中药材干燥过程中的皱缩机制、影响因素与调控策略

　　摘 要：干燥是中药材采收后产地加工必不可缺的重要加工步骤之一，与中药材品质形成息息相关，是影响中药材药用价值和经济价值的重要环节。皱缩是中药材在干燥过程中发生的普遍物理现象，不仅直接影响中药材的外观、质地与复水性，还导致水分扩散速率降低，干燥时间延长，引起干燥效率下降、能耗升高，且药材长时间受热不利于保证干品质量与疗效。通过文献调研，探讨中药材干燥过程中的皱缩机制，从物料特性、微观结构、机械性能和加工条件方面分析其影响因素，总结抑制皱缩的干燥技术，以期保障中药材品质，为中药材干燥工艺的选择提供参考依据。

　　关键词：中药材;干燥;皱缩;水分;细胞结构;温度;干燥空气速度;干燥空气相对湿度;调控策略

　　所谓“药材好，药才好”。中药材是制备中药饮片，进而直接配方或制剂的原料药，其品质直接影响中药饮片乃至中药制剂的临床与经济价值，提高中药材品质，对保证中药产业高质量发展具有重要意义。除少部分中药材鲜用以外，大部分药材采收后须趁鲜干燥，以利于贮存、便于运输。皱缩是中药材在干燥过程中发生的普遍现象。药材皱缩后表现为体积减小，表面呈凸凹不平的不规则形状，质地硬化，甚至出现“僵子”;微观上表现为细胞发生向内溃陷，形态扁平化，严重时细胞壁上还会出现细微裂纹，尤其以果实类和根茎类药材干燥皱缩较为严重[1-2]。干燥过程中，药材皱缩后导致水分扩散阻力增大，从而引起水分扩散速率降低，干燥效率下降、能耗升高，且药材长时间受热不利于保证干品质量与疗效[3-5]。此外，皱缩引起药材质地硬化，不利于后续炮制加工;质地硬化导致复水性降低，不利于后续煎煮或提取处理。但目前对中药材干燥皱缩不够重视，皱缩机制尚不明确、调控策略仍未确立。故本文对中药材干燥过程中皱缩机制与影响因素进行分析，总结防止皱缩的调控策略和抑制皱缩的干燥技术，以期为中药材干燥技术工艺的选择提供理论依据，从而提高中药材干燥品质。

　　1 皱缩机制中药材

　　大多在结构上高度异质，导致其干燥皱缩机制较为复杂。目前，一般认为包括中药材在内的植物性物料干燥的缩皱机制主要有 3 种。

　　(1)含水量在干燥过程中不断降低。鲜药材普遍含水量较高，水分分布于药材各组织细胞中对其具有物理填充、支撑作用，当水分在干燥过程中被除去时，植物组织细胞失去这一部分支撑力，原来由水分占据的空间出现坍塌，导致药材体积减小，从而出现皱缩[6-7]。

　　(2)植物表皮塌陷。植物表皮由表皮细胞构成，排列紧密并具有细胞壁结构，机械强度较高，具有防止水分散失等作用。因此，在干燥过程中，植物表皮对水分(液态或气态)向表面扩散形成较大阻力。干燥开始后，由于植物表皮的阻碍，表皮内水分不能及时由内扩散至表面因而不断积累，形成扩散应力(传质应力)并不断增加[8]。当该应力增加至一定值后，导致植物表皮气孔增大，结构变得疏松，机械强度降低，难以维持原形态而出现塌陷[9]。干燥进行一定时间后，由于植物体内含水量降低，水分扩散阻力增大(干区形成)，物料内部水分的扩散速度小于表面水分蒸发速度，植物表皮因率先失水而表面积减小，皱缩加剧[10]。

　　(3)膨压降低。膨压指植物中的水分使细胞产生向外施加在细胞壁上的压力，可为植物细胞提供支持力，以维持形状[11]。尤其是草本植物由于缺少木本植物所拥有的坚硬木质素，故其支持力依赖膨压[12]。一方面，草本中药材在干燥过程中，含水量的降低可直接引起膨压降低，引起植物形态皱缩[6]。另一方面，除微波干燥外，干燥过程中的热量由植物细胞外向细胞内传递，与膨压作用方向相反，膨压遭到抵消而减小甚至丧失，导致细胞崩溃，从而草本中药材出现皱缩[13]。

