蔓三七葉熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合干燥特征與模型化研究

胡居吾

（江西省科學(xué)院應(yīng)用化學(xué)研究所，江西南昌 330096）

蔓三七，又名平臥菊三七、蛇接骨、續(xù)命草、神仙草，味辛、微苦、性涼，為多年生草本藥食兩用植物。蔓三七的莖和葉營(yíng)養(yǎng)豐富，富含粗多糖和綠原酸，同時(shí)還含有維生素A、維生素C、氨基酸，富含有機(jī)鈣等成分。民間利用其通經(jīng)活絡(luò)，消腫止痛，消炎止咳，治療跌打損傷、支氣管肺炎、肺結(jié)核等。現(xiàn)代生物化學(xué)和醫(yī)學(xué)研究證明，蔓三七具有通經(jīng)活絡(luò)、消炎止咳、散淤消腫、活血生肌等功效[1]，能延緩衰老、激活免疫細(xì)胞、改善機(jī)體免疫功能、提高人體免疫力，增強(qiáng)人體的新陳代謝并對(duì)記憶障礙有一定改善作用[2]；具有降血壓、降血糖和預(yù)防慢性腎病、抑制乙型肝炎的顯著效果[3]；對(duì)預(yù)防和治療心腦血管疾病、糖尿病等有一定的療效[4]；還具有抗病毒、抗菌活性、抑制骨髓癌和志賀樣毒素細(xì)胞的活性[5]?？蓮V泛應(yīng)用于食品醫(yī)藥工業(yè)、日用化工等領(lǐng)域，是一種極具潛力和高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的藥食兩用植物。

蔓三七葉在利用過(guò)程中，往往需要對(duì)其進(jìn)行干燥處理，干燥方法及工藝參數(shù)對(duì)干燥后產(chǎn)品的質(zhì)量有著較大影響。熱風(fēng)干燥是目前最常用干燥方法之一，具有干燥速率快、熱效率高、設(shè)備投資費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)以及品質(zhì)較差、外觀差等缺點(diǎn)；熱泵干燥是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種高能效、實(shí)用性強(qiáng)的新干燥技術(shù)[6]，主要應(yīng)用于果蔬脫水、木材的干燥以及生物化工制品干燥等領(lǐng)域。熱泵干燥的原理是將干燥室排出的濕度高、溫度低的空氣經(jīng)熱泵設(shè)備除濕后，成為濕度小、溫度適中的空氣作為干燥氣源又進(jìn)入干燥裝置的干燥室內(nèi)，對(duì)物品進(jìn)行干燥，最終使物料達(dá)到干燥為止。但是，熱泵干燥存在著耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)，且干燥果蔬等物料時(shí)，容易導(dǎo)致產(chǎn)品微生物超標(biāo)，并存在單位能耗高等缺陷，使得熱泵干燥技術(shù)難以廣泛推廣運(yùn)用。

本研究應(yīng)用自主研制的熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合干燥技術(shù)對(duì)蔓三七鮮葉進(jìn)行干燥，結(jié)合了熱風(fēng)干燥速率快的特點(diǎn)和熱泵干燥產(chǎn)品質(zhì)量高、品質(zhì)好等優(yōu)勢(shì)，建立了封閉式熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合干燥穿流床裝置[7]。干燥前期階段采用低溫?zé)岜酶稍锛夹g(shù)，干燥后期階段采用短時(shí)熱風(fēng)干燥技術(shù)相結(jié)合的聯(lián)合干燥方式對(duì)蔓三七鮮葉進(jìn)行干燥，研究了干燥裝置內(nèi)熱氣流動(dòng)速度、熱氣溫度這2個(gè)因素對(duì)干燥產(chǎn)品的品質(zhì)和干燥時(shí)間的影響，并對(duì)干燥過(guò)程特征進(jìn)行了研究和數(shù)學(xué)模擬，建立了蔓三七葉干燥的相關(guān)數(shù)學(xué)模型。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

