葉鵬飛，耿 政，王 珂，傅虹飛，陳香維，劉惠敏，王云陽※

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，楊陵 712100； 2.陜西大明機械制造有限公司，寶雞 721000）

0 引 言

腐殖酸肥料是由動、植物遺骸經(jīng)微生物分解和轉(zhuǎn)化形成的一類天然有機物質(zhì)，是一種多功能肥料，對作物的生長以及營養(yǎng)物質(zhì)的吸收具有重要作用。同時，由廚余垃圾、麩皮、鋸末發(fā)酵成的腐殖酸肥料干燥后可作為一種高蛋白家禽飼料，提升其經(jīng)濟(jì)收益和垃圾利用率。腐殖酸肥料作為可循環(huán)開發(fā)利用的有機資源，應(yīng)用前景廣泛。

干燥是肥料生產(chǎn)中的一個重要環(huán)節(jié)，成為產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的制約因素。在肥料生產(chǎn)中，常用的干燥方式有回轉(zhuǎn)式、氣流振動式和遠(yuǎn)紅外式等，但這些干燥方式為外部加熱法，存在干燥設(shè)備龐大、干燥費用高、干燥速率低等缺點。近年來，人們在肥料傳統(tǒng)干燥方法的基礎(chǔ)上，研究了一些新型的干燥技術(shù)，而射頻真空干燥技術(shù)成為新的研究方向。

射頻（Radio Frequency，RF）作為一種高頻交流電磁波，頻率比微波小，范圍在1～300 MHz，可視為一種電容器。射頻因升溫快、加熱均勻、穿透深度大而被作為一種新興的電磁加熱技術(shù)，在農(nóng)產(chǎn)品和食品工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。射頻作用于物料時，通過極性分子轉(zhuǎn)動與離子震蕩摩擦，在物料內(nèi)部產(chǎn)生熱量，具有縮短處理時間、保證產(chǎn)品品質(zhì)的優(yōu)點。有研究表明，在生產(chǎn)有機肥中，利用射頻加熱技術(shù)對污泥進(jìn)行預(yù)處理，能降低堆肥的初始濕基含水率，縮短堆肥發(fā)酵時長，且能源利用效率更高。

作為新的干燥技術(shù)，射頻真空干燥技術(shù)結(jié)合了真空和射頻的優(yōu)點，廣泛用于干燥加工工藝中。Zhou等利用射頻真空干燥法處理獼猴桃片，結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)60 ℃熱風(fēng)干燥，射頻真空干燥時間減少65%，且射頻真空聯(lián)合干燥的獼猴桃片顏色穩(wěn)定性更好、維生素C保留率更高、復(fù)水能力更佳。Ran等利用射頻真空聯(lián)合干燥生產(chǎn)雞肉粉，結(jié)果表明射頻真空干燥時間最短，與真空干燥或微波干燥相比，射頻真空干燥的雞肉粉吸濕性最低、持水量最高、色澤和味道最好、鮮味最佳，射頻真空干燥對蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)影響最小。因此射頻真空干燥技術(shù)在維持原料品質(zhì)和提高干燥速率方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)干燥方法。然而，射頻真空干燥是一個十分復(fù)雜的過程，其影響因素包括電磁場參數(shù)、溫度、物料含水率等。目前腐殖酸肥料的常用干燥方式為電熱板加熱干燥，耗時長、效率低、加熱均勻性差，因此將射頻真空干燥應(yīng)用于腐殖酸肥料，研究射頻真空干燥的工藝技術(shù)條件。

干燥模型是干燥研究重要內(nèi)容，建立干燥模型預(yù)測物料水分變化規(guī)律，對揭示物料干燥傳熱傳質(zhì)規(guī)律、指導(dǎo)干燥條件選擇具有重要意義。Weibull函數(shù)具有適用性廣、覆蓋性強的特點，在青花椒、香蕉片、馬鈴薯丁、菊芋等的干燥動力學(xué)研究中取得了較高的擬合精度，但在腐殖酸肥料射頻真空干燥中的應(yīng)用研究較少。

