黃芩間歇微波熱風(fēng)組合干燥特性及有效成分變化規(guī)律研究

徐英英 袁越錦 商濤 文懷興 趙哲

文章編號(hào)：2096-398X2024）03-0065-11

（1.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021； 2.陜西省農(nóng)產(chǎn)資源干燥加工及綜合利用工程技術(shù)研究中心（陜西科技大學(xué)）， 陜西 西安 710021； 3.四川輕化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 宜賓 644000）

摘 要：為了提高黃芩等中藥材的干燥品質(zhì)，保證其臨床應(yīng)用安全有效，采用變異系數(shù)法研究了鮮黃芩的最優(yōu)干燥方式，在此基礎(chǔ)上分析了黃芩的干燥特性，并應(yīng)用3種常見的干燥動(dòng)力學(xué)模型及3種反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型分別探究了不同干燥條件下黃芩的干燥動(dòng)力學(xué)特征和黃芩苷的降解動(dòng)力學(xué)特征．研究結(jié)果表明：黃芩間歇微波熱風(fēng)組合干燥方式的綜合質(zhì)量評(píng)分最高為90.00分，更適用于黃芩的干燥加工．黃芩的干燥速率隨微波功率增大、間歇比的減小而增大，隨熱風(fēng)溫度的增大先增大后減?。甒eibull模型可以用來(lái)描述黃芩在不同干燥條件下水分的變化規(guī)律，其R2均大于0.993 4，不同干燥條件下黃芩的有效水分?jǐn)U散系數(shù)為1.370 8×10-7～3.250 6×10-7 m2/s，活化能為11.415 5 kJ/mol．黃芩苷含量隨時(shí)間的變化符合2級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，且黃芩苷的降解受到溫度、水分、氧氣、酶活性以及干燥時(shí)間等眾多因素協(xié)同作用的影響.上述研究可為黃芩等中藥材的干燥加工提供一種優(yōu)質(zhì)高效的干燥方法，為其干燥工藝優(yōu)化提供參考，對(duì)指導(dǎo)黃芩等中藥材實(shí)際生產(chǎn)和提高其干燥質(zhì)量具有重要意義.

關(guān)鍵詞：黃芩； 間歇微波熱風(fēng)組合干燥； 干燥動(dòng)力學(xué)； 降解動(dòng)力學(xué)

中圖分類號(hào)：TS255.3； R282.4??? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Study on the intermittent microwave-hot air combineddrying characteristics and variation of activecomponents in Scutellaria baicalensis

XU Ying-ying1，2， YUAN Yue-jin1，2， SHANG Tao1， WEN Huai-xing1， HAO he3

1.College of Mechanical and Electrical Engineering， Shaanxi University of Science & Technology， Xi′an 710021， China; 2.Shaanxi Engineering Research Center of Drying and Comprehensive Utilization on Agricultural Resources（Shaanxi University of Science & Technology），? Xi′an 710021， China;

3.College of Mechanical Engineering， Sichuan University of Science & Engineering， Yibin 644000， China）

Abstract：In order to improve the drying quality of Chinese medicinal herbs CMH） such as fresh Scutellaria baicalensis ，and ensure their safe and effective clinical application，the coefficient of variation method was used to investigate the optimal drying method for the fresh in this study.Three common drying kinetic models for CMH were applied to explore the drying kinetics，while three degradation kinetic models were used to study the degradation kinetics of baicalin under different drying conditions.The results showed that the comprehensive quality score of the intermittent microwave-hot air combined drying method for S.baicalensis was the highest at 90.00 points，signifying its suitability for the flesh′s drying.The drying rate of S.baicalensis increased with the increase in microwave power and the decrease in pulsation ratio，and it exhibited an initial increase followed by a decreased with the increase in hot air temperature.The Weibull model could be used to describe the pattern change of moisture under different drying conditions，with an R2 value greater than 0.993 4.The D was in the range of 1.370 8×10-7 to 3.250 6×10-7 m2/s under different drying conditions，and the E was 11.415 5 kJ/mol.The variation of baicalin content with time followed second-order reaction kinetics，and the degradation of baicalin was influenced by factors such as temperature，moisture，oxygen，enzyme activity，and drying time in a synergistic manner.The research provides a high-quality and efficient drying method for CMH，offering reference for optimizing its drying process.It is of great significance for guiding the actual production and improving the drying quality of CMH.

Key words：Scutellaria baicalensis; intermittent microwave-hot air combined drying; drying kinetic; degradation kinetic

0 引言

近年來(lái)我國(guó)不斷推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，大力發(fā)展中醫(yī)藥，使得中藥材在全國(guó)范圍內(nèi)的種植面積大幅度增長(zhǎng)［1］.黃芩作為我國(guó)大宗中藥材，其干燥根具有清熱燥濕、瀉火解毒等功效，在中成藥、中藥飲片及化妝品等方面具有很大的需求，種植面積不斷擴(kuò)大［2］.黃芩屬于植物類中藥材，其內(nèi)部含有大量水分，采摘后如果貯藏不當(dāng)就會(huì)出現(xiàn)霉變、蟲蛀、變色等現(xiàn)象，無(wú)法滿足市場(chǎng)需要及臨床要求［3］.干燥作為中藥材加工過(guò)程中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，干燥過(guò)程的好壞會(huì)直接影響中藥材的品質(zhì).

