賈 淞，董鐵有，鄧桂揚(yáng)，張志紅，任廣躍，楊印生

(1.河南科技大學(xué) a.農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院；b.食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.吉林大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130021)

0 引言

牡丹屬芍藥科芍藥屬牡丹組，具有很高的觀賞價值和栽培價值，是目前較重要的食品、藥用材料，受到越來越廣泛的重視。近年來，國內(nèi)外科研人員對牡丹花的營養(yǎng)、保健成分做了大量分析，發(fā)現(xiàn)牡丹花含有多種對人體有益的成分，具有較高的營養(yǎng)價值和保健作用[1-4]。但是，牡丹花花期短，花瓣含水率高，易腐敗變質(zhì)，每年有數(shù)千萬支牡丹花白白浪費(fèi)。干燥技術(shù)既可以延長花瓣的保存周期，也方便花瓣運(yùn)輸，滿足了更大范圍的需求，使牡丹種植地區(qū)的資源優(yōu)勢得以充分發(fā)揮[5]。

現(xiàn)有的牡丹花干燥工藝有熱風(fēng)干燥、冷凍干燥及微波干燥等。熱風(fēng)干燥設(shè)備占地面積大，干燥時間長，污染嚴(yán)重，加熱溫度難以精準(zhǔn)控制；冷凍干燥耗時長，能耗大，工藝要求高，不僅限制了自身的發(fā)展，且干燥成本也隨之水漲船高，不利于市場競爭[6]；微波干燥具有易于自動控制、隨時關(guān)停等優(yōu)勢，適合季節(jié)性較強(qiáng)的農(nóng)產(chǎn)品加工[7]，且微波具有殺菌功能，在儲存方面具有很大優(yōu)勢。隨著微波干燥技術(shù)的廣泛應(yīng)用，與之相結(jié)合的聯(lián)合干燥工藝、生物制取工藝也越來越多[8-11]。微波真空干燥將微波干燥技術(shù)與真空干燥技術(shù)結(jié)合，干燥速度快，生產(chǎn)效率高，尤其適用于熱敏感、高粘稠物料；缺點(diǎn)是干燥對象尺寸較小,設(shè)備昂貴，工藝要求高[12-13]。微波真空冷凍干燥將微波干燥技術(shù)與真空冷凍干燥技術(shù)結(jié)合，避免了真空冷凍干燥的加工時間過長、能耗大的問題，又兼顧了微波的殺菌功能，優(yōu)勢突出；缺點(diǎn)是干燥過程復(fù)雜、加熱不均勻、回波大，且存在輝光放電現(xiàn)象，限制了自身的發(fā)展[14-15]。

微波-電磁加熱聯(lián)合干燥不僅干燥速度快，而且能夠控制溫度上限，與微波真空干燥、微波真空冷凍干燥相比，其設(shè)備價格低、操作簡單。另外，電磁干燥目前研究較少，干燥對象多為紙張、鉬精粉等工業(yè)產(chǎn)品，鮮有農(nóng)產(chǎn)品涉及。為此，本文旨在農(nóng)產(chǎn)品的微波-電磁加熱干燥方面進(jìn)行有益的嘗試。

1 試驗(yàn)原理及方案

1.1 試驗(yàn)原理

牡丹花的干燥特性主要有以下4點(diǎn)：

1)含水量大。濕基含水率一般都在90%以上。

2)干燥階段不同，花瓣形態(tài)也有不同。干燥初期花瓣變蔫軟，易附著在干燥機(jī)壁面上；干燥至含水率小于40%時，花瓣具有一定的蓬松度和透氣性，便于水分蒸發(fā)。

3)新鮮牡丹花瓣不利于熱傳導(dǎo)加熱式干燥。新鮮牡丹花瓣自然堆積時蓬松稀疏，花瓣之間有大量空氣，傳熱性能差。

4)熱敏感，對干燥溫度控制要求嚴(yán)格。60℃可以保持色澤完好，90℃則會嚴(yán)重焦糊，無使用價值。微波干燥利用電磁波進(jìn)行輻射加熱，物料吸收微波后在物料內(nèi)部產(chǎn)生熱量，熱傳遞路徑與水分傳遞路徑一致[16]； 電磁干燥基于電磁渦流加熱原理，可以恒溫干燥，便于控制干燥溫度，保證產(chǎn)品品質(zhì)。

