玫瑰花瓣紅外噴動(dòng)床干燥模型及品質(zhì)變化

段 續(xù)，張 萌，任廣躍，周四晴，趙路潔，徐一銘

·農(nóng)產(chǎn)品加工工程·

玫瑰花瓣紅外噴動(dòng)床干燥模型及品質(zhì)變化

段 續(xù)1,2，張 萌1，任廣躍1,2，周四晴1，趙路潔1，徐一銘1

（1. 河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，洛陽(yáng) 471023；2. 糧食儲(chǔ)藏安全河南省協(xié)同中心，洛陽(yáng) 471023）

為提高玫瑰花瓣的干燥速率和品質(zhì)，利用新型紅外噴動(dòng)床干燥設(shè)備，研究不同出風(fēng)溫度和風(fēng)速下玫瑰花瓣的干燥特性并建立干燥動(dòng)力學(xué)模型；對(duì)比不同干燥條件下玫瑰花瓣的品質(zhì)變化。結(jié)果表明：提高出風(fēng)溫度和風(fēng)速能夠顯著提高干燥速率和縮短干燥時(shí)間；玫瑰花瓣紅外噴動(dòng)床干燥過(guò)程主要為升速干燥和降速干燥，無(wú)明顯恒速階段；玫瑰花瓣紅外噴動(dòng)床干燥過(guò)程的有效水分?jǐn)U散系數(shù)在6.703 85×10-10～1.382 35×10-9m2/s之間，隨著出風(fēng)溫度和風(fēng)速的增大而增大；通過(guò)模型擬合發(fā)現(xiàn)，Midilli模型能更好地反映玫瑰花瓣的紅外噴動(dòng)床干燥規(guī)律；溫度和風(fēng)速對(duì)復(fù)水比、總黃酮含量和總酚含量均有顯著影響；風(fēng)速對(duì)色澤和微觀結(jié)構(gòu)有顯著影響。研究結(jié)果可為紅外噴動(dòng)床干燥的研究與應(yīng)用提供參考。

近紅外光譜；模型；風(fēng)速；噴動(dòng)床；干燥特性；玫瑰；品質(zhì)；出風(fēng)溫度

0 引 言

玫瑰（Rosa rugosa Thunb）屬薔薇科[1]，含有維生素、氨基酸、生物堿、黃酮類等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是一種天然抗氧化劑，同時(shí)兼具活血、消除疲勞、促進(jìn)血液循環(huán)之功效，極具藥用價(jià)值[2]。山東平陰重瓣紅玫瑰個(gè)大、色艷、清香[3]，是國(guó)家衛(wèi)生部批準(zhǔn)的藥食兩用的玫瑰品種[4]。玫瑰鮮花含水量較高，采摘后容易腐敗變質(zhì)，研究表明自然攤放在水泥地上的玫瑰鮮花2 d就會(huì)敗落衰老[5]。將玫瑰花進(jìn)行干燥可克服玫瑰花種植的區(qū)域限制和鮮花運(yùn)輸困難等問(wèn)題，滿足更大區(qū)域范圍的需求[6]。常用的玫瑰花干燥方式為熱風(fēng)干燥，該方法具有熱效率低、干制品質(zhì)量差等缺點(diǎn)[7]；微波干燥是另一種常用的干燥方法，熱效率高但干燥不均勻[8]；真空冷凍干燥是較理想的干燥方式，可獲得品質(zhì)較好的玫瑰花干制品，但耗能大、不適合工業(yè)化生產(chǎn)[9]。

近年來(lái)，紅外輻射干燥在干燥領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用得到較快發(fā)展，有關(guān)金銀花[10]、香菇[11]、蕎麥[12]、茄子[13]的紅外干燥研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的干燥方式如熱風(fēng)干燥相比，紅外干燥技術(shù)可以提高干燥速率、節(jié)約能耗，同時(shí)保持產(chǎn)品的品質(zhì)。有研究[14-15]發(fā)現(xiàn)厚度和輻射距離對(duì)果蔬紅外干燥效果有極顯著影響；林琳[16]發(fā)現(xiàn)，紅外輻射距離較小時(shí)，干燥速率加快，但會(huì)增加干燥的不均勻性。

