張翀，吳明亮,2*，龔昕

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)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.湖南省蠶桑科學(xué)研究所，湖南 長沙 410127)

中國土地遼闊，蘊(yùn)藏著極為豐富的中藥材天然資源，在遠(yuǎn)古時(shí)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(chǔ)存、制劑過程等)，每個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)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(dá)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(dòng)帶走中藥材中的水分，從而達(dá)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(xué)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(shí)”。這里“終無藥實(shí)”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(fèi)。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(yīng)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(shí)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(dá)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(jìn)行及時(shí)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(yuǎn)山區(qū)，未經(jīng)干燥的中藥材長距離的運(yùn)輸不但要支付高昂的費(fèi)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(dá)的城市，選擇合適的產(chǎn)地烘干方式的經(jīng)濟(jì)性十分的明顯。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(chǔ)，干燥后全草類中藥材的重量也必然減少80%左右。目前，對(duì)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(yuǎn)紅外干燥、微波干燥、太陽能干燥，以及對(duì)珍貴全草類中藥材的組合式干燥。進(jìn)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(dòng)式的干燥設(shè)備方便烘干作業(yè)，另外干燥機(jī)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(diǎn)[3]。

1 全草類中藥材烘干技術(shù)及機(jī)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(jìn)行干燥，具有效益好、品質(zhì)高、對(duì)環(huán)境無污染等特點(diǎn)。利用太陽能干燥全草類中藥材主要從兩個(gè)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(jī)的開動(dòng)時(shí)間，降低能耗的費(fèi)用，夏天能夠?qū)⑻柲苈?lián)合除濕機(jī)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(jī)的能耗為其他傳統(tǒng)干燥方式的1/2～1/3,干燥成本相當(dāng)?shù)土?，符合全球?qū)α畠r(jià)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(biāo)志著太陽能干燥技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用階段[5]。

