龙胆草微波真空干燥特性及模型研究

陕西农业科学２０１４，６０（３）：１８—２２　Ｓｈａａｎｘｉ　Ｊｏｕｍａｌ　ｏｆ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　龙胆草微波真空干燥特性及模型研究　徐峰。王蔚，王　聪。孙卓　（吉林省农业机械研究院农产品加工所，吉林长春１３００２２）　摘要：针对龙胆草微波真空干燥过程中含水率在线检测困难的问题，运用试验技术与回归分析方法，对龙　胆草微波真空干燥模型进行研究。分析了干燥因素（微波强度、真空度及初始含水率）与干燥速率的关系，根　据实验数据及曲线建立了龙胆草微波真空干燥的水份比与干燥时间关系的动力学模型。最后通过实验对模　型进行数据拟合检验，结果证实所建立的干燥模型预测数值与试验实际测得数值拟合良好，该干燥模型可以　预测龙胆草在微波真空干燥过程中的含水率，可为龙胆草微波真空连续干燥设备的设计提供理论依据和技　术支持。　关键词：农产品；龙胆草；微波；真空；干燥；模型　

０　引　言　龙胆草是龙胆科多年生草本植物，以根和根　茎入药。是主治肝炎、风湿和胃炎等疾病的常用　药材　１　３。药用的龙胆草多为干制品。龙胆草现　有的干燥方法主要是采用常温晾晒或机械干燥，　机械干燥的方法多为热风对流干燥。这种干燥方　法不足之处是干燥时间长，干燥过程中龙胆草的　温度和湿度得不到有效控制，而且干燥过程会损　失物料。同时，龙胆草在干燥过程中药用成分流　失严重，干燥后的龙胆草的色相也不好。　针对上述龙胆草传统干燥方法的缺点，我们　将微波真空干燥技术引入到龙胆草的干燥过程。　微波真空干燥技术具有加热速度快，干燥温度低，　干燥速度快的优点　而各行各业都有加大的应　用。目前，国内外学者将微波真空干燥技术用于　葡萄、红莓、胡萝卜、苹果、土豆片、香菇、银耳等产　品的干燥生产中　Ｉ９　Ｊ。没有在龙胆草的干燥过程　中应用该技术相关文献的报到。　我们将对龙胆草微波真空干燥进行试验研　究，分析微波强度、真空度和龙胆草初始含水率各　个因素对干燥速率的影响，运用回归分析方法对　实验数据进行整理，建立龙胆草微波真空干燥模　型，为龙胆草微波真空干燥技术应用提供理论　依据。　１　材料与方法　１．１试验材料　试验材料选用产自吉林省柳河县由柳河县恒　信北药种植有限公司种植的龙胆草，挑选根茎粗　大饱满，平均含水率为６０％～７０％的新鲜龙胆　草，在低温保湿的条件下贮运。　原料预处理：新鲜龙胆草经严格挑选后进入　清洗机清洗，沥干水分，保持低温通风，注意尽量　保持龙胆草的含水率不变。　１．２试验仪器与设备　试验选用的干燥设备是由广州越能工业微波　设备有限公司生产的微波真空干燥设备，型号为：　ＹＮＷＢ一３Ｄ一４ＺＧ；恒温干燥箱；精密分析天平；　电子天平，计时器。　１．３实验方法　根据微波真空干燥设备的要求，取一定量预　处理后的龙胆草，均匀平铺在物料托盘内，分别采　用不同的微波强度、真空度和龙胆草初始含水率　进行干燥试验，每半分钟（３０　ｓ）记录样品质量，直　至样品含水率低于９％为止。　１．３．１　干燥试验设计选取微波强度、真空度、　及预处理后龙胆草的初始含水率为试验因素，探　索微波强度、真空度及初始含水率等因素与龙胆　草失水速率的关系，具体试验方案如表１所示。　１．３．２各因素参数的测定微波强度、初始含水　量及失水速率的计算公式分别如下。　１）微波强度　微波强度是通过微波功率和干燥物料质量得　到的，故又称单位质量接收功率。计算公式为：　Ｐ＝Ｗ／ｍ０　（１）　式中：Ｐ——微波强度，Ｗ／ｇ；ｗ——微波功率，Ｗ；　Ｉｎ。——物料初始质量，ｇ。　

收稿日期：２０１３—１０－３０　修回日期：２０１３—１１－２０　项目基金：吉林省科技发展计划资助项目（２０１２０９０５）。　第一作者简介：徐峰（１９７７一），男，吉林省长春人，高级工程师，主要从事农业机械及自动化方向的研究。　

・１８・　徐峰，等：龙胆草微波真空干燥特性及模型研究　表１　龙胆草微波真空干燥试验方案　

２）含水量　含水量的测定方法参照［１０］方法测定，计算　公式为：　Ｗ＝（（ｍ　一　）／ｍ　）×１００　（２）　式中：　——物料干基含水量，％；ｍｇ——干物质　量，ｇ；ｍ　——物料ｔ时刻的质量，ｇ。　３）失水速率　卵＝Ａｍ／Ａｔ　（３）　式中：　——失水速率，ｇ／ｍｉｎ；△ｍ——相邻两次　测量的质量差值（失水质量），ｇ；△ｔ——相邻两次　测量的时间间隔，ｍｉｎ。　