為了改善紅外干燥熱量分配不均勻的問(wèn)題，可以合理地將紅外干燥與其他干燥技術(shù)相結(jié)合。噴動(dòng)床干燥的優(yōu)勢(shì)在于物料在干燥過(guò)程中良好的循環(huán)，加熱均勻、傳熱傳質(zhì)效果好[17]。將紅外和噴動(dòng)床結(jié)合，一方面解決了常規(guī)噴動(dòng)床干燥能量消耗高、熱損失大的問(wèn)題，另一方面可通過(guò)噴動(dòng)提高紅外加熱的均勻性。將紅外干燥和噴動(dòng)床相結(jié)合，理論上既可以保持高效的傳熱傳質(zhì)，保證產(chǎn)品品質(zhì)，又能提高干燥速率。但目前未見(jiàn)將2種技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用于干燥的相關(guān)報(bào)道。

本文提出將紅外輻射加熱技術(shù)與噴動(dòng)床干燥相結(jié)合的研究思路，以新鮮玫瑰鮮花為研究對(duì)象，利用紅外噴動(dòng)床干燥技術(shù)，探究出風(fēng)溫度和風(fēng)速對(duì)玫瑰花瓣干燥特性的影響并建立玫瑰花瓣紅外噴動(dòng)床干燥動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)比分析不同出風(fēng)溫度和風(fēng)速下干燥產(chǎn)品的品質(zhì)特性，以期為玫瑰花瓣紅外噴動(dòng)床干燥參數(shù)的優(yōu)化和實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用提供相關(guān)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗(yàn)所用山東平陰重瓣紅玫瑰購(gòu)于洛陽(yáng)新村甲天下花卉市場(chǎng)，鮮花為完全盛開(kāi)狀態(tài)、顏色鮮艷、大小均勻、單花徑達(dá)8 cm，無(wú)蟲(chóng)害無(wú)污染。蘆丁、沒(méi)食子酸購(gòu)于上海源葉生物科技有限公司；福林酚購(gòu)于上海藍(lán)季科技發(fā)展有限公司；無(wú)水乙醇、硝酸鋁、氫氧化鈉、亞硝酸鈉、鹽酸等均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

本次研究所用的紅外噴動(dòng)床由實(shí)驗(yàn)室自制，設(shè)備原理如圖1所示。在噴動(dòng)床內(nèi)，物料被底部中心的氣流垂直向上射入，升至高過(guò)床層表面的某一高度時(shí)，由于流體速度的驟然降低，物料會(huì)像噴泉一樣因重力而回落形成噴泉區(qū)?；芈涞奈锪暇徛蛳乱苿?dòng)至床層下部，然后又被向上噴射形成有規(guī)律的內(nèi)循環(huán)，這就是噴動(dòng)現(xiàn)象[18]。為避免熱量流失，設(shè)備整體采用循環(huán)風(fēng)設(shè)計(jì)。紅外輻射波長(zhǎng)范圍為2.5～100m，紅外功率在0～15 kW之間可線性調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)可以改變物料在噴動(dòng)床內(nèi)再循環(huán)的速度；出風(fēng)溫度可以通過(guò)溫度傳感器調(diào)節(jié)。

1控制柜；2物料入口；3視鏡；4紅外線發(fā)生器；5內(nèi)罐體；6物料干管路；7外罐體；8物料干收集箱；9軸流風(fēng)機(jī)。

其他儀器與設(shè)備：CS-001X冠亞快速水分測(cè)定儀（深圳冠亞水分科技有限公司），HH-S6型電熱恒溫水浴鍋（北京科偉永興儀器有限公司），L5S紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（上海儀電分析儀器有限公司），JA2003N型電子天平（上海佑科儀器儀表有限公司），DT-1002A型電子天平（常熟市佳衡天平儀器有限公司），KQ-500DE數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司），TM3030Plus型掃描電鏡（日本日立高新技術(shù)公司），X-rite Color i5型色差儀（美國(guó)愛(ài)色麗公司），6113智能型熱式風(fēng)速儀（日本加野麥克斯公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 干燥試驗(yàn)

1）紅外噴動(dòng)床干燥

在研究過(guò)程中，分別設(shè)定出風(fēng)溫度為40、45、50、55 ℃，噴動(dòng)床進(jìn)口風(fēng)速通過(guò)調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)頻率，分別調(diào)節(jié)為16.4、18.6、20.8、23.1 m/s?？疾斐鲲L(fēng)溫度和風(fēng)速對(duì)物料干燥特性、品質(zhì)特性和微觀結(jié)構(gòu)的影響（見(jiàn)表1）。為更好地探討溫度和風(fēng)速的影響，本研究不再考慮物料裝載量等其他干燥參數(shù)。每組試驗(yàn)均重復(fù)3次。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)參數(shù)

