朱文学 赵雅婷 吴建章 陈鹏枭* 蒋萌蒙 陈 楠 包 含 王玮娜

(1.河南工业大学 粮食与物资储备学院,郑州 450001;2.河南天赫伟业能源科技有限公司,郑州 450001)

近年来,我国不断推进农业供给侧结构性改革，大力发展中医药,中药材作为中医药行业发展的基础,种植面积在全国范围内大幅增长[1-2]。2020年,全国有6个省份中药材种植面积超3 000 km2[3]。我国拥有中药材资源约1.3万种, 其药用植物类约占87%, 不同种类中药材的蕴藏量和产量差异显著, 其中根茎类中药材有200～250种[3-5]。

干燥是中药材产地加工中一道重要工序，与中药材品质及后续的加工储藏密切相关。新鲜根茎类中药材初始含水率较高，干燥过程中水分去除不当易导致中药材腐败变质变色、生虫蚁；
温度过高会引起中药材内部水分梯度失衡并发生褐变反应，导致有效成分损失，影响中药材整体质量水平及临床使用效果[6-8]。周铜水[9]发现丹参中成分受干燥条件影响显著，主要活性成分丹酚酸B属于干后胁迫诱导产物，并非栽培期的原始积累成分；
因此干燥对于新鲜采收的植物类中药材尤其是根茎类而言，是一个干燥胁迫的过程，极有可能诱导相关活性成分的合成与积累，此发现经低场核磁共振和高效液相(HPLC)法得到验证[10]，具体相关胁迫诱导机理的研究目前还未成熟。综上，根茎类中药材品质与干燥方法及干燥过程中的温湿度、风速等干燥参数的调控关系紧密，干燥设备对干燥参数的控制直接影响中药材外观形状及有效成分保留。

中药材作为我国特色资源，国内已有研究在结合根茎类中药材生产特点的基础上，对根茎类中药材的干燥技术进行了研究，并设计相关干燥装备，促进了中药材干燥加工机械化的发展。本研究拟对国内外根茎类干燥技术与装备进行概述分析,比较单一式、联合式的干燥技术及装备对根茎类中药材干燥特性及品质的影响，总结根茎类中药材干燥领域目前存在的问题，并对根茎类中药材干燥的发展趋势进行探讨性研究。

干燥实质是物料内水分由内向外迁移至表面并蒸发的过程，水分迁移路径是影响水分迁移能力的关键因素[11-12]。干燥过程中水分运动主要受温度梯度与湿度梯度影响，物料内部形成温湿度梯度产生压力差，促进物料内部的水分由高温向低温迁移，至表面后汽化，当物料中水分表面汽化的速率小于内部扩散的速率时，此为表面汽化控制，通常表现为恒速阶段，当物料中水分表面汽化的速率大于内部扩散的速率，此为内部扩散控制，表现为干燥中的降速阶段[13-14]。根茎类中药材主根内部呈非均匀结构，干燥时内部水分扩散情况复杂，湿分主要靠主根内部水分迁移，可通过有效水分扩散系数(Deff)反映内部水分迁移情况[15-16]。对根茎类中药材干燥而言，生产成本、设备成本及干后品质稳定性是必须考虑的因素。除传统干燥外，热泵干燥、微波干燥、远红外干燥、脉冲气流干燥、喷雾干燥、真空脉动干燥、射频干燥，折射窗干燥等现代干燥技术迅速发展[17-18]，同时联合干燥技术因其取长补短的技术优势，也在干燥领域具备较大发展潜力。

我国中药材种类丰富，干燥技术多样，因此建立完整的干燥品质评价体系较为困难，目前根茎类中药材干后品质主要从水分、灰分、浸出物、折干率、色泽变化、有效活性成分及2020版《中华人民共和国药典》中规定的相关指标成分等方面进行评价，可采用色差仪、核磁共振波谱仪、高效液相色谱仪等精密仪器进行测定[19]。根茎类中药材是典型多孔介质结构，其干燥特性研究主要从刚性、密度、复水率、皱缩率、孔隙结构、水分迁移方向及有效水分扩散系数(Deff)等方面进行研究，通过深入研究温度场、湿度场等物理场在多孔介质中变化规律及湿热传递机理，为中药材干燥技术与装备研究及建立相关干燥模型提供思路[20-21]。

1.1 自然干燥技术

传统产地干燥方法主要包括晒干法和阴干法。晒干法是在天气良好的条件下将中药材平铺在晒场或晒架上，在太阳能辐射和风能作用下内部水分由内向外扩散；
阴干法是将采摘后的中药材置于阴凉通风处或通风室内进行自然晾干[22]。根茎类中药材在自然干燥过程中水分蒸发速率慢，内部水分扩散速率低，干燥耗时较长，因此中药材内部会产生大量孔洞使其结构疏松，密度较低。

