根莖類中藥材干燥技術與裝備研究進展

朱文學 趙雅婷 吳建章 陳鵬梟* 蔣萌蒙 陳 楠 包 含 王瑋娜

(1.河南工業大學 糧食與物資儲備學院,鄭州 450001;2.河南天赫偉業能源科技有限公司,鄭州 450001)

近年來,我國不斷推進農業供給側結構性改革，大力發展中醫藥,中藥材作為中醫藥行業發展的基礎,種植面積在全國范圍內大幅增長[1-2]。2020年,全國有6個省份中藥材種植面積超3 000 km2[3]。我國擁有中藥材資源約1.3萬種, 其藥用植物類約占87%, 不同種類中藥材的蘊藏量和產量差異顯著, 其中根莖類中藥材有200～250種[3-5]。

干燥是中藥材產地加工中一道重要工序，與中藥材品質及后續的加工儲藏密切相關。新鮮根莖類中藥材初始含水率較高，干燥過程中水分去除不當易導致中藥材腐敗變質變色、生蟲蟻；溫度過高會引起中藥材內部水分梯度失衡并發生褐變反應，導致有效成分損失，影響中藥材整體質量水平及臨床使用效果[6-8]。周銅水[9]發現丹參中成分受干燥條件影響顯著，主要活性成分丹酚酸B屬于干后脅迫誘導產物，并非栽培期的原始積累成分；因此干燥對于新鮮采收的植物類中藥材尤其是根莖類而言，是一個干燥脅迫的過程，極有可能誘導相關活性成分的合成與積累，此發現經低場核磁共振和高效液相(HPLC)法得到驗證[10]，具體相關脅迫誘導機理的研究目前還未成熟。綜上，根莖類中藥材品質與干燥方法及干燥過程中的溫濕度、風速等干燥參數的調控關系緊密，干燥設備對干燥參數的控制直接影響中藥材外觀形狀及有效成分保留。

中藥材作為我國特色資源，國內已有研究在結合根莖類中藥材生產特點的基礎上，對根莖類中藥材的干燥技術進行了研究，并設計相關干燥裝備，促進了中藥材干燥加工機械化的發展。本研究擬對國內外根莖類干燥技術與裝備進行概述分析,比較單一式、聯合式的干燥技術及裝備對根莖類中藥材干燥特性及品質的影響，總結根莖類中藥材干燥領域目前存在的問題，并對根莖類中藥材干燥的發展趨勢進行探討性研究。

1 根莖類中藥材干燥技術研究進展

干燥實質是物料內水分由內向外遷移至表面并蒸發的過程，水分遷移路徑是影響水分遷移能力的關鍵因素[11-12]。干燥過程中水分運動主要受溫度梯度與濕度梯度影響，物料內部形成溫濕度梯度產生壓力差，促進物料內部的水分由高溫向低溫遷移，至表面后汽化，當物料中水分表面汽化的速率小于內部擴散的速率時，此為表面汽化控制，通常表現為恒速階段，當物料中水分表面汽化的速率大于內部擴散的速率，此為內部擴散控制，表現為干燥中的降速階段[13-14]。根莖類中藥材主根內部呈非均勻結構，干燥時內部水分擴散情況復雜，濕分主要靠主根內部水分遷移，可通過有效水分擴散系數(Deff)反映內部水分遷移情況[15-16]。對根莖類中藥材干燥而言，生產成本、設備成本及干后品質穩定性是必須考慮的因素。除傳統干燥外，熱泵干燥、微波干燥、遠紅外干燥、脈沖氣流干燥、噴霧干燥、真空脈動干燥、射頻干燥，折射窗干燥等現代干燥技術迅速發展[17-18]，同時聯合干燥技術因其取長補短的技術優勢，也在干燥領域具備較大發展潛力。

我國中藥材種類豐富，干燥技術多樣，因此建立完整的干燥品質評價體系較為困難，目前根莖類中藥材干后品質主要從水分、灰分、浸出物、折干率、色澤變化、有效活性成分及2020版《中華人民共和國藥典》中規定的相關指標成分等方面進行評價，可采用色差儀、核磁共振波譜儀、高效液相色譜儀等精密儀器進行測定[19]。根莖類中藥材是典型多孔介質結構，其干燥特性研究主要從剛性、密度、復水率、皺縮率、孔隙結構、水分遷移方向及有效水分擴散系數(Deff)等方面進行研究，通過深入研究溫度場、濕度場等物理場在多孔介質中變化規律及濕熱傳遞機理，為中藥材干燥技術與裝備研究及建立相關干燥模型提供思路[20-21]。

1.1 自然干燥技術

傳統產地干燥方法主要包括曬干法和陰干法。曬干法是在天氣良好的條件下將中藥材平鋪在曬場或曬架上，在太陽能輻射和風能作用下內部水分由內向外擴散；陰干法是將采摘后的中藥材置于陰涼通風處或通風室內進行自然晾干[22]。根莖類中藥材在自然干燥過程中水分蒸發速率慢，內部水分擴散速率低，干燥耗時較長，因此中藥材內部會產生大量孔洞使其結構疏松，密度較低。

