微波真空干燥用于中药加工技术的研究(1).doc

七综述微波真空干燥用于中药加工技术的研究摘要：运用微波真空干燥技术可以有效的保持中药材中的有效生物活性成分，传统的干燥方法存在着许多工艺问题。本文首先总结常见的中药材干燥技术，然后阐述国内外微波真空于燥的研究现状及其发展运用。关键词：微波真空干燥，干燥技术我国对中药材干燥方法的研究已经有很长历史。早在公元12世纪左右，我国现存最早的中药材专著神农百草经中已有对中药材“阴干、曝干、采造时日、生熟土地所出”等有关干燥方面的记载。唐代孙思邈著千金翼方一书中也有“夫药采取，不以阴干曝干，虽有药名，终无药实”等具体描述。这是很经济的方法，成本较低。但是存在着许多工艺上的问题，如干燥时间长、有效成分破坏大、遇到阴雨天气容易霉烂变质、易被灰尘、蝇、鼠污染等缺点。现代中药材干燥技术为了保证中药材药性及有效成分，在人工控制条件下，对中药材进行适当的干燥处理，包括常压或减压环境中以传导、对流、辐射方式或在高频电场内加热使之干燥，以促进水分蒸发，达到要求含水率，保持较高的产品品质，便于包装、储藏、运输。目前常采用干燥技术包括：烘房干燥、厢式烘干机、网带式干燥机、隧道式干燥机、翻版式干燥机、振动流化床干燥。上述几种方式多采用热风干燥原理，生产成本较低，因此广为采用，但有效成分损失也大，甚至有严重的品质衰退现象。另外，中药材干燥前需要适当的预处理，但由于程序较繁杂、费工时，实际干燥生产中往往不重视；干燥过程自动化程度不高，不能分时间段对中药材的含水率、水分活度，以及干燥介质的温度、湿度、流速进行自动监控，都造成干燥品质不佳、最终含水率不符合要求，严重地影响中药材产品的品质。随着新型干燥技术及设备的开发及应用，人们对中药材干燥质量的提高、能量单耗的降低、操作的可靠性都提出了更高的要求，干燥将朝着提高产品质量、有效利用能源、减少环境影响、运用计算机提高自控水平、操作简单等方向发展1。微波真空干燥技术所具有干燥温度低、干燥速度快、干燥效率高、干燥质量好、对干燥物料的适应性强，兼有灭菌功能等的优点，在一定的真空度下，可保证湿物料干燥全过程在设定的低温下干燥，是一种有效、实用、有潜力、有前景的新型干燥技术，非常适合于中成药生产这个对干燥要求高的特殊行业(一)微波真空干燥技术的原理和特点：微波干燥是利用介电加热原理，依靠高频电磁振荡来引发分子运动，使被加热物发热，加热方式有别于传统的对流、传导与辐射，系微波对物体直接进行加热，不受到传热这一因素的限制。真空干燥是利用真空度越大，湿物料所合的水或湿介质对应的饱和温度越低这一物理特性，在真空条件下将气相中的低压水蒸气及空气等含量较少的不凝结气体，借真空泵的抽吸而除去。但真空干燥时物料的脱水是依靠热传导将外来热量传递给被干燥物料的，而在低气压环境下，用对流方式进行热传递速度较慢，妨碍了真空干燥优点的发挥。微波真空干燥技术把微波干燥和真空干燥两项干燥技术结合起来，充分发挥各自优势，微波真空干燥是一种较新的干燥方式，在这种干燥方式中，置于交变电场中的物料的水分子被极化后运动越加剧烈，水分子之间的摩擦也越加强烈。摩擦生热后使物料表面水分蒸发，物料内外部形成了温度梯度和湿度梯度，从而加速水分从物料内向外迁移，最终达到干燥目的。微波可为真空干燥提供热源，克服了真空状态下常规热传导速率慢的缺点，真空又使得物料在较低温度下进行干燥，较好地保存物料营养成分及改善干制品的其他品质(如褐变)的同时又缩短了干燥时间，提高了生产效率。在医药领域，有许多热敏感物质需要低温快速干燥。因此，将微波技术与真空技术相结合就成为一项极具应用价值的新技术2。(二)比较常见的中药材干燥技术，突出微波真空干燥技术的优点微波真空干燥的干燥原理在前面已经有过介绍，现以微波真空干燥作为参照对象，将其它干燥方法同其比较，说明各种干燥方法与微波真空干燥的不同点。