吸附干燥川白芷影响的研究的理工论文
1前言
白芷又称祁白芷、川白芷和杭白芷等,是常用中药材,以白芷根作药用,具有祛风除湿、排脓生肌和活血止痛等功效[1]。白芷采挖后,要经过干燥,使其水含量[2]低于14%,方可储存。因白芷肉质根含大量淀粉,晒干时间长,遇阴雨天气,极易腐烂,目前白芷产地主要采用烘干和硫磺熏蒸干(先用硫磺熏,然后在阳光下晾晒干)方法加工白芷,据报道由新鲜白芷加工为白芷饮片过程中有效成分损失70%~80%,其中在干燥过程损失50%以上,同时,硫熏蒸时硫深入药材组织内部,穿透细胞壁附着于淀粉粒上,白芷药材残留硫,污染了白芷药材。白芷药材主要含欧前胡素、异欧前胡素、水合氧化前胡素等香豆素类成分,在干燥加工过程中损失较大。有关学者研究对比了晒干法、熏蒸法和冷冻干燥法等干燥方法对白芷有效成分(欧前胡素、香豆素)的影响,如,王梦月等人[3]研究表明,熏蒸法干燥白芷的欧前胡素、异欧前胡素和水合氧化前胡素含量分别是只有晒干白芷的42.32%、42.45%和53.13%。张翠英等人[4]在对禹白芷的研究中发现硫磺熏蒸和发汗干燥的禹白芷中挥发性成分损失明显大于烘干、晒干和微波干燥。董芙蓉等人[5]的研究表明冷冻干燥的白芷中欧前胡素和异欧前胡素含量相比减压干燥和微波干燥较高,然而冷冻干燥时间较长,能耗较高,生产规模小[6];微波干燥白芷局部易焦化。由此可见,目前用于白芷生产及研究的干燥方法还存在诸多不足,开发能够最大限度保存白芷有效成分、能耗合理、可规模化生产的干燥工艺,是白芷加工乃至其它中草药加工过程亟待解决的问题。吸附(除湿)干燥作为一种新型干燥技术[7,8]已被用于食品加工、粮食贮藏等领域,因其能较好地保存干燥物料的有效成分和理化特性,特别适合热、湿敏性生物材料的干燥,且过程能效比冷冻干燥高,受到国内外干燥行业的广泛关注。我国已有用于胡萝卜[9]、生姜[10]等干燥过程研究报道。国外,HallidaySP等人[11]将转轮式干燥机用于粮食贮藏过程;KosukeNagaya[12]研制出食品低温吸附干燥系统,可用于甘蓝、茄子、胡萝卜和菠菜等蔬菜类食品干燥过程;DjaeniM[13]研制了多级低温(10~50℃)吸附干燥机,其能效较冷冻干燥高。有关吸附干燥中草药方面研究未见有报道。本文提出将吸附低温(小于50℃)干燥方法用于白芷干燥加工过程,研究较为适宜的白芷吸附干燥条件,为开发白芷干燥新工艺提供基础数据,以提升我国中药材的干燥加工水平。
2实验方法
2.1主要原料及试剂原料:川白芷,取自四川遂宁白芷生产基地(2009年7月20日)。试剂:甲醇,色谱纯,山东禹王实业有限公司;甲苯,分析纯,上海凌峰化学试剂有限公司;欧前胡素对照品,中国药品生物制品检定所(批号为0826-9401)。
2.2吸附干燥川白芷实验白芷试样:将新鲜川白芷洗净,去除表面水分,切除分支根,横切片,厚度约1~5mm,备用。川白芷吸附干燥实验在如图1所示的吸附式低温干燥装置上进行。干燥介质(空气)通过压缩机增压后,经缓冲罐进入吸附器,通过吸附剂床层脱除空气中水分后,进入干燥器对川白芷进行干燥。进入干燥器的空气湿度和温度分别可通过饱和瓶、加热器/冷却器调节。吸附器床层和干燥介质温度、湿度由温湿传感器实时测量、显示、记录。在不同干燥介质温度、湿度、流速下,分别进行川白芷吸附干燥实验,分析川白芷干燥试样中有效成分。2.3分析和表征方法
2.3.1干燥川白芷含水量、欧前胡素、总香豆素含量测定(1)干燥川白芷含水量根据中国药典[14](附录48页附录IX-H)对白芷水分测定要求,采用甲苯蒸馏法测定吸附干燥后的川
3结果与分析
