牡丹花微波-電磁聯(lián)合干燥工藝研究

賈 淞，董鐵有，鄧桂揚，張志紅，任廣躍，楊印生

(1.河南科技大學 a.農(nóng)業(yè)裝備工程學院；b.食品與生物工程學院，河南 洛陽 471003；2.吉林大學 生物與農(nóng)業(yè)工程學院，長春 130021)

0 引言

牡丹屬芍藥科芍藥屬牡丹組，具有很高的觀賞價值和栽培價值，是目前較重要的食品、藥用材料，受到越來越廣泛的重視。近年來，國內(nèi)外科研人員對牡丹花的營養(yǎng)、保健成分做了大量分析，發(fā)現(xiàn)牡丹花含有多種對人體有益的成分，具有較高的營養(yǎng)價值和保健作用[1-4]。但是，牡丹花花期短，花瓣含水率高，易腐敗變質(zhì)，每年有數(shù)千萬支牡丹花白白浪費。干燥技術(shù)既可以延長花瓣的保存周期，也方便花瓣運輸，滿足了更大范圍的需求，使牡丹種植地區(qū)的資源優(yōu)勢得以充分發(fā)揮[5]。

現(xiàn)有的牡丹花干燥工藝有熱風干燥、冷凍干燥及微波干燥等。熱風干燥設(shè)備占地面積大，干燥時間長，污染嚴重，加熱溫度難以精準控制；冷凍干燥耗時長，能耗大，工藝要求高，不僅限制了自身的發(fā)展，且干燥成本也隨之水漲船高，不利于市場競爭[6]；微波干燥具有易于自動控制、隨時關(guān)停等優(yōu)勢，適合季節(jié)性較強的農(nóng)產(chǎn)品加工[7]，且微波具有殺菌功能，在儲存方面具有很大優(yōu)勢。隨著微波干燥技術(shù)的廣泛應用，與之相結(jié)合的聯(lián)合干燥工藝、生物制取工藝也越來越多[8-11]。微波真空干燥將微波干燥技術(shù)與真空干燥技術(shù)結(jié)合，干燥速度快，生產(chǎn)效率高，尤其適用于熱敏感、高粘稠物料；缺點是干燥對象尺寸較小,設(shè)備昂貴，工藝要求高[12-13]。微波真空冷凍干燥將微波干燥技術(shù)與真空冷凍干燥技術(shù)結(jié)合，避免了真空冷凍干燥的加工時間過長、能耗大的問題，又兼顧了微波的殺菌功能，優(yōu)勢突出；缺點是干燥過程復雜、加熱不均勻、回波大，且存在輝光放電現(xiàn)象，限制了自身的發(fā)展[14-15]。

微波-電磁加熱聯(lián)合干燥不僅干燥速度快，而且能夠控制溫度上限，與微波真空干燥、微波真空冷凍干燥相比，其設(shè)備價格低、操作簡單。另外，電磁干燥目前研究較少，干燥對象多為紙張、鉬精粉等工業(yè)產(chǎn)品，鮮有農(nóng)產(chǎn)品涉及。為此，本文旨在農(nóng)產(chǎn)品的微波-電磁加熱干燥方面進行有益的嘗試。

1 試驗原理及方案

1.1 試驗原理

牡丹花的干燥特性主要有以下4點：

1)含水量大。濕基含水率一般都在90%以上。

2)干燥階段不同，花瓣形態(tài)也有不同。干燥初期花瓣變蔫軟，易附著在干燥機壁面上；干燥至含水率小于40%時，花瓣具有一定的蓬松度和透氣性，便于水分蒸發(fā)。

3)新鮮牡丹花瓣不利于熱傳導加熱式干燥。新鮮牡丹花瓣自然堆積時蓬松稀疏，花瓣之間有大量空氣，傳熱性能差。

4)熱敏感，對干燥溫度控制要求嚴格。60℃可以保持色澤完好，90℃則會嚴重焦糊，無使用價值。微波干燥利用電磁波進行輻射加熱，物料吸收微波后在物料內(nèi)部產(chǎn)生熱量，熱傳遞路徑與水分傳遞路徑一致[16]； 電磁干燥基于電磁渦流加熱原理，可以恒溫干燥，便于控制干燥溫度，保證產(chǎn)品品質(zhì)。

微波干燥具有選擇性吸收的特點，但干燥速度隨物料含水率的降低而降低；電磁加熱干燥只能利用熱傳導進行干燥，類似牡丹花瓣這種蓬松、傳導率低的物料使用電磁干燥速度慢、效率低。根據(jù)牡丹花瓣的物料特性，設(shè)計出微波-電磁聯(lián)合干燥工藝：先使用微波干燥，待新鮮花瓣含水率降低至一定程度時，轉(zhuǎn)為電磁干燥。該工藝可以充分地發(fā)揮微波干燥、電磁加熱干燥各自的優(yōu)點，揚長避短，從而提高干燥速度和產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2 試驗裝置

