降低;在70 ℃時多糖含量穩(wěn)定。方偉等[78]研究得出,70、50、35 ℃和冷凍干燥后天麻多糖含量分別為(6.278±0.092)%、(7.331±0.048)%、(7.476±0.066)%和(7.682±0.025)%,70 ℃和冷凍干燥多糖含量差異顯著,干燥溫度越低,天麻多糖含量越高。此外Ahmadi等[79]和Deng等[80]得到相同結(jié)論。

因此,多糖類中藥材在干燥過程中一定要控制溫度,不僅僅是為了干燥速率的提高,而且為了避免功能性多糖的降解和轉(zhuǎn)化。特殊情況下,某些含漿汁、淀粉的藥材還須經(jīng)燙漂,以減弱多糖的酶解作用。

3.4 色素類

含色素類的中藥材飲片,主要為花類藥材,如紅花、金銀花、洋金花、槐花、菊花等。這類藥材所含的色素在日光中的紫外線照射或高溫下易褪色[81]。

白色類的中藥材如桔梗、浙貝母宜用日曬,越曬越白[82];黃色類的澤瀉、黃連,如日曬則會毀色,故宜用小火或低溫烘焙,且可保持黃色,增加香味,但不能用旺火,以防焦黃。烘干的溫度以50～60 ℃為宜,對成分無影響,又能抑制酶活動[70]。綠葉類中藥材飲片,如側(cè)柏葉、大青葉、淡竹葉、蘇葉、艾葉、忍冬葉等。這類藥材在強日光下曝曬或高溫下也會很快變成黃色。原因是加熱處理時葉綠素蛋白復(fù)合體中的蛋白質(zhì)變性,導(dǎo)致葉綠素與蛋白質(zhì)分離生成游離的葉綠素,游離的葉綠素不穩(wěn)定,對光、熱、酶都很敏感,并且受熱之后,藥材組織細胞被破壞,氫離子穿過細胞膜通透性增加,脂肪水解為脂肪酸,蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生硫化氫和脫羧產(chǎn)生的二氧化碳都可導(dǎo)致體系pH降低,pH又可決定葉綠素脫鎂,致使顏色發(fā)生變化[83-84]。

4 結(jié)語

中草藥的干燥技術(shù)多種多樣,除上述分析的主要干燥技術(shù)之外還有諸如熱泵干燥技術(shù)、真空冷凍干燥技術(shù)、真空微波干燥技術(shù)等等。但無論哪一種干燥方式,熱量最終都以傳導(dǎo)、對流、輻射或者介電特性的方式傳遞至被干燥的物料,促使物料溫度升高,加速內(nèi)部水分擴散遷移至表面并在表面蒸發(fā)水分,完成脫水過程。干燥溫度在眾多干燥技術(shù)當(dāng)中,對干燥過程都具有顯著性影響,因此提高對中草藥的加熱效率及干燥均勻性是某一干燥技術(shù)提高干燥效率的關(guān)鍵。紅外、中短波紅外、微波、射頻、熱泵、溫濕度控制等加熱干燥技術(shù)都是以提高傳熱效率而出現(xiàn)的新型干燥技術(shù),并且通過優(yōu)化設(shè)計干燥室的結(jié)構(gòu)以提高干燥均勻性。在中草藥的干燥技術(shù)選擇中,物料的升溫速率及干燥的均勻性是重點考慮的因素,也是中草藥干燥加工的研究方向之一。

在中草藥干燥模型研究中,理論模型研究仍是研究的熱點和難點。通過對理論模型的求解,可以直觀地得到中草藥干燥過程中水分的遷移過程、溫度的變化規(guī)律。精確的確定理論模型中的各項參數(shù)是求解理論模型的關(guān)鍵所在?；诮?jīng)驗公式或?qū)嶒灧椒y定各項基本參數(shù),再結(jié)合理論模型的求解可能獲得較為精確的模擬結(jié)果。在經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭械腤eibull分布函數(shù)模型仍為中草藥干燥加工應(yīng)用最廣泛的模型,且將會應(yīng)用到更多的中草藥的干燥過程。深入分析模型中的尺度參數(shù)α和形狀參數(shù)β與干燥條件、干燥過程的關(guān)系,從而更好地分析干燥熱質(zhì)傳遞過程，改進干燥工藝。

中藥材中的藥用成分包含有多糖類、揮發(fā)油類、色素類、黃酮類、生物堿類等,在干燥過程中都會發(fā)生不同程度的降解。干燥溫度對有效成分的降解起著顯著性的影響作用,其次還有酶、氧氣、干燥時間等因素的共同作用,使有效成分發(fā)生降解。在干燥過程中要嚴格控制干燥溫度,干燥溫度不宜過高。在中草藥干燥過程中,需要考慮干燥效率、干燥品質(zhì)、能耗等眾多指標(biāo),而干燥效率與干燥品質(zhì)、能耗等指標(biāo)之間不能兼顧,提高干燥溫度能夠提高干燥效率而導(dǎo)致有效成分降解嚴重,降低干燥溫度保留了有效成分含量,而造成干燥時間延長、能耗增加。因此在中草藥的干燥過程中需要尋求多指標(biāo)均優(yōu)的干燥調(diào)控策略:人工智能自動調(diào)控干燥工藝,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測等輔助干燥過程將成為未來中草藥干燥加工的發(fā)展趨勢。

本文從干燥技術(shù)、干燥模型和有效成分3個方面詳細分析影響干燥脫水過程、水分含量預(yù)測及有效成分變化的因素,以期為不同類型的中草藥選用合適的干燥技術(shù)、干燥工藝和干燥模型。同時闡述了中草藥干燥的發(fā)展趨勢,對中草藥的研究和開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。