根据中国药典对白芷药材质量标准[14]要求:含水量≤14%(质量百分数,用“wt”表示),欧前胡素≥0.08%(wt),总香豆素≥0.50%(wt),本文控制干燥后白芷(简称干燥白芷)中含水量不大于14%,以干燥白芷中欧前胡素含量、总香豆素含量为品质评价指标,单因素实验研究(2009年7月)介质温度、相对湿度和空速等吸附干燥白芷的适宜工艺条件,通过正交实验对工艺条件进行优化(2009年9月),并对干燥白芷和新鲜白芷不同部位的细胞组织形貌SEM分析。
3.1干燥介质温度称取一定量的白芷试样,在干燥介质空气的平均相对湿度为3%、空速为1.77s?1、白芷切片试样厚度为2mm条件下,测定干燥温度(25~50℃)对干燥白芷中欧前胡素含量(%(wt))和总香豆素含量(%(wt))的影响,结果见图2和图3。由图2和图3可知,干燥温度提高,干燥时间缩短;在25℃下干燥时间为11.5h,而在50℃下干燥时间只有5h。在30℃下干燥,干燥白芷中总香豆素含量最高,为2.43%;大于30℃,总香豆素含量明显降低,干燥温度上升为45℃,总香豆素含量降至1.19%,降低了51%。在40℃下干燥,干燥白芷中欧前胡素含量最高,为0.45%,干燥温度提高到50℃时,欧前胡素含量降至0.30%,降低了33%。由此可见,干燥温度对干燥白芷中总香豆素含量、欧前胡素含量有明显影响。考虑到干燥温度较低时,干燥时间较长,也易导致欧前胡素和总香豆素损失量增加,故本研究认为白芷干燥较为适宜的温度为30~40℃。
3.2干燥介质湿度称取一定量的白芷试样,在干燥温度为35℃、空速1.77s?1、白芷试样切片厚度为2mm条件下,考察干燥介质空气相对湿度(1%~11%)对干燥白芷中欧前胡素含量和总香豆素含量的影响,结果见图4。由图4可见,当干燥空气相对湿度(平均)为3%~7%时,干燥白芷中总香豆素含量为1.80%~1.92%;相对湿度为5%,总香豆素含量最高,为1.92%。当相对湿度为3%,干燥白芷中欧前胡素含量最高,为0.60%。相对湿度提高,干燥时间延长,白芷中欧前胡素和总香豆素损失量增加;干燥介质相对湿度过低,白芷干燥速率较快,白芷细胞过度收缩,产生“溢油”,也易增大白芷中挥发油和香豆素类物质的流失。因此,干燥介质相对湿度控制在3%~7%为宜。
3.3干燥介质空速称取一定量的白芷试样,在干燥温度为35℃、干燥介质空气平均相对湿度为3%、白芷试样切片厚度为2mm条件下,测定干燥介质空速(体积空速为1.77~5.31s?1)对干燥白芷中欧前胡素和总香豆素含量的影响,结果见图5。由图5可见,在干燥介质空速为3.54s-1时,干燥白芷中欧前胡素含量最高,为0.57%;空速增加至4.42s?1,欧前胡素含量降为0.45%,但总香豆素含量最高,为2.13%。提高干燥介质空速,干燥时间缩短,空速过大,白芷内部水分和挥发性成分快速逸出,有效成分损失增加。所以,较为适宜的空速为3.54~4.42s?1。
3.4白芷切片厚度称取一定量的白芷试样,在干燥温度为35℃、干燥空气的平均相对湿度3%、空速为3.54s?1条件下,测定不同白芷试样切片厚度(1~5mm)时干燥白芷中欧前胡素和总香豆素含量。结果见图6和图7。由图6和图7可见,白芷试样切片厚度越大,内部水分向表面迁移的距离增大,干燥速率越小。随着白芷切片厚度增加,欧前胡素和总香豆素含量均先上升后下降。当白芷切片厚度约为2mm的白芷中欧前胡素含量最高,达到0.57%,总香豆素为1.83%;当白芷切片厚度为3mm时,总香豆素含量达到最大,为2.01%,欧前胡素含量为0.50%。白芷试样切片厚度较大(4~5mm),达到相同的最终含水率时,干燥时间较长,总香豆素和欧前胡素含量损失量增加;白芷切片厚度较小(1mm),吸附干燥速率较快,欧前胡素含量损失较为明显。故选取适宜的白芷切片厚度为2~3mm。