根茎类中药材干燥分为排除表面自由水的外控干燥阶段与排除内部结合水及毛细管水的内控干燥阶段2部分，晒干过程中白天太阳暴晒，促进中药材外控干燥脱水；
夜晚环境温度下降，中药材表面与内部形成水分梯度，结合水与毛细管水向表皮迁移，促进中药材内控干燥脱水[23-24]。罗寅珠等[25]研究自然干燥(晒干、阴干)与不同温度(40、55、70 ℃)下热风干燥对半夏干燥特性及品质影响，发现晾晒干燥后的半夏品质综合评价值最优，这是因为晒干过程中昼夜交替，半夏块茎内部外控干燥阶段与内控干燥阶段呈交替主导，达到脱水平衡，使其结构收缩均匀紧致。王也丹等[26]对比了不同干燥条件下秦艽的自由基和各活性成分变化规律发现，经发汗烘干与传统发汗阴干后的秦艽中药材能保持良好的抗氧化和抑菌能力。李晶晶等[27]研究干燥方法对麻花艽品质影响时发现，将传统工艺“杀青”与阴干法结合，麻花艽中有效活性成分保留量仅次于冷冻干燥和微波干燥，且耗时耗能少，操作便利，这与段金廒等[28]研究结果一致。自然干燥主要缺点是干燥时间较长，干燥过程中的自然条件不可控，遇到阴雨天气干燥不及时易导致中药材发生霉变、褐变、虫蚁病害的滋生或微生物严重超标，难以达到标准卫生指标[29]，且容易因尘土等造成二次污染。但自然干燥经济成本低廉、操作简单，无需设备支持，在我国中药材加工中的应用历史悠久，目前在中国南部地区，大部分中药材种植户仍采用这种传统干燥方法[30]。

1.2 热风干燥技术

热风干燥法即烘干法，主要利用热源加热干燥室内空气，在热空气作用下物料水蒸气不断积累并形成温度梯度和水分梯度，同时流动热风将扩散至表面的水蒸气带走以达到干燥目的[31]。根茎类中药材干燥温度一般控制在60 ℃以下，仅通过提高干燥温度并不能提高干燥效率，因为中药材表面因干燥过快会出现结壳硬化现象，阻碍内部水分扩散速率，同时高温会引起中药材表面发生美拉德反应造成焦糊现象，影响中药材品质[32-33]。研究发现通过变温热风干燥或调控干燥过程相对湿度的方式可以改善上述问题。巨浩羽等[34]在研究不同相对湿度保持时间对山药热风干燥特性的影响中发现，高湿环境有利于强化山药的传热作用及后程干燥中山药内部传质运动，且可保持山药的多孔组织结构；
在此基础上通过阶段降湿干燥试验得出：相对湿度为50%保持 10 min 时，山药干燥效率最高，干燥时间最短，此外，有研究发现相比全程连续排湿的干燥方式，分段排湿也可较好地保证中药材干燥品质[35-36]。针对直接将干燥时间带入干燥动力学模型无法准确得到分段式干燥各干燥阶段水分比的问题，吴小华等[37]以西洋参为干燥对象，提出一种适用于分段式热风干燥的动力学模型计算方法；
验证试验结果与计算结果平均相对误差仅为 1.78%，说明此计算方法可用于分段式热风干燥过程中水分比变化规律分析。为优化一段式木薯干燥工艺，杨潇潇等[38]提出了先高温、后低温的变温式热风干燥方案，试验干燥温度为80～100 ℃，不仅能够避免低温造成能耗损失，也不会出现高温引发木薯的糊化变质现象；
100 ℃(干燥30 min)～80 ℃(干燥30 min)，此方案可满足60 min内将木薯降至安全含水率(35%)的设计要求，提高了整体干燥效率。