根莖類中藥材干燥分為排除表面自由水的外控干燥階段與排除內部結合水及毛細管水的內控干燥階段2部分，曬干過程中白天太陽暴曬，促進中藥材外控干燥脫水；夜晚環境溫度下降，中藥材表面與內部形成水分梯度，結合水與毛細管水向表皮遷移，促進中藥材內控干燥脫水[23-24]。羅寅珠等[25]研究自然干燥(曬干、陰干)與不同溫度(40、55、70 ℃)下熱風干燥對半夏干燥特性及品質影響，發現晾曬干燥后的半夏品質綜合評價值最優，這是因為曬干過程中晝夜交替，半夏塊莖內部外控干燥階段與內控干燥階段呈交替主導，達到脫水平衡，使其結構收縮均勻緊致。王也丹等[26]對比了不同干燥條件下秦艽的自由基和各活性成分變化規律發現，經發汗烘干與傳統發汗陰干后的秦艽中藥材能保持良好的抗氧化和抑菌能力。李晶晶等[27]研究干燥方法對麻花艽品質影響時發現，將傳統工藝“殺青”與陰干法結合，麻花艽中有效活性成分保留量僅次于冷凍干燥和微波干燥，且耗時耗能少，操作便利，這與段金廒等[28]研究結果一致。自然干燥主要缺點是干燥時間較長，干燥過程中的自然條件不可控，遇到陰雨天氣干燥不及時易導致中藥材發生霉變、褐變、蟲蟻病害的滋生或微生物嚴重超標，難以達到標準衛生指標[29]，且容易因塵土等造成二次污染。但自然干燥經濟成本低廉、操作簡單，無需設備支持，在我國中藥材加工中的應用歷史悠久，目前在中國南部地區，大部分中藥材種植戶仍采用這種傳統干燥方法[30]。

1.2 熱風干燥技術

熱風干燥法即烘干法，主要利用熱源加熱干燥室內空氣，在熱空氣作用下物料水蒸氣不斷積累并形成溫度梯度和水分梯度，同時流動熱風將擴散至表面的水蒸氣帶走以達到干燥目的[31]。根莖類中藥材干燥溫度一般控制在60 ℃以下，僅通過提高干燥溫度并不能提高干燥效率，因為中藥材表面因干燥過快會出現結殼硬化現象，阻礙內部水分擴散速率，同時高溫會引起中藥材表面發生美拉德反應造成焦糊現象，影響中藥材品質[32-33]。研究發現通過變溫熱風干燥或調控干燥過程相對濕度的方式可以改善上述問題。巨浩羽等[34]在研究不同相對濕度保持時間對山藥熱風干燥特性的影響中發現，高濕環境有利于強化山藥的傳熱作用及后程干燥中山藥內部傳質運動，且可保持山藥的多孔組織結構；在此基礎上通過階段降濕干燥試驗得出：相對濕度為50%保持 10 min 時，山藥干燥效率最高，干燥時間最短，此外，有研究發現相比全程連續排濕的干燥方式，分段排濕也可較好地保證中藥材干燥品質[35-36]。針對直接將干燥時間帶入干燥動力學模型無法準確得到分段式干燥各干燥階段水分比的問題，吳小華等[37]以西洋參為干燥對象，提出一種適用于分段式熱風干燥的動力學模型計算方法；驗證試驗結果與計算結果平均相對誤差僅為 1.78%，說明此計算方法可用于分段式熱風干燥過程中水分比變化規律分析。為優化一段式木薯干燥工藝，楊瀟瀟等[38]提出了先高溫、后低溫的變溫式熱風干燥方案，試驗干燥溫度為80～100 ℃，不僅能夠避免低溫造成能耗損失，也不會出現高溫引發木薯的糊化變質現象；100 ℃(干燥30 min)～80 ℃(干燥30 min)，此方案可滿足60 min內將木薯降至安全含水率(35%)的設計要求，提高了整體干燥效率。

熱風溫度不僅影響中藥材內部水分擴散，與中藥材品質也密切相關。部分根莖類中藥材淀粉或糖類物質含量豐富，熱風干燥過程中，隨著熱空氣溫度升高、空氣介質流速加快，水蒸氣壓升高引起物料表面水分快速蒸發，糖類物質中醛基或羰基與氨基酸中氨基結合發生Maillard反應或焦糖化反應，生成糖醛類及其衍生物等各類物質，改變中藥材的色澤、香味[39-40]。張麗等[41]在研究黃芪熱風干燥特性變化規律時發現，熱風、微波、紅外3種干燥方式下黃芪色澤品質受干燥溫度影響顯著，同一溫度下，微波干燥樣品出現局部焦糊，其余外觀形狀保持良好；紅外50 ℃干燥條件下黃芪內有效成分得到最大保留；熱風干燥后黃芪外觀形狀較好，能耗最低。張芳等[42]在對黨參熱風干燥研究中發現，干燥溫度的持續升高會導致中藥材浸出物與揮發油含量逐漸降低，同時顏色暗淡；干燥溫度50 ℃、切片厚度5 mm、裝載量10 kg/m2為最佳干燥工藝，驗證試驗表明，干燥時間16 h，浸出物含量為62.24%，黨參色澤良好，無卷曲，無焦黃。熱風干燥溫度及速率對中藥材品質的影響也體現在干后中藥材物理結構上。以三七為例，不同熱風干燥溫度對其干后結構及復水率影響顯著，低溫干燥下三七內部結構緊密、孔隙度較小，水分不易進入，故復水率較低；高溫烘干下三七內部結構疏松多孔，水分易進入，有利于復水，但多孔結構在加工儲藏中易吸水受潮，導致中藥材發生霉變[43-44]。熱風干燥技術因簡單易操作的優勢廣泛應用于根莖類中藥材干燥加工中，但高溫干燥條件易造成中藥材外觀形狀劣變及有效成分的降解，未來研究可對干制中藥材中有效成分變化原因進行分析，確定最佳熱風干燥工藝。

