中草药干燥加工现状及发展趋势

巨浩羽,赵士豪,赵海燕,张卫鹏,高振江,肖红伟

(1.河北经贸大学生物科学与工程学院,河北 石家庄 050061;2.河北经贸大学工商管理学院,河北 石家庄 050061;3.北京工商大学人工智能学院,北京 100048;4.中国农业大学工学院,北京 100083)

中药主要由植物药、动物药和矿物药组成,常用的中药品种1 000余种,其中可人工栽培的200多种。因植物药占中药的大多数,所以中药也称中草药[1]。中草药由于其天然、毒副作用小等特点长期以来在治疗诸多疾病上有显著优势,近年来已经逐步走向世界。目前,我国的中草药产品出口到130多个国家和地区,全球有约40亿人使用中草药及其制剂。我国中草药资源丰富,中草药已成为广大学者的研究开发对象。

采收后的中草药,在贮藏过程中经常会出现霉变、虫蛀、褐变的现象,不易长时间保存,不能够满足临床需要。因此,中草药采收后的产地初加工显得尤为重要,其中产地干燥技术是减少中草药药效及有效成分损失的有效技术方法。干燥过程是影响中草药质量和药效的重要环节,干燥结果直接影响着产品的使用和经济价值[2]。中草药干燥技术为在常压或减压环境中以热对流、热传导、热辐射或在高频电场中加热使之干燥,以促使水分蒸发、达到目标含水率,并保持较好的产品品质。目前,传统的中草药干燥包括:晒干、阴干、热风干燥等方式;新型干燥技术主要有:气体射流冲击干燥、真空脉动干燥、中短波红外干燥、真空冷冻干燥、射频干燥、微波干燥等。为保证中草药干制后的药效和品质,详细分析干燥条件对中草药干燥脱水过程和有效成分降解的影响机制,从而针对不同的物料选用合适的干燥方式和干燥工艺[3-4]。因此,对中草药的干燥技术方法和干燥过程中有效成分的变化规律进行综述总结,准确把握中草药干燥的发展趋势,对中草药的研究和开发具有十分重要的意义。

1 中草药干燥技术研究

1.1 传统干燥技术

传统的中草药干燥方法主要有阴干、晒干和烘干法。阴干法是将中药材放在阴凉通风的环境下,利用风的流动,将水分吹去,从而实现中草药的干燥。该干燥方法常用于含有挥发油、易变色的中草药,如薄荷、当归、肉桂、沉香、麻黄等[5]。晒干法是将中草药平铺在薄的芦苇席上或清洗后的水泥地板,让阳光照射直至充分干燥的方法。该技术简单便捷,成本低、效果好,适用于大批量的中草药的干燥加工。研究表明,除芳香性、易挥发性的药用植物,其余药材均可选用晒干法[6]。王伟影等[7]在栀子的干燥研究中发现,晒干法是较优的干燥方式。在考虑成本及有较大加工需求，并且阳光充足的地区。然而,无论是晒干法还是阴干法仍存在着诸多工艺上的问题。比如:占地面积大、干制时间长、有效成分损失严重;遭遇阴雨天容易霉烂变质;卫生环境不能保证,易受到灰尘、蝇、鼠污染等[3]。

