黨參藥材不同干燥方法水分動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬與分析

朱邵晴,郭 盛,沙秀秀,段袖珠,魯學(xué)軍,錢大瑋,段金廒

(南京中醫(yī)藥大學(xué) 江蘇省中藥資源產(chǎn)業(yè)化過(guò)程協(xié)同創(chuàng)新中心/中藥資源產(chǎn)業(yè)化與方劑創(chuàng)新藥物國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,江蘇南京 210023)

黨參藥材不同干燥方法水分動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬與分析

朱邵晴,郭 盛*,沙秀秀,段袖珠,魯學(xué)軍,錢大瑋,段金廒*

(南京中醫(yī)藥大學(xué) 江蘇省中藥資源產(chǎn)業(yè)化過(guò)程協(xié)同創(chuàng)新中心/中藥資源產(chǎn)業(yè)化與方劑創(chuàng)新藥物國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,江蘇南京 210023)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)黨參藥材干燥過(guò)程的有效預(yù)測(cè),優(yōu)選黨參藥材干燥方法,本文采用Weibull分布函數(shù)對(duì)其干燥動(dòng)力學(xué)曲線進(jìn)行模擬與分析,并探索不同干燥方法與溫度對(duì)其干燥過(guò)程的影響。結(jié)果表明,Weibull分布函數(shù)可較好地模擬黨參藥材的干燥過(guò)程,黨參藥材干燥過(guò)程脫水速率呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì);尺度參數(shù)α隨干燥溫度升高而減小;形狀參數(shù)β受干燥溫度影響較小;黨參藥材熱風(fēng)干燥法、紅外干燥法所得活化能分別為40.40、70.21 kJ/mol。從水分脫除效率角度考察,當(dāng)干燥溫度低于51.51 ℃時(shí),黨參藥材采用熱風(fēng)干燥法干燥完成63%耗時(shí)大于385.6 min,但干燥速率較紅外干燥法提高20%以上,故宜采用熱風(fēng)干燥法;當(dāng)干燥溫度高于63.88 ℃時(shí),熱風(fēng)干燥法干燥完成63%耗時(shí)小于222.6 min,但干燥速率較紅外干燥法降低20%以上,故宜采用紅外干燥法;當(dāng)干燥溫度介于兩者之間,則兩種干燥方法皆可。本研究從水分脫除效率角度為黨參藥材現(xiàn)代干燥加工工藝的建立與優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支撐。

黨參,干燥方法,Weibull分布函數(shù),水分

黨參為桔梗科植物黨參Codonopisispilosula(Franch.)Nannf.、素花黨參CodonopsispilosulaNannf.var.modesta(Nannf.)L. T. Shen及川黨參CodonopsistangshenOliv. 的干燥根,味甘,性平,具有健脾益肺,養(yǎng)血生津之功效[1]。黨參為藥食同源品,列于SFDA《可用于保健食品的物品名單》中,具有較高的醫(yī)療、保健及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

黨參傳統(tǒng)產(chǎn)地加工過(guò)程主要包括揉搓、晾曬、二次揉搓、晾曬、三次揉搓、曬干成型、分級(jí)等環(huán)節(jié),操作環(huán)節(jié)多,耗時(shí)長(zhǎng),易受氣象條件影響,常見(jiàn)藥材干燥不足而致蟲蛀、霉變現(xiàn)象。近年來(lái),現(xiàn)代干燥設(shè)備與技術(shù)逐漸運(yùn)用于中藥材產(chǎn)地加工生產(chǎn),具有較傳統(tǒng)干燥方法更高效、集約的優(yōu)勢(shì)[2],所得產(chǎn)品質(zhì)量均一性較好[3-6],代表性干燥方法如微波、紅外、熱風(fēng)以及冷凍干燥法。微波干燥穿透力強(qiáng)、脫水迅速,紅外干燥屬輻射加熱,穿透力強(qiáng),熱風(fēng)干燥以對(duì)流方式加熱,干燥效率較高,成本較低,冷凍干燥對(duì)有效成分破壞少,產(chǎn)品儲(chǔ)存期長(zhǎng)、復(fù)水性好,但存在設(shè)備成本高、能耗大、干燥效率低等缺點(diǎn)[2,6-8]。此外,物料干燥過(guò)程牽涉?zhèn)鳠醾髻|(zhì)、產(chǎn)品質(zhì)量、能量消耗等重要指標(biāo),對(duì)其干燥過(guò)程的模擬預(yù)測(cè)具有重要意義。文獻(xiàn)研究表明[9-15],Weibull分布函數(shù)具有適用性廣、覆蓋面寬的優(yōu)點(diǎn),對(duì)其擬合參數(shù)的分析有助于掌握藥材水分?jǐn)U散機(jī)制、物性參數(shù)、能量消耗等信息,有利于藥材產(chǎn)地現(xiàn)代干燥加工方法的合理選擇和應(yīng)用。