目前，黃芩鮮藥材仍然以傳統(tǒng)的曬干和熱風(fēng)干燥為主，曬干周期長(zhǎng)、且受到天氣因素制約嚴(yán)重，熱風(fēng)干燥雖然操作簡(jiǎn)單，但干燥品質(zhì)較差.《中國(guó)藥典》2020年版黃芩飲片的炮制要求為將黃芩置于沸水中煮10 min或者蒸半小時(shí)后再進(jìn)行干燥［4］，黃芩中的主要有效成分黃芩苷具有一定程度的吸濕性和水溶性，蒸煮的預(yù)處理過(guò)程會(huì)造成黃芩中有效成分的大量損失.因此新型的干燥方式如微波干燥及其聯(lián)合干燥方式已經(jīng)被報(bào)道［5］.然而持續(xù)的微波作用會(huì)導(dǎo)致干燥過(guò)程中物料溫度分布不均，產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，從而降低產(chǎn)品的干燥品質(zhì)［6］.為了消除單一干燥方式的局限性，微波干燥常與熱風(fēng)干燥聯(lián)合使用，微波熱風(fēng)組合干燥技術(shù)實(shí)現(xiàn)了物料內(nèi)外同時(shí)加熱，大大加快了干燥速率，在一定程度上提高了物料的干燥品質(zhì)［7］.然而持續(xù)的微波作用仍不能克服干燥過(guò)程中物料過(guò)熱的問(wèn)題，研究表明間歇的開啟微波，通過(guò)調(diào)節(jié)間歇比控制加熱速率能夠達(dá)到改善干燥品質(zhì)、提高能源利用效率的目的［8］.間歇微波熱風(fēng)組合干燥就是在持續(xù)的熱風(fēng)干燥過(guò)程中間歇或周期的施加微波干燥，該方法被廣泛應(yīng)用于花生［9］、木瓜［10］、紅辣椒［11］、火龍果［12］等農(nóng)產(chǎn)品的干燥加工中，結(jié)果表明間歇微波熱風(fēng)組合干燥的方法能有效提高能源利用率和干燥品質(zhì).

黃芩具有很強(qiáng)的熱敏性和濕敏性，其有效成分黃芩苷在高溫濕熱的環(huán)境中極易降解，導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)降低［13］.因此研究黃芩干燥過(guò)程中水分及有效成分的變化規(guī)律對(duì)提高黃芩的干燥品質(zhì)具有重要意義.干燥動(dòng)力學(xué)和降解動(dòng)力學(xué)能夠使用經(jīng)典的模型來(lái)定量描述中藥材干燥過(guò)程中水分及有效成分的變化規(guī)律，且能對(duì)干燥工藝及設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，并分析干燥行為［14，15］.

然而目前對(duì)黃芩等中藥材干燥加工仍缺乏一種優(yōu)質(zhì)高效的干燥方法，且在干燥過(guò)程中大多按照經(jīng)驗(yàn)操作，缺乏理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐及對(duì)有效成分變化規(guī)律的研究.因此，本研究以鮮黃芩為研究對(duì)象，用變異系數(shù)法探索黃芩的最佳干燥方式，在最佳干燥方式的基礎(chǔ)上研究不同干燥條件對(duì)黃芩干燥特性、干燥動(dòng)力學(xué)及其有效成分黃芩苷降解動(dòng)力學(xué)的影響，以期為黃芩等中藥材干燥加工過(guò)程提供參考及理論依據(jù)，保證黃芩等中藥材的品質(zhì)及臨床應(yīng)用安全.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

（1）試驗(yàn)材料：鮮黃芩，購(gòu)于陜西省渭南市澄城縣.將購(gòu)買的黃芩放在（4±1） ℃的冰箱中保存.新鮮黃芩的初始含水率參照《中國(guó)藥典》2020年版通則0832水分測(cè)定分第二法烘干法測(cè)得，初始干基含水率為2.616 6 g/g.

（2）試驗(yàn)設(shè)備：ORW1.OS-3000R型智能微波熱風(fēng)聯(lián)合干燥實(shí)驗(yàn)工作站（南京澳潤(rùn)微波科技有限公司）、BSA124S-CW型萬(wàn)分之一天平（賽多利斯科學(xué)儀器有限公司）、Q-300VDE型超聲波清洗機(jī)（昆山市超聲儀器有限公司）、3nh-YS3060智能型分光測(cè)色儀（深圳市三恩時(shí)科技有限公司）、Alliance E269高效液相色譜儀（美國(guó)Waters公司）、多功能不銹鋼切片機(jī).

