党参药材不同干燥方法水分动态过程模拟与分析

朱邵晴,郭 盛,沙秀秀,段袖珠,鲁学军,钱大玮,段金廒

(南京中医药大学 江苏省中药资源产业化过程协同创新中心/中药资源产业化与方剂创新药物国家地方联合工程研究中心,江苏南京 210023)

党参药材不同干燥方法水分动态过程模拟与分析

朱邵晴,郭 盛*,沙秀秀,段袖珠,鲁学军,钱大玮,段金廒*

(南京中医药大学 江苏省中药资源产业化过程协同创新中心/中药资源产业化与方剂创新药物国家地方联合工程研究中心,江苏南京 210023)

为实现对党参药材干燥过程的有效预测,优选党参药材干燥方法,本文采用Weibull分布函数对其干燥动力学曲线进行模拟与分析,并探索不同干燥方法与温度对其干燥过程的影响。结果表明,Weibull分布函数可较好地模拟党参药材的干燥过程,党参药材干燥过程脱水速率呈现先升高后降低趋势;尺度参数α随干燥温度升高而减小;形状参数β受干燥温度影响较小;党参药材热风干燥法、红外干燥法所得活化能分别为40.40、70.21 kJ/mol。从水分脱除效率角度考察,当干燥温度低于51.51 ℃时,党参药材采用热风干燥法干燥完成63%耗时大于385.6 min,但干燥速率较红外干燥法提高20%以上,故宜采用热风干燥法;当干燥温度高于63.88 ℃时,热风干燥法干燥完成63%耗时小于222.6 min,但干燥速率较红外干燥法降低20%以上,故宜采用红外干燥法;当干燥温度介于两者之间,则两种干燥方法皆可。本研究从水分脱除效率角度为党参药材现代干燥加工工艺的建立与优化提供了数据支撑。

党参,干燥方法,Weibull分布函数,水分

党参为桔梗科植物党参Codonopisispilosula(Franch.)Nannf.、素花党参CodonopsispilosulaNannf.var.modesta(Nannf.)L. T. Shen及川党参CodonopsistangshenOliv. 的干燥根,味甘,性平,具有健脾益肺,养血生津之功效[1]。党参为药食同源品,列于SFDA《可用于保健食品的物品名单》中,具有较高的医疗、保健及营养价值。

党参传统产地加工过程主要包括揉搓、晾晒、二次揉搓、晾晒、三次揉搓、晒干成型、分级等环节,操作环节多,耗时长,易受气象条件影响,常见药材干燥不足而致虫蛀、霉变现象。近年来,现代干燥设备与技术逐渐运用于中药材产地加工生产,具有较传统干燥方法更高效、集约的优势[2],所得产品质量均一性较好[3-6],代表性干燥方法如微波、红外、热风以及冷冻干燥法。微波干燥穿透力强、脱水迅速,红外干燥属辐射加热,穿透力强,热风干燥以对流方式加热,干燥效率较高,成本较低,冷冻干燥对有效成分破坏少,产品储存期长、复水性好,但存在设备成本高、能耗大、干燥效率低等缺点[2,6-8]。此外,物料干燥过程牵涉传热传质、产品质量、能量消耗等重要指标,对其干燥过程的模拟预测具有重要意义。文献研究表明[9-15],Weibull分布函数具有适用性广、覆盖面宽的优点,对其拟合参数的分析有助于掌握药材水分扩散机制、物性参数、能量消耗等信息,有利于药材产地现代干燥加工方法的合理选择和应用。

鉴于此,本研究开展党参药材现代干燥加工方法研究,对其干燥过程水分动态变化过程进行数学拟合,以期从水分脱除过程角度,为党参药材现代产地干燥加工方法的建立提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

党参新鲜药材 采挖于甘肃岷县顺兴和药业有限公司党参种植基地,采后携湿润鲜土储藏于低温冷柜(4 ℃,70% RH)。药材经南京中医药大学段金廒教授鉴定为桔梗科植物素花党参Codonopsispilosulavar.modesta(Nannf.)L. T. Shen的根,凭证标本存放于南京中医药大学标本馆。新鲜党参初始湿基含水率为70%,党参药材平均半径为0.5×10-2m。

电热鼓风干燥机 上海一恒科学仪器有限公司;中短波红外烘干机 江苏泰州圣泰科红外科技有限公司;艾德姆水分测定仪 南京温诺仪器设备有限公司;游标卡尺 型号XL. 0-200。