2）熱風(fēng)干燥

參考張萌等[19]的方法，采取最佳預(yù)處理工藝后進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，稱取10 g玫瑰花瓣裝入網(wǎng)盤中進(jìn)行熱風(fēng)干燥，溫度設(shè)置為45 ℃。每組試驗(yàn)均重復(fù)3次。

1.3.2干燥特性的測(cè)定

1）濕基含水率：采用快速水分測(cè)定儀測(cè)定。

2）干燥速率

式中D為干燥速率，g/(g·min)；1和2分別為干燥到1和2時(shí)刻樣品的濕基含水率，g/g。

3）水分比

式中2為2時(shí)刻樣品的濕基含水率，g/g；0為初始時(shí)刻樣品的濕基水分含量，g/g；e為平衡時(shí)樣品的濕基含水率，g/g。

4）有效水分?jǐn)U散系數(shù)

玫瑰花瓣的干燥符合薄層干燥模型，因此可以采用薄層干燥動(dòng)力學(xué)模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。根據(jù)M擴(kuò)散定律可計(jì)算干燥過(guò)程中物料的有效水分?jǐn)U散系數(shù)，計(jì)算公式如（3）所示：

式中為有效水分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s；為物料厚度的一半，m；為時(shí)間，s；為組數(shù)；為重力加速度，m/s2。

式（3）可簡(jiǎn)化為

兩邊取對(duì)數(shù)得

以lnR為縱坐標(biāo)、為橫坐標(biāo)作圖，可由直線的斜率即可求出有效水分?jǐn)U散系數(shù)eff

1.3.3 干燥模型

為更好地描述與預(yù)測(cè)紅外噴動(dòng)床干燥過(guò)程中玫瑰花瓣的水分散失情況，本研究選取12個(gè)數(shù)學(xué)模型擬合玫瑰花瓣的干燥曲線[20]，具體見(jiàn)表2。選取擬合精度高的模型表征玫瑰花瓣紅外噴動(dòng)床干燥的脫水過(guò)程。

表2 干燥模型[16]

1.3.4 品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定

1）復(fù)水比

將干燥后的玫瑰花瓣1放入60 ℃蒸餾水中，恒溫水浴30 min后取出瀝干，用濾紙去除表面水分，稱質(zhì)量計(jì)為2[21]。復(fù)水比按式（6）計(jì)算。

式中1為復(fù)水前玫瑰花瓣的質(zhì)量，g；2為復(fù)水后玫瑰花瓣的質(zhì)量，g。

2）總黃酮含量測(cè)定

總黃酮物質(zhì)的提取與檢測(cè)采用NaNO2-AlCl3法。稱取1 g干燥后的玫瑰花瓣粉末，加入30 mL50%乙醇超聲處理1 h，抽濾后取提取液于離心管中，設(shè)置轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，離心10 min。取上清液于比色管中，加入3 mL30%乙醇和0.3 mL 5%NaNO2溶液，搖勻放置5 min，加入0.3 mL10% Al(NO3)3溶液，搖勻放置6 min，加入2 mL 4% NaOH溶液，搖勻，用30%乙醇稀釋至10 mL，在510 nm處測(cè)定吸光度。總黃酮含量以干物質(zhì)質(zhì)量樣品的蘆丁為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)計(jì)[22]。

3）總酚含量測(cè)定

總酚物質(zhì)的提取與檢測(cè)采用Folin-Ciocaileu法。稱取1 g干燥后的玫瑰花瓣粉末，加入30 mL 50%乙醇超聲處理1 h，抽濾后取提取液于離心管中，設(shè)置轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，離心10 min。取上清液于比色管中，加入0.5 mL福林酚試劑，反應(yīng)3 min，加入3 mL 6% Na2CO3溶液，用蒸餾水稀釋至5 mL，搖勻、避光保存2 h，在765 nm處測(cè)定吸光度。總酚含量以干物質(zhì)質(zhì)量樣品的沒(méi)食子酸為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)計(jì)[23]。