新鮮蔓三七葉，無(wú)腐爛，由江西華紫仁農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司提供。

METTLER-TOLEDO AL104電子天平，瑞士梅特勒-托利多公司；封閉式熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合干燥裝置，由江西省科學(xué)院應(yīng)用化學(xué)研究所自主研制，主要包括穿流箱式干燥器、熱泵系統(tǒng)、離心風(fēng)機(jī)、電阻絲加熱器、溫濕度傳感器和稱重系統(tǒng)，裝置示意圖如圖1所示[7]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

新鮮蔓三七葉經(jīng)過(guò)精選，去除雜質(zhì)，平鋪在托盤底為篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的穿流干燥托盤上，裝載，蔓三七葉的重量為2 kg/m2左右。干燥過(guò)程中每隔30 min取樣，對(duì)蔓三七葉進(jìn)行稱重，直到蔓三七葉中的含濕量（Xe）為10%結(jié)束干燥。

圖1 閉路式熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合干燥裝置

2 結(jié)果與分析

2.1 熱泵干燥過(guò)程特征研究

2.1.1 熱風(fēng)溫度對(duì)干燥過(guò)程的影響

實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)低溫?zé)岜貌馁|(zhì)采用R22，在該熱泵系統(tǒng)條件下，設(shè)定穿流風(fēng)速為2 m/s，研究了進(jìn)干燥室熱風(fēng)溫度分別為30 ℃、40 ℃時(shí)，熱泵干燥對(duì)蔓三七葉的干燥曲線和速率曲線的影響。

圖2結(jié)果表明，在不同的熱風(fēng)溫度時(shí)，所得到的干燥曲線不同。隨著熱風(fēng)溫度的升高，干基含濕量下降趨勢(shì)明顯加快，蔓三七葉達(dá)到同一含濕量所需干燥時(shí)間縮小，總干燥時(shí)間不超過(guò)6 h。

圖2 蔓三七葉在不同風(fēng)溫下的干燥曲線

蔓三七葉熱泵干燥速率曲線如圖3所示，熱風(fēng)溫度與物料的干燥速率有著密切關(guān)系。隨著熱風(fēng)溫度的升高，蔓三七葉中的水分蒸發(fā)所需的熱量會(huì)隨著增大，物料中的水分蒸發(fā)速率加快，因而干燥所需的時(shí)間減少。如圖3所示，在高濕度范圍區(qū)內(nèi)（濕基含濕量為95%～80%），物料的干燥速率處于較大的恒速干燥過(guò)程；隨著干燥的進(jìn)一步深入，物料的干燥速率處于降速過(guò)程（濕基含濕量為80%～55%）；最后物料的干燥進(jìn)入干燥后期（濕基含濕量為55%～10%），此時(shí)物料的干燥速率又處于數(shù)值變化較不明顯、近似恒速的干燥過(guò)程。

圖3 蔓三七葉在不同風(fēng)溫下的干燥速率曲線

2.1.2 風(fēng)速對(duì)熱泵干燥過(guò)程的影響

在熱泵系統(tǒng)允許風(fēng)速下，干燥室熱風(fēng)溫度設(shè)定為40 ℃，分別研究了穿流風(fēng)速為1.0 m/s、2.0 m/s、3.0 m/s時(shí)，熱泵干燥蔓三七葉的干燥曲線和干燥速率曲線。

從圖4中可以看出，在同一熱風(fēng)溫度（40 ℃）下，隨著穿流風(fēng)速的不同，干燥曲線在數(shù)值的大小上略有差別，但3條曲線形態(tài)呈現(xiàn)出較好的相似性，并呈現(xiàn)出較好的指數(shù)模型特征。

圖4 蔓三七葉在不同風(fēng)速下的干燥曲線

干燥速率曲線如圖5所示，在干燥初期階段（濕基含濕量為95%～80%），熱風(fēng)速度對(duì)干燥速率影響顯著，風(fēng)速為3.0 m/s、1.0 m/s時(shí)，干燥速率分別達(dá)到5.41 kg/(kg·h)和3.80 kg/(kg·h)。隨著干燥的進(jìn)一步深入，3條干燥速率曲線在物料濕基含濕量為40%～10%，近似重疊在一起，速率衰減趨勢(shì)幾乎相同，這表明了物料在干燥中后期，熱風(fēng)速度對(duì)物料的干燥速率影響較小。