２　实验结果与分析　２．１　微波强度对龙胆草失水特性的影响　不同微波强度对龙胆草的干燥特性影响如图　

３５Ｏ　３００　２５０　２００　缸１５０　

ｌ００　５０　Ｏ　１　６　ｌｌ　ｌ６　２１　２６　

干燥时间／ｍｉｎ　ａ．龙胆草干燥曲线　１所示。图中描述了龙胆草在装载量１　ｋｇ。真空　度０．０７　ＭＰａ时，装载厚度８ｃｍ条件下，相同初始　含水率，不同微波功强度条件下的干燥曲线和失　水速率曲线。　由图１ａ可以分析出，当其他参数一定，调整　微波强度，龙胆草干燥时间会随着发生变化，而且　变化方向相反，即反比例关系变化。适度的增加　微波强度，有利于增加传质与热传效率，可以减少　干燥时间和提高干燥效率，但是过高的微波强度　会引起龙胆草根内部膨化、发泡，降低龙胆草的质　量，还会使龙胆草组织内部失水过快，热量累计造　成焦化及干燥不均现象。　由图ｌｂ可以分析出，龙胆草微波真空干燥过　程有３个阶段：加速、恒速和降速干燥阶段。在加　速干燥阶段，微波强度越大，曲线越陡，说明此阶　段干燥速度随着微波强度增强在加快；在恒速干　燥阶段，龙胆草的干燥速度基本保持恒定。但是，　微波强度大的曲线在上方，干燥速度快，说明微波　强度与干燥速度成正比例关系，而且，此阶段微波　强度对干燥速度的影响最显著；降速干燥阶段，曲　线基本重合，尤其是接近干燥尾声阶段。说明此　阶段微波强度与干燥速度基本没多大影响，提高　微波强度也不会增加此阶段的干燥速度，这与微　波干燥基本理论相吻合。　Ｏ　４５　９Ｏ　１３５　ｌ８０２２５　２７０３１５　３６０　干基含水率／％　ｂ．龙胆革失水速率曲线　

图１不同微波强度下龙胆草的干燥曲线及失水速率曲线　２．２真空度对龙胆草失水特性的影响　最小真空度干燥时间只是节省几分钟，说明真空　不同真空度龙胆草的干燥特性影响如图２所　度对干燥速度的影响不是很显著。造成这种结果　示。图中描述了龙胆草在装载量ｌｋｇ，微波强度５　的可能原因是：真空度提高会导致水的沸点降低，　ｋｗ・ｋｇ　时，装载厚度８　ｃｍ条件下，相同初始含　汽化温度随之降低，龙胆草组织内外水分达到汽　水率，不同真空度的干燥曲线和失水速率曲线。　化温度所需热量有所减少，但是，水的汽化潜热有　由图２ａ可以分析出，在其他条件一定时，适　所增加，导致水分汽化消耗的总热量变化不是很　度增大真空度，龙胆草干燥所需时间变短。但是，　大　，最终导致真空度的变化对干燥速度的影　干燥曲线接近重合，图中最大真空度干燥时间比　响不显著。因此，通过改变真空度来提高干燥速　

・１９・　

Ｏ．口ＩⅢ．∞一＼瓣嘲　

５　Ｏ　陕西农业科学２０１４年第６０卷第３期　度是有限的。　由图２ｂ可以分析出，干燥失水速率曲线大致　分为３个阶段，即升速、恒速和降速阶段，其中真　空度对于恒速和降速阶段的失水速率影响较大。　从图中曲线看，真空度对于龙胆草干燥速度的影　响比微波强度要小。在本次试验中发现，过高的　＼　缸　醐　０　Ｏ　３　６　９　１ｌ　１４　干燥时间　／ｍｉｎ　ａ．龙胆草干燥曲线　真空度，物料内部极易出现焦化现象，影响干燥质　量。而且，过高的真空度，能量的消耗是成倍数增　加的，另外还更容易发生空气被微波击穿放电现　象，导致设备工作故障。因此，选择合适的真空度　是十分重要的。　

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Ｏ　６０　１２０　ｌ８０　２４０　３００　３６０　干基含水率／％　ｂ．龙胆草失水速率曲线　

图２不同真空度下龙胆草的干燥曲线及失水速率曲线　２．３　龙胆草初始含水率对失水特性的影响　不同初始含水率对龙胆草的干燥特性影响如　图３所示。图中描述了龙胆草在微波强度５　ｋｗ・ｋｇ　时，装载量１　ｋｇ，真空度０．０７　ＭＰａ时，装　载厚度８　ｃｍ条件下，不同初始含水率条件下的干　燥曲线和失水速率曲线。　由图３ａ分析可知，在真空强度、微波强度等　条件恒定的条件下，龙胆草的初始含水率与干燥　时间成正比，这是因为较低的初始含水率，干燥过　程中需要蒸发分水分就少，因此干燥时间就越短。　・２０・　静　缸　Ｏ　２　４　６　８　１Ｏ　ｌ２　干燥时间／ｍｉｎ　ａ．龙胆草干燥曲线　从图ｂ中曲线分析得知，初始含水率对龙胆草的　微波真空干燥过程有显著影响，初始含水率越大，　恒速及降速阶段的干燥时间明显增加。这是因为　初始含水率高，说明龙胆草组织内外携带的水分　多，所以恒速干燥阶段就需要较长的时间来蒸发　龙胆草所携带的水分。当进入降速干燥阶段时龙　胆草的含水率仍然相对较高，所以降速干燥阶段　的时间也有所加长。恒速阶段和降速阶段干燥时　间的增加才使得整个干燥时间增加。　

２５　２０　ｌ　盘　‘窨１５　

∞　ｌＯ　墙『　

５　

Ｏ　０　６０　１２ｏ　ｌ８０　２４０　３００　３６０　千基含水率／％　ｂ．龙胆草失水速率曲线　

图３　不同初始含水率下龙胆草的干燥曲线及失水速率曲线　

Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　０　∞　Ｏ