烘干法即热风干燥方式,利用热源加热干燥室内空气,依靠热空气和物料之间的温度梯度和水分梯度使物料内部水分蒸发,并由流动的热风将物料表面蒸发的水蒸气带走的干燥方式[8]。热风干燥方式因其设备结构简单,操作使用方便,广泛应用于中草药的干燥加工中,是中草药干燥研究的热点和难点[9-12]。表1列选取了5种常见的中草药的热风干燥工艺及主要结论[13-17]。由表1可知,中草药的热风干燥方式的一般结论为:干燥温度越高、风速越大、切片越薄,则干燥速率越快,反之则干燥时间越长。中草药热风干燥方式的缺点主要体现为:干制时间长,有效成分损失严重。为提高干燥效率,若单一的提高干燥温度,则较高的干燥温度可能会使中草药物料表面因干燥过快而发生结壳硬化,阻碍内部水分的进一步迁移扩散,另一方面高温可能导致有效成分发生降解[18-19]。研究文献表明可以通过变温干燥方式或调控干燥过程中相对湿度的大小的方式来弥补这一缺点。例如吴中华等[20]研究发现,干燥温度40 ℃(6 h)、50 ℃(6 h)及60 ℃至干燥结束,相对湿度40%,料层厚度3层，在此条件下,枸杞干燥效率较高,干制品营养色泽俱佳,复水性良好。齐娅汝等[13]研究表明,二至丸干燥至恒速干燥阶段后,可采用低温干燥以降低能耗,提高干燥效率。Davidson等[21]在西洋参的干燥研究得出,当西洋参湿基含水率为50%～55%时,干燥温度38 ℃;湿基含水率18%～20%时,干燥温度50 ℃;湿基含水率8%～10%时,干燥温度38 ℃,此变温干燥相对于恒定干燥温度38 ℃干燥时间缩短了40%。另一方面巨浩羽等[8-9,22]、陆学中等[23]通过阶段调控相对湿度的方式来解决结壳和有效成分降解的问题。例如Ju等[24]研究得出,山药片干在干燥温度60 ℃,风速1.5 m·s-1,相对湿度40%保持15 min后变为连续排湿,相对于恒连续排湿的干燥方式,干燥时间缩短了25%,且色泽品质较好。故综上所述,针对中草药的热风干燥技术,探索阶段变温干燥或阶段调控相对湿度来提高干燥效率和干燥品质可能为将来的研究方向之一。

表1 5种中草药热风干燥条件及主要结论

1.2 新型干燥技术

中草药的新型干燥技术按照传热方式分为对流干燥、传导干燥、辐射干燥和介电干燥四种方式。本文选取对流干燥中的气体射流冲击干燥技术、传导干燥中的真空脉动干燥技术、辐射干燥技术中的中短波红外干燥技术和介电干燥中的射频干燥技术为代表,说明该干燥技术的特点及所适用的物料范围。明确单一传热方式的干燥技术的原理及适用范围是合理应用各干燥技术的理论基础。各类干燥技术均以单一或组合方式传热实现对物料的干燥。例如真空冷冻干燥技术为传导干燥;热泵干燥技术以热泵为热源最终以对流方式对物料干燥;真空微波干燥方式为传导和介电相联合干燥方式。

1.2.1 气体射流冲击干燥技术 气体射流冲击干燥技术的原理如图1所示。气体射流冲击技术,是将具有一定压力的加热气体经一定形状的喷嘴喷出,借助喷嘴产生的高速气流直接冲击物料表面而携走水分的一种技术。该干燥技术具有气流速度高、流程短,边界层薄,对流换热系数高,干燥速度快、能耗低等优点[25-26]。气体射流冲击干燥技术在中草药的干燥加工应用见表2所示。

图1 气体射流冲击干燥技术原理示意图[26]

