热风微波耦合干燥牛蒡动力学模型研究

卫灵君，宋飞虎*，周洪梅，李臻峰，李 静（江南大学机械工程学院，江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡214122）

热风微波耦合干燥牛蒡动力学模型研究

卫灵君，宋飞虎*，周洪梅，李臻峰，李 静
（江南大学机械工程学院，江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡214122）

热风微波耦合干燥可以很好地保护干后物料的品质，并且减少物料的干燥时间。利用Newton、Henderson and Pabis、Lagarithmic、Page、Wang and Singh等5种干燥模型方程，对热风微波耦合干燥过程中牛蒡含水率随时间的动态变化进行模拟，并通过试验对各模拟结果进行验证。结果表明，Lagarithmic方程模拟的结果与实际含水率变化较为接近。

微波热风耦合干燥；牛蒡；动力学模型；Lagarithmic方程

牛蒡（Arctium lappa L.），菊科2年生草本植物，又称大力子、蒡翁菜，主要分布于西欧、克什米尔及北美洲等地区，在我国，牛蒡种植主要分布于台湾、江苏、山东、河南等省份。新鲜牛蒡中含有大量蛋白质、脂肪、碳水化合物、胡萝卜素和人体所需的多种维生素、矿物质元素等［1］，具有降血压、解毒清热、增强免疫力等功效［2］。但是，新鲜牛蒡在储藏过程中易产生纤维化和褐变［3］，严重影响牛蒡的口感和品质，因此，一般都会对新鲜牛蒡切片后进行干燥，以期最大限度地保留牛蒡中的营养物质。热风和微波组合干燥技术分为2种：第一种是采用热风和微波分段进行干燥；第二种则是采用热风和微波同时进行干燥，即热风微波耦合干燥，干燥过程中热风及时带走物料表面的水分，在保证品质的同时，提高了干燥速率。王慧慧等［4］研究了牛蒡真空干燥的特性，确定了以牛蒡缩水率为指标的最优真空干燥参数。石启龙等［5］采用先热风后微波的方式研究了牛蒡的干燥特性，并确定了热风微波联合干燥的最佳工艺组合及参数。纪飞等［6］研究了热风微波耦合干燥牛蒡的最优工艺，在采用热风微波耦合干燥的同时，对牛蒡的内部温度进行控制和记录，保证了干燥过程中牛蒡内部温度不会急剧升高，以免影响物料品质。

热风微波耦合干燥系统为小型实验室使用的设备。但若要将其推广到工业化应用，从物料质量的在线测量来看显然是不现实的。首先，如果对物料的质量进行在线测量，干燥过程中微波产生的电磁场对称量传感器会造成一定干扰，设备的精度难以保证；再者，工业化旨在干燥大量的物料，若要实现物料质量的在线测量，测量设备将会十分复杂，造价也会十分昂贵，势必耗费巨大的人力和物力，增加了干燥的成本，降低了经济效益［7］。如果可以建立热风微波耦合干燥过程中可靠的物料含水率模型，就可以获得干燥过程任意时刻物料的含水率，从而方便地对干燥过程进行控制，节省干燥成本。为此，本试验在先前研究的基础上，研究热风微波耦合干燥牛蒡过程的动力学模型，以期为牛蒡干燥提供理论依据与参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

新鲜牛蒡，采购于徐州益顺康牛蒡种植基地，直径10～20 mm，无空心、腐烂等现象，清洗去须后置于1℃冰箱储藏备用［8］。

1.2 试验设备

微波热风耦合干燥设备，实验室自制，详细结构和工作原理见文献［6］；迷你电子秤，永康市艾瑞贸易有限公司。

1.3 试验设计

选取无空心、腐烂的新鲜牛蒡，去皮后切为6 mm厚的片状备用，用电子秤称取30 g，放入热风微波耦合干燥系统进行干燥。物料内部温度取3个水平，分别为55、65、75℃；热风温度取4个水平，分别设定为30、40、50、60℃（表1）。当牛蒡含水率下降到15%（湿基）时停止干燥。为保证数据准确性，每组试验重复3次，取平均值。

用于薄层物料的干燥模型一般有下列5种［9］，为了方便计算，对模型进行线性化处理，具体如表2所示。

表2中，水分比MR=（Mt-Me）/（M0-Me）；Mt为t时刻物料的含水率（干基，下同）；Me为物料的平衡含水率；M0为物料的初始含水率；t为干燥时间，min；a、k、c、n为待定系数。由于平衡含水率Me相比于Mt和M0较小，故实际计算时可以忽略不计［10］，水分比可以简化成 MR= Mt/M0。

2 结果与分析

2.1干燥模型的拟合

表2列出的干燥模型中，1～4号模型的ln［-ln（MR）］和lnt为线性关系，lnMR和t也为线性关系，所以，为了减少建模工作量，先验证它们之间的相关性。根据试验数据，分别以干燥时间lnt和t为横坐标，ln［-ln（MR）］和ln（MR）为纵坐标，绘制不同物料内部温度和热风温度的曲线，结果如图1、图2所示。

表1 干燥模型试验设计Table 1 Test design of drying model

表2 薄层物料常用干燥模型Table 2 Commonly used drying model for thin layer materials

从图1、图2可以看出，ln［-ln（MR）］和lnt不呈线性关系，ln（MR）和t呈线性关系，因此，Page方程不适合描述基于温度控制的热风微波耦合干燥牛蒡的失水规律。为了确定牛蒡干燥的最佳模型，采用SPSS 20.0对试验数据进行回归分析，结果见表3。