(1)真空冷冻干燥真空冷冻干燥是将物料放置在真空低温的环境下，然后将其由固态直接升华为气态的一种干燥方法。真空冷冻干燥同微波真空干燥进行以下一些对比: 物料在低压下干燥，使物料中的易氧化成分不致氧化变质，同时因低压缺氧，能灭菌或抑制某些细菌的活力。而微波干燥杀菌的机理却是不同的，微波杀菌就是将食品经微波处理后，使食品中的微生物丧失活力或死亡，从而达到延长保存期的目的。显而易见，在杀菌方面，真空冷冻干燥要优于微波真空干燥。 物料在低温下干燥，使物料中的热敏成分能保留下来，营养成分和风味损失很少，可以很大限度地保留食品原有成分、味道、色泽和芳香。在这方面微波真空干燥做得也是很好的，但比较而言，真空冷冻干燥是各种干燥方法中效果最好的。 由于物料在升华脱水以前先经冻结，形成稳定的固定骨架，所以水分升华以后，固体骨架基本保持不变，干制品不会失去原有的固体结构。保持着原有形状。多孔结构的制品具有很理想的速溶性和快速复水性。微波真空干燥的不同点是它具有一定的膨化效果，物料外形有较小变化。其膨化原理是微波能量到达物料深层转换成热能，将使物料深层水分迅速蒸发形成较高的内部蒸汽压力，迫使物料膨化，并依靠气体的膨胀力带动组分中高分子物质的结构变性，从而使之成为具有网状组织结构特征，定型成为多孔状物质的过程。 由于物料中水分在预冻以后以冰晶的形态存在，原来溶于水中的无机盐之类的溶解物质被均匀分配在物料之中。升华时溶于水中的溶解物质就地析出，避免了一般干燥方法中因物料内部水分向表面迁移所携带的无机盐在表面析出而造成表面硬化的现象。同样，微波真空干燥也可以避免，但机理是不同的。这是由微波真空干燥的干燥机理导致的，由于它是内部具有热源，能量是由物料外部向内部传递，传热的推动力是温度梯度，通常需要很高的外部温度才能形成所需的温度差，传质的推动力是物料内部和表面之间的浓度差。 真空冷冻干燥脱水彻底，重量轻，适合长途运输和长期保存，在常温下，采用真空包装，保质期可达3-5年。微波真空干燥由于干燥具有不均匀性，造成干燥很难把握，很容易造成干燥时间过长，而形成表面有焦的痕迹。 真空冷冻干燥同微波真空干燥相比，最主要缺点是设备的投资和运转费用高，冻干过程时间长，产品成本高。这方面，微波真空干燥的优势是很明显的，同样是冻干胡萝卜片，厚度相同，装载量相同，真空冷冻干燥试验进行了14小时，而微波真空干燥只进行了2小时。(2)热风干燥热风干燥又称瞬间干燥，是使加热介质(空气、惰性气体、燃气或其他热气体)和待干燥固体颗粒直接接触，并使待干燥固体颗粒悬浮于流体中，因而两相接触面积大，强化了传热传质过程，广泛应用于散状物料的干燥单元操作。在干燥生产中，热风干燥具有以下一些特点: 气固两相间传热传质的表面积大。固体颗粒在气流中高度分散成悬浮状态，这样使气固两相之间的传热传质表面积大大增加。由于采用较高气速，使得气固两相间的相对速度也较高，不仅使气固两相具有较大的传热面积，而且体积传热系数也相当高。由于固体颗粒在气流中高度分散，使得物料的临界湿含量大大下降。 热效率高、干燥时间长、处理量大。气流干燥器结构简单，生产能力大，操作方便。气流干燥器的设备没资费用较少。在气流干燥系统中，把干燥、粉碎、筛分、输送等单元过程联合操作，流程简化并易于自动控制。热风干燥同微波真空干燥相比具有以下一些不足:热风干燥系统的流动阻力将较大，必须选用高压或中压通风机，动力消耗较大。气流干燥所使用的气流量大，经常需要选用尺寸大的旋风分离器和袋式除尘器，造成设备体积占地面积大。气流干燥对于干燥载荷很敏感，固体物料输送量过大时，气流传送就不能正常操作。物料表面变形较大，表面质地坚硬。