1.2 实验方法

1.2.1 药材干燥方法 取党参新鲜药材20 kg,清洗摊晾,待表面水分挥干,混合均匀,平均分成6份,称重。开启电热鼓风干燥机、中短波红外烘干机,分别调节温度50、60、70 ℃,待稳定后放入物料,记录时间。干燥过程中每隔45～60 min取出称重并翻动1次,记录时间、质量,干燥至湿基含水率10%时,终止干燥。具体实验参数见表1。

表1 党参干燥实验条件及参数设置Table 1 Drying conditions and parameters for Codonopsis Radix

1.2.2 干燥参数的计算方法 党参干燥过程中的干燥曲线采用水分比(MR,moisture ratio)随干燥时间变化的曲线。MR用于表示一定干燥条件下不同干燥时刻的物料含水率,可用于反映物料干燥速率的快慢。不同干燥时刻党参的水分比MR按式(1)[11-12]计算。

式(1)

式中,M0为初始干基含水率,g/g;Me为干燥到平衡时的干基含水率,g/g;Mt为在任意干燥t时刻的干基含水率,g/g。由于Me相对于Mt和M0很小,通常在工程应用中常忽略不计,因此,物料水分比MR的计算采用简化式(2)[11-12]计算。

式(2)

干基含水率(Mt)按照式(3)[11-12]计算。

式(3)

式中,Wt为在任意干燥t时刻的总质量,g;G为干物质质量,g。

干燥速率(DR,drying rate)按照式(4)[11-12]计算。

式(4)

式中,Mt1为t1时刻的干基含水率,g/g;Mt2为t2时刻的干基含水率,g/g。

1.2.3 数据处理与模型分析 Weibull方程由式(5)[11-12]表示。

式(5)

式中,党参在t时刻的水分比由尺度参数α和形状参数β来进行确定,α表示过程中的速率常数,min。形状参数β与物料在传质过程中开始阶段的速率有关,其值越小表示开始的干燥速率越大。

采用 SPSS 16.0数据分析软件进行数据处理,用非线性回归分析将数学模型方程与试实验数据进行拟合,数学模型的拟合优劣由决定系数R2、均方根误差RMSE和离差平方和χ2来进行评价,R2越大、RMSE和χ2值越小,则拟合越好[11-12],计算式如(6)、(7)、(8)。

式(6)

式(7)

式(8)

式中,MRexp,i为干燥实验实测水分比;MRpre,i为利用模型预测水分比;N为实验测得数据的组数;n为常数的个数。

党参干燥前期速率先升高后降低,即存在一个延滞阶段,因此在计算水分有效扩散系数(Deff,moisture diffusion coefficient)时,Fick第二定律不适用,但可用估算水分扩散系数(Dcal,calculated moisture diffusion coefficient)代替,Dcal计算式[12]如下。

式(9)

式中,Dcal表示估算水分有效扩散系数,m2/s;r表示党参体积等效半径,本实验中党参r为0.5×10-2m;α表示尺度参数,s。

估算的水分扩散系数Dcal与水分有效扩散系数Deff的关系[12]如式(10)。

式(10)

式中,Rg是一个与几何尺寸有关的常数。

干燥过程中的活化能可用阿伦尼乌斯公式(Arrhenius equation)表达[11-12],干燥活化能按式(11)计算。

式(11)

式中,LnRg为常数,D0为有效扩散系数的频率因子,为定值,m2/s;Ea为物料的干燥活化能,J/mol;R为摩尔气体常数,其值为8.314 J/(mol·K);T为物料的干燥温度,℃。

2 结果与分析

2.1 干燥温度对党参药材干燥速率的影响

党参药材采用热风干燥法与红外干燥法在不同干燥温度下所得干燥水分比-时间曲线呈现出相似的变化规律,干燥至目标含水量所需时间随干燥温度的升高而减少,见图1A。其可能原因为升高干燥温度,热空气或热辐射传递的热密度及传热速率随之升高,有利于促进物料的水分扩散与蒸发,从而提高干燥速率、缩短干燥时间,与文献[16]报道结果一致。党参药材整个干燥过程中干燥速率随时间变化呈现先升高后降低趋势,升速阶段为干燥起始1～2 h内,而后随着干燥时间延长,干燥速率降低,见图1B。其可能原因为干燥初始阶段,物料处于预热状态,物料内温较低,因而扩散速率较慢,随着物料内部温度持续升高,干燥速率不断提高,而后随着水分的脱除,物料内部扩散阻力增加,导致干燥速率逐渐降低,与文献[16-17]报道结果一致。

