全草類中藥材烘干技術(shù)及機械研究的發(fā)展趨勢

張翀，吳明亮,2*，龔昕

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學工學院，湖南 長沙410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙410128；3.湖南省蠶?？茖W研究所，湖南 長沙 410127)

中國土地遼闊，蘊藏著極為豐富的中藥材天然資源，在遠古時代人們就已經(jīng)開始利用各種中草藥治療各種疾病。中藥材的加工涉及一系列的環(huán)節(jié)(土壤、種質(zhì)、炮制、干燥、儲存、制劑過程等)，每個環(huán)節(jié)都對中藥材的質(zhì)量有影響，建立起中藥材質(zhì)量控制體系十分重要，其中干燥又是中藥材質(zhì)量控制體系中最重要的環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)很多中藥材還是采用傳統(tǒng)的日曬法，在晴好天氣將中藥材平鋪在蘆葦席或水泥地上，利用日光照射達到干燥的目的。有些不適合日曬的中藥材往往采用陰干法，將藥材放在室內(nèi)或大棚里，利用空氣的流動帶走中藥材中的水分，從而達到干燥的目的。這些干燥方法不但效率低，而且熱敏性、可溶性、易揮發(fā)的藥用成分容易散失[1]。唐代著名醫(yī)藥學家孫思邈在《千金翼方》一書中論述：“夫藥采取不以陰干曝干，雖有藥名，終無藥實”。這里“終無藥實”指的就是由于干燥過程中草藥有用成分的流失。如魚腥草、紫錐菊日曬干燥法，有效成分黃酮、揮發(fā)油的含量顯著減少[2]。傳統(tǒng)干燥方法使得中藥材的色、香、形上較差，甚至由于干燥環(huán)境的原因，蚊叮蟲咬易污染中藥材，造成中藥材資源的極大浪費。此外，傳統(tǒng)的烘房干燥等干燥方式都難以匹配現(xiàn)代化的中藥材加工技術(shù)體系，加快發(fā)展現(xiàn)代化的干燥技術(shù)已經(jīng)成為我國中藥材產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的必經(jīng)之路。

目前，我國約有中藥材1 000～1 200 種，其中野生中藥材種類占80%左右；栽培藥材種類占20%左右。在全國應用的中藥材中，植物類藥材有900余種，占90%；根及根莖類藥材約200～250 種；果實種子類藥材180～230種；全草類藥材160～180種；花類藥材60～70 種；葉類藥材50～60 種；皮類藥材30～40 種；藤木類藥材40～50 種；菌類藻類藥材20 種左右。全草類中藥材因其普遍含水量較高，有些雨季含水量達到90%左右，即使在夏季高溫天氣含水量也在70%～75%。采收的全草類中藥材除開鮮用外，一般都必須進行及時的烘干處理，但是大面積野生或人工種植的全草類中藥材多生長在交通不便利的偏遠山區(qū)，未經(jīng)干燥的中藥材長距離的運輸不但要支付高昂的費用，而且易發(fā)生腐爛和霉變。如博落回分布在長江中下游各省山區(qū)，而提取有效成分的加工基本都在較為發(fā)達的城市，選擇合適的產(chǎn)地烘干方式的經(jīng)濟性十分的明顯。根據(jù)經(jīng)驗，一般要將全草類中藥材含水量降低到5%以下才能安全存儲，干燥后全草類中藥材的重量也必然減少80%左右。目前，對全草類中藥材使用的烘干方式，根據(jù)其藥用成分的不同，主要選擇氣流干燥、遠紅外干燥、微波干燥、太陽能干燥，以及對珍貴全草類中藥材的組合式干燥。進行產(chǎn)地干燥要求在保證干燥質(zhì)量的前提下選擇成本低的干燥方式。移動式的干燥設(shè)備方便烘干作業(yè)，另外干燥機的模塊式結(jié)構(gòu)、方便維修、重量輕便也是產(chǎn)地烘干的設(shè)備特點[3]。

