蔓三七叶热泵-热风联合干燥特征与模型化研究

胡居吾

（江西省科学院应用化学研究所，江西南昌 330096）

蔓三七，又名平卧菊三七、蛇接骨、续命草、神仙草，味辛、微苦、性凉，为多年生草本药食两用植物。蔓三七的茎和叶营养丰富，富含粗多糖和绿原酸，同时还含有维生素A、维生素C、氨基酸，富含有机钙等成分。民间利用其通经活络，消肿止痛，消炎止咳，治疗跌打损伤、支气管肺炎、肺结核等。现代生物化学和医学研究证明，蔓三七具有通经活络、消炎止咳、散淤消肿、活血生肌等功效[1]，能延缓衰老、激活免疫细胞、改善机体免疫功能、提高人体免疫力，增强人体的新陈代谢并对记忆障碍有一定改善作用[2]；具有降血压、降血糖和预防慢性肾病、抑制乙型肝炎的显著效果[3]；对预防和治疗心脑血管疾病、糖尿病等有一定的疗效[4]；还具有抗病毒、抗菌活性、抑制骨髓癌和志贺样毒素细胞的活性[5]。可广泛应用于食品医药工业、日用化工等领域，是一种极具潜力和高经济价值的药食两用植物。

蔓三七叶在利用过程中，往往需要对其进行干燥处理，干燥方法及工艺参数对干燥后产品的质量有着较大影响。热风干燥是目前最常用干燥方法之一，具有干燥速率快、热效率高、设备投资费用低等优点以及品质较差、外观差等缺点；热泵干燥是近年来发展起来的一种高能效、实用性强的新干燥技术[6]，主要应用于果蔬脱水、木材的干燥以及生物化工制品干燥等领域。热泵干燥的原理是将干燥室排出的湿度高、温度低的空气经热泵设备除湿后，成为湿度小、温度适中的空气作为干燥气源又进入干燥装置的干燥室内，对物品进行干燥，最终使物料达到干燥为止。但是，热泵干燥存在着耗时长的缺点，且干燥果蔬等物料时，容易导致产品微生物超标，并存在单位能耗高等缺陷，使得热泵干燥技术难以广泛推广运用。

本研究应用自主研制的热泵-热风联合干燥技术对蔓三七鲜叶进行干燥，结合了热风干燥速率快的特点和热泵干燥产品质量高、品质好等优势，建立了封闭式热泵-热风联合干燥穿流床装置[7]。干燥前期阶段采用低温热泵干燥技术，干燥后期阶段采用短时热风干燥技术相结合的联合干燥方式对蔓三七鲜叶进行干燥，研究了干燥装置内热气流动速度、热气温度这2个因素对干燥产品的品质和干燥时间的影响，并对干燥过程特征进行了研究和数学模拟，建立了蔓三七叶干燥的相关数学模型。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

新鲜蔓三七叶，无腐烂，由江西华紫仁农业开发有限公司提供。

METTLER-TOLEDO AL104电子天平，瑞士梅特勒-托利多公司；封闭式热泵-热风联合干燥装置，由江西省科学院应用化学研究所自主研制，主要包括穿流箱式干燥器、热泵系统、离心风机、电阻丝加热器、温湿度传感器和称重系统，装置示意图如图1所示[7]。

1.2 实验方法

新鲜蔓三七叶经过精选，去除杂质，平铺在托盘底为筛网结构的穿流干燥托盘上，装载，蔓三七叶的重量为2 kg/m2左右。干燥过程中每隔30 min取样，对蔓三七叶进行称重，直到蔓三七叶中的含湿量（Xe）为10%结束干燥。

图1 闭路式热泵-热风联合干燥装置

2 结果与分析

2.1 热泵干燥过程特征研究

2.1.1 热风温度对干燥过程的影响

实验所设计低温热泵材质采用R22，在该热泵系统条件下，设定穿流风速为2 m/s，研究了进干燥室热风温度分别为30 ℃、40 ℃时，热泵干燥对蔓三七叶的干燥曲线和速率曲线的影响。