1.3 空氣源熱泵干燥技術

空氣源熱泵干燥是一個熱力循環過程，主要利用逆卡諾原理，液體冷凝劑在蒸發器內減壓蒸發吸收空氣中的熱能，經壓縮機壓縮為高品位熱能，再由高壓冷凝釋放熱量至干燥室內以提高室內溫度，物料表面水分在熱空氣作用下迅速汽化促使表面與內部形成濕度梯度，內部水分在濕度梯度作用下向表面遷移汽化并形成水蒸氣進入蒸發器繼續進行減壓蒸發，以此實現干燥循環[45-46]。我國熱泵干燥技術起步較晚，在中藥材領域應用較少，但在食品領域已進行較多研究[47-51]。干燥溫度對于根莖類中藥材有效成分的保留影響顯著，溫度的提高有利于增大物料內的水分子動能，加快傳熱傳質速率[52-53]。陳永春等[54]在巴戟天熱泵干燥實驗中發現，干燥溫度與樣品長度對實驗結果有極顯著差異，巴戟天中多糖和蒽醌含量與干燥溫度呈負相關，干燥溫度從45 ℃增加到65 ℃，多糖含量減少52.40%、蒽醌含量減少55.37%；樣品干燥長度越長，中心水分遷移至兩端速度越慢，導致干燥時間延長。余洋洋等[55]發現熱泵干燥溫度對高良姜的色澤、活性物質、揮發性成分影響顯著，50 ℃干燥的高良姜素含量為 (6.29±0.07) mg/g,且熱泵干燥的高良姜素含量均大于日曬干燥；熱泵溫度超過 50 ℃時，總酚和總黃酮的含量隨著熱泵溫度的升高而降低。李麗等[56]以溫度為基點，對新鮮山藥進行熱泵干燥，通過收集熱泵與熱風的干燥數據建立數學模型分析干后山藥的品質變化發現，與熱風干燥相比，熱泵干燥后的山藥復水性良好，整體色澤形狀與新鮮山藥狀態更接近，此結論與盧素珊等[57]和龔麗等[58]進行的山藥干燥研究結果一致。隨著對中藥材品質要求的提高，低溫干燥是中藥材干燥未來發展趨勢之一，低溫干燥具有物料受熱均勻、色澤營養保持良好等優勢，熱泵干燥技術可滿足上述要求；同時熱泵干燥節能環保，符合我國近年來推崇的綠色碳中和理念，將熱泵干燥技術應用在食品、中藥材、農產品等產業并實現規模化發展，可緩解我國能源緊缺問題。

1.4 微波干燥技術

微波干燥主要是利用微波較強的穿透性，在透入介質時，介質分子在較高微波頻率下內部發生劇烈震動產生熱能以達到干燥目的。微波干燥過程中物料由內向外形成溫度梯度，內部高溫環境加快水分汽化產生并積累蒸汽，進而形成內外壓力差，促進物料內部向表面進行傳熱傳質運動[59]。微波干燥具有自動平衡性能，即使干燥物料形狀復雜，也可保持均勻干燥，不會導致外焦內濕[60]。微波功率與中藥材的初始含水率是影響干燥效率的關鍵因素，田思慧等[61]在新鮮姜黃片微波干燥試驗中發現，微波功率較高(50%～100%)時，干燥過程主要發生在降速階段，干燥時間較短，而微波功率較低(30%)時，干燥過程主要發生在恒速階段;姜黃片初始含水率越高，對微波的吸收越大，姜黃內部和表面之間的壓力差使微波干燥前期水分迅速擴散；姜黃揮發油中存在熱敏性物質，易受熱分解，但近紅外光譜儀測定發現干后姜黃片有效化學成分損失較少，與Surendha等[62]微波干燥研究結果一致。Bai等[63]采用超高液相色譜法對比不同干燥方法對當歸活性成分的影響，發現微波干燥、遠紅外干燥及其聯合干燥可較好地保留當歸中有效活性成分，但這3種干燥方法也誘導了當歸切片中(Z)-ligustilide和(E)-ligustilide 2種成分發生降解，具體降解機制有待進一步探究。Zhu等[64]研究了不同加工方法處理的黃連根莖中總糖、低聚果糖、游離氨基酸等十幾種化學成分的變化，結果表明微波干燥中高溫環境對酶造成不可逆滅活，黃精根莖中多糖類物質氧化程度降低，避免了有效成分流失。微波干燥具有干燥熱效率高、干后質量好、污染小等優點，但基于電磁場的不均勻性，若對中藥材持續進行微波干燥，會出現局部過熱現象導致中藥材焦化，品質受損[65]，改善微波干燥局部“熱點”和“冷點”及“熱失控”引起的中藥材局部焦糊現象是未來研究方向之一，目前有研究將微波干燥與其他干燥技術聯合用于解決微波干燥局部過熱的問題。

