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        黃精片間歇微波干燥特性及模型擬合

        2022-08-11 07:02:56吳釗龍張小葉黃紀(jì)民孫文波李秉正黃志民
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2022年15期
        關(guān)鍵詞:模型

        吳釗龍,張小葉,黃紀(jì)民,李 浩,孫文波,李秉正,黃志民

        (1.廣西科學(xué)院廣西生物煉制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西南寧 530007;2.廣西科學(xué)院非糧生物質(zhì)酶解國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西南寧 530007;3.廣西中科微波先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,廣西南寧 530007;4.南寧學(xué)院機(jī)電與質(zhì)量技術(shù)工程學(xué)院,廣西南寧 530200)

        黃精()是百合科黃精屬多年生草本植物,一般以其干燥根莖入藥。研究發(fā)現(xiàn),黃精中主要含黃精多糖、甾體皂苷、蒽醌類化合物、揮發(fā)油、生物堿、木質(zhì)素、維生素和多種氨基酸等化合物,具有寬中益氣、滋補(bǔ)強(qiáng)身的養(yǎng)生功效,已被國(guó)家列為藥食兩用中藥,被廣泛用作功能性食品及滋補(bǔ)藥品。

        目前,黃精的干燥加工主要采用熱風(fēng)干燥和自然曬干方法,都存在干燥時(shí)間長(zhǎng)、能耗大、干燥品質(zhì)差等不足。與其相比,微波加熱是依靠物體吸收微波并將其轉(zhuǎn)換成熱能的加熱方式,物料干燥速度快、易于控制,且干后品質(zhì)和能量利用率高。然而,連續(xù)微波干燥容易導(dǎo)致物料過熱,從而對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)產(chǎn)生不利影響。間歇微波干燥可以在一定程度上彌補(bǔ)上述不足,已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品干燥中,但目前鮮見將其用于黃精干燥的報(bào)道。

        本研究擬開展黃精片的間歇微波干燥分析,考察微波功率、間歇時(shí)間、裝載量、切片厚度4個(gè)條件對(duì)微波干燥特性的影響,在此基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型擬合,構(gòu)建關(guān)于黃精片間歇微波干燥的數(shù)學(xué)模型,并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,為合理選擇黃精片的干燥工藝參數(shù)提供依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 原料與處理

        新鮮黃精于2020年11月20日購(gòu)自廣西壯族自治區(qū)百色市隆林各族自治縣,購(gòu)買后運(yùn)回廣西中科微波先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院中試車間清洗,挑選無(wú)病蟲害或機(jī)械損傷的新鮮黃精,清洗除去表面的泥沙和雜質(zhì)并瀝干水分后切片。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)備

        Webox-A6型微波干燥機(jī),購(gòu)自株洲市微朗科技有限公司;JJ1000型電子天平,購(gòu)自常熟市雙杰測(cè)試儀器廠;DHS-20A型水分測(cè)定儀,購(gòu)自力辰科技寧波有限公司。

        1.3 干燥

        選取大小均勻的黃精片單層擺放在塑料網(wǎng)盤上,放入微波干燥機(jī)內(nèi),并按表1的參數(shù)條件組合依次進(jìn)行間歇微波干燥試驗(yàn)。參照預(yù)試驗(yàn)結(jié)果,將單次微波輻照時(shí)間固定為1 min。通過單因素試驗(yàn),考察微波功率、間歇時(shí)間、裝載量和切片厚度等因素對(duì)干燥特性及其動(dòng)力學(xué)的影響。利用間歇時(shí)間稱質(zhì)量并記錄干燥過程中的質(zhì)量變化,當(dāng)濕基含水量≤10% 時(shí)停止干燥。

        表1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

        1.4 干燥參數(shù)的測(cè)試與計(jì)算方法

        1.4.1 初始含水率 通過用DHS-20A型快速水分測(cè)定儀測(cè)定黃精的含水量,得到黃精平均初始含水量為69.77%。

        1.4.2 干基含水量 相關(guān)公式:

        =(-)。

        (1)

        式中:為干燥到時(shí)刻的物料干基含水量,g/g;為干燥到時(shí)刻的物料質(zhì)量,g;為絕干物料的質(zhì)量,g。

        1.4.3 干燥速率 相關(guān)公式:

        =(-)Δ。

        (2)

        式中:為干燥速率,g/(g·min);Δ為相鄰2次測(cè)定的時(shí)間間隔,min;為干燥至+Δ時(shí)刻的物料干基含水量,g/g;為干燥至?xí)r刻的物料干基含水量,g/g。

        1.4.4 水分比 相關(guān)公式:

        =(-)(-)。

        (3)

        式中:為水分比;為干燥平衡時(shí)物料的干基含水量,g/g;為物料的初始干基含水量,g/g。

        由于黃精的平衡干基含水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于和,通??梢院雎圆挥?jì),因此可將公式(3)簡(jiǎn)化成公式(4)進(jìn)行計(jì)算:

        =

        (4)

        1.4.5 有效水分?jǐn)U散系數(shù) 相關(guān)公式:

        =8exp(-π/)π。

        (5)

        式中:為黃精切片厚度的一半,mm;為干燥時(shí)間,s;為有效水分?jǐn)U散系數(shù),m/s。

        以ln為縱坐標(biāo)、干燥時(shí)間()為橫坐標(biāo)作直線方程,將直線方程的斜率代入公式(6)可求出有效水分?jǐn)U散系數(shù),相關(guān)公式:

        =-/π。

        (6)

        1.5 干燥模型的擬合

        根據(jù)吳釗龍等選用的5種最常見的干燥模型對(duì)黃精的干燥模型進(jìn)行線性擬合。

        1.6 數(shù)據(jù)分析

        用SPSS 19.0對(duì)黃精片間歇微波干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,用Origin 8.0繪圖。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 黃精片間歇微波干燥特性

        2.1.1 微波功率對(duì)干燥特性的影響 在間歇時(shí)間為1 min、裝載量為100 g、切片厚度為4 mm的條件下,不同微波功率下的黃精片間歇微波干燥曲線和干燥速率曲線如圖1所示。

        由圖1-a可以看出,隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng),不同微波功率處理的黃精片水分比持續(xù)降低。微波功率越高,干燥過程中水分比的變化越大,水分比降至趨于平緩所需的干燥時(shí)間越短。當(dāng)微波功率為400 W時(shí),達(dá)到平緩所需的時(shí)間為20 min;而當(dāng)微波功率為250 W時(shí),達(dá)到平緩所需的時(shí)間為 50 min,后者時(shí)間是前者的2.5倍。由此可見,在一定的微波功率范圍內(nèi),適當(dāng)?shù)靥岣呶⒉üβ士梢钥s短干燥時(shí)間。

        由圖1-b可以看出,在4個(gè)不同微波功率處理下,微波功率越大,干燥速率越高。當(dāng)微波功率為350~400 W時(shí),干燥速率曲線只存在加速、降速2個(gè)階段;當(dāng)微波功率為250~300 W時(shí),干燥速率曲線存在加速、恒速、降速3個(gè)階段。隨著微波功率的增大,單位質(zhì)量物料產(chǎn)生熱量的速度更快,與周圍熱空氣間形成較大的水分梯度,黃精片內(nèi)部形成的蒸汽壓越大,其向外擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力也越大。

        由圖2-a可以看出,在不同間歇時(shí)間處理下,黃精片微波干燥曲線的線形相似,且間歇時(shí)間越大,黃精片的干燥曲線斜率越小,干燥至水分比降至趨于平緩所需的時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)間歇時(shí)間分別為0.5、1.0、1.5 min時(shí),所需的干燥時(shí)間分別為22、28、35 min。當(dāng)間歇時(shí)間過短時(shí),隨著干燥的進(jìn)行,會(huì)出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象,導(dǎo)致黃精片焦糊。當(dāng)間歇時(shí)間過長(zhǎng)時(shí),所需的總干燥時(shí)間長(zhǎng),并且會(huì)增加能耗。

        由圖2-b可以看出,3條不同間歇時(shí)間的干燥速率曲線均有明顯的加速、降速2個(gè)階段;間歇時(shí)間越長(zhǎng),干燥速率越小。在微波加熱時(shí)增加間歇時(shí)間這一步驟,可為黃精片內(nèi)部水分的重新分布及向表面擴(kuò)散提供時(shí)間,從而有效防止過熱或焦化,保證干燥品質(zhì),而當(dāng)采用微波連續(xù)加熱時(shí),雖然物料能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到脫水效果,但干燥過程升溫過快,易超過其耐熱溫度,從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。