　　2 皱缩规律

　　近年来，对干燥过程中皱缩现象的研究表明干燥过程中皱缩的普遍变化规律为在干燥初期体积皱缩程度大;在干燥中后期皱缩率整体呈现持续减小的趋势。干燥初期体积皱缩程度大，这是由于物料表面水分快速蒸发，该阶段皱缩发生在表层，体积皱缩近乎等于失水体积，尺寸减小主要用于补偿水分损失。Karathanos 等[14]研究表明初始水分去除率高，导致强烈皱缩。Mayor 等[13]也表达了同样的观点。王龙等[15]研究发现干燥初期红枣受热体积膨胀从而皱缩程度大。

　　这可能是因为物料表层发生皱缩后，其内部水分扩散至表面的阻力不断增加，使得物料内部水分不能及时排出，从而在内部堆积、形成一定的由内向外的扩散应力(传质应力)，导致出现轻微的内部膨胀。此后，内部扩散应力(传质应力)增大至一定程度后，水分受应力推动作用向外部扩散，失去水分的物料体积再一次皱缩，直至物料中水分含量较小时这种收缩与膨胀的交替作用才会结束[15-16]。在干燥中后期，物料开始向内皱缩，皱缩率整体呈现持续减小的趋势，该阶段物料皱缩体积远小于失水体积[17]。如 Wang 等[17]通过观察不同干燥阶段马铃薯切片中薄壁细胞的显微图片发现皱缩逐渐向中心移动，出现向内皱缩，且接近干燥结束时皱缩明显减缓。该现象与 3 个原因有关：一是干燥后期单位时间内去除的水分较少，皱缩空间减少;二是干燥后期，由于物料温度升高可出现玻璃态转变，从而大大增加物料的机械强度，有助于减小皱缩率;三是干燥后期物料表面发生硬化(“表面硬化”效应)，形成硬壳阻止了皱缩[18-20]。

　　3 皱缩的影响因素

　　3.1 水分新鲜中药材根据内部水分的空间分布，分为细胞间水、细胞内水和细胞壁水;根据水分结合形式，分为自由水和结合水。位于细胞间隙的水被称为细胞间水，因其可以自由流动被认为是自由水[21]。细胞内的水被称为细胞内水，而细胞壁水是占据细胞壁内部细小空间的水，这种水分存在于细胞内部，具有较强的结合力被认为是结合水。众所周知，干燥能脱去大部分自由水，膨胀的细胞失去水分导致组织皱缩。相反，结合水很难去除，在干燥过程中去除能够有效地维持细胞结构防止皱缩[22]。另外，由于植物类中药材的吸湿性，在整个干燥过程中，自由水的迁移对物料结构的影响较小，而结合水的运输对物料皱缩影响很大，可能会导致细胞皱缩、孔隙形成和细胞崩溃，甚至整个组织结构变形[10,23]。3 种类型水的比例和迁移是影响干燥过程中细胞皱缩和结构塌陷导致整体组织皱缩的原因。

　　3.2 细胞结构细胞组织结构的完整程度、液泡的大小、细胞膜的渗透性和膜的糖蛋白种类以及细胞壁的差异都是影响皱缩的因素。细胞组织结构的完整良好、功能完备具有维持基本结构秩序的能力，当细胞组织结构完整性被破坏，打破秩序，造成组织的皱缩，变形甚至奔溃[10]。在一个完全生长的细胞组织中，90%水存在于液泡中，液泡失水导致整个组织皱缩，液泡越大，失去的水分越多，皱缩程度越大[10,24]。细胞膜有一定的渗透调节作用，使细胞保持膨胀状态，与维持细胞的紧张状态、抑制皱缩有直接关系[25]。植物细胞形状的维持是基于细胞内的膨胀压力，膨压是细胞内的渗透压与其周围环境的渗透压之差[10]。细胞膨压的增大或减小所导致的细胞膨大或皱缩是细胞膜控制盐和水相对渗透能力的结果[10]。在干燥过程中，具有更高熔点链的糖蛋白首先受到严重损害，在细胞膜上引入缺陷，细胞膜因此失去完整性增加对水的通透性，细胞内的水分更易排除，更易引起细胞结构的皱缩从而导致干燥后产品外观形态的劣质现象[26-27]。