1 全草類中藥材烘干技術(shù)及機械的研究現(xiàn)狀

1.1 國外的研究現(xiàn)狀

1) 太陽能干燥技術(shù)及設(shè)備。直接利用太陽能輻射進行干燥，具有效益好、品質(zhì)高、對環(huán)境無污染等特點。利用太陽能干燥全草類中藥材主要從兩個方面考慮：一方面，中藥材含水量高，耗能大；另一方面，性味、色澤要求高，不宜采用高溫快速干燥。太陽能可與熱泵技術(shù)聯(lián)合干燥，如金錢草、紫錐菊、百花蛇舌草等。日本研究太陽能與熱泵聯(lián)合供熱，干燥初期利用太陽能加熱空氣，以減少熱泵除濕機的開動時間，降低能耗的費用，夏天能夠?qū)⑻柲苈?lián)合除濕機干燥室內(nèi)的空氣溫度提升到60 ℃，冬天能夠提升到40 ℃。夜間比室外溫度高15～20 ℃，太陽能聯(lián)合除濕干燥機的能耗為其他傳統(tǒng)干燥方式的1/2～1/3,干燥成本相當?shù)土?，符合全球?qū)α畠r能源需求的趨勢[4]。世界上已建成一批500 m2的大型太陽能藥材、果蔬、谷物干燥裝置，其中美國4 座、印度2 座、阿根廷1 座，這些標志著太陽能干燥技術(shù)已經(jīng)進入了大規(guī)模生產(chǎn)應用階段[5]。

2) 氣流干燥技術(shù)及設(shè)備。利用氣流強制中藥材擴散并懸浮在熱氣流中，強制性的增強氣體與固體之間的流動性，提高干燥的效率。氣流式干燥的類型根據(jù)氣流本身的運動形式分為旋轉(zhuǎn)氣流式干燥、對撞式氣流干燥、直管氣流干燥、脈沖氣流干燥等。其中對撞式氣流干燥為國內(nèi)外具有廣闊應用前景的前沿干燥技術(shù)，它是由兩股或兩股以上的高速氣流相互撞擊所產(chǎn)生的高速湍流流場，形成物料懸浮流動和穿透行為大大提高物料與氣流間的傳熱傳質(zhì)系數(shù)，從而可以較大地降低干燥過程中的能量損耗。俄羅斯的科學家Elperin、以色列科學家Tamir和加拿大科學家Mujumdar 等已經(jīng)開展了大量的研究，試驗證明對撞氣流干燥系統(tǒng)的換熱系數(shù)為850 W/(m2·K),而相同條件下的氣流干燥系統(tǒng)的換熱系數(shù)只有300～520 W/(m2·K)[6]。

3) 紅外線干燥技術(shù)。紅外線是波長為0.76～1 000 μm的電磁波，其中波長為0.76～1.4 μm的叫做近紅外線，波長為1.4～3.0 μm的電磁波叫做中紅外線，波長為3.0～1 000 μm的電磁波叫做遠紅外線，紅外線干燥不需要經(jīng)過中間介質(zhì)，從而減少了全草類中藥材干燥介質(zhì)的熱損失.遠紅外干燥的原理是將電能轉(zhuǎn)化為遠紅外輻射能，從而被藥材的分子吸收產(chǎn)生共振，導致藥材本身內(nèi)部發(fā)熱、水分蒸發(fā)、擴散達到干燥的目的。遠紅外干燥的特點是：①當其發(fā)射時，能使熱量高度集中；②能被自然界中大部分物質(zhì)所吸收；③干燥速度快，同時具有殺菌作用；④紅外線有很強的穿透力，干燥均勻。由于傳統(tǒng)熱風干燥西洋參，其表面干燥速度大于內(nèi)部，導致表面容易形成致密層，阻礙進一步干燥[7]。近年來，運用遠紅外干燥技術(shù)，西洋參內(nèi)部干燥速度略大于外部，無致密層，無抽溝，無暗斑。表皮及斷面均為黃白色，不易腐爛。

4) 微波干燥技術(shù)及設(shè)備。微波具備電場所特有的振蕩周期短、穿透能力強、與物質(zhì)相互作用可產(chǎn)生特定效應等特點。微波干燥不同于傳統(tǒng)干燥方式，其熱傳導方向與水分擴散方向相同。與傳統(tǒng)干燥方式相比，具有干燥效率高、節(jié)能、干燥均勻有穿透力、清潔生產(chǎn)、易實現(xiàn)自動化控制和有效成分破壞少、質(zhì)量優(yōu)等特點，因而在干燥的各個領(lǐng)域越來越受到重視[8]。早在20 世紀60年代國外就對微波干燥技術(shù)的應用和理論進行了大量研究，在近幾十年又得到了進一步的發(fā)展。國際知名微波熱處理研究與開發(fā)機構(gòu)SYNOTHERM 推出了新的微波干燥技術(shù)與設(shè)備，解決了長久以來微波節(jié)能和效率優(yōu)勢不明顯、核心部件磁控管壽命短等缺點。MDS系列微波干燥為SYNOTHERM 最新推出之獨特的高效干燥裝備，可實現(xiàn)快速(比常規(guī)干燥快數(shù)倍至數(shù)十倍)、免開裂、 免崩料干燥及低溫、深度干燥，廣泛適用于食品、藥品、農(nóng)、副產(chǎn)品等物料的干燥或低溫處理，更好的保證在高效率干燥的前提下，提高干燥的品質(zhì)[9]。