热风温度不仅影响中药材内部水分扩散，与中药材品质也密切相关。部分根茎类中药材淀粉或糖类物质含量丰富，热风干燥过程中，随着热空气温度升高、空气介质流速加快，水蒸气压升高引起物料表面水分快速蒸发，糖类物质中醛基或羰基与氨基酸中氨基结合发生Maillard反应或焦糖化反应，生成糖醛类及其衍生物等各类物质，改变中药材的色泽、香味[39-40]。张丽等[41]在研究黄芪热风干燥特性变化规律时发现，热风、微波、红外3种干燥方式下黄芪色泽品质受干燥温度影响显著，同一温度下，微波干燥样品出现局部焦糊，其余外观形状保持良好；
红外50 ℃干燥条件下黄芪内有效成分得到最大保留；
热风干燥后黄芪外观形状较好，能耗最低。张芳等[42]在对党参热风干燥研究中发现，干燥温度的持续升高会导致中药材浸出物与挥发油含量逐渐降低，同时颜色暗淡；
干燥温度50 ℃、切片厚度5 mm、装载量10 kg/m2为最佳干燥工艺，验证试验表明，干燥时间16 h，浸出物含量为62.24%，党参色泽良好，无卷曲，无焦黄。热风干燥温度及速率对中药材品质的影响也体现在干后中药材物理结构上。以三七为例，不同热风干燥温度对其干后结构及复水率影响显著，低温干燥下三七内部结构紧密、孔隙度较小，水分不易进入，故复水率较低；
高温烘干下三七内部结构疏松多孔，水分易进入，有利于复水，但多孔结构在加工储藏中易吸水受潮，导致中药材发生霉变[43-44]。热风干燥技术因简单易操作的优势广泛应用于根茎类中药材干燥加工中，但高温干燥条件易造成中药材外观形状劣变及有效成分的降解，未来研究可对干制中药材中有效成分变化原因进行分析，确定最佳热风干燥工艺。

1.3 空气源热泵干燥技术

空气源热泵干燥是一个热力循环过程，主要利用逆卡诺原理，液体冷凝剂在蒸发器内减压蒸发吸收空气中的热能，经压缩机压缩为高品位热能，再由高压冷凝释放热量至干燥室内以提高室内温度，物料表面水分在热空气作用下迅速汽化促使表面与内部形成湿度梯度，内部水分在湿度梯度作用下向表面迁移汽化并形成水蒸气进入蒸发器继续进行减压蒸发，以此实现干燥循环[45-46]。我国热泵干燥技术起步较晚，在中药材领域应用较少，但在食品领域已进行较多研究[47-51]。干燥温度对于根茎类中药材有效成分的保留影响显著，温度的提高有利于增大物料内的水分子动能，加快传热传质速率[52-53]。陈永春等[54]在巴戟天热泵干燥实验中发现，干燥温度与样品长度对实验结果有极显著差异，巴戟天中多糖和蒽醌含量与干燥温度呈负相关，干燥温度从45 ℃增加到65 ℃，多糖含量减少52.40%、蒽醌含量减少55.37%；
样品干燥长度越长，中心水分迁移至两端速度越慢，导致干燥时间延长。余洋洋等[55]发现热泵干燥温度对高良姜的色泽、活性物质、挥发性成分影响显著，50 ℃干燥的高良姜素含量为 (6.29±0.07) mg/g,且热泵干燥的高良姜素含量均大于日晒干燥；
热泵温度超过 50 ℃时，总酚和总黄酮的含量随着热泵温度的升高而降低。李丽等[56]以温度为基点，对新鲜山药进行热泵干燥，通过收集热泵与热风的干燥数据建立数学模型分析干后山药的品质变化发现，与热风干燥相比，热泵干燥后的山药复水性良好，整体色泽形状与新鲜山药状态更接近，此结论与卢素珊等[57]和龚丽等[58]进行的山药干燥研究结果一致。随着对中药材品质要求的提高，低温干燥是中药材干燥未来发展趋势之一，低温干燥具有物料受热均匀、色泽营养保持良好等优势，热泵干燥技术可满足上述要求；
同时热泵干燥节能环保，符合我国近年来推崇的绿色碳中和理念，将热泵干燥技术应用在食品、中药材、农产品等产业并实现规模化发展，可缓解我国能源紧缺问题。

