邱 婷，余春生，李金平，楊麗敏，楊俊杰*

(1.信陽農(nóng)林學(xué)院 生物與制藥工程學(xué)院，河南 信陽464000； 2. 河南息半夏藥業(yè)有限公司，河南 信陽 464300)

息半夏是產(chǎn)自河南省息縣及周邊地區(qū)的天南星科植物半夏Pinelliaternata( Thunb.) Breit.的干燥塊莖，為國家認(rèn)定的“原產(chǎn)地”保護(hù)品種，以個大、粉性足而聞名。息半夏在產(chǎn)地加工過程中，干燥是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。傳統(tǒng)曬干耗時費(fèi)力，白天攤曬，夜晚收攏覆蓋，受露水打濕后，容易變色，同時受天氣制約，若遇到陰雨天氣，會導(dǎo)致息半夏發(fā)黏，腐爛，直接影響商品的品質(zhì)[2]。為了提高生產(chǎn)效率，確保息半夏的優(yōu)良品質(zhì)，當(dāng)?shù)亟⒘舜笮拖胂募庸すS，采用機(jī)械化，自動化，規(guī)?；庸ぜ夹g(shù)，干燥環(huán)節(jié)主要采用熱風(fēng)干燥。息半夏在熱風(fēng)干燥過程中，溫度、風(fēng)速、加熱時間等因素都會直接影響到商品的色澤、質(zhì)地[3]。本研究旨在通過對息半夏干燥過程的主要影響因素進(jìn)行研究，建立能夠反映息半夏干燥規(guī)律的熱力學(xué)模型[4]，為科學(xué)的制定干燥工藝、干燥時間以及干燥設(shè)備的研發(fā)等方面，提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮半夏藥材于2019年7月在信陽市息縣息半夏藥業(yè)有限公司種植基地采挖，經(jīng)信陽農(nóng)林學(xué)院陳瓊教授鑒定為天南星科植物半夏P.ternate的塊莖。

1.2 儀器

梅特勒AB135-S電子分析天平(上海樹信儀器儀表有限公司)；JT-120快速鹵素水分測定儀(泰州市精泰儀器儀表有限公司)。自制可控風(fēng)速熱風(fēng)循環(huán)烘箱。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 材料處理

采挖的息半夏除去須根和泥土，手工搓去外皮，沖洗干凈，備用。

1.3.2 干燥方法設(shè)計(jì)

去皮后的息半夏，大小分為2檔，1檔平均直徑17 mm，2檔平均直徑13 mm，每檔分別分為四組，BX1-1和BX1-2于75℃干燥，BX2-1和BX2-2于55℃干燥，BX3-1和BX3-2于35℃干燥，BX4-1和BX4-2于55℃、風(fēng)速0.5 m/s條件干燥，其中“-1”組代表大個，“-2”組代表小個。將上述樣品分別于干燥第0.25、0.5、0.75、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、18、24、30、36、42 h稱重，直至藥材含水量降至7%以下時停止干燥。

1.3.3 水分測定與計(jì)算

干燥后樣品取樣，用快速鹵素水分測定儀測定水分含量，計(jì)算出干重，然后算出每個點(diǎn)的干基含水量M。

1.3.3.1 水分比(Moisture ratio, MR)計(jì)算

水分比(MR)是判斷干燥過程的重要指標(biāo)，可以用簡化公式[5]表示如下：

(1)

公式1中，Mt表示t時間的干基含水率，g/g；M0表示初始干基含水率，g/g。

1.3.3.2 干燥速率(Drying rate, DR)計(jì)算

(2)

公式2中[6]，Mt1表示t1時間的干基含水率，g/g；Mt2表示t2時間的干基含水率，g/g。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥曲線

息半夏在75℃、55℃、35℃、55℃且風(fēng)速0.5 m/s條件下的干燥曲線和干燥速率如圖1、圖2、圖3所示。由干燥曲線可以看出，溫度對干燥時間影響很大，35℃低溫干燥會導(dǎo)致干燥時間成倍增加，升溫能夠顯著縮短干燥時間。熱風(fēng)循環(huán)能夠縮短干燥時間。