（3）試驗(yàn)試劑：甲醇（天津市天力化學(xué)試劑有限公司）、乙腈（天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）、磷酸（天津市天力化學(xué)試劑有限公司）、對(duì)照品黃芩苷（批號(hào)N15GB167969，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%）購(gòu)自上海源葉生物科技有限公司.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1 干燥試驗(yàn)

將冰箱中的黃芩取出，洗凈泥土后，恢復(fù)到室溫.選取直徑相對(duì)均勻的黃芩進(jìn)行干燥試驗(yàn)，試驗(yàn)前對(duì)微波熱風(fēng)聯(lián)合干燥實(shí)驗(yàn)工作站用熱風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱.根據(jù)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)及相關(guān)試驗(yàn)研究［5，16］，分別進(jìn)行如下試驗(yàn)：

（1）微波干燥：取厚度為5 mm的黃芩切片，在微波功率600 W的條件下進(jìn)行干燥.

（2）熱風(fēng)干燥：取厚度為5 mm的黃芩切片，在熱風(fēng)溫度為60 ℃的條件下進(jìn)行干燥.

（3）間歇微波熱風(fēng)組合干燥：取厚度為5 mm的黃芩切片，在微波功率分別為500 W、600 W、700 W，間歇比分別為2、3、4，熱風(fēng)溫度分別為50 ℃、60 ℃、70 ℃條件下進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn).組合干燥試驗(yàn)因素表如表1所示.

微波干燥每1 min取出稱定質(zhì)量后放回，熱風(fēng)干燥每20 min取出快速稱定質(zhì)量，間歇微波熱風(fēng)組合干燥每個(gè)間歇周期結(jié)束后取出稱定質(zhì)量，其中間歇比（Pulsation Ratio，PR）為一個(gè)周期內(nèi)總時(shí)間與開啟微波時(shí)間的比值.將黃芩水分干燥到10%（濕基）左右停止干燥，用真空袋密封備用.每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值.

1.2.2 干燥特性參數(shù)

黃芩干燥過(guò)程中干基含水率（Mt），水分比（MR），干燥速率（DR）按如下公式計(jì)算［17］：

Mt=Wt-GG（1）

MR=MtM0（2）

DR=Mt+Δt-MtΔt（3）

式（1）～（3）中：Wt為t時(shí)刻黃芩的質(zhì)量，g；G為樣品絕干質(zhì)量，g；Mt+Δt為t+Δt時(shí)刻樣品質(zhì)量，g；Δt為兩相鄰干燥時(shí)間，min.

1.2.3 有效水分?jǐn)U散系數(shù)

有效水分?jǐn)U散系數(shù)可以通過(guò)菲克定律計(jì)算，如式（4）所示［18］：

ln MR=ln8π2-π2DH2t（4）

式（4）中：H為黃芩切片厚度，m.

通過(guò)擬合lnMR和時(shí)間t的斜率k即可計(jì)算出D，如式（5）所示：

D=H2kπ2（5）

1.2.4 干燥活化能

由于微波干燥過(guò)程中的溫度是不可控的，因此活化能的計(jì)算可以用改進(jìn)的Arrhenius公式的半經(jīng)驗(yàn)公式表示［19］，如式（6）所示：

ln D=ln D0-E×M0P（6）

式（6）中：D0為Arrhenius常數(shù)，m2/s；P為微波功率，W.

1.2.5 干燥動(dòng)力學(xué)模型

干燥動(dòng)力學(xué)模型表示水分比與干燥時(shí)間之間的關(guān)系.選取3個(gè)中藥材干燥擬合常見的干燥動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)黃芩間歇微波熱風(fēng)組合干燥過(guò)程進(jìn)行擬合分析，如表2所示.

模型擬合程度常用決定系數(shù)R2、均方根誤差RMSE和誤差平方和χ2進(jìn)行評(píng)價(jià).具體如下式：

R2=1-∑Ni=1MRexp，i-MRpre，i）2∑Ni=1MRexp，i-MRexp，i）2（7）

RMSE=∑Ni=1MRexp，i-MRpre，i）2N（8）

χ2=∑Ni=1MRexp，i-MRpre，i）2N-（9）

式（7）～（9）中：MRexp，i為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的第i個(gè)水分比，MRper，i為模型預(yù)測(cè)得到的第i個(gè)水分比，N為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，為水平因素個(gè)數(shù).

1.2.6 降解動(dòng)力學(xué)模型

分別采用0級(jí)、1級(jí)和2級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型擬合間歇微波熱風(fēng)組合干燥過(guò)程中黃芩苷的含量變化.模型如下式所示［23］：

Ct=C0-k0t（10）

Ct=C0exp-k0t）（11）

1Ct-1C0=k0t（12）

式（10）～（12）中：Ct為t時(shí)刻黃芩苷的含量，mg/g；C0為初始黃芩苷的含量，mg/g；k0為反應(yīng)速率常數(shù).