鑒于此,本研究開展黨參藥材現(xiàn)代干燥加工方法研究,對(duì)其干燥過(guò)程水分動(dòng)態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合,以期從水分脫除過(guò)程角度,為黨參藥材現(xiàn)代產(chǎn)地干燥加工方法的建立提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黨參新鮮藥材 采挖于甘肅岷縣順興和藥業(yè)有限公司黨參種植基地,采后攜濕潤(rùn)鮮土儲(chǔ)藏于低溫冷柜(4 ℃,70% RH)。藥材經(jīng)南京中醫(yī)藥大學(xué)段金廒教授鑒定為桔梗科植物素花黨參Codonopsispilosulavar.modesta(Nannf.)L. T. Shen的根,憑證標(biāo)本存放于南京中醫(yī)藥大學(xué)標(biāo)本館。新鮮黨參初始濕基含水率為70%,黨參藥材平均半徑為0.5×10-2m。

電熱鼓風(fēng)干燥機(jī) 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;中短波紅外烘干機(jī) 江蘇泰州圣泰科紅外科技有限公司;艾德姆水分測(cè)定儀 南京溫諾儀器設(shè)備有限公司;游標(biāo)卡尺 型號(hào)XL. 0-200。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 藥材干燥方法 取黨參新鮮藥材20 kg,清洗攤晾,待表面水分揮干,混合均勻,平均分成6份,稱重。開啟電熱鼓風(fēng)干燥機(jī)、中短波紅外烘干機(jī),分別調(diào)節(jié)溫度50、60、70 ℃,待穩(wěn)定后放入物料,記錄時(shí)間。干燥過(guò)程中每隔45～60 min取出稱重并翻動(dòng)1次,記錄時(shí)間、質(zhì)量,干燥至濕基含水率10%時(shí),終止干燥。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 黨參干燥實(shí)驗(yàn)條件及參數(shù)設(shè)置Table 1 Drying conditions and parameters for Codonopsis Radix

1.2.2 干燥參數(shù)的計(jì)算方法 黨參干燥過(guò)程中的干燥曲線采用水分比(MR,moisture ratio)隨干燥時(shí)間變化的曲線。MR用于表示一定干燥條件下不同干燥時(shí)刻的物料含水率,可用于反映物料干燥速率的快慢。不同干燥時(shí)刻黨參的水分比MR按式(1)[11-12]計(jì)算。

式(1)

式中,M0為初始干基含水率,g/g;Me為干燥到平衡時(shí)的干基含水率,g/g;Mt為在任意干燥t時(shí)刻的干基含水率,g/g。由于Me相對(duì)于Mt和M0很小,通常在工程應(yīng)用中常忽略不計(jì),因此,物料水分比MR的計(jì)算采用簡(jiǎn)化式(2)[11-12]計(jì)算。

式(2)

干基含水率(Mt)按照式(3)[11-12]計(jì)算。

式(3)

式中,Wt為在任意干燥t時(shí)刻的總質(zhì)量,g;G為干物質(zhì)質(zhì)量,g。

干燥速率(DR,drying rate)按照式(4)[11-12]計(jì)算。

式(4)

式中,Mt1為t1時(shí)刻的干基含水率,g/g;Mt2為t2時(shí)刻的干基含水率,g/g。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與模型分析 Weibull方程由式(5)[11-12]表示。

式(5)

式中,黨參在t時(shí)刻的水分比由尺度參數(shù)α和形狀參數(shù)β來(lái)進(jìn)行確定,α表示過(guò)程中的速率常數(shù),min。形狀參數(shù)β與物料在傳質(zhì)過(guò)程中開始階段的速率有關(guān),其值越小表示開始的干燥速率越大。

采用 SPSS 16.0數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,用非線性回歸分析將數(shù)學(xué)模型方程與試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,數(shù)學(xué)模型的擬合優(yōu)劣由決定系數(shù)R2、均方根誤差RMSE和離差平方和χ2來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià),R2越大、RMSE和χ2值越小,則擬合越好[11-12],計(jì)算式如(6)、(7)、(8)。

式(6)

式(7)

式(8)

