一套高效制作臘葉標(biāo)本的裝置及其應(yīng)用*

2023-01-03 03:04:36邱田田田慧宇劉汶澤楊佳婷嚴(yán)鯨劉孟奇

西部林業(yè)科學(xué) 2022年6期

邱田田，田慧宇，劉汶澤，楊佳婷，嚴(yán)鯨，劉孟奇

(河南中醫(yī)藥大學(xué) 本草書院，河南鄭州 450046)

臘葉標(biāo)本是最常見(jiàn)的植物標(biāo)本。臘葉標(biāo)本也稱壓制標(biāo)本，通常是采集帶有花、果實(shí)和葉的枝條或整株植物體,將其整理、壓平和干燥后制成。“臘”字的讀音本為x,本意是指風(fēng)干的肉或是使動(dòng)用法，意為“使……干”[1-3]。臘葉標(biāo)本的制作方法正與“臘”字的本意相對(duì)應(yīng)。制作良好的臘葉標(biāo)本只要妥善保存，數(shù)百年后仍可使用。這樣的臘葉標(biāo)本不僅可用于科學(xué)研究，也是重要的歷史見(jiàn)證，臘葉標(biāo)本也是識(shí)別植物多樣性的關(guān)鍵。在植物資源調(diào)查和研究中，它是永久性的參考資料和憑證。在第四次全國(guó)中藥資源普查中，臘葉標(biāo)本是必須要上交至中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥資源中心第四次全國(guó)中藥資源普查試點(diǎn)工作辦公室的實(shí)物種類之一。采集、制作植物臘葉標(biāo)本的數(shù)量和質(zhì)量是評(píng)價(jià)普查工作的一項(xiàng)重要指標(biāo)[4]，它的制作效率和質(zhì)量直接關(guān)系到普查任務(wù)的完成情況。

制作臘葉標(biāo)本最關(guān)鍵的步驟是干燥。根據(jù)干燥方法，臘葉標(biāo)本的制作方法可分為傳統(tǒng)干燥法和現(xiàn)代干燥法兩大類。傳統(tǒng)干燥法是將經(jīng)過(guò)修剪并展平的植物標(biāo)本與吸水紙交替放置，最后置入標(biāo)本夾中綁緊固定。剛開始?jí)褐频?～5 d,一天至少換一次紙，然后隔一天換一次吸水紙，需要經(jīng)過(guò)8～10次換紙才能實(shí)現(xiàn)植物標(biāo)本的干燥，具體操作要根據(jù)植物含水量多少確定更換吸水紙的適宜時(shí)間[5]。傳統(tǒng)干燥法是在自然環(huán)境溫度下(一般低于35 ℃)干燥，如果能夠順利完成干燥過(guò)程，許多植物標(biāo)本的葉片常常能保持原色。但使用傳統(tǒng)干燥法制作標(biāo)本需要時(shí)間長(zhǎng)，又需要較多的吸水紙，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低又不方便操作；且在多次更換吸水紙的過(guò)程中，需要多次轉(zhuǎn)移植物標(biāo)本，植物的葉、花和果實(shí)容易脫落，從而破壞標(biāo)本的完整性；另外，此方法受天氣因素影響較大，如遇到陰雨連綿的天氣，植物多日不能干燥，標(biāo)本容易發(fā)霉和褐變。因此，采用傳統(tǒng)干燥法無(wú)法滿足當(dāng)前社會(huì)高效、高質(zhì)地制作臘葉標(biāo)本的要求。

為滿足現(xiàn)代社會(huì)高效制作臘葉標(biāo)本的需求，需要縮短制作臘葉標(biāo)本的干燥時(shí)間，相關(guān)科研工作者對(duì)傳統(tǒng)干燥法進(jìn)行多種改良與創(chuàng)新，形成了現(xiàn)代干燥法。最初的方法是將吸水紙換成瓦楞紙[6]，或者是在吸水紙之間加入瓦楞紙，從而加快植物中水分的蒸發(fā)速度。之后，又采用不同的干燥技術(shù)以加快標(biāo)本的干燥，其中有劉若庸等[7]采用微波干燥法制作臘葉標(biāo)本；劉安發(fā)[8]采用熨燙法制作臘葉標(biāo)本；閆海忠等[9]用紅外輻射法制作植物標(biāo)本；遠(yuǎn)婷等[10]采用電風(fēng)機(jī)的冷熱風(fēng)交替法干燥制作臘葉標(biāo)本，其具體方法是先用電吹風(fēng)機(jī)對(duì)植物進(jìn)行吹干處理，待其半干燥之后再用傳統(tǒng)自然干燥法徹底干燥。近年來(lái)，鄭漢等[11]研制了一款臘葉標(biāo)本快速定型干燥裝置，并在第四次全國(guó)中藥資源普查安徽省部分地區(qū)的普查隊(duì)中使用。此外，林巧賢等[12]進(jìn)行熱風(fēng)機(jī)干燥法的研究，郭娜等[13]研制一款臘葉標(biāo)本快速脫水成型裝置。目前，在現(xiàn)代制作臘葉標(biāo)本中，應(yīng)用最為廣泛的是熱風(fēng)機(jī)干燥法[11-12]。