1.2.7 品質(zhì)測(cè)定

使用分光測(cè)色儀測(cè)量黃芩干燥前后的明亮度、紅綠值和藍(lán)黃值，每組測(cè)3次，取平均值.用總色差值（ΔE）進(jìn)行色澤綜合評(píng)價(jià)，ΔE的值按式（13）進(jìn)行計(jì)算［24］：

ΔE=L*-L0）2+a*-a0）2+b*-b0）2（13）

式（13）中：L*、a*、b*為干燥后樣品的顏色讀數(shù)，L0、a0、b0為試驗(yàn)前樣品的顏色讀數(shù)，其值分別為72.33±1.95、-6.74±0.38、71.44±1.44，新鮮黃芩的紅綠值為負(fù)，表明新鮮黃芩顏色偏綠，可能與黃芩切片表面被氧化有關(guān).

黃芩苷的含量參照《中國(guó)藥典》2020年版通則0512高效液相色譜法測(cè)定［4］.按《中國(guó)藥典》2020年版要求，干制品中黃芩苷含量不得低于9%.

1.2.8 綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)

用變異系數(shù)法對(duì)不同干燥方式下黃芩進(jìn)行綜合評(píng)分，確定黃芩最佳干燥方式.變異系數(shù)Vi按式（14）計(jì)算：

Vi=σiXi（14）

式（14）中：σi為第i指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差；Xi為第i項(xiàng)指標(biāo)的算術(shù)平均值.

權(quán)重系數(shù)Wi按式（15）計(jì)算：

Wi=Vi∑ni=1Vi（15）

綜合評(píng)分按式（16）計(jì)算，綜合評(píng)分越高表明黃芩干燥質(zhì)量越好.

Y=Wi1y1by1+Wi2y2by2+Wi3y3y3b×100（16）

式（16）中：y1～y3分別為干燥時(shí)間、色差值和黃芩苷含量，yib為各指標(biāo)最優(yōu)值.

1.2.9 數(shù)據(jù)分析及處理

采用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用Origin 2022軟件進(jìn)行曲線繪圖和擬合，采用SPSS 27.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析（顯著性水平＜0.05）.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同干燥方式對(duì)黃芩干燥品質(zhì)的影響

中藥材干燥過(guò)程中干燥時(shí)間的長(zhǎng)短、色澤的改變及有效成分的變化均與其干燥品質(zhì)息息相關(guān)，黃芩苷作為黃芩中藥材中含量最多的黃酮類成分成為評(píng)價(jià)黃芩品質(zhì)優(yōu)劣的常用指標(biāo)［25，26］.因此本文首先分析對(duì)比了微波干燥（600 W）、熱風(fēng)干燥（60 ℃）和間歇微波熱風(fēng)組合干燥（600 W、3、60 ℃）3種干燥方式對(duì)黃芩干燥時(shí)間、色差及黃芩苷含量的影響，用變異系數(shù)法確定黃芩最佳干燥方式.結(jié)果如表3所示.

由表3可知，不同干燥方式對(duì)黃芩的干燥時(shí)間、色差及黃芩苷含量具有顯著影響（P<0.05）.微波干燥僅需13 min就能將黃芩干燥到安全含水率，熱風(fēng)干燥所需的干燥時(shí)間最長(zhǎng)為340 min.這是因?yàn)槲⒉ǜ稍飶奈锪系膬?nèi)部加熱，干燥過(guò)程中溫度和水分傳遞方向相同，能大大加快干燥速率，縮短干燥時(shí)間.熱風(fēng)干燥后黃芩顏色變化最大，總色差值高達(dá)39.84，而且皺縮嚴(yán)重，切片表面發(fā)綠，如圖1b）所示.3種干燥方式下黃芩中的黃芩苷含量高于9%，均符合《中國(guó)藥典》2020年版的要求，其中間歇微波熱風(fēng)組合干燥的黃芩苷含量最高為19.24%，熱風(fēng)干燥后黃芩苷的含量最低為10.86%.酶解作用和高溫分解作用是導(dǎo)致黃芩質(zhì)量下降最主要的原因.在60 ℃熱風(fēng)干燥時(shí)溫度的升高能提高酶的活性，黃芩苷在β-葡萄糖醛酸苷酶的作用下將黃芩苷酶解為黃芩素，導(dǎo)致熱風(fēng)干燥后的黃芩苷含量明顯降低.而黃芩素不穩(wěn)定，在空氣中易被氧化成不溶于水的醌類物質(zhì)導(dǎo)致黃芩切片外觀呈現(xiàn)綠色［27］.中草藥干燥加工過(guò)程中，微波干燥由于使物料內(nèi)部溫度快速升高，能起到“滅酶保苷”的作用，能有效防止皂苷等成分的流失，保證中藥材的外觀和色澤［28］.但是持續(xù)的微波干燥會(huì)導(dǎo)致黃芩切片溫度分布不均，導(dǎo)致局部過(guò)熱，從而使黃芩切片產(chǎn)生燒焦的情況，降低干燥品質(zhì).

此外，表3還顯示黃芩干制品中黃芩苷的權(quán)重系數(shù)最大為0.53，表明不同干燥方式對(duì)黃芩苷含量產(chǎn)生很大影響.由綜合質(zhì)量評(píng)分可知，黃芩間歇微波熱風(fēng)組合干燥后的黃芩評(píng)分最高為90.00分，說(shuō)明相較于單一的微波干燥和熱風(fēng)干燥，間歇微波熱風(fēng)組合干燥更適用于黃芩的干燥加工.