微波干燥試驗臺的核心設(shè)備為MY800S型微波功率源，該設(shè)備可以精確測定物料吸收的微波功率和反射功率[13]，工作頻率為(2.45±0.03)GHz；電磁干燥試驗臺為SR-H2063D型電磁爐。

1.3 試驗方案

對牡丹花瓣分別進行微波干燥、電磁干燥至恒重，記錄相關(guān)試驗數(shù)據(jù)；根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，利用MatLab軟件模擬出相關(guān)干燥曲線方程并進行計算，求得微波-電磁聯(lián)合干燥的最佳時間結(jié)合點，并通過試驗驗證該時間點是否正確。

試驗過程及步驟：在物料盤上，放置牡丹花樣品，物料盤尺寸(長×寬)為300mm×200mm；將物料盤上的牡丹花樣品分別放在微波干燥室和電磁干燥試驗臺內(nèi)進行試驗。其中，微波功率為255W和410W；電磁加熱主要以溫度為控制指標，分別使用60℃和90℃進行試驗。

1.3.1 微波加熱方式

本試驗采用“矩形脈沖式”進行微波加熱，以“加熱區(qū)間·間歇區(qū)間(即非加熱區(qū)間)”為1個循環(huán)，如此往復進行試驗。試驗中，加熱區(qū)間為1min，間歇區(qū)間控制在30s，即每個循環(huán)時間為1.5min。在間歇區(qū)間檢測物料質(zhì)量和溫度，既方便觀察牡丹花瓣的品相，又有利于檢測質(zhì)量，推算出含水率的變化。由于干燥過程中物料熱量積聚，所以每次所測溫度與上一次相比均有所上升，物料溫度呈逐步上升趨勢[12]。

1.3.2 通風排濕方式

微波干燥中，通風目的僅在于將蒸發(fā)釋放的水蒸氣排出干燥室。過大的風量反而會將微波提供給物料的熱能吹走，造成浪費，因此試驗中采用較小風量的通風排濕模式[17-18]。

2 試驗數(shù)據(jù)及分析

2.1 試驗數(shù)據(jù)

受篇幅限制，從所有試驗數(shù)據(jù)中選取11組并進行分析，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 部分實驗數(shù)據(jù)

2.2 試驗數(shù)據(jù)分析

圖1為微波干燥試驗(試驗編號2)物料溫度及質(zhì)量隨干燥時間變化的曲線。根據(jù)試驗結(jié)果，平均脫水率為75.3%。采用105℃烘箱干燥法測得干燥后牡丹花干基含水率為4%左右[1]，符合茶葉的儲存條件[19]。

圖2為電磁加熱干燥試驗(試驗編號為3)物料溫度及質(zhì)量隨干燥時間變化的曲線。根據(jù)試驗結(jié)果，平均脫水率為75.6% ，干燥后牡丹花干基含水率為4%左右，符合茶葉的儲存條件。

圖1 微波干燥條件下的溫度及質(zhì)量變化曲線

圖2 電磁干燥溫度及質(zhì)量變化曲線

利用MatLab中的CFtool工具箱，根據(jù)微波干燥試驗數(shù)據(jù)，擬合出微波干燥時花瓣的干基含水率變化曲線，如圖3所示。

圖3 微波干燥干基含水率實際值與擬合曲線

根據(jù)模擬計算結(jié)果，擬合方程為

y1=3.576×e-0.09858x-0.1706

(1)

該擬合曲線SSE(殘差平方和)=0.05283，R-square(判定系數(shù))=0.9978，Adjusted R-square(校正判定系數(shù))=0.9976，RMSE(標準差)=0.04344。Excel軟件自帶的“數(shù)據(jù)分析”中“回歸”模塊的程序計算結(jié)果表明：該擬合函數(shù)F檢驗值為971.6，擬合函數(shù)曲線非常顯著[20]。

根據(jù)電磁干燥試驗數(shù)據(jù)，電磁干燥中牡丹花瓣的干基含水率變化擬合曲線如圖4所示。

圖4 電磁干燥干基含水率實際值與擬合曲線

根據(jù)計算結(jié)果，擬合方程為

y2=3.799×10-5x3-6.808×10-4x2-0.1201x+ 3.521

(2)

該擬合曲線SSE=0.04277，R-square=0.9991，AdjustedR-square=0.9991，RMSE=0.03355. Excel軟件自帶的“數(shù)據(jù)分析”中“回歸”模塊的程序計算結(jié)果表明：該擬合函數(shù)F檢驗值為38 696.2，擬合函數(shù)曲線非常顯著。