        2.1.3 裝載量對(duì)干燥特性的影響 在微波功率為350 W、間歇時(shí)間為1 min、切片厚度為4 mm的條件下,不同裝載量的黃精片間歇微波干燥曲線和干燥速率曲線如圖3所示。

        由圖3-a可以看出,隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng),不同裝載量條件下的水分比呈現(xiàn)下降的趨勢(shì);裝載量越小,干燥曲線越陡峭,水分比降至趨于平緩所需的干燥時(shí)間越短。當(dāng)裝載量為50 g時(shí),水分比達(dá)到平緩所需的時(shí)間為13 min,而當(dāng)裝載量為150 g時(shí),水分比達(dá)到平緩所需時(shí)間為32 min,后者是前者的2.46倍;這與藍(lán)莓、秋葵和西芹的微波干燥曲線具有相同的規(guī)律。

        由圖3-b可以看出,當(dāng)裝載量為150 g時(shí),干燥過程有明顯的加速階段、恒速階段和降速階段;當(dāng)裝載量為50、100 g時(shí),干燥過程有明顯的加速階段、降速階段。干燥裝載量越小,干燥速率越快,變化趨勢(shì)也越快,恒速階段越不明顯。這是由于隨著黃精片裝載量的減少,單位質(zhì)量黃精片所分配到的微波功率增大,物料產(chǎn)生熱量的速度更快,但干燥裝載量越小,加工效率越低,在實(shí)際生產(chǎn)中,干燥裝載量還需進(jìn)一步考察。

        2.1.4 切片厚度對(duì)干燥特性的影響 在微波功率為350 W、間歇時(shí)間為1 min、裝載量為100 g的條件下,不同切片厚度的黃精片間歇微波干燥曲線和干燥速率曲線如圖4所示。

        由圖4-a可以看出,隨著干燥時(shí)間的增加,黃精片的水分比呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),且黃精的切片厚度越小、干燥曲線越陡峭,水分比降至趨于平緩所需的干燥時(shí)間越短。當(dāng)切片厚度分別為2、4、6 mm時(shí),干燥時(shí)間分別為20、27、32 min。

        由圖4-b可以看出,不同切片厚度所對(duì)應(yīng)的干燥速率曲線均有明顯的加速、降速2個(gè)階段;切片厚度越薄,干燥速率越高。因?yàn)閷?duì)于一定體積的物料而言,隨著切片厚度的減小,熱量從外到內(nèi)傳遞的距離縮短,也縮短了熱量從內(nèi)到外擴(kuò)散的距離,內(nèi)部水分遷移的阻力變小,從而加快了熱量、水分的傳遞速度,此外,傳質(zhì)與傳熱的速度也加快,從而提高了干燥速率。

        漢代著名舞蹈,也是“百戲”之一。表演的時(shí)候,地面上擺著盤子或鼓,跳舞的藝人穿著長(zhǎng)袖衣裙,在盤、鼓上或周圍踩著節(jié)拍跳舞。

        2.1.5 不同干燥條件下黃精片的有效水分?jǐn)U散系數(shù) 由表2可知,有效水分?jǐn)U散系數(shù)在1.013 2×10~6.200 9×10m/s之間,其中功率為 350 W、間歇時(shí)間為1 min、裝載量為100 g、切片厚度為 6 mm 條件下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)最高,為6.200 9×10m/s,在食品干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)為10~10m/s范圍內(nèi)。隨著微波功率和切片厚度的增加而增大,隨著間歇時(shí)間、裝載量的增加而減小。由此可見,在干燥過程中,提高微波功率和切片厚度、降低間歇時(shí)間和裝載量可以提升有效水分?jǐn)U散系數(shù),加快黃精片間歇微波干燥的質(zhì)熱傳遞。在實(shí)際應(yīng)用中,可通過調(diào)節(jié)微波功率、間歇時(shí)間、裝載量和切片厚度來(lái)改變干燥過程。

        表2 不同干燥條件下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)