2.2 干燥方法对党参药材干燥速率的影响

50 ℃干燥温度条件下,党参药材干燥速率热风干燥法>红外干燥法;随着干燥温度升高,干燥速率渐次升高,但红外干燥法速率增加幅度高于热风干燥法,其在60 ℃条件下与热风干燥法速率接近,至70 ℃时干燥速率显著大于热风干燥法(图1B)。该现象可能与干燥方法的传热传质原理及湿物料表面空气流速有关。热风干燥属于热空气传导加热,传热传质方向相反,因而阻碍脱水,但热风循环过程中经过湿物料表面上方的空气流速较大,水分子逃逸较快,蒸发作用较红外干燥法强,从而促进脱水;红外干燥法属于辐射加热,穿透力强,传热传质方向大致相同,传质阻力小于热风干燥。低温50 ℃干燥条件下,热风干燥传质阻力较弱,表面空气流速较大,蒸发较快,故热风干燥法干燥速率较红外干燥法大;高温70 ℃条件下,热风干燥法传热传质方向相反,传质阻力增加显著,且物料表面易形成硬结,热风循环引起的蒸发效应减弱,故热风干燥法干燥速率小于红外干燥法。因此,表现为升高相同温度,红外干燥法速率增加幅度显著大于热风干燥法。

此外,党参药材整个干燥过程中干燥速率呈现先升高后降低变化趋势,但相同温度下红外干燥法升速阶段耗时远小于热风干燥法,以至药材称重间隔30 min难以观测到红外干燥70 ℃条件下其升速阶段,直接进入降速干燥过程(图1)。其原因与红外干燥法的辐射加热原理有关,辐射加热穿透力强,物料内温升高快,传质阻力较小,较早达到与环境的平衡状态,因而升速阶段缩短。

图1 不同干燥方法、干燥温度下党参干燥曲线Fig.1 The drying curves of Codonopsis Radix under different drying conditions注：A.干燥水分比曲线;B.干燥速率曲线；1.热风干燥50 ℃,2.热风干燥60 ℃,3.热风干燥70 ℃, 4.红外干燥50 ℃,5.红外干燥60 ℃,6.红外干燥70 ℃。

2.3 采用Weibull分布函数模拟干燥曲线

采用Weibull分布函数模拟不同干燥方法及温度处理的党参药材干燥曲线,结果显示,决定系数R2的区间在0.993～1.000,均方根误差RMSE在2.93×10-3～5.66×10-2,离差平方和χ2在8.575×10-6～9.244×10-4,见表2。由此可见,Weibull分布函数可较好地模拟党参经不同干燥方法及温度处理的干燥曲线,为进一步利用Weibull分布函数对干燥过程进行分析提供了依据。

2.3.1 参数α的物理意义及影响因素 对干燥过程而言,Weibull分布函数中的参数α表示干燥过程中的速率常数。当t=α时,无论形状参数β为何值,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为37%,此时尺度参数α值的意义为药材干燥过程完成63%所需要的时间,以min表示。同一干燥方法下,随着干燥温度从50 ℃升高至70 ℃,热风干燥法尺度参数α由413.57 min 减小到172.15 min,红外干燥法α由544.31 min 减小到118.69 min(表2)。由此可见,尺度参数α受温度影响,温度升高,α减小,说明升高温度可以显著缩短干燥时间、提高干燥效率。同一干燥温度下,不同干燥方法所对应的α也不同,低温50 ℃条件下,党参药材热风干燥α小于红外干燥,随着温度升高至60 ℃,两者α趋近,再升高温度至70 ℃,热风干燥α大于红外干燥。说明党参药材不同干燥方法下升高相同温度对其干燥速率的提升效果不一致,干燥过程完成63%,从50 ℃升高至70 ℃热风干燥耗时缩短了241.42 min,而红外干燥耗时缩短425.62 min。该现象同“2.2”项下升高相同温度,红外干燥速率提升较快的规律相一致,原因为尺度参数α的大小间接反映了干燥速率,其内在原因仍然与干燥方法的传热传质原理及湿物料表面空气流速有关。

