玫瑰花瓣壓花材料熱風(fēng)干燥動力學(xué)模型

譚 穎，陳國菊，程玉瑾，袁愛群，馬少妹，韋冬萍

1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，廣州 510642;2 廣西民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，南寧 530006

壓花是將植物材料(根、莖、葉、花、果)通過物理或化學(xué)方法，經(jīng)過脫水、保色壓制和干燥處理，再經(jīng)過構(gòu)思而制成精致藝術(shù)品的過程。與普通的干花制備不同，壓花材料的含水量不能超過安全限度，否則就易引起壓花材料的品質(zhì)的退化，除了水分含量要嚴(yán)格控制外，還必須保證壓花材料的平整性、色澤等感官美觀性，因此干燥是一個極為重要的環(huán)節(jié)［1，2］。盡管壓花技術(shù)已有悠久的應(yīng)用歷史，但迄今為止，大多數(shù)壓花材料的干燥基本是沿用傳統(tǒng)的方法憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。近些年，人們的研究［3-5］側(cè)重于色素在干燥過程中的變化以及如何通過化學(xué)法提高花材的顏色、外觀等審美感覺。隨著干燥技術(shù)的發(fā)展，熱風(fēng)、微波、真空冷凍干燥等技術(shù)在干燥花的制備中得到應(yīng)用［6-9］，但對于壓花材料的干燥過程仍缺乏系統(tǒng)的理論研究，在對壓花材料進(jìn)行干燥時，難以準(zhǔn)確地控制壓花材料的含水量。因此，掌握壓花材料含水量的變化規(guī)律，利用數(shù)學(xué)模型定量描述壓花材料的干燥過程，進(jìn)行干燥動力學(xué)研究，對科學(xué)制定干燥時間、調(diào)整干燥工藝、提高能效和產(chǎn)能等有著重要的理論及實(shí)際意義。

薄層干燥研究是探討農(nóng)副產(chǎn)品干燥特性的基礎(chǔ)［10］，已廣泛地應(yīng)用于農(nóng)副產(chǎn)品加工領(lǐng)域［11，12］，但用于壓花材料干燥方面的研究卻不多見［13，14］。為了更好了解壓花材料的干燥過程，本試驗(yàn)以壓花用玫瑰花瓣為研究對象，對其熱風(fēng)干燥過程、外觀和微觀形貌變化、熱解特性進(jìn)行研究，確定其薄層干燥過程動力學(xué)的數(shù)學(xué)模型，并求算出干燥過程的動力學(xué)參數(shù)，為進(jìn)一步研究壓花材料的熱風(fēng)干燥以及今后的規(guī)?；a(chǎn)中干燥設(shè)備的設(shè)計(jì)、干燥工藝的制定等提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

市售新鮮紅色玫瑰(Rosachinensis，平均含水率為78.3%)，DHG-9076A 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司)，干燥板(孔徑4 mm，孔間距8 mm)，S-3400N 型掃描電子顯微鏡(日本日立公司)。

1.2 花瓣的含水率測定

新鮮玫瑰花經(jīng)去除雌蕊、花托、多余花瓣，清除表面異物，測定花瓣的含水率，然后將花瓣上下兩側(cè)依次放上吸水宣紙和薄海綿，使用干燥板將其夾住、壓緊，放入事先升溫好的恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，開始計(jì)時，每隔一定時間測定花瓣的含水率，水分含量按照GB5009.3-2003 測定。

1.3 藝術(shù)美觀性

分別從1-平整度，2-完整度，3-褐變程度，4-色變程度，5-光澤度等5 個不同方面對干燥后玫瑰花瓣的外觀、色澤等進(jìn)行評分，每項(xiàng)滿分10 分。

1.4 干燥動力學(xué)模型及參數(shù)計(jì)算

在干燥過程中，根據(jù)被干燥物料在不同時刻的含水量可計(jì)算水分比［15-17］，水分比(MR)表示某時刻待除去的自由水分量與初始總自由水分量的比值，其表達(dá)式為:

其中，Mt是t 時刻的干基含水量(g/g 絕干物料)，M0和Me分別是初始和達(dá)到平衡時干基含水量(g/g 絕干物料)。由于濕物料的平衡干基含水量Me難以確定，可近似用干燥產(chǎn)品的最終干基含水量Mf(g/g 絕干物料)代替:

以MR對干燥時間t 作圖即為以水分比表示的干燥曲線。

玫瑰花瓣的干燥符合薄層干燥類型，因此可以采用常用的薄層干燥動力學(xué)模型對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，將Fick 第二定律應(yīng)用于薄層干燥過程可得:

對于較長時間的干燥過程，式(3)可簡化為:

兩邊取對數(shù)得到:

以水分比的對數(shù)lnMR對干燥時間t 作圖可得一條直線，從直線的斜率可求得有效水分?jǐn)U散系數(shù)D。干燥溫度對有效水分?jǐn)U散系數(shù)D 的影響關(guān)系可用阿侖尼烏斯公式表達(dá)，即:

式中:D0為指前因子(m2/s)，Ea為干燥過程的活化能(kJ/mol)，R 為氣體常數(shù)8.314 J/(mol·K)，T 為絕對溫度(K)。對(6)式的兩端取對數(shù)得:

以有效水分?jǐn)U散系數(shù)的對數(shù)lnD 對溫度的倒數(shù)1/T 作圖可得一條直線，由直線的斜率可求得活化能。

2 結(jié)果與討論

2.1 玫瑰花瓣熱風(fēng)干燥特性

2.1.1 干燥溫度對MR的影響

探索實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干燥板、宣紙、海綿等對玫瑰花瓣干燥的影響不大，這是因?yàn)檫@些材料的孔隙較大對水分從花材向環(huán)境的擴(kuò)散阻力小，而溫度和時間的影響較大，是因?yàn)閮烧呔艽龠M(jìn)水分?jǐn)U散，此外由于壓花花材有藝術(shù)美觀性的要求，干燥的溫度和時間都不能太高和太長，以最終10%～18%含水率為宜［18］。分別選用35、40、45、50 ℃下，測定不同干燥時間下花瓣的含水率，水分比與時間的關(guān)系如圖1所示。從圖1 可以看出，相同溫度，干燥前期水分失去量較大，隨著時間的進(jìn)行，逐漸減少，這主要是前期花瓣水分含量大，水分驅(qū)動力較大，從室溫升高到某個溫度時表面水分在短時間內(nèi)迅速蒸發(fā)，當(dāng)表面水分蒸發(fā)后，花瓣內(nèi)部的水分?jǐn)U散到表面需要一段時間，導(dǎo)致水分失去量減少，后期花瓣水分含量較少，花瓣收縮后細(xì)胞間隙減小，水分的蒸發(fā)阻力不斷增大，導(dǎo)致水分失去量減小，隨著時間的延長，花瓣中水分逐漸減少，溫度越高干燥速率越快，達(dá)到相同的含水率，50 ℃所需要的時間比30 ℃縮短80 min左右，45 ℃在840 min 就可以達(dá)到壓花材料所需的含水率。

圖1 不同干燥溫度下玫瑰花瓣的干燥曲線ig.1 Drying curves of rose petals under different temperatures

2.1.2 熱風(fēng)溫度對玫瑰花壓花藝術(shù)美觀性的影響

實(shí)驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)采用熱風(fēng)干燥，溫度提高或時間延長，花瓣有輕度萎縮現(xiàn)象，花瓣顏色變紫，且干燥不均勻。溫度對于花材干燥過程中色變的影響是較大的，當(dāng)溫度升高時，酚類色素的穩(wěn)定性下降，微生物和酶活性顯著增強(qiáng)引起化學(xué)反應(yīng)的加速，導(dǎo)致花瓣的色變加劇。而熱風(fēng)干燥的時間較長，酚類色素易被氧化，破壞了原有的顏色導(dǎo)致發(fā)生褐變。雖然低溫下干燥花瓣可以較好地保持花材顏色，但是水分蒸發(fā)慢，耗時太長，很難達(dá)到保色的要求，干燥時間過長，細(xì)胞因失水引起原生質(zhì)體的收縮，對細(xì)胞形態(tài)起支持作用的膨壓下降，較薄的細(xì)胞壁承受不起外界大氣壓力和原生質(zhì)收縮所產(chǎn)生的牽拉作用而引起玫瑰花瓣發(fā)生萎縮、皺折等外觀形態(tài)變化。

選擇不同的熱風(fēng)干燥溫度，840 min 后分別從1-平整度、2-完整度、3-褐變程度、4-色變程度和5-光澤度評價花瓣的藝術(shù)美觀性，溫度對玫瑰花瓣壓花藝術(shù)美觀性的影響如圖2 所示，從圖2 可以看到，花瓣干燥后平整度隨著溫度升高、時間的延長而提高，但溫度升高、時間縮短可以降低褐變程度，溫度高時褐變程度也隨之加重，綜合不同干燥溫度和時間下花瓣的含水率及藝術(shù)美觀性指標(biāo)，認(rèn)為40 ℃下烘干840 min，可制備用于壓花材料的玫瑰花瓣。

2.2 干燥過程玫瑰花瓣表面的微觀形貌

圖2 不同溫度對花瓣藝術(shù)美觀性的影響Fig.2 The effect of temperature on artistic beauty of pressed rose petals

