肉蓯蓉超聲真空干燥的動力學研究

鞏鵬飛，趙慶生，趙兵

（1.中國科學院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室生物煉制工程研究部，北京100190；2.中國科學院大學，北京100049）

肉蓯蓉超聲真空干燥的動力學研究

鞏鵬飛1，2，趙慶生1，*，趙兵1

（1.中國科學院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室生物煉制工程研究部，北京100190；2.中國科學院大學，北京100049）

以新鮮肉蓯蓉為原料，研究了20、30、40℃條件下肉蓯蓉的超聲真空干燥特性。選取了6種經(jīng)典薄層干燥模型并進行非線性擬合。結(jié)果表明，肉蓯蓉的超聲真空干燥過程一直處于降速干燥階段，無明顯恒速干燥階段。在20℃～40℃內(nèi)，溫度升高可提高肉蓯蓉的超聲真空干燥速率，提高內(nèi)部有效水分擴散系數(shù)，水分有效擴散系數(shù)在2.66×10-10m2/s～3.65×10-10m2/s；Midilli et al.模型（R2＞0.999）能較好地描述肉蓯蓉超聲真空干燥過程水分的變化規(guī)律，該模型為肉蓯蓉超聲真空干燥工藝的優(yōu)化提供了理論基礎。

肉蓯蓉；超聲真空干燥；模型

荒漠肉蓯蓉（Cistanche deserticola Y.C.Ma），列當科肉蓯蓉屬，多年寄生植物，主產(chǎn)于內(nèi)蒙、寧夏、甘肅、新疆等地。肉蓯蓉始載于《神農(nóng)本草》，具有多種生物活性成分，被譽為“沙漠人參”[1]。目前，肉蓯蓉多以晾干后出售作為藥用或滋補食物，干制方法通常為自然干燥法。鮮肉蓯蓉含糖量高，失水緩慢，因此傳統(tǒng)的自然所需干燥時間長。此外，在干燥過程中多酚氧化酶的酶解作用會導致苯乙醇苷類等有效成分減少，肉質(zhì)顏色褐變，影響了商品價值[2]。郭玉海[3]等采用氣體射流沖擊干燥法對鮮肉蓯蓉進行干燥，與自然干燥法相比，該方法可加快肉蓯蓉干燥速率，有效保持肉蓯蓉的顏色，抑制多酚氧化酶活性，從而獲得較高質(zhì)量的產(chǎn)品，但該方法所需干燥溫度較高，一定程度上影響了苯乙醇苷的含量。因此，探索能使肉蓯蓉快速干燥，以保持肉蓯蓉原有顏色及有效成分含量的干燥技術(shù)具有重要的意義。

近年來，超聲波干燥在食品工業(yè)中應用廣泛。超聲波在傳播過程中，與物料相互作用產(chǎn)生的空化效應可使食品內(nèi)部形成空化泡，空化泡破裂時產(chǎn)生的沖擊波會引起水分子湍流擴散，促進物料內(nèi)部形成微小管道，有利于除去與物料緊密結(jié)合的水[4]。超聲波作用于物料時，對物料反復壓縮和拉伸，使物料不斷收縮和膨脹，這種類似于“海綿效應”產(chǎn)生的作用力大于水分表面附著力時會促進物料的水分脫除[5]。此外，超聲波可降低物料邊界層的擴散，從而促進水分的遷移。

在工業(yè)生產(chǎn)中，超聲波干燥常與其他干燥方法協(xié)同使用。真空干燥具有干燥溫度低，物料不易發(fā)生氧化等優(yōu)點[6]，因此將超聲波干燥與真空干燥有效結(jié)合，可提高真空干燥過程中物料的傳質(zhì)傳熱系數(shù)，提高干燥速率，縮短干燥時間，降低質(zhì)量損失。本文結(jié)合超聲波干燥和真空干燥的優(yōu)點，對肉蓯蓉進行超聲真空干燥，并對肉蓯蓉的干燥過程進行干燥動力學的研究，以更好的了解肉蓯蓉的超聲真空干燥特性，為實際生產(chǎn)提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