图1 不同物料内部温度与热风温度下ln［-ln（MR）］和lnt折线图Fig.1 Scatter plot of ln［-ln（MR）］and lnt at different hot air temperatures and interior temperatures

图2 不同物料内部温度与热风温度下ln（MR）和t折线图Fig.2 Scatter plot of ln（MR）and t at different hot air temperatures and interior temperatures

从表3可以看出，Newton方程、Henderson and Pabis方程以及Lagarithmic方程的拟合优度R2均在0.96以上，理论上来说，都可以作为分析牛蒡热风微波耦合干燥过程含水率变化的模型。但是，Lagarithmic方程的拟合优度明显高于其他2种方程，据此选择Lagarithmic方程用于对牛蒡热风微波耦合干燥过程中的含水率进行模拟分析。

2.2干燥模型的求解与验证

采用SPSS 20.0对试验数据基于Lagarithmic方程进行多元非线性逐步回归分析，求解参数k、a、c与物料内部温度（T1）和热风温度（T2）的关系，具体如下：

表3 Newton方程拟合结果及分析Table 3 Fitting results and analysis of Newton equation

将上式代入到Lagarithmic方程中，得到：

选择物料内部温度为65℃和75℃、热风温度为50℃对模型进行验证，结果如图3所示，试验值和模拟值较为吻合（R2分别为0.997和0.998），说明所建立的动力学模型可以模拟热风微波干燥牛蒡过程中的水分变化规律。

3 结论

本研究选择5种干燥模型对热风微波耦合干燥牛蒡的含水率变化进行模拟，并通过试验对模型进行验证。结果表明，Lagarithmic模型可以较好地模拟干燥过程牛蒡含水率的变化。

图3 热风温度50℃时试验值与模拟值比较Fig.3 Comparison of experimental values and simulation values at 50℃ hot air temperature

（References）：

［1］ 肖玫，毛建虹.牛蒡子在食品工业中应用及其开发前景［J］.农业开发与装备，2008（6）：27-30.XIAO M，MAO J H.The application of the burdock in the food industry and its development prospects［J］.Agricultural Development and Equipments，2008（6）：27-30.（in Chinese with English abstract）

［2］ 蒋淑敏.牛蒡化学成分和药理作用的研究现状［J］.时珍国医国药，2001（10）：941-942. JIANG S M.Research advances on chemical components and pharmacological action of burdock［J］.Lishizhen Medicine and Materia Medica Research，2001（10）：941-942.（in Chinese）

［3］ 冯岩岩.鲜切牛蒡褐变控制技术的研究［D］.泰安：山东农业大学，2013. FENG Y Y.Studies on the techniques to inhibit the browning of fresh-cut burdocks［D］.Tai'an：Shandong Agricultural University，2013.（in Chinese with English abstract）

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［6］ 纪飞，李臻峰，李静，等.基于温度控制的牛蒡微波热风耦合干燥研究［J］.食品工业科技，2015，36（20）：284 -288. JI F，LI Z F，LI J，et al.Research on characteristics of combined microwave-hot air drying of burdock based on temperature control［J］.Science and Technology of Food Industry，2015，36（20）：284-288.（in Chinese with English abstract）

［7］ LI Z，RAGHAVAN G S V，ORSAT V.Temperature and power control in microwave drying［J］.Journal of Food Engineering，2010，97（4）：478-483.

［8］ 王静，徐为民，诸永志，等.贮藏温度对鲜切牛蒡褐变的影响［J］.江苏农业学报，2008，24（4）：492-496. WANG J，XU W M，ZHU Y Z，et al.Effects of storage temperature on browning of fresh-cut burdock（Arctium lappa L.）［J］.Jiangsu Journal of Agricultural Sciences，2008，24（4）：492-496.（in Chinese with English abstract）

［9］ 张黎骅，刘波，刘涛涛，等.银杏果微波间歇干燥特性及动力学模型研究［J］.食品工业科技，2013，34（18）：127 -131. ZHANG L H，LIU B，ZHANG T T，et al.Research of intermittent microwave drying properties and kinetic model of ginkgo fruit［J］.Science and Technology of Food Industry，2013，34（18）：127-131.（in Chinese with English abstract）

［10］ 吕为乔，韩清华，李树君，等.微波干燥姜片模型建立与去水机理分析［J］.农业机械学报，2015，46（4）：233 -237. LYU W Q，HAN Q H，LI S J，et al.Analysis of microwave drying model and water removing mechanism of ginger slices ［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2015，46（4）：233-237.（in Chinese with English abstract）

（责任编辑 高 峻）

Study on dynamic model of coupled hot air and microwave drying of burdock

WEI Ling-jun，SONG Fei-hu*，ZHOU Hong-mei，LI Zhen-feng，LI Jing
（Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology，School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

With microwave-hot air combined drying，high product quality and short drying period can be achieved. In the present study，5 kinetic models based on Newton，Henderson and Pabis，Lagarithmic，Page，Wang and Singh equations，respectively，were built with the drying curves of burdock.Experiments were carried out to verify the effect of the built models.It was shown that the model based on Lagarithmic equation was the most suitable one for predicting the dynamic of the moisture content during microwave-hot air combined drying.

microwave-hot air combined drying；burdock；kinetic model；Lagarithmic equation

TS234.3

A

1004-1524（2016）08-1416-05

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.08.21

2015-12-10

国家自然科学基金资助项目（51406068）

卫灵君（1987—），女，江苏无锡人，博士，副教授，主要从事食品微波干燥研究。E-mail：490770586@qq.com
*

，宋飞虎，E-mail：352151043@qq.com