全草类中药材烘干技术及机械研究的发展趋势

2013-04-07张翀吴明亮龚昕

湖南农业大学学报（自然科学版） 2013年1期

张翀，吴明亮,2*，龚昕

(1.湖南农业大学工学院，湖南长沙410128；2.湖南省现代农业装备工程技术研究中心，湖南长沙410128；3.湖南省蚕桑科学研究所，湖南长沙 410127)

中国土地辽阔，蕴藏着极为丰富的中药材天然资源，在远古时代人们就已经开始利用各种中草药治疗各种疾病。中药材的加工涉及一系列的环节(土壤、种质、炮制、干燥、储存、制剂过程等)，每个环节都对中药材的质量有影响，建立起中药材质量控制体系十分重要，其中干燥又是中药材质量控制体系中最重要的环节。目前，国内很多中药材还是采用传统的日晒法，在晴好天气将中药材平铺在芦苇席或水泥地上，利用日光照射达到干燥的目的。有些不适合日晒的中药材往往采用阴干法，将药材放在室内或大棚里，利用空气的流动带走中药材中的水分，从而达到干燥的目的。这些干燥方法不但效率低，而且热敏性、可溶性、易挥发的药用成分容易散失[1]。唐代著名医药学家孙思邈在《千金翼方》一书中论述：“夫药采取不以阴干曝干，虽有药名，终无药实”。这里“终无药实”指的就是由于干燥过程中草药有用成分的流失。如鱼腥草、紫锥菊日晒干燥法，有效成分黄酮、挥发油的含量显著减少[2]。传统干燥方法使得中药材的色、香、形上较差，甚至由于干燥环境的原因，蚊叮虫咬易污染中药材，造成中药材资源的极大浪费。此外，传统的烘房干燥等干燥方式都难以匹配现代化的中药材加工技术体系，加快发展现代化的干燥技术已经成为我国中药材产业现代化的必经之路。

目前，我国约有中药材1 000～1 200 种，其中野生中药材种类占80%左右；栽培药材种类占20%左右。在全国应用的中药材中，植物类药材有900余种，占90%；根及根茎类药材约200～250 种；果实种子类药材180～230种；全草类药材160～180种；花类药材60～70 种；叶类药材50～60 种；皮类药材30～40 种；藤木类药材40～50 种；菌类藻类药材20 种左右。全草类中药材因其普遍含水量较高，有些雨季含水量达到90%左右，即使在夏季高温天气含水量也在70%～75%。采收的全草类中药材除开鲜用外，一般都必须进行及时的烘干处理，但是大面积野生或人工种植的全草类中药材多生长在交通不便利的偏远山区，未经干燥的中药材长距离的运输不但要支付高昂的费用，而且易发生腐烂和霉变。如博落回分布在长江中下游各省山区，而提取有效成分的加工基本都在较为发达的城市，选择合适的产地烘干方式的经济性十分的明显。根据经验，一般要将全草类中药材含水量降低到5%以下才能安全存储，干燥后全草类中药材的重量也必然减少80%左右。目前，对全草类中药材使用的烘干方式，根据其药用成分的不同，主要选择气流干燥、远红外干燥、微波干燥、太阳能干燥，以及对珍贵全草类中药材的组合式干燥。进行产地干燥要求在保证干燥质量的前提下选择成本低的干燥方式。移动式的干燥设备方便烘干作业，另外干燥机的模块式结构、方便维修、重量轻便也是产地烘干的设备特点[3]。

1 全草类中药材烘干技术及机械的研究现状

1.1 国外的研究现状

1) 太阳能干燥技术及设备。直接利用太阳能辐射进行干燥，具有效益好、品质高、对环境无污染等特点。利用太阳能干燥全草类中药材主要从两个方面考虑：一方面，中药材含水量高，耗能大；另一方面，性味、色泽要求高，不宜采用高温快速干燥。太阳能可与热泵技术联合干燥，如金钱草、紫锥菊、百花蛇舌草等。日本研究太阳能与热泵联合供热，干燥初期利用太阳能加热空气，以减少热泵除湿机的开动时间，降低能耗的费用，夏天能够将太阳能联合除湿机干燥室内的空气温度提升到60 ℃，冬天能够提升到40 ℃。夜间比室外温度高15～20 ℃，太阳能联合除湿干燥机的能耗为其他传统干燥方式的1/2～1/3,干燥成本相当低廉，符合全球对廉价能源需求的趋势[4]。世界上已建成一批500 m2的大型太阳能药材、果蔬、谷物干燥装置，其中美国4 座、印度2 座、阿根廷1 座，这些标志着太阳能干燥技术已经进入了大规模生产应用阶段[5]。

