湖北麥冬紅外干燥特性與干燥模型

孫永林， 湯尚文， 裴冬玲， 魏 冬

(湖北文理學(xué)院化學(xué)工程與食品科學(xué)學(xué)院，湖北襄陽 441053)

湖北麥冬紅外干燥特性與干燥模型

孫永林， 湯尚文， 裴冬玲， 魏 冬

(湖北文理學(xué)院化學(xué)工程與食品科學(xué)學(xué)院，湖北襄陽 441053)

為探討物料在紅外干燥過程中的水分變化規(guī)律，以湖北麥冬為干燥原料，進行薄層干燥特性及模型研究，并以Fick定律、Arrhenius方程為依據(jù)，計算湖北麥冬在傳熱傳質(zhì)過程中的水分?jǐn)U散系數(shù)和干燥活化能。結(jié)果表明，湖北麥冬的切片厚度及干燥溫度對其紅外干燥特性有明顯影響，切片越薄，溫度越高，湖北麥冬的干燥速率越快；Page模型預(yù)測值與實測值比較吻合，可用來描述湖北麥冬干燥動力學(xué)過程；在不同切片厚度和干燥溫度下，有效水分?jǐn)U散系數(shù)在(0.10～1.64)×10-10m2/s范圍內(nèi)基本上隨干燥溫度和切片厚度的增加而增大；麥冬切片厚度為1、2、3、4 mm的干燥活化能分別為32.88、32.12、32.49、37.09 kJ/mol。

湖北麥冬；紅外干燥；數(shù)學(xué)模型；水分?jǐn)U散系數(shù)；干燥活化能；干燥模型；產(chǎn)地初加工

湖北麥冬[Liriopespicata(Thunb.) Lour. var.proliferaY. T. Ma]是百合科山麥冬屬植物，是湖北襄陽大宗道地藥材。襄陽地處漢水中游平原，其氣候和土壤條件非常適合麥冬的生長，襄陽市歐廟鎮(zhèn)被譽為“全國麥冬之鄉(xiāng)”，該地所產(chǎn)麥冬單產(chǎn)高于川、杭麥冬，是中南地區(qū)最大的麥冬集散地[1-2]。湖北麥冬紡錘形塊根質(zhì)地柔韌、味甜，含有皂苷、黃酮、多糖和氨基酸等人體所需的營養(yǎng)成分，具有養(yǎng)陰生津、潤肺止咳、除煩安躁等功效[3]。干燥是對中藥材進行產(chǎn)地初加工的首要環(huán)節(jié)，但是在干燥過程中傳熱傳質(zhì)過程復(fù)雜，物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、干燥溫度、干燥方式等直接影響中藥材的質(zhì)量。紅外干燥利用的原理是紅外線能穿入物料內(nèi)部粒子間的微小空隙，因分子能級的變化導(dǎo)致運動加劇、溫度升高，物料內(nèi)水分的擴散及表面水分的汽化均處于正向的最佳狀態(tài)，加熱速度快、傳熱效應(yīng)高，從而保證物料的天然品質(zhì)[4]。目前已有對麥冬進行薄膜覆蓋曬干處理[5]、冷凍干燥和微波干燥等的報道[6]，但對湖北麥冬進行紅外干燥的研究較少。本研究擬采用紅外干燥方法對湖北麥冬進行薄層干燥處理，探討干燥溫度、切片厚度對干燥特性的影響并建立數(shù)學(xué)模型，以期為湖北麥冬的產(chǎn)地初加工提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

新鮮湖北麥冬采自湖北省襄陽市歐廟鎮(zhèn)湖北麥冬標(biāo)準(zhǔn)化示范基地。

1.2 儀器與設(shè)備

MS-70型紅外水分快速測定儀，日本AND公司；百信中藥立式切片機，瑞安市百信制藥機械有限公司。

1.3 樣品制備與測試方法

將新鮮的湖北麥冬切去塊根兩端，再分別將中部橫切成厚度為1、2、3、4 mm的圓形薄片，分別在60、70、80、90、100、110、120 ℃條件下進行干燥，利用儀器自帶的數(shù)據(jù)采集軟件每隔1 min記錄1次樣品質(zhì)量數(shù)據(jù)。

1.4 含水率的測定及計算

1.4.1 干基含水率的計算 湖北麥冬在干燥過程中干基含水率的測定方法參照GB/T 5009.3—2010《食品中水分的測定方法》[7]，計算公式參照譚斯元等方法[8]：