圖5 蔓三七葉在不同風(fēng)速下的干燥速率曲線

上述低溫?zé)岜脤?duì)蔓三七葉的干燥實(shí)驗(yàn)表明，熱泵干燥速率受溫度影響較大，風(fēng)速對(duì)干燥的初期階段（濕基含濕量為95%～80%）有一定影響，對(duì)物料干燥的中后期影響不明顯。

2.2 低溫?zé)岜?熱風(fēng)聯(lián)合干燥過(guò)程特征研究

2.2.1 低溫?zé)岜?熱風(fēng)聯(lián)合干燥過(guò)程實(shí)驗(yàn)特征研究

上述研究表明，采用低溫?zé)岜脤?duì)蔓三七葉進(jìn)行干燥的過(guò)程中，干燥后期時(shí)物料的干燥速率變化不再明顯，去除物料中剩余部分水分需要消耗大量熱源和時(shí)間，不僅降低了生產(chǎn)效率，還會(huì)影響到物料的色澤和其中的活性物質(zhì)。為了克服這一瓶頸，本研究在干燥后期采用了耗時(shí)短的高溫?zé)犸L(fēng)干燥工藝。

干燥前期采用低溫?zé)岜酶稍?，具體參數(shù)設(shè)定為空氣溫度T=30 ℃、物料穿流風(fēng)速u=3 m/s）；在水分比達(dá)到1左右時(shí)，再采用較高溫度的熱風(fēng)，具體參數(shù)設(shè)定為空氣溫度T=70 ℃、物料穿流風(fēng)速u=3 m/s、空氣相對(duì)濕度RH=60%，進(jìn)行短時(shí)干燥。研究了低溫?zé)岜?熱風(fēng)聯(lián)合干燥過(guò)程特征。

從圖6可以看出，低溫?zé)岜?熱風(fēng)聯(lián)合干燥過(guò)程是低溫?zé)岜酶稍锖蜔犸L(fēng)干燥的有機(jī)結(jié)合過(guò)程，干燥曲線所表現(xiàn)出熱泵干燥和熱風(fēng)干燥的共同特征，該聯(lián)合干燥過(guò)程顯著縮短了干燥時(shí)間，干燥所需的時(shí)間為4.5 h。

聯(lián)合干燥過(guò)程的前期低溫?zé)岜酶稍镫A段的干燥速率[5.6 kg/(kg·h)]相對(duì)于熱風(fēng)干燥速率較小，該干燥過(guò)程較溫和，低溫脫水環(huán)境既可防止蔓三七葉表面開裂，又可以避免蔓三七葉的綠原酸等活性物質(zhì)受到熱破壞。干燥中后期采用短時(shí)高溫?zé)犸L(fēng)干燥后，干燥速率又迅速增大，這是因?yàn)楦邷赜欣诼呷~內(nèi)部水分迅速升溫和蒸發(fā)，蔓三七葉的內(nèi)部水汽壓增大，內(nèi)部水分向表面擴(kuò)散加快，提高了干燥速率；同時(shí)，干燥時(shí)間短有利于降低綠原酸等有效成分的破壞率。因此，低溫?zé)岜?熱風(fēng)聯(lián)合干燥技術(shù)具有干燥時(shí)間短、顯著減少物料中有效成分的熱破壞等優(yōu)點(diǎn)，從而提高了干燥產(chǎn)品品質(zhì)。

圖6 蔓三七葉3種干燥方法干燥曲線比較

2.2.2 熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合干燥過(guò)程模型擬合

新鮮的蔓三七葉采用低溫?zé)岜?熱風(fēng)聯(lián)合干燥技術(shù)過(guò)程中，干燥前階段采用的熱泵干燥技術(shù)，是熱泵產(chǎn)生的溫度低、濕度小的熱空氣與新鮮蔓三七葉表面相接觸，使得蔓三七葉表面的水氣向低濕空氣中傳遞，蔓三七葉內(nèi)部水分同時(shí)向葉表面擴(kuò)散的過(guò)程。熱泵干燥過(guò)程是在物料（蔓三七葉）高濕度區(qū)間進(jìn)行，物料的表面水分?jǐn)U散為熱泵干燥過(guò)程的主要控制因素，該過(guò)程可以通過(guò)單項(xiàng)指數(shù)模型（式1）進(jìn)行擬合[8]。干燥后期采用的是短時(shí)、高溫?zé)犸L(fēng)干燥，在此階段蔓三七葉具有較低的濕含量，可以借鑒Page方程（式2）擬合該過(guò)程[7]。水分比（MR）根據(jù)公式3計(jì)算。

