蔓三七葉熱泵-熱風聯合干燥特征與模型化研究

胡居吾

（江西省科學院應用化學研究所，江西南昌 330096）

蔓三七，又名平臥菊三七、蛇接骨、續命草、神仙草，味辛、微苦、性涼，為多年生草本藥食兩用植物。蔓三七的莖和葉營養豐富，富含粗多糖和綠原酸，同時還含有維生素A、維生素C、氨基酸，富含有機鈣等成分。民間利用其通經活絡，消腫止痛，消炎止咳，治療跌打損傷、支氣管肺炎、肺結核等?，F代生物化學和醫學研究證明，蔓三七具有通經活絡、消炎止咳、散淤消腫、活血生肌等功效[1]，能延緩衰老、激活免疫細胞、改善機體免疫功能、提高人體免疫力，增強人體的新陳代謝并對記憶障礙有一定改善作用[2]；具有降血壓、降血糖和預防慢性腎病、抑制乙型肝炎的顯著效果[3]；對預防和治療心腦血管疾病、糖尿病等有一定的療效[4]；還具有抗病毒、抗菌活性、抑制骨髓癌和志賀樣毒素細胞的活性[5]?？蓮V泛應用于食品醫藥工業、日用化工等領域，是一種極具潛力和高經濟價值的藥食兩用植物。

蔓三七葉在利用過程中，往往需要對其進行干燥處理，干燥方法及工藝參數對干燥后產品的質量有著較大影響。熱風干燥是目前最常用干燥方法之一，具有干燥速率快、熱效率高、設備投資費用低等優點以及品質較差、外觀差等缺點；熱泵干燥是近年來發展起來的一種高能效、實用性強的新干燥技術[6]，主要應用于果蔬脫水、木材的干燥以及生物化工制品干燥等領域。熱泵干燥的原理是將干燥室排出的濕度高、溫度低的空氣經熱泵設備除濕后，成為濕度小、溫度適中的空氣作為干燥氣源又進入干燥裝置的干燥室內，對物品進行干燥，最終使物料達到干燥為止。但是，熱泵干燥存在著耗時長的缺點，且干燥果蔬等物料時，容易導致產品微生物超標，并存在單位能耗高等缺陷，使得熱泵干燥技術難以廣泛推廣運用。

本研究應用自主研制的熱泵-熱風聯合干燥技術對蔓三七鮮葉進行干燥，結合了熱風干燥速率快的特點和熱泵干燥產品質量高、品質好等優勢，建立了封閉式熱泵-熱風聯合干燥穿流床裝置[7]。干燥前期階段采用低溫熱泵干燥技術，干燥后期階段采用短時熱風干燥技術相結合的聯合干燥方式對蔓三七鮮葉進行干燥，研究了干燥裝置內熱氣流動速度、熱氣溫度這2個因素對干燥產品的品質和干燥時間的影響，并對干燥過程特征進行了研究和數學模擬，建立了蔓三七葉干燥的相關數學模型。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

新鮮蔓三七葉，無腐爛，由江西華紫仁農業開發有限公司提供。

METTLER-TOLEDO AL104電子天平，瑞士梅特勒-托利多公司；封閉式熱泵-熱風聯合干燥裝置，由江西省科學院應用化學研究所自主研制，主要包括穿流箱式干燥器、熱泵系統、離心風機、電阻絲加熱器、溫濕度傳感器和稱重系統，裝置示意圖如圖1所示[7]。

1.2 實驗方法

新鮮蔓三七葉經過精選，去除雜質，平鋪在托盤底為篩網結構的穿流干燥托盤上，裝載，蔓三七葉的重量為2 kg/m2左右。干燥過程中每隔30 min取樣，對蔓三七葉進行稱重，直到蔓三七葉中的含濕量（Xe）為10%結束干燥。