當(dāng)前的熱風(fēng)機(jī)干燥法在傳統(tǒng)干燥法改良技術(shù)(即標(biāo)本夾中加入瓦楞紙)的基礎(chǔ)上，利用熱風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的熱風(fēng)通過(guò)瓦楞紙中的氣孔帶走標(biāo)本中的水分，以此來(lái)提高標(biāo)本烘干的速度。雖然這種方法在一定程度上解決了傳統(tǒng)干燥法的問(wèn)題，但又產(chǎn)生了裝置自身難以克服的新問(wèn)題。究其原因，主要集中在瓦楞紙和烘干手段兩方面。就瓦楞紙而言，目前市場(chǎng)上所銷售的瓦楞紙多數(shù)孔徑小，通風(fēng)性較差，材質(zhì)較軟，壓制標(biāo)本過(guò)程中受壓容易變形，使得原本較小的氣孔被阻塞而影響其通風(fēng)效果。其次，瓦楞紙的面紙較厚，透氣性差，植物中的水分難以透過(guò)面紙進(jìn)入瓦楞紙的氣孔[14]，從而影響標(biāo)本的烘干速度。據(jù)了解，即便使用制作臘葉標(biāo)本的專用瓦楞紙，采用熱風(fēng)機(jī)烘干法也需要2～3 d以上的時(shí)間才能完成干燥。并且由于瓦楞紙通風(fēng)效果差，在烘干標(biāo)本時(shí)極易因積熱而產(chǎn)生高溫現(xiàn)象，存在極大的安全隱患。烘干過(guò)程中還需要每隔一段時(shí)間將標(biāo)本夾上下或前后顛倒放置，才能完成標(biāo)本均勻干燥，其操作繁瑣。在烘干手段上，由于現(xiàn)有烘干裝置的烘干溫度不可控，標(biāo)本很容易出現(xiàn)因溫度過(guò)高而變黃、變褐甚至是變黑的現(xiàn)象[15]。并且現(xiàn)有的烘干裝置為滿足一次性烘干較多標(biāo)本的要求，箱體較大，也導(dǎo)致裝置較為笨重，不方便搬運(yùn)和裝載。

基于上述原因，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)現(xiàn)代干燥法中瓦楞紙和烘干裝置所存在的問(wèn)題，研制出了一種專門用于制作植物臘葉標(biāo)本的通風(fēng)板和可變式加熱箱，兩者需配套使用，且均獲得國(guó)家專利[16-18]。該套裝置在全國(guó)第四次中藥資源普查期間在河南省普查隊(duì)中長(zhǎng)期試用，實(shí)踐證明，這套臘葉標(biāo)本高效制作裝置不僅可以高效制作臘葉標(biāo)本，同時(shí)還能最大限度地保持標(biāo)本原色，并且裝置易攜帶，便于在野外工作中操作應(yīng)用，本文特將此套裝置的構(gòu)造和使用方法及效果做詳細(xì)介紹。

1 裝置構(gòu)造及使用方法

1.1 通風(fēng)板

通風(fēng)板(圖1)大小為 250～350 mm×280～450 mm×6～15 mm，采用 ABS 工程塑料材質(zhì)，由一層邊長(zhǎng)為6～12 mm的小正方體構(gòu)成，小正方體邊框?qū)?.2～2.0 mm，形成一個(gè)六面通風(fēng)的隔板，整體呈立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。植物標(biāo)本整理好以后，在其兩面分別依次放置吸水紙和通風(fēng)板，用標(biāo)本夾固定后進(jìn)行干燥。

