張亞晶 楊 薇

（昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650224）

康乃馨熱風(fēng)干燥特性研究

張亞晶 楊 薇

（昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650224）

選取康乃馨為研究對(duì)象，以熱風(fēng)溫度、風(fēng)速、裝載量為試驗(yàn)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，分析各個(gè)因素對(duì)干燥特性的影響。結(jié)果表明，3個(gè)因素對(duì)康乃馨的干燥特性影響均顯著，溫度越高，風(fēng)速越大，裝載量越少，康乃馨達(dá)到安全水分所用的時(shí)間就越短。采用3種常用的干燥模型單項(xiàng)擴(kuò)散模型、指數(shù)模型、Page模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析和模型的擬合，得出Page模型適合描述康乃馨的干燥進(jìn)程，并建立康乃馨的干燥模型。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，Page模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的最大誤差僅為6.7%，很好地描述了康乃馨的干燥進(jìn)程。

康乃馨；熱風(fēng)干燥；干燥特性；Page模型

康乃馨花茶是深受人們喜愛的一種茶飲，它含人體所需的多種營養(yǎng)元素，主要有鉀、鈣、鈉、鐵、鎂、錳、銅、鋅等［1］。研究［2］證明，康乃馨能改善血液循環(huán)，增強(qiáng)機(jī)體的新陳代謝。具有清新除燥，排毒養(yǎng)顏，延緩衰老，調(diào)節(jié)內(nèi)分泌等功能。

關(guān)于花卉的干燥特性及干燥品質(zhì)的研究文獻(xiàn)很多。張曉辛等［3］對(duì)菊花在微波－氣流組合干燥下的干燥特性與純氣流干燥和微波干燥下的干燥特性進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明采用微波－氣流組合干燥技術(shù)可以使干燥時(shí)間縮短到4 h內(nèi)，生產(chǎn)效益大大提高，且干燥后的菊花品質(zhì)較優(yōu)，等級(jí)高，市場(chǎng)價(jià)格較傳統(tǒng)干制的菊花提高了5～10倍；吉永奇等［4］針對(duì)金銀花采用蒸后烘干的干燥方法與傳統(tǒng)的干燥方法相比，金銀花綠原酸的含量和干燥速率都得到了提高；Chen Wei等［5］對(duì)康乃馨和玫瑰花的冷凍干燥特性進(jìn)行了研究，得出在冷凍干燥條件下能得到較好品質(zhì)的干花，但是干燥成本大大提高了，不利于批量生產(chǎn)。

熱風(fēng)干燥作為一種傳統(tǒng)古老的干燥方法，被廣泛應(yīng)用于谷物、水果、蔬菜、海產(chǎn)品等各類物料的干燥，具有投資低、管理方便等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)干制品的一種重要干燥方式。本試驗(yàn)以熱風(fēng)溫度，風(fēng)速，裝載量為試驗(yàn)因素，研究康乃馨的熱風(fēng)干燥特性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

康乃馨鮮花：購自昆明市斗南鎮(zhèn)的花卉生產(chǎn)基地，要求鮮花全開，大小均勻，且無病蟲害的污染。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

熱風(fēng)干燥箱：本實(shí)驗(yàn)室自制（見圖1）；

電子分析天平：BL310，德國賽多利斯集團(tuán)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 康乃馨預(yù)處理方法 將買來的新鮮康乃馨剪去花柄，然后手工去除花托及花芯，整朵進(jìn)行熱風(fēng)干燥試驗(yàn)。

1.3.2 試驗(yàn)因素及水平的選擇 影響物料熱風(fēng)干燥特性的因素主要有熱風(fēng)溫度、風(fēng)速、裝載量、物料形狀大小、預(yù)處理方法等［6－8］。就康乃馨干燥，選擇熱風(fēng)溫度、風(fēng)速、裝載量作為影響其干燥特性的主要因素。通過試探性的試驗(yàn)，確定了各試驗(yàn)因素的水平（見表1）。

圖1 自制熱風(fēng)干燥箱裝置圖Figure 1 Schematic diagram of hot air dryer

表1 康乃馨干燥試驗(yàn)因素與水平Table 1 The factors and levels of the test of carnation

1.3.3 單因素試驗(yàn)方案

為了研究熱風(fēng)溫度、風(fēng)速、裝載量對(duì)康乃馨干燥特性的影響，根據(jù)選定的因素水平，進(jìn)行如下單因素試驗(yàn)。

（1）固定風(fēng)速為3.4 m／s、裝載量為3 kg／m2，分別采用60，70，80℃的熱風(fēng)溫度進(jìn)行康乃馨的熱風(fēng)干燥試驗(yàn)，以獲得不同溫度下康乃馨的干燥曲線和干燥速率曲線；