　　细胞结构对干燥过程中皱缩的影响，可以认为是细胞壁起主要的影响作用[10]。细胞壁中纤维素的有序性、含有的多糖类成分和固体物质含量与维持细胞尺寸、形态稳定性、结构完整性和整个组织强度有关，决定了干燥过程中细胞的皱缩程度。植物细胞壁是主要由纤维素构成的半弹性结构，细胞壁中纤维素链的高度有序性、硬度和尺寸稳定性有关，决定了细胞在整个干燥过程中抵抗皱缩的能力[28]。细胞壁结构骨架的微纤维之间的空隙充满了多糖，去除一些特定的多糖类成分(如半纤维素和果胶)会导致细胞显著皱缩，并改变其物理特性[29]。此外，细胞壁固体物质含量决定细胞壁的厚度，固体含量高的物料细胞壁厚，整个组织机械强度高，维持细胞结构刚性，有效避免干燥过程中皱缩现象的发生[22]。

　　3.3 干燥工艺参数干燥温度、干燥空气速度和干燥空气的相对湿度是影响皱缩的关键干燥参数。

　　3.3.1 干燥温度 大量研究报道，干燥温度对干燥过程中物料的皱缩有显著影响。研究报道，大多数水果和蔬菜在低温(20 ℃)下进行干燥处理时，皱缩率大，体积大幅度减小。相比之下，当在高温(50～70 ℃)下干燥时，物料的皱缩可被抑制[8]。同样，研究发现马铃薯组织在干燥过程中，处于较高温度(70 ℃)下的皱缩率远小于在低温(40 ℃)下的皱缩[17]。Senadeera 等[30]研究报道柿子在较低干燥温度(45 ℃)发生的皱缩率比较高干燥温度(65 ℃)下更大。这可能是因为干燥温度低，干燥速率慢，水分由内部向外部扩散速率与物料表面水分蒸发速率较接近，物料内部和表面含水量在干燥过程中不断降低，当水分不断被去除，原来被水占据的空间逐渐坍塌，从而使物料在长时间干燥过程中持续均匀皱缩直到干燥结束，因此皱缩率较大[31-32]。另一方面，干燥温度高，干燥速率快，物料表面水分蒸发速率较快，导致内部水分扩散速率小于表面水分蒸发速率，表面率先失水、皱缩而形成硬壳(“表面硬化”效应)[33-34]。表面硬壳具有较大的机械强度，从而阻碍皱缩[35]。

　　3.3.2 干燥空气速度 在干燥过程中，皱缩率随干燥空气速度的增加呈先升高后降低的趋势[35]。娄正等[31]研究不同风速条件下的红枣干燥实验，结果发现在干燥空气速度为 9 m/s 条件下的皱缩率最高，比 6 m/s 时的皱缩率提高了 1.12%，比 15 m/s 时的皱缩率提高了 4.02%。

　　杜志龙等[36]通过研究干燥空气速度对胡萝卜干燥特性的影响发现，不同干燥空气速度与皱缩率变化的关系曲线存在拐点。这可能是因为在低干燥空气速度下，干燥介质中热空气流速较为缓慢，物料表面与周围介质进行能量交换少，表面阻力占优势，阻止水分散失，因此皱缩率小[37]。在拐点之前的阶段，皱缩率随干燥空气速度增加而升高，这可能是因为干燥速率的增加导致物料内部的水分扩散速率增大，单位时间内去除的水分变多，皱缩率因此升高[37-38]。当干燥空气速度升高至一定值时，皱缩率在拐点处达到最大值。在拐点之后的阶段，皱缩率呈现下降的趋势，这可能是因为干燥空气速度较大，干燥速率较高时表面水分迅速蒸发，从而表面形成硬壳，阻碍皱缩[31,33]。

