葛根片熱風(fēng)干燥節(jié)能工藝條件優(yōu)化研究

陳 菽，邵 偉

（三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院，湖北 宜昌 443001）

葛根片熱風(fēng)干燥節(jié)能工藝條件優(yōu)化研究

陳 菽，邵 偉

（三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院，湖北 宜昌 443001）

為了找尋葛根片熱風(fēng)干燥的最佳條件，利用熱風(fēng)干燥箱，在不同的沸水預(yù)處理時間、切片厚度、熱風(fēng)溫度和裝料量條件下對葛根片進(jìn)行干燥，獲得了葛根片的干燥曲線，并分析了沸水預(yù)處理時間、切片厚度、熱風(fēng)溫度和裝料厚度對干燥效果的影響。并以含水率和單位物料能耗為指標(biāo)，利用響應(yīng)面分析法（RSM）對熱風(fēng)干燥工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，得到了葛根片熱風(fēng)干燥工藝參數(shù)的最佳組合為沸水預(yù)處理時間32 s、切片厚度4 mm、熱風(fēng)溫度56℃和裝料量1.4 kg/m2，在此條件下，經(jīng)過44 h的干燥，葛根片干基含水率為5.9%、單位物料能耗為1.88（kW·h）/kg。

葛根片；熱風(fēng)干燥；最佳工藝；節(jié)能

葛根（Pueraria lobota）為藤本植物葛藤的塊根，莖被稀疏的棕色長硬毛，是我國南方一些省區(qū)大量種植的一種藥食兩用植物，其口味甘甜涼爽，常作煲湯之用。其主要成分是淀粉，此外還含有約12%的黃酮類化合物，包括大豆（黃豆）苷、大豆苷元、葛根素等10余種；并含有胡蘿卜苷、氨基酸、香豆素類等[1-7]。葛根挖采后除部分鮮食及提取葛根淀粉外，其他部分須經(jīng)過干燥制成葛根片才能長期存放、銷售和進(jìn)行后續(xù)加工。目前常用的葛根片干燥方法有熱風(fēng)干燥、冷凍干燥、真空干燥等，不同的干燥方法有各自的優(yōu)缺點，主要表現(xiàn)在干燥成品的品質(zhì)、營養(yǎng)及口感變化等方面。從能耗方面考慮，熱風(fēng)干燥的能耗最小，其次為真空干燥，最多的為真空冷凍干燥；而從品質(zhì)和營養(yǎng)考慮，熱風(fēng)干燥的葛根片品質(zhì)最差，其次為真空干燥，最好的為真空冷凍干燥[8-1]。因此，葛根加工企業(yè)多選用低溫?zé)犸L(fēng)干燥的方法加工葛根片。干燥是葛根片初級加工中的重要環(huán)節(jié)，所得葛根片的品質(zhì)直接決定葛根片產(chǎn)品的質(zhì)量，其品質(zhì)評價主要以葛根片的色澤、完整度和含水率為指標(biāo)，而在實際生產(chǎn)中主要以含水率為指標(biāo)進(jìn)行控制。因此，在生產(chǎn)實踐中規(guī)定葛根片的干基含水量只有＜10%才能達(dá)到葛根片的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以便于后期的加工儲藏。由于葛根營養(yǎng)豐富，在葛根片存儲過程中，其水分的含量對葛根片的口感、品質(zhì)、外觀會產(chǎn)生直接的影響。本試驗在提出葛根片品質(zhì)評價方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行單因素試驗和響應(yīng)面設(shè)計試驗研究，對影響熱風(fēng)干燥的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高葛根片熱風(fēng)干燥葛根片的品質(zhì)和降低干燥能耗為目標(biāo)，以期為葛根片的加工生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮葛根：由湖北智慧果林業(yè)科技發(fā)展有限公司提供，實驗前放入冰箱冷藏室中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 儀器與設(shè)備

DYQ838型切片機：浙江瑞安制藥機械有限公司；ALC-210.4型電子天平：北京賽多利斯儀器系統(tǒng)公司；601型恒溫水浴鍋：金壇市新航儀器廠；DZF-6020型真空干燥箱：上海一恒科技有限公司；DHG-9076A型電熱恒溫干燥箱：上海精宏實驗設(shè)備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 葛根片的干燥

在葛根干燥過程中，預(yù)處理時間、干燥介質(zhì)的溫度、葛根片的厚度以及干燥設(shè)備中物料裝料量等條件都會影響到葛根片的干燥效果。因此，在葛根片干燥時選取直徑大致相同、無腐爛霉變的葛根，洗凈、瀝干、切片。葛根平均初始濕基含水率為84.18%（105℃烘干法測定）。先將葛根片放入沸水進(jìn)行不同時間的預(yù)處理，之后瀝干葛根片表面的水分，冷卻至室溫，將葛根片擺放在物料托盤上，然后將葛根片進(jìn)行干燥，每隔一定時間測定樣品含水量的變化。

