中药材养护贮藏氮气浓度监测和报警技术研究

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　　摘要    中药材种植是我国多地的重要产业之一，近年来由于国家大力支持中医药产业发展，中药材种植面积不断扩大。药材收获后贮藏是中药材保值增值的重要环节。本文选用密封塑料薄膜帐进行贮藏，给塑料帐内充入氮气，置换帐内空气，杀死帐内微生物和害虫，降低药材氧化变质，实现中药材绿色安全长期贮藏。在低氧高氮密封贮藏帐中气体浓度的监测报警是极其重要的技术环节之一。本文设计了基于互联网的中药材养护贮藏智能监测系统，方便实用，准确可靠，应大力推广。
　　关键词    中药材;养护贮藏;气体浓度;监测报警
　　中图分类号    S567        文献标识码    A
　　文章编号   1007-5739（2020）02-0064-03                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）
　　Abstract    The cultivation of Chinese medicinal materials is one of the most important industries in many parts of China.In recent years，due to the vigorous support of the state for the development of Chinese medicinal industry，the planting area has been expanding continuously.The storage of Chinese medicinal materials after harvest is an important link in maintaining and increasing the value of Chinese medicinal materials. In this experiment，sealed plastic film tent was used for storage，nitrogen was filled into the plastic tent to replace the air，kill the microorganisms and pests in the tent，reduce the oxidative deterioration of medicinal materials，so as to realize the green and safe long-term storage of Chinese medicinal materials.In the sealed storage tent with low oxygen and high nitrogen，the detection and alarm of gas concentration is one of the most important technical links. This experiment designed an internet-based intelligent monitoring system for the maintenance and storage of Chinese medicinal materials，which was convenient，practical，accurate and reliable，and should be vigorously promoted.
　　Key words    Chinese medicinal materials;maintenance and storage;gas concentration;monitoring and alarming