微波干燥具有選擇性吸收的特點(diǎn)，但干燥速度隨物料含水率的降低而降低；電磁加熱干燥只能利用熱傳導(dǎo)進(jìn)行干燥，類似牡丹花瓣這種蓬松、傳導(dǎo)率低的物料使用電磁干燥速度慢、效率低。根據(jù)牡丹花瓣的物料特性，設(shè)計(jì)出微波-電磁聯(lián)合干燥工藝：先使用微波干燥，待新鮮花瓣含水率降低至一定程度時，轉(zhuǎn)為電磁干燥。該工藝可以充分地發(fā)揮微波干燥、電磁加熱干燥各自的優(yōu)點(diǎn)，揚(yáng)長避短，從而提高干燥速度和產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2 試驗(yàn)裝置

微波干燥試驗(yàn)臺的核心設(shè)備為MY800S型微波功率源，該設(shè)備可以精確測定物料吸收的微波功率和反射功率[13]，工作頻率為(2.45±0.03)GHz；電磁干燥試驗(yàn)臺為SR-H2063D型電磁爐。

1.3 試驗(yàn)方案

對牡丹花瓣分別進(jìn)行微波干燥、電磁干燥至恒重，記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)；根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用MatLab軟件模擬出相關(guān)干燥曲線方程并進(jìn)行計(jì)算，求得微波-電磁聯(lián)合干燥的最佳時間結(jié)合點(diǎn)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證該時間點(diǎn)是否正確。

試驗(yàn)過程及步驟：在物料盤上，放置牡丹花樣品，物料盤尺寸(長×寬)為300mm×200mm；將物料盤上的牡丹花樣品分別放在微波干燥室和電磁干燥試驗(yàn)臺內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。其中，微波功率為255W和410W；電磁加熱主要以溫度為控制指標(biāo)，分別使用60℃和90℃進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3.1 微波加熱方式

本試驗(yàn)采用“矩形脈沖式”進(jìn)行微波加熱，以“加熱區(qū)間·間歇區(qū)間(即非加熱區(qū)間)”為1個循環(huán)，如此往復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中，加熱區(qū)間為1min，間歇區(qū)間控制在30s，即每個循環(huán)時間為1.5min。在間歇區(qū)間檢測物料質(zhì)量和溫度，既方便觀察牡丹花瓣的品相，又有利于檢測質(zhì)量，推算出含水率的變化。由于干燥過程中物料熱量積聚，所以每次所測溫度與上一次相比均有所上升，物料溫度呈逐步上升趨勢[12]。

1.3.2 通風(fēng)排濕方式

微波干燥中，通風(fēng)目的僅在于將蒸發(fā)釋放的水蒸氣排出干燥室。過大的風(fēng)量反而會將微波提供給物料的熱能吹走，造成浪費(fèi)，因此試驗(yàn)中采用較小風(fēng)量的通風(fēng)排濕模式[17-18]。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

受篇幅限制，從所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取11組并進(jìn)行分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖1為微波干燥試驗(yàn)(試驗(yàn)編號2)物料溫度及質(zhì)量隨干燥時間變化的曲線。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，平均脫水率為75.3%。采用105℃烘箱干燥法測得干燥后牡丹花干基含水率為4%左右[1]，符合茶葉的儲存條件[19]。

圖2為電磁加熱干燥試驗(yàn)(試驗(yàn)編號為3)物料溫度及質(zhì)量隨干燥時間變化的曲線。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，平均脫水率為75.6% ，干燥后牡丹花干基含水率為4%左右，符合茶葉的儲存條件。

圖1 微波干燥條件下的溫度及質(zhì)量變化曲線

圖2 電磁干燥溫度及質(zhì)量變化曲線

利用MatLab中的CFtool工具箱，根據(jù)微波干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合出微波干燥時花瓣的干基含水率變化曲線，如圖3所示。

圖3 微波干燥干基含水率實(shí)際值與擬合曲線

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，擬合方程為

y1=3.576×e-0.09858x-0.1706

(1)

該擬合曲線SSE(殘差平方和)=0.05283，R-square(判定系數(shù))=0.9978，Adjusted R-square(校正判定系數(shù))=0.9976，RMSE(標(biāo)準(zhǔn)差)=0.04344。Excel軟件自帶的“數(shù)據(jù)分析”中“回歸”模塊的程序計(jì)算結(jié)果表明：該擬合函數(shù)F檢驗(yàn)值為971.6，擬合函數(shù)曲線非常顯著[20]。

根據(jù)電磁干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)，電磁干燥中牡丹花瓣的干基含水率變化擬合曲線如圖4所示。

圖4 電磁干燥干基含水率實(shí)際值與擬合曲線

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，擬合方程為

y2=3.799×10-5x3-6.808×10-4x2-0.1201x+ 3.521

(2)

