謝 好,齊婭汝,萬 娜, 3,伍振峰, 4,王學(xué)成, 4,李遠(yuǎn)輝, 4*,楊 明, 4*
中藥材干燥過程中的皺縮機(jī)制、影響因素與調(diào)控策略
謝 好1,齊婭汝2,萬 娜1, 3,伍振峰1, 4,王學(xué)成1, 4,李遠(yuǎn)輝1, 4*,楊 明1, 4*
1.江西中醫(yī)藥大學(xué)現(xiàn)代中藥制劑教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330004 2.江西中醫(yī)藥大學(xué)教務(wù)處,江西 南昌 330004 3.江西中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院,江西 南昌 330004 4.江西中醫(yī)藥大學(xué)創(chuàng)新藥物與高效節(jié)能降耗制藥設(shè)備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330004
干燥是中藥材采收后產(chǎn)地加工必不可缺的重要加工步驟之一,與中藥材品質(zhì)形成息息相關(guān),是影響中藥材藥用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的重要環(huán)節(jié)。皺縮是中藥材在干燥過程中發(fā)生的普遍物理現(xiàn)象,不僅直接影響中藥材的外觀、質(zhì)地與復(fù)水性,還導(dǎo)致水分?jǐn)U散速率降低,干燥時(shí)間延長,引起干燥效率下降、能耗升高,且藥材長時(shí)間受熱不利于保證干品質(zhì)量與療效。通過文獻(xiàn)調(diào)研,探討中藥材干燥過程中的皺縮機(jī)制,從物料特性、微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和加工條件方面分析其影響因素,總結(jié)抑制皺縮的干燥技術(shù),以期保障中藥材品質(zhì),為中藥材干燥工藝的選擇提供參考依據(jù)。
中藥材;干燥;皺縮;水分;細(xì)胞結(jié)構(gòu);溫度;干燥空氣速度;干燥空氣相對(duì)濕度;調(diào)控策略
所謂“藥材好,藥才好”。中藥材是制備中藥飲片,進(jìn)而直接配方或制劑的原料藥,其品質(zhì)直接影響中藥飲片乃至中藥制劑的臨床與經(jīng)濟(jì)價(jià)值,提高中藥材品質(zhì),對(duì)保證中藥產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。除少部分中藥材鮮用以外,大部分藥材采收后須趁鮮干燥,以利于貯存、便于運(yùn)輸。皺縮是中藥材在干燥過程中發(fā)生的普遍現(xiàn)象。藥材皺縮后表現(xiàn)為體積減小,表面呈凸凹不平的不規(guī)則形狀,質(zhì)地硬化,甚至出現(xiàn)“僵子”;微觀上表現(xiàn)為細(xì)胞發(fā)生向內(nèi)潰陷,形態(tài)扁平化,嚴(yán)重時(shí)細(xì)胞壁上還會(huì)出現(xiàn)細(xì)微裂紋,尤其以果實(shí)類和根莖類藥材干燥皺縮較為嚴(yán)重[1-2]。干燥過程中,藥材皺縮后導(dǎo)致水分?jǐn)U散阻力增大,從而引起水分?jǐn)U散速率降低,干燥效率下降、能耗升高,且藥材長時(shí)間受熱不利于保證干品質(zhì)量與療效[3-5]。此外,皺縮引起藥材質(zhì)地硬化,不利于后續(xù)炮制加工;質(zhì)地硬化導(dǎo)致復(fù)水性降低,不利于后續(xù)煎煮或提取處理。但目前對(duì)中藥材干燥皺縮不夠重視,皺縮機(jī)制尚不明確、調(diào)控策略仍未確立。故本文對(duì)中藥材干燥過程中皺縮機(jī)制與影響因素進(jìn)行分析,總結(jié)防止皺縮的調(diào)控策略和抑制皺縮的干燥技術(shù),以期為中藥材干燥技術(shù)工藝的選擇提供理論依據(jù),從而提高中藥材干燥品質(zhì)。
中藥材大多在結(jié)構(gòu)上高度異質(zhì),導(dǎo)致其干燥皺縮機(jī)制較為復(fù)雜。目前,一般認(rèn)為包括中藥材在內(nèi)的植物性物料干燥的縮皺機(jī)制主要有3種。(1)含水量在干燥過程中不斷降低。鮮藥材普遍含水量較高,水分分布于藥材各組織細(xì)胞中對(duì)其具有物理填充、支撐作用,當(dāng)水分在干燥過程中被除去時(shí),植物組織細(xì)胞失去這一部分支撐力,原來由水分占據(jù)的空間出現(xiàn)坍塌,導(dǎo)致藥材體積減小,從而出現(xiàn)皺縮[6-7]。(2)植物表皮塌陷。植物表皮由表皮細(xì)胞構(gòu)成,排列緊密并具有細(xì)胞壁結(jié)構(gòu),機(jī)械強(qiáng)度較高,具有防止水分散失等作用。因此,在干燥過程中,植物表皮對(duì)水分(液態(tài)或氣態(tài))向表面擴(kuò)散形成較大阻力。干燥開始后,由于植物表皮的阻礙,表皮內(nèi)水分不能及時(shí)由內(nèi)擴(kuò)散至表面因而不斷積累,形成擴(kuò)散應(yīng)力(傳質(zhì)應(yīng)力)并不斷增加[8]。當(dāng)該應(yīng)力增加至一定值后,導(dǎo)致植物表皮氣孔增大,結(jié)構(gòu)變得疏松,機(jī)械強(qiáng)度降低,難以維持原形態(tài)而出現(xiàn)塌陷[9]。干燥進(jìn)行一定時(shí)間后,由于植物體內(nèi)含水量降低,水分?jǐn)U散阻力增大(干區(qū)形成),物料內(nèi)部水分的擴(kuò)散速度小于表面水分蒸發(fā)速度,植物表皮因率先失水而表面積減小,皺縮加劇[10]。(3)膨壓降低。膨壓指植物中的水分使細(xì)胞產(chǎn)生向外施加在細(xì)胞壁上的壓力,可為植物細(xì)胞提供支持力,以維持形狀[11]。尤其是草本植物由于缺少木本植物所擁有的堅(jiān)硬木質(zhì)素,故其支持力依賴膨壓[12]。一方面,草本中藥材在干燥過程中,含水量的降低可直接引起膨壓降低,引起植物形態(tài)皺縮[6]。另一方面,除微波干燥外,干燥過程中的熱量由植物細(xì)胞外向細(xì)胞內(nèi)傳遞,與膨壓作用方向相反,膨壓遭到抵消而減小甚至喪失,導(dǎo)致細(xì)胞崩潰,從而草本中藥材出現(xiàn)皺縮[13]。