2.2 黃芩間歇微波熱風(fēng)組合干燥特性

2.2.1 微波功率對(duì)黃芩干燥特性的影響

固定間歇比為3，熱風(fēng)溫度為60 ℃，研究不同微波功率為500 W、600 W、700 W時(shí)對(duì)黃芩干燥特性的影響，得到不同微波功率下黃芩的干燥曲線如圖2所示.

由圖2（a）可知，黃芩干基含水率隨時(shí)間降低的變化趨勢(shì)基本一致，微波功率從500 W增大到700 W時(shí)，將鮮黃芩干燥到安全含水率所需的時(shí)間分別為45 min、39 min、33 min，說(shuō)明增大微波功率可以縮短黃芩的干燥時(shí)間.微波功率的提高加劇了黃芩內(nèi)部水分子之間的摩擦和碰撞，產(chǎn)生了更多的熱量，加速了水分向外部遷移，從而縮短了干燥時(shí)間.

從圖2（b）可以看出，不同微波功率下黃芩的干燥過(guò)程均呈現(xiàn)出先短暫的升速干燥階段后整體呈現(xiàn)出降速干燥階段，無(wú)明顯的恒速干燥階段.升速干燥階段也是黃芩的預(yù)熱階段，在此階段內(nèi)切片的溫度快速升高，降速干燥階段過(guò)程受內(nèi)部水分?jǐn)U散的影響，前期黃芩內(nèi)部水分含量高，在溫度梯度、水分梯度和壓力梯度等的作用下快速向表面遷移，后期水分含量減少，干燥速率降低，到達(dá)干燥終點(diǎn)時(shí)干燥速率趨近于0.微波功率與黃芩的干燥速率呈正相關(guān)關(guān)系，不同微波功率下黃芩均在6 min時(shí)的干燥速率達(dá)到最大值，分別為0.097 g/g/min、0.135 g/g/min、0.152 g/g/min.隨著微波功率的增大，導(dǎo)致物料內(nèi)部的壓力變大，由于微波的“泵效應(yīng)”迫使內(nèi)部的水分向表面擴(kuò)散，導(dǎo)致黃芩的孔隙結(jié)構(gòu)擴(kuò)張，增大了水分傳遞的通道，從而增大干燥速率［29］.

2.2.2 間歇比對(duì)黃芩干燥特性的影響

固定微波功率為600 W，熱風(fēng)溫度為60 ℃，研究不同間歇比分別為2、3、4時(shí)對(duì)黃芩干燥特性的影響，得到不同間歇比下黃芩的干燥曲線如圖3所示.

由圖3（a）可知，黃芩的干燥特性曲線隨干燥時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸變得平緩.隨著間歇比的增大所需要的干燥時(shí)間顯著延長(zhǎng)，間歇比為2、3、4時(shí)完成干燥所需的時(shí)間分別為26 min、39 min、60 min.在一個(gè)間歇周期內(nèi)開啟微波時(shí)黃芩切片溫度迅速升高，受溫度梯度影響，水分遷移的速度加快，干燥時(shí)間縮短；關(guān)閉微波時(shí)物料內(nèi)殘余的熱量與外接環(huán)境進(jìn)行熱交換，溫度明顯降低，干燥時(shí)間延長(zhǎng).

從圖3（b）可以看出，黃芩的干燥速率在干燥初期快速達(dá)到最大值后逐漸降低，黃芩內(nèi)部的水分含量越少干燥速率越小.在相同的干基含水率下，間歇比越小干燥速率越大.間歇比為2時(shí)黃芩在6 min的干燥速率達(dá)到最大值0.153 g/g/min，其值約為間歇比為4時(shí)最大干燥速率的2.24倍.這是因?yàn)殚g歇比越小就意味著微波為黃芩切片頻繁的提供能量，水分子在短時(shí)間內(nèi)收受更多的微波能并轉(zhuǎn)化為熱能，使黃芩溫度維持在一個(gè)較高的水平，內(nèi)部水分遷移更加頻繁，水分更容易遷移到物料的表面進(jìn)行蒸發(fā)，從而導(dǎo)致了干燥速率的加快.

2.2.3 熱風(fēng)溫度對(duì)黃芩干燥特性的影響

固定微波功率為600 W，間歇比3，研究不同熱風(fēng)溫度為50 ℃、60 ℃、70 ℃時(shí)對(duì)黃芩干燥特性的影響，得到不同熱風(fēng)溫度下黃芩的干燥曲線如圖4所示.

由圖4（a）可知，不同熱風(fēng)溫度對(duì)黃芩的間歇微波熱風(fēng)組合干燥特性存在不同程度的影響.當(dāng)熱風(fēng)溫度從50 ℃增大到70 ℃時(shí)，黃芩完成干燥所需時(shí)間分別為57 min、39 min、42 min，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì).熱風(fēng)溫度為60 ℃時(shí)所需要的干燥時(shí)間最短，相較于50 ℃干燥時(shí)間縮短了31.58%，隨著干燥時(shí)間的縮短，能在一定程度上節(jié)約能耗.

