张亚晶 杨 薇

（昆明理工大学现代农业工程学院，云南 昆明 650224）

康乃馨热风干燥特性研究

张亚晶 杨 薇

（昆明理工大学现代农业工程学院，云南 昆明 650224）

选取康乃馨为研究对象，以热风温度、风速、装载量为试验因素进行单因素试验，分析各个因素对干燥特性的影响。结果表明，3个因素对康乃馨的干燥特性影响均显著，温度越高，风速越大，装载量越少，康乃馨达到安全水分所用的时间就越短。采用3种常用的干燥模型单项扩散模型、指数模型、Page模型对试验数据进行线性回归分析和模型的拟合，得出Page模型适合描述康乃馨的干燥进程，并建立康乃馨的干燥模型。通过试验验证，Page模型的预测值与实测值的最大误差仅为6.7%，很好地描述了康乃馨的干燥进程。

康乃馨；热风干燥；干燥特性；Page模型

康乃馨花茶是深受人们喜爱的一种茶饮，它含人体所需的多种营养元素，主要有钾、钙、钠、铁、镁、锰、铜、锌等［1］。研究［2］证明，康乃馨能改善血液循环，增强机体的新陈代谢。具有清新除燥，排毒养颜，延缓衰老，调节内分泌等功能。

关于花卉的干燥特性及干燥品质的研究文献很多。张晓辛等［3］对菊花在微波－气流组合干燥下的干燥特性与纯气流干燥和微波干燥下的干燥特性进行了对比，结果表明采用微波－气流组合干燥技术可以使干燥时间缩短到4 h内，生产效益大大提高，且干燥后的菊花品质较优，等级高，市场价格较传统干制的菊花提高了5～10倍；吉永奇等［4］针对金银花采用蒸后烘干的干燥方法与传统的干燥方法相比，金银花绿原酸的含量和干燥速率都得到了提高；Chen Wei等［5］对康乃馨和玫瑰花的冷冻干燥特性进行了研究，得出在冷冻干燥条件下能得到较好品质的干花，但是干燥成本大大提高了，不利于批量生产。

热风干燥作为一种传统古老的干燥方法，被广泛应用于谷物、水果、蔬菜、海产品等各类物料的干燥，具有投资低、管理方便等优点，是现代产业化生产干制品的一种重要干燥方式。本试验以热风温度，风速，装载量为试验因素，研究康乃馨的热风干燥特性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

康乃馨鲜花：购自昆明市斗南镇的花卉生产基地，要求鲜花全开，大小均匀，且无病虫害的污染。

1.2 试验设备

热风干燥箱：本实验室自制（见图1）；

电子分析天平：BL310，德国赛多利斯集团。

1.3 试验方法

1.3.1 康乃馨预处理方法 将买来的新鲜康乃馨剪去花柄，然后手工去除花托及花芯，整朵进行热风干燥试验。

1.3.2 试验因素及水平的选择 影响物料热风干燥特性的因素主要有热风温度、风速、装载量、物料形状大小、预处理方法等［6－8］。就康乃馨干燥，选择热风温度、风速、装载量作为影响其干燥特性的主要因素。通过试探性的试验，确定了各试验因素的水平（见表1）。

图1 自制热风干燥箱装置图Figure 1 Schematic diagram of hot air dryer

表1 康乃馨干燥试验因素与水平Table 1 The factors and levels of the test of carnation

1.3.3 单因素试验方案

为了研究热风温度、风速、装载量对康乃馨干燥特性的影响，根据选定的因素水平，进行如下单因素试验。

（1）固定风速为3.4 m／s、装载量为3 kg／m2，分别采用60，70，80℃的热风温度进行康乃馨的热风干燥试验，以获得不同温度下康乃馨的干燥曲线和干燥速率曲线；

（2）固定温度为70℃、装载量为3 kg／m2，分别采用3.4，1.5，0.8 m／s的风速进行康乃馨的热风干燥试验，获取不同风速下康乃馨的干燥曲线和干燥速率曲线；