而且由于干燥过程中，干燥温度较高，时间较长，影响了物料中营养含量的组成，造成营养的损失，(3)热泵干燥热泵干燥是本身消耗能量从低温热源吸取能量，使其在高温温度下可以放出热量的装置。由于获得可用热量远大于本身消耗的能量，所以它是一种节能设备。热泵干燥模拟常温干燥，在常温风力的辅助下，加速干燥进程。与微波真空干燥相比，热泵干燥具有下列特点: 热泵干燥装置的能量利用率高，运行费用低。 热泵干燥一般为低温干燥，因此不会产生氧化及化学分解等现象，特别适用于热敏性物料、生物制品以及食品等的干燥，色、香、味及外观好，产品质量高。热泵干燥在常温下干燥，温度控制得很低，这点比微波真空干燥做得要好，但由于干燥时间过长，造成一些在长时间干燥中易于被破坏的营养含量损失。 对于干燥介质进行闭路循环的热泵干燥装置，能量利用合理，无环境污染问题。而微波真空干燥则要防止微波泄漏问题。 热泵干燥一般在低温下运行，设备的使用寿命长。微波真空干燥设备中，产生微波的微波发射源使用寿命同热泵比较，使用周期短。热泵干燥的缺点是就目前的热泵干燥技术水平来看，大多为低温干燥时间较长，干燥时间过长，在某种程度上影响了干燥物料的内部的一些营养成分，这些营养成分在长时间干燥下，会遭到破坏;另外，热泵干燥装置的设备投资较高。微波真空干燥都很好的解决了热泵干燥设备存在的不足，可以在略微高于常温的情况下，干燥时间短，营养含量流失少。(4)微波干燥微波干燥的加热原理同微波真空干燥是相同的，由于其工作原理同微波真空干燥很接近，所以它具备微波真空干燥的很多有点，如加热均匀、节能高效、易于控制等优点。但由于工作环境不同，造成了在微波加热过程中，无法避免被加热物料的温度持续升高，从而使得物料的干燥效果很差，并且单独使用常压微波干燥，往往会导致食品内部局部过热而严重影响产品品质，特别是在干燥后期3。(5)红外辐射加热干燥法红外辐射可把热量通过辐射直接传给物料,不需要中间介质、热损失小。红外辐射加热符合环保的要求,对被加热物没有污染。虽然远红外干燥具有干燥后使物料含水量内外均匀一致、干燥快等优点,但由于其存在设备成本高、远红外线只具有一定的穿透性,使得干燥能力介于热风干燥和微波干燥之间,对于粗大物料,其干燥能力并不能表现出来等缺点,目前该法用于鲜药材干燥的报道尚少4。在众多的干燥技术中，热风干燥虽然简单、成本低，但对产品的品质有严重的影响，特别是干燥农产品、食品及生物制品；冷冻干燥产品品质好，但设备投资大和生产成本高。干燥的经济性和产品质量之间存在着巨大的矛盾，如何以低能耗和低成本去获得优质的脱水干燥产品，是干燥技术研究中急需研究解决的问题，也是干燥技术研究和发展中的一项最大的挑战，而微波真空干燥极有可能解决这一矛盾。(三)微波真空干燥技术的应用现状微波真空干燥技术加工温度低、营养成分损失率低、脱水效率高，因此对含水率较高的水果及蔬菜进行脱水加工时，更能发挥其优势。迄今为止，对微波真空干燥技术的应用研究主要集中在蔬菜和水果等农产品的干燥方面，在中药加工方面应用还比较少5。微波真空干燥技术在国内的应用现状江南大学食品学院进行了甘蓝的微波真空和热风联合干燥试验6。试验结果表明：热风与微波真空联合干燥大大地缩短了干燥时间，提高了营养成分和叶绿素的保留率，改善了干燥品质。李瑜7等分别采用热风干燥、真空干燥、冷冻干燥、微波真空干燥与真空干燥联合干燥法对大蒜进行干燥，结果发现微波真空干燥与40真空干燥联合，干燥时间大大缩短，而干燥后大蒜的硫代亚磺酸酯保留率比较接近冷冻干燥，可达到90，与真空冷冻干燥大蒜的色差差异极小，甚至比冻干蒜的白度略好。王喜鹏8等利用真空微波干燥设备对胡萝卜进行正交回归干燥试验，通过对参数的综合优化，得出胡萝卜真空微波干燥的最佳工艺参数组合。