本发明涉及参类药材加工技术领域，具体涉及一种三七冻干加工系统及其控制方法。
背景技术：
三七(panaxnotoginseng)为五加科人参属植物，是驰名中外的名贵中药材，也是我国民间最早使用的药食同源植物之一，享有“金不换”、“南国神草”、“参中之王”等美誉。三七最早发源于2500万年前第三纪古热带山区残余植物。文山州因其独特的土壤、气候环境而成为了三七的原产地和主产地。三七种植历史由野生驯化到人工种植至今已有600余年，三七面积和产量常年保持在10万亩和900万公斤左右，是中国乃至世界著名的“三七之乡”。
长期以来，作为名贵中药材的三七，由于无固定晾晒场地,采挖后仍然沿习在马路边、房前屋后、道路上晾晒加工，不仅不符合中药材加工生产规范化要求，而且严重影响了城市的卫生环境和堵塞交通，加工出来的产品容易造成“二次污染”，三七质量得不到保证，随着三七基地化、规模化、集约化种植，过去传统的零星晾晒方式已不能满足当前生产的需要，三七晾晒、产地加工场地、仓储物流设施缺乏等矛盾日趋突出，已成为制约三七产业发展的瓶颈。文山三七种植经过几次大起大落的经历，近年来明显形成了大户种植的格局。而种植大户三七采挖后，都要将鲜三七运到文山市城进行晾晒、干燥，而目前市城内只有有限的开阔公路、广场可作为晾晒场地。以种植50亩三七的普通种植大户计算，采挖的鲜三七达37.5吨，需要3700m2的场地才能完成晾晒，而种植大户不可能采取传统的房前屋后晾晒的干燥方法，租用露天场地晾晒每100m2的费用达25～50元/天，晾晒干燥后有9.4吨干三七。目前国内外中药材的干燥，也多仿用农产品(谷物、水果类)干燥法。例如，热力干燥、微波干燥、真空干燥、辐射干燥等。在农产品在干燥过程中，其含水率受相对湿度和温度的影响。且因不同的产品所含成分的不同，适宜的干燥条件也不同。例如：油脂类产品，水分易散发，可采用高温快速干燥。而蛋白质类产品则相反，宜采用低温慢干燥。国内外学者对三七的化学成分进行了大量研究工作，现已确定三七中化学成分，包括皂苷类、黄酮类、多糖、氨基酸等。皂苷是三七中的生物活性物质，是衡量三七质量的重要目标。它由皂苷元与糖构成，在该化学结构中，苷元具有不同程度的亲脂性，而糖链具有不同程度的亲水性。
目前多数药材采用真空冷冻干燥技术进行干燥，目前的中药冻干加工过程中缺乏对物料水分的实时监控，不能根据三七冻干过程中三七的水分含量自动调节真空冷冻干燥机的冻干控制数据。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种三七冻干加工系统，通过近红外光谱仪对三七的冻干加工过程中的三七的水分含量进行快速无损检测，控制器根据检测的水分含量自动调节真空冷冻干燥机的冻干控制数据，不仅节约能源，还能确保冻干三七的品质。
本发明实施例提供的一种三七冻干加工系统，包括真空冷冻干燥机、近红外光谱检测仪和控制器，所述真空冷冻干燥机用于对清洗后的待检三七进行真空冷冻干燥；所述近红外光谱检测仪用于采集真空冷冻干燥机中待检三七的近红外光谱；所述控制器存储有控制指令，用于控制真空冷冻干燥机工作；所述控制器中还存储有标准三七样品的不同冻干阶段的水分定量分析模型，控制器根据所述不同冻干阶段的水分定量分析模型对所述待检三七近红外光谱进行水分测定，控制器判断待检三七水分含量是否达到当前冻干阶段的标准三七样品的水分含量，若判断结果为是，控制真空冷冻干燥机调节冻干控制数据或停止工作。
进一步地，所述水分定量分析模型的建立方法包括：
获取标准三七样品在其中一个冻干阶段的近红外光谱；
对所述近红外光谱进行预处理，得到处理后的近红外光谱数据；
以标准三七样品水分含量作为关键质量控制指标，确定最佳光谱波段；
建立标准三七样品的关键质量控制指标和与得到处理后的近红外光谱数据之间的水分定量分析模型。
进一步地，对所述近红外光谱进行预处理的方法采用多元散射校正方法。
进一步地，所述近红外光谱检测仪采用的扫描波段为5568.3cm-1～4350.5cm-1。
进一步地，所所述冻干控制数据包括真空压强、真空温度和冻干时间。
第二方面，本发明实施例提供一种三七冻干加工控制方法，包括以下步骤：
控制器控制真空冷冻干燥机对清洗后的待检三七进行预冻和真空冷冻干燥：
控制器接收近红外光谱检测仪采集待检三七的近红外光谱；
控制器中存储标准三七样品的不同冻干阶段的水分定量分析模型，控制器根据不同冻干阶段的标准三七样品的水分定量分析模型对相应阶段的待检三七近红外光谱进行水分测定，控制器判断待检三七水分含量是否达到当前冻干阶段的标准三七样品的水分含量，得到判断结果；
若判断结果为是，控制器控制真空冷冻干燥机调节冻干控制数据或者停止工作。
进一步地，所述水分定量分析模型的建立方法包括：
获取标准三七样品在其中一个冻干阶段的近红外光谱；
对所述近红外光谱进行预处理，得到处理后的近红外光谱数据；
以标准三七样品水分含量作为关键质量控制指标，确定最佳光谱波段；
建立标准三七样品的关键质量控制指标和与得到处理后的近红外光谱数据
之间的水分定量分析模型。
