黃芪切片熱風(fēng)干燥特性及動力學(xué)模型研究

張 記 彭桂蘭 - 張雪峰 - 張宏圖 - 張 欣 楊 玲

(西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715)

黃芪通常指豆科植物膜莢黃芪[Astragalusmembranaceus(Fisch. )Bge]或蒙古黃芪[Astragalusmembranaceus(Fisch. ) Bge. var.mongholicus( Bge. ) Hsiao]的干燥根，又名黃耆、戴糝等，是常見的藥食同源中藥材之一[1-2]。研究表明，黃芪富含黃芪皂苷、黃酮、多糖、氨基酸等有效成分以及多種微量元素[3-4]，具有補氣升陽、抗腫瘤、抗氧化、防衰老等作用，已被廣泛應(yīng)用于保健、醫(yī)療等領(lǐng)域[5-7]。新鮮收獲的黃芪水分含量較高，難貯藏，易腐爛變質(zhì)，干燥處理可降低其水分含量，延長其儲存期，減少資源浪費和經(jīng)濟損失。

晉小軍等[3]研究了不同干燥和包裝方法對黃芪浸出物、黃芪甲苷含量的影響。楊俊紅等[5]研究了微波、熱風(fēng)、真空和冷凍干燥對黃芪多糖含量的影響。孫慶運等[6]對黃芪真空干燥特性、動力學(xué)模型以及黃芪的吸濕特性進行了研究。蔡向杰等[7]利用響應(yīng)面法優(yōu)化了黃芪多糖真空帶式干燥工藝參數(shù)。魏慶霞等[8]發(fā)現(xiàn)真空冷凍干燥可較好保留黃芪有效成分，提高干制品品質(zhì)。熱風(fēng)干燥是一種常見的干燥技術(shù)，具有易操作、成本低、適應(yīng)性強等特點，已被廣泛用于山楂[9]、白蘿卜[10]、番木瓜[11]、當歸[12]、百合[13]等果蔬和藥材的干燥處理。但有關(guān)黃芪熱風(fēng)干燥，尤其是熱風(fēng)干燥特性以及干燥動力學(xué)模型的研究報道較少。

試驗擬以黃芪切片為研究對象，利用熱風(fēng)干燥技術(shù)進行干燥處理，分別研究熱風(fēng)溫度、風(fēng)速和切片厚度對其干燥過程的影響；利用Weibull分布函數(shù)對黃芪切片熱風(fēng)干燥過程中的水分變化規(guī)律進行模擬和預(yù)測，計算黃芪切片熱風(fēng)干燥過程的有效水分擴散系數(shù)、活化能；測定不同干燥條件下干燥樣品的復(fù)水比和色差。旨在為黃芪切片熱風(fēng)干燥的模擬、預(yù)測和工藝優(yōu)化等提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料

新鮮黃芪：蒙古黃芪品種，選擇粗細均勻(直徑9～13 mm)、無腐爛霉變和物理損傷的黃芪根于(4±1) ℃冰箱中冷藏儲存，按文獻[14]的直接干燥法測得其初始含水率為55.57%，甘肅隴西人工培育中心。