式中,MRexp,i為干燥實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)水分比;MRpre,i為利用模型預(yù)測(cè)水分比;N為實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)的組數(shù);n為常數(shù)的個(gè)數(shù)。

黨參干燥前期速率先升高后降低,即存在一個(gè)延滯階段,因此在計(jì)算水分有效擴(kuò)散系數(shù)(Deff,moisture diffusion coefficient)時(shí),Fick第二定律不適用,但可用估算水分?jǐn)U散系數(shù)(Dcal,calculated moisture diffusion coefficient)代替,Dcal計(jì)算式[12]如下。

式(9)

式中,Dcal表示估算水分有效擴(kuò)散系數(shù),m2/s;r表示黨參體積等效半徑,本實(shí)驗(yàn)中黨參r為0.5×10-2m;α表示尺度參數(shù),s。

估算的水分?jǐn)U散系數(shù)Dcal與水分有效擴(kuò)散系數(shù)Deff的關(guān)系[12]如式(10)。

式(10)

式中,Rg是一個(gè)與幾何尺寸有關(guān)的常數(shù)。

干燥過(guò)程中的活化能可用阿倫尼烏斯公式(Arrhenius equation)表達(dá)[11-12],干燥活化能按式(11)計(jì)算。

式(11)

式中,LnRg為常數(shù),D0為有效擴(kuò)散系數(shù)的頻率因子,為定值,m2/s;Ea為物料的干燥活化能,J/mol;R為摩爾氣體常數(shù),其值為8.314 J/(mol·K);T為物料的干燥溫度,℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥溫度對(duì)黨參藥材干燥速率的影響

黨參藥材采用熱風(fēng)干燥法與紅外干燥法在不同干燥溫度下所得干燥水分比-時(shí)間曲線呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律,干燥至目標(biāo)含水量所需時(shí)間隨干燥溫度的升高而減少,見(jiàn)圖1A。其可能原因?yàn)樯吒稍餃囟?熱空氣或熱輻射傳遞的熱密度及傳熱速率隨之升高,有利于促進(jìn)物料的水分?jǐn)U散與蒸發(fā),從而提高干燥速率、縮短干燥時(shí)間,與文獻(xiàn)[16]報(bào)道結(jié)果一致。黨參藥材整個(gè)干燥過(guò)程中干燥速率隨時(shí)間變化呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì),升速階段為干燥起始1～2 h內(nèi),而后隨著干燥時(shí)間延長(zhǎng),干燥速率降低,見(jiàn)圖1B。其可能原因?yàn)楦稍锍跏茧A段,物料處于預(yù)熱狀態(tài),物料內(nèi)溫較低,因而擴(kuò)散速率較慢,隨著物料內(nèi)部溫度持續(xù)升高,干燥速率不斷提高,而后隨著水分的脫除,物料內(nèi)部擴(kuò)散阻力增加,導(dǎo)致干燥速率逐漸降低,與文獻(xiàn)[16-17]報(bào)道結(jié)果一致。

2.2 干燥方法對(duì)黨參藥材干燥速率的影響

50 ℃干燥溫度條件下,黨參藥材干燥速率熱風(fēng)干燥法>紅外干燥法;隨著干燥溫度升高,干燥速率漸次升高,但紅外干燥法速率增加幅度高于熱風(fēng)干燥法,其在60 ℃條件下與熱風(fēng)干燥法速率接近,至70 ℃時(shí)干燥速率顯著大于熱風(fēng)干燥法(圖1B)。該現(xiàn)象可能與干燥方法的傳熱傳質(zhì)原理及濕物料表面空氣流速有關(guān)。熱風(fēng)干燥屬于熱空氣傳導(dǎo)加熱,傳熱傳質(zhì)方向相反,因而阻礙脫水,但熱風(fēng)循環(huán)過(guò)程中經(jīng)過(guò)濕物料表面上方的空氣流速較大,水分子逃逸較快,蒸發(fā)作用較紅外干燥法強(qiáng),從而促進(jìn)脫水;紅外干燥法屬于輻射加熱,穿透力強(qiáng),傳熱傳質(zhì)方向大致相同,傳質(zhì)阻力小于熱風(fēng)干燥。低溫50 ℃干燥條件下,熱風(fēng)干燥傳質(zhì)阻力較弱,表面空氣流速較大,蒸發(fā)較快,故熱風(fēng)干燥法干燥速率較紅外干燥法大;高溫70 ℃條件下,熱風(fēng)干燥法傳熱傳質(zhì)方向相反,傳質(zhì)阻力增加顯著,且物料表面易形成硬結(jié),熱風(fēng)循環(huán)引起的蒸發(fā)效應(yīng)減弱,故熱風(fēng)干燥法干燥速率小于紅外干燥法。因此,表現(xiàn)為升高相同溫度,紅外干燥法速率增加幅度顯著大于熱風(fēng)干燥法。