1.5 紅外干燥技術

紅外干燥主要通過固體分子或晶格振動產生波長區間為0.75～1 000 μm的電磁波，物料內部分子遇紅外線吸收其能量并發生高頻震動，引起內部溫度上升，水分蒸發并自內向外擴散， 其傳熱方式為輻射傳熱[66]。與微波不同，紅外輻射干燥是一個由外向內的輻射過程，增加中藥材切片厚度會增大自由水向外遷移的阻力，延長傳熱傳質路徑，降低輻射干燥效率[67]。為分析干燥過程中切片厚度對水分擴散的影響，周四晴等[68]使用低場核磁共振波譜分析(LF-NMR)和成像分析技術(MRI)對遠紅外干燥過程中新鮮懷山藥片水分狀態進行監測，發現輻射距離與溫度相同的情況下，切片厚度與干燥時間成正比；厚切山藥片中多糖類、黏蛋白等成分在干燥過程中形成一層致密網狀薄膜，限制深層水分的排出；薄切山藥片吸收輻射產生的熱效應較高，水分子獲得較大動能，更容易逸出網狀薄膜，故干燥速率提高。張樂道等[69]對比懷山藥熱泵干燥與遠紅外干燥的溶出性發現，遠紅外干燥后的懷山藥片溶出性更好，經驗證，各因素對干燥試驗影響大小為切片厚度>輻射溫度>輻射距離。崔莉等[70]為探究干燥溫度對黃岑遠紅外干燥特性的影響，收集黃岑干燥數據并建立模型，對黃芩干燥過程中的水分變化規律和干燥速率進行預測。結果發現，干燥過程整體為降速階段，沒有明顯的恒速階段；黃岑根直徑及干燥溫度對干燥速率有顯著影響，有效水分擴散系數與干燥溫度在遠紅外輻射區間內呈正比。Fernando等[71]在姜黃遠紅外干燥試驗中發現，姜黃的干燥速率與變色指數隨遠紅外波長的減小和曝光時間的延長而增大;姜黃素含量受遠紅外波長與曝光時間影響顯著。紅外干燥技術具有干燥均勻、能耗低、干后產品質量高等優點[72]，目前紅外干燥設備成本與運行成本較高，在中藥材干燥中應用并不成熟。不同種類中藥材都有特定的紅外吸收帶，將智能控制系統與紅外干燥結合，允許特定波長通過的紅外干燥技術更適用于根莖類中藥材干燥。

1.6 真空冷凍干燥技術

真空冷凍干燥簡稱“凍干”，將新鮮中藥材預先降溫至共晶點溫度以下，在真空條件下升溫，使物料中水分直接升華排出達到干燥目的。三七、黃芪、黨參等大部分根莖類中藥材初始含水率高，結構疏松，高溫干燥環境會使其內部水分遷移加快，蒸汽密度快速升高產生壓力差導致結構塌陷，并造成對熱敏感或水溶性化學成分的流失，而冷凍干燥低溫低氧的環境能較好地保留中藥材結構和活性成分，有效抑制微生物繁殖與部分酶活性，保證中藥材干后品質[73-74]。Chumroenphat等[75]利用HPLC與紅外光譜(PTIR)分析不同干燥方式對姜黃有效成分的影響，發現冷凍干燥后的姜黃樣品中姜黃素等總酚與黃酮類含量顯著高于其他干燥方法，Liang等[76]在白芷干燥試驗發現，冷凍干燥時白芷中酶活性比其他干燥方法低2～3倍，降低了化學成分氧化程度。張燕青等[77]發現由真空冷凍干燥或真空干燥的黃芪收縮率小，水分直接由固態轉化為氣態向表面遷移對黃芪微觀組織結構破壞較小，孔隙均勻，復水性良好，與黃芪鮮樣基本無色差。劉勝男等[78]對三七根莖熱風干燥與真空冷凍干燥進行比較發現，冷凍干燥后的三七褐變程度低，皺縮率較低，微觀結構與外觀形狀保持良好，這是因為在凍結狀態下進行干燥，三七物理結構及分子結構變化較小，同時低溫真空環境抑制三七中淀粉轉化糖類，減緩了干燥過程中的褐變反應，這一點與趙美芳等[79]進行的鐵皮石斛冷凍干燥試驗結果吻合。冷凍干燥可較好地保證中藥材的外觀形狀，減少有效活性成分流失，但相較其他干燥技術，設備投資大、能耗高、運行成本高，導致冷凍干燥使用范圍較為局限，隨著真空冷凍干燥技術的深入研究，該技術在中藥材領域會有更廣泛的應用。