圖1 通風(fēng)板的外觀Fig.1 Appearance of the ventilation panel

1.2 可變式加熱箱

可變式加熱箱(圖2、圖3)長(zhǎng)36 cm，寬30 cm，高34 cm。采用鋁合金材質(zhì)，箱體由中央部分和兩側(cè)可抽拉的部分構(gòu)成。拉開箱體兩側(cè)的可抽拉部分后，出現(xiàn)向上的開口，將固定好的標(biāo)本豎直放置于開口之中，可抽拉部分頂部的蓋子可分別打開，用于增加開口的大小。在工作時(shí)，調(diào)節(jié)開口大小(圖3)，利用箱體開口固定標(biāo)本夾，防止熱空氣流失，在實(shí)際操作時(shí)可以根據(jù)一次烘干標(biāo)本的數(shù)量(厚度)來(lái)調(diào)節(jié)開口寬窄。箱體中央部分的底部固定有加熱器，用于空氣加熱。加熱器為高純度鎳鉻合金材料，長(zhǎng)24 cm，寬24 cm，高9 cm。在加熱器上方，有銅質(zhì)渦輪風(fēng)扇，用于提高空氣向上流動(dòng)的速度。渦輪風(fēng)扇上裝有鋁合金網(wǎng)罩，用于隔離標(biāo)本夾和底部的加熱吹風(fēng)裝置。箱體內(nèi)部安裝百葉網(wǎng)，并與獨(dú)立按鈕相連，可調(diào)控風(fēng)向，使植物標(biāo)本均勻烘干。加熱器與溫度裝置相連，并設(shè)置獨(dú)立開關(guān)，使用時(shí)，將溫控探頭置入標(biāo)本夾中間位置通風(fēng)板的下端孔中，可實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度，形成溫度控制體系(圖4)。箱體上裝有電插孔，用于接通電源。使用時(shí)，將標(biāo)本夾豎直放置在可變式加熱箱的開口上，由此構(gòu)成一個(gè)上下開放式冷熱空氣循環(huán)的干燥系統(tǒng)。箱體帶有鎖扣，在不工作狀態(tài)下可將箱體的兩部分收攏封閉。

圖2 裝置的結(jié)構(gòu)及名稱Fig.2 The structure and name of the device

圖3 箱體向兩側(cè)拉開的立體結(jié)構(gòu)Fig.3 The three-dimensional structure of the box elongated on both sides

圖4 加熱系統(tǒng)的工作電路Fig.4 The working circuit of the heating system

2 實(shí)踐應(yīng)用檢驗(yàn)

2019年，在河南省第四次全國(guó)中藥資源普查中，最初本團(tuán)隊(duì)根據(jù)裝置的研發(fā)原理制作了簡(jiǎn)易裝置：精選硬度大、孔隙大的瓦楞紙，在其面紙上打孔，這是通風(fēng)板的原始造型，用于提高干燥速度，達(dá)到最佳透氣效果。經(jīng)過(guò)實(shí)踐探索，最終設(shè)計(jì)出通風(fēng)板和可變式加熱箱。用通風(fēng)板代替瓦楞紙，制成標(biāo)本夾，將標(biāo)本夾豎直放置?？勺兪郊訜嵯涞臒犸L(fēng)從下往上吹，在植物標(biāo)本中央處放入溫控探頭來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制溫度。二者結(jié)合，將溫度控制在32～33 ℃時(shí)，一次性壓制的260份標(biāo)本可在8～11 h內(nèi)完成所有標(biāo)本烘干，中間無(wú)需打開標(biāo)本夾，也無(wú)需人工轉(zhuǎn)換其方向。除了個(gè)別果實(shí)大、葉片肉質(zhì)肥厚的標(biāo)本外，絕大多數(shù)標(biāo)本都能夠達(dá)到令人滿意的干燥效果。所制成的標(biāo)本無(wú)發(fā)霉現(xiàn)象，能夠較好地保持標(biāo)本的原色，實(shí)現(xiàn)在低溫條件下高效、高質(zhì)地烘干臘葉標(biāo)本的目標(biāo)。在河南省境內(nèi)的伏牛山及大別山等地區(qū)的多個(gè)縣市中藥資源普查中，共采集400余種植物，使用本裝置壓制臘葉標(biāo)本5 000余份，全部上交至第四次全國(guó)中藥資源河南省中藥資源普查項(xiàng)目辦公室，均為合格標(biāo)本。這套高效制作臘葉標(biāo)本的裝置在使用中(圖5)達(dá)到了最佳通風(fēng)效果，可在32～33 ℃下快速烘干，并較好地保持標(biāo)本原色。該裝置的優(yōu)點(diǎn)是，由于通風(fēng)板的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，使其具有良好通風(fēng)性，即使單獨(dú)使用通風(fēng)板(墊上一層吸水紙)來(lái)干燥臘葉標(biāo)本，在室溫環(huán)境下(23～27 ℃)也能夠?qū)崿F(xiàn)48 h內(nèi)絕大多數(shù)標(biāo)本達(dá)到理想的干燥效果，并能最大限度地保持標(biāo)本的原色(圖6)。