此外,黨參藥材整個(gè)干燥過(guò)程中干燥速率呈現(xiàn)先升高后降低變化趨勢(shì),但相同溫度下紅外干燥法升速階段耗時(shí)遠(yuǎn)小于熱風(fēng)干燥法,以至藥材稱重間隔30 min難以觀測(cè)到紅外干燥70 ℃條件下其升速階段,直接進(jìn)入降速干燥過(guò)程(圖1)。其原因與紅外干燥法的輻射加熱原理有關(guān),輻射加熱穿透力強(qiáng),物料內(nèi)溫升高快,傳質(zhì)阻力較小,較早達(dá)到與環(huán)境的平衡狀態(tài),因而升速階段縮短。

圖1 不同干燥方法、干燥溫度下黨參干燥曲線Fig.1 The drying curves of Codonopsis Radix under different drying conditions注：A.干燥水分比曲線;B.干燥速率曲線；1.熱風(fēng)干燥50 ℃,2.熱風(fēng)干燥60 ℃,3.熱風(fēng)干燥70 ℃, 4.紅外干燥50 ℃,5.紅外干燥60 ℃,6.紅外干燥70 ℃。

2.3 采用Weibull分布函數(shù)模擬干燥曲線

采用Weibull分布函數(shù)模擬不同干燥方法及溫度處理的黨參藥材干燥曲線,結(jié)果顯示,決定系數(shù)R2的區(qū)間在0.993～1.000,均方根誤差RMSE在2.93×10-3～5.66×10-2,離差平方和χ2在8.575×10-6～9.244×10-4,見(jiàn)表2。由此可見(jiàn),Weibull分布函數(shù)可較好地模擬黨參經(jīng)不同干燥方法及溫度處理的干燥曲線,為進(jìn)一步利用Weibull分布函數(shù)對(duì)干燥過(guò)程進(jìn)行分析提供了依據(jù)。

2.3.1 參數(shù)α的物理意義及影響因素 對(duì)干燥過(guò)程而言,Weibull分布函數(shù)中的參數(shù)α表示干燥過(guò)程中的速率常數(shù)。當(dāng)t=α?xí)r,無(wú)論形狀參數(shù)β為何值,水分比MR恒等于1/e,即自由水含量占干燥初始自由水含量恒為37%,此時(shí)尺度參數(shù)α值的意義為藥材干燥過(guò)程完成63%所需要的時(shí)間,以min表示。同一干燥方法下,隨著干燥溫度從50 ℃升高至70 ℃,熱風(fēng)干燥法尺度參數(shù)α由413.57 min 減小到172.15 min,紅外干燥法α由544.31 min 減小到118.69 min(表2)。由此可見(jiàn),尺度參數(shù)α受溫度影響,溫度升高,α減小,說(shuō)明升高溫度可以顯著縮短干燥時(shí)間、提高干燥效率。同一干燥溫度下,不同干燥方法所對(duì)應(yīng)的α也不同,低溫50 ℃條件下,黨參藥材熱風(fēng)干燥α小于紅外干燥,隨著溫度升高至60 ℃,兩者α趨近,再升高溫度至70 ℃,熱風(fēng)干燥α大于紅外干燥。說(shuō)明黨參藥材不同干燥方法下升高相同溫度對(duì)其干燥速率的提升效果不一致,干燥過(guò)程完成63%,從50 ℃升高至70 ℃熱風(fēng)干燥耗時(shí)縮短了241.42 min,而紅外干燥耗時(shí)縮短425.62 min。該現(xiàn)象同“2.2”項(xiàng)下升高相同溫度,紅外干燥速率提升較快的規(guī)律相一致,原因?yàn)槌叨葏?shù)α的大小間接反映了干燥速率,其內(nèi)在原因仍然與干燥方法的傳熱傳質(zhì)原理及濕物料表面空氣流速有關(guān)。

綜上所述,對(duì)于相同干燥物料而言,干燥速率常數(shù)α隨干燥溫度的升高而減小,但不同干燥方法,其α值減小的速率具有較大差異。

表2 Weibull方程模擬黨參干燥過(guò)程模型參數(shù)值及R2、RMSE和χ2值Table 2 Parameter values of Codonopsis Radix obtained from Weibull distribution function