將根莖類中藥材常用單一干燥技術的干燥特性與品質特性進行對比結果見表1。

表1 根莖類中藥材常用單一干燥技術的干燥特性及品質特性對比Table 1 Comparison of drying characteristics and quality characteristics of common single drying technology for rhizome traditional Chinese medicine

表1(續)

1.7 聯合干燥技術

聯合干燥技術指結合2種或2種以上的干燥方式，在保證根莖類中藥材品質的前提下，形成干燥優勢互補。對比分析單一干燥技術與聯合干燥技術干后產品的復水比、色差值、T-VBN值、細菌總數和設備能耗值的變化，發現聯合干燥顯著優于單一干燥，可節約能耗約34.6%[86]。

太陽能輔助熱泵干燥技術結合了熱泵干燥系統和太陽能干燥系統的優勢，將太陽能源作為熱泵的輔助能源以降低系統能耗，同時解決了在梅雨季節及晝夜溫差較大地區太陽能系統利用率低下的問題。太陽能聯合熱泵干燥裝置因其高效率、低能耗、連續性良好等優勢廣泛應用于中藥材、糧食及農產品領域[87]。Tham等[88]利用太陽能溫室干燥設備，將熱泵集成到太陽能溫室干燥機中，室內相對濕度降低了10%～15%；驗證結果表明，太陽能溫室干燥器在晴朗天氣下的性能整體表現良好，熱泵在整個干燥過程中可將房間相對濕度保持在最高65%，干燥速率顯著提高；熱泵系統運行使物料的干燥時間節省10%；熱泵系統提供0.25～0.50 m/s的熱風有助于提高中藥材干燥速度，減小太陽能溫室干燥機內溫度與相對濕度的不均勻性。

胡居吾[89]采用封閉式熱泵-熱風聯合干燥裝置研究溫度、風速對物料的影響，發現干燥前期階段低溫熱泵技術與干燥后期階段短時熱風干燥技術相結合的干燥方式顯著縮短了干燥時間，降低了物料褐變程度；這其中干燥溫度對整個干燥過程影響顯著，從低溫熱泵干燥階段調至熱風干燥階段時的切換點是影響干燥效率、干后品質及設備能耗的關鍵點。遠紅外-熱泵聯合干燥技術不但能較好地保持中藥材的品質和有效活性成分，而且與單一干燥相比能耗更低、干燥速率更快、對環境幾乎無污染[90]。新鮮中藥材在遠紅外區間內能較大幅度吸收遠紅外線，內部進行重復共振而產熱，促進水分受熱蒸發;將熱泵與遠紅外干燥兩者結合進行交互干燥，可突破單一干燥方式的局限性，既提高了中藥材干燥后的活性成分含量，又解決了熱泵干燥后期物料內部水分難以擴散排除的問題[91]。因此，遠紅外聯合熱泵干燥技術在中藥材干燥中具備較大發展潛力。直觸超聲(CU)利用其特有的機械效應和空化效應將能量傳輸至物料內部，使物料組織結構蓬松、微觀孔道數量增多、有效降低傳質阻力，有利于干燥過程中物料內部水分向外遷移，薛揚等[92]發現將熱泵干燥技術(HPD)和直觸超聲2種技術聯合應用的超聲強化熱泵干燥技術(CU-HPD)，能夠強化HPD過程中的物料與環境的傳熱傳質進程，利用變異系數法對CU-HPD技術干燥后的山藥的多個品質特性進行綜合評價，分析得出干燥溫度55 ℃、超聲功率60 W的條件下，鐵棍山藥的品質最佳，干燥效率最好。

干燥收縮是導致干燥過程中根莖類中藥材質量和外觀惡化的關鍵因素，由于干燥過程中大量水分快速流失，物料的微觀孔隙結構在毛細應力的作用下變形塌陷，導致物料宏觀上的皺縮或卷曲變形[93-94]。Ishibashi等[95]為研究真空條件下連續微波輻射加熱對水分遷移和收縮現象的影響，提出了一種原位測量干燥收縮特性的方法，利用核磁共振(MRI)與差式掃描量熱儀(DSC)觀察樣品內部水分分布及玻璃化轉變現象發現: 真空條件下，連續微波加熱可加快樣品中水分遷移速率，受外部環境壓力的影響，樣品內壓力梯度減緩，降低了樣品內部結構收縮程度；同時真空微波干燥過程中，樣品內部出現玻璃化轉變現象，有效降低了樣品收縮率。人參皂苷作為人參的主要活性成分，具有抗糖、抗氧化、抗腫瘤、提高機體免疫力等作用，其含量受干燥過程中溫度及切片厚度影響顯著[96-97]。Ning等[98]研究了微波-遠紅外干燥時其切換點含水率(SW)、人參切片厚度和遠紅外干燥溫度對白參切片干燥指標(色差、人參皂苷含量、表面干縮率)和干燥效率的影響。結果表明，隨著聯合干燥時SW值、遠紅外干燥溫度和切片厚度增加，色差和表面縮水率呈先降后增趨勢，人參皂苷含量呈先增后降低趨勢；聯合干燥比單一遠紅外干燥相比，可得到較高的人參皂苷含量，同時白參干縮率較低。Pei等[99]在研究人參紅外-熱風聯合干燥的干燥特性、人參皂苷量及感官特性時得到類似結果，經掃描電鏡發現聯合干燥后的人參片組織結構均勻致密。聯合干燥技術整體提高了干燥效率，縮短干燥時間，對于初始含水率較高的根莖類中藥材，聯合干燥是有效的干燥方法之一。目前聯合干燥大部分為2種加熱方式聯合使用，其干燥特征見表2。未來研究中可嘗試對多種干燥技術進行間歇或交叉加熱的方式，實現中藥材更高效率的干燥加工。