荒漠肉蓯蓉（Cistanche deserticola）：由內(nèi)蒙古宏魁蓯蓉集團有限責任公司提供，由王曉東副研究員（中國科學院過程工程研究所）鑒定。

1.2 方法

1.2.1 肉蓯蓉切片制備

選擇外觀整齊，粗細均勻的新鮮肉蓯蓉，洗凈，用紙巾擦去表面水分。切成厚度為4 mm，直徑約40 mm的肉蓯蓉切片，以備實驗使用。

1.2.2 超聲真空干燥肉蓯蓉

在20、30、40℃條件下分別對肉蓯蓉切片進行超聲真空干燥，超聲強度10 W/cm2，壓力50 Pa。每個干燥溫度稱取3份肉蓯蓉切片作為平行樣，每份30 g，每隔20 min取出稱重，連續(xù)測定6 h。

1.3 干燥動力學

1.3.1 干基含水量計算

式中：Mt為干燥t時刻的干基含水量（質(zhì)量比）；mt為t時刻時物料的質(zhì)量，g；mg物料絕干時的質(zhì)量，g[7]。

1.3.2 水分比計算

式中：M為干燥t時刻時的含水量（質(zhì)量比）；Me為平衡含水量（質(zhì)量比）；M0為初始時刻的干基含水量（質(zhì)量比）。在本研究中，由于平衡含水量可忽略不計，因此式（1）可簡化為MR=M/M0。

1.3.3 干燥速率計算

式中：DR為物料干燥速率，g/（g·h）；Mt為物料在t時刻的干基含水量（質(zhì)量比）；Mt+Δt為物料在（t+Δt）時刻的干基含水量（質(zhì)量比）。

1.3.4 干燥動力學模型

為了取得肉蓯蓉在干燥過程中的動力學變化規(guī)律，實驗選取6種常用的薄層干燥模型，如表1所示。利用OriginPro 8.5.1軟件對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，建立肉蓯蓉超聲真空干燥動力學模型。

表1 常用的薄層干燥數(shù)學模型Table 1Drying models used for ultrasonic-vacuum drying at different drying temperatures

模型的優(yōu)劣以可決系數(shù)R2以及均方根誤差RMSE、卡方X2來評價。R2越接近于1，RMSE和X2越小，方程匹配度越好[8-9]。RMSE、X2計算如式（4）、式（5）：

式（4）、式（5）中，MRexp為任意時刻的實驗值；MRpre為任意時刻的預測值；N為觀測值的個數(shù)；z為模型待定系數(shù)個數(shù)。

1.3.5 有效水分擴散系數(shù)計算

根據(jù)式（2），簡化可得式（6）：

對MR取對數(shù)，可得到式（7）

式（7）中：Deff為有效水分擴散系數(shù)，m2/s；L為1/2肉蓯蓉切片厚度，m。因此，有效擴散系數(shù)由ln（MR）與干燥時間t的斜率K來確定。

2 結(jié)果與分析

2.1 肉蓯蓉干燥曲線

當超聲功率和干燥體系壓力一定時，肉蓯蓉的超聲真空干燥時間與水分比的關系如圖1所示。

圖1 不同干燥溫度下肉蓯蓉的超聲真空干燥曲線Fig.1Drying curves of Cistanche deserticola slices with ultrasonic-vacuum drying at 20，30，40℃

由圖1可知，隨著干燥時間延長，肉蓯蓉的水分比呈下降趨勢，最后趨于平緩。經(jīng)相同干燥時間，肉蓯蓉含水率從低到高依次為40、30、20℃，表明在一定范圍內(nèi)，提高干燥溫度可促進肉蓯蓉的超聲真空干燥過程，縮短干燥時間。

2.2 肉蓯蓉干燥速率曲線

當超聲功率、干燥體系壓力一定時，不同干燥溫度下干燥速率與干基含水量關系如圖2所示。不同溫度下肉蓯蓉內(nèi)部的水分有效擴散系數(shù)如表2所示。

圖2 肉蓯蓉的干燥速率曲線Fig.2Drying rates of Cistanche deserticola slices with ultrasonicvacuum drying at 20，30，40℃

