廣陳皮含水率動態特性試驗研究

閆國琦，陳東宜，莫嘉嗣，屈佳蕾，孫振剛

（1.華南農業大學工程學院，廣東 廣州 510642；2.嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室茂名分中心，廣東 茂名 525000）

0 引言

陳皮為蕓香科植物橘（Citrus reticulata Blanco）及其栽培變種的干燥成熟果皮，常分“陳皮”和“廣陳皮”[1]，其中廣陳皮主產于廣東新會一帶，是廣東著名道地藥材。廣陳皮在陳化過程中，生物活性成分發生變化[2]，從而具有特殊藥性和保健作用[3-7]，貯藏陳化時間越長，其價值越高[8-9]，因此，倉儲環境對廣陳皮的品質有重要影響[10-12]。倉儲過程環境溫濕度變化會導致廣陳皮得失水分，水分增加提高了廣陳皮霉變風險，因此廣陳皮含水率的實時控制受到了人們廣泛關注[13-21]。

在大型廣陳皮企業倉庫調控中，一般通過干燥處理等主動行為快速降低庫存陳皮含水率，以降低霉變風險；庫存陳皮含水率變化一般是被動行為，企業通過監測倉庫空氣相對濕度間接預測陳皮的含水率變化情況，但是將空氣相對濕度作為控制依據和對象，并未能直接體現陳皮自身含水率的變化。由于廣陳皮遵循中藥傳統工藝而三瓣相連，集中倉儲過程中物料空間擺放并不規律，采用一般物料含水率傳感器檢測結果誤差較大。因此庫存陳皮實時含水率檢測缺少快速而精準的測量方法，在實際生產現場一般無法直接控制。

針對上述問題，有學者提出在倉儲管理過程中，通過控制藥材本身含水率和環境溫濕度進行防霉工作[22]；也有學者提出含水率變化過程與倉儲環境在一定程度上有相互影響作用[23-25]，可通過改變不同倉儲環境，研究含水率的動態變化規律，對倉儲條件進行調整[26-28]。但目前關于含水率的動態變化模型的相關研究[29-30]，多數針對干燥這一單向過程，倉儲過程中得失水分引起的含水率雙向動態變化過程的研究較少。倉儲時廣陳皮自身含水率的精準控制是提升其陳化效果及防止霉變的重要技術手段，在一定程度上決定了廣陳皮的最終品質和價值。

本文為探究廣陳皮含水率自身變化這一主動行為，研究含水率的動態特性模型，以環境濕度為變量，將倉儲條件設置為干燥和增濕兩種狀態，同時將環境溫度以及空氣流速等其他環境變量設置為穩定狀態，研究不同年份廣陳皮在空氣相對濕度作為變量的條件下，含水率雙向（干燥/增濕）變化過程的動態特性，在特定溫濕度和空氣流速下，實時檢測樣本動態質量，測定樣本的含水率，通過標定獲取廣陳皮樣本動態含水率數據，并對含水率變化過程進行建模，分析其動態特性。探索不同年份廣陳皮在含水率變化過程中的規律，從而為廣陳皮倉儲條件精準自動控制提供試驗依據，為廣陳皮按年份分類倉儲控制方案提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用廣陳皮樣本，采樣于廣東省新會區雙水鎮某果園（地理坐標：北緯22°26’1.032”，東經113°0’12.924”），采樣果樹為7 年樹齡（2013—2020年）“大種油身”茶枝柑。鮮果采摘時間分別為2016年、2018 年、2020 年的12 月份上旬。為減小試驗誤差，以上試驗樣本制皮工藝、干燥方式以及倉儲條件均相同。本文試驗時間在2020 年12 月份下旬進行。試驗所需器材如表1 所示。