令函數(shù)f(x)=y1-y2，對f(x)進行一階求導，并使f′(x)=0，根據(jù)MatLab軟件solve程序計算，可得x=10.8， 即x=10.8為函數(shù)f(x)=y1-y2的拐點。取整后，即得到干燥過程中的結(jié)合點。

由此可得結(jié)論：理論上，在11min時將微波干燥轉(zhuǎn)為電磁干燥，可以最大限度地保證花瓣質(zhì)量下降速度；當x=11時，y1=y2=1.038，即干基含水率為103.8%。試驗結(jié)果表明：此時花瓣質(zhì)量為35.1g，干基含水率為99%，花瓣質(zhì)量約為初始質(zhì)量的49.2%。

根據(jù)理論推算結(jié)果，進行微波—電磁聯(lián)合干燥試驗，于不同的時間點轉(zhuǎn)換干燥方式，在滿足溫度、最終含水率的前提下，記錄干燥所需時間，以驗證理論推算結(jié)果是否正確。

圖5為微波—電磁聯(lián)合干燥試驗中物料溫度及質(zhì)量隨干燥時間的變化曲線。結(jié)果顯示：微波—電磁聯(lián)合干燥試驗平均脫水率為78.3%(去除最高值與最低值后取平均值)，干燥后牡丹花干基含水率為4%左右，符合茶葉的儲存條件。

由試驗數(shù)據(jù)和曲線可以看出：隨著干燥時間的增加，牡丹花瓣的質(zhì)量不斷減少；隨著矩形脈沖周期的循環(huán)，物料溫度呈鋸齒形、階梯上升趨勢，最高溫度都在60℃以下。也就是說，采用微波-電磁聯(lián)合加熱干燥法，牡丹花瓣沒有超過許用溫度上限[21]。

由表1可知：第11min(此時牡丹花瓣干基含水率為99%)將微波干燥轉(zhuǎn)為電磁加熱干燥，所需干燥時間為27min，耗時最少；將該時間節(jié)點提前或后推，都增加了干燥時間。

11min前為微波干燥，11min后為電磁干燥

3 結(jié)論

1)使用微波干燥牡丹花，功率為255W，耗時約35min，可將71.4g新鮮牡丹花干燥至17.2g，干基含水率從332%降至4%，產(chǎn)品質(zhì)量均勻。但是，干燥速度隨著牡丹花含水率的降低而降低，且初始功率密度為3.57W/g，加熱至干基含水率8%時，會出現(xiàn)個別花瓣焦糊現(xiàn)象；如果功率密度為5.97 W/g，則焦糊現(xiàn)象更加顯著。

2)使用電磁加熱干燥牡丹花瓣，加熱溫度60℃時，可將64.6g的新鮮牡丹花(干基含水率329%)干燥為15.7g(干基含水率4%)，但耗時超過40min。電磁加熱能夠控制溫度上限，所以牡丹花瓣品相良好，沒有出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象；使用90℃電磁加熱干燥時，花瓣焦糊現(xiàn)象十分明顯，沒有使用價值。

3)使用微波-電磁聯(lián)合干燥，可以有效地揚長避短，因此將兩種加熱方式的優(yōu)點結(jié)合。通過試驗數(shù)據(jù)可以看出：在干燥初期(即新鮮花瓣含水率較高的時候)使用微波干燥，并適當加大微波功率至5.97W，并保持該功率密度下的微波功率，可以提高干燥速度；微波干燥至干基含水率為99%，此時花瓣質(zhì)量為初始質(zhì)量50%左右，轉(zhuǎn)為60℃電磁干燥，30min之內(nèi)即可完成64.5g新鮮牡丹花瓣的干燥。試驗結(jié)果還表明：MatLab軟件能夠根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合出干燥過程中含水率變化方程，并準確預測微波-電磁聯(lián)合干燥的時間拐點。該工藝不僅能提高干燥速度(熱風干燥需要4h以上[22]，冷凍干燥需要20h[23]，微波-電磁聯(lián)合干燥在30min之內(nèi))，還可以控制干燥溫度，保證花瓣品質(zhì)。微波-電磁加熱聯(lián)合干燥耗時比微波干燥、電磁干燥都少，干燥效率更優(yōu)于微波真空冷凍干燥，且操作簡單。由于微波干燥、電磁加熱干燥獨立進行，所以不存在相互干擾，便于數(shù)據(jù)分析。微波加熱、電磁加熱設(shè)備價格低、壽命長、操作簡單、干燥過程互不影響，這些優(yōu)點對生產(chǎn)科研都有重大意義。

4) 受試驗條件限制，電磁加熱干燥時，60～90℃的溫度區(qū)間無法進行試驗，有待進一步試驗數(shù)據(jù)進行探討。

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