表3 黨參干燥過(guò)程水分有效擴(kuò)散系數(shù)Table 3 Moisture effective diffusion coefficients of Codonopsis Radix during drying

2.3.2 參數(shù)β的物理意義及影響因素 研究表明[11-12],形狀參數(shù)β與干燥過(guò)程中水分遷移機(jī)制相關(guān),形狀參數(shù)β在0.3～1時(shí),表示物料干燥過(guò)程中由內(nèi)部水分?jǐn)U散控制,即表現(xiàn)降速干燥的特點(diǎn);形狀參數(shù)大于1時(shí),干燥曲線呈現(xiàn)“Z”形態(tài),表示物料在干燥前期存在延滯階段,即在干燥前期出現(xiàn)干燥速率先升高后降低的形態(tài)。因此,在描述物料的干燥狀態(tài)時(shí),可根據(jù)Weibull中形狀參數(shù)β的值與1的大小關(guān)系來(lái)對(duì)物料的干燥過(guò)程進(jìn)行判斷。

本研究結(jié)果顯示(表2),熱風(fēng)干燥法與紅外干燥法在不同干燥溫度條件下,其形狀參數(shù)β的范圍分別為1.241～1.278、1.006～1.085,說(shuō)明影響形狀參數(shù)的主要因素為干燥方式,而溫度對(duì)其影響相對(duì)較小,該結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道[13]芒果熱風(fēng)干燥不同條件下β差異不大相一致。不論以何種干燥方法進(jìn)行加工,其形狀參數(shù)β均大于1,表示物料在干燥前期有一滯后階段,干燥過(guò)程不是完全由內(nèi)部水分?jǐn)U散控制,這與圖1B所示相符。相同干燥溫度下,熱風(fēng)干燥法初始干燥速率顯著小于紅外干燥法(圖1B),其對(duì)應(yīng)的形狀參數(shù)β前者顯著大于后者(表2),證明形狀參數(shù)β與物料傳質(zhì)過(guò)程中起始干燥速率有關(guān),起始干燥速率越大,形狀參數(shù)β越小。而干燥速率與傳熱傳質(zhì)效率有關(guān),故推斷干燥傳熱方式與被干物料的性質(zhì)是形狀參數(shù)β大小的決定因素。

綜上所述,對(duì)于相同干燥物料而言,形狀參數(shù)β是與干燥方式有關(guān)的參數(shù),并且干燥溫度對(duì)其的影響較小。

2.3.3 黨參藥材干燥過(guò)程水分有效擴(kuò)散系數(shù) 水分有效擴(kuò)散系數(shù)(Deff)是表征干燥過(guò)程中水分遷移速度快慢的參數(shù),由于黨參干燥過(guò)程形狀參數(shù)β>1,在計(jì)算水分有效擴(kuò)散系數(shù)時(shí),Fick第二定律不適用,但可用估算水分?jǐn)U散系數(shù)Dcal代替,按公式(9)計(jì)算。結(jié)果顯示(表3),熱風(fēng)干燥和紅外干燥在50、60、70 ℃條件下,黨參藥材估算水分?jǐn)U散系數(shù)分別為1.008×10-9、1.582×10-9、2.420×10-9m2/s與0.766×10-9、1.677×10-9、3.511×10-9m2/s,表明相同干燥方法條件下,黨參藥材估算水分?jǐn)U散系數(shù)隨著干燥溫度的升高而增大;相同干燥溫度條件下,黨參藥材估算水分有效擴(kuò)散系數(shù)變化規(guī)律同前述參數(shù)α變化規(guī)律相似,50 ℃條件下Dcal熱風(fēng)干燥大于紅外干燥,隨著溫度升高,紅外干燥速率的提高顯著大于熱風(fēng)干燥,60 ℃條件下Dcal紅外干燥略大于熱風(fēng)干燥,70 ℃條件下Dcal紅外干燥遠(yuǎn)大于熱風(fēng)干燥。其原因與“2.2”項(xiàng)下干燥方法的傳熱傳質(zhì)原理及濕物料表面空氣流速有關(guān)。

綜上所述,對(duì)于相同干燥物料而言,估算水分?jǐn)U散系數(shù)Dcal隨干燥溫度的升高而增大,但不同干燥方法,其Dcal值增大的速率具有較大差異。