圖5 臘葉標(biāo)本高效制作裝置的工作狀態(tài)注：a.正面；b.側(cè)面Fig.5 The working state of this high-efficiency production device

圖6 使用本裝置壓制的標(biāo)本注：a.棣棠花〔Kerria japonica(L.) DC.〕，b.野薔薇(Rosa multiflora Thunb.)，c.山皂莢(原變種)(Gleditsia japonica Miq.var.japonica)，d.小葉鼠李(Rhamnus parvifolia Bunge)；a為使用本裝置在32 ℃下9 h烘干，b、c、d為使用本裝置在33 ℃下9 h烘干。Fig.6 Specimens pressed with this device

3 研究展望

臘葉標(biāo)本干燥的要求有兩個(gè)：一個(gè)是高效，另一個(gè)是保色(保質(zhì))。兩者的側(cè)重點(diǎn)雖有不同，卻息息相關(guān)，相互影響。標(biāo)本的色澤是評(píng)判標(biāo)本質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，一味追求提高烘干速度而不顧及標(biāo)本的質(zhì)量是不可取的。

目前，臘葉標(biāo)本快速干燥的研究主要集中在提高溫度上，通常采用向標(biāo)本夾中吹入熱風(fēng)或直接升溫的措施來(lái)加快標(biāo)本烘干的速度[11-12]。從結(jié)果上看，該設(shè)備的確能縮短臘葉標(biāo)本的干燥時(shí)間，但從原理上分析，標(biāo)本干燥的關(guān)鍵是要及時(shí)除去植物中多余的水分，避免標(biāo)本發(fā)霉、蟲蛀以及其成分的分解和破壞，保證質(zhì)量，便于貯藏[19]。因此，如何使植物體中的水分快速蒸發(fā)才是標(biāo)本干燥的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)干燥法是在自然環(huán)境溫度下通過(guò)頻繁更換吸水紙來(lái)加快植物標(biāo)本中水分蒸發(fā)的，然而此操作較為繁瑣，該過(guò)程耗費(fèi)大量的時(shí)間、精力，讓研究者們不得不另辟蹊徑，思考如何使臘葉標(biāo)本快速干燥。如：遠(yuǎn)婷等[10]使用的冷熱風(fēng)交替法將溫度設(shè)置在55 ℃左右；鄭漢等[11]將熱風(fēng)溫度設(shè)定在30～80 ℃，分1、 2、 3檔,需7～10 h 完成標(biāo)本定型干燥；林巧賢等[12]將加熱板溫度設(shè)置為60 ℃，持續(xù)加熱9 h；包箐箐等[20]將標(biāo)本夾放在45～60 ℃的恒溫干燥箱中干燥。上述各種干燥法均著眼于通過(guò)提高溫度來(lái)加快干燥速度。在烘干標(biāo)本過(guò)程中保持臘葉標(biāo)本原色是保證標(biāo)本質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。侯爽爽等[21]認(rèn)為溫度能影響忍冬(LonicerajaponicaThunb.)臘葉標(biāo)本褐變程度，在50～60 ℃時(shí)褐變劇烈。而武睿等[15]認(rèn)為對(duì)于同一藥用植物，在相同的時(shí)間內(nèi)，隨著溫度的升高，臘葉標(biāo)本的保色效果增加，即50 ℃下臘葉標(biāo)本的保色效果最好，40 ℃次之，30 ℃下臘葉標(biāo)本的保色效果最差。齊大明等[22]探究得出忍冬臘葉標(biāo)本褐變的溫度臨界點(diǎn)在45 ℃左右。上述研究對(duì)臘葉標(biāo)本烘干時(shí)最佳溫度并無(wú)一致的結(jié)論，筆者分析原因有兩個(gè)方面，一是臘葉標(biāo)本的保色不只與干燥的溫度有關(guān)，干燥時(shí)植物標(biāo)本所處的通風(fēng)環(huán)境也極為重要。二是上述研究的植物種類少，不具有普遍意義。在河南省第四次全國(guó)中藥資源普查過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)使用本套裝置壓制近400種臘葉標(biāo)本的實(shí)踐表明，臘葉標(biāo)本的保色與烘干時(shí)標(biāo)本所處的溫度及通風(fēng)環(huán)境均有關(guān)，植物標(biāo)本處于良好通風(fēng)環(huán)境及相對(duì)低溫條件下，完全能實(shí)現(xiàn)快速干燥，得到優(yōu)質(zhì)植物標(biāo)本。目前使用的熱風(fēng)機(jī)烘干方法都存在干燥溫度設(shè)定不合理不規(guī)范、干燥時(shí)間難以把握、標(biāo)本顏色不理想等問(wèn)題。