表2 气体射流冲击干燥技术在中草药干燥加工中的应用

由表2可知,气体射流冲击干燥技术对中草药干燥过程的影响一般结论如下:干燥温度越高、风速越大、切片厚度越薄,则干燥效率越高。干燥温度对干燥过程的影响显著大于风速、切片厚度和喷嘴距离的对干燥过程影响。提高干燥效率的关键在于提高干燥温度,然而较高的干燥温度使得表面失水过快,而使物料表面结壳、收缩严重[31]。中草药的气体射流冲击干燥过程多呈现为降速干燥过程或只有短暂的升速干燥段。气体射流冲击干燥技术可适用于多种中草药的干燥加工,但一般用于中草药的薄层干燥。故装载量小、干燥不均匀和干燥结壳是限制气体射流冲击干燥技术广泛应用的主要因素[32]。代建武等[32]设计了一种倾斜料盘气体射流冲击干燥机,并对料盘托架倾角、料盘距喷嘴间距、喷嘴排列间距等结构参数和干燥室内气流温度、湿度、风速等工艺参数在一定范围内进行调节，哈密瓜的干燥实验表明装载量相比传统射流冲击装置提高了1.7倍,干燥时间缩短了11.1%,干燥均匀系数达0.97。姚学东等[33]设计了一种气体射流冲击式滚筒干燥机同样提高了物料的装载量。因此,为提高中草药的干燥效率和品质,气体射流冲击装备的结构优化设计及干燥过程中温度、湿度等参数的优化调控可能是未来气体射流冲击干燥加工中草药的方向之一。

1.2.2 真空脉动干燥技术 真空脉动是指压力在真空和大气压周期性变化状态下进行的传质过程。干燥时将物料置于一个密闭容器内,在保持一定温度的同时,使容器内的真空度达到相应值并保持一段时间(图2中t1),然后恢复至常压,再保持一定时间(图2中t2),如此交替循环,使物料一直处于真空常压的交变状态下,直至物料含水率降至目标数值时干燥过程完成,真空脉动干燥压力变化示意图如图2所示[34]。真空脉动干燥不仅可以使物料内部组织形成蜂窝状孔隙结构,而且还可以打破物料表面蒸汽压和干燥室内压力的平衡状态,具有干燥效率高和干燥品质好等优点[35]。关于真空脉动干燥技术在中草药的干燥加工应用见表3所示。

图2 真空脉动工作原理示意图[34]

表3 真空脉动干燥技术在中草药干燥加工中的应用

由表3可知,中草药的真空脉动干燥技术的结论为升高干燥温度、减小切片厚度有助于提高干燥效率。对于不同的物料,真空和常压的保持时间对干燥特性的影响各不相同。常压阶段,物料充分加热;真空阶段,物料水分蒸发量增大,物料温度下降。真空脉动干燥技术的优势体现在:真空低氧的环境能够减少有效成分的降解,一般都用于热敏性蜡质层覆盖、易褐变、高糖分物料的干燥加工[35-36,40]。真空脉动干燥技术中的加热装置多采用电加热板,容易造成物料加热不均匀、干燥不均匀的现象。薛令阳等[40]将碳纤维红外加热板代替传统的电加热板,并设计了基于过零触发控制的加热板辐射强度控制硬件电路,减小气流扰动对干燥整体均匀性的影响,干燥均匀度达95%以上。因此,关于真空脉动干燥技术中加热源的选择及针对不同物料脉动比的工艺优化仍为中草药真空脉动干燥加工的研究方向。

1.2.3 中短波红外干燥技术 中短波红外干燥技术使用0.75～4 μm 范围的中短波,其特点是辐射频率大,能量高,可以使分子间发生转动能级、振动能级的跃迁,可提高中草药的干燥效率及品质、降低能耗。关于中短波红外干燥技术在中草药干燥加工的应用如表4所示。

表4 中短波红外干燥技术在中草药干燥加工中的应用

由表4可知,中短波红外干燥技术的一般结论为:提高干燥温度、辐射功率和缩短辐射距离可提高干燥效率,具有干燥品质好、能耗低等优点,广泛应用于百合、人参、陈皮、三棱、天花粉、莪术、白芍、板蓝根等中草药的干燥[2]。然而为中短波的穿透深度有限，不适用于厚度较大物料的干燥[28]。中短波干燥技术与传统干燥方式联合应用较少,有研究表明中短波联合干燥相对于单一的干燥方式更高效、更节能[44]。因此,中短波联合热风干燥、真空干燥等联合干燥方式将会有巨大的潜在市场,为未来的研究方向。

