玛咖块根流化床干燥特性及动力学研究

材料与方法

1.1  材料

1.1.1  试验材料   冰鲜玛咖块根：由中国林业科学院资源昆虫研究所滇中高原试验站提供。鲜样的平均含水率为73.94%（湿基），挑选大小均匀、无病虫害的玛咖于保鲜袋中，冷藏于冰箱备用。

1.1.2  仪器与设备   TG200型快速干燥仪德国Retsch公司;BCD-539WT冰箱青岛海尔股份有限公司;AB204-S精密型电子天平、HR83-P型快速卤素水分测定仪Mettler Toledo中国有限公司;TY742X2A纯水机美国Barnstead公司;HAW-3000电子天平，恒协电子（厦门）有限公司产品;HLC-300型多功能切菜机安徽华菱西厨装备股份有限公司。

1.2  方法

1.2.1  玛咖块根流化床干燥工艺   从-5 ℃冰箱取出的鲜玛咖块根，自然解冻20 min后，用中药切片机低温均匀切丁，放置于4 ℃冰箱恒温2 h备用，取样品1 g约用快速卤素水分测定仪测定其初始含水率。干燥试验中每份称取样品（200±0.5）g，置于快速干燥仪容器内均匀平铺（环境温度19 ℃，湿度50%），按试验设计要求设置好参数，启动机器，每隔5 min将物料从干燥容器内取出，称重，记录物料的重量变化并根据初始含水率计算物料的含水率变化。根据中华人民共和国卫生部对玛咖粉新资源食品的说明，当物料湿基含水率降低到10%左右为干燥终点，记录最终干燥时间。流化床干燥试验在相同条件下进行3次平行测定，取平均值。

进气温度对玛咖块根失水特性的影响。在物料粒径为3 mm，空气流量为140 m3/h时，以进气温度分别为50、60、70、80、90 ℃对玛咖块根进行干燥处理，考察不同进气温度对玛咖块根失水特性的影响。

空气流量对玛咖块根失水特性的影响。在物料粒径为3 mm，进气温度为70 ℃时，以空气流量分别为100、120、140、160、180 m3/h对玛咖块根进行干燥处理，考察不同空气流量对玛咖块根失水特性的影响。

物料粒径对玛咖块根失水特性的影响。在进气温度为70 ℃，空气流量为140 m3/h时，以物料粒径分别为2、3、4、5、6 mm对玛咖块根进行干燥处理，考察不同物料粒径对玛咖块根失水特性的影响。

1.2.2  流化床干燥的动力学模型   干燥模型。目前，一般农产品流化床干燥过程可用3种数学模型来描述[19-21]：单项扩散模型：MR=Aexp（-kt）、指数模型：MR=exp（-kt）以及Page模型：MR=exp（-ktN），利用干燥实验所得的数据对其进行验证。

其中，试样的水分比（MR）=（Mt-Me）/（M0-Me），式中：t为干燥时间（min）;Mt为t 时刻样品的干基含水率（%）;Me为样品的干基平衡含水率（%）;M0为样品干基初始含水率（%）;A、k、n为待定系数。由于流化床干燥干基平衡含水率资料很少，物料的Me值也很难通过相关实验数据获得，同时Me的值相对于Mt和M0来说较小，可忽略不计，因此把上述的水分比（MR）简化为：MR=Mt/M0 模型的线性化。指数模型是单项扩散模型和Page模型的特殊形式，所以用单项扩散模型和Page模型来模拟玛咖块根的流化床干燥过程[22]。因此，将上述模型可转化为2种线性模型：