　　甘肃省是全国中药材优势主产区之一，近年来中药材产业呈现集约化、规模化发展态势，全省中药材种植面积达30万hm2，总产量达到120万t，均居全国第一。党参、黄芪、当归是甘肃省大宗道地中药材，在中药材产业中占有重要地位。由于长期受市场价格和产销地需求错位影响，收获后需储藏较长时间。在自然条件下储藏，极易出现虫蛀、发霉、氧化变色等问题，严重影响品质和利用价值[1-2]。中药材贮藏是中医药产业发展的主要环节，也是调节市场和保值增值的重要途径，为充分发挥甘肃省中药材资源和仓储商贸优势，确保中药材贮藏安全，延长中药材贮藏时间，利用氮气化学性质极不活泼、常温下比较稳定、热膨胀系数低、热传导性低、升温慢的特性，研发高氮低氧养护技术，采用密封塑料薄膜帐贮藏，给塑料帐内充入氮气，置换帐内空气，杀死帐内微生物和害虫，降低药材氧化变质，实现中药材绿色安全长期贮藏[3-5]。在高氮低氧塑料帐贮藏中气体浓度的监测报警是极其重要的技术环节之一，建立依托互联网的气体监测和预警措施，解决甘肃省道地中药材贮藏环境监控难题，以为广大中药材种植户和经销商提供绿色仓储技术支持。中药材氮气养护绿色安全密封帐贮藏技术，通过调控密封帐内氮气浓度，确保了中藥材长期安全贮藏;同时，配套基于研发互联网的中药材养护贮藏智能管理系统，对贮藏环境中的气体浓度等关键因子通过互联网终端实现贮藏库的智能监测和预警预报，保障中药材贮藏环境达到稳定和安全，减少中药材贮藏人工检查和库房管理难度，确保中药材贮藏的安全性和经济效益[6-8]。 　　1    材料与方法
　　1.1    试验地概况
　　试验地点1位于甘肃省定西市陇西县首阳镇陇西朝阳中药材农民专业合作社通风阴凉库内。首阳镇是甘肃省中部著名的中药材生产销售区，位于陇西县西部，距县城21 km，属渭河河谷平原区，海拔1 760 m，年均降雨量450 mm，年均气温7.7 ℃，全年无霜期160 d。合作社建立了中药材种植基地、阴凉库、烘干房及中药材质量溯源装置，具备开展试验的各项条件。
　　试验地点2位于甘肃省定西市渭源县会川镇渭源县天民药业有限公司基地。会川镇位于渭源县西部，海拔2 300 m，属于高寒阴湿区，中药材生产以当归、党参、红芪、黄芪为主，种植规模大，产品质量好，深受客商青睐。渭源县天民药业有限公司是会川镇西关中药材园区的骨干企业，具有良好的贮藏设施和多年中药材贮藏经验，具备开展试验的良好条件。
　　1.2    材料与仪器
　　1.2.1    供试中药材。试验所用党参采自栽培条件良好的陇西县朝阳中药材农民专业合作社种植基地。挑选长短大小基本一致（长度20～40 cm）、健壮、无病虫害、无损伤的药材，采收后在陇西县朝阳中药材农民专业合作社烘干房烘干，烘干后及时入账贮存。
　　1.2.2    密封贮藏塑料帐。塑料薄膜选用0.12 mm PE塑料薄膜。塑料帐骨架材料Ф40 mm的PVC管组装，由陇西县朝阳中药材农民专业合作社负责提供。①制作方法：以0.12 mm PE膜为密封贮藏帐的密封材料，制作长×宽×高=2.8 m×2.3 m×2.0 m的密闭塑料大帐，帐内设组装式PVC管材的帐架，形成贮藏帐，帐内摆放试验中药材，每个密封贮藏帐可贮藏10 t中药材，中药材放好后，在帐内不同部位分别安装固定式氮气测试报警器，最后将塑料帐密封。②密封贮藏帐气体置换：采用循环制氮充气法，先用抽气法抽出帐内大部分空气，然后将大帐进气口一端连接到贮气罐，贮气罐通过输气管与贮藏帐进气口相连，向密封贮藏帐内输送氮气，将密封贮藏帐出气口排出的气体通过回收管道接入制氮系统空压机的气体入口，使排出的气体循环进入制氮机进一步降低氧气含量，分别用泵吸式测氮仪和气体报警监管平台测定氮气浓度，使帐内氮气浓度达到95%左右，并记录所需时间。