圖1 息半夏干燥曲線

圖2 平均直徑17 mm組息半夏干燥速率曲線

圖3 平均直徑13 mm組息半夏干燥速率曲線

由干燥速率曲線可以看出，干燥速率大體上隨著含水量的降低而降低。其中在75℃高溫情況下干燥速率下降比較明顯，在55℃和35℃溫度時，初期干燥速率有一個上升的過程，平均直徑17 mm組上升過程較13 mm組更為明顯，這跟物料干燥初期升溫過程有關(guān)。所有的干燥過程有一個速率急劇降低后又升高的情況，可能跟息半夏干燥過程中外殼硬強(qiáng)化后，水分溢出困難有關(guān)。55℃熱風(fēng)干燥的速率比55℃干燥較大，可以推測出，影響息半夏干燥的主要因素是降速階段，即水分的由內(nèi)向外的擴(kuò)散速度。

2.2 干燥曲線擬合

利用IBM SPSS 23.0軟件對干燥曲線進(jìn)行非線性擬合，各模型擬合結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，息半夏的干燥過程中擬合程度最高的是Logarithmic模型和Midilli模型，其次是Henderson-Pabis模型，而這三個模型非常相近。其他模型擬合度明顯不高。

表1 息半夏干燥模型擬合情況

2.3 干燥動力學(xué)參數(shù)計(jì)算

以lnMR和時間t作線性回歸，如圖4所示。由圖4可以看出，息半夏干燥基本符合一級動力學(xué)方程。其斜率即為各干燥溫度的速率常數(shù)k。利用菲克擴(kuò)散方程的簡化式[7]，可求出有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff。

(3)

公式3中Deff表示有效水分?jǐn)U散系數(shù)，L為平均厚度的一半。由上式可知

(4)

由公式4可以求出Deff。

由Arrhenius公式可知，

(5)

公式5中，A為指數(shù)前因子，m2/s；Ea為活化能，KJ/moL；R為氣體常數(shù)，KJ/moL.K；T為絕對溫度，K。

表2 息半夏干燥動力學(xué)參數(shù)

圖4 水分比的對數(shù)值與時間的關(guān)系

2.4 產(chǎn)品外觀品質(zhì)比較

對不同組分產(chǎn)品的質(zhì)地和外觀比較結(jié)果如表3所示。

由產(chǎn)品外觀可以看出75℃干燥和55℃熱風(fēng)干燥會嚴(yán)重影響息半夏的外觀和品質(zhì)，55℃和35℃干燥產(chǎn)品外觀地質(zhì)良好。

3 小結(jié)

息半夏作為一個大宗商品，大規(guī)模加工過程亟需解決干燥問題[8-9]。通過對息半夏的干燥熱力學(xué)模型的建立，可以更為直觀的了解到影響息半夏干燥的各種因素。試驗(yàn)結(jié)果表明：Logarithmic模型和Midilli模型能夠很好的模擬出息半夏的干燥過程，可作為干燥工藝設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。所得的動力學(xué)參數(shù)有效水分?jǐn)U散系數(shù)和活化能數(shù)值均在農(nóng)產(chǎn)品干燥的取值范圍[10](Deff在10-9-10-11m2/s之間；Ea在12.7～110 KJ/mol之間)，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價值。通過試驗(yàn)可以得知，溫度和熱風(fēng)是影響半夏品質(zhì)的主要因素，高溫會導(dǎo)致息半夏角質(zhì)化、變色，熱風(fēng)會導(dǎo)致息半夏皺縮，變色，同時息半夏干燥方式為降速干燥，熱風(fēng)并不能明顯提高干燥效率，故息半夏產(chǎn)地應(yīng)采用低溫烘干加工。

表3 息半夏干燥品外觀統(tǒng)計(jì)