图2结果表明，在不同的热风温度时，所得到的干燥曲线不同。随着热风温度的升高，干基含湿量下降趋势明显加快，蔓三七叶达到同一含湿量所需干燥时间缩小，总干燥时间不超过6 h。

图2 蔓三七叶在不同风温下的干燥曲线

蔓三七叶热泵干燥速率曲线如图3所示，热风温度与物料的干燥速率有着密切关系。随着热风温度的升高，蔓三七叶中的水分蒸发所需的热量会随着增大，物料中的水分蒸发速率加快，因而干燥所需的时间减少。如图3所示，在高湿度范围区内（湿基含湿量为95%～80%），物料的干燥速率处于较大的恒速干燥过程；随着干燥的进一步深入，物料的干燥速率处于降速过程（湿基含湿量为80%～55%）；最后物料的干燥进入干燥后期（湿基含湿量为55%～10%），此时物料的干燥速率又处于数值变化较不明显、近似恒速的干燥过程。

图3 蔓三七叶在不同风温下的干燥速率曲线

2.1.2 风速对热泵干燥过程的影响

在热泵系统允许风速下，干燥室热风温度设定为40 ℃，分别研究了穿流风速为1.0 m/s、2.0 m/s、3.0 m/s时，热泵干燥蔓三七叶的干燥曲线和干燥速率曲线。

从图4中可以看出，在同一热风温度（40 ℃）下，随着穿流风速的不同，干燥曲线在数值的大小上略有差别，但3条曲线形态呈现出较好的相似性，并呈现出较好的指数模型特征。

图4 蔓三七叶在不同风速下的干燥曲线

干燥速率曲线如图5所示，在干燥初期阶段（湿基含湿量为95%～80%），热风速度对干燥速率影响显著，风速为3.0 m/s、1.0 m/s时，干燥速率分别达到5.41 kg/(kg·h)和3.80 kg/(kg·h)。随着干燥的进一步深入，3条干燥速率曲线在物料湿基含湿量为40%～10%，近似重叠在一起，速率衰减趋势几乎相同，这表明了物料在干燥中后期，热风速度对物料的干燥速率影响较小。

图5 蔓三七叶在不同风速下的干燥速率曲线

上述低温热泵对蔓三七叶的干燥实验表明，热泵干燥速率受温度影响较大，风速对干燥的初期阶段（湿基含湿量为95%～80%）有一定影响，对物料干燥的中后期影响不明显。

2.2 低温热泵-热风联合干燥过程特征研究

2.2.1 低温热泵-热风联合干燥过程实验特征研究

上述研究表明，采用低温热泵对蔓三七叶进行干燥的过程中，干燥后期时物料的干燥速率变化不再明显，去除物料中剩余部分水分需要消耗大量热源和时间，不仅降低了生产效率，还会影响到物料的色泽和其中的活性物质。为了克服这一瓶颈，本研究在干燥后期采用了耗时短的高温热风干燥工艺。

干燥前期采用低温热泵干燥，具体参数设定为空气温度T=30 ℃、物料穿流风速u=3 m/s）；在水分比达到1左右时，再采用较高温度的热风，具体参数设定为空气温度T=70 ℃、物料穿流风速u=3 m/s、空气相对湿度RH=60%，进行短时干燥。研究了低温热泵-热风联合干燥过程特征。

从图6可以看出，低温热泵-热风联合干燥过程是低温热泵干燥和热风干燥的有机结合过程，干燥曲线所表现出热泵干燥和热风干燥的共同特征，该联合干燥过程显著缩短了干燥时间，干燥所需的时间为4.5 h。