為了更好地了解干燥過程花瓣表面微觀形貌的改變，采用SEM 觀察其表面形貌［19，20］。圖3(A)為新鮮玫瑰花花瓣的正面SEM 圖。可以看到，玫瑰花花瓣的表面由排列整齊的乳突結(jié)構(gòu)組成，且乳突飽滿，在每個乳突頂端有褶皺結(jié)構(gòu)。圖3(B～D)為干燥300、500、840 min 的玫瑰花花瓣的正面SEM 圖?？梢钥吹剑S著干燥的進(jìn)行，陣列狀的乳突結(jié)構(gòu)逐漸收縮，導(dǎo)致中間乳突頂端的褶皺變大，最后因失水產(chǎn)生中空造成乳狀腔體逐步塌陷。圖4(a)為新鮮玫瑰花花瓣的反面SEM 圖，可以看到，其表面有溝回結(jié)構(gòu)，而且這些溝回深淺不一，高凸部分圍成圈，形成圍欄狀。圖4(b～d)為干燥過程300、500、840 min 玫瑰花花瓣反面的SEM 圖，可以看到，溝回結(jié)構(gòu)仍然存在但已發(fā)生收縮，高凸部分逐漸萎縮，最后形成浮雕狀突起。

圖3 玫瑰花瓣干燥過程正面微觀形貌的變化Fig.3 Micromorphologic changes of obverse surface for rose petals during drying

圖4 玫瑰花瓣干燥過程反面微觀形貌的變化Fig.4 Micromorphologic changes of reverse surface for rose petals during drying

2.3 動力學(xué)模型的擬合

用于薄層干燥的動力學(xué)方程有Lewis、Page、Henderson-Pabis、Modified-Page，兩項(xiàng)指數(shù)，Thompson和Wang and Singh 等，選取40 ℃熱風(fēng)干燥數(shù)據(jù)，進(jìn)行以上動力學(xué)模型擬合，擬合結(jié)果較好的列在表1。從表1 的結(jié)果可以看到，玫瑰花瓣的真空干燥過程用Page 方程擬合的決定系數(shù)R2較高，而卡方(x2)均方根(RMSE)最小，因此該過程可用Page 方程模型描述，其動力學(xué)方程的表達(dá)式為 MR=exp(-1.6655×10-3t1.0144)。計(jì)算過程的有效水分?jǐn)U散系數(shù)和活化能結(jié)果見表2，從表2 的數(shù)據(jù)可以看到，其有效水分?jǐn)U散系數(shù)的數(shù)值隨溫度的升高而增大、這是溫度升高花瓣的干燥速率增大使得含水量下降加快的主要原因。玫瑰花瓣在35～50 ℃內(nèi)干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)數(shù)值符合薄層類物質(zhì)干燥的有效擴(kuò)散率范圍10-11～10-9m2/s，其活化能數(shù)值小于40 kJ/mol，符合物理過程的活化能范圍。以此干燥數(shù)學(xué)模型可預(yù)測出壓花材料干燥過程中水分的變化規(guī)律，結(jié)合對壓花材料水分的要求，可計(jì)算不同熱風(fēng)干燥的時耗，從而估計(jì)能耗，為設(shè)計(jì)高效經(jīng)濟(jì)的壓花材料專用干燥裝備與制定科學(xué)的干燥工藝提供理論參考。

表1 動力學(xué)模型的擬合結(jié)果Table 1 Fitting results of the drying dynamic model

表2 熱風(fēng)干燥動力學(xué)參數(shù)Table 2 Dynamic parameters of hot air drying

2.4 動力學(xué)模型的驗(yàn)證

圖5 熱風(fēng)干燥理論值與實(shí)驗(yàn)值比較Fig.5 Comparison of theoretical values and actual measured values of hot air drying

為了驗(yàn)證Page 方程模型的準(zhǔn)確性，選擇40 ℃條件的熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和Page 方程計(jì)算的MR對時間t 作圖，得到圖5，從圖5 可以看到，計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值吻合較好，進(jìn)一步說明采用Page 方程模型來描述玫瑰花瓣的熱風(fēng)干燥是可靠的。

3 結(jié)論

通過對玫瑰花瓣壓花材料的熱風(fēng)干燥過程及特性的研究，發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)溫度對玫瑰花瓣干燥速度的影響較大，溫度越高，干燥越快;在相同干燥時間下，玫瑰花瓣壓花材料的藝術(shù)美觀性隨著溫度的升高，逐漸增強(qiáng)，當(dāng)溫度超過45 ℃后又有減弱的趨勢，在熱風(fēng)40 ℃、840 min 下干燥，可以制備具有較好藝術(shù)美感的玫瑰花瓣壓花材料。隨著干燥的進(jìn)行，玫瑰花瓣正面原排列整齊的乳突結(jié)構(gòu)逐漸收縮，引起乳突頂端的褶皺變大且間距逐步增大，最后因失水產(chǎn)生中空造成乳狀腔體塌陷;花瓣反面的溝回結(jié)構(gòu)發(fā)生收縮，高凸部分逐漸萎縮，最后形成浮雕狀突起。玫瑰花瓣熱風(fēng)干燥過程的有效擴(kuò)散系數(shù)為2.524×10-10m2/s，活化能為11.322 kJ/mol，其干燥動力學(xué)模型可用薄層干燥Page 模型來描述，其表達(dá)式為MR=exp(-1.6655×10-3t1.0144)。