圖1 閉路式熱泵-熱風聯合干燥裝置

2 結果與分析

2.1 熱泵干燥過程特征研究

2.1.1 熱風溫度對干燥過程的影響

實驗所設計低溫熱泵材質采用R22，在該熱泵系統條件下，設定穿流風速為2 m/s，研究了進干燥室熱風溫度分別為30 ℃、40 ℃時，熱泵干燥對蔓三七葉的干燥曲線和速率曲線的影響。

圖2結果表明，在不同的熱風溫度時，所得到的干燥曲線不同。隨著熱風溫度的升高，干基含濕量下降趨勢明顯加快，蔓三七葉達到同一含濕量所需干燥時間縮小，總干燥時間不超過6 h。

圖2 蔓三七葉在不同風溫下的干燥曲線

蔓三七葉熱泵干燥速率曲線如圖3所示，熱風溫度與物料的干燥速率有著密切關系。隨著熱風溫度的升高，蔓三七葉中的水分蒸發所需的熱量會隨著增大，物料中的水分蒸發速率加快，因而干燥所需的時間減少。如圖3所示，在高濕度范圍區內（濕基含濕量為95%～80%），物料的干燥速率處于較大的恒速干燥過程；隨著干燥的進一步深入，物料的干燥速率處于降速過程（濕基含濕量為80%～55%）；最后物料的干燥進入干燥后期（濕基含濕量為55%～10%），此時物料的干燥速率又處于數值變化較不明顯、近似恒速的干燥過程。

圖3 蔓三七葉在不同風溫下的干燥速率曲線

2.1.2 風速對熱泵干燥過程的影響

在熱泵系統允許風速下，干燥室熱風溫度設定為40 ℃，分別研究了穿流風速為1.0 m/s、2.0 m/s、3.0 m/s時，熱泵干燥蔓三七葉的干燥曲線和干燥速率曲線。

從圖4中可以看出，在同一熱風溫度（40 ℃）下，隨著穿流風速的不同，干燥曲線在數值的大小上略有差別，但3條曲線形態呈現出較好的相似性，并呈現出較好的指數模型特征。

圖4 蔓三七葉在不同風速下的干燥曲線

干燥速率曲線如圖5所示，在干燥初期階段（濕基含濕量為95%～80%），熱風速度對干燥速率影響顯著，風速為3.0 m/s、1.0 m/s時，干燥速率分別達到5.41 kg/(kg·h)和3.80 kg/(kg·h)。隨著干燥的進一步深入，3條干燥速率曲線在物料濕基含濕量為40%～10%，近似重疊在一起，速率衰減趨勢幾乎相同，這表明了物料在干燥中后期，熱風速度對物料的干燥速率影響較小。

圖5 蔓三七葉在不同風速下的干燥速率曲線

上述低溫熱泵對蔓三七葉的干燥實驗表明，熱泵干燥速率受溫度影響較大，風速對干燥的初期階段（濕基含濕量為95%～80%）有一定影響，對物料干燥的中后期影響不明顯。

2.2 低溫熱泵-熱風聯合干燥過程特征研究

2.2.1 低溫熱泵-熱風聯合干燥過程實驗特征研究

上述研究表明，采用低溫熱泵對蔓三七葉進行干燥的過程中，干燥后期時物料的干燥速率變化不再明顯，去除物料中剩余部分水分需要消耗大量熱源和時間，不僅降低了生產效率，還會影響到物料的色澤和其中的活性物質。為了克服這一瓶頸，本研究在干燥后期采用了耗時短的高溫熱風干燥工藝。

干燥前期采用低溫熱泵干燥，具體參數設定為空氣溫度T=30 ℃、物料穿流風速u=3 m/s）；在水分比達到1左右時，再采用較高溫度的熱風，具體參數設定為空氣溫度T=70 ℃、物料穿流風速u=3 m/s、空氣相對濕度RH=60%，進行短時干燥。研究了低溫熱泵-熱風聯合干燥過程特征。