2) 气流干燥技术及设备。利用气流强制中药材扩散并悬浮在热气流中，强制性的增强气体与固体之间的流动性，提高干燥的效率。气流式干燥的类型根据气流本身的运动形式分为旋转气流式干燥、对撞式气流干燥、直管气流干燥、脉冲气流干燥等。其中对撞式气流干燥为国内外具有广阔应用前景的前沿干燥技术，它是由两股或两股以上的高速气流相互撞击所产生的高速湍流流场，形成物料悬浮流动和穿透行为大大提高物料与气流间的传热传质系数，从而可以较大地降低干燥过程中的能量损耗。俄罗斯的科学家Elperin、以色列科学家Tamir和加拿大科学家Mujumdar 等已经开展了大量的研究，试验证明对撞气流干燥系统的换热系数为850 W/(m2·K),而相同条件下的气流干燥系统的换热系数只有300～520 W/(m2·K)[6]。

3) 红外线干燥技术。红外线是波长为0.76～1 000 μm的电磁波，其中波长为0.76～1.4 μm的叫做近红外线，波长为1.4～3.0 μm的电磁波叫做中红外线，波长为3.0～1 000 μm的电磁波叫做远红外线，红外线干燥不需要经过中间介质，从而减少了全草类中药材干燥介质的热损失.远红外干燥的原理是将电能转化为远红外辐射能，从而被药材的分子吸收产生共振，导致药材本身内部发热、水分蒸发、扩散达到干燥的目的。远红外干燥的特点是：①当其发射时，能使热量高度集中；②能被自然界中大部分物质所吸收；③干燥速度快，同时具有杀菌作用；④红外线有很强的穿透力，干燥均匀。由于传统热风干燥西洋参，其表面干燥速度大于内部，导致表面容易形成致密层，阻碍进一步干燥[7]。近年来，运用远红外干燥技术，西洋参内部干燥速度略大于外部，无致密层，无抽沟，无暗斑。表皮及断面均为黄白色，不易腐烂。

4) 微波干燥技术及设备。微波具备电场所特有的振荡周期短、穿透能力强、与物质相互作用可产生特定效应等特点。微波干燥不同于传统干燥方式，其热传导方向与水分扩散方向相同。与传统干燥方式相比，具有干燥效率高、节能、干燥均匀有穿透力、清洁生产、易实现自动化控制和有效成分破坏少、质量优等特点，因而在干燥的各个领域越来越受到重视[8]。早在20 世纪60年代国外就对微波干燥技术的应用和理论进行了大量研究，在近几十年又得到了进一步的发展。国际知名微波热处理研究与开发机构SYNOTHERM 推出了新的微波干燥技术与设备，解决了长久以来微波节能和效率优势不明显、核心部件磁控管寿命短等缺点。MDS系列微波干燥为SYNOTHERM 最新推出之独特的高效干燥装备，可实现快速(比常规干燥快数倍至数十倍)、免开裂、免崩料干燥及低温、深度干燥，广泛适用于食品、药品、农、副产品等物料的干燥或低温处理，更好的保证在高效率干燥的前提下，提高干燥的品质[9]。

5) 真空冷冻干燥技术。是指中草药在低温下冻结，在真空环境下升华干燥，升华结束后，进行解吸干燥，以除去部分结合水的干燥方法。干燥环境必须控制在水的三相点以下(0.01℃，610.5 Pa)[10]。真空冷冻干燥具有以下优点：①热敏性成分、易氧化成分散失少，产品活性成分损失率低，芳香物质挥发性低，性味浓厚；②中草药收缩率远小于其他干燥方法的产品，从而保持了较好的外观品质；③不会出现表面的硬化现象；④不会产生因色素分解而造成的退色，酶和氨基酸所引起的褐变现象，所以中草药产品不需要添加任何色素和其他添加剂；⑤真空冷冻干燥脱水效果好，质量高，适合长途运输；主要缺点：①设备较为复杂，一次性投资大， 24 m的真空干燥设备，投资约42万美元；②干燥过程能耗高，干燥成本高；③干燥产品成多孔疏松状，暴露于空气中容易吸湿和氧化[8]。

1.2 国内的研究现状

1) 北京林业大学先后研制的TRCW 中温型和GRCT 高温型太阳能联合干燥除湿系统由高温双热源除湿机、太阳能集热器、干燥室和微机监控装置四部分组成，其中高温双热源除湿泵是节能的关键设备，一般在太阳能不充足的地方可以单独运行。而在太阳能较为充足的地方，太阳能集热器供热系统就会联合干燥装置中最重要的辅助供热设备，在整个干燥过程中取得较好的干燥质量[11]。天津大学热能研究所马一太、张嘉辉等用当量温度法对热泵干燥的最佳工况进行了详细的分析计算，并提出热泵干燥装置最佳蒸发温度的概念，对热泵干燥装置的节能运行具有指导意义，比较了不同制冷工艺的干燥效果，研究了回热循环的节能原理。浙江大学制冷机低温工程研究所王剑锋、欧阳应秀等进行了相变材料应用于热泵干燥的实验研究，指出相变材料应用于热泵干燥后期具有明显的节能效果。太阳能干燥的最大优点是环保节能、提高中药材干燥后的质量品级、设备投资少。太阳能干燥的主要缺点是：①属间歇性能源，要与其他干燥方式联合使用；②干燥中后期速度过慢；③设备需经常进行保养[5]。