4）色澤測(cè)定

采用色差儀測(cè)定樣品的明亮度*、紅綠值*和藍(lán)黃值*。每個(gè)待測(cè)樣品選取表面3個(gè)不同位置進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)樣品重復(fù)3次。色差值Δ越小，說(shuō)明樣品與鮮樣色澤越接近[24]，Δ可按公式（7）計(jì)算。

式中Δ表示樣品的色差值；*、*和*表示樣品的色澤值；0、0和0表示鮮樣色澤值。

5）微觀結(jié)構(gòu)

將待測(cè)樣品粘貼在樣品臺(tái)上，利用掃描電鏡進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)。觀察物料表面，電鏡放大倍數(shù)為100倍。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Origin8.5統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行繪圖及非線性擬合，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行顯著性分析和標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 玫瑰花瓣紅外噴動(dòng)床干燥特性

固定風(fēng)速為20.8 m/s，不同溫度下玫瑰花瓣的干燥曲線和干燥速率曲線如圖2所示。固定出風(fēng)溫度為45 ℃，不同風(fēng)速下玫瑰花瓣的干燥曲線和干燥速率曲線如圖3所示。

圖2 不同出風(fēng)溫度下玫瑰花瓣的干燥曲線和干燥速率曲線

圖3 不同風(fēng)速下玫瑰花瓣的干燥曲線和干燥速率曲線

由圖2a可知，隨著干燥的進(jìn)行，濕基水分含量逐漸減小；隨著出風(fēng)溫度的升高，干燥時(shí)間逐漸縮短，溫度為55 ℃所需干燥時(shí)間比45 ℃縮短了69%。由圖2b可知，玫瑰花瓣的紅外噴動(dòng)床干燥不存在明顯的恒速干燥階段，主要為降速過(guò)程，有明顯的升速期。在干燥過(guò)程中，干燥速率很快達(dá)到最高值，隨后減小進(jìn)入降速干燥階段，這可能是因?yàn)樵诟稍锍跗?，物料的濕基水分含量較高，而氣體流速過(guò)低不足以克服空氣入口處的靜壓力，導(dǎo)致較少的玫瑰花瓣運(yùn)動(dòng)或無(wú)秩序的運(yùn)動(dòng)，也就是“冒泡床”現(xiàn)象。隨著干燥的進(jìn)行，物料的濕基水分含量降低，噴動(dòng)床內(nèi)形成了良好的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[18]，在最佳噴動(dòng)狀態(tài)下，即全部物料都形成有規(guī)律的內(nèi)循環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，短時(shí)間內(nèi)玫瑰花瓣的失水量迅速增大，干燥速率達(dá)到最大值。干燥速率達(dá)到最大值后，干燥進(jìn)入降速階段，失水量逐漸減小，這主要是因?yàn)槲锪系暮蕼p小，花瓣收縮后細(xì)胞間隙較小，水分蒸發(fā)的阻力變大。溫度為55 ℃時(shí)，干燥速率最大。在降速干燥階段，濕基含水率相同時(shí)，溫度的提高促進(jìn)了物料表面水分的蒸發(fā)，干燥速率越大。

由圖3a可知，隨著干燥的進(jìn)行，濕基水分含量逐漸減??；風(fēng)速增大，干燥時(shí)間逐漸縮短，這是因?yàn)轱L(fēng)速的增大，加快了物料循環(huán)，而且在一定程度上增大了花瓣和氣體間的傳熱、傳質(zhì)系數(shù)，有利于物料表面與空氣介質(zhì)之間的水分交換。風(fēng)速為23.1 m/s所需干燥時(shí)間比16.4 m/s時(shí)縮短了69%，風(fēng)速對(duì)玫瑰花瓣含水率的變化有顯著影響。圖3b中，不同風(fēng)速條件下，玫瑰花瓣先呈現(xiàn)升速干燥，然后降速干燥，這與圖2中出風(fēng)溫度對(duì)玫瑰花瓣的影響和原理相同。干燥速率達(dá)到最高值后，風(fēng)速對(duì)物料的干燥速率影響較大，風(fēng)速的增大促進(jìn)了玫瑰花瓣表面的水分?jǐn)U散到空氣中，其擴(kuò)散速率大于物料內(nèi)部水分?jǐn)U散速率，整個(gè)過(guò)程呈降速干燥。當(dāng)濕基水分含量降為0.35 g/g時(shí)，床內(nèi)出現(xiàn)騰涌現(xiàn)象，即玫瑰花瓣在床內(nèi)形成無(wú)秩序的噴動(dòng)狀態(tài)，由于物料的含水量不斷減小，花瓣開(kāi)始收縮，內(nèi)外濕度變小，水分?jǐn)U散阻力大[25]，此時(shí)風(fēng)速對(duì)干燥速率的影響較小。不同風(fēng)速下干燥速率變化趨勢(shì)不明顯。