（2）固定溫度為70℃、裝載量為3 kg／m2，分別采用3.4，1.5，0.8 m／s的風(fēng)速進(jìn)行康乃馨的熱風(fēng)干燥試驗(yàn)，獲取不同風(fēng)速下康乃馨的干燥曲線和干燥速率曲線；

（3）固定溫度為70℃、風(fēng)速為3.4 m／s，分別采用3，6，12 kg／m2的裝載量進(jìn)行康乃馨的熱風(fēng)干燥試驗(yàn)，得到康乃馨在裝載量改變時(shí)的干燥曲線和干燥速率曲線。

干燥過程中每隔5 min或15 min測(cè)量物料的實(shí)時(shí)質(zhì)量，計(jì)算干基含水率，直到物料達(dá)到安全含水率為止。每組重復(fù)兩次，取平均值。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及其計(jì)算方法

1.4.1 初始水分含量的測(cè)定 參照GB 5009.3——2010。

1.4.2 干基含水率 干基含水率按式（1）計(jì)算［9］：

式中：

Mt—— 康乃馨的干基含水率，g／g；mt—— 康乃馨的實(shí)時(shí)質(zhì)量，g；

mg—— 康乃馨絕干物質(zhì)的質(zhì)量，g。

1.4.3 干燥速率 干燥速率按式（2）計(jì)算［10］：

式中：

V t—— 干燥速率，g／（g·min）；

Mt—— 物料在t時(shí)刻的干基含水率，g／g；

Mt－1—— 康乃馨在t－1時(shí)刻的干基含水率，g／g；

t d——t－1時(shí)刻和t時(shí)刻的時(shí)間間隔，min。

1.4.4 水分比Mr水分比按式（3）計(jì)算［11，12］：

式中：

Mr—— 水分比；

M0—— 物料的初始干基含水率，g／g；

Mt—— 物料在t時(shí)刻的干基含水率，g／g。

2 結(jié)果與分析

2.1 康乃馨的干燥特性

2.1.1 不同溫度下康乃馨的干燥曲線和干燥速率曲線 由圖2可知，溫度一定時(shí)含水率隨時(shí)間呈指數(shù)變化，而且熱風(fēng)溫度越高，所用的時(shí)間越短。溫度為60℃時(shí)，干燥到安全含水率所用的時(shí)間為150 min，而溫度為80℃時(shí)只用了30 min，干燥時(shí)間縮短了90 min。由圖3可知，溫度越高，所表現(xiàn)的干燥速率越大。根據(jù)Trabert理論［13，14］，自由靜水表面的蒸發(fā)量E0可用式（4）表示：

式中：

C——比例常數(shù)；

T—— 絕對(duì)溫度，K；

V—— 風(fēng)速，m／s；

d——一定溫度時(shí)水的飽和蒸汽壓和周圍空氣水蒸氣壓力之差，MPa。

那么在風(fēng)速固定的條件下，溫度T升高時(shí)，物料內(nèi)部的水分蒸發(fā)速率就會(huì)加快，使干燥時(shí)間縮短。整個(gè)干燥過程無恒速干燥段，只有調(diào)整階段和降速階段。調(diào)整階段自干燥初始至干燥速率達(dá)到峰值，這段時(shí)間康乃馨吸收的熱量一部分用于本身的升溫，一部分用于水分蒸發(fā)。調(diào)整階段物料的水分蒸發(fā)量很快達(dá)到峰值，康乃馨花瓣表面的水分迅速蒸發(fā)。當(dāng)表面的大部分水分蒸發(fā)后，而內(nèi)部水分來不及擴(kuò)散到表面，就會(huì)導(dǎo)致干燥速率下降，當(dāng)干燥進(jìn)行到一定階段時(shí)，由于物料本身收縮，細(xì)胞間隙變小，再加上物料表面形成了一層薄薄的殼，使得水分的蒸發(fā)阻力加大，干燥速率不斷減小。由此可見，熱風(fēng)溫度對(duì)康乃馨的干燥特性影響顯著，提高熱風(fēng)溫度可以加快水分蒸發(fā)，縮短干燥時(shí)間。