综上所述,对于相同干燥物料而言,干燥速率常数α随干燥温度的升高而减小,但不同干燥方法,其α值减小的速率具有较大差异。

表2 Weibull方程模拟党参干燥过程模型参数值及R2、RMSE和χ2值Table 2 Parameter values of Codonopsis Radix obtained from Weibull distribution function

表3 党参干燥过程水分有效扩散系数Table 3 Moisture effective diffusion coefficients of Codonopsis Radix during drying

2.3.2 参数β的物理意义及影响因素 研究表明[11-12],形状参数β与干燥过程中水分迁移机制相关,形状参数β在0.3～1时,表示物料干燥过程中由内部水分扩散控制,即表现降速干燥的特点;形状参数大于1时,干燥曲线呈现“Z”形态,表示物料在干燥前期存在延滞阶段,即在干燥前期出现干燥速率先升高后降低的形态。因此,在描述物料的干燥状态时,可根据Weibull中形状参数β的值与1的大小关系来对物料的干燥过程进行判断。

本研究结果显示(表2),热风干燥法与红外干燥法在不同干燥温度条件下,其形状参数β的范围分别为1.241～1.278、1.006～1.085,说明影响形状参数的主要因素为干燥方式,而温度对其影响相对较小,该结果与文献报道[13]芒果热风干燥不同条件下β差异不大相一致。不论以何种干燥方法进行加工,其形状参数β均大于1,表示物料在干燥前期有一滞后阶段,干燥过程不是完全由内部水分扩散控制,这与图1B所示相符。相同干燥温度下,热风干燥法初始干燥速率显著小于红外干燥法(图1B),其对应的形状参数β前者显著大于后者(表2),证明形状参数β与物料传质过程中起始干燥速率有关,起始干燥速率越大,形状参数β越小。而干燥速率与传热传质效率有关,故推断干燥传热方式与被干物料的性质是形状参数β大小的决定因素。

综上所述,对于相同干燥物料而言,形状参数β是与干燥方式有关的参数,并且干燥温度对其的影响较小。

2.3.3 党参药材干燥过程水分有效扩散系数 水分有效扩散系数(Deff)是表征干燥过程中水分迁移速度快慢的参数,由于党参干燥过程形状参数β>1,在计算水分有效扩散系数时,Fick第二定律不适用,但可用估算水分扩散系数Dcal代替,按公式(9)计算。结果显示(表3),热风干燥和红外干燥在50、60、70 ℃条件下,党参药材估算水分扩散系数分别为1.008×10-9、1.582×10-9、2.420×10-9m2/s与0.766×10-9、1.677×10-9、3.511×10-9m2/s,表明相同干燥方法条件下,党参药材估算水分扩散系数随着干燥温度的升高而增大;相同干燥温度条件下,党参药材估算水分有效扩散系数变化规律同前述参数α变化规律相似,50 ℃条件下Dcal热风干燥大于红外干燥,随着温度升高,红外干燥速率的提高显著大于热风干燥,60 ℃条件下Dcal红外干燥略大于热风干燥,70 ℃条件下Dcal红外干燥远大于热风干燥。其原因与“2.2”项下干燥方法的传热传质原理及湿物料表面空气流速有关。

综上所述,对于相同干燥物料而言,估算水分扩散系数Dcal随干燥温度的升高而增大,但不同干燥方法,其Dcal值增大的速率具有较大差异。

2.4 党参干燥过程的干燥活化能

干燥活化能是表示物料在干燥过程中脱除单位水分所需要的启动能量,通过干燥活化能可看出物料的干燥难易程度并估算出干燥能耗[12,14],干燥活化能越大表明其越难干燥,能耗越大。公式(11)显示,估算水分有效扩散系数的自然对数LnDcal与1/(T+273. 15)呈线性关系,其斜率为(-Ea/R),见图2。

图2 估算水分有效扩散系数与干燥温度的关系曲线Fig.2 The relation curve between Dcal and drying temperture