由表3、4可知，隨著出風(fēng)溫度的增加，熱效應(yīng)不斷加強(qiáng)；風(fēng)速越大，物料與干燥環(huán)境之間的濕熱交換速率加快，從而有利于有水分?jǐn)U散，Deff也隨之增大，這一結(jié)果與王鳳賀[26]、任廣躍[27]的研究結(jié)果一致。風(fēng)速比出風(fēng)溫度對(duì)玫瑰花瓣有效水分?jǐn)U散系數(shù)的影響大。一定風(fēng)速下，溫度越高，熱效應(yīng)越強(qiáng)烈，對(duì)物料水分?jǐn)U散和蒸發(fā)的效果越明顯，有利于水分?jǐn)U散系數(shù)的增大[28]，固定風(fēng)速為18.6 m/s，出風(fēng)溫度為45、50、55 ℃時(shí)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)分別比40℃時(shí)提高了12.5%、17.3%、33.7%；一定溫度下，風(fēng)速越大，物料表面的空氣流動(dòng)越快，水分?jǐn)U散系數(shù)越大[29]，固定溫度為45 ℃，風(fēng)速為18.6、20.8、23.1 m/s時(shí)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)分別比16.1 m/s時(shí)提高了13.8%、33.1%、106%。實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到的玫瑰花瓣有效水分?jǐn)U散系數(shù)在6.703 85×10-10～1.382 35×10-9m2/s之間，20.8 m/s、55 ℃和45 ℃、23.1 m/s時(shí)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)較高，其他條件下的結(jié)果比譚穎等[30]利用真空干燥玫瑰的水分有效擴(kuò)散系數(shù)低一個(gè)數(shù)量級(jí)，這可能是由于干燥方式的不同導(dǎo)致，溫度過(guò)低、風(fēng)速過(guò)小不利于玫瑰花瓣水分的擴(kuò)散。

2.2 有效水分?jǐn)U散系數(shù)

固定風(fēng)速為20.8 m/s，不同溫度下玫瑰花瓣的有效水分?jǐn)U散系數(shù)如表3所示。固定出風(fēng)溫度為45 ℃，不同風(fēng)速下玫瑰花瓣的有效水分?jǐn)U散系數(shù)如表4所示。

表3 不同出風(fēng)溫度下玫瑰花瓣的有效水分?jǐn)U散系數(shù)

表4 不同風(fēng)速下玫瑰花瓣的有效水分?jǐn)U散系數(shù)

2.3 玫瑰花瓣紅外噴動(dòng)床干燥過(guò)程模擬

2.3.1 干燥模型的選擇

本試驗(yàn)選取12種薄層干燥模型在溫度45 ℃、風(fēng)速20.8 m/s條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，相應(yīng)的參數(shù)值2、RSS和2見(jiàn)表5。由表5可知，Midilli模型2值最大為0.996 73，RSS和2最小，分別為0.004 04和6.070 08×10-4，擬合程度最高，因此選擇此模型為最優(yōu)模型，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

表5 不同干燥模型的干燥參數(shù)及模型系數(shù)

2.3.2 干燥模型的驗(yàn)證

為了保證選擇模型的準(zhǔn)確性，選取40 ℃、20.8 m/s，55 ℃、20.8 m/s，45 ℃、18.6 m/s，45 ℃、23.1 m/s條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，對(duì)比可得試驗(yàn)與計(jì)算值基本吻合，結(jié)果如圖4所示，說(shuō)明Midilli模型可較好反應(yīng)玫瑰花瓣紅外噴動(dòng)床干燥的水分變化規(guī)律，可以通過(guò)干燥模型對(duì)玫瑰花瓣的干燥過(guò)程進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