從圖4（b）可以看出，在相同的干基含水率下熱風(fēng)溫度為60 ℃的干燥速率略高于70 ℃時(shí)干燥速率，熱風(fēng)溫度為50 ℃時(shí)的干燥速率在整個(gè)干燥過(guò)程是最慢的.這是因?yàn)殡S著熱風(fēng)溫度的增大，增大了由內(nèi)部遷移至物料表面水分子的動(dòng)能，水分子能吸收更多的熱能，溫度的升高會(huì)導(dǎo)致飽和蒸汽壓的增大，從而使水分子更容易被蒸發(fā).但是熱風(fēng)溫度太高會(huì)導(dǎo)致黃芩前期表面水分蒸發(fā)速率過(guò)快，而內(nèi)部水分的遷移速率低于表面水分蒸發(fā)速度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致黃芩表面出現(xiàn)結(jié)殼硬化的現(xiàn)象，從而阻礙了水分的遷移和蒸發(fā)，出現(xiàn)干燥速率降低的現(xiàn)象.

2.3 干燥動(dòng)力學(xué)模型分析

選取Midilli模型、Page模型和Weibull模型3種中草藥干燥常用動(dòng)力學(xué)模型對(duì)黃芩間歇微波熱風(fēng)組合干燥過(guò)程中不同微波功率、間歇比和熱風(fēng)溫度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表4所示.由表4可知，3種干燥動(dòng)力學(xué)模型的決定系數(shù)均大于0.99，且RMSE和χ2相差不大.考慮到Midilli模型的公式比較復(fù)雜，且其由4個(gè)模型參數(shù)構(gòu)成，模型參數(shù)過(guò)多，容易造成參數(shù)值結(jié)果在統(tǒng)計(jì)學(xué)上不可靠，導(dǎo)致模型的可靠性降低［30］.雖然Page模型和Weibull模型具有幾乎相同的R2、RMSE和χ2，但是由于Weibull模型的參數(shù)具有實(shí)際意義，模型中的尺度參數(shù)α和形狀參數(shù)β能與物料相結(jié)合，能有效分析干燥過(guò)程中物料內(nèi)部水分的變化規(guī)律和干燥特性，且該模型的R2在0.993 4～0.997 9之間，RMSE和χ2分別0.002 4～0.011 1和0.015 5～0.024 9之間.在因此本文選擇Weibull模型來(lái)描述黃芩切片的間歇微波熱風(fēng)組合干燥過(guò)程.

在Weibull模型中，尺度參數(shù)α表示干燥過(guò)程的速率，其值約為新鮮黃芩剩余37%的水分所需要的干燥時(shí)間，形狀參數(shù)β與初期的干燥速率有關(guān).如表4所示，在不同干燥條件下，尺度參數(shù)α的值在10.429 1～24.502 1 min之間，并隨著微波功率的增大、間歇比的減小而減小，隨熱風(fēng)溫度的增大先減小后增大.不同干燥條件下，形狀參數(shù)β的值在1.197 9～1.359 8之間，均大于1，表明黃芩的間歇微波熱風(fēng)組合干燥過(guò)程會(huì)出現(xiàn)滯后性，即存在短暫的升速干燥階段后整個(gè)干燥過(guò)程變?yōu)橛蓛?nèi)部水分?jǐn)U散控制的降速干燥過(guò)程.且對(duì)于同一種物料和干燥方法而言，不同的干燥條件對(duì)形狀參數(shù)β值的影響不顯著，表明形狀參數(shù)主要受干燥方式和物料特性的影響.巨浩羽等［22］也得出相同的結(jié)論.

2.4 有效水分?jǐn)U散系數(shù)

有效水分?jǐn)U散系數(shù)是表征干燥過(guò)程中水分遷移速度快慢的參數(shù)，如式（5）所示，在間歇微波熱風(fēng)組合干燥過(guò)程中黃芩水分比的自然對(duì)數(shù)和干燥時(shí)間呈線性關(guān)系，通過(guò)Origin軟件進(jìn)行線性擬合可得到直線斜率k，從而計(jì)算出有效水分?jǐn)U散系數(shù).計(jì)算結(jié)果如表5所示.