（3）固定温度为70℃、风速为3.4 m／s，分别采用3，6，12 kg／m2的装载量进行康乃馨的热风干燥试验，得到康乃馨在装载量改变时的干燥曲线和干燥速率曲线。

干燥过程中每隔5 min或15 min测量物料的实时质量，计算干基含水率，直到物料达到安全含水率为止。每组重复两次，取平均值。

1.4 测定指标及其计算方法

1.4.1 初始水分含量的测定 参照GB 5009.3——2010。

1.4.2 干基含水率 干基含水率按式（1）计算［9］：

式中：

Mt—— 康乃馨的干基含水率，g／g；mt—— 康乃馨的实时质量，g；

mg—— 康乃馨绝干物质的质量，g。

1.4.3 干燥速率 干燥速率按式（2）计算［10］：

式中：

V t—— 干燥速率，g／（g·min）；

Mt—— 物料在t时刻的干基含水率，g／g；

Mt－1—— 康乃馨在t－1时刻的干基含水率，g／g；

t d——t－1时刻和t时刻的时间间隔，min。

1.4.4 水分比Mr水分比按式（3）计算［11，12］：

式中：

Mr—— 水分比；

M0—— 物料的初始干基含水率，g／g；

Mt—— 物料在t时刻的干基含水率，g／g。

2 结果与分析

2.1 康乃馨的干燥特性

2.1.1 不同温度下康乃馨的干燥曲线和干燥速率曲线 由图2可知，温度一定时含水率随时间呈指数变化，而且热风温度越高，所用的时间越短。温度为60℃时，干燥到安全含水率所用的时间为150 min，而温度为80℃时只用了30 min，干燥时间缩短了90 min。由图3可知，温度越高，所表现的干燥速率越大。根据Trabert理论［13，14］，自由静水表面的蒸发量E0可用式（4）表示：

式中：

C——比例常数；

T—— 绝对温度，K；

V—— 风速，m／s；

d——一定温度时水的饱和蒸汽压和周围空气水蒸气压力之差，MPa。

那么在风速固定的条件下，温度T升高时，物料内部的水分蒸发速率就会加快，使干燥时间缩短。整个干燥过程无恒速干燥段，只有调整阶段和降速阶段。调整阶段自干燥初始至干燥速率达到峰值，这段时间康乃馨吸收的热量一部分用于本身的升温，一部分用于水分蒸发。调整阶段物料的水分蒸发量很快达到峰值，康乃馨花瓣表面的水分迅速蒸发。当表面的大部分水分蒸发后，而内部水分来不及扩散到表面，就会导致干燥速率下降，当干燥进行到一定阶段时，由于物料本身收缩，细胞间隙变小，再加上物料表面形成了一层薄薄的壳，使得水分的蒸发阻力加大，干燥速率不断减小。由此可见，热风温度对康乃馨的干燥特性影响显著，提高热风温度可以加快水分蒸发，缩短干燥时间。

2.1.2 不同风速下康乃馨的干燥曲线和干燥速率曲线 由图4和5可知，风速越大，干燥速率越大，康乃馨达到安全水分所用的时间就越短。当风速为3.4 m／s时干燥所用的时间比风速为0.8 m／s时节约了60 min。同样，根据Trabert理论，在温度和装载量一定的情况下，当风速变化时，蒸发量也会随之变化。风速越高，蒸发量越大，达到安全水分所用的时间就越短。所以在干燥过程中适当提高风速可以加快物料的干燥，缩短干燥时间。

图2 不同温度下康乃馨的干燥曲线Figure 2 Drying curves for carnation under different temperature

图3 不同温度下康乃馨的干燥速率曲线Figure 3 Drying rate curves for carnation under different temperature

图4 不同风速下康乃馨的干燥曲线Figure 4 Drying curves for carnation under different wind speed

2.1.3 不同装载量下康乃馨的干燥曲线和干燥速率曲线

由图6和7可知，装载量不同，失水速率也不同，物料达到安全水分所用的时间就不同。当装载量变大时，失水速率相应的变小，达到安全水分所用的时间加长。这是因为，装载量越大，物料的铺料厚度就越大，康乃馨单位质量与热风的接触面积变小，整体干燥速率就减小了。由此可以看出，当装载量变大时，物料的干燥速率就会减小。在实际生产中，要确定合适的物料装载量，以利于水分的蒸发和节约能耗。