注：M代表實(shí)際值；S代表模擬值。

2.4 玫瑰花瓣品質(zhì)特性

固定風(fēng)速為20.8 m/s，不同溫度對(duì)玫瑰花瓣品質(zhì)的影響如表6所示。固定出風(fēng)溫度為45 ℃，不同風(fēng)速對(duì)玫瑰花瓣品質(zhì)的影響如表7所示。

由表6、7可知，出風(fēng)溫度、風(fēng)速對(duì)玫瑰花瓣的復(fù)水比、總黃酮和總酚含量有顯著影響（<0.05）。不同溫度和風(fēng)速下玫瑰花瓣復(fù)水比的最大值比最小值分別增加了72.5%、86.7%，風(fēng)速和溫度對(duì)復(fù)水比的影響極顯著。風(fēng)速一定時(shí)，溫度越高，玫瑰花瓣的復(fù)水比越小，這可能是由于溫度的升高增大了花瓣內(nèi)部和表面的蒸氣壓差，使花瓣表面產(chǎn)生硬化現(xiàn)象，同時(shí)物料干燥過(guò)程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞程度越高，不利于復(fù)水。當(dāng)溫度一定時(shí)，隨著風(fēng)速的變化，復(fù)水比呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，復(fù)水比由于干燥時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，這可能是花瓣的微觀結(jié)構(gòu)隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)而被破壞得更嚴(yán)重，降低了花瓣的儲(chǔ)水能力。這與Cao等[31]的研究結(jié)果一致。

表6 出風(fēng)溫度對(duì)玫瑰花瓣品質(zhì)的影響

注：同列肩小寫字母不同表示差異顯著（<0.05），下同。

Note: Different lowercase letters in the same column mean significant difference (<0.05), the same below.

表7 風(fēng)速對(duì)玫瑰花瓣品質(zhì)的影響

干燥后的總黃酮含量在0.17～0.33 mg/g之間（表8），隨著出風(fēng)溫度的升高先增大后減小。在不同的溫度下，風(fēng)速一定時(shí)，溫度為45 ℃時(shí)總黃酮含量最高，為0.23 mg/g；在不同的風(fēng)速下，溫度一定時(shí)，風(fēng)速為18.6 m/s時(shí)總黃酮含量最高，為0.33 mg/g。出風(fēng)溫度和風(fēng)速過(guò)低時(shí)，干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，黃酮長(zhǎng)時(shí)間的降解導(dǎo)致含量過(guò)低，適當(dāng)?shù)奶岣叱鲲L(fēng)溫度和風(fēng)速，有利于有效成分的溶出，有利于總黃酮的保存。黃酮類物質(zhì)在干燥過(guò)程中容易氧化，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，影響了黃酮類化合物的熱穩(wěn)定性，黃酮的降解速率提高[32]，含量降低；風(fēng)速的增大導(dǎo)致花瓣組織細(xì)胞與噴動(dòng)床接觸過(guò)程發(fā)生破損，促使有效成分從細(xì)胞中析出，黃酮降解速率提高，風(fēng)速越大，有效成分與外界接觸時(shí)間更早，導(dǎo)致總黃酮含量下降。Kay等[33]關(guān)于不同干燥溫度對(duì)玫瑰酸奶總黃酮含量影響的研究，認(rèn)為干燥時(shí)間的延長(zhǎng)或干燥溫度的升高都會(huì)導(dǎo)致黃酮類化合物的降解。干燥后的總酚含量在1.28～1.47 mg/g之間，隨著出風(fēng)溫度、風(fēng)速的增大呈先增大后減小趨勢(shì)。這可能是因?yàn)樵谳^低的溫度和風(fēng)速下，干燥時(shí)間更長(zhǎng)，而在較高的溫度和風(fēng)速下，物料受熱降解速率加快導(dǎo)致酚類物質(zhì)損失更大?？偡雍康牟町愐部赡芘c多酚氧化酶的作用有關(guān)，總酚的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，長(zhǎng)時(shí)間與空氣接觸和出風(fēng)溫度過(guò)高都會(huì)影響多酚氧化酶的活性，酚類物質(zhì)的氧化變多導(dǎo)致總酚含量減少。Valadez-Carmo等[34]研究發(fā)現(xiàn)酚類物質(zhì)的降解可能與其化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)。