　　3.3.3 干燥空气的相对湿度 目前研究报道发现，皱缩率随干燥空气相对湿度的增加而增大。基于实验数据的统计分析表明，小麦和油菜的皱缩系数主要是相对湿度的函数，皱缩率随空气相对湿度的增加而增加[39]。研究表明相对湿度越高，微观结构更多孔，山药的皱缩率增加[40]。巨浩羽等[41]研究表明西洋参根干燥过程中皱缩率随相对湿度的增加而增加。这可能是因为相对湿度的增加可加快物料温度的升高，从而加速物料内部水分子的迁移运动，产生孔隙网络堵塞甚至坍塌，出现更多的皱缩和变形[41]。另一方面，在极低的相对空气湿度条件下，会出现“表面硬化”的现象，强烈阻碍了物料的皱缩。同时，在极低的相对空气湿度下，Biot 数值(传热计算中使用的无量纲量)增加，限制物料的皱缩[42]。

　　3.4 玻璃化转变温度玻璃化转变理论可以用来解释干燥过程中发生皱缩的过程，研究表明干燥过程中皱缩与玻璃化转变温度存在联系[43-45]。物料内部的游离水从橡胶态转变为玻璃态的温度(或以上)称为玻璃化转变温度，其根据物料水分含量而变化，干燥进行时玻璃化转变温度随水分含量的降低而升高[46]。新鲜植物组织含水量极高，所以干燥前的中药材具有非常低的玻璃化转变温度 [42]。当干燥开始，物料温度高于玻璃化转变温度时，它会保持橡胶状态。橡胶态的分子运动比玻璃态高得多，橡胶状态下的皱缩率与水分损失成正比，皱缩率较高[13]。干燥进行时，干燥过程水分含量降低，玻璃化转变温度升高，物料温度低于或处于玻璃化转变温度时，物料进行从橡胶态到玻璃态的相变，使物料具有高黏度，可防止或延缓皱缩[47]。

　　4 皱缩率的表征目前，皱缩率主要采用直接测量法、体积置换法和图像处理技术进行测定，干燥皱缩程度可以用皱缩率(S)来表征，即鲜品的体积(V1)和干燥后体积(V2)之差与 V1 之比。

　　4.1 直接测量法直接测量法即利用度量工具(直尺、游标卡尺等)直接测量样品在干燥后的尺寸(直径和厚度等)变化。该方法操作简便，但有很大的局限性和弊端：测量工作容易受到测量元件的精度和操作人员主观因素的影响;干燥过程中的体积皱缩一般存在各向异性的特点，干燥后的被测样品形状不规则，表面出现裂隙，根据局部尺寸计算所得的体积值往往不等于真实值且无法考虑裂隙对皱缩体积的影响[48]。

　　5 抗皱缩干燥技术

　　目前，部分新型干燥技术对果蔬类和少数中药材的干燥有一定的抗皱缩作用。植物性药材主要来源于根、茎、叶、皮、花、果实、种子、全草等，与果蔬来源一致，在组织结构上具有相似性，适用于果蔬类的抗皱缩干燥技术可借鉴用于中药材干燥。

　　5.1 预干燥处理预干燥处理是在干制前对其进行一定的加工处理，如化学试剂浸泡、热水烫漂、渗透脱水等。在干燥前，对物料进行适当预处理，起到抑制皱缩的效果，并保证干品质量。5.1.1 无机化合物浸泡 在物料干燥之前对其进行不同无机化合物溶液、不同浓度浸泡的预处理，有助于维持细胞膜和细胞壁的结构完整性，增加细胞壁刚性，在干燥过程中防止组织的坍塌和细胞的皱缩，达到抗皱缩的效果。