1.2.4 射频干燥技术 射频(Radio frequency,RF)是一种高频交流变化的电磁波,工业、科研以及医药行业的3个射频频率分别为13.56、27.12、40.68 MHz。射频可穿透到物料内部,引起物料内部极性分子和带电离子的振荡迁移,相互摩擦,将电能转化为热能,物料的温度随之升高,进而达到干燥的目的[45-46]。射频干燥技术的优势在于对物料的迅速加热作用,能够促进内部水分的迁移,但由于与射频加热速率正相关的介电损耗因子随温度的升高而增大,射频能量往往集中于局部温度较高的部位,导致该部位过热,出现热偏移现象[45]。射频干燥技术现广泛应用于胡萝卜、苹果、土豆、猕猴桃等果蔬物料的加工。目前关于中草药的射频干燥加工应用较少。

2 干燥模型的研究

中草药的干燥过程涉及传热传质效率、能源消耗和产品品质等重要指标,建立有效的干燥模型以调控干燥工艺具有重要的意义。干燥模型主要包括理论模型、半理论模型和经验模型[47-48]。

2.1 理论模型

中草药干燥过程中的传热和传质控制方程分别可由傅里叶导热定律和费克第二定律来描述,如式(1)～(2)所示[49]。

(1)

(2)

式(1)的初始条件和边界条件分别为:

t=t0:T=T0

(3)

n(-kT)=ht(T∞-T)+λn(DeffC)

(4)

式(2)的初始条件和边界条件分别为:

t=t0:C=Ci

(5)

n(DeffC)=hm(Cb-C)

(6)

式中,k为物料的导热系数,W·m-1·℃-1;ρ为物料的密度,kg·m-3;Cp为物料的比热容,J·kg-1·℃-1;T为物料温度,℃;T0为物料的初始温度,℃;t为干燥时间,s;C为物料中的水分浓度,mol·m-3;Cb为干燥室内的水分浓度,mol·m-3;Ci为物料初始水分浓度,mol·m-3;Deff为水分有效扩散系数,m2·s-1;λ为水分蒸发潜热,J·mol-1;ht为对流传热系数，W·m-2·℃-1;hm为对流传质系数,m·s-1。

理论模型一般基于Comsol Multiphysics、CFD或Matlab等软件辅助求解,采用有限元方法,将物料分割为若干网格而后进行数值求解。理论模型的优点为可以求解出任意干燥时刻时,物料中水分分布和温度的三维分布,直观地反映水分传递过程和温度变化规律。例如,王学成等[50]基于Comsol Multiphysics建立了二至丸无孔底和筛孔底在60、80、100 ℃下的干燥过程,研究发现使用筛孔底干燥盘可提高干燥的均匀性;Ju等[51]基于Comsol Multiphysics模拟分析了干燥温度60 ℃,相对湿度30%,5 mm厚的山药片的干燥过程中的水分空间分布;此外Khan等[52]基于Comsol Multiphysic模拟仿真了苹果块微波热风干燥过程中的水分和温度三维分布演化过程;Onwude等[49]基于Comsol Multiphysic建立了马铃薯的红外联合热风干燥理论模型,并模拟了干燥过程中内部水分和温度的演化规律。

理论模型要求首先明确对流传热系数(ht)、对流传质系数(hm)、水分有效扩散系数(Deff)、物料的密度(ρ)、比热容(Cp)、导热系数(k)等基本参数。其中ht、hm、k、ρ、Cp一般由经验公式确定;Deff由经验公式或实验确定。由经验公式所计算出的参数误差会直接影响到理论模型的精度;此外,模型计算中假设中草药物料传热和传质各向同性及忽略了物料的收缩变性,也可能会影响模型的精度。因此,如何提高理论模型的求解精度以更真实的反映干燥传热传质过程为目前的研究方向之一。