該擬合曲線SSE=0.04277，R-square=0.9991，AdjustedR-square=0.9991，RMSE=0.03355. Excel軟件自帶的“數(shù)據(jù)分析”中“回歸”模塊的程序計(jì)算結(jié)果表明：該擬合函數(shù)F檢驗(yàn)值為38 696.2，擬合函數(shù)曲線非常顯著。

令函數(shù)f(x)=y1-y2，對f(x)進(jìn)行一階求導(dǎo)，并使f′(x)=0，根據(jù)MatLab軟件solve程序計(jì)算，可得x=10.8， 即x=10.8為函數(shù)f(x)=y1-y2的拐點(diǎn)。取整后，即得到干燥過程中的結(jié)合點(diǎn)。

由此可得結(jié)論：理論上，在11min時將微波干燥轉(zhuǎn)為電磁干燥，可以最大限度地保證花瓣質(zhì)量下降速度；當(dāng)x=11時，y1=y2=1.038，即干基含水率為103.8%。試驗(yàn)結(jié)果表明：此時花瓣質(zhì)量為35.1g，干基含水率為99%，花瓣質(zhì)量約為初始質(zhì)量的49.2%。

根據(jù)理論推算結(jié)果，進(jìn)行微波—電磁聯(lián)合干燥試驗(yàn)，于不同的時間點(diǎn)轉(zhuǎn)換干燥方式，在滿足溫度、最終含水率的前提下，記錄干燥所需時間，以驗(yàn)證理論推算結(jié)果是否正確。

圖5為微波—電磁聯(lián)合干燥試驗(yàn)中物料溫度及質(zhì)量隨干燥時間的變化曲線。結(jié)果顯示：微波—電磁聯(lián)合干燥試驗(yàn)平均脫水率為78.3%(去除最高值與最低值后取平均值)，干燥后牡丹花干基含水率為4%左右，符合茶葉的儲存條件。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線可以看出：隨著干燥時間的增加，牡丹花瓣的質(zhì)量不斷減少；隨著矩形脈沖周期的循環(huán)，物料溫度呈鋸齒形、階梯上升趨勢，最高溫度都在60℃以下。也就是說，采用微波-電磁聯(lián)合加熱干燥法，牡丹花瓣沒有超過許用溫度上限[21]。

由表1可知：第11min(此時牡丹花瓣干基含水率為99%)將微波干燥轉(zhuǎn)為電磁加熱干燥，所需干燥時間為27min，耗時最少；將該時間節(jié)點(diǎn)提前或后推，都增加了干燥時間。

11min前為微波干燥，11min后為電磁干燥

3 結(jié)論

1)使用微波干燥牡丹花，功率為255W，耗時約35min，可將71.4g新鮮牡丹花干燥至17.2g，干基含水率從332%降至4%，產(chǎn)品質(zhì)量均勻。但是，干燥速度隨著牡丹花含水率的降低而降低，且初始功率密度為3.57W/g，加熱至干基含水率8%時，會出現(xiàn)個別花瓣焦糊現(xiàn)象；如果功率密度為5.97 W/g，則焦糊現(xiàn)象更加顯著。

2)使用電磁加熱干燥牡丹花瓣，加熱溫度60℃時，可將64.6g的新鮮牡丹花(干基含水率329%)干燥為15.7g(干基含水率4%)，但耗時超過40min。電磁加熱能夠控制溫度上限，所以牡丹花瓣品相良好，沒有出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象；使用90℃電磁加熱干燥時，花瓣焦糊現(xiàn)象十分明顯，沒有使用價值。

3)使用微波-電磁聯(lián)合干燥，可以有效地?fù)P長避短，因此將兩種加熱方式的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：在干燥初期(即新鮮花瓣含水率較高的時候)使用微波干燥，并適當(dāng)加大微波功率至5.97W，并保持該功率密度下的微波功率，可以提高干燥速度；微波干燥至干基含水率為99%，此時花瓣質(zhì)量為初始質(zhì)量50%左右，轉(zhuǎn)為60℃電磁干燥，30min之內(nèi)即可完成64.5g新鮮牡丹花瓣的干燥。試驗(yàn)結(jié)果還表明：MatLab軟件能夠根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出干燥過程中含水率變化方程，并準(zhǔn)確預(yù)測微波-電磁聯(lián)合干燥的時間拐點(diǎn)。該工藝不僅能提高干燥速度(熱風(fēng)干燥需要4h以上[22]，冷凍干燥需要20h[23]，微波-電磁聯(lián)合干燥在30min之內(nèi))，還可以控制干燥溫度，保證花瓣品質(zhì)。微波-電磁加熱聯(lián)合干燥耗時比微波干燥、電磁干燥都少，干燥效率更優(yōu)于微波真空冷凍干燥，且操作簡單。由于微波干燥、電磁加熱干燥獨(dú)立進(jìn)行，所以不存在相互干擾，便于數(shù)據(jù)分析。微波加熱、電磁加熱設(shè)備價格低、壽命長、操作簡單、干燥過程互不影響，這些優(yōu)點(diǎn)對生產(chǎn)科研都有重大意義。