3.5白芷吸附干燥条件优化根据上述单因素实验结果,通过正交试验进一步优化白芷吸附干燥工艺条件,考虑药材市场上的标准,我们将厚度定为2~3mm,采用L9(34)正交设计表安排实验,各因素与水平选取见表1。以欧前胡素和总香豆素含量为指标,正交实验方案及结果见表2。由表2中极差R分析结果可知,各个因素对干燥白芷中欧前胡素含量影响大小的顺序为:空速>相对湿度>温度,干燥介质空速对欧前胡素含量的影响最为显着;对干燥白芷中总香豆素含量影响大小的顺序为:温度>相对湿度>空速,干燥温度是影响总香豆素含量的主要因素;实验误差(D)对干燥白芷中欧前胡素和总香豆素含量的影响低于各个因素。由表2中各因素水平和均值可见,以干燥白芷中欧前胡素和总香豆素含量为指标,得到适宜干燥工艺条件均为A2B2C2,即:干燥温度35℃,干燥介质相对湿度为3%,干燥介质空速3.54s?1。在该条件下进行白芷干燥的验证实验,得到干燥白芷中欧前胡素含量为0.40%(该值低于图5中数据)、总香豆素含量为2.01%,该结果分别等于和大于9组正交实验中最大值。说明上述正交试验优化获得的白芷干燥最适宜工艺条件是合理的。此外,由图5可见,在与上述验证实验相同条件下,干燥白芷中欧前胡素含量为0.57%,高于验证实验所得干燥白芷中欧前胡素含量,这是由于两次实验所用新鲜白芷的'存储时间不同所致。
3.6吸附干燥前后白芷的形貌分析川白芷根横切面自外向内主要有表皮层、木栓层、韧皮部、形成层和木质部组织[17],分泌组织主要存在于皮层及韧皮部中,木质部中未发现分泌组织。为了观察白芷干燥前后白芷细胞组织变化,本文对新鲜白芷和在温度35℃、相对湿度3%、空速3.54s?1和厚度为3mm条件下干燥的白芷各组织层形貌进行SEM分析,结果见图8~12。由图8可知,新鲜白芷的木栓层可见明显类长方形、多列细胞组成。干燥后的白芷木栓层细胞发生径向卷曲,类长方形基本消失,向内渐为类圆形,可见油室、草酸钙晶体。由图9可知,新鲜白芷的皮层可见明显众多石细胞(群)及纤维束,散列或相间排列于皮层内侧,断续成环,有较多分泌细胞腔。干燥后的白芷皮层细胞腔明显收缩,可见草酸钙晶体,多为簇晶。由图10可知,新鲜白芷的韧皮层有多列径向细胞组织,椭圆形油管、筛管群稀疏地径向排列,分布较密集,射线明显,草酸钙晶体较少。干燥后的白芷韧皮层中油管及筛管群细胞被严重挤压、卷曲变形,明显可见较多草酸钙晶体。由图11可知,新鲜白芷的形成层区域可见清晰成环细胞,由切向延长的细胞组成。干燥后的白芷皮层形成层区域细胞腔明显收缩,成环细胞腔界线消失。由图12可知,新鲜白芷的木质层导管木化,径向排列,单个或数个导管相聚,成环状排列,较紧密,导管内见有含较多(淡黄色至棕色)填充物。干燥后的白芷木质层与新鲜白芷相似,没有明显变化。这是由于木质层中基本不含香豆素,薄壁细胞含有大量的淀粉粒,干燥后更加可见淀粉粒。综上所述,干燥后的白芷木栓层、韧皮层、形成层细胞组织形貌有显着变化,干燥前后白芷皮层和木质层细胞组织形貌变化较小,这是由于白芷各部分组织结构及所含化学组成不同所致。挥发油和香豆素类物质主要分布在皮层和韧皮部中,保持白芷皮层细胞组织的原有形貌,是否可以降低白芷有效成分损失还有待于进一步探讨。
4结论
(1)吸附干燥川白芷的适宜工艺条件为:温度35℃,干燥介质相对湿度为3%,空速3.54s?1。干燥白芷中欧前胡素含量为0.40%,总香豆素含量为2.01%。干燥介质空速对川白芷中欧前胡素含量的影响最为显着,干燥温度是影响川白芷中总香豆素含量的主要因素。(2)吸附干燥前后白芷的木栓层、韧皮层、形成层细胞组织形貌变化显着,皮层和木质层细胞组织形貌变化较小。保持白芷皮层细胞组织的原有形貌,是否可以降低白芷中香豆素类有效成分损失还有待于进一步探讨
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