近年來,對(duì)干燥過程中皺縮現(xiàn)象的研究表明干燥過程中皺縮的普遍變化規(guī)律為在干燥初期體積皺縮程度大;在干燥中后期皺縮率整體呈現(xiàn)持續(xù)減小的趨勢(shì)。
干燥初期體積皺縮程度大,這是由于物料表面水分快速蒸發(fā),該階段皺縮發(fā)生在表層,體積皺縮近乎等于失水體積,尺寸減小主要用于補(bǔ)償水分損失。Karathanos等[14]研究表明初始水分去除率高,導(dǎo)致強(qiáng)烈皺縮。Mayor等[13]也表達(dá)了同樣的觀點(diǎn)。王龍等[15]研究發(fā)現(xiàn)干燥初期紅棗受熱體積膨脹從而皺縮程度大。這可能是因?yàn)槲锪媳韺影l(fā)生皺縮后,其內(nèi)部水分?jǐn)U散至表面的阻力不斷增加,使得物料內(nèi)部水分不能及時(shí)排出,從而在內(nèi)部堆積、形成一定的由內(nèi)向外的擴(kuò)散應(yīng)力(傳質(zhì)應(yīng)力),導(dǎo)致出現(xiàn)輕微的內(nèi)部膨脹。此后,內(nèi)部擴(kuò)散應(yīng)力(傳質(zhì)應(yīng)力)增大至一定程度后,水分受應(yīng)力推動(dòng)作用向外部擴(kuò)散,失去水分的物料體積再一次皺縮,直至物料中水分含量較小時(shí)這種收縮與膨脹的交替作用才會(huì)結(jié)束[15-16]。
在干燥中后期,物料開始向內(nèi)皺縮,皺縮率整體呈現(xiàn)持續(xù)減小的趨勢(shì),該階段物料皺縮體積遠(yuǎn)小于失水體積[17]。如Wang等[17]通過觀察不同干燥階段馬鈴薯切片中薄壁細(xì)胞的顯微圖片發(fā)現(xiàn)皺縮逐漸向中心移動(dòng),出現(xiàn)向內(nèi)皺縮,且接近干燥結(jié)束時(shí)皺縮明顯減緩。該現(xiàn)象與3個(gè)原因有關(guān):一是干燥后期單位時(shí)間內(nèi)去除的水分較少,皺縮空間減少;二是干燥后期,由于物料溫度升高可出現(xiàn)玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變,從而大大增加物料的機(jī)械強(qiáng)度,有助于減小皺縮率;三是干燥后期物料表面發(fā)生硬化(“表面硬化”效應(yīng)),形成硬殼阻止了皺縮[18-20]。
新鮮中藥材根據(jù)內(nèi)部水分的空間分布,分為細(xì)胞間水、細(xì)胞內(nèi)水和細(xì)胞壁水;根據(jù)水分結(jié)合形式,分為自由水和結(jié)合水。位于細(xì)胞間隙的水被稱為細(xì)胞間水,因其可以自由流動(dòng)被認(rèn)為是自由水[21]。細(xì)胞內(nèi)的水被稱為細(xì)胞內(nèi)水,而細(xì)胞壁水是占據(jù)細(xì)胞壁內(nèi)部細(xì)小空間的水,這種水分存在于細(xì)胞內(nèi)部,具有較強(qiáng)的結(jié)合力被認(rèn)為是結(jié)合水。眾所周知,干燥能脫去大部分自由水,膨脹的細(xì)胞失去水分導(dǎo)致組織皺縮。相反,結(jié)合水很難去除,在干燥過程中去除能夠有效地維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)防止皺縮[22]。另外,由于植物類中藥材的吸濕性,在整個(gè)干燥過程中,自由水的遷移對(duì)物料結(jié)構(gòu)的影響較小,而結(jié)合水的運(yùn)輸對(duì)物料皺縮影響很大,可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞皺縮、孔隙形成和細(xì)胞崩潰,甚至整個(gè)組織結(jié)構(gòu)變形[10,23]。3種類型水的比例和遷移是影響干燥過程中細(xì)胞皺縮和結(jié)構(gòu)塌陷導(dǎo)致整體組織皺縮的原因。
細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)的完整程度、液泡的大小、細(xì)胞膜的滲透性和膜的糖蛋白種類以及細(xì)胞壁的差異都是影響皺縮的因素。細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)的完整良好、功能完備具有維持基本結(jié)構(gòu)秩序的能力,當(dāng)細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)完整性被破壞,打破秩序,造成組織的皺縮,變形甚至奔潰[10]。在一個(gè)完全生長的細(xì)胞組織中,90%水存在于液泡中,液泡失水導(dǎo)致整個(gè)組織皺縮,液泡越大,失去的水分越多,皺縮程度越大[10,24]。細(xì)胞膜有一定的滲透調(diào)節(jié)作用,使細(xì)胞保持膨脹狀態(tài),與維持細(xì)胞的緊張狀態(tài)、抑制皺縮有直接關(guān)系[25]。植物細(xì)胞形狀的維持是基于細(xì)胞內(nèi)的膨脹壓力,膨壓是細(xì)胞內(nèi)的滲透壓與其周圍環(huán)境的滲透壓之差[10]。細(xì)胞膨壓的增大或減小所導(dǎo)致的細(xì)胞膨大或皺縮是細(xì)胞膜控制鹽和水相對(duì)滲透能力的結(jié)果[10]。在干燥過程中,具有更高熔點(diǎn)鏈的糖蛋白首先受到嚴(yán)重?fù)p害,在細(xì)胞膜上引入缺陷,細(xì)胞膜因此失去完整性增加對(duì)水的通透性,細(xì)胞內(nèi)的水分更易排除,更易引起細(xì)胞結(jié)構(gòu)的皺縮從而導(dǎo)致干燥后產(chǎn)品外觀形態(tài)的劣質(zhì)現(xiàn)象[26-27]。
