葛根片热风干燥节能工艺条件优化研究

陈 菽，邵 伟

（三峡大学 生物与制药学院，湖北 宜昌 443001）

葛根片热风干燥节能工艺条件优化研究

陈 菽，邵 伟

（三峡大学 生物与制药学院，湖北 宜昌 443001）

为了找寻葛根片热风干燥的最佳条件，利用热风干燥箱，在不同的沸水预处理时间、切片厚度、热风温度和装料量条件下对葛根片进行干燥，获得了葛根片的干燥曲线，并分析了沸水预处理时间、切片厚度、热风温度和装料厚度对干燥效果的影响。并以含水率和单位物料能耗为指标，利用响应面分析法（RSM）对热风干燥工艺条件进行优化，得到了葛根片热风干燥工艺参数的最佳组合为沸水预处理时间32 s、切片厚度4 mm、热风温度56℃和装料量1.4 kg/m2，在此条件下，经过44 h的干燥，葛根片干基含水率为5.9%、单位物料能耗为1.88（kW·h）/kg。

葛根片；热风干燥；最佳工艺；节能

葛根（Pueraria lobota）为藤本植物葛藤的块根，茎被稀疏的棕色长硬毛，是我国南方一些省区大量种植的一种药食两用植物，其口味甘甜凉爽，常作煲汤之用。其主要成分是淀粉，此外还含有约12%的黄酮类化合物，包括大豆（黄豆）苷、大豆苷元、葛根素等10余种；并含有胡萝卜苷、氨基酸、香豆素类等[1-7]。葛根挖采后除部分鲜食及提取葛根淀粉外，其他部分须经过干燥制成葛根片才能长期存放、销售和进行后续加工。目前常用的葛根片干燥方法有热风干燥、冷冻干燥、真空干燥等，不同的干燥方法有各自的优缺点，主要表现在干燥成品的品质、营养及口感变化等方面。从能耗方面考虑，热风干燥的能耗最小，其次为真空干燥，最多的为真空冷冻干燥；而从品质和营养考虑，热风干燥的葛根片品质最差，其次为真空干燥，最好的为真空冷冻干燥[8-1]。因此，葛根加工企业多选用低温热风干燥的方法加工葛根片。干燥是葛根片初级加工中的重要环节，所得葛根片的品质直接决定葛根片产品的质量，其品质评价主要以葛根片的色泽、完整度和含水率为指标，而在实际生产中主要以含水率为指标进行控制。因此，在生产实践中规定葛根片的干基含水量只有＜10%才能达到葛根片的质量标准，以便于后期的加工储藏。由于葛根营养丰富，在葛根片存储过程中，其水分的含量对葛根片的口感、品质、外观会产生直接的影响。本试验在提出葛根片品质评价方法的基础上，进行单因素试验和响应面设计试验研究，对影响热风干燥的参数进行优化，以提高葛根片热风干燥葛根片的品质和降低干燥能耗为目标，以期为葛根片的加工生产提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鲜葛根：由湖北智慧果林业科技发展有限公司提供，实验前放入冰箱冷藏室中保存备用。

1.2 仪器与设备

DYQ838型切片机：浙江瑞安制药机械有限公司；ALC-210.4型电子天平：北京赛多利斯仪器系统公司；601型恒温水浴锅：金坛市新航仪器厂；DZF-6020型真空干燥箱：上海一恒科技有限公司；DHG-9076A型电热恒温干燥箱：上海精宏实验设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 葛根片的干燥

在葛根干燥过程中，预处理时间、干燥介质的温度、葛根片的厚度以及干燥设备中物料装料量等条件都会影响到葛根片的干燥效果。因此，在葛根片干燥时选取直径大致相同、无腐烂霉变的葛根，洗净、沥干、切片。葛根平均初始湿基含水率为84.18%（105℃烘干法测定）。先将葛根片放入沸水进行不同时间的预处理，之后沥干葛根片表面的水分，冷却至室温，将葛根片摆放在物料托盘上，然后将葛根片进行干燥，每隔一定时间测定样品含水量的变化。

1.3.2 测定与计算方法

水分含量的测定：采用直接干燥法[5-6]。

2 结果与分析

2.1 沸水预处理时间对葛根片干燥效果的影响

由于葛根切片后非常容易褐变，常采用沸水预煮以防止褐变。将经过沸水预处理30 s、60 s、90 s和120 s的葛根片，在热风温度60℃，装料量1.5 kg/m2，切片厚度4 mm的条件下进行干燥，其干燥效果见图1。

由图1可知，干燥条件一定时，沸水预处理时间长短对干燥的影响不明显。试验结果显示，120 s以内时，随着沸水预处理时间的增加，湿基含水率下降减慢，葛根片达到一定含水率的时间延长。因此，选择沸水预处理30 s作为葛根片预处理时间。