1.4 微波干燥技术

微波干燥主要是利用微波较强的穿透性，在透入介质时，介质分子在较高微波频率下内部发生剧烈震动产生热能以达到干燥目的。微波干燥过程中物料由内向外形成温度梯度，内部高温环境加快水分汽化产生并积累蒸汽，进而形成内外压力差，促进物料内部向表面进行传热传质运动[59]。微波干燥具有自动平衡性能，即使干燥物料形状复杂，也可保持均匀干燥，不会导致外焦内湿[60]。微波功率与中药材的初始含水率是影响干燥效率的关键因素，田思慧等[61]在新鲜姜黄片微波干燥试验中发现，微波功率较高(50%～100%)时，干燥过程主要发生在降速阶段，干燥时间较短，而微波功率较低(30%)时，干燥过程主要发生在恒速阶段;姜黄片初始含水率越高，对微波的吸收越大，姜黄内部和表面之间的压力差使微波干燥前期水分迅速扩散；
姜黄挥发油中存在热敏性物质，易受热分解，但近红外光谱仪测定发现干后姜黄片有效化学成分损失较少，与Surendha等[62]微波干燥研究结果一致。Bai等[63]采用超高液相色谱法对比不同干燥方法对当归活性成分的影响，发现微波干燥、远红外干燥及其联合干燥可较好地保留当归中有效活性成分，但这3种干燥方法也诱导了当归切片中(Z)-ligustilide和(E)-ligustilide 2种成分发生降解，具体降解机制有待进一步探究。Zhu等[64]研究了不同加工方法处理的黄连根茎中总糖、低聚果糖、游离氨基酸等十几种化学成分的变化，结果表明微波干燥中高温环境对酶造成不可逆灭活，黄精根茎中多糖类物质氧化程度降低，避免了有效成分流失。微波干燥具有干燥热效率高、干后质量好、污染小等优点，但基于电磁场的不均匀性，若对中药材持续进行微波干燥，会出现局部过热现象导致中药材焦化，品质受损[65]，改善微波干燥局部“热点”和“冷点”及“热失控”引起的中药材局部焦糊现象是未来研究方向之一，目前有研究将微波干燥与其他干燥技术联合用于解决微波干燥局部过热的问题。

1.5 红外干燥技术

红外干燥主要通过固体分子或晶格振动产生波长区间为0.75～1 000 μm的电磁波，物料内部分子遇红外线吸收其能量并发生高频震动，引起内部温度上升，水分蒸发并自内向外扩散， 其传热方式为辐射传热[66]。与微波不同，红外辐射干燥是一个由外向内的辐射过程，增加中药材切片厚度会增大自由水向外迁移的阻力，延长传热传质路径，降低辐射干燥效率[67]。为分析干燥过程中切片厚度对水分扩散的影响，周四晴等[68]使用低场核磁共振波谱分析(LF-NMR)和成像分析技术(MRI)对远红外干燥过程中新鲜怀山药片水分状态进行监测，发现辐射距离与温度相同的情况下，切片厚度与干燥时间成正比；
厚切山药片中多糖类、黏蛋白等成分在干燥过程中形成一层致密网状薄膜，限制深层水分的排出；
薄切山药片吸收辐射产生的热效应较高，水分子获得较大动能，更容易逸出网状薄膜，故干燥速率提高。张乐道等[69]对比怀山药热泵干燥与远红外干燥的溶出性发现，远红外干燥后的怀山药片溶出性更好，经验证，各因素对干燥试验影响大小为切片厚度>辐射温度>辐射距离。崔莉等[70]为探究干燥温度对黄岑远红外干燥特性的影响，收集黄岑干燥数据并建立模型，对黄芩干燥过程中的水分变化规律和干燥速率进行预测。结果发现，干燥过程整体为降速阶段，没有明显的恒速阶段；
黄岑根直径及干燥温度对干燥速率有显著影响，有效水分扩散系数与干燥温度在远红外辐射区间内呈正比。Fernando等[71]在姜黄远红外干燥试验中发现，姜黄的干燥速率与变色指数随远红外波长的减小和曝光时间的延长而增大;姜黄素含量受远红外波长与曝光时间影响显著。红外干燥技术具有干燥均匀、能耗低、干后产品质量高等优点[72]，目前红外干燥设备成本与运行成本较高，在中药材干燥中应用并不成熟。不同种类中药材都有特定的红外吸收带，将智能控制系统与红外干燥结合，允许特定波长通过的红外干燥技术更适用于根茎类中药材干燥。

1.6 真空冷冻干燥技术

真空冷冻干燥简称“冻干”，将新鲜中药材预先降温至共晶点温度以下，在真空条件下升温，使物料中水分直接升华排出达到干燥目的。三七、黄芪、党参等大部分根茎类中药材初始含水率高，结构疏松，高温干燥环境会使其内部水分迁移加快，蒸汽密度快速升高产生压力差导致结构塌陷，并造成对热敏感或水溶性化学成分的流失，而冷冻干燥低温低氧的环境能较好地保留中药材结构和活性成分，有效抑制微生物繁殖与部分酶活性，保证中药材干后品质[73-74]。Chumroenphat等[75]利用HPLC与红外光谱(PTIR)分析不同干燥方式对姜黄有效成分的影响，发现冷冻干燥后的姜黄样品中姜黄素等总酚与黄酮类含量显著高于其他干燥方法，Liang等[76]在白芷干燥试验发现，冷冻干燥时白芷中酶活性比其他干燥方法低2～3倍，降低了化学成分氧化程度。张燕青等[77]发现由真空冷冻干燥或真空干燥的黄芪收缩率小，水分直接由固态转化为气态向表面迁移对黄芪微观组织结构破坏较小，孔隙均匀，复水性良好，与黄芪鲜样基本无色差。刘胜男等[78]对三七根茎热风干燥与真空冷冻干燥进行比较发现，冷冻干燥后的三七褐变程度低，皱缩率较低，微观结构与外观形状保持良好，这是因为在冻结状态下进行干燥，三七物理结构及分子结构变化较小，同时低温真空环境抑制三七中淀粉转化糖类，减缓了干燥过程中的褐变反应，这一点与赵美芳等[79]进行的铁皮石斛冷冻干燥试验结果吻合。冷冻干燥可较好地保证中药材的外观形状，减少有效活性成分流失，但相较其他干燥技术，设备投资大、能耗高、运行成本高，导致冷冻干燥使用范围较为局限，随着真空冷冻干燥技术的深入研究，该技术在中药材领域会有更广泛的应用。