溫度和通風(fēng)性直接影響著標(biāo)本干燥速度，關(guān)系到標(biāo)本能否保持原色。引起植物標(biāo)本變色的主要因素是酶促反應(yīng)，而酶促反應(yīng)發(fā)生的條件是酶、底物和氧?？刂七@3個(gè)變量中的任意一個(gè)即可抑制酶促反應(yīng)[23]。現(xiàn)代抑制酶促反應(yīng)技術(shù)在隔絕氧氣方面的探究上主要是采用塑封技術(shù)[24]，但是此操作較為復(fù)雜，成本高，生產(chǎn)中使用度較低，無(wú)法在臘葉標(biāo)本制作過(guò)程中使用，而對(duì)于底物控制的難度又較高，最有效可行的方法便是控制酶的活性?，F(xiàn)代研究表明，植物體中廣泛存在的多酚氧化酶(polyphenoloxidase，PPO)是引起水果、蔬菜發(fā)生酶促褐變的主要酶類[25]。馮寅潔等[26]的研究認(rèn)為，PPO適宜溫度在30～50 ℃之間。仲飛[25]研究得出紅星蘋果(Maluspumilavar.medzwetzkyanaDieck.)(河北昌黎產(chǎn))PPO的最適溫度為28 ℃。朱玉蕓[27]研究得出菊花(ChrysanthemummorifoliumRamat.)PPO在25 ℃時(shí)酶活性達(dá)到最高值，其后隨著溫度的上升，酶活性下降，且溫度越高，酶活性下降速度越快。張珍林等[28]研究得出鐵皮石斛(DendrobiumofficinaleKimura et Migo)干花PPO活性的最適溫度為35 ℃。上述關(guān)于不同植物材料PPO的最適溫度研究并無(wú)一致的結(jié)論。研究團(tuán)隊(duì)受到傳統(tǒng)干燥法(頻繁更換吸水紙一般低于35 ℃)能保持植物原色的啟發(fā)，便通過(guò)提高裝置的通風(fēng)性，將溫度設(shè)置在32～33 ℃，結(jié)果8～11 h即可實(shí)現(xiàn)臘葉標(biāo)本優(yōu)質(zhì)干燥。

基于以上對(duì)于溫度、通風(fēng)性和酶促反應(yīng)的研究，團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用本套裝置在實(shí)踐探究中發(fā)現(xiàn)將溫度控制在32～33 ℃時(shí)，在通風(fēng)性能極優(yōu)的前提下,PPO活性較低，能滿足絕大部分臘葉標(biāo)本最大限度地保持原色的要求。同時(shí)，在此溫度下，裝置向上通風(fēng)的構(gòu)造配合通風(fēng)板的良好通風(fēng)性，加快植物中水分蒸發(fā)，從而在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了加快烘干速度同時(shí)保持標(biāo)本原色的目標(biāo)。通風(fēng)板是該裝置中的關(guān)鍵組件，但本研究使用的通風(fēng)板采用3D打印，成本較高；可變式加熱箱也屬于一種變?nèi)菔皆O(shè)計(jì)[29]，通過(guò)伸拉箱體來(lái)改變開口(向上)的大小以滿足一次性烘干較多標(biāo)本的需求；加熱箱合上后體積小，又選用鋁合金材料減小了箱體重量，方便工作人員在野外采集標(biāo)本時(shí)攜帶。利用這套高效制作臘葉標(biāo)本的裝置能一次性壓制200～260份標(biāo)本，可在8～11 h內(nèi)完成烘干，中間無(wú)需翻動(dòng)標(biāo)本夾。綜上所述，本套裝置烘干臘葉標(biāo)本速度快，所制標(biāo)本質(zhì)量高，同時(shí)裝置又具有易攜帶，操作方便的特點(diǎn)，目前來(lái)看，確實(shí)是一套高效制作臘葉標(biāo)本的裝置。需要指出的是，本裝置雖然能夠使絕大多數(shù)植物標(biāo)本實(shí)現(xiàn)快速優(yōu)質(zhì)干燥，但是對(duì)于一些較大或肥厚、含水量較多的植物，如枸杞(LyciumchinenseMiller)和山楂(CrataeguspinnatifidaBge.)果實(shí)，需要在不同的烘干條件下處理，甚至有時(shí)還需要特殊的處理方式，如馬齒莧(PortulacaoleraceaL.)需要熱水燙后才能烘干，否則不能制作出質(zhì)量較好的標(biāo)本。