即单项扩散模型：lnMR=lnA-kt以及Page模型：ln（-lnMR）=lnk+Nlnt

1.3  数据处理与分析

利用Origin8.0软件进行绘图，MATLAB软件以及SPSS13.0软件对玛咖块根流化床干燥试验数据进行处理及回归拟合。

2  结果与分析

2.1  进气温度、空气流量、物料粒径对玛咖块根流化床干燥特性的影响

2.1.1  单因素进气温度（℃）对玛咖块根失水特性的影响   流化床干燥温度对玛咖块根失水特性的影响详见图1。由图1-A可见，随着进气温度的升高，玛咖块根的干燥曲线斜率逐渐增大，这一阶段为加速干燥阶段，说明进气温度越高，干燥速率越快，干燥至安全含水率所需的时间也越短;在干燥后期，曲线变得平缓，此阶段为降速干燥阶段，说明流化床干燥脱水难度增加。从图1-B曲线形状上可以看出，不同温度处理的初始阶段，玛咖块根失水速率有一个快速上升过程，然后是不断递减的过程，玛咖块根流化床干燥中间无明显的恒速干燥阶段，到干燥的后期，可看出失水速率变得小而平缓。一般来说，传统热风干燥一般会具有三个阶段，即加速干燥、恒速干燥和降速干燥阶段，因此，进气温度表现方面，流化床干燥阶段过程与传统热风干燥过程不太一致。

2.1.2  单因素空气流量（m3/h）对干燥特性的影响    空气流量对玛咖块根中芥子油苷含量及饱和度值干基含水率及失水速率的影响见图2，由图2-A可知，随着空气流量的增加，玛咖块根的干燥曲线也越陡，在干燥后期，曲线变得平缓，除了空气流量为100 m3/h的曲线距离较远之外，其他区曲线间距没有进气温度单因素表现明显，同时空气流量所对应的干燥时间也没有进气温度显著，最长干燥时间为75 min，即达到了样品干燥终点。从图2-B可见，增加热空气的流量，物料干燥速率会加快，但空气流量达到一定数值后，玛咖块根干燥速率加速并不明显，并反而会不断造成过多能耗损失。

2.1.3  单因素物料粒径（mm）对干燥特性的影响   物料粒径对玛咖块根干基含水率及失水速率的影响详见图3，由图3-A可知，物料粒径越小，物料含水率下降越快，这是由于粒径越小，物料比表面积越大，同时水分从样品内迁移的距离也越短，这越有利于水分的扩散，因此干燥到安全水分的时间明显缩短。例如物料粒径为2 mm时，干燥到安全水分的时间是60 min，而物料粒径为6 mm时，干燥时间增加到100 min。从图3-B可以看出，物料粒径越小，物料的干燥速率也越快，但随着干燥时间的延长，物料进入降速干燥阶段后，物料粒径小的干燥速率的优势也并不十分明显。

2.2  玛咖块根流化床干燥动力学模型的拟合

2.2.1  动力学模型的确定   农产品的干燥是一个复杂的传热、传质过程，建立玛咖块根流化床干燥模型，对研究玛咖块根干燥规律、预测干燥工艺参数有重要的作用。为确定玛咖流化床干燥动力学模型，根据实验数据分别绘制不同进气温度、空气流量、物料粒径下的单项扩散模型（-lnMR-t）曲线和Page模型[ln（-lnMR）-lnt]曲线，结果如图4、5所示。

从图4中3张图（4-A、 4-B、 4-C）可看出，单项扩散模型各因素条件下每条曲线在各点处的斜率变化很大，这说明-lnMR与时间t呈非线性关系，单项扩散模型以及指数模型均不适合流化床干燥玛咖块根模型的建立。由图5（5-A、5-B、5-C）可以看出，ln（-lnMR）与lnt线性关系较明显，表明用Page方程可以描述玛咖的流化床干燥过程。在不同进气温度、不同空气流速和不同物料粒径下的 ln（-lnMR）与lnt关系曲线基本平行且相互间存在较明显间距，说明进气温度、空气流速和物料粒径对干燥模型影响显著。蒋玉萍等[23]通过研究微波干燥番薯片的结果与此类似。因此，选择Page模型作为玛咖块根流化床干燥的动力学模型具有可行性。令：

lnk=a+bT+cV+dL

N=e+fT+gV+hL

则有：ln（-lnMR）=a+bT+cV+dL+（e+fT+gV+hL）lnt                                           式中：T为进气温度（℃）;V为空气流量（m3/h）;L为物料粒径（mm）;a、b、c、d、e、f、g、h为待定系数。用MATLAB软件进行数据处理，可求得玛咖块根流化床干燥的各待定系数，进而求得其动力学模型为：ln（-lnMR）=-6.499+0.014 3T+0.015 4V+0.708L+（1.556-0.001 46T-0.003 11V-0.185L）lnt