1.1.2 主要儀器與設(shè)備

薄層干燥實驗臺：BC-2智能型，長春吉大儀器股份有限公司；

風(fēng)速測量儀：SUMMIT 565型，精度0.1 m/s，韓國森美特儀器儀表有限公司；

電子天平：METILER TOLEDO AL 204型，精度0.000 1 g，上海梅特勒—托利儀器有限公司；

電子天平：JA5002型，精度0.01 g，上海精天電子儀器有限公司；

控電王：PC-2101A型，慈溪市源創(chuàng)電器有限公司；

中藥材切片機：M-Q1型，曲阜市宇晨機械設(shè)備有限公司；

電熱數(shù)顯恒溫水浴鍋：HH-2型，上海力辰邦西儀器科技有限公司。

1.2 試驗設(shè)計與方法

1.2.1 熱風(fēng)干燥工藝流程

新鮮黃芪→篩選→去雜→洗凈→去表面水分→切片→干燥→封裝

1.2.2 熱風(fēng)干燥試驗 試驗前30 min打開薄層干燥試驗臺，將試驗用篩網(wǎng)置于其中預(yù)熱。稱取(50.0±0.1) g試樣均勻平鋪于篩網(wǎng)(10 cm×10 cm)中，按表1的參數(shù)設(shè)置依次進行熱風(fēng)干燥試驗。每隔5 min記錄一次試樣質(zhì)量，直至試樣含水率小于安全含水率(11%)時結(jié)束試驗[3,6]。每組試驗重復(fù)3次。

表1 試驗設(shè)計與參數(shù)

1.2.3 指標測定與方法

(1) 干基含水率：按式(1)計算干基含水率[12-13,15]。

(1)

式中：

Mt——t時刻試樣的干基含水率，g/g；

mt——t時刻試樣的質(zhì)量，g；

mg——試樣干物質(zhì)質(zhì)量，g。

(2) 水分比：按式(2)計算水分比。

(2)

式中：

MR——水分比；

Mt——t時刻試樣的干基含水率，g/g；

Me——試樣平衡干基含水率，g/g；

M0——試樣初始干基含水率，g/g。

由于Me遠小于M0和Mt，在實際應(yīng)用中可忽略不計，因此可采用簡化公式[式(3)]計算水分比[16-17]。

(3)

(3) 干燥速率：按式(4)計算干燥速率[18-19]。

(4)

式中：

DR——干燥速率，g/(g·min)；

Mt+t——t+t時刻試樣的干基含水率，g/g；

Mt——t時刻試樣的干基含水率，g/g；

t——干燥時間，min。

1.3 薄層干燥數(shù)學(xué)模型

Weibull分布函數(shù)表達式[11,14,20]：

(5)

式中：

MR——水分比；

α——尺度參數(shù)(表示干燥過程中的速率常數(shù)，約為物料脫去63%水分所需時間)，min；

β——形狀參數(shù)(與物料水分遷移機制有關(guān))；

t——干燥時間，min。

1.4 有效水分擴散系數(shù)計算

Fick擴散方程可用來描述大多數(shù)生物材料的降速干燥過程[21]。其方程表達式[22-23]：

(6)

式中：

MR——水分比；

t——干燥時間，min；

L——黃芪切片厚度的1/2，mm；

Deff——有效水分擴散系數(shù)，m2/s。

由式(6)可知，lnMR與時間t呈線性關(guān)系，對其進行線性回歸分析得到直線斜率k，按式(7)計算有效水分擴散系數(shù)Deff。

(7)

1.5 活化能計算

有效水分擴散系數(shù)Deff與干燥溫度T之間的關(guān)系可以用Arrhenius等來描述，其表達式[24]:

(8)

式中：

教師要摒棄只灌輸理論知識的教學(xué)方法，學(xué)生平時積極參加體育課或者有關(guān)的體育活動是因為學(xué)生僅有的主動性來自對體育運動的喜愛。所以不能把體育課當成文化課的課程方式教學(xué)。教師應(yīng)當明確確定體育教學(xué)方向，必須要讓學(xué)生明白體育課程設(shè)置的價值。促進學(xué)生能夠主動參與到體育學(xué)習(xí)和訓(xùn)練過程中來。當代學(xué)生課業(yè)繁重，體育的作用對于學(xué)生有利無弊。

D0——指數(shù)前因子，m2/s；

Ea——活化能，kJ/mol；

R——理想氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；

T——物料干燥溫度，℃。

1.6 復(fù)水比測定

根據(jù)文獻[25]，取不同干燥條件下的干燥樣品(5.0±0.5) g，于60 ℃、300 mL蒸餾水中水浴5 h，取出瀝干，用吸水紙擦除其表面殘余水分，稱重。按式(9)計算復(fù)水比。