进一步地，对所述近红外光谱进行预处理的方法采用多元散射校正方法。
进一步地，所述近红外光谱检测仪采用的扫描波段为5568.3cm-1～4350.5cm-1。
进一步地，所述冻干控制数据包括真空压强、真空温度和冻干时间。
本发明的有益效果在于：
本发明的实施例的三七冻干加工系统，采用近红外光谱仪对冻干加工过程中的三七的水分含量进行无损检测，并对水分含量进行分析，利用分析结果自动调节真空冷冻干燥机的冻干控制数据，使得冻干时间比传统方法缩短30％以上。本发明不仅对三七水分含量进行无损检测，还能节约能源，降低加工成本。在冻干过程中不添加其他化学物质，确保生产出的产品质量合格，保证冻干三七的品质。采用本发明实施例的三七冻干加工系统加工的三七有效成分损失少，其皂苷含量比鲜三七的皂苷含量略低，冻干三七与新鲜三七颜色一致，色差δl小于3，包装后3个月后的色差δl值小于6。冻干后的三七含水率低于2％，复水率高于90％，质地疏松、复水性好、气味浓、切分和粉碎容易。
本发明的实施例的三七冻干加工控制方法，采用近红外光谱仪对冻干加工过程中的三七的水分含量进行无损检测，并对水分含量进行分析，利用分析结果自动调节真空冷冻干燥机的冻干控制数据，不仅对三七水分含量进行无损检测，还能节约能源，降低加工成本。在冻干过程中不添加其他化学物质，确保生产出的产品质量合格，保证冻干三七的品质。采用本发明实施例的三七冻干加工控制方法加工的三七有效成分损失少，其皂苷含量比鲜三七的皂苷含量略低，冻干三七与新鲜三七颜色一致，色差δl小于3，包装后3个月后的色差δl值小于6。冻干后的三七含水率低于2％，复水率高于90％，质地疏松、复水性好、气味浓、切分和粉碎容易。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1示出了本发明所提供的一种三七冻干加工控制系统的第一实施例原理框图。
图2示出了本发明所提供的一种三七冻干加工控制方法的第一实施例流程图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
如图1所示，示出了本发明提供的一种三七冻干加工系统的第一实施例，该加工系统包括真空冷冻干燥机1、近红外光谱检测仪2和控制器3，所述真空冷冻干燥机1用于对清洗后的待检三七进行真空冷冻干燥；所述近红外光谱检测仪2用于采集真空冷冻干燥机中待检三七的近红外光谱；所述控制器3存储有控制指令，用于控制真空冷冻干燥机工作；所述控制器中还存储有标准三七样品的不同冻干阶段的水分定量分析模型，控制器根据所述不同冻干阶段的水分定量分析模型对所述待检三七近红外光谱进行水分测定，控制器判断待检三七水分含量是否达到当前冻干阶段的标准三七样品的水分含量，若判断结果为是，控制真空冷冻干燥机调节冻干控制数据或停止工作。本实施例中的不同冻干阶段是指三七在冻干过程中表面含水量、内部含水量和总体含水量在不同的范围分为不同的阶段。
真空冷冻干燥机对清洗后的待检三七进行预冻和真空冷冻干燥。近红外光谱检测仪实时或定时获取真空冷冻干燥机中的待检三七的近红外光谱传送给控制器，控制器获取真空冷冻干燥机的控制参数，判断真空冷冻干燥机处于冻干的某个阶段，获取该冻干阶段的标准三七样品的水分定量分析模型，根据标准三七样品的水分定量分析模型对待检三七近红外光谱进行水分测定，判断待检三七的水分含量是否达到该冻干阶段的标准三七的水分含量，若判断结果为未达到，控制器不调节真空冷冻干燥机的控制数据，真空冷冻干燥机继续执行当前的冻干控制数据。若判断结果为是，说明待检三七的水分含量达到当前冻干阶段的标准三七的水分含量，控制器控制真空冷冻干燥机调节冻干控制数据执行下一阶段的冻干控制数据。当待检三七的水分含量达到成品冻干三七的水分含量，控制器则控制真空冷冻干燥机停止工作。冻干控制数据包括真空压强、真空温度和冻干时间。控制器控制真空压强、真空温度和冻干时间，在不同的冻干阶段，自动调节真空压强、真空温度和冻干时间。
例如，实际的应用场景之一：采用三个近红外光谱检测仪分别对三七的表面含水量、内部含水量和总体含水量进行检测，近红外光谱检测仪将检测的数据发送给控制器，控制器根据这些数据对真空冻干控制数据进行调节，具体调节过程如下：
1)将三七进行预冻，温度低于-40℃，预冻时间大于1小时；
2)控制隔板温度为-40℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度低于30pa，监测三七的表面含水量、内部含水量和总体含水量；
3)当三七的表面含水量<30％、内部含水量<70％，将隔板升温至-30℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度在40-80pa；
4)当三七的表面含水量<20％、内部含水量<60％，将隔板加热至-20℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度在40-80pa；