2.2 半理论模型

半理论模型可由牛顿冷却定律或费克第二定律求解得出,常用的模型方程见表5所示[48]。半理论模型在中草药的干燥过程中有广泛的应用。例如,齐娅汝等[13]研究发现二至丸的热风干燥过程符合Midilli et al. model模型;薛珊等[30]研究得出苦瓜片的气体射流冲击干燥过程符合Two term exponential模型;李文峰等[29]研究得出山楂的气体射流冲击干燥过程可以用Modified Page模型描述;曾祥媛等[26]研究表明,党参根的气体射流冲击干燥技术符合Modified Page模型;高鹤等[42]研究表明Henderson and Pabis模型是番木瓜中短波红外干燥过程的最适模型;胡居吾[53]研究得出,蔓三七的热泵-热风联合干燥过程中,恒速干燥阶段符合Henderson and Pabis模型,降速干燥阶段符合Modified Page model模型。

表5 半理论模型

半理论模型是理论模型的简化,其中的参数通常由干燥过程中水分比(MR)随着干燥时间t的曲线关系,采用最小二乘法对曲线进行回归确定。再建立参数随干燥条件如干燥温度、风速、物料厚度等参数的关系。半理论模型对干燥过程中草药的水分比的预测具有较高的精确度,但模型中参数无法反映出干燥过程的升速或降速过程,没有实际的物理意义[12,54]。因此半理论模型没有完全反映出中草药的干燥特性。

2.3 经验模型

经验模型为采用多项式、对数、指数、幂函数等函数形式来描述中草药干燥过程中水分比随干燥时间的变化关系,其同样是基于干燥特性曲线进行最小二乘法回归计算得出。常用的经验模型如表6所示[48]。

经验模型用来反映和预测干燥过程中的物料的水分比的变化规律,在中草药的干燥中也有较广泛的应用。例如,林冰等[55]研究发现,鸡矢藤、忍冬藤、首乌藤、番薯藤4种藤类中药材的热风干燥过程均可以用Aghbashlo模型描述。其中Weibull分布函数模型在中草药干燥过程的应用最广泛。Weibull 函数结合尺度参数α、形状参数β可对不同干燥方式、传热传质过程进行有效分析[56-57]。α用于表示干燥过程中的速率常数,约等于干燥过程中物料脱去63%水分所需要的时间,并且基于α可以求解干燥过程中的估算水分有效扩散系数;β与干燥过程开始时的干燥速率相关,当β>1时,干燥速率先升高后降低,而当β<1时,干燥过程呈现为降速干燥过程。故Weibull分布函数不仅可以用来预测水分比,还可以通过分析干燥过程有无升速干燥阶段,估算水分扩散系数和干燥时间等。

万芳新等[58]研究得出Weibull分布函数可以较好地模拟不同超声波处理条件下枸杞的远红外真空干燥过程,α随着超声频率、超声功率和处理时间的增大而增大;β>1。李武强等[59]研究发现,当归切片的远红外干燥过程符合Weibull分布函数,α和β均与干燥温度、切片厚度和辐射高度有关,并且基于α求解了估算水分有效扩散系数。李波等[60]同样发现,Weibull分布函数能够很好地模拟当归低温阴干与回潮干燥过程。此外,Weibull分布函数还用在枸杞[35]、山药[24,39]、茯苓[27]、黄芪[61]、百合[62]等物料的干燥过程分析中。

2.4 3种模型对比

理论模型可以直接模拟计算出不同干燥条件下,不同干燥时间下物料的温度和水分的空间分布,具有直观、具体的优点;缺点为计算耗时长,理论模型的构建复杂,当模型参数不精确时对模拟计算结果影响较大。目前基于理论模型模拟仿真中草药干燥过程的研究较少。半理论模型是理论模型的简化,采用最小二乘法对水分比和干燥时间回归得出模型各参数值。半理论模型对干燥过程的水分比的预测具有较高的精确度,在中草药的干燥模拟中有着较广泛的应用。经验模型中的Weibull分布函数模型在中草药干燥过程的应用最广泛,结合模型中尺度参数α、形状参数β可对不同干燥方式、传热传质过程进行有效分析。