由表5可知，不同干燥條件下擬合得到k值的決定系R2均在0.955 1以上，表明擬合效果理想，擬合后計(jì)算得到的有效水分?jǐn)U散系數(shù)準(zhǔn)確度可靠.不同干燥條件下黃芩間歇微波熱風(fēng)組合干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)在1.370 8×10-7～3.250 6×10-7 m2/s，且微波功率、間歇比和熱風(fēng)溫度均對(duì)黃芩的有效水分?jǐn)U散系數(shù)有影響.隨著微波功率的增大，單位黃芩吸收的微波能越多，加熱速率越快，物料內(nèi)外壓力梯度越大，從而增大了有效水分?jǐn)U散系數(shù)，加快了干燥速率.間歇比與黃芩有效水分?jǐn)U散系數(shù)的值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)殚g歇比增大，黃芩在一個(gè)周期內(nèi)的熱風(fēng)干燥時(shí)間延長(zhǎng)，能夠有效降低開啟微波時(shí)產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致其有效水分?jǐn)U散系數(shù)降低.隨著熱風(fēng)溫度的增大，黃芩的有效水分?jǐn)U散系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這可能是因?yàn)樵谖⒉üβ蕿?00 W，間歇比為3時(shí)60 ℃熱風(fēng)已經(jīng)足夠?qū)ⅫS芩內(nèi)部遷移至表面的水分全部蒸發(fā)掉，再次提高環(huán)境的溫度可能會(huì)導(dǎo)致黃芩表面的水分蒸發(fā)過(guò)快從而出現(xiàn)結(jié)殼硬化等現(xiàn)象，阻礙黃芩內(nèi)部水分向表面遷移.

2.5 干燥活化能

干燥活化能表示在干燥過(guò)程中1 mol水分子從物料中蒸發(fā)所需要克服的勢(shì)壘或能壘，其值的大小能反應(yīng)干燥的難易程度，通常干燥活化能的值越大則表明干燥越困難，所需要的能量就越多.由式（6）可知，在有微波參與的干燥過(guò)程中，有效水分?jǐn)U散系數(shù)的自然對(duì)數(shù)lnD與m/P呈線性關(guān)系，同理，通過(guò)Origin軟件中的線性擬合功能，通過(guò)擬合得到的斜率計(jì)算黃芩間歇微波熱風(fēng)組合干燥過(guò)程的活化能為11.415 5 kJ/mol，該值遠(yuǎn)小于紅外干燥的61.527 8 kJ/mol［31］，表明間歇微波熱風(fēng)組合干燥更有利于黃芩的干燥.

2.6 干燥過(guò)程中黃芩苷降解特性

2.6.1 微波功率對(duì)黃芩苷含量的影響

不同微波功率下黃芩苷隨時(shí)間的變化如圖5所示.由圖5可知，微波功率為700 W時(shí)雖干燥時(shí)間最短，但黃芩苷的含量迅速下降到最低，微波功率為600 W時(shí)，干燥完成后黃芩苷的含量最高為19.24%.在相同時(shí)刻隨著微波功率的減小黃芩苷的含量增大，但由于黃芩達(dá)到安全含水率的時(shí)間延長(zhǎng)，反而增大了黃芩苷的總降解量.試驗(yàn)結(jié)果表明干燥過(guò)程中溫度過(guò)高或者干燥時(shí)間延長(zhǎng)均會(huì)導(dǎo)致黃芩苷的含量下降.黃芩苷在整個(gè)間歇微波熱風(fēng)組合干燥過(guò)程中的變化規(guī)律基本呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢(shì).干燥前期黃芩切片溫度的升高能夠激活β-葡萄糖醛酸酶的活性［32，33］，前期黃芩內(nèi)部水分含量很高，黃芩苷容易在酶的作用下發(fā)生水解，且黃芩苷隨水分快速遷移到黃芩切片表面［34］，在熱空氣中受熱被分解.在干燥中期時(shí)由于黃芩內(nèi)部組織細(xì)胞破裂，釋放出了更多的黃芩苷，同時(shí)由于溫度的上升鈍化了酶的活性，阻止了黃芩苷的水解和氧化，導(dǎo)致黃芩苷的含量有所上升.隨著干燥過(guò)程的進(jìn)行，物料溫度的升高對(duì)黃芩苷的影響變得更加重要，高溫使黃芩苷等黃酮類成分發(fā)生分解或聚合反應(yīng)，導(dǎo)致黃芩苷含量降低.任祥瑞等［35］也發(fā)現(xiàn)不同溫度下生姜片的總酚含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì).

2.6.2 間歇比對(duì)黃芩苷含量的影響

不同間歇比下黃芩苷含量隨時(shí)間的變化如圖6所示.

由圖6可知，不同間歇比對(duì)黃芩苷含量產(chǎn)生了顯著的影響.間歇比為3時(shí)干燥后樣品的黃芩苷含量最高，間歇比為2時(shí)黃芩苷隨時(shí)間變化最快，表明在此條件下黃芩苷的降解速率最快，可能產(chǎn)生的原因是高溫導(dǎo)致了水分的快速遷移和分子間的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，導(dǎo)致黃芩苷的快速降解.間歇比為3在相同時(shí)間內(nèi)黃芩苷含量要高于間歇比為4時(shí)的[LL]黃芩苷含量，這可能是由于間歇比為4時(shí)的溫度較低不能使β-葡萄糖醛酸酶完全滅活，導(dǎo)致黃芩苷在酶的作用下大量分解.趙禾苗等［27］的研究結(jié)果表明120 ℃的高溫可以基本達(dá)到滅殺β-葡萄糖醛酸酶的效果.