2) 氣流干燥技術(shù)及設(shè)備。利用氣流強(qiáng)制中藥材擴(kuò)散并懸浮在熱氣流中，強(qiáng)制性的增強(qiáng)氣體與固體之間的流動(dòng)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(yùn)動(dòng)形式分為旋轉(zhuǎn)氣流式干燥、對(duì)撞式氣流干燥、直管氣流干燥、脈沖氣流干燥等。其中對(duì)撞式氣流干燥為國內(nèi)外具有廣闊應(yīng)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(dòng)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(xué)家Elperin、以色列科學(xué)家Tamir和加拿大科學(xué)家Mujumdar 等已經(jīng)開展了大量的研究，試驗(yàn)證明對(duì)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(yuǎn)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(yuǎn)紅外干燥的原理是將電能轉(zhuǎn)化為遠(yuǎn)紅外輻射能，從而被藥材的分子吸收產(chǎn)生共振，導(dǎo)致藥材本身內(nèi)部發(fā)熱、水分蒸發(fā)、擴(kuò)散達(dá)到干燥的目的。遠(yuǎn)紅外干燥的特點(diǎn)是：①當(dāng)其發(fā)射時(shí)，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(shí)具有殺菌作用；④紅外線有很強(qiáng)的穿透力，干燥均勻。由于傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥西洋參，其表面干燥速度大于內(nèi)部，導(dǎo)致表面容易形成致密層，阻礙進(jìn)一步干燥[7]。近年來，運(yùn)用遠(yuǎn)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(qiáng)、與物質(zhì)相互作用可產(chǎn)生特定效應(yīng)等特點(diǎn)。微波干燥不同于傳統(tǒng)干燥方式，其熱傳導(dǎo)方向與水分?jǐn)U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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和有效成分破壞少、質(zhì)量優(yōu)等特點(diǎn)，因而在干燥的各個(gè)領(lǐng)域越來越受到重視[8]。早在20 世紀(jì)60年代國外就對(duì)微波干燥技術(shù)的應(yīng)用和理論進(jìn)行了大量研究，在近幾十年又得到了進(jìn)一步的發(fā)展。國際知名微波熱處理研究與開發(fā)機(jī)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(diǎn)。MDS系列微波干燥為SYNOTHERM 最新推出之獨(dú)特的高效干燥裝備，可實(shí)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(jìn)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(diǎn)以下(0.01℃，610.5 Pa)[10]。真空冷凍干燥具有以下優(yōu)點(diǎn)：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(yuǎn)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(huì)出現(xiàn)表面的硬化現(xiàn)象；④不會(huì)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(yùn)輸；主要缺點(diǎn)：①設(shè)備較為復(fù)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(xué)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(jī)、太陽能集熱器、干燥室和微機(jī)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(dú)運(yùn)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(huì)聯(lián)合干燥裝置中最重要的輔助供熱設(shè)備，在整個(gè)干燥過程中取得較好的干燥質(zhì)量[11]。天津大學(xué)熱能研究所馬一太、張嘉輝等用當(dāng)量溫度法對(duì)熱泵干燥的最佳工況進(jìn)行了詳細(xì)的分析計(jì)算，并提出熱泵干燥裝置最佳蒸發(fā)溫度的概念，對(duì)熱泵干燥裝置的節(jié)能運(yùn)行具有指導(dǎo)意義，比較了不同制冷工藝的干燥效果，研究了回?zé)嵫h(huán)的節(jié)能原理。浙江大學(xué)制冷機(jī)低溫工程研究所王劍鋒、歐陽應(yīng)秀等進(jìn)行了相變材料應(yīng)用于熱泵干燥的實(shí)驗(yàn)研究，指出相變材料應(yīng)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(diǎn)是環(huán)保節(jié)能、提高中藥材干燥后的質(zhì)量品級(jí)、設(shè)備投資少。太陽能干燥的主要缺點(diǎn)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(jìn)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(fēng)干燥、微波干燥、遠(yuǎn)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(yuǎn)紅外線干燥黃芩時(shí)，其有效成分黃芩苷的含量最高，達(dá)到了14.43%。程立方等用熱風(fēng)、微波、遠(yuǎn)紅外干燥陳皮，結(jié)果發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外干燥法有利于陳皮揮發(fā)油的保存。此外利用遠(yuǎn)紅外干燥鹿茸，對(duì)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(cuò)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(duì)于中藥材淮山藥的微波干燥規(guī)律進(jìn)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(xué)模型。試驗(yàn)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(diǎn)，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(fēng)干燥相比，具有干燥速度快，干燥質(zhì)量好等特點(diǎn)。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(duì)撞氣流等型式。目前，國內(nèi)的旋轉(zhuǎn)氣流干燥的應(yīng)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(duì)運(yùn)動(dòng)，避免了由于片狀物料重疊之后所導(dǎo)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(shí)間短，反之則干燥時(shí)間較長，這樣被干燥的中藥材將自動(dòng)分層，分級(jí)優(yōu)化干燥空間。干燥到安全含水率的中藥材進(jìn)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(yīng)用。微波真空干燥技術(shù)作為一項(xiàng)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(diǎn)，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(dǎo)難、干燥周期長、效率低的缺點(diǎn)，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(jìn)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(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)化的環(huán)保生產(chǎn)。目前，國內(nèi)一些機(jī)構(gòu)和學(xué)者已將該技術(shù)應(yīng)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(xué)、真空學(xué)、機(jī)械學(xué)、熱力學(xué)、程控學(xué)等多種學(xué)科為一體的高新技術(shù)，是在干燥過程中對(duì)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(xiàng)新技術(shù)、新工藝[16]。