综上所述,当需要明确干燥过程中水分温度空间分布演化规律时,宜采用理论模型;需要预测不同干燥时刻水分比时宜采用半理论模型;当需要明确干燥过程中水分有效扩散系数、干燥过程有无升速干燥阶段时选用Weibull分布函数模型。

3 中草药干燥过程中有效成分研究

根据中草药入药部分可将中药材分为:根及根茎类、茎木类、皮类、花类、果种类、叶类、全草类、树脂类、藻、菌、地衣类等。这种分类方式有利于我国实现中药材的培育、种植、生产、销售、流通、输出等各个环节的标准化,使得传统中药材以质论价有据可依。但是,这只是单纯的针对中药材作为一种商品的分类,而不适合中草药干燥的研究。

现代中药材的分类方式有如下形式:按中药功效分类、按自然属性和亲缘关系分类、按有效成分分类[63]。按有效成分分类方法是近几十年来最常用的分类方法,此方法被广泛应用于中药化学成分以及各种中药相关研究,另外此方法对控制中药材的质量也有很大的帮助,因此考虑按有效成分分类中药材,以此来研究中药材的干燥现状。

部分中草药来源于植物,植物在生长过程中,合成和降解产生各种化学成分。根据中药材中所含的主要有效成分或活性成分,本文将中药材分为含生物碱类、黄酮类、多糖类、色素类、挥发油类,油脂类等。值得注意的是,同一种中药中可能含有多种有效成分,因此,在干燥时,要选择适当的方法。中草药的药用成分均呈现出热不稳定性,干燥过程中持续的高温使得有效成分大量降解。本文选用前四类作为代表性药用成分来分析中草药的干燥现状。

3.1 生物碱类

生物碱是存在于自然界中的一类含氮的碱性有机化合物,具有种类繁多、化学结构易修饰、生物活性多样等特点,具有降血糖、抗肿瘤、抗菌、抗病毒等多种药理活性,是中药重要的有效成分之一[64]。

钱桂敏等[65]采用冷冻干燥、热风循环干燥和传统烘干对金钗石斛进行干燥处理,干燥后样品中石斛碱含量分别为0.450 9%、0.418 4%和0.428 2%,用冷冻干燥方法所得石斛碱含量略高,但对设备要求高,成本大;传统烘干法操作简单,成本较低,更适合石斛的干燥处理。郭鑫等[66]研究发现,微波真空干燥时,真空度-0.08 MPa,微波功率0.5 kW 15 min+0.3 kW 10 min干燥条件下,胆黄连配方颗粒中间体生物碱成分无显著变化,干燥时间短,质地疏松。覃冬杰等[67]在不同干燥方法对钩藤药材中钩藤碱的影响研究中得出,40 ℃烘干12 h>阴干168 h>暴晒40 h>60 ℃烘干4 h>80 ℃烘干4 h>60 ℃烘干6 h>60 ℃烘干8 h>40 ℃烘干18 h>80 ℃烘干6 h>40 ℃烘干24 h。实验证明不同的干燥方法对钩藤中钩藤碱含量有一定影响,干燥温度越高,钩藤碱含量损失越多,可能与钩藤碱的酯键受热易分解有关[68]。刘钊圻等[69]研究得出,烘干温度对黄柏药材中小檗碱的含量有明显影响。在40～100 ℃温度范围内,随着温度的升高,小檗碱含量逐渐下降,当烘干温度为40 ℃时,其小檗碱含量为6.32%,当烘干温度达到100 ℃时,含量为4.52%。原因可能在于随着温度的升高破坏了黄柏药材内在的物理和化学结构,使黄柏药材中的某些生物碱发生了降解。刘环香等[70]同样发现,黄连中小檗碱含量随着干燥温度的升高而减少。