4) 受試驗(yàn)條件限制，電磁加熱干燥時，60～90℃的溫度區(qū)間無法進(jìn)行試驗(yàn)，有待進(jìn)一步試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行探討。

參考文獻(xiàn)：

[1] 史國安，郭香鳳，包滿珠.不同類型牡丹花的營養(yǎng)成分及體外抗氧化活性分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006,37(8)：111-114.

[2] 高亞輝，張少文，張淑霞,等.牡丹花的成分及應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011,32(6)：93-96.

[3] 田給林.牡丹花茶的研制與開發(fā)[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013,41(10)：172-175.

[4] 李亞杰，施江，張淑玲,等.不同類型牡丹花期碳水化合物含量的變化[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012,33(3):55-58.

[5] 朱文學(xué),鐘莉娟,董鐵有.牡丹永生花干燥工藝研究[J].食品科學(xué)，2005,26(增刊)：52-57.

[6] 藍(lán)浩， 周國燕. 果蔬冷凍聯(lián)合干燥技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2013，41(2):214-217.

[7] 董鐵有，木村俊范，吉崎繁，等.平鋪載荷下微波干燥室的反射特性[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2003,34(4):71-73.

[8] 胡志超，陳有慶，謝煥雄，等. 低能微波處理對黃冠梨果心褐變及貯藏品質(zhì)的影響[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2009,31(9):6-9.

[9] 王領(lǐng)教，宋衛(wèi)東，王明友，等.微波熱泵聯(lián)合干燥機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2016, 38(12):161-167.

[10] 張雙靈，姜豪，于春娣，等.微波輔助提取荷葉中槲皮素的工藝研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2016, 38(9):173-175.

[11] 任亭，程亞嬌，游玉明，等.干燥條件對熟化竹蓀品質(zhì)的影響[J].食品與機(jī)械,2016(8):127-131.

[12] 湯大衛(wèi).微波真空干燥技術(shù)及其應(yīng)用[J].醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)雜志,2002，23(6):3-6.

[13] 王秀麗，趙龍，劉立賓，等.微熱風(fēng)、真空微波干燥紅棗豆?jié){的研究[J].食品工業(yè)科技,2014，35(16):257-259.

[14] 段續(xù)，張慜，朱文學(xué).食品微波冷凍干燥技術(shù)的研究進(jìn)展[J].化工機(jī)械,2009(3):178-184.

[15] 王海鷗.微波冷凍干燥中試設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 南京：南京工業(yè)大學(xué)，2012.

[16] 董鐵有，賈淞，鄧桂揚(yáng). 高粒度礦粉的微波干燥工藝特性研究[J].干燥技術(shù)與設(shè)備,2015, 13(4):29-34.

[17] 董鐵有，木村俊范，吉崎繁，等.Energy Efficiency in Microwave Drying of Rough and Brown Rice(微波干燥稻谷和糙米的能量效率)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2002，18(5):43-47.

[18] Tieyou Dong.Studies on the Application of Microwave Energy to Rice Drying[D].Japan：Tsukuba,University of Tsukuba ,2000.

[19] 劉純春.茶葉儲存有五忌[J].農(nóng)家顧問,2015(3):57-58.

[20] 李云雁，胡傳榮.試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理(2版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[21] 莫婷，張婉璐，李平，等.茶葉加工中品質(zhì)關(guān)鍵組分的變化與調(diào)控機(jī)制[J].中國食品學(xué)報(bào),2011，11(9):176-180.

[22] 朱文學(xué)，孫淑紅，陳鵬濤，等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的牡丹花熱風(fēng)干燥含水率預(yù)測模型[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011，42(8):128-130.

[23] 朱文學(xué)，董鐵有，張玉先，等.牡丹花真空冷凍干燥試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005，36(9):68-70.

[24] 董全，黃艾祥.食品干燥加工技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[25] 潘永康，王喜忠，劉相東.現(xiàn)代干燥技術(shù)(2版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2007.