韩清华910等采用微波真空干燥膨化技术加工苹果脆片，可在40左右，数分钟内达到干燥和膨化苹果片的目的，极大地提高生产效率，并且外形美观、色香味俱佳、口感酥脆、营养成分高，实现了苹果脆片的快速、低温、非油炸膨化加工。李远志11等研究了用微波真空干燥设备干燥酶解后的澄清型香蕉汁制作速溶香蕉粉的工艺，发现微波真空干燥后产品的多项指标均优于热风干燥的产品。张国琛12等研究了真空微波干燥参数对扇贝柱物理及感官特性的影响规律，并与传统的自然干燥和热风干燥进行了对比分析，结果表明，不同微波功率和真空度对扇贝柱的物理和感官特性有明显影响。孙丽娟13等利用微波真空干燥技术干燥的灵芝产品，其灵芝多糖和三萜酸的保留率与冷冻干燥产品十分接近，而比传统真空干燥(6065)的产品要高得多，此外采用微波真空干燥的干燥时间要短得多。邓宇14等利用微波真空干燥技术干燥蕨菜，研究其干燥特性、进行微波真空干燥与冷冻干燥、热风干燥的样品品质对比，结果发现微波真空干燥的蕨菜品质接近冷冻干燥的品质，明显优于热风干燥的品质。微波真空干燥技术在国外的应用现状美国加州大学研究用微波真空干燥技术生产脱水膨化葡萄，能很好地保持鲜葡萄风味和色泽，外形也能不萎缩，由于微波干燥温度低，干燥时间短，VB1 、B2、VC均得到较高的保留率15。法国应用国际微波公司制造的微波真空干燥机(2450MHz，48kW )加工速溶桔粉，产品不仅保持原有的色、香、味，其维生素的保持率远高于喷雾干燥16。Drouzas与Schube曾利用微波真空技术干燥香蕉薄片，研究结果显示，在干燥过程中没有出现加热不均现象，通过调整真空度与微波输出强度，可以控制产品温度和干燥速率，所加工的产品与传统方法的相比，其口感、风味和复水率等指标明显优于其它干燥方法的17。Yongsawatdigul与Gunasekaran1819进行了酸莓的微波真空干燥研究，结果表明，利用微波间歇控制真空，可进一步改善微波加热的均匀性，间歇波较连续波效率更高，微波的利用除了可以加快干燥速度之外，也可由内部蒸汽压差防止干燥产品收缩变形，还可由毛细管作用形成孔洞化组织增加复水性。Yousif深入分析了不同干燥方式对香料风味和组织结构的影响，结果发现，经微波真空干燥的产品其香味和组织结构与新鲜或经冷冻干燥的产品相比，没有明显差异，而且具有良好的色泽和复水能力，从而认为微波真空干燥可取代成本高又耗时的冷冻干燥20。Wajdylo A,Figiel A,Oszmianski J.研究应用真空微波干燥脱水草莓生产过程的影响。真空微波干燥对脱水草莓抗氧化活性的影响进行了评价。数据分析表明，鞣花酸和黄烷醇的变化受干燥技术的影响。传统的真空干燥会使品种的有效成分的含量和抗氧化活性均下降。而真空微波加工草莓可以生产出高品质的产品，另外还可以减少加工时间，提高效率21。Clary CD,Mejia-Meza E,Wang S,Petrucci VE 研究分析了控制微波真空干燥温度可以提高葡萄的品质22。 Meda V,Gupta M,Opoku A.利用微波真空干燥技术干燥萨斯卡通浆果,来研究微波真空干燥动力学对浆果质量特性的影响。结果表明应用微波真空干燥技术可以有效的提高干燥的效率及时间，能使浆果有效成分的保质期延长23。(四)微波真空干燥技术研究和应用前景目前,国内、外微波干燥技术已在医药化工领域得到广泛应用, 特别是在中药炮制、中药干燥灭菌、中药萃取等方面表现出强大的优势, 但鲜见将微波技术作为社会大生产的新技术应用到中药散剂的研究。 微波真空干燥技术非常适合中药材的干燥生产，但在实际的推广应用上还存在不少实际问题。微波真空干燥技术作为一种高效的干燥方法，推广使用的时间不长。