本試驗以固態(tài)發(fā)酵物腐殖酸肥料為材料，測定射頻真空干燥過程中腐殖酸肥料的升溫規(guī)律、干燥曲線、加熱均勻性和色澤變化，以期為射頻真空干燥技術(shù)在腐殖酸肥料干燥的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材 料

本研究用的腐殖酸肥料（質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為總氮3.61%，總磷0.71%，總鉀0.32%，有機質(zhì)89.63%）由陜西大明機械制造有限公司提供。收到后，立即將原料放進(jìn)4 ℃冰箱密封保存，試驗時再取出。腐殖酸肥料的初始含水率測定參照國標(biāo)GB5009.3-2016《食品中水分的測定》，腐殖酸肥料的初始濕基含水率為15%。

1.2 儀器與設(shè)備

GF-6A-27-JY 射頻加熱器（河北華氏紀(jì)元有限公司）、HQ-FTS-D1F00 熒光光纖測溫儀（西安和其光電有限公司）、FLIR-A300 紅外熱像儀（美國菲力爾公司）、DHG-9070A恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海福瑪實驗設(shè)備有限公司）、Ci7600色差儀（美國愛色麗公司）、射頻真空干燥釜（自主設(shè)計制造）、iCAP7400等離子體電感耦合發(fā)射光譜儀（美國賽默飛公司）。

射頻真空干燥釜為圓柱體結(jié)構(gòu)（圖1），圓柱體（外徑280 mm，內(nèi)徑200 mm，高110 mm）采用聚四氟乙烯材料加工，上下兩個蓋板采用鋁合金加工，器身和蓋板間裝有硅膠密封墊圈，器身和蓋板間通過螺栓連接，器身上安裝有3個連接管，3個管子互成60°，分別作為光纖探頭、真空、泄壓連接管口。

圖1 射頻真空干燥釜 Fig.1 Radio frequency (RF) vacuum drying kettle

射頻真空干燥系統(tǒng)（圖2）采用GF-6A-27-JY 型射頻加熱器。射頻加熱器包括射頻加熱系統(tǒng)和熱風(fēng)輔助加熱系統(tǒng)，本次試驗中未開啟熱風(fēng)輔助加熱系統(tǒng)。射頻加熱額定功率為6 kW、頻率為27.12 MHz。射頻加熱腔內(nèi)裝有上下2個極板，加熱面積為850 mm×450 mm，2個極板間距可調(diào)范圍為100～300 mm，通過調(diào)整極板間距來改變射頻加熱器的輸出功率，使物料獲得不同的升溫速率。真空干燥系統(tǒng)主要包括真空干燥釜、真空泵和真空緩沖罐。真空干燥釜放在下極板上，真空干燥釜依次與真空緩沖罐、真空泵相連接，通過真空泵來維持真空干燥釜中的負(fù)壓環(huán)境，使物料在真空干燥釜內(nèi)升溫干燥。樣品內(nèi)部溫度通過熒光光纖測溫系統(tǒng)實時測量，光纖探頭插入樣品中采集溫度數(shù)據(jù)，檢測溫度范圍為-30～200 ℃，溫度變化曲線通過軟件由電腦輸出。

圖2 射頻真空干燥系統(tǒng)示意圖 Fig.2 Schematic of RF vacuum drying system

1.3 升溫曲線測定

樣品預(yù)處理：升溫曲線測定前，將冰箱中的腐殖酸肥料取出，置于恒溫箱中回升至20 ℃，然后迅速均勻裝填到圓柱體無封口的PP塑料容器中，容器高度為55 mm，容器外徑為69 mm，壁厚為1 mm，具體結(jié)構(gòu)見圖3。其中，物料裝填高度為35 mm。均勻裝填好物料的容器放置于真空干燥釜下蓋板中央，將熒光光纖測溫探頭透過塑料容器插入物料的幾何中心位置。密封好真空干燥釜上蓋板。真空干燥釜放置于射頻加熱腔下極板合適位置，具體位置見圖4。

圖3 容器結(jié)構(gòu)和測溫點 Fig.3 Schematic of the sample container and optical fiber probe position

圖4 下極板上真空干燥釜位置 Fig.4 The position of vacuum drying kettle on the bottom electrode