2.6.3 熱風(fēng)溫度對(duì)黃芩苷含量的影響

不同熱風(fēng)溫度下黃芩苷含量隨時(shí)間的變化如圖7所示.從圖7可以看出，不同熱風(fēng)溫度下黃芩苷含量的變化規(guī)律基本相同.同一時(shí)刻黃芩苷的含量隨著熱風(fēng)溫度的升高基本呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，熱風(fēng)溫度為50 ℃、60 ℃、70 ℃時(shí)黃芩濕基含水率干燥到10%左右時(shí)的黃芩苷含量分別為17.88%、19.24%、18.73%.這是因?yàn)辄S芩苷屬于黃酮類成分具有一定的熱敏性，50 ℃時(shí)由于干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致黃芩苷降解量過(guò)多，而70 ℃時(shí)，可能是因?yàn)辄S芩表面干燥溫度過(guò)高，導(dǎo)致黃芩苷被氧化.李照瑩等［36］的研究也表明過(guò)高的溫度會(huì)使黃酮損失，但又能縮短黃酮流失的時(shí)間，因此黃酮類成分沒有顯著下降.

2.7 黃芩苷降解動(dòng)力學(xué)分析

黃芩在不同的干燥條件下黃芩苷的降解動(dòng)力學(xué)如表6所示.

由表6可知，黃芩苷的0級(jí)、1級(jí)和2級(jí)動(dòng)力學(xué)方程調(diào)整后的決定系數(shù)均大于0.624 7，可以進(jìn)行擬合分析.不同干燥條件下2級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)具有最大的決定系數(shù)R2，為0.745 1～0.849 0.最終選取2級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來(lái)反應(yīng)黃芩間歇微波熱風(fēng)組合干燥過(guò)程中黃芩苷的變化規(guī)律.具體如圖8所示.

反應(yīng)速率常數(shù)k0的大小表示降解反應(yīng)的快慢程度.在干燥過(guò)程中，溫度是影響反應(yīng)速率最重要、最廣泛的因素，物料溫度的升高提高了電子遷移率，有利于氧化反應(yīng)的發(fā)生［37］.因此，黃芩苷的反應(yīng)速率常數(shù)隨著微波功率的增大、間歇比的減小以及熱風(fēng)溫度的升高而增大.然而高k0值不代表干燥過(guò)程中的黃芩苷含量低，間歇比為3時(shí)黃芩苷的含量在干燥全過(guò)程基本上均要高于間歇比為4時(shí)的黃芩苷含量，但間歇比為4時(shí)的反應(yīng)速率常數(shù)反而更小，表明黃芩苷含量受溫度、水分、氧氣、酶活性和干燥時(shí)間等多因素協(xié)同作用的影響.

3 結(jié)論

本文以鮮黃芩為研究對(duì)象，采用變異系數(shù)法得到最佳干燥方式，并在此基礎(chǔ)上研究其干燥動(dòng)力學(xué)和降解動(dòng)力學(xué)特征，得到以下結(jié)論：

（1）本研究采用變異系數(shù)法比較了黃芩3種干燥方式的綜合質(zhì)量評(píng)分，發(fā)現(xiàn)不同干燥方式對(duì)黃芩的干燥時(shí)間、色差及其有效成分黃芩苷含量具有顯著影響（P<0.05），黃芩間歇微波熱風(fēng)組合干燥的綜合評(píng)分最高為90.00分，說(shuō)明該方法更適用于黃芩干燥加工.

（2）在最優(yōu)干燥方式基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)黃芩干燥為先短暫升速再降速的干燥過(guò)程，干燥速率隨著微波功率增大而增大，隨間歇比增大而降低，隨熱風(fēng)溫度升高先增大后呈現(xiàn)降低的趨勢(shì).

（3）考慮干燥動(dòng)力學(xué)模型在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的可靠性及模型參數(shù)的實(shí)際意義，本研究發(fā)現(xiàn)Weibull分布模型可以準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)黃芩間歇微波熱風(fēng)組合干燥過(guò)程中水分比的變化規(guī)律，該模型的R2均大于0.993 4，RMSE和χ2變化范圍分別為0.002 4～0.011 1和0.015 5～0.024 9.且不同干燥條件下尺度參數(shù)α的變化規(guī)律與黃芩干燥速率的變化規(guī)律保持一致，而對(duì)形狀參數(shù)β影響不大.黃芩間歇微波熱風(fēng)組合干燥的D變化范圍在1.370 8×10-7～3.250 6×10-7 m/s，且隨微波功率的增大、間歇比的減小而增大，隨熱風(fēng)溫度的升高先增大后減小，不同微波功率下黃芩間歇微波熱風(fēng)組合干燥的活化能為11.415 5 kJ/mol，表明該干燥方法更有利于黃芩水分的去除.

（4）3種降解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果表明有效成分黃芩苷在不同干燥條件下的降解符合2級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，且黃芩苷含量的降解受到溫度、水分、氧氣、酶活性和干燥時(shí)間等多因素協(xié)同作用的影響.

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【責(zé)任編輯：陳 佳】

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51876109）； 陜西省教育廳青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目（22JP012）

作者簡(jiǎn)介：徐英英（1980—），女，河北保定人，副教授，在讀博士研究生，研究方向：干燥技術(shù)與設(shè)備