图5 不同风速下康乃馨的干燥速率曲线Figure 5 Drying rate curves for carnation under different wind speed

图6 不同装载量下康乃馨的干燥曲线Figure 6 Drying curves for carnation under different loading weight

图7 不同装载量下康乃馨的干燥速率曲线Figure 7 Drying rate curves for carnation under different loading weight

2.2 康乃馨热风干燥模型的建立

2.2.1 常用的干燥模型及线性化 描述干燥过程常用的数学模型主要有以下3种：

（1）单项扩散模型：

式中：

A，K——模型的参数。

（2）指数模型：

式中：

B——模型的参数。

（3）Page模型：

式中：

k，n—— 模型的参数。

为了确定康乃馨的干燥模型，对3种常用的干燥模型进行线性化。从表达形式上看，指数模型可以看做是单项扩散模型（A＝1）或Page模型（n＝1）的特殊形式。所以研究康乃馨的干燥模型时，只对单项扩散模型和Page模型进行对比［15］。

单项扩散模型一次线性化后形式如下：

Page模型进行两次线性化后形式如下：

根据试验数据分别绘制－Ln（Mr）－t曲线和Ln（－Ln（Mr））－Lnt曲线，结果见图8～10。

通过比较图8～10可知，图8（b）、图9（b）、图10（b）图呈现出更好的线性关系。这说明Page模型更适合用来描述康乃馨的干燥进程。

图8 －Ln（Mr）－t和Ln（－Ln（Mr））－Lnt不同温度时的曲线Figure 8 The curve of－Ln（Mr）－t and Ln（－Ln（Mr））－Lnt under different temperature

图9 不同风速时的 －Ln（Mr）－t和Ln（－Ln（Mr））－Lnt曲线Figure 9 The curve of－Ln（Mr）－t and Ln（－Ln（Mr））－Lnt under different wind speed

图10 －Ln（Mr）－t和Ln（－Ln（Mr））－Lnt不同装载量时的曲线Figure 10 The curve of－Ln（Mr）－t and Ln（－Ln（Mr））－Lnt under different loading weight

2.2.2 康乃馨干燥模型的建立 为了进一步说明Page模型对康乃馨热风干燥特性的适用性，采用了SPSS统计分析软件对图8（b）、图9（b）、图10（b）中的试验数据进行回归分析和模型拟合的方差分析，可以得到各个条件下康乃馨的干燥模型系数及复相关系数R和F值，结果见表2。表中的复相关系数R用来表示变量之间的密切关系，R越接近1，那么表明模型与试验数据的拟合度越好，越是能很好的反映该条件下康乃馨的干燥进程。用方差分析对回归结果进行显著性检验，F值越大，说明回归方程的显著性越好。

表2 Page模型拟合结果及R值Table 2 Regression analysis of Page Model

由表2可知，R值范围在0.983～0.999，F值均达到显著效果，说明所得到的回归方程拟合程度较高，回归结果显著。显然Page模型适合用来描述康乃馨热风干燥的干燥动力学规律。同时，当温度、风速、装载量这3个因素中的任何一个因素改变时，k、n值都随着变化。k值随着温度的升高而增大、随风速的增加而增大、随着装载量的增大而减小。n值则随风速的增大而减小，随着温度、装载量的增加呈现先增大后减小的趋势。

2.2.3 模型的验证 图11表示的是固定风速为3.4 m／s，装载量为3 kg／m2，温度分别为60，70，80℃时的实测值与Page模型模拟值的结果比较，发现其预测值的最大相对误差仅为6.7%。由此可知，各个干燥条件下建立的Page模型对康乃馨热风干燥数据的拟合性较好，可以用它来描述康乃馨的干燥进程。

图11 相同条件下实测值与模拟值的比较Figure 11 Comparison of test values and regression values under the same condition