2.2.2  模型的统计检验   为检验模型拟合效果，用SPSS13.0软件对上述模型进行统计检验，检验结果见表1。从表1可知，模型方差分析中，F=553.34（P值<0.000 1），表明模型极显著;模型决定系数R2=0.980 1，拟合效果好。因此，可将该模型作为玛咖块根流化床干燥的数学模型，利用该模型可较准确地预测在不同干燥条件下，玛咖块根流化床干燥过程中湿基含水率和干燥速率的变化[24]。

2.2.3  动力学模型的验证   为进一步验证模型的准确性，任选一组实验进行验证，实验条件为：进气温度70 ℃，空气流速140 m3/h，物料粒径为3 mm。将该组实验值与模型预测值比较，结果见图6。由图可知，两条曲线基本吻合，说明Page方程能较准确反映流化床干燥玛咖过程中块根水分的变化规律，并能通过方程预测物料的含水率情况，因此，该模型可以用来描述玛咖流化床干燥的过程。

3  讨论与结论

课题组前期研究过程中，比较了热风干燥、真空冷冻干燥以及流化床干燥对玛咖品质的影响[18]，3种干燥方法中，热风干燥的处理量大，设备投入小，操作简便，但玛咖块根干燥后的品质不高，功效成分芥子油苷的保留含量较低，外观色泽及复水性均较差;真空冷冻干燥的玛咖块根品质最好，芥子油苷的保留含量最高，外观色泽及复水品质也较好，但设备成本高，干燥时间长，一次性投入及运行费用高，且工艺操作相对较复杂，降低了经济效益;3种方法中以流化床干燥玛咖块根时间最短，能量利用率最高，且外观色泽和复水性能也较佳，同时，经流化床干燥后，测得干燥产品功能性成分：芥子油苷保留率达到86.34%。虽然采用微波-真空联合干燥时间仅为18 min，但是设备投资大，能耗高，且产品外观品质较差[5]。因此，将流化床干燥应用于玛咖块根的快速干燥具有较明显的优势。

张弘等[4-5]研究发现玛咖的热风干燥以及真空干燥过程主要为降速过程，且干燥曲线方程均为二阶多项式Wang and Sing模型;而微波-真空干燥玛咖块根有较为明显的初期加速、中期恒速干燥和后期降速干燥等三阶段，且关键控制阶段为后期降速干燥阶段[5]。而流化床干燥条件处理的初始阶段不同，玛咖块根的失水速率均有一个快速上升过程，然后是不断递减的过程，中间恒速干燥阶段不明显;而到干燥后期，失水速率降低、曲线变得平缓。利用MATLAB软件对玛咖块根流化床干燥过程进行了回归分析，验证了3种比较常见的干燥模型，经拟合得到玛咖块根流化床干燥的最佳模型为Page模型，拟合方程为：ln（-lnMR）=-6.499+0.014 3T+0.015 4V+0.708L+（1.556-0.001 46T-0.003 11V-0.185L）lnt，利用上述实验结果，能够较好地预测各阶段玛咖块根流化床干燥的失水速率和含水率变化，为玛咖块根流化床干燥工艺提供了理论依据。

参考文献

[1] 金闻文. 药食两用植物玛咖（Lepidium meyenii）的功效物质研究[D]. 武汉： 华中科技大学， 2006.

[2] Yabar E， Pedreschi R， Chirinos R， et al. Glucosinolate content and myrosinase activity evolution in three maca（Lepidium meyenii Walp.）ecotypes during preharvest， harvest and post-harvest drying[J]. Food Chemistry， 2011， 127（4）： 1 576-1 583.