升溫曲線測定：在預(yù)試驗的基礎(chǔ)上，設(shè)置真空度0.085 MPa、2個極板間距（160和165 mm）和3個初始濕基含水率（10%、15%和20%）進(jìn)行腐殖酸肥料升溫曲線測定。為保證腐殖酸肥料中微生物的活性，其干燥溫度一般為50～80 ℃，故本試驗設(shè)置80 ℃為終點溫度，當(dāng)腐殖酸肥料幾何中心溫度達(dá)到80 ℃時，停止升溫，取出腐殖酸肥料。使用熒光光纖測溫系統(tǒng)分別記錄不同極板間距下、不同含水率下，腐殖酸肥料幾何中心升溫至80 ℃的升溫曲線。試驗獨立重復(fù)3次。

1.4 加熱均勻性

升溫曲線測定結(jié)束時，關(guān)閉射頻加熱系統(tǒng)，從真空干燥釜中迅速取出樣品，采用紅外熱像儀對樣品頂層照相，從關(guān)閉加熱系統(tǒng)到照相結(jié)束用時約為90 s。采用加熱均勻性指數(shù)（）來評估物料的加熱均勻性，值越小，加熱均勻性越好。其定義式為公式（1）。

式中為加熱均勻性指數(shù)，、為射頻加熱前后物料溫度標(biāo)準(zhǔn)差；、為加熱前后物料的溫度，℃。

1.5 干燥試驗

樣品預(yù)處理：試驗前，將冰箱中的腐殖酸肥料取出，置于恒溫箱中回升至20 ℃，然后迅速均勻裝填到PP塑料容器中，均勻裝填好物料的容器放置于真空干燥釜下蓋板中央，將熒光光纖測溫探頭透過塑料容器插入物料的幾何中心位置，具體樣品預(yù)處理方法見1.3節(jié)。

干燥試驗：根據(jù)升溫試驗結(jié)果，設(shè)置真空度0.085 MPa、不同極板間距（160、165 mm）、初始濕基含水率15%進(jìn)行干燥試驗，并以不同溫度下的熱風(fēng)干燥作為試驗對照組。結(jié)合肥料干燥相關(guān)研究結(jié)論及腐殖酸肥料常規(guī)干燥溫度范圍，設(shè)置熱風(fēng)干燥溫度為65、80、95 ℃，熱風(fēng)風(fēng)速為1 m/s。射頻真空干燥過程中，每隔30 s取出腐殖酸肥料并稱質(zhì)量，計算樣品的含水率，設(shè)置干燥終點為濕基含水率低于5%，每組試驗設(shè)置3次平行，結(jié)果取3次平行試驗的平均值。

1.6 干燥參數(shù)計算

在干燥過程中，腐殖酸肥料任意時刻的水分比MR由式（2）表示。

式中M為腐殖酸肥料干燥至?xí)r刻的干基含水率，g/g；為腐殖酸肥料初始干基含水率，g/g。

腐殖酸肥料干燥過程中的干燥速率（DR，g/(g·s)）由式（3）表示。

式中M和M分別表示干燥過程中時間為和時腐殖酸肥料的干基含水率，g/g。

Weibull模型可結(jié)合形狀參數(shù)、尺度參數(shù)有效分析干燥傳熱傳質(zhì)過程，對干燥的升速、降速、恒速的階段均可適用?；赪eibull分布模型的水分比計算式由式（4）表示。

式中為干燥時間，s；為尺度參數(shù)，s；為形狀參數(shù)，無量綱。

Weibull分布模型的擬合精度由決定系數(shù)、卡方檢驗值、均方根誤差RMSE衡量，擬合精度越好時值越大、和RMSE值越小。

水分有效擴散系數(shù)（）表示了物料干燥過程中的水分遷移特點，對模擬各種物料干燥操作是必不可少的。對于降速干燥階段，可以使用Fick第二定律表示物料中水分轉(zhuǎn)移機制，其簡化的表達(dá)式為。

容器中的腐殖酸肥料可作為均質(zhì)柱體，式中為水分有效擴散系數(shù)，m/s；為柱體高度的一半，m；為干燥時間，s。對方程兩邊求對數(shù)得方程式（6）。