5) 真空冷凍干燥技術(shù)。是指中草藥在低溫下凍結(jié)，在真空環(huán)境下升華干燥，升華結(jié)束后，進行解吸干燥，以除去部分結(jié)合水的干燥方法。干燥環(huán)境必須控制在水的三相點以下(0.01℃，610.5 Pa)[10]。真空冷凍干燥具有以下優(yōu)點：①熱敏性成分、易氧化成分散失少，產(chǎn)品活性成分損失率低，芳香物質(zhì)揮發(fā)性低，性味濃厚；②中草藥收縮率遠小于其他干燥方法的產(chǎn)品，從而保持了較好的外觀品質(zhì)；③不會出現(xiàn)表面的硬化現(xiàn)象；④不會產(chǎn)生因色素分解而造成的退色，酶和氨基酸所引起的褐變現(xiàn)象，所以中草藥產(chǎn)品不需要添加任何色素和其他添加劑；⑤真空冷凍干燥脫水效果好，質(zhì)量高，適合長途運輸；主要缺點：①設(shè)備較為復雜，一次性投資大， 24 m的真空干燥設(shè)備，投資約42萬美元；②干燥過程能耗高，干燥成本高；③干燥產(chǎn)品成多孔疏松狀，暴露于空氣中容易吸濕和氧化[8]。

1.2 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀

1) 北京林業(yè)大學先后研制的TRCW 中溫型和GRCT 高溫型太陽能聯(lián)合干燥除濕系統(tǒng)由高溫雙熱源除濕機、太陽能集熱器、干燥室和微機監(jiān)控裝置四部分組成，其中高溫雙熱源除濕泵是節(jié)能的關(guān)鍵設(shè)備，一般在太陽能不充足的地方可以單獨運行。而在太陽能較為充足的地方，太陽能集熱器供熱系統(tǒng)就會聯(lián)合干燥裝置中最重要的輔助供熱設(shè)備，在整個干燥過程中取得較好的干燥質(zhì)量[11]。天津大學熱能研究所馬一太、張嘉輝等用當量溫度法對熱泵干燥的最佳工況進行了詳細的分析計算，并提出熱泵干燥裝置最佳蒸發(fā)溫度的概念，對熱泵干燥裝置的節(jié)能運行具有指導意義，比較了不同制冷工藝的干燥效果，研究了回熱循環(huán)的節(jié)能原理。浙江大學制冷機低溫工程研究所王劍鋒、歐陽應秀等進行了相變材料應用于熱泵干燥的實驗研究，指出相變材料應用于熱泵干燥后期具有明顯的節(jié)能效果。太陽能干燥的最大優(yōu)點是環(huán)保節(jié)能、提高中藥材干燥后的質(zhì)量品級、設(shè)備投資少。太陽能干燥的主要缺點是：①屬間歇性能源，要與其他干燥方式聯(lián)合使用；②干燥中后期速度過慢；③設(shè)備需經(jīng)常進行保養(yǎng)[5]。

2) 紅外線干燥。朱俊霖等研究了自然曬干、陰干、60 ℃熱風干燥、微波干燥、遠紅外干燥，真空干燥等6 種方式干燥黃芩，結(jié)果發(fā)現(xiàn)用遠紅外線干燥黃芩時，其有效成分黃芩苷的含量最高，達到了14.43%。程立方等用熱風、微波、遠紅外干燥陳皮，結(jié)果發(fā)現(xiàn)遠紅外干燥法有利于陳皮揮發(fā)油的保存。此外利用遠紅外干燥鹿茸，對其蛋白質(zhì)的保存比其他干燥法更具優(yōu)勢[7]。

3) 微波干燥技術(shù)。起步較晚，與國外相比有一定的差距，但也取得了不錯的成績。我國微波干燥技術(shù)現(xiàn)已用于食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)等方面[1]。張薇等對于中藥材淮山藥的微波干燥規(guī)律進行了研究，并建立了微波干燥輻射干燥片狀的淮山藥數(shù)學模型。試驗了不同輻射量的微波與不同片狀淮山藥的溫度、水分和體積的變化。所建立的模型可以成功的解釋微波干燥行為，基于微波干燥的特點，微波干燥十分適合人參、鹿茸，天麻等名貴中藥材的干燥，但不適合類熱敏性中藥材的干燥[12]。張薇等采用微波干燥丹參藥材，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)熱風干燥相比，具有干燥速度快，干燥質(zhì)量好等特點。60 ℃微波控溫輻射能有效的保持丹參酮1 和丹參酮2 的含量[13]。