　　Riva 等[64]报道了苹果在偏亚硫酸氢钾溶液中分别浸泡了 5、30 min 后，都在干燥过程中维持了苹果的硬度和形状，并且直到干燥的最后阶段才观察到体积皱缩。Jayaraman 等[3]采用不同浓度氯化钠溶液对花椰菜进行浸泡，与未处理组对比发现预处理能够有效降低物料的皱缩。研究发现，3%氯化钠溶液是效果最好的预处理液，不影响风味，得到皱缩率降低且有显著改善的产品。Moledina 等[65]研究表明氯化钙溶液处理后的草莓能保持更好的硬度，皱缩率降低。无机化合物浸泡的预处理方式可以抵抗干燥过程中的皱缩并改善产品品质，但该方法易造成化学残留，引发安全问题，与当前的绿色环保消费趋势背道而驰。

　　5.1.2 糖类渗透脱水 渗透脱水是一种非热过程，基于植物组织浸入高渗糖溶液后发生的渗透作用[66]。在干燥前用糖类预处理物料可以抵抗干燥过程中的皱缩，具体表现为糖类为多羟基化合物最大限度地减少细胞壁中多糖的氢键，从而有助于减少干燥时细胞的皱缩;糖类预处理赋予组织结构刚性和机械强度，可以改善干燥时的皱缩;用糖类浸渍的表层可以防止正在干燥的组织过度皱缩[67]。Kowalski 等[68]采用蔗糖、果糖、葡萄糖渗透预处理胡萝卜，与未经预处理的样品相比，渗透预处理显著减小皱缩，提高了干燥后品质。毕金峰等[69]研究表明糖液浸渍处理使哈密瓜加速失水，但对其色泽和外形的保持有显著作用，能够有效抵抗皱缩，且发现在麦芽糖浆、果葡糖浆、麦芽糖醇中，选用麦芽糖浆作为预处理的浸渍溶液较好。用糖类进行干燥前预处理的方式显然减少干燥过程的皱缩，得到质量显著改善的产品，其抗皱缩程度取决于渗透活性物质的种类和渗透过程的参数，但该方法会改变干燥物料的质地，也会影响干燥动力学，研究表明经过渗透脱水的物料会比未经处理的干燥速率慢[70]。

　　6 结语与展望

　　皱缩是中药材产地加工干燥过程中普遍发生的物理现象，不仅影响外观，还影响干燥效率、品质和疗效，但往往被忽视。本文从皱缩机制、规律及影响因素 3 个方面详细分析干燥过程中的皱缩现象，同时总结抗皱缩干燥技术，以期改善中药材干品的外在性状和内部品质。但目前，关于干燥皱缩的研究甚少，未来不仅需加强对中药材干燥皱缩基础理论研究、充分探索其影响机制，还要积极研究抗皱缩干燥技术，探寻新型高效抗皱缩干燥预处理方法，改进干燥设备并优化抗皱缩干燥工艺，以期减少中药材干燥皱缩、提高干燥速率、减少有效成分损失、降低能耗。

　　参考文献

　　[1] 刘勇, 徐娜, 陈骏飞, 等. 不同干燥方法对三七药材外观性状与内在结构及其品质的影响 [J]. 中草药, 2019,50(23): 5714-5723.

　　[2] Khan M I H, Karim M A. Cellular water distribution,transport, and its investigation methods for plant-basedfood material [J]. Food Res Int, 2017, 99(Pt 1): 1-14.

　　[3] Jayaraman K S, Das Gupta D K, Rao N B. Effect ofpretreatment with salt and sucrose on the quality andstability of dehydrated cauliflower [J]. Int J Food SciTechnol, 1990, 25(1): 47-60.

　　[4] Senadeera W, Bhandari B R, Young G, et al. Modelingdimensional shrinkage of shaped foods in fluidized beddrying [J]. J Food Process Pres, 2005, 29(2): 109-119.

　　[5] 孟建升, 蒋俊春, 郑志安, 等. 3种干燥方式对山药片干燥动力学和品质的影响 [J]. 中草药, 2019, 50(11):2575-2582.

　　作者：谢 好 1，齐娅汝 2，万 娜 1, 3，伍振峰 1, 4，王学成 1, 4，李远辉 1, 4*，杨 明 1, 4*