各类生物碱中,有些有毒性(如吡咯烷生物碱、秋水仙碱、马鞍菌素等),有些无毒(如黄嘌呤衍生物等),而在诸多研究富含生物碱类中药材的干燥文献中,大多都考虑温度对生物碱的影响。因此,在干燥过程中,通过控制温度,以此来控制生物碱含量。有些生物碱因含有酯键而具有毒性,例如,关白附含有次乌头碱和附子碱等,在干燥之前,必须经水煮或者蒸透,使这些生物碱的酯键破坏,这样镇痛效果依然存在,而毒性大大降低。

3.2 黄酮类

黄酮类化合物是一种广泛存在于植物中的次级代谢产物,也是一类重要的中药成分,多分布于芸香科、菊科、豆科、玄参科、蔷薇科等植物中。黄酮类成分具有多种生物活性,如抗氧化、抗炎症、抗肿瘤、降血压等功效。从植物中分离鉴定的天然黄酮类成分超过15 000种,天然黄酮常以糖苷形式存在,仅有少部分以游离苷形式存在[71-72]。

黄酮类化合物在干燥过程中随着干燥温度的升高而损失率逐渐增大。例如,姜珊等[73]研究发现,金银花在40 ℃热风烘干时含量最高为54.072 1 mg·g-1,而在60 ℃烘干时含量最低为18.533 3 mg·g-1。Lou等[74]同样得到类似结论。此外顾熟琴等[75]研究表明,黄酮含量还受到干燥时间的影响,最佳干燥条件为:热风温度40 ℃,干燥时间8 h,载样量15 kg·m-2。

黄酮类中草药干燥过程中,应当充分考虑干燥温度和干燥时间等因素。黄酮类化合物容易氧化,长时间暴露于空气中或对其进行加热都会加快黄酮的氧化速度,使黄酮损失较多。因此冷冻干燥或真空冷冻干燥可能较适合黄酮类中草药的干燥加工,能够减少黄酮类物质的损失[76]。

3.3 多糖类

多(聚)糖类由10个以上单糖分子聚合而成,通常由几百甚至几千个单糖分子组成。多糖按功能可分为两类,一类是不溶于水的动植物的支持组织,如植物中的纤维素,甲壳类动物中的甲壳素等,另一类为动植物的储藏养料,可溶于热水形成胶状溶液。随着科学技术的发展,不少多糖的生物活性被发掘并用于临床,如刺五加多糖、灵芝多糖、黄精多糖、黄芪多糖都可促进人体的免疫功能,香菇多糖具抗癌活性,鹿茸多糖可抗溃疡等。

常秀莲等[77]在研究库拉索芦荟凝胶黏度及多糖的热稳定性时发现,干燥温度在50～60 ℃之间,多糖由于酶解作用发生降解;在80～90 ℃时,随着干燥温度的升高,多糖含量逐渐降低;在70 ℃时多糖含量稳定。方伟等[78]研究得出,70、50、35 ℃和冷冻干燥后天麻多糖含量分别为(6.278±0.092)%、(7.331±0.048)%、(7.476±0.066)%和(7.682±0.025)%,70 ℃和冷冻干燥多糖含量差异显著,干燥温度越低,天麻多糖含量越高。此外Ahmadi等[79]和Deng等[80]得到相同结论。

因此,多糖类中药材在干燥过程中一定要控制温度,不仅仅是为了干燥速率的提高,而且为了避免功能性多糖的降解和转化。特殊情况下,某些含浆汁、淀粉的药材还须经烫漂,以减弱多糖的酶解作用。