3 结论

（1）温度、风速、装载量对康乃馨的干燥特性均有显著的影响。温度越高，风速越大，装载量越小，康乃馨达到安全水分所用的时间越短。

（2）采用3种常用的干燥模型即单项扩散模型、指数模型、Page模型对康乃馨薄层干燥特性进行拟合，通过模型线性化后的回归分析，得到Page模型较适合用来描述康乃馨的干燥进程。

（3）采用SPSS对各条件下的干燥曲线进行拟合，建立了各个干燥条件下的Page方程，且复相关系数范围为0.983～0.999，F值均达到显著效果。说明所得到的回归方程拟合程度较高，回归结果显著。通过试验验证，Page模型的预测值与实测值的最大误差仅为6.7%，Page模型能很好的描述康乃馨的干燥动力学规律。

1 赵西梅，肖忠峰，孙志伟，等.康乃馨花茶8种微量元素含量分析［J］.安徽农业科学，2008，36（17）：7 297～7 298.

2 灵芝.康乃馨的功效与作用简介［N／OL］.新浪中医，2011－05－04［2011－07－06］.http：／／zhongyi.sina.com／news／yycs／20115／62524.shtml.

3 张晓辛，肖宏儒，曹曙明，等.利用微波气流组合干燥技术干燥菊花的试验研究［J］.农业工程学报，2000，16（4）：129～131.

4 吉永奇，朱文学.金银花干燥工艺试验研究［J］.食品科技，2008（6）：79～82.

5 Wei Chen，Karen L B Gast，Sheri Smithey.The effects of different freeze－drying processes on the moisture content，color，and physical strength of roses and carnations［J］.Scientia Horticulturae，2000，84：321～332.

6 贾清华，赵世杰，柴京富，等.枸杞热风干燥特性及数学模型［J］.农机化研究，2010（6）：153～157.

7 俞秀玲.花粉热风干燥特性研究［J］.食品研究与开发，2007，28（8）：44～47.

8 张建军，马永昌，王海霞，等.辣椒热风干燥的工艺优化试验［J］.农业机械学报，2007，38（12）：223～225.

9 张丽华，徐怀德，李顺峰.不同干燥方法对木瓜干燥特性的影响［J］.农业机械学报，2008，39（11）：70～75.

10 蒋玉萍，王俊.番薯片微波干燥特性及干燥模型［J］.浙江农业学报，2009，21（4）：407～410.

11 唐学时，许乃章，陆平中.蘑菇热风干燥的研究［J］.农业机械学报，1990，20（2）：50～55.

12 Shi Q L，Xue C H，Zhao Y，et al.Drying characteristics of horse mackerel（Trachurus japonicus）dried in a heat pump dehumidifier［J］.Journal of Food Engineering，2008，84（1）：12～20.

13 须山，三千三，鸿巢，等.水产食品学［M］.上海：上海科学技术出版社，1992：286.

14 段振华，张慜，汤坚.鳙鱼的热风干燥规律研究［J］.水产科学，2004，23（3）：29～32.

15 石启龙，赵亚，李兆杰，等.竹荚鱼热泵干燥数学模型研究［J］.农业机械学报，2009，40（5）：110～114.

Research on hot－air drying characteristics of carnation

ZHANG Ya－jing YANG Wei

（Faculty of Modern Agriculture Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming，Yunnan650224，China）

Hot－air temperature，wind velocity and loading weight were taken as experimental factors to study the drying characteristics of carnation.Experimental results showed that all of the three factors significantly influence the drying characteristics of carnation.It was favorable to strengthen the drying process by increasing drying temperature and wind velocity.But the increase of loading weight could reduce drying rate.The experimental datum was simulated with different mathematical models.The results also showed that Page model was fitted to the hot－air drying curves of carnation.The change regulation of hot－air drying of carnation could be described and predicted very well by Page model according to the comparison of experimental and calculated values.

carnation；hot－air drying；drying characteristics；Page model

10.3969／j.issn.1003－5788.2012.01.012

张亚晶（1985－），女，昆明理工大学在读硕士研究生。E－mail：522176470＠qq.com

杨薇

2011－11－01