2.4 黨參干燥過(guò)程的干燥活化能

干燥活化能是表示物料在干燥過(guò)程中脫除單位水分所需要的啟動(dòng)能量,通過(guò)干燥活化能可看出物料的干燥難易程度并估算出干燥能耗[12,14],干燥活化能越大表明其越難干燥,能耗越大。公式(11)顯示,估算水分有效擴(kuò)散系數(shù)的自然對(duì)數(shù)LnDcal與1/(T+273. 15)呈線性關(guān)系,其斜率為(-Ea/R),見(jiàn)圖2。

圖2 估算水分有效擴(kuò)散系數(shù)與干燥溫度的關(guān)系曲線Fig.2 The relation curve between Dcal and drying temperture

由圖2中的直線回歸方程可計(jì)算出黨參經(jīng)熱風(fēng)干燥法與紅外干燥法的干燥活化能分別為40.40、70.21 kJ/mol,表明脫除等量水分,熱風(fēng)干燥法較紅外干燥法所需吸收的能量較低。研究表明[12,14-15,18],干燥活化能與物料的品種、內(nèi)部成分、組織狀態(tài)有關(guān),干燥方法和工藝可能對(duì)不同物料的組織狀態(tài)、結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生不同程度的影響,從而改變干燥進(jìn)程、影響能耗。黨參藥材熱風(fēng)干燥法活化能遠(yuǎn)小于紅外干燥法,該現(xiàn)象可能與該藥材的特殊性質(zhì)有關(guān),黨參藥材含有豐富的糖類等紅外敏感物質(zhì),熱量吸收快,干燥前期脫水快,干燥后期藥材皺縮后,其內(nèi)部糖類、淀粉樣物質(zhì)糊化粘連,水分不易脫除,故干燥進(jìn)程延長(zhǎng),能耗增加。此外,兩直線交點(diǎn)處的意義為在該溫度條件下,黨參藥材熱風(fēng)干燥法、紅外干燥法完成63%干燥過(guò)程所需時(shí)間、參數(shù)α、Dcal完全相同,此溫度計(jì)算值為58.21 ℃,表明在該溫度以下,熱風(fēng)干燥法不僅干燥速率大,且脫除等量水分所需吸收能量比紅外干燥法小;該溫度以上,脫除等量水分熱風(fēng)干燥法吸收能量小,但干燥速率小于紅外干燥法。

2.5 適宜干燥方法的選擇

從提高水分脫除效率的目的出發(fā),本研究擬通過(guò)考察不同干燥溫度下黨參藥材的干燥曲線,來(lái)反映實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)采用何種現(xiàn)代干燥加工技術(shù)更具有生產(chǎn)優(yōu)勢(shì),因此期望建立不同干燥方法下干燥時(shí)間與干燥溫度之間的關(guān)系。以相同干燥溫度下完成干燥過(guò)程63%所需干燥時(shí)間為指標(biāo),以干燥時(shí)間差±20%作為優(yōu)勢(shì)或劣勢(shì)。

以式(9)代入上述估算水分有效擴(kuò)散系數(shù)與干燥溫度的關(guān)系曲線可得熱風(fēng)干燥法、紅外干燥法尺度參數(shù)α(即干燥時(shí)間)與干燥溫度之間的關(guān)系,即Ln(R2/α1)=-4859.4×1/(T1+273.15)-5.6782,Ln(R2/α2)=-8444.1×1/(T2+273.15)+5.1401。由此可見(jiàn),尺度參數(shù)α與干燥溫度的倒數(shù)呈對(duì)數(shù)線性關(guān)系。令T1=T2=T,α1=0.8α2=α,則T=51.51 ℃,α=385.6 min;令T1=T2=T,α1=1.2α2=α,則T=63.88 ℃,α=222.6 min。即當(dāng)干燥溫度低于51.51 ℃時(shí),黨參藥材采用熱風(fēng)干燥法干燥完成63%耗時(shí)大于385.6 min,但干燥速率較紅外干燥法提高20%以上,故選擇熱風(fēng)干燥法加工較為適宜;當(dāng)干燥溫度高于63.88 ℃時(shí),熱風(fēng)干燥法干燥完成63%耗時(shí)小于222.6 min,但干燥速率較紅外干燥法降低20%以上,故選擇紅外干燥方法加工較為適宜;當(dāng)干燥溫度介于兩者之間,則熱風(fēng)干燥法、紅外干燥法皆可。