(9)

式中：

RR——復(fù)水比；

1.7 色差測定

使用Huruter Lab UltraScan Pro 全自動多功能色差儀進行測量，參照ASTME 308—99標準，按式(10)計算色差值。

ΔE*=

(10)

式中：

1.8 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和初步處理，使用OriginPro 2017軟件對模型進行非線性曲線擬合分析，使用SPSS 25軟件進行線性回歸分析和方差分析。以決定系數(shù)R2、卡方2和均方根誤差RMSE為評價指標，評價模型擬合效果。R2值越大，2和RMSE值越小，說明模型擬合效果越好。各指標分別按式(11)～(13)計算[23-24]。

(11)

(12)

(13)

式中：

MRexp,i、MRpre,i——水分比試驗值和預(yù)測值；

N——試驗所測得數(shù)據(jù)組數(shù)；

z——模型中參數(shù)個數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱風(fēng)干燥動力學(xué)曲線

2.1.1 熱風(fēng)溫度對黃芪切片干燥過程的影響 當風(fēng)速為0.8 m/s、切片厚度為6 mm時，不同熱風(fēng)溫度條件下黃芪切片熱風(fēng)干燥動力學(xué)曲線如圖1所示。由圖1可知，不同熱風(fēng)溫度條件下的試樣水分比曲線差異明顯，熱風(fēng)溫度越高，水分比曲線越陡峭，試樣失水速率越快，干燥至安全含水率所用時間越短。熱風(fēng)溫度為40，50，60 ℃下所需干燥時間分別為255，115，70 min，與40，50 ℃相比，熱風(fēng)溫度60 ℃下所需干燥時間分別縮短了72.5%，39.1%，可能是由于溫度升高，增加了空氣與物料之間的溫濕度差，使兩者間傳熱傳質(zhì)速率加快，從而縮短干燥時間[11,15]。熱風(fēng)溫度為40，50，60 ℃下干燥速率最大值分別為0.022 98，0.031 12，0.057 14 g/(g·min)，各干燥速率曲線變化趨勢基本相同；干燥開始后，干燥速率急劇增加，并于5 min時達最大值，然后隨著干燥時間的增加而逐漸減小，整個干燥過程無明顯恒速干燥階段，表明擴散是控制黃芪切片干燥過程中水分遷移的主導(dǎo)機制，與黎斌等[26]的結(jié)果類似。因此，熱風(fēng)溫度對黃芪切片熱風(fēng)干燥過程影響顯著。

圖1 不同熱風(fēng)溫度下黃芪切片的干燥特性曲線

2.1.2 風(fēng)速對黃芪切片干燥過程的影響 當熱風(fēng)溫度為50 ℃、切片厚度為6 mm時，不同風(fēng)速條件下黃芪切片熱風(fēng)干燥動力學(xué)曲線如圖2所示。由圖2可知，不同風(fēng)速條件下的試樣水分比曲線差異不明顯，其中風(fēng)速為0.4，0.8 m/s 的水分比曲線接近重合。風(fēng)速為0.4，0.8，1.2 m/s 下干燥至安全含水率所用時間分別為130，115，95 min，與0.4，0.8 m/s相比，風(fēng)速1.2 m/s下所需干燥時間分別縮短了26.9%，17.4%。風(fēng)速為0.4，0.8，1.2 m/s下各干燥速率曲線差異不明顯，變化趨勢基本相同，均在5 min時達到最大值，分別為0.027 31，0.030 19，0.038 49 g/(g·min)，整個干燥過程只有短暫的升速階段和較長的降速階段，無明顯恒速干燥階段，屬于典型的降速干燥過程。因此，風(fēng)速對黃芪切片熱風(fēng)干燥過程影響不顯著。