1.3.2 測定與計算方法

水分含量的測定：采用直接干燥法[5-6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 沸水預(yù)處理時間對葛根片干燥效果的影響

由于葛根切片后非常容易褐變，常采用沸水預(yù)煮以防止褐變。將經(jīng)過沸水預(yù)處理30 s、60 s、90 s和120 s的葛根片，在熱風(fēng)溫度60℃，裝料量1.5 kg/m2，切片厚度4 mm的條件下進(jìn)行干燥，其干燥效果見圖1。

由圖1可知，干燥條件一定時，沸水預(yù)處理時間長短對干燥的影響不明顯。試驗結(jié)果顯示，120 s以內(nèi)時，隨著沸水預(yù)處理時間的增加，濕基含水率下降減慢，葛根片達(dá)到一定含水率的時間延長。因此，選擇沸水預(yù)處理30 s作為葛根片預(yù)處理時間。

2.2 切片厚度對干燥效果的影響

在熱風(fēng)溫度60℃，沸水預(yù)處理時間30 s，樣品裝料量1.5 kg/m2，切片厚度為2～5 mm時，切片厚度對葛根片干燥效果的影響結(jié)果見圖2。

由圖2可知，隨著切片厚度的增加，干燥時間明顯增加。這是因為切片厚度的增加，水份遷移距離加大，單位體積葛根片有效干燥面積減小。而切片厚度為2 mm時，葛根片收縮嚴(yán)重，形態(tài)不佳，易破碎。因此，從形態(tài)考慮葛根片厚度在3～4 mm較為合適。

2.3 裝料量對葛根片干燥效果的影響

熱風(fēng)溫度為60℃，沸水預(yù)處理時間為30 s，切片厚度4 mm，料盤中裝料量分別為1.0～2.5 kg/m2時，其對葛根片干燥效果的影響結(jié)果見圖3。

由圖3可知，干燥至濕基含水率＜20%時，裝料量為1.0 kg/m2葛根片所需時間為28 h，裝料量增為1.5 kg/m2、2.0 kg/m2時干燥至濕基含水率＜20%時所需的時間增加至32 h左右，而裝料量為2.5 kg/m2時干燥至濕基含水率為＜20%時所需的時間增加至36 h左右。因為裝料量越多，熱量傳遞和水分蒸發(fā)擴散路徑越長，葛根片內(nèi)部熱質(zhì)傳遞阻力大，干燥速率低，所需干燥時間就長。因此，從干燥效果和節(jié)能方面考慮葛根片裝料量為1.5 kg/m2較為合適。

2.4 干燥介質(zhì)溫度對葛根片干燥效果的影響

沸水預(yù)處理時間30 s，切片厚度4 mm，裝料量為1.0 kg/m2葛根片，不同熱風(fēng)干燥溫度條件下的干燥效果見圖4。

由圖4可知，當(dāng)干熱風(fēng)溫度上升時，濕基含水率下降速度明顯加快，干燥速率提高。葛根片是多孔性物料，干燥初期樣品表面濕潤，除去的是表面及纖維縫隙內(nèi)的結(jié)合水分，其能很快從物料內(nèi)部遷移到物料表面，接觸熱風(fēng)能很快汽化從而導(dǎo)致干燥速率較快。隨著干燥的進(jìn)行，樣品含水率逐漸下降，而且下降速度越來越慢，干燥后期失去的大部分是結(jié)合水，從物料內(nèi)部遷移到物料表面所花的時間也隨即延長。因此，提高干燥溫度，能加快水分遷移的速度，從而提高干燥速率。但在較高的溫度條件下干燥葛根片，其品質(zhì)會受到影響。因此，在不影響葛根片品質(zhì)的前提下，可選擇60℃左右進(jìn)行干燥。

2.5 葛根片干燥時間的確定

對沸水預(yù)處理時間30 s，切片厚度4 mm，裝料量為1.0 kg/m2葛根片，進(jìn)行60℃干燥，以確定葛根片干基含水量＜10%所需的干燥時間，結(jié)果見圖5。

由圖5可知，隨著干燥進(jìn)行，葛根片的含水量逐漸下降，當(dāng)干燥44 h時，就可達(dá)到含水率＜10%的要求。因此，在生產(chǎn)上確定干燥時間為44 h。

2.6 葛根片干燥工藝條件優(yōu)化

根據(jù)單因子試驗的結(jié)果，結(jié)合響應(yīng)面試驗設(shè)計原則[15]，取對葛根片干燥效果影響較大的4個因素：沸水預(yù)處理時間（X1）、切片厚度（X2）、熱風(fēng)溫度（X3）和裝料量（X4），分別進(jìn)行編碼，經(jīng)過44 h的干燥后，以干基含水率（Y1）、單位物料能耗（Y2）為評判指標(biāo)，各因子及水平編碼見表1，試驗設(shè)計及結(jié)果見表2。