則水分有效擴散系數(shù)（）可通過上式計算斜率得到。

1.7 色澤測定

利用Ci7600色差儀對不同干燥方式得到的腐殖酸肥料色差值（、、）進(jìn)行測量。每組均設(shè)置3組平行，取平均值。通過分析、、結(jié)果計算出總色差值。其定義式由式（7）表示。

式中表示被測定樣品和未處理樣品之間顏色的差值，其值越大，表示腐殖酸肥料顏色變化越大；、、表示處理樣品的亮度、紅綠值、藍(lán)黃值；、、表示未處理樣品的亮度、紅綠值、藍(lán)黃值。

1.8 總氮、總磷、總鉀、有機質(zhì)測定

腐殖酸肥料總氮的測定方法參照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 2542-2014《肥料 總氮含量的測定》，采用蒸餾后直接滴定法測定。

腐殖酸肥料總磷的測定方法參照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 2541-2014《肥料 磷含量的測定》，采用硫酸-過氧化氫法處理、等離子體發(fā)射光譜法測定。

腐殖酸肥料總鉀的測定方法參照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 2540-2014《肥料 鉀含量的測定》，采用硝酸-高氯酸法處理、等離子體發(fā)射光譜法測定。

腐殖酸肥料有機質(zhì)的測定方法參照標(biāo)準(zhǔn)HJ761-2015《固體廢物 有機質(zhì)的測定》，采用灼燒減量法進(jìn)行測定。

1.9 數(shù)據(jù)處理方法

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2013、SPSS 20.0和Origin 2017軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過Origin 2017軟件對干燥數(shù)據(jù)進(jìn)行Weibull模型擬合，作圖及數(shù)據(jù)分析均采用平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥條件對腐殖酸肥料升溫速率的影響

圖5是腐殖酸肥料幾何中心升溫至80 ℃的升溫曲線，結(jié)果表明隨著時間的增加，物料幾何中心溫度不斷上升，在53 ℃出現(xiàn)拐點，53 ℃前升溫較快，53 ℃后升溫較慢，這是因為在真空度0.085 MPa時，水的沸點為53 ℃，此時物料中的水分大量蒸發(fā)，熱量損失較快，減緩升溫速率。

圖5升溫曲線結(jié)果表明，極板間距為160 mm、初始濕基含水率為15%時，升溫速率最快。極板間距越大，升溫速率越慢，因為極板間距增大，極板間的電容減小，射頻加熱系統(tǒng)輸出電流也隨之減小，射頻腔中的電場強度變?nèi)?，物料吸收的功率變小，升溫速率減慢。相同極板間距下，隨著初始濕基含水率的增加，物料升溫速率先升高后降低，含水率10%的物料因極性分子量低，受電場作用強度減弱，升溫最慢；含水率20%的物料因極性分子量較高，水分蒸發(fā)量多，熱量損失更多，減緩升溫速率。

圖5 不同射頻真空干燥條件下腐殖酸肥料的升溫曲線 Fig.5 Temperature-time curves of humic acid fertilizer at different RF vacuum drying conditions

2.2 射頻真空干燥加熱均勻性

圖6 是不同條件下升溫至80 ℃頂層溫度分布等高線圖，結(jié)果表明頂層溫度分布并無明顯熱點或冷點，溫度分布均勻，這與Ozturk等、Tiwari等研究結(jié)果不一致，這可能與物料本身的性質(zhì)及真空干燥釜有關(guān)。真空干燥釜上、下兩個蓋板為鋁合金，中間器身為聚四氟乙烯，致使電磁場發(fā)生改變，腐殖酸肥料的加熱均勻性得到改善。

圖6 腐殖酸肥料頂層溫度分布 Fig.6 Top layer temperature distribution of humic acid fertilizer

表1反映了不同條件下，腐殖酸肥料頂層的平均溫度和加熱均勻性指數(shù)，頂層平均溫度均低于80 ℃，原因可能是樣品加熱完后，從干燥釜中取出，并用紅外熱像儀拍照過程中，存在熱量損失。表1結(jié)果表明，除含水率20%的物料外，極板間距對腐殖酸肥料頂層的加熱均勻性指數(shù)無顯著影響（＞0.05），而初始濕基含水率對其有顯著影響（＜0.05），初始濕基含水率為15%時加熱均勻性指數(shù)最低，加熱均勻性較好。

