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中药材干燥过程中质量退化及优化干燥工艺的研究

任迪峰  
【摘要】: 近年来,随着“回归自然”和“植物药草热”的兴起,中药材以其来自天然,毒副作用小,治疗疑难病与慢性病有特效等优势,正逐渐被世界各地人们所接受。但同时传统干燥加工过程中所造成的性味劣变、生物活性物质(特别是药用有效成分)损失等问题,也日益被专家和消费者所关注和担忧。干燥作为我国中药材加工过程中重要却又薄弱的环节正是我们急需研究的课题。不同的中药材根据其药性不同,所要求的干燥条件也不同。干燥过程中,随着中药材温度上升、含水率下降,有效成分的降解速率也在时刻发生着变化。为了最大限度地保证中药材质量,需要对中药材质量退化机理进行分析,建立模型,模拟中药材干燥瞬时温度和含水率及有效成分含量随时间与干燥条件的变化过程,全面了解有效成分在干燥过程中的变化规律及其与操作参数的关系,在此基础上对干燥工艺及参数进行优化,进而再从理论指导实践生产。本文选取常见中药材地黄、麦冬作为试验材料,对中药材质量退化机理、模型建立、干燥物性参数、传热传质规律及工艺优化进行了研究。 通过高效液相色谱法对不同干燥工艺条件下地黄、麦冬有效成分含量进行测定,分析影响其质量退化的因素及发生机理;通过静态等温、等湿恒温水浴试验,确定地黄有效成分梓醇、麦冬有效成分总黄酮含量变化符合一级反应动力学方程;通过地黄、麦冬不同初始含水率、不同于燥介质温度下薄层干燥试验,测定不同时间有效成分含量,经多元线性回归确定一级反应动力学方程中的待定参数,得到地黄、麦冬干燥质量退化动力学模型,并对模型进行了试验验证及特性分析。 通过静态法测定地黄、麦冬在不同温度、相对湿度下解吸平衡含水率,并采用平均相对误差、估计值的标准差作为评价指标;通过不同热风温度及初始含水率下地黄、麦冬单层及多层薄层干燥试验,结合对流换热方程、导热方程,计算对流换热系数及当量导热系数;通过不同热风温度及初始含水率下地黄、麦冬薄层干燥试验,结合非稳态水分扩散系数方程,计算水分扩散系数;通过悬浮法测定地黄、麦冬体积及真密度,并计算收缩系数及孔隙率增量;通过量热器测定物料比热,试验数据经最小二乘法进行拟合,分别得到了地黄、麦冬各干燥物性参数与物料温度、含水率的关系模型。 以导热理论、Fick第二扩散定律和导湿温性为基础,结合干燥初始及边界条件,建立中药材干燥传热传质微分方程;微分方程采用加权余量法中的Galerkin法进行求解,空间域采用有限网格剖分,时间域采用有限差分网格剖分;在传热传质模型建立和有限元分析的基础上,结合地黄、麦冬干燥质量退化模型,开发一套较为完善的计算机模拟软件,整个系统由C~++开发而成;分别对地黄、麦冬干燥过程中内部温度、含水率及有效成分含量分布进行模拟,并通过薄层干燥试验进行了验证。 选定变风温干燥前期热风温度、后期热风温度、干燥前后期转换含水率及发汗时间为四因素,以干燥速率、有效成分含量和单位能耗为衡量指标,对麦冬变风温、发汗干燥条件下干燥特性及有效成分含量变化情况进行模拟;通过多元线性回归获得各衡量指标多元单目标回归方程,采用评价函数法中的线性权和法构造评价函数,将多目标优化问题转化为单目标优化问题,通过内点惩罚函数法编制优化程序进行求解,获得原多目标最优解,得到优化的麦冬干燥工艺。


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