表8 不同干燥方式對(duì)玫瑰花瓣總黃酮含量、總酚含量的對(duì)比

由表8可知，熱風(fēng)干燥和紅外噴動(dòng)床干燥均有利于玫瑰花瓣中活性物質(zhì)的保存。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，紅外噴動(dòng)床干燥得到的玫瑰花瓣干制品的總黃酮含量和總酚含量均高于熱風(fēng)干燥，這可能是因?yàn)闊犸L(fēng)干燥導(dǎo)致熱量在花瓣表面積累，干燥不均勻?qū)е赂芍破焚|(zhì)量差，而紅外噴動(dòng)床的干燥更加均勻。紅外噴動(dòng)床干燥玫瑰花瓣總黃酮含量和總酚含量比熱風(fēng)干燥的相應(yīng)指標(biāo)分別增加了22.73%、2.80%，這一現(xiàn)象表明，相比于熱風(fēng)干燥，紅外噴動(dòng)床干燥更有利于有效成分的保留。

由表6、7還可知，溫度對(duì)玫瑰花瓣色澤*影響顯著（<0.05），對(duì)*、*、Δ值影響不顯著。

隨著出風(fēng)溫度的提高，干燥時(shí)間逐漸縮短，褐變反應(yīng)的進(jìn)程被縮短，美拉德反應(yīng)產(chǎn)生的類黑素越小，值越大，顏色越亮。風(fēng)速對(duì)值、Δ影響顯著（<0.05），對(duì)*、*值影響不顯著。玫瑰花瓣的主導(dǎo)顏色是紅色，值越大，Δ值越小，說(shuō)明干燥后玫瑰花瓣的色澤越好。風(fēng)速越大，值越大，Δ值越小。當(dāng)溫度一定時(shí)，風(fēng)速為23.1 m/s時(shí)，玫瑰花瓣的值最大，適當(dāng)?shù)奶岣唢L(fēng)速有利于玫瑰花瓣紅色的保持。

2.5 微觀結(jié)構(gòu)

固定風(fēng)速為20.8 m/s，不同溫度下干燥的玫瑰花瓣微觀結(jié)構(gòu)如圖5所示。固定出風(fēng)溫度為45 ℃，不同風(fēng)速下干燥的玫瑰花瓣微觀結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 不同溫度下干燥的玫瑰花瓣微觀結(jié)構(gòu)

玫瑰花瓣的干燥是一個(gè)不斷失水的過(guò)程，隨著干燥的進(jìn)行，花瓣會(huì)發(fā)生不同程度的收縮。由圖5、圖6可以看出，在45 ℃、16 m/s和20.8 m/s、40 ℃條件下，干燥溫度和風(fēng)速較低，花瓣呈現(xiàn)條狀的褶皺，細(xì)胞損傷較小。隨著溫度和風(fēng)速的提高，細(xì)胞失水的速度越來(lái)越快，出現(xiàn)了較嚴(yán)重的組織皺縮變形。在45 ℃、23.1和20.8 m/s、55 ℃條件下干燥的玫瑰花瓣細(xì)胞壁受到較大的刺激形變，組織結(jié)構(gòu)交織在一起，細(xì)胞出現(xiàn)嚴(yán)重皺縮。通過(guò)對(duì)比可以看出，不同風(fēng)速下玫瑰花瓣的皺縮變化更大，風(fēng)速比溫度對(duì)玫瑰花瓣干燥的影響顯著，這與前期研究的干燥速率、有效水分?jǐn)U散系數(shù)的結(jié)果相吻合。

圖6 不同風(fēng)速下玫瑰花瓣的微觀結(jié)構(gòu)

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)以新鮮玫瑰花瓣為試驗(yàn)材料，進(jìn)行紅外噴動(dòng)床干燥的研究。以干燥耗時(shí)、色澤、復(fù)水比、總黃酮含量、總酚含量以及微觀結(jié)構(gòu)等為考察指標(biāo)，全面分析了溫度和風(fēng)速對(duì)玫瑰花瓣紅外噴動(dòng)床干燥品質(zhì)的影響。結(jié)論如下：

1）不同溫度和風(fēng)速下，玫瑰花瓣紅外噴動(dòng)床的干燥曲線和干燥速率曲線呈現(xiàn)基本相同的變化趨勢(shì)，整個(gè)過(guò)程分為升速階段和降速階段，沒(méi)有明顯的恒速階段，溫度的提高和風(fēng)速的增大有利于提高干燥速率。