5)当三七的表面含水量<20％、内部含水量<50％，将隔板降温至-30℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度在80-100pa；
6)当三七的表面含水量<20％、内部含水量<40％，将隔板加热至-20℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度在40-80pa；
7)当三七的表面含水量<20％、内部含水量<30％，将隔板降温至-30℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度在80-100pa；
8)当三七的表面含水量<10％、内部含水量<25％，将隔板加热至-20℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度在40-80pa；
9)当三七的表面含水量<10％、内部含水量<20％，将隔板加热至-10℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度在40-80pa；
10)当三七的表面含水量<5％、内部含水量<15％、总体含水量<7％，将隔板加热至0℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度在40-80pa；
11)当三七的总体含水量<6％，将隔板加热至10℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度在40-80pa；
12)当三七的总体含水量<5％，将隔板加热至40℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度在90-120pa；
13)当三七的总体含水量<2％，维持隔板温度为40℃，干燥至真空度低于20pa，继续干燥1-2小时，得到冻干产品。
通过自动调节预冻时间和预冻温度，既能保证预冻效果，又节省时间，通过精确控制冻干过程的温度、时间和真空度，在共晶点温度之下运行足够长时间，使三七中的水分能在其共晶点之下充分去除，最大程度保持三七的有效成分和营养成本，从而得到高品质的冻干三七。从干燥好的冻干产品看，形状基本不变，由于整个干燥过程都是在三七冻结的情况下完成的，三七的内部组织框架和本来没有变化，复水时间快。
本发明的实施例的三七冻干加工系统，采用近红外光谱仪对冻干加工过程中的三七的水分含量进行快速无损检测，并对水分含量进行分析，利用分析结果自动调节真空冷冻干燥机的冻干控制数据，不仅对当前冻干三七的水分含量进行快速无损检测，还能节约能源，降低加工成本。在冻干过程中不添加其他化学物质，确保生产出的产品质量合格，保证冻干三七的品质。采用本发明实施例的三七冻干加工系统加工的三七有效成分损失少，其皂苷含量比鲜三七的皂苷含量略低，冻干三七与新鲜三七颜色一致，色差δl小于3，包装后3个月后的色差δl值小于6。冻干后的三七含水率低于2％，复水率高于90％，质地疏松、复水性好、气味浓、切分和粉碎容易。
作为上述技术方案的进一步改进，水分定量分析模型的建立方法包括：
获取标准三七样品在其中一个冻干阶段的近红外光谱。
对所述近红外光谱进行预处理，得到处理后的近红外光谱数据。具体地，对红外光谱进行预处理的方法采用多元散射校正方法。采用不同的光谱预处理方法得到的rmsecv明显不同，多元散射校正可以有效消除颗粒分布不均匀及颗粒大小不同所产生的散射影响，对处于某个冻干阶段的近红外光谱经多元散射校正后，可以提高定量效果的准确性。
以标准三七样品水分含量作为关键质量控制指标，确定最佳光谱波段。
建立标准三七样品的关键质量控制指标和与得到处理后的近红外光谱数据之间的水分定量分析模型。
在波长5568.3cm-1～4350.5cm-1，近红外光谱数据经经多元散射校正预处理后，用校正样品集进行内部交叉验证，采用偏最小二乘法建立三七水分含量定量分析模型。利用三七水分含量定量分析模型能对待检三七的水分含量进行准确预测。
作为上述技术方案的进一步改进，近红外光谱检测仪采用的扫描波段为5425.1cm-1。经实验验证，在这个波段的原始光谱经多元散射校正，用校正样品集进行内部交叉验证，采用偏最小二乘法建立三七水分含量定量分析模型。利用三七水分含量定量分析模型能对待检三七的水分含量预测更加准确。
第二方面，如图2所示，示出了本发明的三七冻干加工控制方法的流程图，
具体包括以下步骤：
s1：控制器控制真空冷冻干燥机对清洗后的待检三七进行预冻和真空冷冻干燥。
s2：控制器接收近红外光谱检测仪采集待检三七的近红外光谱。近红外光谱检测仪采用的扫描波段为5568.3cm-1～4350.5cm-1。
s3：控制器中存储标准三七样品的不同冻干阶段的水分定量分析模型，控制器根据不同冻干阶段的标准三七样品的水分定量分析模型对相应阶段的待检三七近红外光谱进行水分测定，控制器判断待检三七水分含量是否达到当前冻干阶段的标准三七样品的水分含量，得到判断结果。