联合干燥过程的前期低温热泵干燥阶段的干燥速率[5.6 kg/(kg·h)]相对于热风干燥速率较小，该干燥过程较温和，低温脱水环境既可防止蔓三七叶表面开裂，又可以避免蔓三七叶的绿原酸等活性物质受到热破坏。干燥中后期采用短时高温热风干燥后，干燥速率又迅速增大，这是因为高温有利于蔓三七叶内部水分迅速升温和蒸发，蔓三七叶的内部水汽压增大，内部水分向表面扩散加快，提高了干燥速率；同时，干燥时间短有利于降低绿原酸等有效成分的破坏率。因此，低温热泵-热风联合干燥技术具有干燥时间短、显著减少物料中有效成分的热破坏等优点，从而提高了干燥产品品质。

图6 蔓三七叶3种干燥方法干燥曲线比较

2.2.2 热泵-热风联合干燥过程模型拟合

新鲜的蔓三七叶采用低温热泵-热风联合干燥技术过程中，干燥前阶段采用的热泵干燥技术，是热泵产生的温度低、湿度小的热空气与新鲜蔓三七叶表面相接触，使得蔓三七叶表面的水气向低湿空气中传递，蔓三七叶内部水分同时向叶表面扩散的过程。热泵干燥过程是在物料（蔓三七叶）高湿度区间进行，物料的表面水分扩散为热泵干燥过程的主要控制因素，该过程可以通过单项指数模型（式1）进行拟合[8]。干燥后期采用的是短时、高温热风干燥，在此阶段蔓三七叶具有较低的湿含量，可以借鉴Page方程（式2）拟合该过程[7]。水分比（MR）根据公式3计算。

式中，M为干基含湿量（kg/kg），M0、Me为不同时间的干基含湿量（kg/kg），A、N、k是与物料干燥条件有关的干燥常数。

结合热泵-热风联合干燥实验特点，作以下假设：（1）热泵干燥过程中，干燥系统近似封闭系统，循环空气湿度不断降低，物料理论上可以干燥至绝干，故设定热泵干燥Me=0；（2）在后期热风（RH=60%）干燥过程中，可近似看作在稳态下进行，在设计的实验条件下，物料均可达到最终要求含水率，故设定Me≈x=10%，即Me≈0.1。

利用Matlab计算软件对热泵-热风联合干燥过程所得实验数据分段进行上述模型编程、回归，可得到模型参数（数据以及计算过程未列出）。蔓三七叶热泵-热风联合干燥过程模型如式4和式5所示。

其 中，k1=-0.213 6+0.021 8T+0.025 6u；k2=exp(-1.267 0+0.020 8T+0.225 8u)；N=0.362 1+0.0138T；t为总干燥时间；t1为热泵干燥时间；t2为物料分别热泵干燥与热风干燥达到相同MR时的时间差。

以蔓三七叶前阶段（热泵干燥）在热风温度为30 ℃、风速为3.0 m/s条件下进行热泵干燥，干燥至水分比为1，然后后阶段再采用热风干燥，此时热风温度为70 ℃、风速为3.0 m/s、相对湿度为60%，进行模型检验，该热泵-热风联合干燥过程可模型化为式6和式7。

图7说明，低温热泵-热风联合干燥过程可以通过分段模型拟合表达，且分段拟合具有较高的相关性，可以反映蔓三七叶低温热泵-热风联合干燥过程特征。

图7 联合干燥实验值与模拟值比较

3 结论与展望

本研究利用低温热泵-热风联合干燥技术对新鲜蔓三七叶进行干燥，得到的蔓三七叶产品含水率较低，色泽碧绿。此联合干燥方法具有显著缩短单独采用热泵干燥所需的干燥时间，并最大程度地减少了单独采用热风干燥对物料中绿原酸等有效成分的热破坏，大大提高了干燥产品品质。在整个干燥过程中，干燥温度对整个干燥过程起到关键作用，风速对干燥前期阶段（热泵干燥）影响明显，对干燥中后期阶段（热风干燥）影响不显著。该联合干燥过程可以通过修正的单项指数模型和page方程来分段模拟。从低温热泵干燥阶段转入热风干燥阶段时的切换点，对整个干燥全程中物料的干燥效率、干燥质量以及干燥能耗的影响关系是研究的关键点。