将根茎类中药材常用单一干燥技术的干燥特性与品质特性进行对比结果见表1。

表1 根茎类中药材常用单一干燥技术的干燥特性及品质特性对比Table 1 Comparison of drying characteristics and quality characteristics of common single drying technology for rhizome traditional Chinese medicine

表1(续)

1.7 联合干燥技术

联合干燥技术指结合2种或2种以上的干燥方式，在保证根茎类中药材品质的前提下，形成干燥优势互补。对比分析单一干燥技术与联合干燥技术干后产品的复水比、色差值、T-VBN值、细菌总数和设备能耗值的变化，发现联合干燥显著优于单一干燥，可节约能耗约34.6%[86]。

太阳能辅助热泵干燥技术结合了热泵干燥系统和太阳能干燥系统的优势，将太阳能源作为热泵的辅助能源以降低系统能耗，同时解决了在梅雨季节及昼夜温差较大地区太阳能系统利用率低下的问题。太阳能联合热泵干燥装置因其高效率、低能耗、连续性良好等优势广泛应用于中药材、粮食及农产品领域[87]。Tham等[88]利用太阳能温室干燥设备，将热泵集成到太阳能温室干燥机中，室内相对湿度降低了10%～15%；
验证结果表明，太阳能温室干燥器在晴朗天气下的性能整体表现良好，热泵在整个干燥过程中可将房间相对湿度保持在最高65%，干燥速率显著提高；
热泵系统运行使物料的干燥时间节省10%；
热泵系统提供0.25～0.50 m/s的热风有助于提高中药材干燥速度，减小太阳能温室干燥机内温度与相对湿度的不均匀性。

胡居吾[89]采用封闭式热泵-热风联合干燥装置研究温度、风速对物料的影响，发现干燥前期阶段低温热泵技术与干燥后期阶段短时热风干燥技术相结合的干燥方式显著缩短了干燥时间，降低了物料褐变程度；
这其中干燥温度对整个干燥过程影响显著，从低温热泵干燥阶段调至热风干燥阶段时的切换点是影响干燥效率、干后品质及设备能耗的关键点。远红外-热泵联合干燥技术不但能较好地保持中药材的品质和有效活性成分，而且与单一干燥相比能耗更低、干燥速率更快、对环境几乎无污染[90]。新鲜中药材在远红外区间内能较大幅度吸收远红外线，内部进行重复共振而产热，促进水分受热蒸发;将热泵与远红外干燥两者结合进行交互干燥，可突破单一干燥方式的局限性，既提高了中药材干燥后的活性成分含量，又解决了热泵干燥后期物料内部水分难以扩散排除的问题[91]。因此，远红外联合热泵干燥技术在中药材干燥中具备较大发展潜力。直触超声(CU)利用其特有的机械效应和空化效应将能量传输至物料内部，使物料组织结构蓬松、微观孔道数量增多、有效降低传质阻力，有利于干燥过程中物料内部水分向外迁移，薛扬等[92]发现将热泵干燥技术(HPD)和直触超声2种技术联合应用的超声强化热泵干燥技术(CU-HPD)，能够强化HPD过程中的物料与环境的传热传质进程，利用变异系数法对CU-HPD技术干燥后的山药的多个品质特性进行综合评价，分析得出干燥温度55 ℃、超声功率60 W的条件下，铁棍山药的品质最佳，干燥效率最好。