2.2 切片厚度对干燥效果的影响

在热风温度60℃，沸水预处理时间30 s，样品装料量1.5 kg/m2，切片厚度为2～5 mm时，切片厚度对葛根片干燥效果的影响结果见图2。

由图2可知，随着切片厚度的增加，干燥时间明显增加。这是因为切片厚度的增加，水份迁移距离加大，单位体积葛根片有效干燥面积减小。而切片厚度为2 mm时，葛根片收缩严重，形态不佳，易破碎。因此，从形态考虑葛根片厚度在3～4 mm较为合适。

2.3 装料量对葛根片干燥效果的影响

热风温度为60℃，沸水预处理时间为30 s，切片厚度4 mm，料盘中装料量分别为1.0～2.5 kg/m2时，其对葛根片干燥效果的影响结果见图3。

由图3可知，干燥至湿基含水率＜20%时，装料量为1.0 kg/m2葛根片所需时间为28 h，装料量增为1.5 kg/m2、2.0 kg/m2时干燥至湿基含水率＜20%时所需的时间增加至32 h左右，而装料量为2.5 kg/m2时干燥至湿基含水率为＜20%时所需的时间增加至36 h左右。因为装料量越多，热量传递和水分蒸发扩散路径越长，葛根片内部热质传递阻力大，干燥速率低，所需干燥时间就长。因此，从干燥效果和节能方面考虑葛根片装料量为1.5 kg/m2较为合适。

2.4 干燥介质温度对葛根片干燥效果的影响

沸水预处理时间30 s，切片厚度4 mm，装料量为1.0 kg/m2葛根片，不同热风干燥温度条件下的干燥效果见图4。

由图4可知，当干热风温度上升时，湿基含水率下降速度明显加快，干燥速率提高。葛根片是多孔性物料，干燥初期样品表面湿润，除去的是表面及纤维缝隙内的结合水分，其能很快从物料内部迁移到物料表面，接触热风能很快汽化从而导致干燥速率较快。随着干燥的进行，样品含水率逐渐下降，而且下降速度越来越慢，干燥后期失去的大部分是结合水，从物料内部迁移到物料表面所花的时间也随即延长。因此，提高干燥温度，能加快水分迁移的速度，从而提高干燥速率。但在较高的温度条件下干燥葛根片，其品质会受到影响。因此，在不影响葛根片品质的前提下，可选择60℃左右进行干燥。

2.5 葛根片干燥时间的确定

对沸水预处理时间30 s，切片厚度4 mm，装料量为1.0 kg/m2葛根片，进行60℃干燥，以确定葛根片干基含水量＜10%所需的干燥时间，结果见图5。

由图5可知，随着干燥进行，葛根片的含水量逐渐下降，当干燥44 h时，就可达到含水率＜10%的要求。因此，在生产上确定干燥时间为44 h。

2.6 葛根片干燥工艺条件优化

根据单因子试验的结果，结合响应面试验设计原则[15]，取对葛根片干燥效果影响较大的4个因素：沸水预处理时间（X1）、切片厚度（X2）、热风温度（X3）和装料量（X4），分别进行编码，经过44 h的干燥后，以干基含水率（Y1）、单位物料能耗（Y2）为评判指标，各因子及水平编码见表1，试验设计及结果见表2。

应用Design Expert7.0软件，对表2中的数据进行多元回归拟合，可得到沸水预处理时间（X1）、切片厚度（X2）、热风温度（X3）和装料量（X4）与干基含水率（Y1）、单位物料能耗（Y2）的二次多项回归方程：

对回归方程（Y1）进行方差分析和显著性检验：该模型回归显著（P＜0.000 1），方程的X1、X2、X3、X1X2、X1X3、X1X4、X2X3、X12、X22、X32、X42都是显著的，该模型的R2=0.948 5、RAdj2=0.888 4，说明该方程与实际情况拟和较好，能够较好反映水预处理时间（X1）、切片厚度（X2）、热风温度（X3）和装料量（X4）等4个因素与干基含水率（Y1）之间的关系。

对回归方程（Y2）进行方差分析和显著性检验：该模型回归显著（P＜0.0001），方程的X1、X2、X3、X4、X1X2、X12、X22、X32、X42都是显著的，该模型的R2=0.964 5、RAdj2=0.923 1，说明该方程与实际情况拟和良好，能够较好反映水预处理时间（X1）、切片厚度（X2）、热风温度（X3）和装料量（X4）等4个因素与单位物料能耗（Y2）之间的关系。

对回归方程求导数，当响应值Y1、Y2均有最小值时可求得各因素的值：X1=0.21、X2=-0.28、X3=0.09、X4=-0.17，经转换后，得到葛根片最佳干燥工艺条件：沸水预处理时间32 s、切片厚度4 mm、热风温度56℃和装料量1.4 kg/m2，在此条件下，经过44 h的干燥，葛根片干基含水率为5.9%、单位物料最小能耗为1.88（kW·h）/kg。