具体地，水分定量分析模型的建立方法包括：
获取标准三七样品在其中一个冻干阶段的近红外光谱。
对所述近红外光谱进行预处理，得到处理后的近红外光谱数据。具体地，对红外光谱进行预处理的方法采用多元散射校正方法。采用不同的光谱预处理方法得到的rmsecv明显不同，多元散射校正可以有效消除颗粒分布不均匀及颗粒大小不同所产生的散射影响，对处于某个冻干阶段的近红外光谱经多元散射校正后，可以提高定量效果的准确性。
以标准三七样品水分含量作为关键质量控制指标，确定最佳光谱波段。
建立标准三七样品的关键质量控制指标和与得到处理后的近红外光谱数据之间的水分定量分析模型。
在波长5568.3cm-1～4350.5cm-1，近红外光谱数据经经多元散射校正预处理后，用校正样品集进行内部交叉验证，采用偏最小二乘法建立三七水分含量定量分析模型。利用三七水分含量定量分析模型能对待检三七的水分含量进行准确预测。
近红外光谱检测仪采用的扫描波段为5425.1cm-1。经实验验证，在这个波段的原始光谱经多元散射校正，用校正样品集进行内部交叉验证，采用偏最小二乘法建立三七水分含量定量分析模型。利用三七水分含量定量分析模型能对待检三七的水分含量预测更加准确。
s4：若判断结果为是，控制器控制真空冷冻干燥机调节冻干控制数据或者停止工作。
实际的应用场景之一：采用三个近红外光谱检测仪分别对三七的表面含水量、内部含水量和总体含水量进行检测，近红外光谱检测仪将检测的数据发送给控制器。控制器控制真空冷冻干燥机调节冻干控制数据的具体过程包括：
1)将三七进行预冻，温度低于-40℃，预冻时间大于1小时；
2)控制隔板温度为-40℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度低于30pa，监测三七的表面含水量、内部含水量和总体含水量；
3)当三七的表面含水量<30％、内部含水量<70％，将隔板升温至-30℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度在40-80pa；
4)三七的表面含水量<20％、内部含水量<60％，将隔板加热至-20℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度在40-80pa；
5)当三七的表面含水量<20％、内部含水量<50％，将隔板降温至-30℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度在80-100pa；
6)当三七的表面含水量<20％、内部含水量<40％，将隔板加热至-20℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度在40-80pa；
7)当三七的表面含水量<20％、内部含水量<30％，将隔板降温至-30℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度在80-100pa；
8)当三七的表面含水量<10％、内部含水量<25％，将隔板加热至-20℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度在40-80pa；
9)当三七的表面含水量<10％、内部含水量<20％，将隔板加热至-10℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度在40-80pa；
10)当三七的表面含水量<5％、内部含水量<15％、总体含水量<7％，将隔板加热至0℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度在40-80pa；
11)当三七的总体含水量<6％，将隔板加热至10℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度在40-80pa；
12)当三七的总体含水量<5％，将隔板加热至40℃，控制器控制真空冷冻干燥机的真空度在90-120pa；
13)当三七的总体含水量<2％，维持隔板温度为40℃，干燥至真空度低于20pa，继续干燥1-2小时，得到冻干产品。
本发明的实施例的三七冻干加工控制方法，采用近红外光谱仪对冻干加工过程中的三七的水分含量进行无损检测，并对水分含量进行分析，利用分析结果自动调节真空冷冻干燥机的冻干控制数据，不仅对三七进行无损检测，还能节约能源，降低加工成本。在冻干过程中不添加其他化学物质，确保生产出的产品质量合格，保证冻干三七的品质。采用本发明实施例的三七冻干加工控制方法加工的三七有效成分损失少，其皂苷含量比鲜三七的皂苷含量略低，冻干三七与新鲜三七颜色一致，色差δl小于3，包装后3个月后的色差δl值小于6。冻干后的三七含水率低于2％，复水率高于90％，质地疏松、复水性好、气味浓、切分和粉碎容易。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。