2.1.2 不同風(fēng)速下康乃馨的干燥曲線和干燥速率曲線 由圖4和5可知，風(fēng)速越大，干燥速率越大，康乃馨達(dá)到安全水分所用的時(shí)間就越短。當(dāng)風(fēng)速為3.4 m／s時(shí)干燥所用的時(shí)間比風(fēng)速為0.8 m／s時(shí)節(jié)約了60 min。同樣，根據(jù)Trabert理論，在溫度和裝載量一定的情況下，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，蒸發(fā)量也會(huì)隨之變化。風(fēng)速越高，蒸發(fā)量越大，達(dá)到安全水分所用的時(shí)間就越短。所以在干燥過程中適當(dāng)提高風(fēng)速可以加快物料的干燥，縮短干燥時(shí)間。

圖2 不同溫度下康乃馨的干燥曲線Figure 2 Drying curves for carnation under different temperature

圖3 不同溫度下康乃馨的干燥速率曲線Figure 3 Drying rate curves for carnation under different temperature

圖4 不同風(fēng)速下康乃馨的干燥曲線Figure 4 Drying curves for carnation under different wind speed

2.1.3 不同裝載量下康乃馨的干燥曲線和干燥速率曲線

由圖6和7可知，裝載量不同，失水速率也不同，物料達(dá)到安全水分所用的時(shí)間就不同。當(dāng)裝載量變大時(shí)，失水速率相應(yīng)的變小，達(dá)到安全水分所用的時(shí)間加長。這是因?yàn)椋b載量越大，物料的鋪料厚度就越大，康乃馨單位質(zhì)量與熱風(fēng)的接觸面積變小，整體干燥速率就減小了。由此可以看出，當(dāng)裝載量變大時(shí)，物料的干燥速率就會(huì)減小。在實(shí)際生產(chǎn)中，要確定合適的物料裝載量，以利于水分的蒸發(fā)和節(jié)約能耗。

圖5 不同風(fēng)速下康乃馨的干燥速率曲線Figure 5 Drying rate curves for carnation under different wind speed

圖6 不同裝載量下康乃馨的干燥曲線Figure 6 Drying curves for carnation under different loading weight

圖7 不同裝載量下康乃馨的干燥速率曲線Figure 7 Drying rate curves for carnation under different loading weight

2.2 康乃馨熱風(fēng)干燥模型的建立

2.2.1 常用的干燥模型及線性化 描述干燥過程常用的數(shù)學(xué)模型主要有以下3種：

（1）單項(xiàng)擴(kuò)散模型：

式中：

A，K——模型的參數(shù)。

（2）指數(shù)模型：

式中：

B——模型的參數(shù)。

（3）Page模型：

式中：

k，n—— 模型的參數(shù)。

為了確定康乃馨的干燥模型，對(duì)3種常用的干燥模型進(jìn)行線性化。從表達(dá)形式上看，指數(shù)模型可以看做是單項(xiàng)擴(kuò)散模型（A＝1）或Page模型（n＝1）的特殊形式。所以研究康乃馨的干燥模型時(shí)，只對(duì)單項(xiàng)擴(kuò)散模型和Page模型進(jìn)行對(duì)比［15］。

單項(xiàng)擴(kuò)散模型一次線性化后形式如下：

Page模型進(jìn)行兩次線性化后形式如下：

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別繪制－Ln（Mr）－t曲線和Ln（－Ln（Mr））－Lnt曲線，結(jié)果見圖8～10。

通過比較圖8～10可知，圖8（b）、圖9（b）、圖10（b）圖呈現(xiàn)出更好的線性關(guān)系。這說明Page模型更適合用來描述康乃馨的干燥進(jìn)程。

圖8 －Ln（Mr）－t和Ln（－Ln（Mr））－Lnt不同溫度時(shí)的曲線Figure 8 The curve of－Ln（Mr）－t and Ln（－Ln（Mr））－Lnt under different temperature

圖9 不同風(fēng)速時(shí)的 －Ln（Mr）－t和Ln（－Ln（Mr））－Lnt曲線Figure 9 The curve of－Ln（Mr）－t and Ln（－Ln（Mr））－Lnt under different wind speed