圖2 不同風(fēng)速下黃芪切片的干燥特性曲線

2.1.3 切片厚度對黃芪切片干燥過程的影響 當熱風(fēng)溫度為50 ℃、風(fēng)速為0.8 m/s時，不同切片厚度條件下黃芪切片熱風(fēng)干燥動力學(xué)曲線如圖3所示。由圖3可知，不同切片厚度條件下的試樣水分比曲線差異明顯，切片厚度越薄，水分比曲線越陡峭，試樣失水速率越快，干燥至安全含水率所需時間越短。切片厚度為3，6，9 mm下干燥至安全含水率所需時間分別為45，115，160 min；與6，9 mm 相比，切片厚度3 mm下所需干燥時間分別縮短了60.9%，71.9%，可能是由于厚度減小，水分遷移至表面的距離縮短，同時厚度減小增加了物料的比表面積，使物料與空氣間的質(zhì)熱交換加快，從而加快整個干燥過程，縮短了干燥時間[19]。切片厚度為3，6，9 mm下干燥速率均于5 min時達最大值，分別為0.046 87，0.031 12，0.029 38 g/(g·min)，切片厚度3 mm下的干燥速率曲線整體處于6，9 mm的上方，差異明顯，整個干燥過程主要以降速階段為主，無明顯恒速干燥階段。因此，切片厚度對黃芪切片熱風(fēng)干燥過程影響顯著。

圖3 不同切片厚度下黃芪切片的干燥特性曲線

2.2 基于Weibull分布函數(shù)模擬黃芪切片熱風(fēng)干燥過程

由表2可知，各干燥條件下的決定系數(shù)R2為0.995 1～0.999 2，均方根RMSE為0.001 38～0.004 82，卡方2為0.555 8×10-4～3.487 0×10-4，說明Weibull分布函數(shù)對試驗數(shù)據(jù)的擬合效果很好，對不同干燥條件下黃芪切片的水分比變化規(guī)律具有較高的模擬精度。

2.2.1 尺度參數(shù)α由表2可知，當風(fēng)速和切片厚度一定時，熱風(fēng)溫度從40 ℃增加至60 ℃，α值從101.242減少至29.627，減少了70.74%；當熱風(fēng)溫度和風(fēng)速一定時，切片厚度從9 mm減少至3 mm，α值從66.873減少至22.717，減少了66.03%；說明熱風(fēng)溫度和切片厚度對α值影響較大，提高熱風(fēng)溫度或減小切片厚度可顯著縮短干燥時間，加快干燥進程，與圖1、3的結(jié)果一致。而當熱風(fēng)溫度和切片厚度一定時，風(fēng)速從0.4 m/s增加至1.2 m/s，α值從55.909減少至42.162，減少了24.59%，說明風(fēng)速對α值影響較小，增大風(fēng)速對干燥時間的改變不明顯，反而風(fēng)速增大會增加干燥能耗，因此在不影響干燥品質(zhì)前提下可選擇較低的風(fēng)速干燥黃芪。

2.2.2 形狀參數(shù)β研究[27]表明，形狀參數(shù)β與干燥過程中物料內(nèi)部水分遷移機制有關(guān)。由表2可知，不同干燥條件下的形狀參數(shù)β為0.3～1.0，說明黃芪切片熱風(fēng)干燥屬于降速干燥過程，主要受物料內(nèi)部水分擴散控制，與圖1結(jié)論一致，說明Weibull分布函數(shù)可以用來描述黃芪切片熱風(fēng)干燥過程。

表2 Weibull模型擬合結(jié)果

2.2.3 Weibull模型的建立 以尺度參數(shù)α和形狀參數(shù)β為因變量，熱風(fēng)溫度T、風(fēng)速W和切片厚度L為自變量。按式(14)、(15)對Weibull模型參數(shù)進行1次多項式擬合[20,28-29]。

α=a0+a1lnT+a2lnW+a3lnL，

(14)

β=b0+b1lnT+b2lnW+b3lnL，

(15)