表1 不同射頻真空干燥條件下腐殖酸肥料頂層的溫度、加熱均勻性指數(shù)（λ）和有效水分?jǐn)U散系數(shù) Table 1 Temperature, uniformity index (λ) in top layer and moisture effective diffusion coefficients of humic acid fertilizer after RF vacuum drying at different conditions

2.3 腐殖酸肥料干燥特性

根據(jù)升溫速率和加熱均勻性結(jié)果，設(shè)置初始濕基含水率為15%，研究不同極板間距下，腐殖酸肥料的干燥水分比曲線和干燥速率曲線，結(jié)果見圖7。結(jié)果表明極板間距160 mm的干燥速率顯著高于165 mm，減小極板間距可顯著提高干燥速率（＜0.05），縮短干燥時長（圖7a、b）。由圖7b可知，腐殖酸肥料在不同極板間距下，干燥速率曲線均呈降速段，沒有恒速段，這是由于水分在物料內(nèi)部擴散速度低于表層蒸發(fā)速度所致。圖7a、c結(jié)果表明，極板間距為160 mm時干燥時間最短，為120 s；熱風(fēng)干燥溫度為95 ℃時所需時間最少，為210 min；相同干燥條件下，射頻真空干燥與熱風(fēng)干燥所需時間相差約208 min；與熱風(fēng)干燥相比，射頻真空干燥可顯著提高干燥速率（＜0.05）。圖7d為熱風(fēng)干燥不同溫度下的干燥速率曲線，干燥過程均整體呈降速的趨勢，沒有恒速干燥段。

圖7 不同條件下腐殖酸肥料的干燥水分比和干燥速率曲線 Fig.7 Drying moisture ratio and drying rate curves of humic acid fertilizer at different conditions

Weibull分布函數(shù)模擬干燥曲線結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明模型決定系數(shù)在0.984～0.999之間，離差平方和在1.356×10～15.155×10之間，均方根誤差RMSE值在11.64×10～38.93×10之間，表明Weibull模型可較精確的模擬不同干燥條件下的干燥曲線。

尺度參數(shù)表示腐殖酸肥料在干燥過程中的速率常數(shù)，其值約等于干燥過程完成63%所需要的時間。由表2可知，隨極板間距的減小而減小，隨初始濕基含水率的增大，呈先減小后增大的趨勢，尤其極板間距對尺度參數(shù)響顯著（0.05）。極板間距為160 mm、濕基含水率為15%的最小，為82.81 s；減小極板間距、提高初始濕基含水率，可以提高干燥速率，但過高的初始濕基含水率，會降低干燥速率。

形狀參數(shù)與干燥過程中水分遷移機理、干燥方式、物料種類和狀態(tài)有關(guān)。形狀參數(shù)在0.3～1之間時，表明物料的干燥過程由內(nèi)部水分?jǐn)U散控制，始終表現(xiàn)降速干燥的特點；形狀參數(shù)大于1時，表示干燥速率呈先升高后降低的形態(tài)，干燥前期存在上升態(tài)趨勢。表2中范圍在0.76～1.28之間，均在1附近波動，說明干燥過程不全是降速干燥；但由于干燥升速時期太過短暫或者受稱量時間的影響，干燥速率曲線依舊呈一個降速的狀態(tài)。形狀參數(shù)值隨極板間距的減小而減小，隨初始濕基含水率的增加，呈先減小后增大的趨勢，極板間距為160 mm、初始濕基含水率為15%的最小。

表2 不同射頻真空干燥條件下Weibull模擬結(jié)果 Table 2 Weibull model simulated result under different RF vacuum drying conditions