干燥收缩是导致干燥过程中根茎类中药材质量和外观恶化的关键因素，由于干燥过程中大量水分快速流失，物料的微观孔隙结构在毛细应力的作用下变形塌陷，导致物料宏观上的皱缩或卷曲变形[93-94]。Ishibashi等[95]为研究真空条件下连续微波辐射加热对水分迁移和收缩现象的影响，提出了一种原位测量干燥收缩特性的方法，利用核磁共振(MRI)与差式扫描量热仪(DSC)观察样品内部水分分布及玻璃化转变现象发现: 真空条件下，连续微波加热可加快样品中水分迁移速率，受外部环境压力的影响，样品内压力梯度减缓，降低了样品内部结构收缩程度；
同时真空微波干燥过程中，样品内部出现玻璃化转变现象，有效降低了样品收缩率。人参皂苷作为人参的主要活性成分，具有抗糖、抗氧化、抗肿瘤、提高机体免疫力等作用，其含量受干燥过程中温度及切片厚度影响显著[96-97]。Ning等[98]研究了微波-远红外干燥时其切换点含水率(SW)、人参切片厚度和远红外干燥温度对白参切片干燥指标(色差、人参皂苷含量、表面干缩率)和干燥效率的影响。结果表明，随着联合干燥时SW值、远红外干燥温度和切片厚度增加，色差和表面缩水率呈先降后增趋势，人参皂苷含量呈先增后降低趋势；
联合干燥比单一远红外干燥相比，可得到较高的人参皂苷含量，同时白参干缩率较低。Pei等[99]在研究人参红外-热风联合干燥的干燥特性、人参皂苷量及感官特性时得到类似结果，经扫描电镜发现联合干燥后的人参片组织结构均匀致密。联合干燥技术整体提高了干燥效率，缩短干燥时间，对于初始含水率较高的根茎类中药材，联合干燥是有效的干燥方法之一。目前联合干燥大部分为2种加热方式联合使用，其干燥特征见表2。未来研究中可尝试对多种干燥技术进行间歇或交叉加热的方式，实现中药材更高效率的干燥加工。

表2 根茎类中药材常用的联合干燥技术的干燥特征对比Table 2 Comparison of drying characteristics of combined drying technology commonly used in rhizome traditional Chinese medicine

2.1 热风干燥装备

热风干燥设备是在传统热风干燥技术上发展起来的一类设备，热风干燥原理见图1。传统热风干燥机的热源多为天然气、燃煤等自然资源，干燥效率较低[103]。针对传统热风干燥受干燥装备制造工艺与能量补给方式局限、无法对干燥过程进行精准控制的问题，干燥领域开展了大量有关中药材干燥设备多参数控制的研究工作。巨浩羽等[104]为解决传统箱式热风干燥机运行时整体温度、风速不均匀等问题，设计了一种基于温湿度可控的箱式热风干燥机；
将干燥室风道与风机进风口相连以实现回收余热降低能耗的目的，系统主机可控制干燥室内多段干燥的温湿度参数，经Fluent模拟验证，该干燥室内温度分布一致，风速均匀。刘尔玺等[105]研制的中药材热风循环箱式干燥机加入了温湿度传感控制系统，提高了设备自动化控制程度，可保证干燥过程中药材的品质;在保持干燥效率的前提下，提高了设备热能回收利用率及热能分布均匀性。Li等[106]利用温湿度可控的热风干燥机对天麻进行热风干燥特性研究，设备在冷凝器入口设置了阀门对干燥室内空气温度和相对湿度变化进行调控，在干燥室入口处安装了电加热器作为辅助加热器用于平衡温度范围，防止室内温度低于所需温度。赵昌友等[107]将PLCS7-200控制系统与热风干燥装置结合，通过控制干燥室内部空气的运动路线与空气流速，达到调控干燥速率的目的；
在原有热风干燥机的运行原理上加入智能化控制系统，能对-55～125 ℃范围内温度精准测量，整体能耗降低10%～15%；
可根据不同品种中药材干燥的需求进行参数调整，有利于把控干燥物料质量，保持物料原有特性。热风干燥机投资小、装载量大、设备成本相对较低，有利于在中药材产地干燥中实现大规模应用；
提高设备安全性、降低运行能耗、与其他干燥技术连联用提高干后中药材品质是热风干燥机未来的发展趋势。

1.烘干房；
2.排湿口；
3.温湿度传感器；
4.上风机；
5.回风窗；
6.加热器；
7.下风机；
8.控制面板；
9.进风口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 热泵干燥装备

热泵干燥系统实质上是热量提升装置，热泵烘干机组利用逆卡诺原理，从周围环境中吸取热量，经压缩机与冷凝器加压除湿后传递给被加热物料，达到干燥脱水的目的[108]，热泵干燥机原理见图2。近几年热泵干燥因其绿色无污染，高效节能等优势在中药材干燥领域得到开发应用。

1.干燥室；
2.回风口；
3.进风口；
4.蒸发器；
5.风机；
6.压缩机；
7.膨胀阀；
8.冷凝器1.Drying room; 2.Return vent; 3.Air inlet; 4.Evaporator; 5.Fan; 6.Compressor; 7.Expansion valve; 8.Condenser