細(xì)胞結(jié)構(gòu)對(duì)干燥過程中皺縮的影響,可以認(rèn)為是細(xì)胞壁起主要的影響作用[10]。細(xì)胞壁中纖維素的有序性、含有的多糖類成分和固體物質(zhì)含量與維持細(xì)胞尺寸、形態(tài)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)完整性和整個(gè)組織強(qiáng)度有關(guān),決定了干燥過程中細(xì)胞的皺縮程度。植物細(xì)胞壁是主要由纖維素構(gòu)成的半彈性結(jié)構(gòu),細(xì)胞壁中纖維素鏈的高度有序性、硬度和尺寸穩(wěn)定性有關(guān),決定了細(xì)胞在整個(gè)干燥過程中抵抗皺縮的能力[28]。細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)骨架的微纖維之間的空隙充滿了多糖,去除一些特定的多糖類成分(如半纖維素和果膠)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞顯著皺縮,并改變其物理特性[29]。此外,細(xì)胞壁固體物質(zhì)含量決定細(xì)胞壁的厚度,固體含量高的物料細(xì)胞壁厚,整個(gè)組織機(jī)械強(qiáng)度高,維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)剛性,有效避免干燥過程中皺縮現(xiàn)象的發(fā)生[22]。
干燥溫度、干燥空氣速度和干燥空氣的相對(duì)濕度是影響皺縮的關(guān)鍵干燥參數(shù)。
3.3.1 干燥溫度 大量研究報(bào)道,干燥溫度對(duì)干燥過程中物料的皺縮有顯著影響。研究報(bào)道,大多數(shù)水果和蔬菜在低溫(20 ℃)下進(jìn)行干燥處理時(shí),皺縮率大,體積大幅度減小。相比之下,當(dāng)在高溫(50~70 ℃)下干燥時(shí),物料的皺縮可被抑制[8]。同樣,研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯組織在干燥過程中,處于較高溫度(70 ℃)下的皺縮率遠(yuǎn)小于在低溫(40 ℃)下的皺縮[17]。Senadeera等[30]研究報(bào)道柿子在較低干燥溫度(45 ℃)發(fā)生的皺縮率比較高干燥溫度(65 ℃)下更大。這可能是因?yàn)楦稍餃囟鹊?,干燥速率慢,水分由?nèi)部向外部擴(kuò)散速率與物料表面水分蒸發(fā)速率較接近,物料內(nèi)部和表面含水量在干燥過程中不斷降低,當(dāng)水分不斷被去除,原來被水占據(jù)的空間逐漸坍塌,從而使物料在長時(shí)間干燥過程中持續(xù)均勻皺縮直到干燥結(jié)束,因此皺縮率較大[31-32]。另一方面,干燥溫度高,干燥速率快,物料表面水分蒸發(fā)速率較快,導(dǎo)致內(nèi)部水分?jǐn)U散速率小于表面水分蒸發(fā)速率,表面率先失水、皺縮而形成硬殼(“表面硬化”效應(yīng))[33-34]。表面硬殼具有較大的機(jī)械強(qiáng)度,從而阻礙皺縮[35]。
3.3.2 干燥空氣速度 在干燥過程中,皺縮率隨干燥空氣速度的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)[35]。婁正等[31]研究不同風(fēng)速條件下的紅棗干燥實(shí)驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)在干燥空氣速度為9 m/s條件下的皺縮率最高,比6 m/s時(shí)的皺縮率提高了1.12%,比15 m/s時(shí)的皺縮率提高了4.02%。杜志龍等[36]通過研究干燥空氣速度對(duì)胡蘿卜干燥特性的影響發(fā)現(xiàn),不同干燥空氣速度與皺縮率變化的關(guān)系曲線存在拐點(diǎn)。這可能是因?yàn)樵诘透稍锟諝馑俣认?,干燥介質(zhì)中熱空氣流速較為緩慢,物料表面與周圍介質(zhì)進(jìn)行能量交換少,表面阻力占優(yōu)勢(shì),阻止水分散失,因此皺縮率小[37]。在拐點(diǎn)之前的階段,皺縮率隨干燥空氣速度增加而升高,這可能是因?yàn)楦稍锼俾实脑黾訉?dǎo)致物料內(nèi)部的水分?jǐn)U散速率增大,單位時(shí)間內(nèi)去除的水分變多,皺縮率因此升高[37-38]。當(dāng)干燥空氣速度升高至一定值時(shí),皺縮率在拐點(diǎn)處達(dá)到最大值。在拐點(diǎn)之后的階段,皺縮率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),這可能是因?yàn)楦稍锟諝馑俣容^大,干燥速率較高時(shí)表面水分迅速蒸發(fā),從而表面形成硬殼,阻礙皺縮[31,33]。
3.3.3 干燥空氣的相對(duì)濕度 目前研究報(bào)道發(fā)現(xiàn),皺縮率隨干燥空氣相對(duì)濕度的增加而增大?;趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明,小麥和油菜的皺縮系數(shù)主要是相對(duì)濕度的函數(shù),皺縮率隨空氣相對(duì)濕度的增加而增加[39]。研究表明相對(duì)濕度越高,微觀結(jié)構(gòu)更多孔,山藥的皺縮率增加[40]。巨浩羽等[41]研究表明西洋參根干燥過程中皺縮率隨相對(duì)濕度的增加而增加。這可能是因?yàn)橄鄬?duì)濕度的增加可加快物料溫度的升高,從而加速物料內(nèi)部水分子的遷移運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生孔隙網(wǎng)絡(luò)堵塞甚至坍塌,出現(xiàn)更多的皺縮和變形[41]。另一方面,在極低的相對(duì)空氣濕度條件下,會(huì)出現(xiàn)“表面硬化”的現(xiàn)象,強(qiáng)烈阻礙了物料的皺縮。同時(shí),在極低的相對(duì)空氣濕度下,Biot數(shù)值(傳熱計(jì)算中使用的無量綱量)增加,限制物料的皺縮[42]。