式中：

a0、a1、a2、a3和b0、b1、b2、b3——待求多項式系數(shù)。

結(jié)合表2的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用OriginPro 2017軟件進行多元線性回歸分析得：

α=685.311-181.130lnT-10.091lnW+41.125lnL，

(16)

β=1.758-0.254lnT-0.024lnW+0.095lnL。

(17)

將式(16)、(17)代入式(5)得到黃芪切片熱風(fēng)干燥的Weibull模型方程為：

MR=exp{-[t/(685.311-181.130lnT-10.091lnW+41.125lnL)]1.758-0.254lnT-0.024lnW+0.095lnL}。

(18)

2.2.4 Weibull模型驗證 為了檢驗所得模型的準確性，追加3組驗證試驗，分別為組1：熱風(fēng)溫度45 ℃、風(fēng)速0.8 m/s、切片厚度4 mm；組2：熱風(fēng)溫度50 ℃、風(fēng)速0.6 m/s、切片厚度6 mm；組3：熱風(fēng)溫度55 ℃、風(fēng)速1.0 m/s、切片厚度8 mm。使用SPSS 25軟件對各組水分比試驗值和模型預(yù)測值進行方差分析，由圖4可知，試驗值與預(yù)測值間無顯著差異(P1=0.784 8，P2=0.838 2，P3=0.918 1>0.05)，R2分別為0.988 7，0.995 9，0.996 8。上述結(jié)果表明水分比的試驗值和模型預(yù)測值吻合度較高，所建立的Weibull模型可以較好地描述黃芪切片熱風(fēng)干燥過程中的水分變化規(guī)律。

圖4 黃芪熱風(fēng)干燥水分比試驗值和模型預(yù)測值對比

2.3 有效水分擴散系數(shù)分析

利用SPSS 25軟件對lnMR與時間t進行線性回歸分析，根據(jù)式(7)計算有效水分擴散系數(shù)Deff。不同干燥條件下的有效水分擴散系數(shù)Deff如表3所示。由表3可知，不同干燥條件下黃芪切片的有效水分擴散系數(shù)Deff為0.321×10-7～1.178×10-7m2/s。熱風(fēng)溫度從40 ℃增至60 ℃，風(fēng)速從0.4 m/s增至1.2 m/s，切片厚度從3 mm 增至9 mm，相應(yīng)的Deff值分別增加了3.67，1.34，2.48倍，說明熱風(fēng)溫度和切片厚度對Deff影響較大，風(fēng)速對其影響較小。熱風(fēng)溫度越高，Deff值越大，與馬鈴薯[15]、當歸[12]、花椒[26]等物料研究結(jié)果類似。切片厚度越薄，Deff值越小，可能是由于厚度較薄的物料失水速率較快，其表面容易硬化，阻礙了內(nèi)部水分向表面遷移，從而導(dǎo)致水分有效擴散系數(shù)較小，與白冰玉等[30]的結(jié)果類似。

表3 不同干燥條件下的有效水分擴散系數(shù)

2.4 活化能分析

由式(8)可知，lnDeff與1/(T+273.15)呈線性關(guān)系，通過線性回歸分析計算得黃芪切片熱風(fēng)干燥的活化能Ea為56.49 kJ/mol，處于一般農(nóng)產(chǎn)品、果蔬等的活化能范圍之內(nèi)[16]，說明黃芪熱風(fēng)干燥的難易程度處于合理范圍，干燥操作較易實現(xiàn)。

2.5 黃芪切片熱風(fēng)干燥品質(zhì)分析

2.5.1 干燥條件對復(fù)水比的影響 由圖5可知，當切片厚度為9，3 mm時，復(fù)水比出現(xiàn)最大值和最小值，分別為2.43，2.02，可能是由于3 mm厚度的試樣失水速率較快，容易發(fā)生皺縮，使其組織結(jié)構(gòu)被破壞，從而導(dǎo)致其復(fù)水性能受到影響。復(fù)水比隨風(fēng)速的增加先增后減，風(fēng)速為0.8 m/s 的復(fù)水比在所有風(fēng)速條件下最大，為2.35。復(fù)水比與熱風(fēng)溫度呈負相關(guān)性，與切片厚度呈正相關(guān)性，與試樣干燥速率隨干燥條件的變化趨勢相反，說明復(fù)水比受試樣干燥速率快慢的影響，較快干燥速率得到的干制品復(fù)水比較低。