2）利用Fick第二定律計(jì)算得到的玫瑰花瓣的有效水分?jǐn)U散系數(shù)在6.703 85×10-10～1.382 35×10-9m2/s之間，其值隨著出風(fēng)溫度和風(fēng)速的增大而增大。溫度越高，熱效應(yīng)越強(qiáng)，水分?jǐn)U散和蒸發(fā)的越快；風(fēng)速越大，玫瑰花瓣表面的空氣流動(dòng)越快，水分?jǐn)U散越快。

3）通過(guò)對(duì)12種薄層干燥數(shù)學(xué)模型的比較，確定了Midilli模型能較好地反映玫瑰花瓣紅外噴動(dòng)床干燥過(guò)程中水分的變化。

4）出風(fēng)溫度和風(fēng)速對(duì)復(fù)水比、總黃酮含量、總酚含量均有顯著影響，風(fēng)速對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響更顯著。

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Drying models and quality changes of rose subjected to infrared assisted spouted bed drying

Duan Xu1,2, Zhang Meng1, Ren Guangyue1,2, Zhou Siqing1, Zhao Lujie1, Xu Yiming1

(1.,,471023,; 2.,,471023,)

Infrared drying presents several typical advantages, such as the high drying rate without loss of the quality of products, but there is a problem of uneven heat distribution in the drying process. In spouted bed drying, the strong points are efficient mass and heat transfer, particularly on the uniform heating. To combine infrared drying and spouted bed drying can be expected to maintain efficient heat and mass transfer, and concurrently ensure optimal quality of products. However, there is no research on the combination application of the two techniques for drying process until now. In order to improve the drying efficiency and quality of, an attempt has been made to investigate the effects of outlet temperature and wind speed on the drying characteristics using a new developed method of infrared drying assisted by spouted bed dryer, and then to establish an ideal model for the drying kinetics during drying. Thecolor, rehydration ratio, total content of flavonoids, phenol content and microstructure were characterized under the different drying conditions. The results showed that the increase in the outlet temperature and wind speed can significantly improve the drying rate, while dramatically shorten the drying time. Specifically, the required drying time at 55 ℃ was 69% shorter than that at 45 ℃, and the wind speed of 23.1 m/s was 69% shorter than that of 16.4 m/s. The drying process can be divided into two steps: ascending and descending drying stage, without obvious stage of constant speed. In the early stage of drying, the phenomenon of “bubble bed” appeared, and then a good spouting state formed in the spouted bed as the drying process, where the loss of the material increased rapidly and the drying rate reached the maximum, finally in the descending stage. The effective moisture diffusivity coefficient ranged from 6.703 85×10-10to 1.382 35×10-9m2/s, and increased with the increase of the outlet temperature and wind speed, indicating that the increase of outlet temperature and wind speed can lead to the enhancement of thermal effect, which was beneficial to the moisture diffusion. The Midilli model was determined to better describe the drying curves, after the comparison of drying models for 12 thin layers of rose petals. The maximum and minimum rehydration ratio of rose increased by 72.5% and 86.7% under different outlet temperatures and wind speeds, respectively. The high outlet temperature, high wind speed and long drying time can benefit to the reduction of total contents of flavonoids and phenols. It is also found that the proposed method of infrared assisted by spouted bed drying can be more beneficial to the retention of effective components than that in hot air drying, which is commonly-used media in the convention drying technology. The effect of wind speeds on rose color and microstructure was more significant than that of outlet temperatures. With the increase of outlet temperatures and wind speeds, the rose was subject to large deformation, more serious shrinkage during drying. This finding can provide a sound theoretical reference for the research and application of infrared assisted by spouted bed drying technique in plant drying.

nearinfrared spectroscopy; models; wind speed; spouted bed; drying characteristics; rose; quality; outlet temperature

段續(xù)，張萌，任廣躍，等. 玫瑰花瓣紅外噴動(dòng)床干燥模型及品質(zhì)變化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(8)：238－245.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.029 http://www.tcsae.org

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2020-01-12

2020-03-18

“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“現(xiàn)代食品加工及糧食儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)與裝備”（編號(hào)：2017YFD0400901）：基于高效均勻性控制的果蔬紅外-噴動(dòng)組合干燥節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)

段續(xù)，教授，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品干燥技術(shù)與裝備。Email：duanxu_dx@163.com.

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.029

TS205.1

A

1002-6819(2020)-08-0238-08