表1 試驗器材

1.2 試驗方法

選取3 份不同年份的廣陳皮樣本各5 片進行干燥和增濕試驗。在干燥試驗前，將樣本進行增濕處理；類似地，在增濕試驗前，將樣本進行干燥處理，如圖1 所示。忽略干燥和增濕過程中樣本揮發物質對質量的影響，將廣陳皮樣本的質量變化過程視為只有水分子得失的過程。通過實時檢測樣本質量獲取質量動態數據，記錄樣本在t時刻的動態質量為mt；試驗結束后，為測定確定質量的樣本含水率ω，選取上述3 份不同年份的廣陳皮樣本各1 片，分別稱重并記錄為取樣質量m2，按照《中華人民共和國藥典》（2020 年版）的烘干方法進行烘干操作，此時烘干后的樣本質量記為取樣干重質量，將上述數據對應代入公式1 得到確定質量的樣本含水率ω。將單片樣本含水率視為整份樣本含水率，則整份樣本含水率為ω。根據公式1，已知整份樣本質量m3以及整份樣本含水率ω即可推算出整份樣本的干重質量。根據公式2，由樣本動態質量mt和整份樣本的干重質量計算出樣本在t時刻的動態含水率ωt。

圖1 試驗流程圖

式中：

ω——樣本含水率，%；

m0——取樣質量，g；

式中：

ωt——樣本動態含水率，%；

mt——樣本動態質量，g。

本試驗過程的主要影響因素包括：樣本初始狀態、空氣溫度、空氣流速。為減小誤差，樣本的來源相同，其制皮工藝、干燥方式以及倉儲條件均一致。理論上空氣溫度和流速的變化會加快或減緩水分子的交換速度，進而對廣陳皮含水率變化速度產生一定程度的影響，因此試驗過程將空氣溫度和流速控制在相對恒定條件下進行。

2 廣陳皮干燥過程

2.1 質量動態特性

廣陳皮通常情況下存放在透氣性較好的容器中，且為一整片保持完整狀態。因此本試驗研究對象為不同年份（2016、2018、2020 年）的完整廣陳皮樣本，各取5 片，分別自然疊放在不銹鋼碟中，編號（“A-1”、“A-3”、“A-5”，如圖2 所示）。經前期預試驗，得知廣陳皮樣本在高濕環境下靜置48 h 后質量趨于穩定狀態。結合樣本倉儲條件范圍對試驗環境條件進行設定，在干燥試驗前對3 份樣本進行高濕環境處理，將3 份不同年份廣陳皮樣本靜置于空氣相對濕度為95%，溫度為25℃的恒溫高濕空氣倉內48 h，目的是使樣本初始狀態達到一致性和穩定性，采用溫濕度記錄儀測定環境溫度及濕度。之后將3 份樣本靜置于干燥空氣倉內16 h（由預試驗得知，樣本質量在干燥時間達到16 h 附近時變化很小，可以認為質量已達到穩定狀態，基本保持不變），干燥倉內環境空氣相對濕度為30%，溫度為25℃，對樣本質量進行連續采集。

圖2 不同年份廣陳皮樣本

試驗前采用電子分析天平對廣陳皮樣本進行質量測定，試驗過程中連續采集樣本質量，測定并記錄樣本在t時刻的動態質量mt，讀數保留小數點后3位，單位為g。

為減小數據誤差以及保證擬合函數精度，采用變頻采樣法，采樣時間間隔設定為：試驗初期每隔0.5 h 讀取1 次樣本數據；試驗進行7 h 后，每隔1 h讀取1 次數據；整個試驗過程總共采樣16 h。

為保證試驗與實際情況的相似性，本試驗廣陳皮樣本單體采用與實際倉儲一致的整片陳皮，廣陳皮含水率無飽和概念，其質量變化過程是在某特定意義環境下的變化過程，故3 份樣本初始質量不追求相同，關鍵在于穩定，而非質量一致。擬合3 份廣陳皮樣本動態質量mt，如圖3所示。

圖3 干燥過程廣陳皮樣本質量動態曲線

2.2 含水率測定

試驗過程擬通過測量確定質量樣本的含水率，對含水率進行標定的方法，獲取樣本含水率。標定方法如下：在質量測定試驗結束后，分別選取上述3份不同年份樣本中的其中1 片作為含水率測定試驗的樣本，記為單個樣本。將3 份單個樣本在同一環境下放置一段時間之后（經前期預試驗得知，樣本在倉儲環境下靜置一段時間后質量趨向穩定狀態），用電子分析天平稱重并獲取3 份單個樣本的質量m2，按照《中華人民共和國藥典》（2020 年版）的烘干方法進行標準的含水率測定試驗，在試驗結束后測定的質量記為樣本的干重質量，通過式1 計算可得樣本含水率ω。