3 結(jié)論與討論

本研究前期實(shí)驗(yàn)考察了熱風(fēng)、紅外、微波干燥法對(duì)黨參藥材干燥效果的影響,結(jié)果顯示微波干燥法干燥效率最高,但因微波干燥法功率大,干燥不均勻,藥材易出現(xiàn)焦灼現(xiàn)象[11]。而熱風(fēng)、紅外干燥法所得產(chǎn)品外觀性狀、質(zhì)地等較均一,故本文僅對(duì)黨參藥材熱風(fēng)干燥和紅外干燥過(guò)程進(jìn)行了函數(shù)模擬與分析。文獻(xiàn)研究表明[19-21],降低濕度可顯著縮短物料干燥時(shí)間,但也有研究發(fā)現(xiàn)[10,22],改變濕度對(duì)于干燥速率影響不大。因此,本研究前期實(shí)驗(yàn)考察了50 ℃干燥溫度下不同相對(duì)濕度10%、25%、35%對(duì)黨參熱風(fēng)干燥速率的影響,結(jié)果顯示,隨著干燥濕度的增加,其干燥速率降低不顯著。出于節(jié)能、簡(jiǎn)化操作的考慮,本研究采用熱風(fēng)干燥方法時(shí),對(duì)干燥室內(nèi)濕度未作控制。

本研究采用Weibull分布函數(shù)對(duì)黨參藥材干燥動(dòng)力學(xué)曲線進(jìn)行模擬與分析,考察了不同干燥方法與溫度對(duì)黨參藥材干燥過(guò)程的影響,并通過(guò)阿倫尼烏斯公式建立了尺度參數(shù)α與干燥溫度T的函數(shù)關(guān)系,據(jù)此提出以完成干燥過(guò)程63%所需干燥時(shí)間縮短20%作為衡量干燥方法適宜性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),為黨參藥材干燥過(guò)程的預(yù)測(cè)和調(diào)控提供了較為可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。然而,中藥材干燥過(guò)程不僅促使藥用部位所含水分降低以利于運(yùn)輸、儲(chǔ)藏,更為重要的是干燥過(guò)程是中藥材及中藥飲片藥性形成的重要環(huán)節(jié)[2],因此必須在水分動(dòng)態(tài)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展黨參藥材干燥過(guò)程中各類資源性成分轉(zhuǎn)化與積累研究。

[1]畢紅艷,張麗萍,陳震,等. 藥用黨參種質(zhì)資源研究與開發(fā)利用概況[J]. 中國(guó)中藥雜志,2008,33(5):590-594.

[2]趙潤(rùn)懷,段金廒,高振江,等. 中藥材產(chǎn)地加工過(guò)程傳統(tǒng)與現(xiàn)代干燥技術(shù)方法的分析評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)現(xiàn)代中藥,2013,15(12):1026-1035.

[3]郭盛,段金廒,吳達(dá)維,等. 干燥方法對(duì)何首烏塊根中多元功效物質(zhì)轉(zhuǎn)化的影響[J]. 中草藥,2014,45(4):498-503.

[4]許源,劉培,嚴(yán)輝,等. 白芍初加工過(guò)程中單萜苷類及多羥基化合物的變化分析[J]. 中藥材,2014,37(5):775-780.

[5]白永亮,段金廒,宿樹蘭,等. 桑葉干燥過(guò)程中黃酮類和生物堿類成分動(dòng)態(tài)變化分析[J]. 中藥材,2014,37(7):1158-1163.

[6]朱邵晴,朱振華,郭盛,等. 不同干燥方法對(duì)薄荷藥材中多元功效成分的影響與評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)中藥雜志,2015,40(24):4860-4867.

[7]馮小峰,林昌虎,王曉,等. 不同干燥方法對(duì)山銀花促褐變酶活性和活性成分的影響[J]. 食品工業(yè)科技,2014,35(3):76-80.

[8]余淑嫻,郝曉霞,羅明. 真空冷凍干燥技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 食品科技,2007,32(10):22-25.

[9]申江,張現(xiàn)紅,胡開永. 菠菜低溫真空干燥實(shí)驗(yàn)研究[J]. 食品工業(yè)科技,2014,35(5):269-272.

[10]Corzo O,Bracho N,Pereira A,et al. Weibull distribution for modeling air drying of coroba slices[J]. Food Sci Technol,2008,41(10):2023-2028.

[11]沙秀秀,朱邵晴,段金廒,等. 基于Weibull分布函數(shù)的當(dāng)歸干燥過(guò)程模擬及其動(dòng)力學(xué)研究[J]. 中國(guó)中藥雜志,2015,40(11):2117-2122.

[12]白竣文,王吉亮,肖紅偉,等. 基于Weibull 分布函數(shù)的葡萄干燥過(guò)程模擬及應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013(16):278-285.