Wt=(Gt-Gg)/Gg×100%；

Gg=G0×(1-W濕)。

式中：Wt為t時刻的干基含水率，%；Gt為干燥至t時刻的質(zhì)量，g；Gg為干質(zhì)量，g；W濕為濕基含水率，%。

1.4.2 干燥速率的計算 干燥率計算公式：

DR=(Wt-Wt+Δt)/Δt。

式中：DR為干燥速率，%/min；Δt為間隔時間，min。由于本試驗在干燥過程中Δt為1 min，故將上式簡化為DR=Wt-Wt+Δt。

1.4.3 水分比的計算 水分比計算公式：

MR=(Wt-We)/(W0-We)。

式中：MR為水分比；W0為物料初始干基含水率，%；We為物料干燥平衡干基含水率，%。與Wt、W0相比，We一般很小，且難以確定，因此該式可簡化為下式：

MR=Wt/W0。

1.4.4 有效水分?jǐn)U散系數(shù)及活化能的計算 有效水分?jǐn)U散系數(shù)描述物料內(nèi)水分的傳質(zhì)性能，其大小與物料的化學(xué)成分、水分含量等性質(zhì)有關(guān)，同時也取決于干燥方式。有效水分?jǐn)U散系數(shù)的計算，需要通過具體試驗的測定，并結(jié)合數(shù)學(xué)模型進行估算[9]。數(shù)學(xué)模型多以Fick第二定律為基礎(chǔ)，在理想狀態(tài)下Fick方程經(jīng)簡化后見式(1)：

(1)

式中：Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s；L為物料厚度的一半，m；t為干燥時間，s。

作出lnMR和t的關(guān)系圖，擬合直線方程，其斜率為k0，可用式(2)計算Deff[10]：

(2)

干燥活化能可表征物料在干燥過程中脫除單位摩爾的水分所需要的啟動能量，結(jié)合物料的Deff和干燥溫度的關(guān)系，可用Arrhenius方程表示，如式(3)：

(3)

式中：D0為擴散基數(shù)，m2/s，為定值；Ea為干燥活化能，kJ/mol；R為氣體摩爾常數(shù)，其值為8.314 472 J/(mol·K)；T為干燥溫度，℃。

公式(3)兩邊取自然對數(shù)，得式(4)：

(4)

1.5 數(shù)據(jù)處理及擬合

所得數(shù)據(jù)用Excel軟件處理后，再用Origin8.0作圖，并用1stOpt軟件進行擬合構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。用模型系數(shù)均方差(RMSE)、殘差平方和(SSE)、相關(guān)系數(shù)(R)、決定系數(shù)(DC)、卡方系數(shù)(χ2)、F值等對所建模型進行衡量和評估[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對湖北麥冬干燥特性的影響

由圖1可以看出，干燥溫度對湖北麥冬干基含水率有明顯影響，干燥溫度越高，干基含水率降至同一水平時所需要的時間越短；在相同溫度下，隨著干燥時間的延長，干基含水率呈先急劇降低后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢?？梢姳M管高溫可明顯提高干燥效率、縮短干燥時間，但因溫度過高，麥冬發(fā)生美拉德反應(yīng)，導(dǎo)致色澤變黃，影響其品質(zhì)[6]。其他厚度的變化趨勢與此類似。

由圖2可見，隨著干基含水率的增加，湖北麥冬干燥速率逐漸增大，達(dá)到一定的峰值后呈逐漸降低趨勢；同時可以看出，湖北麥冬在不同溫度下進行干燥時，高溫狀態(tài)下的干燥速率明顯高于低溫干燥條件的。

2.2 切片厚度對湖北麥冬干燥特性的影響

由圖3可以看出，隨著干燥時間的延長，各種厚度的湖北麥冬切片的干基含水率逐漸降低；隨著切片厚度的增加，湖北麥冬干基含水率降至同一水平時所需的時間延長。可能因為切片厚度增加，麥冬內(nèi)部的水分向外遷移的距離增大，從而導(dǎo)致汽化的阻力增加、時間延長。

由圖4可以看出，各種厚度的湖北麥冬切片，其干燥速率隨干基含水率的增加而逐漸提高，至峰值后逐漸下降；在相同溫度下，厚切片的干燥速率明顯低于較薄切片的干燥速率，可能因為麥冬切片增厚，水分在遷移過程中所受的阻力增大，從而導(dǎo)致傳熱和傳質(zhì)過程變慢，干燥速率降低。

2.3 干燥模型的建立

物料的干燥過程受干燥溫度、厚度、形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等諸多因素的影響，為了定量描述湖北麥冬在干燥過程中的水分變化規(guī)律，筆者在結(jié)合文獻資料及試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上選擇了3種數(shù)學(xué)模型進行描述[11-15]，詳見表1。