　　1.2.3    试验仪器。①气体报警监管平台：山东多瑞电子科技有限公司生产，带备电功能，停电也能正常运行，可支持1～99个探测器，具有声光报警方式、时钟显示、报警时间查阅、自主设定等新功能，操作简单，整个产品设计采用集中控制，便于查询、维护。②制氮机：型号BDL-3000L，由石家庄邦力机电设备有限公司生产，制氮量4 Nm3/h，氮气纯度99.99%。制氮机配有调压型过滤器、离心式油水分离器、活性炭过滤器，可以保护分子筛寿命，氮气出口配有精密活性炭过滤器，使氮气更加洁净;此外，制氮机还配有自动启停功能，开机后可实现无人看守。③常温风冷型冷干机：型号TYAD，主要用气源净化，根据使用工艺的要求合理选配冷干机过滤器、冷干机冷却器、压缩气体气液分离器、精密过滤器等辅助单元，由杭州天源气超滤设备工程有限公司生产。④无油静音空压机：产品型号LD-1600*4，可根据要求调节所需要的稳定气压，含带自动气水分离装置，可有效过滤压缩空气水、杂质，由上海拓稳机械有限公司生产。⑤固定式氮气测试报警器：产品型号JZ-氮气，由北京九州晟欣科技有限公司供应，测量范围0～100% VOL，分辨率0.01%，精度±3%F.S，传输距离1 100 m（RVV 0.75 mm2屏蔽电缆），工作温度-20～50 ℃。⑥泵吸式氮气浓度检测仪：32位处理器，液晶显示，中英文界面，检测精度≤2%F.S，可存储100万条信息，由深圳市科尔诺电子科技有限公司提供。
　　1.3    试验设计
　　1.3.1    帐内贮藏气体浓度变化情况。在同一个通风阴凉库内设立高氮低氧密封塑料帐，共设2个处理，即处理1，固定式氮气检测报警，利用气体报警监管平台，通过互联网终端的电脑或手机记录并报警;处理2，泵吸式氮气浓度检测仪检测，人工定期测量帐内氮气浓度。2个处理的塑料帐贮藏环境、塑料薄膜、中药材来源和烘干处理、贮藏数量均相同。经过3次换气处理，塑料帐内氮气浓度均达到高氮低氧贮藏条件，每隔15 d检测记录塑料帐内氮气浓度。
　　1.3.2    密封贮藏帐贮藏对干燥党参品质的影响。试验设2个处理，即密封贮藏账贮藏：利用真空泵从出气口抽出密封贮藏帐内空气至最大程度后，然后将进气口通过输气管道连接到贮气罐和制氮机，打开进气开关持续向密封帐内充入高浓度氮气，连续循环制氮充12 h，氮气浓度即可达到93%以上。CK：常规储藏。将甘肃道地中药材党参贮藏360 d，并对贮藏后药材的虫蛀、霉变情况及主效成分保持效果进行评价。
　　2    结果与分析
　　2.1    密封贮藏账内氮气浓度变化
　　由表1可知，45 d后密封账内氮气浓度接近最低要求，60 d后密封账内氮气浓度低于93%的阈值，自动监测装置开始报警。由此表明，每隔60 d需要补充氮气1次，每次补充60 min即可达到95%左右。同时说明，应用0.12 mm厚度的PE膜为密封贮藏帐的密封材料，密封性能稳定可靠，对中药材及环境没有污染，适用于中药材高氮低氧密封帐养护贮藏。
　　2.2    密封贮藏账贮藏对干燥党参品质的影响
　　由表2可知，應用密封贮藏帐低氧高氮气体环境养护贮藏的党参无霉变、虫蛀现象发生，保质期较CK延长210 d，质量损耗均显著降低，党参浸出物、党参炔苷含量比CK分别高1.24%、14.00%，且药材的主效成分均达到《中华人民共和国药典（2015版）》对药材主效成分的要求。 　　2.3    氮气浓度互联网监测及报警装置应用效果
　　基于互联网的中药材养护贮藏智能监测系统，标准配置为带点阵LCD液晶显示、三线制420 mA模拟和Rs485数字信号输出，可选配置为可编程开关量输出等模块，支持输出信号微调等功能，方便系统组网及维护。该系统硬件主要包括信息采集模块、气体浓度传感器、GPR等。气体报警控制器安装在监控室或者通风阴凉库内，是整个监测系统的信息中转站，可以实现与彩屏信息交互。信息采集模块使用485总线方式通信，通过GPRS与网络终端相连。GPRS将从信息模块收到的中药材贮藏帐内环境信息传输到基于STM32单片机的控制器，控制器将数据分析处理，发送到网络服务中，Web和手机APP客户端可访问服务器，了解和监控中药材贮藏库内环境信息。手机微信公众号报警界面见图1。
　　固定式装置能全程监测氮气浓度变化和及时报警，及时发现和补救突发塑料帐损坏情况，减轻塑料帐破损造成的影响，投资相对较高，但节省人工费用。密封贮藏帐贮藏配套氮气浓度监测和报警装置后，减少了监测报警人工费用和时间，总体成本与常规贮藏基本持平。采用中药材养护贮藏氮气浓度监测和报警技术后，可以实现不间断监测，遇到贮藏环境变化或者不适宜时能及时报警提醒，有效减少了中药材长期贮藏的风险，是安全放心的监测报警装置。