由图2中的直线回归方程可计算出党参经热风干燥法与红外干燥法的干燥活化能分别为40.40、70.21 kJ/mol,表明脱除等量水分,热风干燥法较红外干燥法所需吸收的能量较低。研究表明[12,14-15,18],干燥活化能与物料的品种、内部成分、组织状态有关,干燥方法和工艺可能对不同物料的组织状态、结构等产生不同程度的影响,从而改变干燥进程、影响能耗。党参药材热风干燥法活化能远小于红外干燥法,该现象可能与该药材的特殊性质有关,党参药材含有丰富的糖类等红外敏感物质,热量吸收快,干燥前期脱水快,干燥后期药材皱缩后,其内部糖类、淀粉样物质糊化粘连,水分不易脱除,故干燥进程延长,能耗增加。此外,两直线交点处的意义为在该温度条件下,党参药材热风干燥法、红外干燥法完成63%干燥过程所需时间、参数α、Dcal完全相同,此温度计算值为58.21 ℃,表明在该温度以下,热风干燥法不仅干燥速率大,且脱除等量水分所需吸收能量比红外干燥法小;该温度以上,脱除等量水分热风干燥法吸收能量小,但干燥速率小于红外干燥法。

2.5 适宜干燥方法的选择

从提高水分脱除效率的目的出发,本研究拟通过考察不同干燥温度下党参药材的干燥曲线,来反映实际生产中应采用何种现代干燥加工技术更具有生产优势,因此期望建立不同干燥方法下干燥时间与干燥温度之间的关系。以相同干燥温度下完成干燥过程63%所需干燥时间为指标,以干燥时间差±20%作为优势或劣势。

以式(9)代入上述估算水分有效扩散系数与干燥温度的关系曲线可得热风干燥法、红外干燥法尺度参数α(即干燥时间)与干燥温度之间的关系,即Ln(R2/α1)=-4859.4×1/(T1+273.15)-5.6782,Ln(R2/α2)=-8444.1×1/(T2+273.15)+5.1401。由此可见,尺度参数α与干燥温度的倒数呈对数线性关系。令T1=T2=T,α1=0.8α2=α,则T=51.51 ℃,α=385.6 min;令T1=T2=T,α1=1.2α2=α,则T=63.88 ℃,α=222.6 min。即当干燥温度低于51.51 ℃时,党参药材采用热风干燥法干燥完成63%耗时大于385.6 min,但干燥速率较红外干燥法提高20%以上,故选择热风干燥法加工较为适宜;当干燥温度高于63.88 ℃时,热风干燥法干燥完成63%耗时小于222.6 min,但干燥速率较红外干燥法降低20%以上,故选择红外干燥方法加工较为适宜;当干燥温度介于两者之间,则热风干燥法、红外干燥法皆可。

3 结论与讨论

本研究前期实验考察了热风、红外、微波干燥法对党参药材干燥效果的影响,结果显示微波干燥法干燥效率最高,但因微波干燥法功率大,干燥不均匀,药材易出现焦灼现象[11]。而热风、红外干燥法所得产品外观性状、质地等较均一,故本文仅对党参药材热风干燥和红外干燥过程进行了函数模拟与分析。文献研究表明[19-21],降低湿度可显著缩短物料干燥时间,但也有研究发现[10,22],改变湿度对于干燥速率影响不大。因此,本研究前期实验考察了50 ℃干燥温度下不同相对湿度10%、25%、35%对党参热风干燥速率的影响,结果显示,随着干燥湿度的增加,其干燥速率降低不显著。出于节能、简化操作的考虑,本研究采用热风干燥方法时,对干燥室内湿度未作控制。

本研究采用Weibull分布函数对党参药材干燥动力学曲线进行模拟与分析,考察了不同干燥方法与温度对党参药材干燥过程的影响,并通过阿伦尼乌斯公式建立了尺度参数α与干燥温度T的函数关系,据此提出以完成干燥过程63%所需干燥时间缩短20%作为衡量干燥方法适宜性的评判标准,为党参药材干燥过程的预测和调控提供了较为可靠的实验依据。然而,中药材干燥过程不仅促使药用部位所含水分降低以利于运输、储藏,更为重要的是干燥过程是中药材及中药饮片药性形成的重要环节[2],因此必须在水分动态研究的基础上进一步开展党参药材干燥过程中各类资源性成分转化与积累研究。

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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,硕士研究生,研究方向:中药资源化学,E-mail:zhushaoqing1505@163.com。

*通讯作者:郭盛(1977-),男,博士,副研究员,研究方向:中药资源化学,E-mail:guosheng@njucm.edu.cn。 段金廒(1956-),男,博士,教授,研究方向:中药资源化学与资源循环利用,E-mail:dja@njucm.edu.cn。

公益性行业科研专项(201407005);江苏高校优势学科建设工程资助项目(ysxk-2014)。

TS201.1

B

1002-0306(2017)07-0245-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.07.040