        2.2 黃精片間歇微波干燥模型的建立

        2.2.1 黃精片間歇微波干燥過程試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合 由圖1~圖4可以看出,在黃精片間歇微波干燥過程中,-是非線性關(guān)系,說(shuō)明Wang and Singh模型不適合用來(lái)描述黃精片間歇微波干燥,擬合方程的為0.920。根據(jù)其余4種干燥動(dòng)力學(xué)模型的線性化表達(dá)式,繪制不同條件下以-ln、ln(-ln)為縱坐標(biāo),、ln分別為對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)的黃精片間歇微波干燥過程的關(guān)系圖。

        由圖5可以看出,在黃精片間歇微波干燥過程中,(-ln)-是非線性關(guān)系,Lagarithmic、Henderson and Pabis、Newton 3種模型擬合方程的分別為0.956、0.913、0.894。由此可見,這3類模型都不適合用來(lái)描述黃精片間歇微波干燥。

        由圖6可以看出,在黃精片微波干燥過程中,ln(-ln)-ln是線性關(guān)系,可見Page模型對(duì)預(yù)測(cè)黃精片間歇微波干燥具有良好的適應(yīng)性。因此,采用Page模型ln(-ln)=ln+ln建立黃精片間歇微波干燥動(dòng)力學(xué),令:

        ln=++++;

        =++++。

        式中:為微波功率,W;為間歇時(shí)間,min;為裝載量,g;為切片厚度,mm;、、、、、、、、、為待定系數(shù),可得到如下公式:

        ln(-ln)=+++++(++++)ln。

        將不同微波功率、不同間歇時(shí)間、不同裝載量和不同切片厚度試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)依次代入上式,通過SPSS 19.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到待定系數(shù)=-3105,=0007,=-0220,=-0014,=-0225,=1049,=0000,=-0069,=0001,=0.034。

        將求得的系數(shù)代入ln(-ln)=+++++(++++)ln,得到回歸方程:

        ln(-ln)=-3105+0007-0220-0014-0225+(1049-0069+0001+0034)ln。

        由于ln(-ln)=ln+ln,即可求得:

        =exp(-3.105+0.007-0220-0014-0225),=1049-0069+0001+0034。

        回歸方程的=3 224.987,<0.001,=0.987,說(shuō)明黃精片間歇微波干燥過程與Page模型成顯著相關(guān)性,且擬合度較高,證明Page模型適用于描述黃精片間歇微波干燥過程。

        2.2.2 模型檢驗(yàn) 為了檢驗(yàn)所選模型的準(zhǔn)確性,設(shè)置如下試驗(yàn)條件進(jìn)行驗(yàn)證:微波功率為400 W,間歇時(shí)間為1 min,裝載量為100 g,切片厚度為2 mm。如圖7所示,對(duì)Page方程的試驗(yàn)值與擬合值進(jìn)行對(duì)比,得出二者擬合比較好,Pearson相關(guān)系數(shù)為0.999,說(shuō)明Page模型能夠較好地反映和預(yù)測(cè)黃精片間歇微波干燥的規(guī)律。

        3 結(jié)論與討論

        黃精片間歇微波干燥過程中主要包括加速、恒速和降速3個(gè)階段。微波功率越高,間歇時(shí)間越短、裝載量越小、切片厚度越薄,其干燥速率越快,所需的干燥時(shí)間越短。

        在微波功率為250~400 W、間歇時(shí)間為0.5~1.5 min、裝載量為50~150 g、厚度為2~6 mm的范圍內(nèi),黃精片間歇微波干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)為1.013 2×10m/s~6.160 3×10m/s,其中功率為350 W、間歇時(shí)間為1 min、裝載量為100 g、切片厚度為6 mm條件下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)最高,為6.200 9×10m/s。

        通過對(duì)5種常見的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行擬合分析,發(fā)現(xiàn)Page模型最適合描述黃精片間歇微波干燥過程中水分變化規(guī)律的干燥模型,得到擬合方程為 ln(-ln)=-3.105+0.007-0220-0014-0225+(1049-0069+0001+0034)ln。通過該模型可以在確定微波功率、間歇時(shí)間、裝載量和切片厚度的情況下準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)到任意時(shí)刻黃精片水分比的含量。

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