圖5 黃芪切片的復(fù)水比

2.5.2 干燥條件對色差的影響 由圖6可知，熱風(fēng)溫度、風(fēng)速和切片厚度對色差值均有影響。當熱風(fēng)溫度為40，60 ℃時，色差出現(xiàn)最小值和最大值，分別為1.96，7.01。隨著熱風(fēng)溫度和風(fēng)速的增加，黃芪切片色差值不斷增大，可能是由于熱風(fēng)溫度和風(fēng)速的增加會促進黃芪中糖類物質(zhì)的分解，發(fā)生美拉德反應(yīng)或焦糖化反應(yīng)生成較多棕色產(chǎn)物，使得干制品色差值較大[31]。但隨著切片厚度的增加，色差值逐漸減小，可能是由于厚度較大的試樣升溫和失水速率均較慢，使得其表面溫度在干燥前中期低于熱風(fēng)溫度，減緩了非酶促褐變反應(yīng)的發(fā)生速率，從而獲得色差值較小的干制品。

圖6 黃芪切片的色差

3 結(jié)論

(1) 黃芪切片熱風(fēng)干燥屬于降速干燥過程，主要受物料內(nèi)部水分擴散控制。熱風(fēng)溫度和切片厚度對干燥過程影響顯著，風(fēng)速對干燥過程影響不顯著；熱風(fēng)溫度越高、切片厚度越薄，干燥速率越快，干燥至安全含水率所需時間越短。

(2) 利用Weibull分布函數(shù)對不同干燥條件下的試驗數(shù)據(jù)進行擬合，其決定系數(shù)為0.995 1～0.999 2，均方根為0.001 38～0.004 82，卡方為0.555 8×10-4～3.487 0×10-4，擬合效果較好。不同干燥條件下，其尺度參數(shù)為22.717～101.242，主要受熱風(fēng)溫度和切片厚度的影響；形狀參數(shù)均<1。驗證試驗結(jié)果表明，水分比試驗值與模型預(yù)測值吻合度較高，無顯著性差異。因此，Weibull分布函數(shù)可以用來描述黃芪切片熱風(fēng)干燥過程。

(3) 不同干燥條件下黃芪切片的有效水分擴散系數(shù)為0.321×10-7～1.178×10-7m2/s，隨熱風(fēng)溫度和切片厚度的增加而增大，風(fēng)速的改變對其影響較小。黃芪切片熱風(fēng)干燥活化能為56.49 kJ/mol，處于常見物料的活化能范圍之內(nèi)，說明黃芪切片熱風(fēng)干燥難易程度適中，干燥操作較易實現(xiàn)。

(4) 不同干燥條件下黃芪切片的復(fù)水比為2.02～2.43，隨風(fēng)速的增大先增后減，與熱風(fēng)溫度呈負相關(guān)性，與切片厚度呈正相關(guān)性，與干燥速率隨干燥條件的變化趨勢相反，說明試樣干燥速率會對其復(fù)水比造成影響，較快干燥速率得到的干制品復(fù)水比較低，品質(zhì)較差。不同干燥條件下黃芪切片的色差為1.96～7.01，隨熱風(fēng)溫度和風(fēng)速的增加而增大，隨切片厚度的增加而減小。

試驗僅對黃芪切片熱風(fēng)干燥特性、動力學(xué)模型及部分干燥品質(zhì)進行了研究，后續(xù)可進一步研究其最優(yōu)干燥參數(shù)或干燥條件對其功能性成分含量的影響。