玻璃化轉(zhuǎn)變理論可以用來解釋干燥過程中發(fā)生皺縮的過程,研究表明干燥過程中皺縮與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度存在聯(lián)系[43-45]。物料內(nèi)部的游離水從橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴AB(tài)的溫度(或以上)稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,其根據(jù)物料水分含量而變化,干燥進(jìn)行時(shí)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨水分含量的降低而升高[46]。新鮮植物組織含水量極高,所以干燥前的中藥材具有非常低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[42]。當(dāng)干燥開始,物料溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí),它會(huì)保持橡膠狀態(tài)。橡膠態(tài)的分子運(yùn)動(dòng)比玻璃態(tài)高得多,橡膠狀態(tài)下的皺縮率與水分損失成正比,皺縮率較高[13]。干燥進(jìn)行時(shí),干燥過程水分含量降低,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高,物料溫度低于或處于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí),物料進(jìn)行從橡膠態(tài)到玻璃態(tài)的相變,使物料具有高黏度,可防止或延緩皺縮[47]。
目前,皺縮率主要采用直接測(cè)量法、體積置換法和圖像處理技術(shù)進(jìn)行測(cè)定,干燥皺縮程度可以用皺縮率()來表征,即鮮品的體積(1)和干燥后體積(2)之差與1之比。
直接測(cè)量法即利用度量工具(直尺、游標(biāo)卡尺等)直接測(cè)量樣品在干燥后的尺寸(直徑和厚度等)變化。該方法操作簡便,但有很大的局限性和弊端:測(cè)量工作容易受到測(cè)量元件的精度和操作人員主觀因素的影響;干燥過程中的體積皺縮一般存在各向異性的特點(diǎn),干燥后的被測(cè)樣品形狀不規(guī)則,表面出現(xiàn)裂隙,根據(jù)局部尺寸計(jì)算所得的體積值往往不等于真實(shí)值且無法考慮裂隙對(duì)皺縮體積的影響[48]。
Head[49]提出的體積置換法,即將被測(cè)樣品浸沒在液體中,根據(jù)阿基米德浮力原理得到被測(cè)樣品的體積。此方法對(duì)被測(cè)樣品的形狀和大小沒有明確的限制,具有廣泛的適用性。Geiser[50]在對(duì)多種體積測(cè)量方法進(jìn)行對(duì)比研究后,認(rèn)為體積置換法能取得最佳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。體積置換法主要是將被測(cè)樣品放置于一個(gè)充滿液體的帶蓋密封的隔間,將其上下顛倒,通過浸入樣品和不浸入樣品來測(cè)量液體的置換體積,水、甲苯、正庚烷和汞可用作測(cè)試液[19,51]?;隗w積置換法和阿基米德原理,Levi等[52]提出玻璃珠置換法,是一種以固體為置換介質(zhì)的體積置換法,避免了被測(cè)樣品某些成分與有機(jī)溶劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等問題。但是,體積置換法進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)觀測(cè)環(huán)境中氣溫、濕度等外界條件、觀測(cè)者的感官鑒別能力和熟練技術(shù)程度的不同,測(cè)量結(jié)果往往容易受到主觀因素的影響,不夠準(zhǔn)確[52-53]。
與體積置換法相比,圖像處理技術(shù)目前已經(jīng)作為一種更快、更可靠和更通用的方法[54]。該法處理速度快、可靈活處理高難度圖象、獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,且為非侵入無損檢測(cè)技術(shù),對(duì)樣品不造成破壞,具有客觀性、準(zhǔn)確性和高效率性被廣泛應(yīng)用于測(cè)定物料的干燥皺縮率[55]。該法通過將采集的樣品圖像連入計(jì)算機(jī)系統(tǒng),通過特定的程序?qū)υ搱D像進(jìn)行分割、降噪,然后轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制圖像,從而評(píng)估和量化被測(cè)樣品的面積、周長、直徑和形狀,通過對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、加工、運(yùn)算等過程得到皺縮率[56]。近年來,采用圖像處理技術(shù)的計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展,它可以定量地表征物料的復(fù)雜尺寸和形狀且可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)干燥過程中的皺縮率變化[57]。Yan等[58]應(yīng)用圖像處理技術(shù)分別測(cè)定芒果、香蕉和菠蘿在干燥過程中的體積皺縮率,并在干燥過程中監(jiān)測(cè)物料的非各向同性皺縮。Nahimana等[59]基于離線計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)應(yīng)用圖像處理技術(shù)來研究胡蘿卜在干燥過程中的皺縮和尺寸變化。Madiouli等[60]演示了多重離線計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)來監(jiān)控香蕉干燥過程中的皺縮,研究表明可以有效地估計(jì)香蕉在干燥過程中的皺縮。原始圖像可通過X射線微斷層掃描、激光掃描、掃描電子顯微鏡、攝像機(jī)、帶立體顯微鏡的數(shù)碼攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)視覺和彩色攝像機(jī)等方式拍攝,與圖像處理技術(shù)相結(jié)合為物料干燥過程中的皺縮率實(shí)時(shí)在線測(cè)量提供了一種快速可靠的方法[8]。使用X射線微斷層掃描結(jié)合圖像處理技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),這種技術(shù)允許跟蹤產(chǎn)品表面的變化,包括裂紋,并且提供精確測(cè)量[61]。Gulati等[51]測(cè)量微波干燥過程中的皺縮時(shí)將數(shù)碼攝像機(jī)拍攝的樣品使用圖像分析處理軟件ImageJ對(duì)側(cè)面孔附近的情況進(jìn)行分析,測(cè)量過程涉及圖像分割,將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度,然后轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制圖像,以便軟件識(shí)別測(cè)量的表面積。May等[62]采用高速激光掃描跟蹤干燥過程中水果長度和直徑的變化,實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)皺縮率。圖像處理技術(shù)作為一種快速、準(zhǔn)確和非侵入性的在線質(zhì)量評(píng)估技術(shù),用于監(jiān)測(cè)表征物料在干燥過程中的皺縮和優(yōu)化操作條件,其客觀性和無損性方面得到認(rèn)可,此法在表征皺縮率中發(fā)揮越來越重要的作用[63]。