表2 根莖類中藥材常用的聯合干燥技術的干燥特征對比Table 2 Comparison of drying characteristics of combined drying technology commonly used in rhizome traditional Chinese medicine

2 根莖類中藥材干燥裝備研究進展

2.1 熱風干燥裝備

熱風干燥設備是在傳統熱風干燥技術上發展起來的一類設備，熱風干燥原理見圖1。傳統熱風干燥機的熱源多為天然氣、燃煤等自然資源，干燥效率較低[103]。針對傳統熱風干燥受干燥裝備制造工藝與能量補給方式局限、無法對干燥過程進行精準控制的問題，干燥領域開展了大量有關中藥材干燥設備多參數控制的研究工作。巨浩羽等[104]為解決傳統箱式熱風干燥機運行時整體溫度、風速不均勻等問題，設計了一種基于溫濕度可控的箱式熱風干燥機；將干燥室風道與風機進風口相連以實現回收余熱降低能耗的目的，系統主機可控制干燥室內多段干燥的溫濕度參數，經Fluent模擬驗證，該干燥室內溫度分布一致，風速均勻。劉爾璽等[105]研制的中藥材熱風循環箱式干燥機加入了溫濕度傳感控制系統，提高了設備自動化控制程度，可保證干燥過程中藥材的品質;在保持干燥效率的前提下，提高了設備熱能回收利用率及熱能分布均勻性。Li等[106]利用溫濕度可控的熱風干燥機對天麻進行熱風干燥特性研究，設備在冷凝器入口設置了閥門對干燥室內空氣溫度和相對濕度變化進行調控，在干燥室入口處安裝了電加熱器作為輔助加熱器用于平衡溫度范圍，防止室內溫度低于所需溫度。趙昌友等[107]將PLCS7-200控制系統與熱風干燥裝置結合，通過控制干燥室內部空氣的運動路線與空氣流速，達到調控干燥速率的目的；在原有熱風干燥機的運行原理上加入智能化控制系統，能對-55～125 ℃范圍內溫度精準測量，整體能耗降低10%～15%；可根據不同品種中藥材干燥的需求進行參數調整，有利于把控干燥物料質量，保持物料原有特性。熱風干燥機投資小、裝載量大、設備成本相對較低，有利于在中藥材產地干燥中實現大規模應用；提高設備安全性、降低運行能耗、與其他干燥技術連聯用提高干后中藥材品質是熱風干燥機未來的發展趨勢。

1.烘干房；2.排濕口；3.溫濕度傳感器；4.上風機；5.回風窗；6.加熱器；7.下風機；8.控制面板；9.進風口1.Drying room; 2.Wet vent; 3.Temperature and humidity sensor; 4.Upper fan; 5.Return window; 6.Heater; 7.Lower fan; 8.Control panel; 9.Inlet

2.2 熱泵干燥裝備

熱泵干燥系統實質上是熱量提升裝置，熱泵烘干機組利用逆卡諾原理，從周圍環境中吸取熱量，經壓縮機與冷凝器加壓除濕后傳遞給被加熱物料，達到干燥脫水的目的[108]，熱泵干燥機原理見圖2。近幾年熱泵干燥因其綠色無污染，高效節能等優勢在中藥材干燥領域得到開發應用。

1.干燥室；2.回風口；3.進風口；4.蒸發器；5.風機；6.壓縮機；7.膨脹閥；8.冷凝器1.Drying room; 2.Return vent; 3.Air inlet; 4.Evaporator; 5.Fan; 6.Compressor; 7.Expansion valve; 8.Condenser