3.4 色素类

含色素类的中药材饮片,主要为花类药材,如红花、金银花、洋金花、槐花、菊花等。这类药材所含的色素在日光中的紫外线照射或高温下易褪色[81]。

白色类的中药材如桔梗、浙贝母宜用日晒,越晒越白[82];黄色类的泽泻、黄连,如日晒则会毁色,故宜用小火或低温烘焙,且可保持黄色,增加香味,但不能用旺火,以防焦黄。烘干的温度以50～60 ℃为宜,对成分无影响,又能抑制酶活动[70]。绿叶类中药材饮片,如侧柏叶、大青叶、淡竹叶、苏叶、艾叶、忍冬叶等。这类药材在强日光下曝晒或高温下也会很快变成黄色。原因是加热处理时叶绿素蛋白复合体中的蛋白质变性,导致叶绿素与蛋白质分离生成游离的叶绿素,游离的叶绿素不稳定,对光、热、酶都很敏感,并且受热之后,药材组织细胞被破坏,氢离子穿过细胞膜通透性增加,脂肪水解为脂肪酸,蛋白质分解产生硫化氢和脱羧产生的二氧化碳都可导致体系pH降低,pH又可决定叶绿素脱镁,致使颜色发生变化[83-84]。

4 结语

中草药的干燥技术多种多样,除上述分析的主要干燥技术之外还有诸如热泵干燥技术、真空冷冻干燥技术、真空微波干燥技术等等。但无论哪一种干燥方式,热量最终都以传导、对流、辐射或者介电特性的方式传递至被干燥的物料,促使物料温度升高,加速内部水分扩散迁移至表面并在表面蒸发水分,完成脱水过程。干燥温度在众多干燥技术当中,对干燥过程都具有显著性影响,因此提高对中草药的加热效率及干燥均匀性是某一干燥技术提高干燥效率的关键。红外、中短波红外、微波、射频、热泵、温湿度控制等加热干燥技术都是以提高传热效率而出现的新型干燥技术,并且通过优化设计干燥室的结构以提高干燥均匀性。在中草药的干燥技术选择中,物料的升温速率及干燥的均匀性是重点考虑的因素,也是中草药干燥加工的研究方向之一。

在中草药干燥模型研究中,理论模型研究仍是研究的热点和难点。通过对理论模型的求解,可以直观地得到中草药干燥过程中水分的迁移过程、温度的变化规律。精确的确定理论模型中的各项参数是求解理论模型的关键所在。基于经验公式或实验方法测定各项基本参数,再结合理论模型的求解可能获得较为精确的模拟结果。在经验模型中的Weibull分布函数模型仍为中草药干燥加工应用最广泛的模型,且将会应用到更多的中草药的干燥过程。深入分析模型中的尺度参数α和形状参数β与干燥条件、干燥过程的关系,从而更好地分析干燥热质传递过程，改进干燥工艺。

中药材中的药用成分包含有多糖类、挥发油类、色素类、黄酮类、生物碱类等,在干燥过程中都会发生不同程度的降解。干燥温度对有效成分的降解起着显著性的影响作用,其次还有酶、氧气、干燥时间等因素的共同作用,使有效成分发生降解。在干燥过程中要严格控制干燥温度,干燥温度不宜过高。在中草药干燥过程中,需要考虑干燥效率、干燥品质、能耗等众多指标,而干燥效率与干燥品质、能耗等指标之间不能兼顾,提高干燥温度能够提高干燥效率而导致有效成分降解严重,降低干燥温度保留了有效成分含量,而造成干燥时间延长、能耗增加。因此在中草药的干燥过程中需要寻求多指标均优的干燥调控策略:人工智能自动调控干燥工艺,神经网络模型预测等辅助干燥过程将成为未来中草药干燥加工的发展趋势。

本文从干燥技术、干燥模型和有效成分3个方面详细分析影响干燥脱水过程、水分含量预测及有效成分变化的因素,以期为不同类型的中草药选用合适的干燥技术、干燥工艺和干燥模型。同时阐述了中草药干燥的发展趋势,对中草药的研究和开发具有一定的指导意义。