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近期,江西中医药大学研究团队在国际知名期刊《LWT – Food Science
and Technology》
上发表了一项重要研究成果。该研究通过微焦点CT成像系统深入检测揭示了真空干燥过程中黄精提取物的水分变化和表面结壳现象,为干燥工艺的优化设计提供依据。这项研究的第一作者为李元辉老师。

研究摘要

本研究旨在深入剖析干燥过程,针对黄精提取物在干燥期间的水分变化与表面结壳现象展开调研。研究发现,干燥进程中总水分含量随时间推移而逐渐降低,主要归因于大部分不流动水和全部自由水的去除。随着干燥的持续,不流动水和自由水的流动性呈上升趋势,结合水含量增加,且不同状态的水之间存在相互转化现象。在表面结壳方面,干燥时提取物表面逐渐收缩并趋于粗糙,表面出现黑色圆圈,同时发现连接孔隙的裂缝;随着干燥推进,孔隙率、总孔数及孔体积均增加,其中小于 1mm³、1 – 2mm³ 和大于2mm³ 的孔数先增多后减少。该研究成果为进一步优化干燥工艺提供了关键的数据支撑和理论依据。

取样研究方法

图1.新鲜黄精植物及其根茎,黄精根茎脱水提取物。

图2.微纳CT成像原理

取材与研究方法

材料:黄精样品源自中国宜春农场,经洗净切片后,用于制备浓缩提取物。

提取物制备:该提取物通过多次常压提取、过滤及浓缩步骤获得,最终产物相对密度为1.25g/cm³,湿基含水量达59.52%,并于4°C条件下储存备用。

干燥实验:为探究其干燥特性,我们将提取物置于石英玻璃瓶中,在70°C、-0.06MPa的真空环境下干燥12小时,期间每小时取样称重,以监测水分损失。

水分变化分析:在水分变化分析方面,我们计算了干燥过程中的水分比(WR)和干燥速率(DR),并通过低场核磁共振(LF-NMR)技术,分析了不同干燥时间点下提取物的横向弛豫时间(T₂),以揭示水分状态的动态变化。

表面结壳分析:对于表面结壳现象,我们采用了相机拍摄、扫描电子显微镜(SEM)观察及基于微计算机断层扫描(Micro-CT)的三维重建分析等多种手段。相机拍摄用于记录干燥过程中提取物表面的变化;SEM观察则聚焦于干燥4小时后开始形成的表面结壳;而Micro-CT扫描则提供了孔隙结构的详细信息,包括形态、孔隙率、孔数及孔径分布等。

统计分析:实验重复三次以确保数据的可靠性,所有结果均以平均值或平均值±标准差的形式表示。我们利用Origin软件进行数据可视化,并使用SPSS软件进行统计分析。

T2弛豫时间(a, T21, T22 和 T23)的典型分布以及对应的信号强度A2(b, A21, A22 和 A23)随干燥时间的变化情况。

CT表征结果

图3.不同干燥时间下,表面结壳的垂直图像、两侧扫描图像和三维图像。

图4.不同干燥时间采集样品的孔隙率、总孔数和孔体积分布。

研究结论

本研究通过一系列精心设计的实验,精确识别了党参提取物在真空干燥过程中水分状态及表面结壳参数发生显著变化的关键时期。这些关键时期对于采取科学合理的调控措施,从而有效提升干燥效率并确保干燥产品质量具有决定性意义。其中微纳CT成像系统Micro-CT技术在此过程中发挥了关键作用,通过三维重建提供了孔隙结构的详细信息,为确定关键时期提供了数据支持。未来研究将探讨不同干燥条件和方法对草药提取物干燥过程的影响,Micro-CT技术将继续作为重要工具,助力精准分析特性变化。

原始文献

[1] Yuanhui Li, Huan Gao, Qin Wan, Xunrong Qiu, Yaru Qi, Zhenfeng Wu. ”Investigation
of water variation and surface crust of Polygonati Rhizoma extract
during vacuum drying” [J]LWT. Volume 207, 1 September 2024, 116623

论文应用设备

本研究中所使用的Micro CT设备是由奥影研发生产的高精度微纳米CT成像系统–AX-2000CT,该系统专为高等教育和科研实验环境设计,可为材料研发、3D打印、电子元件制造、地矿分析等领域,提供高精度、高分辨率的无损三维数字成像技术支持。此外,AX-2000CT 还支持升级配置光学放大物镜耦合探测器,将系统分辨率提升至高达0.2um(200nm),从而揭示内部更细微的结构和缺陷。

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