2) 红外线干燥。朱俊霖等研究了自然晒干、阴干、60 ℃热风干燥、微波干燥、远红外干燥，真空干燥等6 种方式干燥黄芩，结果发现用远红外线干燥黄芩时，其有效成分黄芩苷的含量最高，达到了14.43%。程立方等用热风、微波、远红外干燥陈皮，结果发现远红外干燥法有利于陈皮挥发油的保存。此外利用远红外干燥鹿茸，对其蛋白质的保存比其他干燥法更具优势[7]。

3) 微波干燥技术。起步较晚，与国外相比有一定的差距，但也取得了不错的成绩。我国微波干燥技术现已用于食品工业、医药工业等方面[1]。张薇等对于中药材淮山药的微波干燥规律进行了研究，并建立了微波干燥辐射干燥片状的淮山药数学模型。试验了不同辐射量的微波与不同片状淮山药的温度、水分和体积的变化。所建立的模型可以成功的解释微波干燥行为，基于微波干燥的特点，微波干燥十分适合人参、鹿茸，天麻等名贵中药材的干燥，但不适合类热敏性中药材的干燥[12]。张薇等采用微波干燥丹参药材，发现与常规热风干燥相比，具有干燥速度快，干燥质量好等特点。60 ℃微波控温辐射能有效的保持丹参酮1 和丹参酮2 的含量[13]。

4) 气流干燥。有直管气流、脉冲气流、旋转气流、对撞气流等型式。目前，国内的旋转气流干燥的应用比较广泛，主要用于片状物料的干燥[14]。干燥过程由于气流与物料的快速相对运动，避免了由于片状物料重叠之后所导致的干燥不均匀现象。干燥过程中，物料重量将变小，重量轻的在干燥室干燥时间短，反之则干燥时间较长，这样被干燥的中药材将自动分层，分级优化干燥空间。干燥到安全含水率的中药材进入气固分离器完成干燥[15]。

5) 组合干燥技术。更容易节约能源和保证产品质量，操作更灵活，因此被广泛应用。微波真空干燥技术作为一项现代高新干燥技术，综合微波和真空干燥一系列技术的优点，微波为真空干燥提供热源，克服了真空状态下普通热源传导难、干燥周期长、效率低的缺点，一般中草药的微波真空干燥比常规方法的效率要提高4～10 倍。真空又可以使物料在较低温度下进行干燥。在真空条件下，加热物体可使物体内部水分在无升温状态下蒸发，能较好地保留全草类中药材原有的色香味及营养成分，加热均匀、无污染且易于控制，从而易于实现连续自动化的环保生产。目前，国内一些机构和学者已将该技术应用到多种中药材、果蔬的干制加工中。微波真空干燥技术是集电子学、真空学、机械学、热力学、程控学等多种学科为一体的高新技术，是在干燥过程中对物质的物理变化、内外热质交换以及真空条件下水分迁移过程的深入研究的基础上发展起来的一项新技术、新工艺[16]。

2 我国中药材干燥机的发展趋势

随着人们生活品质的提高，中药材干燥也将更加注重对中药材药用成分、外观的保护。同时，企业在降低成本的压力下，必然需要实现中药材干燥技术的现代化发展，才能增强中药材加工企业的竞争力。

目前，中药材干燥全过程往往是采用单一的干燥参数和干燥设备，而中药材干燥是一个复杂的化学、物理反应过程，必须通过大量的实验，在基础理论研究的基础上，建立干燥模型，同时加快推进干燥设备的参数化设计、智能化设计，只有在不同的干燥阶段使用不同的干燥参数和方式，才能从根本上提高中药材的质量和产量。

发展良好的智能控制、人机操作界面及远程监测控制等是中药材干燥设备未来发展的重要方向。实现中药材干燥过程中干燥参数的在线监测、数据的及时分析与显示、程序控制调节、自动报警等。很多中药材都是生长在山区，给烘干设备运输架设增加了困难，产地烘干设备必然朝着模块设计，安装拆卸方便，维修简单，可移动式的方向发展。模块化设计使得烘干设备具有对多种中药材烘干的通用性，通过改变烘干的参数，加装新型设备形成组合干燥方式，能够烘干多种中药材，因此，研发更多组合干燥方式实现中药材干燥的高效化和低碳化，将成为我国中药材产业国际化的制高点[7]。

干燥新能源(包括太阳能、风能、地热、生物质能等)的应用，不但能够给高能耗的中药材干燥业节约成本，而且能够对产地烘干就地利用能源提供了可能。国内外学者对于干燥新能源的研究已经做了大量的研究，新能源在干燥领域实现节能减排与绿色干燥有着广阔的前景[8]。

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