4) 氣流干燥。有直管氣流、脈沖氣流、旋轉(zhuǎn)氣流、對撞氣流等型式。目前，國內(nèi)的旋轉(zhuǎn)氣流干燥的應用比較廣泛，主要用于片狀物料的干燥[14]。干燥過程由于氣流與物料的快速相對運動，避免了由于片狀物料重疊之后所導致的干燥不均勻現(xiàn)象。干燥過程中，物料重量將變小，重量輕的在干燥室干燥時間短，反之則干燥時間較長，這樣被干燥的中藥材將自動分層，分級優(yōu)化干燥空間。干燥到安全含水率的中藥材進入氣固分離器完成干燥[15]。

5) 組合干燥技術(shù)。更容易節(jié)約能源和保證產(chǎn)品質(zhì)量，操作更靈活，因此被廣泛應用。微波真空干燥技術(shù)作為一項現(xiàn)代高新干燥技術(shù)，綜合微波和真空干燥一系列技術(shù)的優(yōu)點，微波為真空干燥提供熱源，克服了真空狀態(tài)下普通熱源傳導難、干燥周期長、效率低的缺點，一般中草藥的微波真空干燥比常規(guī)方法的效率要提高4～10 倍。真空又可以使物料在較低溫度下進行干燥。在真空條件下，加熱物體可使物體內(nèi)部水分在無升溫狀態(tài)下蒸發(fā)，能較好地保留全草類中藥材原有的色香味及營養(yǎng)成分，加熱均勻、無污染且易于控制，從而易于實現(xiàn)連續(xù)自動化的環(huán)保生產(chǎn)。目前，國內(nèi)一些機構(gòu)和學者已將該技術(shù)應用到多種中藥材、果蔬的干制加工中。微波真空干燥技術(shù)是集電子學、真空學、機械學、熱力學、程控學等多種學科為一體的高新技術(shù)，是在干燥過程中對物質(zhì)的物理變化、內(nèi)外熱質(zhì)交換以及真空條件下水分遷移過程的深入研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項新技術(shù)、新工藝[16]。

2 我國中藥材干燥機的發(fā)展趨勢

隨著人們生活品質(zhì)的提高，中藥材干燥也將更加注重對中藥材藥用成分、外觀的保護。同時，企業(yè)在降低成本的壓力下，必然需要實現(xiàn)中藥材干燥技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展，才能增強中藥材加工企業(yè)的競爭力。

目前，中藥材干燥全過程往往是采用單一的干燥參數(shù)和干燥設(shè)備，而中藥材干燥是一個復雜的化學、物理反應過程，必須通過大量的實驗，在基礎(chǔ)理論研究的基礎(chǔ)上，建立干燥模型，同時加快推進干燥設(shè)備的參數(shù)化設(shè)計、智能化設(shè)計，只有在不同的干燥階段使用不同的干燥參數(shù)和方式，才能從根本上提高中藥材的質(zhì)量和產(chǎn)量。

發(fā)展良好的智能控制、人機操作界面及遠程監(jiān)測控制等是中藥材干燥設(shè)備未來發(fā)展的重要方向。實現(xiàn)中藥材干燥過程中干燥參數(shù)的在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)的及時分析與顯示、程序控制調(diào)節(jié)、自動報警等。很多中藥材都是生長在山區(qū)，給烘干設(shè)備運輸架設(shè)增加了困難，產(chǎn)地烘干設(shè)備必然朝著模塊設(shè)計，安裝拆卸方便，維修簡單，可移動式的方向發(fā)展。模塊化設(shè)計使得烘干設(shè)備具有對多種中藥材烘干的通用性，通過改變烘干的參數(shù)，加裝新型設(shè)備形成組合干燥方式，能夠烘干多種中藥材，因此，研發(fā)更多組合干燥方式實現(xiàn)中藥材干燥的高效化和低碳化，將成為我國中藥材產(chǎn)業(yè)國際化的制高點[7]。

干燥新能源(包括太陽能、風能、地熱、生物質(zhì)能等)的應用，不但能夠給高能耗的中藥材干燥業(yè)節(jié)約成本，而且能夠?qū)Ξa(chǎn)地烘干就地利用能源提供了可能。國內(nèi)外學者對于干燥新能源的研究已經(jīng)做了大量的研究，新能源在干燥領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排與綠色干燥有著廣闊的前景[8]。

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