得到3 份單個樣本質量含水率ω值后，由于單個樣本來自同一份樣本，因此單個樣本與整份樣本所存在的物理特性無差異，可將單個樣本含水率視為整份樣本含水率。根據樣本在采樣時的質量m3，推算出每份樣本的干重質量。試驗數據如表2 所示。

表2 含水率標定數據表

2.3 含水率動態特性

忽略在干燥過程中樣本揮發物質對質量的影響，假設樣本質量只與水分子得失有關，通過式（2），根據樣本動態質量mt和干重質量推算出樣本動態含水率ωt。

由理論分析可知，含水率變化快慢與樣本和環境空氣之間水分子密度差有關，最終逼近某一定值，宜采用指數函數擬合樣本含水率變化函數。擬合函數方程見式（3）—（5），其中式（3）決定系數為0.999 7，均方根誤差為0.085 1；式（4）決定系數為0.999 3，均方根誤差為0.120 4；式（5）決定系數為0.999 4，均方根誤差為0.095 6。

對上述試驗中3 份不同年份廣陳皮樣本動態含水率變化趨勢進行直觀比較，繪制曲線圖如圖4所示。

圖4 干燥過程廣陳皮樣本含水率動態曲線

由圖4 可見，在干燥試驗初期，由于廣陳皮樣本由高濕空氣倉轉移至干燥空氣倉內，因此3 份樣本表面自由水含量較高，其初始狀態的含水率也對應增加。在干燥試驗過程中，3 份廣陳皮樣本含水率與陳化年份具有高度相關性。隨著廣陳皮干燥時間延長，其含水率逐漸降低。由此可推斷，廣陳皮在倉儲陳化過程中，會發生質量損耗現象，這一現象符合廣陳皮企業生產經驗。初步分析，造成該現象的原因是廣陳皮陳化過程中發生了復雜的生化反應，進而改變了陳皮的物理性質；新皮內部結合水含量多，干燥過程中結合水轉化為游離水，體現出新皮含水“儲量大”的特征。

為進一步揭示含水率動態特性，更清晰的對比不同年份廣陳皮含水率變化快慢程度，以及在變化過程中所存在的變化規律，對式（3）—（5）進行求導處理。由于導數函數在定義域內為單調函數，取導數絕對值，得到含水率導數絕對值函數為式（6）—（8）。

為了更加清晰的對含水率變化速度進行比較，將函數式（6）—（8）繪制圖形如圖5 所示。

圖5 干燥過程廣陳皮樣本含水率導數絕對值曲線

樣本含水率一次導數曲線反映含水率變化速度。由圖5 可見，3 份廣陳皮樣本干燥過程中，3 條曲線在4 h 附近出現交匯，樣本含水率變化速度在交匯后發生有規律的交換，考慮到試驗過程存在誤差，且3 條曲線的交點出現的時間比較集中，在多個交點取時間坐標平均值為臨界點，臨界點在4 h 附近。在臨界點之前，3 份樣本含水率導數絕對值A-5＞A-3＞A-1 ；在臨界點之后A-1＞A-3＞A-5，其規律明顯。即在臨界點之前，3 份樣本的含水率新皮衰減最慢，年份越久的陳皮衰減越快；在臨界點之后，其規律相反。

從廣陳皮物理特征分析以上現象出現的原因，新皮內囊較厚，其海綿層結構對水分子的儲存能力強，且新皮結合水較多，所以新皮在含水率變化上體現出“慣性”大的特性；隨著陳化時間累積，廣陳皮內囊物質發生了轉化和改變，“慣性”逐漸降低，更容易脫水。