2.7 最佳工艺条件的验证

按最佳工艺条件进行验证试验，共进行3批次，其实际平均能耗为1.92（kW·h）/kg，葛根片干基平均含水率为5.8%，与预测值误差极小，说明回归方程与实际吻合较好，能够较好地反映热风干燥中葛根片干基含水率与能量消耗的内在规律。而国内采用传统烘房干燥葛根片的平均能耗约为2.27（kW·h）/kg左右（干基含水量8%），因此，采用优化生产工艺后理论上可大约节能15%左右。葛根片的含水量越低，其干燥所消耗的能量就会越多，在生产上一般是在保证葛根片安全含水量的前提下，干燥耗能最小即可。干燥过程中葛根片的含水量与干燥介质温度、葛根切片厚度、葛根的装料量等条件有关。因此，可通过寻找最优的干燥条件，以获得最小的耗能。

3 结论

试验研究了介质温度、切片厚度、装料量对葛根片干燥效果的影响，并通过响应面分析法，确定了葛根片热风干燥的最佳工艺参数：沸水预处理时间32 s、切片厚度4 mm、热风温度56℃和装料量1.4 kg/m2，在此条件下，经过44 h的干燥，葛根片干基含水率为5.9%、单位物料能耗为1.88（kW·h）/kg，可比传统烘房干燥葛根片节能15%左右。

[1]黄筑艳，赵延涛，李 焱.葛根药理及临床研究进展[J].光明中医，2007，22（6）：63-67.

[2]刘义鹃，宛晓春.葛根资源的开发与利用[J].中国林副特产，1998，45 （2）：1-3.

[3]国家药典委员会.中国药典[S].北京：中国医药科技出版社，2010.

[4]张 彤，徐莲英，陶建生，等.多指标综合评分法优选葛根提取工艺[J].中草药，2004，35（1）：38.

[5]张建夫，陈亚红，黄香丽，等.葛根与葛花解酒的功效研究[J].安徽农业科学，2009，37（35）：5-6.

[6]汪建国.葛根清爽型黄酒的开发研究[J].中国酿造，2008，27（24）：113-114.

[7]邵 伟，唐 明，熊 泽，等.生料葛根保健酒发酵参数变化规律研究[J].中国酿造，2003，22（6）：23-25.

[8]杨瑞丽，刘 斌，关文强.山药片3种不同干燥方式的比较[J].食品科技，2013，38（9）：65-67.

[9]张可喜，符 新，王祝年，等.槟榔片热风干燥工艺的研究[J].热带农业工程，2006（20）：20-23.

[10]唐 明，赵 焱，罗少华，等.切片双孢菇干燥节能技术研究[J].现代食品科技，2010，35（3）：34-36.

[11]叶 欣，黄晓兵，胡 洋，等.龙眼果肉微波干燥特性及干燥模型研究[J].食品科技，2012，37（12）：67.

[12]王 蕾.熟化葛根热风干燥模型建立及工艺参数优化研究[D].成都：四川大学硕士论文，2012.

[13]李 珂，王蒙蒙，沈晓萍，等.熟化甘薯热风干燥工艺参数优化及数学模型研究[J].食品科学，2008，9（8）：363-368.

[14]李思宁，高 颖，李 珂，等.不同品种甘薯的干燥特性及对全粉的影响[J].食品与机械，2012（1）：44-49.

[15]MONTGOMERY DC.汪仁官，陈荣昭译.实验设计与分析[M].北京：中国统计出版社，1998.

Optimization of hot air drying and energy-saving process of kudzu root slices

CHEN Shu,SHAO Wei

(College of Biological and Pharmaceutical Sciences,China Three Gorges University,Yichang 443001,China)

In order to find the optimalconditions of kudzu root hotair drying process,the effects of differentboiling water pretreatment time,slices thickness,drying temperature,and loading conditions on kudzu rootslices drying were investigated using hotair drying oven,and the kudzu rootdrying curve was obtained.Using dry base water ratio and united energy consumption as index to conductresponse surface methodology,and the hotair drying process conditions were optimized.Results showed that the optimal parameter of kudzu root hot air drying process was boiling time 32 s, slices thickness 4 mm,hot air temperature 56℃,and loading 1.4 kg/m2.Under these conditions,after 44 h drying process,the dry base water ratio was 5.9%,the minimum energy consumption was 1.88（kW·h）/kg.

kudzu rootslices;hotair drying;optimum process;energy saving

TS205.1

A

0254-5071（2015）02-0131-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2015.02.029

2015-01-26

三峡大学生物与制药学院2013年资助项目（2014HY005）

陈 菽（1970-），女，实验师，本科，主要从事生物学教学及实验室管理工作。

*通讯作者：邵 伟（1966-），男，高级实验师，硕士，主要从事微生物学教学及研究工作。