圖5為2 mm湖北麥冬切片在不同干燥溫度下，其MR值隨時間的變化曲線(其他厚度與此類似)。利用1stOpt軟件對MR隨t變化的數(shù)據(jù)按照表1中的模型進行擬合，結(jié)果見圖6、表2。

將90℃下的實測值與利用3種干燥模型進行擬合后的預(yù)測值進行比較，由圖6可以看出，單項擴散模型和Lewis模型與實測值有一定的偏離，而通過Page模型得到的預(yù)測值與實測值比較吻合。

表1 3種基礎(chǔ)干燥模型

注：a為待定速率系數(shù)；k為干燥速率常數(shù)；n為冪指數(shù)。

表2為3種基礎(chǔ)干燥模型的擬合計算結(jié)果，通過比較3種模型的系數(shù)RMSE、SSE、R2、DC、χ2和F值可以發(fā)現(xiàn)，Page模型擬合的RMSE、SSE、χ2最小，F(xiàn)值最大。R2為0.996 3，DC為0.995 5，均趨近1，表明Page模型最能反映實測值，適于描述湖北麥冬紅外干燥規(guī)律。其他溫度下模型擬合結(jié)果與此類似，因此Page模型可作為湖北麥冬紅外干燥的數(shù)學(xué)模型。

表2 3種基礎(chǔ)干燥模型計算結(jié)果

注：標(biāo)注“*”的模型為最適模型。

2.4 有效水分?jǐn)U散系數(shù)和活化能的計算

從表3可以看出，在不同的切片厚度、干燥溫度下，有效水分?jǐn)U散系數(shù)在(0.10～1.64)×10-10m2/s范圍內(nèi)隨干燥溫度和切片厚度的增加而增大。干燥活化能是物料處于理想狀態(tài)下脫除單位摩爾的水分所需要的啟動能量[16]，厚度為1、2、3 mm的湖北麥冬切片的干燥活化能差異較小，但4 mm厚麥冬切片的干燥活化能達(dá)37.09 kJ/mol，可能因為較厚的湖北麥冬樣品在干燥過程中塊根內(nèi)部水分、溫度梯度存在差異所致。

表3 不同厚度和不同溫度下湖北麥冬紅外干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)

續(xù)表3

厚度(mm)溫度(℃)R2(t-lnMR)斜率K0(×10-4)Deff(×10-10m2/s)3700.9843-2.24340.153800.9855-2.95450.223900.9832-4.80080.3231000.9841-5.04320.4131100.9806-7.12660.6031200.9855-8.70060.804600.9946-1.03470.284700.9905-1.47170.464800.9867-2.14590.604900.9833-3.19660.9841000.9808-4.03261.0241100.9814-5.94211.4441200.9824-7.91471.64

注：厚度為1、2、3、4 mm時，活化能的R2[(1/T+273.15)-lnDeff]分別為0.962 7、0.982 5、0.981 9、0.998 1，Ea分別為32.88、32.12、32.49、37.09 kJ/moL。

3 討論與結(jié)論

湖北麥冬的紅外干燥特性與溫度、切片厚度密切相關(guān)，溫度越高、切片越薄，干燥速率越快、干燥時間越短。但在實際生產(chǎn)中，為保證湖北麥冬的色澤和品質(zhì)，應(yīng)選用適宜的溫度。湖北麥冬切片的紅外干燥規(guī)律可用Page模型準(zhǔn)確描述，因為Page模型預(yù)測值與實測值更接近，能準(zhǔn)確地預(yù)測湖北麥冬在干燥過程中水分變化規(guī)律。根據(jù)湖北麥冬的干燥特性，有效水分?jǐn)U散系數(shù)在 (0.10～1.64)×10-10m2/s 范圍內(nèi)隨干燥溫度和切片厚度的增加而增大。厚度為1、2、3、4 mm湖北麥冬切片的干燥活化能分別為32.88、32.12、32.49、37.09 kJ/mol。

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10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.049

2016-03-31

湖北省自然科學(xué)基金(編號：2011BMZ090)；湖北文理學(xué)院食品新型工業(yè)化學(xué)科群建設(shè)項目(編號：2016zk017)。

孫永林(1973—)，女，湖北襄陽人，碩士，副教授，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工研究。E-mail：syl16935@163.com。

S567.23+2.09

A

1002-1302(2017)02-0163-03

孫永林，湯尚文，裴冬玲，等. 湖北麥冬紅外干燥特性與干燥模型[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45(2)：163-166.