目前,部分新型干燥技術(shù)對(duì)果蔬類和少數(shù)中藥材的干燥有一定的抗皺縮作用。植物性藥材主要來源于根、莖、葉、皮、花、果實(shí)、種子、全草等,與果蔬來源一致,在組織結(jié)構(gòu)上具有相似性,適用于果蔬類的抗皺縮干燥技術(shù)可借鑒用于中藥材干燥。
預(yù)干燥處理是在干制前對(duì)其進(jìn)行一定的加工處理,如化學(xué)試劑浸泡、熱水燙漂、滲透脫水等。在干燥前,對(duì)物料進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理,起到抑制皺縮的效果,并保證干品質(zhì)量。
5.1.1 無機(jī)化合物浸泡 在物料干燥之前對(duì)其進(jìn)行不同無機(jī)化合物溶液、不同濃度浸泡的預(yù)處理,有助于維持細(xì)胞膜和細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)完整性,增加細(xì)胞壁剛性,在干燥過程中防止組織的坍塌和細(xì)胞的皺縮,達(dá)到抗皺縮的效果。Riva等[64]報(bào)道了蘋果在偏亞硫酸氫鉀溶液中分別浸泡了5、30 min后,都在干燥過程中維持了蘋果的硬度和形狀,并且直到干燥的最后階段才觀察到體積皺縮。Jayaraman等[3]采用不同濃度氯化鈉溶液對(duì)花椰菜進(jìn)行浸泡,與未處理組對(duì)比發(fā)現(xiàn)預(yù)處理能夠有效降低物料的皺縮。研究發(fā)現(xiàn),3%氯化鈉溶液是效果最好的預(yù)處理液,不影響風(fēng)味,得到皺縮率降低且有顯著改善的產(chǎn)品。Moledina等[65]研究表明氯化鈣溶液處理后的草莓能保持更好的硬度,皺縮率降低。無機(jī)化合物浸泡的預(yù)處理方式可以抵抗干燥過程中的皺縮并改善產(chǎn)品品質(zhì),但該方法易造成化學(xué)殘留,引發(fā)安全問題,與當(dāng)前的綠色環(huán)保消費(fèi)趨勢(shì)背道而馳。
5.1.2 糖類滲透脫水 滲透脫水是一種非熱過程,基于植物組織浸入高滲糖溶液后發(fā)生的滲透作用[66]。在干燥前用糖類預(yù)處理物料可以抵抗干燥過程中的皺縮,具體表現(xiàn)為糖類為多羥基化合物最大限度地減少細(xì)胞壁中多糖的氫鍵,從而有助于減少干燥時(shí)細(xì)胞的皺縮;糖類預(yù)處理賦予組織結(jié)構(gòu)剛性和機(jī)械強(qiáng)度,可以改善干燥時(shí)的皺縮;用糖類浸漬的表層可以防止正在干燥的組織過度皺縮[67]。Kowalski等[68]采用蔗糖、果糖、葡萄糖滲透預(yù)處理胡蘿卜,與未經(jīng)預(yù)處理的樣品相比,滲透預(yù)處理顯著減小皺縮,提高了干燥后品質(zhì)。畢金峰等[69]研究表明糖液浸漬處理使哈密瓜加速失水,但對(duì)其色澤和外形的保持有顯著作用,能夠有效抵抗皺縮,且發(fā)現(xiàn)在麥芽糖漿、果葡糖漿、麥芽糖醇中,選用麥芽糖漿作為預(yù)處理的浸漬溶液較好。用糖類進(jìn)行干燥前預(yù)處理的方式顯然減少干燥過程的皺縮,得到質(zhì)量顯著改善的產(chǎn)品,其抗皺縮程度取決于滲透活性物質(zhì)的種類和滲透過程的參數(shù),但該方法會(huì)改變干燥物料的質(zhì)地,也會(huì)影響干燥動(dòng)力學(xué),研究表明經(jīng)過滲透脫水的物料會(huì)比未經(jīng)處理的干燥速率慢[70]。
中藥材干燥加工技術(shù)種類繁多,目前真空冷凍干燥、真空脈沖干燥、變溫壓差膨化干燥以及脈動(dòng)壓差閃蒸干燥在中藥材干燥的應(yīng)用,可以抵抗皺縮,獲得外觀優(yōu)良的干燥產(chǎn)品。
5.2.1 真空冷凍干燥 真空冷凍干燥技術(shù)是通過將濕物料預(yù)先進(jìn)行降溫冷凍成固態(tài),然后置于低溫和真空的條件下使冰以升華的方式,從而去除物料內(nèi)部的水分,主要包括預(yù)凍和升華干燥2個(gè)階段[71]。在真空冷凍干燥的預(yù)凍階段中,將物料內(nèi)部的游離水固化,在這個(gè)階段中保護(hù)了被干燥物料的主要結(jié)構(gòu)和形狀,預(yù)先確定隨后干燥物料的性質(zhì)和形態(tài),減小物料在干燥過程中的皺縮[72]。在升華干燥階段,水分是從冰晶狀態(tài)下直接升華的方式排出,冰晶所占的空間仍然保留,在物料內(nèi)部中形成小的空隙,形成致密的多孔結(jié)構(gòu),因此所得產(chǎn)品的皺縮率最小[73]。整個(gè)真空冷凍干燥過程是處在低溫和真空的條件下持續(xù)進(jìn)行,物料內(nèi)部的水在除去時(shí)不會(huì)拖動(dòng)整個(gè)基質(zhì)向中心移去,組織依然具有較高的機(jī)械強(qiáng)度能維持較好的細(xì)胞內(nèi)秩序,抵抗皺縮,保留了大部分原始物料的特性,如體積、形狀、外觀和風(fēng)味等[74]。凍結(jié)速率對(duì)抵抗皺縮有很大影響,分為速凍和慢凍。凍結(jié)速率不僅影響冰晶的粒度,更重要的是影響冰晶的形成位置,直接影響冰升華后的孔徑從而影響皺縮[74]。一般來說,速凍會(huì)產(chǎn)生小冰晶,最后得到均勻的多孔結(jié)構(gòu)皺縮率更低和質(zhì)量更高的產(chǎn)品。相反,緩慢的冷卻速度會(huì)產(chǎn)生大冰晶導(dǎo)致細(xì)胞外位置的晶體生長。