應(yīng)用Design Expert7.0軟件，對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，可得到沸水預(yù)處理時間（X1）、切片厚度（X2）、熱風(fēng)溫度（X3）和裝料量（X4）與干基含水率（Y1）、單位物料能耗（Y2）的二次多項回歸方程：

對回歸方程（Y1）進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗：該模型回歸顯著（P＜0.000 1），方程的X1、X2、X3、X1X2、X1X3、X1X4、X2X3、X12、X22、X32、X42都是顯著的，該模型的R2=0.948 5、RAdj2=0.888 4，說明該方程與實際情況擬和較好，能夠較好反映水預(yù)處理時間（X1）、切片厚度（X2）、熱風(fēng)溫度（X3）和裝料量（X4）等4個因素與干基含水率（Y1）之間的關(guān)系。

對回歸方程（Y2）進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗：該模型回歸顯著（P＜0.0001），方程的X1、X2、X3、X4、X1X2、X12、X22、X32、X42都是顯著的，該模型的R2=0.964 5、RAdj2=0.923 1，說明該方程與實際情況擬和良好，能夠較好反映水預(yù)處理時間（X1）、切片厚度（X2）、熱風(fēng)溫度（X3）和裝料量（X4）等4個因素與單位物料能耗（Y2）之間的關(guān)系。

對回歸方程求導(dǎo)數(shù)，當(dāng)響應(yīng)值Y1、Y2均有最小值時可求得各因素的值：X1=0.21、X2=-0.28、X3=0.09、X4=-0.17，經(jīng)轉(zhuǎn)換后，得到葛根片最佳干燥工藝條件：沸水預(yù)處理時間32 s、切片厚度4 mm、熱風(fēng)溫度56℃和裝料量1.4 kg/m2，在此條件下，經(jīng)過44 h的干燥，葛根片干基含水率為5.9%、單位物料最小能耗為1.88（kW·h）/kg。

2.7 最佳工藝條件的驗證

按最佳工藝條件進(jìn)行驗證試驗，共進(jìn)行3批次，其實際平均能耗為1.92（kW·h）/kg，葛根片干基平均含水率為5.8%，與預(yù)測值誤差極小，說明回歸方程與實際吻合較好，能夠較好地反映熱風(fēng)干燥中葛根片干基含水率與能量消耗的內(nèi)在規(guī)律。而國內(nèi)采用傳統(tǒng)烘房干燥葛根片的平均能耗約為2.27（kW·h）/kg左右（干基含水量8%），因此，采用優(yōu)化生產(chǎn)工藝后理論上可大約節(jié)能15%左右。葛根片的含水量越低，其干燥所消耗的能量就會越多，在生產(chǎn)上一般是在保證葛根片安全含水量的前提下，干燥耗能最小即可。干燥過程中葛根片的含水量與干燥介質(zhì)溫度、葛根切片厚度、葛根的裝料量等條件有關(guān)。因此，可通過尋找最優(yōu)的干燥條件，以獲得最小的耗能。

3 結(jié)論

試驗研究了介質(zhì)溫度、切片厚度、裝料量對葛根片干燥效果的影響，并通過響應(yīng)面分析法，確定了葛根片熱風(fēng)干燥的最佳工藝參數(shù)：沸水預(yù)處理時間32 s、切片厚度4 mm、熱風(fēng)溫度56℃和裝料量1.4 kg/m2，在此條件下，經(jīng)過44 h的干燥，葛根片干基含水率為5.9%、單位物料能耗為1.88（kW·h）/kg，可比傳統(tǒng)烘房干燥葛根片節(jié)能15%左右。

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Optimization of hot air drying and energy-saving process of kudzu root slices

CHEN Shu,SHAO Wei

(College of Biological and Pharmaceutical Sciences,China Three Gorges University,Yichang 443001,China)

In order to find the optimalconditions of kudzu root hotair drying process,the effects of differentboiling water pretreatment time,slices thickness,drying temperature,and loading conditions on kudzu rootslices drying were investigated using hotair drying oven,and the kudzu rootdrying curve was obtained.Using dry base water ratio and united energy consumption as index to conductresponse surface methodology,and the hotair drying process conditions were optimized.Results showed that the optimal parameter of kudzu root hot air drying process was boiling time 32 s, slices thickness 4 mm,hot air temperature 56℃,and loading 1.4 kg/m2.Under these conditions,after 44 h drying process,the dry base water ratio was 5.9%,the minimum energy consumption was 1.88（kW·h）/kg.

kudzu rootslices;hotair drying;optimum process;energy saving

TS205.1

A

0254-5071（2015）02-0131-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2015.02.029

2015-01-26

三峽大學(xué)生物與制藥學(xué)院2013年資助項目（2014HY005）

陳 菽（1970-），女，實驗師，本科，主要從事生物學(xué)教學(xué)及實驗室管理工作。

*通訊作者：邵 偉（1966-），男，高級實驗師，碩士，主要從事微生物學(xué)教學(xué)及研究工作。