陳東等[109]對一種熱泵式流化床干燥裝置性能結構分析發現，該裝置是采用干燥介質的密閉循環方式，可以根據不同中藥材的特點選擇適合的干燥介質；加熱低溫空氣所用的熱量大部分來自熱泵蒸發器吸收流化床排風的余熱，能耗較低，運行成本約為傳統熱泵干燥機的50%。馮道寧等[110]為降低小企業和農戶的干燥成本，設計了一種可實現干燥與保鮮雙用途的熱泵干燥系統，通過改良保溫房結構，將干燥室與冷庫結合，通過四通電磁閥完成制冷和制熱模式的切換；設備采用了排濕和循環一體化新型風道；選用混合型制冷劑將熱泵干燥變溫范圍擴大至5～75 ℃；驗證試驗發現，高溫干燥可顯著提高物料初期的脫水效率，低溫狀態保鮮能力與普通冰箱持平，設備造價降低了近50%。為降低熱泵干燥機能耗，Zlatanovi等[111]分析SMER(比水分提取率)、SEC(比能耗)等能效指標研究對熱泵系統空氣再循環率的影響，發現消耗能源的部件是熱泵壓縮機和烘干機風扇；在保證干燥效率的前提下，采用低摩擦材料、改變風道氣流截面及選擇具有低壓降特性的空氣阻尼器等措施對干燥器風道分配系統進行適當的氣動改進，可優化干燥器風機的性能，有利于熱泵干燥機進行全空氣再循環。熱泵干燥機節能環保，干后中藥材品質較好，適用于大范圍推廣，由于設備研發還不成熟，部分設備機型工作參數不穩定，誤差較大，需要進一步研究，改善設備運行穩定性。

目前根莖類中藥材干燥的研究主要集中在干燥特性與品質變化，干燥設備研究相對較少。表3匯總了根莖類中藥材常見干燥裝備的特點及適用范圍。

表3 根莖類中藥材常見干燥裝備匯總Table 3 Summary of drying equipment for rhizome medicinal materials

表3(續)

2.5 聯合干燥裝備

聯合干燥裝備是將2種不同的干燥系統有效結合，在不同的干燥階段采用相應干燥技術以達到優勢互補、提高能效的一類干燥設備，圖3為熱泵-微波聯合干燥設備運行原理。

1.熱風進風管道；2.散風風機；3.進料口；4.微波抑制器；5.觀察孔；6.熱泵控制面板;7.微波發射裝置；8.熱泵泵體；9.回風風機；10.熱風回風管道；11.微波控制箱；12.物料傳送帶1.Hot air inlet pipe; 2.Fan; 3.Feed port; 4.Microwave suppressor; 5.Observation holes; 6.Heat pump control panel; 7.Microwave transmitter; 8.Heat pump body; 9.The return fan; 10.Hot air return pipe; 11.Microwave control box; 12.Material conveyor belt

Aktas等[121]結合不同干燥方法的優點，開發了一種復合式干燥系統，在熱泵干燥器(HPD)和紅外輔助熱泵干燥器(IRAHPD)的比較試驗發現，系統達到穩定狀態的過程中，熱能損失減少，系統干燥效率增加，整個系統的性能系數區間為2.11～2.96；干燥效率為31.6%～66.8%。Hao等[122]針對太陽能干燥過程不穩定、可控性差的問題，提出并構建了一種新型的直膨式熱泵輔助太陽能干燥系統。通過建立理論模型，得到了系統的出口風溫，并對系統的運行性能和干燥特性進行試驗和理論研究。結果表明，對于出口空氣溫度和集熱效率,試驗值與預測值具有較強相關性，其相關系數R2分別為0.98和0.96；由于干燥空氣溫度較高，直膨式熱泵輔助太陽能干燥系統的平均干燥速率高于敞開式太陽干燥系統；改進的Page模型是描述干燥特性的最佳模型，得到系統的比吸濕率為0.85 kg/(kWh),研究證明該系統運行具有可行性。Gu等[123]針對產品干燥均勻性差、干燥時間長的問題，提出一種新型太陽能輔助熱泵(SAHP)干燥系統，對不同操作參數與干燥性能進行了數值模擬和試驗研究。結果表明，在給定條件下，太陽能集熱器的熱效率和熱泵系統的COP(性能指數)分別達到63%和5.03；該系統的平均供熱能力為130.2 kW/h，與冬季典型晴天的模擬結果一致，此裝置可為根莖類中藥材干燥設備開發提供理論參考。為保證姜黃干燥后的品質，Jeevarathinam等[124]設計開發了一種紅外輔助熱風干燥機(IRHAD)，設備運行原理見圖4。在固定風速為2 m/s的條件下，分別對紅外線輔助熱風干燥、紅外干燥和熱風干燥3種不同的干燥方式進行了干燥試驗。結果表明，在70 ℃時，紅外線輔助熱風干燥機的干燥時間比紅外線干燥機和熱風干燥機分別縮短了26.98%和35.21%，紅外輔助提高了干燥速率，干燥能耗顯著降低；以姜黃為試驗樣品進行驗證發現，IRHAD系統在60 ℃干燥條件下，姜黃素等有效成分損失最少，色差最小。聯合干燥裝備不僅可以減少干燥時間，還可以保持中藥材質量以實現綜合干燥效果，目前聯合干燥設備在中藥材領域工業化應用較少，主要是聯合干燥裝備發展不夠成熟，設備成本高，研究出大型、連續型、智能化的聯合干燥裝備對中藥材行業實現機械化發展具有重要實際意義。