因此,預(yù)凍階段的凍結(jié)速率是真空冷凍干燥過程中減小皺縮的至關(guān)重要的一個(gè)參數(shù)。大量研究與生產(chǎn)實(shí)踐表明,真空冷凍干燥具有維持鮮品原狀、防止皺縮,獲得疏松多孔產(chǎn)品的作用。另外,整個(gè)過程完全處于低溫低氧狀態(tài),且相平衡溫度低,可最大程度保留原有天然物質(zhì)及營養(yǎng)成分,可較好的保留藥材色澤、氣味,通常復(fù)水性也比較好,適用于熱敏性,易氧化及含有較多揮發(fā)性成分的中藥材的干燥[75]。白亞鄉(xiāng)等[76]研究表明海參在經(jīng)過真空冷凍干燥處理后,凍干海參樣品外觀維持更好,皺縮率也最小,僅為4.1%,通過真空冷凍干燥得到了質(zhì)量最佳的產(chǎn)品。魏慶霞[77]研究表明真空冷凍干燥的黃芪片皺縮率最低為23%,而自然干燥中皺縮過度,皺縮率高達(dá)40%。Ratti[37]研究發(fā)現(xiàn),漿果在真空冷凍干燥過程中的皺縮率最小,為5%~15%,而熱風(fēng)干燥皺縮過度,皺縮率高達(dá)80%。目前,真空冷凍干燥還存在設(shè)備費(fèi)用高、運(yùn)營成本高、能耗高、干燥時(shí)間長、干制產(chǎn)品易吸濕等問題,還需要進(jìn)一步加深研究。
5.2.2 真空脈動(dòng)干燥 真空脈動(dòng)干燥技術(shù)是借助干燥室在真空和常壓的交替連續(xù)循環(huán)變化作用下,實(shí)現(xiàn)物料快速干燥,改善干燥后物料的外觀形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)的一種干燥技術(shù)[78]。特別是對(duì)于果實(shí)類中藥材,真空脈動(dòng)干燥技術(shù)有利于維持外觀形態(tài)、減少皺縮從而提升干燥后產(chǎn)品的質(zhì)量。在干燥室中,一個(gè)完整的真空脈動(dòng)過程如圖1所示,包括①、②、③、④過程,分別對(duì)應(yīng)真空產(chǎn)生階段、真空維持階段、進(jìn)氣階段、常壓保持階段。在真空維持階段,物料處于膨脹狀態(tài);在常壓保持階段時(shí)干燥室壓力增大,物料處于“癟平”的皺縮狀態(tài)[79]。壓力的循環(huán)變化使物料外觀形態(tài)發(fā)生明顯的皺縮或膨脹變化,從而引起微觀孔道的疏通和斷裂[80-81],緩解干燥過程產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而減小干燥過程中的皺縮并形成具有蜂窩多孔結(jié)構(gòu)的物料。除此之外,真空脈動(dòng)干燥技術(shù)還具有以下特點(diǎn):(1)低氧環(huán)境減少物料與氧氣的接觸,減少氧化反應(yīng),有效抑制干燥過程中的酶促褐變及美拉德反應(yīng)的產(chǎn)生,從而保護(hù)物料的營養(yǎng)成分與色澤;(2)干燥室在真空和常壓交替連續(xù)循環(huán)作用下,打破干燥物料和介質(zhì)之間的平衡狀態(tài),有助于水分重新分布及遷移,加速后續(xù)干燥速率;同時(shí)低壓環(huán)境中物料的水蒸氣分壓與外界環(huán)境的蒸汽分壓的壓差較大,有利于水分的擴(kuò)散,提高干燥速度,可以使干燥過程在溫度較低的情況下進(jìn)行,適用于熱敏物質(zhì)的干燥;(3)與恒真空干燥相比真空脈動(dòng)干燥的真空泵運(yùn)行時(shí)間較短,節(jié)約能源,提高經(jīng)濟(jì)效益[5,82-83]。這種干燥方法一般都用于熱敏性、蠟質(zhì)層覆蓋、易褐變、高糖分物料的干燥加工,如枸杞、肉蓯蓉等。張衛(wèi)鵬等[84]研究了自然晾曬、普通熱風(fēng)干燥、氣體射流沖擊干燥、真空脈動(dòng)干燥4種技術(shù)應(yīng)用于茯苓塊的干燥,結(jié)果發(fā)現(xiàn)真空脈動(dòng)干燥的茯苓丁皺縮均勻、結(jié)構(gòu)完整,研究表明真空脈動(dòng)干燥有利于茯苓丁外形的維持,抵抗干燥過程的皺縮。馬琴[85]在枸杞的干燥研究中發(fā)現(xiàn),與熱風(fēng)干燥相比,真空脈動(dòng)干燥的枸杞色澤和果皮皺縮程度均較優(yōu)。但現(xiàn)真空脈動(dòng)干燥過程中在常壓段有空氣進(jìn)入干燥箱,可引起物料的氧化。
5.2.3 變溫壓差膨化干燥 變溫壓差膨化干燥結(jié)合了熱風(fēng)干燥、微波真空干燥和真空冷凍干燥的優(yōu)點(diǎn),生產(chǎn)成本低,能耗小,通過變溫壓差膨化干燥得到的產(chǎn)品外觀形態(tài)良好,最大程度地保留營養(yǎng)成分以及物料本身的香氣[82]。變溫壓差膨化干燥是根據(jù)相變和氣體的熱壓效應(yīng)原理,將物料置于相對(duì)低溫高壓的膨化罐中,通過不斷地改變溫度、壓差,物料內(nèi)部水分瞬間汽化蒸發(fā),細(xì)胞劇烈膨脹,然后抽真空達(dá)到干燥的目的,得到細(xì)胞間隙大、均勻的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)、皺縮較小的干燥產(chǎn)品[5,83]。近年來,研究者們通過進(jìn)行變溫壓差膨化干燥減少皺縮,改善其外觀,得到形、色、香、味俱佳,營養(yǎng)物質(zhì)分布均勻,復(fù)水性好等特點(diǎn)的干燥產(chǎn)品[86]。該干燥技術(shù)設(shè)備相對(duì)簡單,操作簡易;采取循環(huán)利用冷卻水和間歇式蒸汽加熱等措施,極大降低了干燥過程中的耗能,符合節(jié)能環(huán)保要求;適應(yīng)性廣,大部分物料可用此進(jìn)行干燥加工,但有堅(jiān)硬外殼的中藥材如檳榔、胖大海、羅漢果等,纖維素過高的中藥材都不易用該干燥技術(shù)進(jìn)行加工處理[87]。方芳等[88]研究表明經(jīng)變溫壓差膨化干燥的哈密瓜外觀形態(tài)較為完整均勻,能夠有效避免干燥過程中產(chǎn)生的皺縮。黃宗海等[89]研究發(fā)現(xiàn),胡蘿卜經(jīng)過變溫膨化壓差干燥同樣有利于形狀的維持,抵抗干燥過程中的皺縮。但不同種類中藥材的膨化干燥工藝差異很大,如一部分物料可以在低溫下得到色澤好、質(zhì)量佳的膨化產(chǎn)品,而有些淀粉含量多的物料則需要較高的溫度,使淀粉糊化,與此同時(shí)高溫條件會(huì)破壞物料中的營養(yǎng)成分并導(dǎo)致酯類化合物的嚴(yán)重?fù)p失,影響干燥產(chǎn)品的質(zhì)量出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象,伴隨著苦澀的味道[90]。目前,我國變溫壓差膨化干燥技術(shù)的研究處于初步階段,工藝和機(jī)制都需通過大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步深入研究。