虽然有不少科研人员对于微波干燥机理及各种物料的干燥特性做了大量的研究工作，但仅限于实验室规模，很多实验数据出自于家用微波炉，真正能用于实际生产的实在太少。而且各种不同物料的微波干燥特性也各不相同，对许多物性受微波影响的研究还不够深入。微波加热的在线测量手段还很缺乏，远不能满足其实际需要。由于微波真空干燥过程是在一个完全封闭的空间进行，而微波试验的在线检测又较困难，这是因为微波会对电子传输的在线数据造成干扰，使读数不稳定。对于我们通过试验获取大量不同中药材在微波真空干燥下的试验数据造成极大的困难，这方面还需要我们做大量的扎实的工作。设备新品开发与应用脱节。因为微波真空干燥设备的设计是以电磁波传输理论为基础的，从事设备设计的技术人员一般不了解中药材的加工工艺及特殊性，而食品研究工作人员积累的大量常规农产品加工的经验又不能完全移植于中药材微波加热系统。两者的结合需要一定的时间，这是影响微波真空干燥技术在中药材加工干燥中不能迅速推广的一个主要原因。目前，国内外微波真空干燥设备装置的结构还比较单调，技术性能还有很多需要完善的地方，干燥设备的性能、特别是自动监测和自动控制能力亟待提高，这也是微波真空干燥技术不能广泛应用于中药材生产中的另一主要原因。微波真空干燥作为一门先进工艺，近年来，随着微机技术应用的迅速发展，通过微机控制不仅能实现操作程序自动化，而且能对电源系统的工作进行优化实时控制，充分发挥微波功率能快速调整及无惯性、易于即时控制的特点。在一些先进的软件支持下可实现可视化、人机对话、在线显示温度压力及物料的重量，实现实时监控，极大地方便了试验研究。因此，加强这方面的理论和实际的应用研究，可以促进微波真空干燥技术的广泛应用。可以相信，随着微波真空干燥设备的计算机自动监测和控制水平的不断提高，微波真空干燥技术将在中药材的加工干燥中获得更广泛的应用。根据微波真空干燥的特点，微波干燥主要是用来提高干燥能力(迅速去除水分而不在物料内部产生温度梯度)或是用于终端干燥，用于去除干燥后期需要花费很长时间才能出来的几个百分点的水分。研究微波真空干燥与其它现有干燥技术的有机结合，充分发挥各种干燥技术的优势，便可以达到既保证产品质量又降低能量消耗的目的5。微波真空干燥技术所具有干燥温度低、干燥速度快、干燥效率高、干燥质量好、对干燥物料的适应性强，兼有灭菌功能等的优点，在一定的真空度下，可保证湿物料干燥全过程在设定的低温下干燥，是一种有效、实用、有潜力、有前景的新型干燥技术，非常适合于中成药生产这个对干燥要求高的特殊行业微波真空干燥技术作为一项高新技术，以其独特的加热特点和干燥机理为中药材的干燥开辟了一条新的途径，这项技术将在完善自身技术方法和设备的同时，不断与其它干燥技术相结合，向着更广更深的方向发展，应用前景十分广阔。参考文献1刘高进.中药材干燥方法及微波技术在中药材干燥中的应用.科技信息.332.2崔正伟，许时婴,孙大文.微波真空干燥技术的进展J粮油加工与食品机械，2002(7)：28-303王喜鹏.微波真空干燥过程的特性及应用研究J.东北大学硕士论文,2006.4苗明三,马霄.中药鲜药加工方法探讨J.时珍国医国药,2009,20(5):1209.5黄艳,黄建立,郑宝东.农产品微波真空干燥技术的现状及发展趋势J.福建轻纺,2009(2):40-42.6徐艳阳,张慜等.热风和微波真空联合干燥甘蓝实验J.无锡轻工大学学报,2003,(6).7李瑜,许时婴.大蒜干燥工艺的研究J.食品与发酵工业,2004(30):54-58.8王喜鹏,张进疆,徐成海等.胡萝卜的真空微波干燥特性研究及工艺优化J.现代农业装备,2005(10):84-88.9Han 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