表2 不同溫度下肉蓯蓉內(nèi)部的水分有效擴散系數(shù)Tabel 2Water effective diffusion coefficients of inner Cistanche deserticola

由圖2可知，在不同溫度條件下的肉蓯蓉干燥過程中，干燥速率一直降低，均無明顯恒速干燥階段。溫度越高，在干基含水率相同時，干燥速率越快。同時，結(jié)合表3，在超聲真空干燥過程中，隨著溫度升高，水分有效擴散系數(shù)增大，水分有效擴散系數(shù)由低到高依次為2.66、3.24、3.65 m2/s。在干燥過程中，隨著肉蓯蓉的自由水含量不斷減少，內(nèi)部傳質(zhì)阻力增加，在一定范圍內(nèi)提高干燥溫度有利于促進水分擴散，從而促進超聲真空干燥過程。

2.3 干燥模型的確定

對6種模型進行擬合優(yōu)度比較，相關系數(shù)見表3。

表3 模型擬合與統(tǒng)計結(jié)果分析Table 3Drying models used for ultrasonic-vacuum drying at different drying temperatures

續(xù)表3模型擬合與統(tǒng)計結(jié)果分析Continue table 3Drying models used for ultrasonic-vacuum drying at different drying temperatures

由表3得出，除利用Wang and Singh模型對40℃超聲真空干燥擬合，得到的決定系數(shù)R2為0.683 87，其余模型均能較好的反應肉蓯蓉的超聲真空干燥特性，決定系數(shù)R2＞0.94。在3種溫度條件下，Page模型和Midilli et al.模型的R2相對較高，但Page模型的X2和RMSE值遠大于Midilli et al.模型，綜合比較，Midilli et al.模型的精密度更高，方程匹配度更好，其方程參數(shù)如表4所示。

表4 肉蓯蓉Midilli et al.模型擬合參數(shù)Table 4Parameters of Cistanche deserticola by Midilli et al.model

3 結(jié)論

1）在超聲波功率及壓力相同的條件下，在一定范圍內(nèi)提高干燥溫度可提高干燥速率，提高肉蓯蓉內(nèi)部有效水分擴散系數(shù)，從而促進肉蓯蓉的超聲真空干燥過程。

2）利用6種經(jīng)典模型對不同溫度條件下肉蓯蓉的超聲真空干燥過程進行擬合，擬合結(jié)果良好，其中Midilli et al.模型（R2＞0.999）能為較好的描述肉蓯蓉在超聲真空干燥過程中的脫水規(guī)律，利用該模型可判斷肉蓯蓉干燥時間與水分含量的關系，為肉蓯蓉超聲真空干燥工藝的優(yōu)化提供了理論基礎。

3）該實驗還存在一定的不足，今后將對超聲功率、壓力、肉蓯蓉切片厚度對干燥過程的影響進行研究，進一步優(yōu)化肉蓯蓉的超聲真空干燥過程。

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Study on Ultrasonic-Vacuum Drying Dynamics of Cistanche deserticola Slices

GONG Peng-fei1，2，ZHAO Qing-sheng1，*，ZHAO Bing1
（1.Division of Biorefinery Engineering，State Key Laboratory of Biochemical Engineering，Institute of Process Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

The drying kinetics of Cistanche deserticola with ultrasonic-vacuum drying at different temperatures was investigated in this study.Results showed that the drying process mainly involved deceleration phase.The effective moisture diffusivity of Cistanche deserticola slices，among 2.66×10-10m2/s-3.65×10-10m2/s，increased with the increasing of drying temperature.Temperature increases could shorten the ultrasonic-vacuum period of Cistanche deserticola slices.Six commonly used thin-layer drying mathematical models were used to fit the experimental data and the Midilli et al.model was selected to describe the drying curves of Cistanche deserticola slices at 20℃-40℃（R2＞0.999）.

Cistanche deserticola；ultrasounic-vacuum drying；model

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.09.003

2016-08-12

國家自然科學基金項目（21506220）

鞏鵬飛（1991—），女（漢），碩士研究生，研究方向：植物細胞工程及天然產(chǎn)物生物煉制。

*通信作者：趙慶生，副研究員。