息半夏干燥热力学模型建立及影响因素分析

邱 婷，余春生，李金平，杨丽敏，杨俊杰*

(1.信阳农林学院 生物与制药工程学院，河南 信阳464000； 2. 河南息半夏药业有限公司，河南 信阳 464300)

息半夏是产自河南省息县及周边地区的天南星科植物半夏Pinelliaternata( Thunb.) Breit.的干燥块茎，为国家认定的“原产地”保护品种，以个大、粉性足而闻名。息半夏在产地加工过程中，干燥是一个关键环节[1]。传统晒干耗时费力，白天摊晒，夜晚收拢覆盖，受露水打湿后，容易变色，同时受天气制约，若遇到阴雨天气，会导致息半夏发黏，腐烂，直接影响商品的品质[2]。为了提高生产效率，确保息半夏的优良品质，当地建立了大型息半夏加工工厂，采用机械化，自动化，规模化加工技术，干燥环节主要采用热风干燥。息半夏在热风干燥过程中，温度、风速、加热时间等因素都会直接影响到商品的色泽、质地[3]。本研究旨在通过对息半夏干燥过程的主要影响因素进行研究，建立能够反映息半夏干燥规律的热力学模型[4]，为科学的制定干燥工艺、干燥时间以及干燥设备的研发等方面，提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

新鲜半夏药材于2019年7月在信阳市息县息半夏药业有限公司种植基地采挖，经信阳农林学院陈琼教授鉴定为天南星科植物半夏P.ternate的块茎。

1.2 仪器

梅特勒AB135-S电子分析天平(上海树信仪器仪表有限公司)；JT-120快速卤素水分测定仪(泰州市精泰仪器仪表有限公司)。自制可控风速热风循环烘箱。

1.3 试验方法

1.3.1 材料处理

采挖的息半夏除去须根和泥土，手工搓去外皮，冲洗干净，备用。

1.3.2 干燥方法设计

去皮后的息半夏，大小分为2档，1档平均直径17 mm，2档平均直径13 mm，每档分别分为四组，BX1-1和BX1-2于75℃干燥，BX2-1和BX2-2于55℃干燥，BX3-1和BX3-2于35℃干燥，BX4-1和BX4-2于55℃、风速0.5 m/s条件干燥，其中“-1”组代表大个，“-2”组代表小个。将上述样品分别于干燥第0.25、0.5、0.75、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、18、24、30、36、42 h称重，直至药材含水量降至7%以下时停止干燥。

1.3.3 水分测定与计算

干燥后样品取样，用快速卤素水分测定仪测定水分含量，计算出干重，然后算出每个点的干基含水量M。

1.3.3.1 水分比(Moisture ratio, MR)计算

水分比(MR)是判断干燥过程的重要指标，可以用简化公式[5]表示如下：

(1)

公式1中，Mt表示t时间的干基含水率，g/g；M0表示初始干基含水率，g/g。

1.3.3.2 干燥速率(Drying rate, DR)计算

(2)

公式2中[6]，Mt1表示t1时间的干基含水率，g/g；Mt2表示t2时间的干基含水率，g/g。

2 结果与分析

2.1 干燥曲线

息半夏在75℃、55℃、35℃、55℃且风速0.5 m/s条件下的干燥曲线和干燥速率如图1、图2、图3所示。由干燥曲线可以看出，温度对干燥时间影响很大，35℃低温干燥会导致干燥时间成倍增加，升温能够显著缩短干燥时间。热风循环能够缩短干燥时间。

图1 息半夏干燥曲线

图2 平均直径17 mm组息半夏干燥速率曲线

图3 平均直径13 mm组息半夏干燥速率曲线

由干燥速率曲线可以看出，干燥速率大体上随着含水量的降低而降低。其中在75℃高温情况下干燥速率下降比较明显，在55℃和35℃温度时，初期干燥速率有一个上升的过程，平均直径17 mm组上升过程较13 mm组更为明显，这跟物料干燥初期升温过程有关。所有的干燥过程有一个速率急剧降低后又升高的情况，可能跟息半夏干燥过程中外壳硬强化后，水分溢出困难有关。55℃热风干燥的速率比55℃干燥较大，可以推测出，影响息半夏干燥的主要因素是降速阶段，即水分的由内向外的扩散速度。

2.2 干燥曲线拟合

利用IBM SPSS 23.0软件对干燥曲线进行非线性拟合，各模型拟合结果如表1所示。

由表1可以看出，息半夏的干燥过程中拟合程度最高的是Logarithmic模型和Midilli模型，其次是Henderson-Pabis模型，而这三个模型非常相近。其他模型拟合度明显不高。

表1 息半夏干燥模型拟合情况

2.3 干燥动力学参数计算

以lnMR和时间t作线性回归，如图4所示。由图4可以看出，息半夏干燥基本符合一级动力学方程。其斜率即为各干燥温度的速率常数k。利用菲克扩散方程的简化式[7]，可求出有效水分扩散系数Deff。

(3)

公式3中Deff表示有效水分扩散系数，L为平均厚度的一半。由上式可知

(4)

由公式4可以求出Deff。

由Arrhenius公式可知，

(5)

公式5中，A为指数前因子，m2/s；Ea为活化能，KJ/moL；R为气体常数，KJ/moL.K；T为绝对温度，K。

表2 息半夏干燥动力学参数

图4 水分比的对数值与时间的关系

2.4 产品外观品质比较

对不同组分产品的质地和外观比较结果如表3所示。

由产品外观可以看出75℃干燥和55℃热风干燥会严重影响息半夏的外观和品质，55℃和35℃干燥产品外观地质良好。

3 小结

息半夏作为一个大宗商品，大规模加工过程亟需解决干燥问题[8-9]。通过对息半夏的干燥热力学模型的建立，可以更为直观的了解到影响息半夏干燥的各种因素。试验结果表明：Logarithmic模型和Midilli模型能够很好的模拟出息半夏的干燥过程，可作为干燥工艺设计的参考依据。所得的动力学参数有效水分扩散系数和活化能数值均在农产品干燥的取值范围[10](Deff在10-9-10-11m2/s之间；Ea在12.7～110 KJ/mol之间)，具有较大的实际应用价值。通过试验可以得知，温度和热风是影响半夏品质的主要因素，高温会导致息半夏角质化、变色，热风会导致息半夏皱缩，变色，同时息半夏干燥方式为降速干燥，热风并不能明显提高干燥效率，故息半夏产地应采用低温烘干加工。

表3 息半夏干燥品外观统计