[13]Corzo O,Bracho N,Alvarez C. Weibull model for thin-layer drying of mango slices at different maturity stages[J]. J Food Process Pres,2010,34(6):993-1008.

[14]Michael Bantle,Kjell Kolsaker,Trygve Magne Eikevik. Modification of the Weibull distribution for modeling atmospheric freeze-drying of food[J]. Dry Technol,2011,29(10):1161-1169.

[15]Miranda M,Vega-Gálvez A,García P,et al. Effect of temperature on structural properties of Aloe vera(Aloe barbadensis Miller)gel and Weibull distribution for modelling drying process[J]. Food Bioprod Process,2010,88(2):138-144.

[16]張?zhí)鞚?劉建學(xué). 基于Weibull函數(shù)的玉米冷風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)研究[J]. 食品工業(yè)科技,2016,37(17):101-105.

[17]張衛(wèi)鵬,高振江,肖紅偉,等. 基于Weibull函數(shù)不同干燥方式下的茯苓干燥特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(5):317-324.

[18]Dai JW,Rao JQ,Wang D,et al. Process-Based Drying temperature and humidity integration control enhances drying kinetics of Apricot Halves[J]. Dry Technol,2015,33(3):365-376(12).

[19]Duc L A,Han J W,Keum D H. Thin layer drying characteristics of rapseed(Brassica napus L)[J]. J Stored Prod Res,2011,47(1):32-38.

[20]Donadon J R,Resende O,Teixeira S D P,et al. Effect of hot air drying on ultrastructure of crambe seeds[J]. Dry Technol,2013,31(3):269-276.

[21]Zlatanovic I,Komatina M,Antonijevic D. Low-temperature convective drying of apple cubes[J]. Appl Therm Eng,2013,53(1):114-123.

[22]Janjai S,Precoppe M,Lamlert N,et al. Thin-layer drying of litchi(Litchi chinensis Sonn.)[J]. Food Bioprod Process,2011,89(3):194-201.

Modelling and analysis of the moisture dynamic process of Codonopsis Radix with different drying methods

ZHU Shao-qing,GUO Sheng*,SHA Xiu-xiu,DUAN Xiu-zhu,LU Xue-jun,QIAN Da-wei,DUAN Jin-ao*

(Jiangsu Collaborative Innovation Center of Chinese Medicinal Resources Industrialization,National and Local Collaborative Engineering Center of Chinese Medicinal Resources Industrialization and Formulae Innovative Medicine,Nanjing University of Chinese Medicine,Nanjing 210023,China)

To realize an effective prediction of the drying process and select the appropriate drying method for Codonopsis Radix,Weibull distribution was applied for modelling the dynamic drying curves of Codonopsis Radix and the effects of drying method and temperature on the drying process were investigated. Results showed that Weibull distribution did well in simulating the drying curves of Codonopsis Radix under the experimental conditions. Drying rate was found to present a rising trend at the beginning but a downward trend as time went on. The scale parameter(α)was decreased with the increasing of drying temperature. The shape parameter(β)was scarcely influenced by temperature. The activation energy(Ea)for Codonopsis Radix obtained with hot-air drying and infrared drying was 40.40 and 70.21 kJ/mol,respectively. From the aspect of moisture removal efficiency,hot-air drying would be preferable for the drying of Codonopsis Radix at temperatures under 51.51 ℃ because drying time consumed for 63% of the complete drying process was shortened than infrared drying by over 20%. On the contrast,infrared drying would be better when temperature was higher than 63.88 ℃ as consumption of drying time for 63% of the complete drying process was shortened than hot-air drying by over 20%. When the temperature was in the range from 51.51 ℃ and 63.88 ℃,either would be appropriate. The study provided the data support for the establishment and optimization of modern drying methods on Codonopsis Radix from the aspect of moisture removal efficiency.

Codonopsis Radix;drying method;Weibull distribution function;moisture

2016-09-13

朱邵晴(1991-),男,碩士研究生,研究方向:中藥資源化學(xué),E-mail:zhushaoqing1505@163.com。

*通訊作者:郭盛(1977-),男,博士,副研究員,研究方向:中藥資源化學(xué),E-mail:guosheng@njucm.edu.cn。 段金廒(1956-),男,博士,教授,研究方向:中藥資源化學(xué)與資源循環(huán)利用,E-mail:dja@njucm.edu.cn。

公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201407005);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(ysxk-2014)。

TS201.1

B

1002-0306(2017)07-0245-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.07.040