陈东等[109]对一种热泵式流化床干燥装置性能结构分析发现，该装置是采用干燥介质的密闭循环方式，可以根据不同中药材的特点选择适合的干燥介质；
加热低温空气所用的热量大部分来自热泵蒸发器吸收流化床排风的余热，能耗较低，运行成本约为传统热泵干燥机的50%。冯道宁等[110]为降低小企业和农户的干燥成本，设计了一种可实现干燥与保鲜双用途的热泵干燥系统，通过改良保温房结构，将干燥室与冷库结合，通过四通电磁阀完成制冷和制热模式的切换；
设备采用了排湿和循环一体化新型风道；
选用混合型制冷剂将热泵干燥变温范围扩大至5～75 ℃；
验证试验发现，高温干燥可显著提高物料初期的脱水效率，低温状态保鲜能力与普通冰箱持平，设备造价降低了近50%。为降低热泵干燥机能耗，Zlatanovi等[111]分析SMER(比水分提取率)、SEC(比能耗)等能效指标研究对热泵系统空气再循环率的影响，发现消耗能源的部件是热泵压缩机和烘干机风扇；
在保证干燥效率的前提下，采用低摩擦材料、改变风道气流截面及选择具有低压降特性的空气阻尼器等措施对干燥器风道分配系统进行适当的气动改进，可优化干燥器风机的性能，有利于热泵干燥机进行全空气再循环。热泵干燥机节能环保，干后中药材品质较好，适用于大范围推广，由于设备研发还不成熟，部分设备机型工作参数不稳定，误差较大，需要进一步研究，改善设备运行稳定性。

目前根茎类中药材干燥的研究主要集中在干燥特性与品质变化，干燥设备研究相对较少。表3汇总了根茎类中药材常见干燥装备的特点及适用范围。

表3 根茎类中药材常见干燥装备汇总Table 3 Summary of drying equipment for rhizome medicinal materials

表3(续)

2.5 联合干燥装备

联合干燥装备是将2种不同的干燥系统有效结合，在不同的干燥阶段采用相应干燥技术以达到优势互补、提高能效的一类干燥设备，图3为热泵-微波联合干燥设备运行原理。

1.热风进风管道；
2.散风风机；
3.进料口；
4.微波抑制器；
5.观察孔；
6.热泵控制面板;7.微波发射装置；
8.热泵泵体；
9.回风风机；
10.热风回风管道；
11.微波控制箱；
12.物料传送带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]结合不同干燥方法的优点，开发了一种复合式干燥系统，在热泵干燥器(HPD)和红外辅助热泵干燥器(IRAHPD)的比较试验发现，系统达到稳定状态的过程中，热能损失减少，系统干燥效率增加，整个系统的性能系数区间为2.11～2.96；
干燥效率为31.6%～66.8%。Hao等[122]针对太阳能干燥过程不稳定、可控性差的问题，提出并构建了一种新型的直膨式热泵辅助太阳能干燥系统。通过建立理论模型，得到了系统的出口风温，并对系统的运行性能和干燥特性进行试验和理论研究。结果表明，对于出口空气温度和集热效率,试验值与预测值具有较强相关性，其相关系数R2分别为0.98和0.96；
由于干燥空气温度较高，直膨式热泵辅助太阳能干燥系统的平均干燥速率高于敞开式太阳干燥系统；
改进的Page模型是描述干燥特性的最佳模型，得到系统的比吸湿率为0.85 kg/(kWh),研究证明该系统运行具有可行性。Gu等[123]针对产品干燥均匀性差、干燥时间长的问题，提出一种新型太阳能辅助热泵(SAHP)干燥系统，对不同操作参数与干燥性能进行了数值模拟和试验研究。结果表明，在给定条件下，太阳能集热器的热效率和热泵系统的COP(性能指数)分别达到63%和5.03；
该系统的平均供热能力为130.2 kW/h，与冬季典型晴天的模拟结果一致，此装置可为根茎类中药材干燥设备开发提供理论参考。为保证姜黄干燥后的品质，Jeevarathinam等[124]设计开发了一种红外辅助热风干燥机(IRHAD)，设备运行原理见图4。在固定风速为2 m/s的条件下，分别对红外线辅助热风干燥、红外干燥和热风干燥3种不同的干燥方式进行了干燥试验。结果表明，在70 ℃时，红外线辅助热风干燥机的干燥时间比红外线干燥机和热风干燥机分别缩短了26.98%和35.21%，红外辅助提高了干燥速率，干燥能耗显著降低；
以姜黄为试验样品进行验证发现，IRHAD系统在60 ℃干燥条件下，姜黄素等有效成分损失最少，色差最小。联合干燥装备不仅可以减少干燥时间，还可以保持中药材质量以实现综合干燥效果，目前联合干燥设备在中药材领域工业化应用较少，主要是联合干燥装备发展不够成熟，设备成本高，研究出大型、连续型、智能化的联合干燥装备对中药材行业实现机械化发展具有重要实际意义。