1.碳纖維紅外板；2.上擋風板；3.載料架；4.下擋風板；5.支撐座；6.電動機；7.轉動軸；8.溫濕度傳感器；9.上回風管道；10.排濕風機；11.控制面板；12.氣流分配室；13.風向導板；14.溫濕度傳感器；15.回流風機；16.下回風管道1.Carbon fiber infrared plate; 2.Upper windshield; 3.Loading frame; 4.Lower windshield; 5.Support seat; 6.Motor; 7.Rotation shaft; 8.Temperature and humidity sensor; 9.Upper return air duct; 10.Dehumidifying fan; 11.Control panel; 12.Air distribution chamber; 13.Wind direction guide plate; 14.Temperature and humidity sensor; 15.Reflux fan; 16.Lower return air duct

3 根莖類中藥材干燥目前存在的問題

干燥加工是生產優質根莖類中藥材的重要環節，目前新型干燥技術與裝備研究逐漸增多，但受到干燥工藝和成本等問題的制約，應用到根莖類中藥材產地干燥中的較少。根莖類中藥材干燥主要存在的問題如下：

1) 干燥過程中物料堆積形式不當易損壞中藥材品質。在我國高速發展并大力推動中醫藥行業發展的背景下，中藥材需求量漸增，收獲季節中藥材干燥產量增多，根莖類中藥材干燥效果受尺寸大小、裝載量及堆積形式影響，干燥過程中若裝載量過大或堆積形式不當會影響干燥室內水蒸汽排出速度及藥材內部水分擴散的速率與范圍，中藥材內部與表層干燥溫度不一致會導致局部過熱、干燥不均勻等問題，降低干燥效率且影響中藥材干后品質。

2) “發汗、揉搓、殺青”等傳統工藝在干燥工藝研究中被忽略。“發汗”、“揉搓”、“殺青”是部分根莖類中藥材初加工中常用的方法，即將新鮮中藥材加熱或半干燥后，置于密閉空間堆積發熱，使其內部水分向外擴散至表面，呈“出汗”狀[125-126]。“發汗、揉搓”工藝可以促使中藥材內部水分擴散，有利于中藥材干燥，會使中藥材外觀形狀更加油潤致密、有光澤，中藥香更加濃郁[127]。“殺青”可以破壞新鮮中藥材中各類酶的活性，抑制相關化學成分的酶促反應及水解反應。部分還會使用硫磺熏蒸，如天麻片熏蒸后天麻飲片其表面較光滑細致；人參經硫黃熏蒸后其不良味道消失[128]。目前有關根莖類中藥材干燥工藝研究中較少考慮到這些傳統操作對中藥材品質的影響。

3) 干燥設備應用選擇存在盲從性。根莖類中藥材種植乃至整個中藥材種植行業大多以個體種植戶和小型作坊為主，種植區域分散、加工方法混雜在一定程度上限制了中藥材設備的推廣；針對農副產品的干燥技術研究，國內外專家學者開展了大量的研究工作，開發了多種樣式的干燥設備，但在中藥材領域的研究較少，在干燥工藝與設備的選擇上存在很大的盲從性，設備普及率相對較低。

4 結論與展望

本研究對根莖類中藥材的干燥現狀進行了概述，總結了不同干燥技術與裝備對根莖類中藥材干燥特性及品質的影響。針對根莖類中藥材干燥目前存在的問題及現有研究，未來根莖類中藥材干燥可考慮以下3個發展方向：

1) 自然干燥目前仍是中小企業和種植戶的主要干燥方式，但隨著國家對于低碳環保政策的重視及群眾對中藥材品質和需求的增加，改進現有干燥技術，提高中藥材品質；研發節能環保、大型化、智能化操控的干燥裝備，提高干燥領域工業化發展水平將是未來研究熱點之一。

2) 加強干燥技術基礎理論研究，建立微觀結構模型，研究干燥技術對根莖類在中藥材微觀結構上的水分遷移規律及其干燥特性，同時分析干燥過程中干燥中藥材理化性質變化，深入探究根莖類中藥材在不同干燥條件下品質變化的機理，這對開發新型干燥技術與實際應用具有重要意義。

3) 我國中藥材種植種類多，種植區域覆蓋廣，在保證低碳環保的前提下，結合不同地區天氣特征將傳統干燥工藝與新型干燥設備結合，以此提高根莖類中藥材的干燥效率；研究不同品種中藥材的干燥機理，以中藥材品質、干燥特性及內部水分遷移機理等為參考指標，確定適用于不同種類中藥材的干燥工藝，研發相中藥材干燥裝備，促進實現中藥材干燥領域規模化發展及中藥材干燥加工技術體系的建立。

干燥作為根莖中藥材產后加工的重要環節，為降低干燥成本并保證中藥材干后品質，需要加強中藥材收獲環節與干燥加工環節的承啟性研究，將傳統干燥與現代化干燥技術有效結合，做到理論技術研究與實際應用同步，一切研究結果為實際產地干燥需求服務。