圖10 －Ln（Mr）－t和Ln（－Ln（Mr））－Lnt不同裝載量時(shí)的曲線Figure 10 The curve of－Ln（Mr）－t and Ln（－Ln（Mr））－Lnt under different loading weight

2.2.2 康乃馨干燥模型的建立 為了進(jìn)一步說明Page模型對(duì)康乃馨熱風(fēng)干燥特性的適用性，采用了SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)圖8（b）、圖9（b）、圖10（b）中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析和模型擬合的方差分析，可以得到各個(gè)條件下康乃馨的干燥模型系數(shù)及復(fù)相關(guān)系數(shù)R和F值，結(jié)果見表2。表中的復(fù)相關(guān)系數(shù)R用來表示變量之間的密切關(guān)系，R越接近1，那么表明模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合度越好，越是能很好的反映該條件下康乃馨的干燥進(jìn)程。用方差分析對(duì)回歸結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，F(xiàn)值越大，說明回歸方程的顯著性越好。

表2 Page模型擬合結(jié)果及R值Table 2 Regression analysis of Page Model

由表2可知，R值范圍在0.983～0.999，F(xiàn)值均達(dá)到顯著效果，說明所得到的回歸方程擬合程度較高，回歸結(jié)果顯著。顯然Page模型適合用來描述康乃馨熱風(fēng)干燥的干燥動(dòng)力學(xué)規(guī)律。同時(shí)，當(dāng)溫度、風(fēng)速、裝載量這3個(gè)因素中的任何一個(gè)因素改變時(shí)，k、n值都隨著變化。k值隨著溫度的升高而增大、隨風(fēng)速的增加而增大、隨著裝載量的增大而減小。n值則隨風(fēng)速的增大而減小，隨著溫度、裝載量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

2.2.3 模型的驗(yàn)證 圖11表示的是固定風(fēng)速為3.4 m／s，裝載量為3 kg／m2，溫度分別為60，70，80℃時(shí)的實(shí)測(cè)值與Page模型模擬值的結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)其預(yù)測(cè)值的最大相對(duì)誤差僅為6.7%。由此可知，各個(gè)干燥條件下建立的Page模型對(duì)康乃馨熱風(fēng)干燥數(shù)據(jù)的擬合性較好，可以用它來描述康乃馨的干燥進(jìn)程。

圖11 相同條件下實(shí)測(cè)值與模擬值的比較Figure 11 Comparison of test values and regression values under the same condition

3 結(jié)論

（1）溫度、風(fēng)速、裝載量對(duì)康乃馨的干燥特性均有顯著的影響。溫度越高，風(fēng)速越大，裝載量越小，康乃馨達(dá)到安全水分所用的時(shí)間越短。

（2）采用3種常用的干燥模型即單項(xiàng)擴(kuò)散模型、指數(shù)模型、Page模型對(duì)康乃馨薄層干燥特性進(jìn)行擬合，通過模型線性化后的回歸分析，得到Page模型較適合用來描述康乃馨的干燥進(jìn)程。

（3）采用SPSS對(duì)各條件下的干燥曲線進(jìn)行擬合，建立了各個(gè)干燥條件下的Page方程，且復(fù)相關(guān)系數(shù)范圍為0.983～0.999，F(xiàn)值均達(dá)到顯著效果。說明所得到的回歸方程擬合程度較高，回歸結(jié)果顯著。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，Page模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的最大誤差僅為6.7%，Page模型能很好的描述康乃馨的干燥動(dòng)力學(xué)規(guī)律。

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Research on hot－air drying characteristics of carnation

ZHANG Ya－jing YANG Wei

（Faculty of Modern Agriculture Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming，Yunnan650224，China）

Hot－air temperature，wind velocity and loading weight were taken as experimental factors to study the drying characteristics of carnation.Experimental results showed that all of the three factors significantly influence the drying characteristics of carnation.It was favorable to strengthen the drying process by increasing drying temperature and wind velocity.But the increase of loading weight could reduce drying rate.The experimental datum was simulated with different mathematical models.The results also showed that Page model was fitted to the hot－air drying curves of carnation.The change regulation of hot－air drying of carnation could be described and predicted very well by Page model according to the comparison of experimental and calculated values.

carnation；hot－air drying；drying characteristics；Page model

10.3969／j.issn.1003－5788.2012.01.012

張亞晶（1985－），女，昆明理工大學(xué)在讀碩士研究生。E－mail：522176470＠qq.com

楊薇

2011－11－01