1 Chen GJ(陳國菊)，Zhao GF(趙國防).Pressed Flower Art(壓花藝術(shù)).Beijing:China Agriculture Press，2009.2.

2 Zhang Jun(張俊).The study of pressing and preservation of dehydrated flower.Northern Horticul(北方園藝)，2010，9:109-111.

3 Liu Y(劉嶧)，Wang L(王麗)，Liu HQ(劉慧芹)，et al.Study on color-keeping technology of the rosachinensis petals as pressed flower material.Hubei Agric Sci(湖北農(nóng)業(yè)科學(xué))，2011，50:3331-3333.

4 Safeena SA，Patil VS.Studies on the effect of microwave oven drying on flower quality of dried dutch rose flowers.Nat Acade Sci Lett，2014，37:19-24.

5 Nowak R，Olech M，Pecio L，et al.Cytotoxic，antioxidant，antimicrobial properties and chemical composition of rose petals.J Sci Food Agric，2014，94:560-567.

6 Song CF(宋春芳)，Qin YH(覃永紅)，Chen X(陳希)，et al.Experiments on microwave vacuum drying of rose.Trans Chin Soc Agric Eng(農(nóng)業(yè)工程學(xué)報)，2011 27:389-392.

7 Song CF(宋春芳)，Qin YH(覃永紅)，Zhou L(周黎)，et al.Effects of different drying methods on quality of rose petals.J Northeast Forest Univ(東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報)，2011，39(3):41-43.

8 Safeena SA，Patil VS.Effect of hot air oven and microwave oven drying on production of quality dry flowers of dutch roses.J Agric Sci，2013，5:179-189.

9 Quintero Ruiz NA，Demarchi SM，Giner SA.Effect of hot air，vacuum and infrared drying methods on quality of rose hip(Rosa rubiginosa)leathers.Int J Food Sci Technol，2014，49:1799-1804.

10 Wang N(王寧)，Liu WX(劉文秀)，Li FC(李鳳城)，et al.Thin layer drying model of apricot at low temperature.Trans Chin Soc Agric Mach(農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報)，2011，42:140-144.

11 Iqba S，Devinder D，Shashi P.Optimisation of drying of French marigold(Tagetes patula Linn.)flowers.Int Agric Eng J，2006，15:11-15.

12 Li XD(李曉冬)，Liu HY(劉鴻雁)，Hu BS(胡柏松)，et al.Research on vacuum drying characteristic of yellow chrysanthemum.J Anhui Agric Sci(安徽農(nóng)業(yè)科學(xué))，2010，38:10895-10897.

13 Lee JH，Kim HJ.Vacuum drying kinetics of Asian white radish(Raphanus sativus L)slices.Food Sci Technol，2009，42:180-186.

14 Liu K(劉珂)，Zhu WX(朱文學(xué)).Study on hot air drying characteristic of pressed peony and dynamic model.J Agric Mech Res(農(nóng)機(jī)化研究)，2010，11:188-192.

15 Wang BH(王寶和).Review of drying kinetics.Drying Technol Equip(干燥技術(shù)與設(shè)備)，2009，7:51-56.

16 Zhang YJ(張亞晶).Research on hot-air drying characteristics and heat and mass model of carnation.Kunming:Kunming University of Science and Technology(昆明理工大學(xué))，MSc.2012.

17 Sun SH(孫淑紅).Research on pressing technology of peony.Luoyang:Henan University of Science and Technology(洛陽:河南科技大學(xué))，MSc，2011.

18 Hong B(洪波).Manufacturing Process and Application of Drying Flower.Beijing:China Forestry Press，2009.

19 Lin GH(林國輝)，Wang YL(王育林)，Peng YH(彭永宏).Observation on the ultrastructure of petal of cut rose flowers by SEM.J South China Norm Univ(華南師范大學(xué)學(xué)報)2001，3:106-110.

20 Wang MC(王明超)，Yang QL(楊青林)，Wang C(王春)，et al.Effects of micro-and nano-structure on the adhesive property of rose petals.Chem J Chin Univ(高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報)，2011，32:1594-1597.