5.2.4 脈動(dòng)壓差閃蒸干燥 脈動(dòng)壓差閃蒸干燥是由變溫壓差膨化干燥改進(jìn)升級(jí)的一種新型、高效、環(huán)保干燥技術(shù),在變溫壓差膨化干燥的基礎(chǔ)上對(duì)操作溫度和環(huán)境壓力進(jìn)行進(jìn)一步的精密調(diào)控,以脈動(dòng)的形式實(shí)現(xiàn)從高壓到低壓的瞬間變化,使物料內(nèi)部水分升溫后迅速汽化閃蒸引起物料發(fā)生膨化現(xiàn)象,在膨脹作用力下物料形成多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu),經(jīng)過后續(xù)真空狀態(tài)下的低溫狀態(tài)進(jìn)行脫水達(dá)到干燥效果[91-92]。閃蒸是脈動(dòng)壓差閃蒸干燥過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié),閃蒸促進(jìn)水分散失的同時(shí),引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)膨脹,減少脆片干燥皺縮現(xiàn)象[92]。閃蒸過程中,置于密閉閃蒸罐的物料首先停留在高溫階段,高溫為物料內(nèi)部的水分散失提供動(dòng)力,加速水分蒸發(fā)到外部空間,形成表面硬化現(xiàn)象,形成堅(jiān)硬的外殼,被干燥物料表面硬度増加,阻礙了皺縮,有利于保持物料原有的體積形狀[92]。脈動(dòng)壓差閃蒸干燥還能夠縮短干燥時(shí)間,提高干燥效率,高效節(jié)能,在一定程度上避免了物料的皺縮,有效提高干制品品質(zhì),且經(jīng)閃蒸處理的物料形成多孔結(jié)構(gòu)改善了物料的物理性質(zhì),能有效提高有效成分如多酚、黃酮、游離氨基酸等的提取率[93-94]。畢金峰等[95]研究表明蘋果片經(jīng)過脈動(dòng)壓差閃蒸處理內(nèi)部結(jié)構(gòu)膨脹,減少蘋果脆片干燥皺縮程度。王雪媛[96]研究脈動(dòng)壓差閃蒸干燥后的蘋果片也得到了同樣的結(jié)果。同樣,閆旭等[97]研究表明經(jīng)脈動(dòng)壓差閃蒸干燥的番石榴也得到了皺縮率小、有效成分含量高的干燥產(chǎn)品。脈動(dòng)壓差閃蒸干燥可以廣泛應(yīng)用于大部分物料的干燥加工,但因過程中存在高溫停滯階段,含較多還原性糖類的物質(zhì)在高溫條件下與氨基酸發(fā)生美拉德反應(yīng),引起褐變,故熱敏物質(zhì)或含較多還原性糖類的物料應(yīng)避免使用該干燥技術(shù)。
抗皺縮干燥技術(shù)的根本作用在于通過抑制皺縮提高干燥效率、降低能耗、保證干品質(zhì)量,對(duì)于花、葉類以及切薄片等易干燥、皺縮不明顯的中藥材,可選用其他干燥技術(shù)。其他類型中藥材因藥用部位的不同,組織結(jié)構(gòu)上具有較大差異,同時(shí)不同中藥材含有有效成分的穩(wěn)定性也有所差異,在選擇抗皺縮干燥技術(shù)時(shí)需考慮其適應(yīng)性。對(duì)于果實(shí)類中藥材,由于其豐富的果汁中含有大量有效成分,若采用膨化干燥技術(shù),易引起果實(shí)表皮破裂,繼而果汁滲出導(dǎo)致有效成分損失;在采用真空脈動(dòng)干燥或脈動(dòng)壓差閃蒸干燥時(shí),需采用溫和的干燥工藝,防止壓力迅速變化導(dǎo)致果實(shí)表皮破裂。對(duì)于所含有效成分具有熱敏性的藥材,若采用膨化干燥須注意高溫對(duì)有效成分的破壞,高溫段宜適當(dāng)降低溫度和縮短高溫處理時(shí)間;對(duì)于所含有效成分易氧化的藥材,若采用真空脈動(dòng)干燥、脈動(dòng)壓差閃蒸干燥,須縮短常壓時(shí)間,減少干燥室內(nèi)的含氧量;對(duì)于含有揮發(fā)油等易揮發(fā)成分,若采用真空冷凍干燥或高真空度干燥將導(dǎo)致?lián)]發(fā)油成分大量損失,宜降低真空度。
皺縮是中藥材產(chǎn)地加工干燥過程中普遍發(fā)生的物理現(xiàn)象,不僅影響外觀,還影響干燥效率、品質(zhì)和療效,但往往被忽視。本文從皺縮機(jī)制、規(guī)律及影響因素3個(gè)方面詳細(xì)分析干燥過程中的皺縮現(xiàn)象,同時(shí)總結(jié)抗皺縮干燥技術(shù),以期改善中藥材干品的外在性狀和內(nèi)部品質(zhì)。但目前,關(guān)于干燥皺縮的研究甚少,未來不僅需加強(qiáng)對(duì)中藥材干燥皺縮基礎(chǔ)理論研究、充分探索其影響機(jī)制,還要積極研究抗皺縮干燥技術(shù),探尋新型高效抗皺縮干燥預(yù)處理方法,改進(jìn)干燥設(shè)備并優(yōu)化抗皺縮干燥工藝,以期減少中藥材干燥皺縮、提高干燥速率、減少有效成分損失、降低能耗。
利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突
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Shrinkage mechanism, influencing factors and control strategies in drying process of Chinese medicinal materials
XIE Hao1, QI Ya-ru2, WAN Na1,3, WU Zhen-feng1,4, WANG Xue-cheng1,4, LI Yuan-hui1,4, YANG Ming1,4