[3] 甘  瑾， 冯  颖， 张  弘， 等. 3种色型玛咖芥子油苷组分及含量分析[J]. 中国农业科学， 2012， 45（7）： 1 365-1 371.

[4] 张  弘， 郑  华， 于连松， 等. 玛咖真空干燥特性及工艺参数优化[J]. 农业工程学报， 2012， 28（25）： 267-272.

[5] 张  弘， 于连松， 郑  华， 等. 秘鲁参微波-真空干燥特性及工艺优化[J]. 化工进展， 2011， 30（S1）： 15-20.

[6] 张绪坤， 毛志怀， 李华栋， 等. 热泵流化床组合干燥胡萝卜的试验[J]. 农业机械学报， 2006， 37（3）： 68-71.

[7] 金丽梅， 潘志强， 孙旭蕊， 等. 流化床干燥甘蓝的研究[J]. 食品研究与开发， 2010， 31（12）： 59-62.

[8] 尹磊昌， 王相友， 杨  文， 等. 玉米脉动流化干燥数学模型的建立与验证[J]. 农业工程学报， 2007， 23（10）： 251-255.

[9] Bobic Z， Bauman I， Curic D. Rehydration ratio of fluid bed-dried vegetables[J]. Sadhana， 2002， 27（3）： 365-374.

[10] Hakan O M， Can E. Thin layer drying model for treated and untreated Stanley plums[J]. Energy Conversion and Management， 2006， 47（15-16）： 2 337-2 348.

[11] 黄小丽， 杨  薇. 脉冲电场预处理胡萝卜片微波干燥试验[J]. 农业工程学报， 2010， 26（2）： 325-330.

[12] Balasubramanian S， Sharma R， Gupta R K， et al. Validation of drying models and rehydration characteristics of betel（Piper betel L.）leaves[J]. Journal of food science and technology， 2011， 48（6）： 685-691.

[13] 诸爱士， 夏  凯. 瓠瓜薄层热风干燥动力学研究[J]. 农业工程学报， 2011， 27（1）： 365-369.

[14] Sacilik K， Elicin A K. The thin layer drying characteristics of organic apple slices[J]. Journal of food engineering， 2006， 73（3）： 281-289.

[15] 魏  来， 初  众， 宗  迎， 等. 白胡椒微波干燥特性及数学模型研究[J]. 热带作物学报， 2013， 34（5）： 984-988.

[16] 杨  历， 王永刚. 流化床谷物干燥模型的研究[J]. 河北工业大学学报， 2004， 33（1）： 66-69.

[17] 杨福进. 流化床干燥大豆的模拟研究[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2006： 7-16.

[18] Tu X H， Zheng H， Zhang H， et al. Experimental Study on Fluidized Bed Drying Process of Maca（Lepidium meyenii Walp.）Tuber[J]. Journal of Chemical and Pharmaceutical Research， 2014， 6（4）： 1 185-1 193.

[19] 张建军， 王海霞， 马永昌， 等. 辣椒热风干燥特性的研究[J]. 农业工程学报， 2008， 24（3）： 298-301.

[20] 张喜梅， 吴雪辉， 李昌宝， 等. 油茶籽的热风干燥特性及数学描述[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）， 2010， 38（8）： 116-120.

[21] 赵  超， 陈  建， 邱  兵， 等. 花椒微波干燥特性试验[J]. 农业机械学报， 2007， 38（3）： 99-101.

[22] 张黎骅， 张  文， 吕珍珍， 等. 酒糟微波间歇干燥特性及动力学模型[J]. 食品科学， 2012， 33（1）： 87-91.

[23] 蒋玉萍， 王  俊. 番薯片微波干燥特性及干燥模型[J]. 浙江农业学报， 2009， 21（4）： 407-410.

[24] 李文峰， 肖旭霖， 王  玮， 等. 紫薯气体射流冲击干燥效率及干燥模型的建立[J]. 中国农业科学， 2013， 46（2）： 356-366.