干燥過程中的水分遷移過程十分復(fù)雜，為了簡化計算，其水分遷移速度，可用水分有效擴散系數(shù)描述。表1給出了不同干燥條件下，腐殖酸肥料的ln(MR)與干燥時間線性擬合結(jié)果，結(jié)果表明ln(MR)與干燥時間的線性擬合決定系數(shù)在0.963～0.995之間，表現(xiàn)出較好的擬合。腐殖酸肥料射頻真空干燥的水分有效擴散系數(shù)，均在6.827×10～12.846×10m/s之間，比常見物料的范圍高出1～2個數(shù)量級，這可能是因為試驗物料的差異而導(dǎo)致的，腐殖酸肥料結(jié)構(gòu)更為疏松，這在一定程度上加快了水分的散失，使其更高。表1表明，水分有效擴散系數(shù)，隨著極板間距的減小而增大；隨初始濕基含水率的增加，先增加后降低，15%的最大，10%的最小，表明增大初始濕基含水率，可增大水分有效擴散系數(shù)，但過高的初始濕基含水率，會降低水分有效擴散系數(shù)，進(jìn)而降低干燥速率。

2.4 不同干燥方式對腐殖酸肥料品質(zhì)的影響

腐殖酸肥料在不同干燥條件下的品質(zhì)變化見表3。結(jié)果表明，極板間距與初始濕基含水率，對腐殖酸肥料的亮度L、紅綠值a、藍(lán)黃值b、色差Δ、總氮、總磷、總鉀、有機質(zhì)含量無顯著影響（＞0.05），這與郭勝利研究復(fù)合肥料的介電干燥得到的結(jié)論一致。極板間距為165 mm、含水率為10%及極板間距為160 mm、含水率為15%時，射頻真空干燥對腐殖酸肥料的有機質(zhì)含量無顯著影響（＞0.05），而其余條件則會顯著降低有機質(zhì)含量（＜0.05）。因干燥溫度越高，肥料養(yǎng)分損失越多，故選擇65 ℃熱風(fēng)干燥作為品質(zhì)對照組。65 ℃熱風(fēng)干燥后，樣品的Δ顯著高于射頻真空干燥（＜0.05）。與射頻真空干燥相比，熱風(fēng)干燥會顯著降低腐殖酸肥料的總氮和有機質(zhì)含量（＜0.05），而對總磷、總鉀含量沒有明顯的影響趨勢（＞0.05）。熱風(fēng)干燥速率低、耗時長，導(dǎo)致樣品品質(zhì)嚴(yán)重受損，這與Zhou等研究獼猴桃切片的射頻真空及熱風(fēng)聯(lián)合干燥得到的結(jié)論一致。

表3 不同干燥條件對腐殖酸肥料品質(zhì)的影響 Table 3 Effects of different drying conditions on the quality of humic acid fertilizer

3 結(jié) 論

1）真空度為0.085 MPa，極板間距為160 mm、初始濕基含水率為15%時，腐殖酸肥料射頻真空干燥速率和升溫速率較快，加熱均勻性較好；與熱風(fēng)干燥相比，射頻真空干燥可顯著提高干燥速率（＜0.05）。除含水率20%的物料外，極板間距對頂層的加熱均勻性無顯著影響（＞0.05）；而初始濕基含水率對其有顯著影響（＜0.05）。

2）Weibull函數(shù)能較好的模擬腐殖酸肥料干燥過程。根據(jù)Fick定律計算的水分有效擴散系數(shù)，比常見物料的高出1～2個數(shù)量級。極板間距為160 mm、初始濕基含水率為15%時，尺度參數(shù)和形狀參數(shù)最小，水分有效擴散系數(shù)最大。

3）極板間距與初始濕基含水率，總體上對腐殖酸肥料的亮度L、紅綠值a、藍(lán)黃值b、色差Δ、總氮、總磷、總鉀、有機質(zhì)無顯著影響（0.05）；與射頻真空干燥相比，65 ℃熱風(fēng)干燥后樣品的色差值顯著高于射頻真空干燥（＜ 0.05）。同時，熱風(fēng)干燥會顯著降低腐殖酸肥料的總氮、有機質(zhì)含量（＜0.05）。綜合上述試驗結(jié)果，腐殖酸肥料較佳的射頻真空干燥參數(shù)為真空度0.085 MPa，極板間距160 mm，初始濕基含水率15%，在此條件下，腐殖酸肥料色澤較好，總氮、有機質(zhì)損失較少。