1.Key Laboratory of Modern Preparation of Traditional Chinese Medicine, Ministry of Education, Jiangxi University of Chinese Medicine, Nanchang 330004, China 2.Office of Academic Affairs, Jiangxi University of Chinese Medicine, Nanchang 330004, China 3.College of Pharmacy, Jiangxi University of Chinese Medicine, Nanchang 330004, China 4.State Key Laboratory of Innovation Drug and Efficient Energy-Saving Pharmaceutical Equipment, Jiangxi University of Chinese Medicine, Nanchang 330004, China
Drying is one of the indispensable processing steps for the processing of traditional Chinese medicine in the producing area after harvest.It is closely related to the formation of the quality of traditional Chinese medicine and an important link affecting the medicinal value and economic value of Chinese medicinal materials.Shrinkage is a common physical phenomenon in the drying process of Chinese medicinal maerials.It not only directly affects the appearance, texture and rehydration of Chinese medicinal maerials, but also leads to the decrease of water diffusion rate and the extension of drying time, resulting in the decrease of drying efficiency and the increase of energy consumption.Moreover, the long-term heating of Chinese medicinal maerials is not conducive to ensuring the quality and curative effect of dried products.Through literature research, the shrinkage mechanism in the drying process of Chinese medicinal maerials is discussed in this study, its influencing factors from the aspects of material characteristics, microstructure, mechanical properties and processing conditions are analyzed, and the drying technology to inhibit shrinkage is summarized, in order to ensure the quality of Chinese medicinal maerials and provide reference basis for the selection of drying technology of Chinese medicinal maerials.
Chinese medicinal maerials; drying; shrinkage; moisture; cell structure; temperature; drying air speed; relative humidity of drying air; control strategy
R283.3
A
0253 - 2670(2022)09 - 2872 - 10
10.7501/j.issn.0253-2670.2022.09.031
2021-11-16
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81903929);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81960718);國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目(202110412010);江西省5511重大專項(xiàng)(20182ABC28009);江西省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(20212BAB216010);江西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(202210412542);江西中醫(yī)藥大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(2021BSZR003)
謝 好(1998—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)橹兴幩巹W(xué)。E-mail: 1471639126@qq.com
通信作者:李遠(yuǎn)輝,博士,副教授,研究方向?yàn)橹兴幹扑幮录夹g(shù)與新工藝研究。E-mail: 20181016@jxutcm.edu.cn
楊 明,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)橹兴幹苿W(xué)研究。E-mail: yangming16@126.com
[責(zé)任編輯 崔艷麗]