　　3    结论与讨论
　　3.1    讨论
　　在试验过程中，应用制氮机、冷干机、密封塑料帐等设备组成制氮系统，制备浓度达到99.99%VOL的氮气;将制作的氮气通过输气管道输入到密封贮藏帐内，置换出密封贮藏环境中的空气，使贮藏的中药材处于高氮低氧气体环境中，从而使病菌、害虫因缺氧窒息而亡，显著减轻中药材变色变质、变色现象，保障中药材贮藏质量。
　　密封贮藏帐内的氮气浓度易影响中药材的贮藏后品质，需要实时掌握密封帐内气体浓度变化。本试验设计了基于互联网的中药材养护贮藏监测装置，系统组成包括气体报警控制器、气体报警探测器、RTU远传模块、气体报警监控终端4个部分。由于目前手机使用基本普及，系统报警以微信公众号、气体监测APP监测报警为主，也可以通过电脑端进行监控，适应了各种贮藏环境和管理人群的需求。该系统主要用于研究中药材氮气养护贮藏帐内氮气浓度变化情况，设备的受控端在中药材贮藏库内，将多个传感器安装在不同的密封塑料帐内，通过有线或无线连接组合成一个系统，对中药材储藏环境进行动态监测，监测得到的数据由传输模块上传到氮气浓度监测主机、网络数据库中，监控终端访问数据库，并判断储藏环境条件是否符合设定要求，并发出相应的监控信息，保证了贮藏环境的稳定可靠，是数字化农业时代中药材长期贮藏的智能化管理新方法。试验统一要求各个试验点选取贮藏条件相同、贮藏的中药材产地和采后处理一致、贮藏数量相等、贮藏帐容积相等的高氮低氧塑料薄膜贮藏帐，监测贮藏帐内氮气浓度变化情况需用同一厂家生产、同一型号的检测设备。
　　3.2    结论
　　（1）试验结果表明，经过循环充氮，密封贮藏帐内氮气浓度达到95%时停止充氮，密封塑料帐，经过60 d后塑料帐内氮气浓度低于93%的阈值，监测系统发出报警和提示，表明每隔50～60 d需要补充氮气1次。为保证贮藏安全，应该在60 d时补充1次充氮，每次补充氮气60 min即可达到95%左右。
　　（2）中药材密封贮藏帐养护贮藏解决了中药材贮藏过程中虫蛀、霉变、氧化变色等影响品质的突出问题，能够保持中药材内在品质和有效成分基本稳定;同时，仓储成本比较低，保质期较长，适用范围广，农户、仓储大户、合作社、企业均可以应用。贮藏过程中的气体监测和报警技术，是中药材高氮低氧养护贮藏的关键环节，利用现代先进的检测检验和预警预报技术，为这项技术示范推广起到了重要的保障作用。
　　（3）基于互联网的中药材养护贮藏智能监测系统，既能在贮藏库或监测室安装的气体报警控制器监控报警，还能通过Android手机上的微信公众号实现远程无线监测报警;通过互联网气体报警监管平台，对贮藏环境进行监测报警，并且一个用户名可以监测多个中药材库，实现远程批量化监控报警，整个系统硬件集成性强、成本较低，具有较高的性价比，在陇西首阳和渭源会川等中药材贮藏库内试验期间系统运行良好。该系统观测和操作界面非常简单，控制管理方便，时效性极好，远程控制可靠性和稳定性高，显著降低了中药材贮藏期间的人工管理费用和风险，减少了贮藏环境不良而造成的各种经济损失。
　　（4）泵吸式氮气浓度检测仪能监测环境中或密闭空间中气体的浓度并报警，具有数据存储功能，并且存储间隔时间可调，可显示气体种类、气体单位、气体浓度值，具有温度和压力补偿，可实现不同温度和压强环境下对气体浓度的补偿。同时，带自校验功能、零点标定功能，使气体监测更准确、更可靠，适应小型企业和农户进行高氮低氧贮藏的氮气浓度监测。
　　（5）应用密封帐养护贮藏技术，党参贮藏 12个月后无虫蛀和霉变现象，水分和有效成分基本稳定，减少了自然损耗，有利于提升品质、增强竞争力，仓储费用只有0.2元/kg，较常规贮藏省工省时，基本不增加仓储成本，配套的自动检测报警系统及时准确、安全可靠[9]。
　　4    参考文献
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