3 廣陳皮增濕過程

該試驗內容為將相對干燥的廣陳皮樣本靜置在高濕空氣倉內，其含水率增加的動態過程。

將3 份樣本靜置于干燥空氣倉內48 h，設置干燥倉內空氣相對濕度為30%，溫度為25℃。增濕試驗過程中，將3 份樣本于高濕空氣倉內放置16 h，設置高濕空氣倉內空氣相對濕度為95%，溫度仍為25℃，連續采樣樣本質量數據。試驗方法與干燥過程一致，實時質量數據采集和含水率標定等方法也與干燥過程相同。

得出的3 份廣陳皮樣本含水率擬合函數的導數方程如式（9）—（11），其繪制曲線如圖6。

圖6 增濕過程廣陳皮樣本含水率導數曲線

由圖6 可見，3 份廣陳皮樣本含水率增加過程中，在6.5 h 附近出現臨界點，臨界點前后不同年份的廣陳皮樣本含水率變化速度規律與干燥過程相反，即在臨界點之前，新皮含水率衰減快；在臨界點之后，新皮含水率衰減慢。因此年份更久的廣陳皮在增濕試驗過程中其含水率變化上呈現出“慣性”大的特性。

在增濕試驗中，樣本A-5 和A-3 的含水率導數曲線在臨界點之前出現一個交點，呈現出與整體試驗規律不一致的現象。初步分析是高濕環境中，樣本A-5 金屬容器由于溫差造成表面結露再揮發，導致質量采樣數據產生誤差?？紤]到試驗周期如果過長，廣陳皮樣本隨時間發生不可逆的陳化變化，故沒有再增加更多次數的重復性試驗，以保證整體試驗過程中廣陳皮樣本的一致性和數據可比對性?；诳諝鉁囟群土魉賹V陳皮含水率變化速度產生一定程度影響的判斷，本試驗控制空氣溫度和流速為常量。后續將開展包含空氣溫度、相對濕度和空氣流速多變量激勵下的廣陳皮含水率動態特性研究。

4 結論

本文通過實時檢測樣本動態質量數據，測量確定樣本的含水率，以及標定獲取樣本實時含水率的方法，獲得不同年份廣陳皮雙向實時含水率變化數據，建立廣陳皮含水率動態特性模型，并分析其動態特性。在環境條件一致情況下，廣陳皮含水率隨陳化年份增加而降低，當年新皮的含水率最大，在倉儲控制過程中要注意及時干燥處理，防止霉變；不同年份的廣陳皮在空氣溫度和流速不變，濕度作為激勵情況下，其含水率曲線均以指數函數規律變化，試驗結果符合理論分析。干燥過程中，含水率導數曲線臨界點在4 h 左右出現；增濕過程中，含水率導數曲線臨界點在6.5 h 左右出現，廣陳皮干燥和增濕過程有明顯的“遲滯”特性，并且不同年份廣陳皮的含水率變化速度在臨界點附近出現前后相反的現象。新皮在干燥過程中，含水率“慣性”較大，不易失水；在增濕過程中，含水率“慣性”較小，容易吸收水分。隨著廣陳皮陳化時間增加，干燥時脫水速度逐漸加快，高濕環境下吸收水分速度逐漸減緩。從倉儲控制角度來看，陳化年份更久的廣陳皮更容易保存。在倉儲過程中，如遇到南方的回南天等潮濕天氣，可采取適當延長新皮干燥時間的方式；新皮在3 年以內的存儲過程中，每年進行翻曬的次數需較多；年份較久的廣陳皮，其質量趨于穩定，因此可減少翻曬次數，這在一定程度上可以減少人工損耗。

廣陳皮陳化需要3 年以上，為了追求市場價格，陳化倉儲時間還會更長。由于試驗條件所限，本文試驗所用廣陳皮樣本只采集了當年新皮和2 年為時間梯度的陳皮同源樣本進行比對。后續將增加樣本數量，并將陳化時間作為變量，更全面深入研究廣陳皮含水率動態特性。本文研究結果對大宗廣陳皮倉庫按照年份分類貯藏和廣陳皮含水率精準倉儲控制具有重要意義。