2 我國中藥材干燥機(jī)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(duì)中藥材藥用成分、外觀的保護(hù)。同時(shí)，企業(yè)在降低成本的壓力下，必然需要實(shí)現(xiàn)中藥材干燥技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展，才能增強(qiáng)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(gè)復(fù)雜的化學(xué)、物理反應(yīng)過程，必須通過大量的實(shí)驗(yàn)，在基礎(chǔ)理論研究的基礎(chǔ)上，建立干燥模型，同時(shí)加快推進(jìn)干燥設(shè)備的參數(shù)化設(shè)計(jì)、智能化設(shè)計(jì)，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(jī)操作界面及遠(yuǎn)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(shí)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(shí)分析與顯示、程序控制調(diào)節(jié)、自動(dòng)報(bào)警等。很多中藥材都是生長在山區(qū)，給烘干設(shè)備運(yùn)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(jì)，安裝拆卸方便，維修簡單，可移動(dòng)式的方向發(fā)展。模塊化設(shè)計(jì)使得烘干設(shè)備具有對(duì)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(shí)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(diǎn)[7]。

干燥新能源(包括太陽能、風(fēng)能、地?zé)?、生物質(zhì)能等)的應(yīng)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(xué)者對(duì)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]。

[1]張家春，林紹霞，羅文敏，等．中藥材干燥技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．貴州科學(xué)，2013，31(2)：89–93．

[2]李鵬，寧熙平，等．紫錐菊藥用部位的結(jié)構(gòu)及其與多酚類化合物積累的關(guān)系[J]．中草藥，2007，38(4)：606–610．

[3]趙潤懷，曾燕，肖蘇萍，等．中藥材產(chǎn)地加工現(xiàn)代干燥技術(shù)的應(yīng)用及中藥材產(chǎn)地加工方法的科學(xué)評(píng)價(jià)和選擇[C]//海峽兩岸暨CSNR 全國第10 屆中藥及天然藥物資源學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，北京，2012．

[4]康三江，張永茂，張海燕，等．果蔬脫水太陽能干燥技術(shù)的現(xiàn)狀及展望[J]．農(nóng)產(chǎn)品加工，2013(6)：8–9．

[5]張謙，過利敏．太陽能干燥技術(shù)在我國果蔬干制中的應(yīng)用[J]．新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，48(12)：2331–2336．

[6]胡學(xué)功，劉登灜，張長梅，等．垂直對(duì)撞流干燥特性的研究[J]．南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，21(2)：197–201．

[7]李建軍．遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)及應(yīng)用前景研究[J]．赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，29(3)：58–59．

[8]趙延齡．新型干燥技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展[J]．科技資訊，2013(4)：119–120．

[9]楊明，伍振峰，王雅琪，等．中藥制藥裝備技術(shù)升級(jí)的政策、現(xiàn)狀與途徑分析[J]．中草藥，2013，44(3)：247–252．

[10]石云波．真空冷凍干燥技術(shù)及其在海產(chǎn)品加工中的應(yīng)用[J]．制冷與空調(diào)，2012，12(2)：47–51．

[11]張緒坤，胡文偉，張進(jìn)疆，等．國內(nèi)外熱泵干燥的現(xiàn)狀與展望[J]．江西科學(xué)，2009，27(4)：630–632．

[12]張薇，王澤槐，等．淮山藥微波干燥過程溫度水分的特征變化研究[J]．中藥材，2005，28(9)：759–763．

[13]張薇，鄒兆重，劉慧珍，等．微波干燥丹參藥材及其質(zhì)量評(píng)價(jià)研究[J]．中藥研究與開發(fā)，2010，17(12)：36–38．

[14]謝艷群，蔣頻，廖敦軍，等．CD–100 滾筒式烘干機(jī)油菜籽干燥實(shí)驗(yàn)[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，38(3)：344–346．

[15]羅哲明，范桂娣，等．MST 旋風(fēng)干燥器[J]．上?；ぃ?006，20(23)：24–26．

[16]肖宏儒，王立富，曹署明，等．微波–氣流式干燥菊花的研究[J]．食品與機(jī)械，2000，31(3)：120–121．