1.碳纤维红外板；
2.上挡风板；
3.载料架；
4.下挡风板；
5.支撑座；
6.电动机；
7.转动轴；
8.温湿度传感器；
9.上回风管道；
10.排湿风机；
11.控制面板；
12.气流分配室；
13.风向导板；
14.温湿度传感器；
15.回流风机；
16.下回风管道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

干燥加工是生产优质根茎类中药材的重要环节，目前新型干燥技术与装备研究逐渐增多，但受到干燥工艺和成本等问题的制约，应用到根茎类中药材产地干燥中的较少。根茎类中药材干燥主要存在的问题如下：

1) 干燥过程中物料堆积形式不当易损坏中药材品质。在我国高速发展并大力推动中医药行业发展的背景下，中药材需求量渐增，收获季节中药材干燥产量增多，根茎类中药材干燥效果受尺寸大小、装载量及堆积形式影响，干燥过程中若装载量过大或堆积形式不当会影响干燥室内水蒸汽排出速度及药材内部水分扩散的速率与范围，中药材内部与表层干燥温度不一致会导致局部过热、干燥不均匀等问题，降低干燥效率且影响中药材干后品质。

2) “发汗、揉搓、杀青”等传统工艺在干燥工艺研究中被忽略。“发汗”、“揉搓”、“杀青”是部分根茎类中药材初加工中常用的方法，即将新鲜中药材加热或半干燥后，置于密闭空间堆积发热，使其内部水分向外扩散至表面，呈“出汗”状[125-126]。“发汗、揉搓”工艺可以促使中药材内部水分扩散，有利于中药材干燥，会使中药材外观形状更加油润致密、有光泽，中药香更加浓郁[127]。“杀青”可以破坏新鲜中药材中各类酶的活性，抑制相关化学成分的酶促反应及水解反应。部分还会使用硫磺熏蒸，如天麻片熏蒸后天麻饮片其表面较光滑细致；
人参经硫黄熏蒸后其不良味道消失[128]。目前有关根茎类中药材干燥工艺研究中较少考虑到这些传统操作对中药材品质的影响。

3) 干燥设备应用选择存在盲从性。根茎类中药材种植乃至整个中药材种植行业大多以个体种植户和小型作坊为主，种植区域分散、加工方法混杂在一定程度上限制了中药材设备的推广；
针对农副产品的干燥技术研究，国内外专家学者开展了大量的研究工作，开发了多种样式的干燥设备，但在中药材领域的研究较少，在干燥工艺与设备的选择上存在很大的盲从性，设备普及率相对较低。

本研究对根茎类中药材的干燥现状进行了概述，总结了不同干燥技术与装备对根茎类中药材干燥特性及品质的影响。针对根茎类中药材干燥目前存在的问题及现有研究，未来根茎类中药材干燥可考虑以下3个发展方向：

1) 自然干燥目前仍是中小企业和种植户的主要干燥方式，但随着国家对于低碳环保政策的重视及群众对中药材品质和需求的增加，改进现有干燥技术，提高中药材品质；
研发节能环保、大型化、智能化操控的干燥装备，提高干燥领域工业化发展水平将是未来研究热点之一。

2) 加强干燥技术基础理论研究，建立微观结构模型，研究干燥技术对根茎类在中药材微观结构上的水分迁移规律及其干燥特性，同时分析干燥过程中干燥中药材理化性质变化，深入探究根茎类中药材在不同干燥条件下品质变化的机理，这对开发新型干燥技术与实际应用具有重要意义。

3) 我国中药材种植种类多，种植区域覆盖广，在保证低碳环保的前提下，结合不同地区天气特征将传统干燥工艺与新型干燥设备结合，以此提高根茎类中药材的干燥效率；
研究不同品种中药材的干燥机理，以中药材品质、干燥特性及内部水分迁移机理等为参考指标，确定适用于不同种类中药材的干燥工艺，研发相中药材干燥装备，促进实现中药材干燥领域规模化发展及中药材干燥加工技术体系的建立。

干燥作为根茎中药材产后加工的重要环节，为降低干燥成本并保证中药材干后品质，需要加强中药材收获环节与干燥加工环节的承启性研究，将传统干燥与现代化干燥技术有效结合，做到理论技术研究与实际应用同步，一切研究结果为实际产地干燥需求服务。

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