式中，M為干基含濕量（kg/kg），M0、Me為不同時(shí)間的干基含濕量（kg/kg），A、N、k是與物料干燥條件有關(guān)的干燥常數(shù)。

結(jié)合熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合干燥實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，作以下假設(shè)：（1）熱泵干燥過(guò)程中，干燥系統(tǒng)近似封閉系統(tǒng)，循環(huán)空氣濕度不斷降低，物料理論上可以干燥至絕干，故設(shè)定熱泵干燥Me=0；（2）在后期熱風(fēng)（RH=60%）干燥過(guò)程中，可近似看作在穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行，在設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)條件下，物料均可達(dá)到最終要求含水率，故設(shè)定Me≈x=10%，即Me≈0.1。

利用Matlab計(jì)算軟件對(duì)熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合干燥過(guò)程所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分段進(jìn)行上述模型編程、回歸，可得到模型參數(shù)（數(shù)據(jù)以及計(jì)算過(guò)程未列出）。蔓三七葉熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合干燥過(guò)程模型如式4和式5所示。

其 中，k1=-0.213 6+0.021 8T+0.025 6u；k2=exp(-1.267 0+0.020 8T+0.225 8u)；N=0.362 1+0.0138T；t為總干燥時(shí)間；t1為熱泵干燥時(shí)間；t2為物料分別熱泵干燥與熱風(fēng)干燥達(dá)到相同MR時(shí)的時(shí)間差。

以蔓三七葉前階段（熱泵干燥）在熱風(fēng)溫度為30 ℃、風(fēng)速為3.0 m/s條件下進(jìn)行熱泵干燥，干燥至水分比為1，然后后階段再采用熱風(fēng)干燥，此時(shí)熱風(fēng)溫度為70 ℃、風(fēng)速為3.0 m/s、相對(duì)濕度為60%，進(jìn)行模型檢驗(yàn)，該熱泵-熱風(fēng)聯(lián)合干燥過(guò)程可模型化為式6和式7。

圖7說(shuō)明，低溫?zé)岜?熱風(fēng)聯(lián)合干燥過(guò)程可以通過(guò)分段模型擬合表達(dá)，且分段擬合具有較高的相關(guān)性，可以反映蔓三七葉低溫?zé)岜?熱風(fēng)聯(lián)合干燥過(guò)程特征。

圖7 聯(lián)合干燥實(shí)驗(yàn)值與模擬值比較

3 結(jié)論與展望

本研究利用低溫?zé)岜?熱風(fēng)聯(lián)合干燥技術(shù)對(duì)新鮮蔓三七葉進(jìn)行干燥，得到的蔓三七葉產(chǎn)品含水率較低，色澤碧綠。此聯(lián)合干燥方法具有顯著縮短單獨(dú)采用熱泵干燥所需的干燥時(shí)間，并最大程度地減少了單獨(dú)采用熱風(fēng)干燥對(duì)物料中綠原酸等有效成分的熱破壞，大大提高了干燥產(chǎn)品品質(zhì)。在整個(gè)干燥過(guò)程中，干燥溫度對(duì)整個(gè)干燥過(guò)程起到關(guān)鍵作用，風(fēng)速對(duì)干燥前期階段（熱泵干燥）影響明顯，對(duì)干燥中后期階段（熱風(fēng)干燥）影響不顯著。該聯(lián)合干燥過(guò)程可以通過(guò)修正的單項(xiàng)指數(shù)模型和page方程來(lái)分段模擬。從低溫?zé)岜酶稍镫A段轉(zhuǎn)入熱風(fēng)干燥階段時(shí)的切換點(diǎn)，對(duì)整個(gè)干燥全程中物料的干燥效率、干燥質(zhì)量以及干燥能耗的影響關(guān)系是研究的關(guān)鍵點(diǎn)。