從圖6可以看出，低溫熱泵-熱風聯合干燥過程是低溫熱泵干燥和熱風干燥的有機結合過程，干燥曲線所表現出熱泵干燥和熱風干燥的共同特征，該聯合干燥過程顯著縮短了干燥時間，干燥所需的時間為4.5 h。

聯合干燥過程的前期低溫熱泵干燥階段的干燥速率[5.6 kg/(kg·h)]相對于熱風干燥速率較小，該干燥過程較溫和，低溫脫水環境既可防止蔓三七葉表面開裂，又可以避免蔓三七葉的綠原酸等活性物質受到熱破壞。干燥中后期采用短時高溫熱風干燥后，干燥速率又迅速增大，這是因為高溫有利于蔓三七葉內部水分迅速升溫和蒸發，蔓三七葉的內部水汽壓增大，內部水分向表面擴散加快，提高了干燥速率；同時，干燥時間短有利于降低綠原酸等有效成分的破壞率。因此，低溫熱泵-熱風聯合干燥技術具有干燥時間短、顯著減少物料中有效成分的熱破壞等優點，從而提高了干燥產品品質。

圖6 蔓三七葉3種干燥方法干燥曲線比較

2.2.2 熱泵-熱風聯合干燥過程模型擬合

新鮮的蔓三七葉采用低溫熱泵-熱風聯合干燥技術過程中，干燥前階段采用的熱泵干燥技術，是熱泵產生的溫度低、濕度小的熱空氣與新鮮蔓三七葉表面相接觸，使得蔓三七葉表面的水氣向低濕空氣中傳遞，蔓三七葉內部水分同時向葉表面擴散的過程。熱泵干燥過程是在物料（蔓三七葉）高濕度區間進行，物料的表面水分擴散為熱泵干燥過程的主要控制因素，該過程可以通過單項指數模型（式1）進行擬合[8]。干燥后期采用的是短時、高溫熱風干燥，在此階段蔓三七葉具有較低的濕含量，可以借鑒Page方程（式2）擬合該過程[7]。水分比（MR）根據公式3計算。

式中，M為干基含濕量（kg/kg），M0、Me為不同時間的干基含濕量（kg/kg），A、N、k是與物料干燥條件有關的干燥常數。

結合熱泵-熱風聯合干燥實驗特點，作以下假設：（1）熱泵干燥過程中，干燥系統近似封閉系統，循環空氣濕度不斷降低，物料理論上可以干燥至絕干，故設定熱泵干燥Me=0；（2）在后期熱風（RH=60%）干燥過程中，可近似看作在穩態下進行，在設計的實驗條件下，物料均可達到最終要求含水率，故設定Me≈x=10%，即Me≈0.1。

利用Matlab計算軟件對熱泵-熱風聯合干燥過程所得實驗數據分段進行上述模型編程、回歸，可得到模型參數（數據以及計算過程未列出）。蔓三七葉熱泵-熱風聯合干燥過程模型如式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為總干燥時間；t1為熱泵干燥時間；t2為物料分別熱泵干燥與熱風干燥達到相同MR時的時間差。

以蔓三七葉前階段（熱泵干燥）在熱風溫度為30 ℃、風速為3.0 m/s條件下進行熱泵干燥，干燥至水分比為1，然后后階段再采用熱風干燥，此時熱風溫度為70 ℃、風速為3.0 m/s、相對濕度為60%，進行模型檢驗，該熱泵-熱風聯合干燥過程可模型化為式6和式7。

圖7說明，低溫熱泵-熱風聯合干燥過程可以通過分段模型擬合表達，且分段擬合具有較高的相關性，可以反映蔓三七葉低溫熱泵-熱風聯合干燥過程特征。

圖7 聯合干燥實驗值與模擬值比較

3 結論與展望

本研究利用低溫熱泵-熱風聯合干燥技術對新鮮蔓三七葉進行干燥，得到的蔓三七葉產品含水率較低，色澤碧綠。此聯合干燥方法具有顯著縮短單獨采用熱泵干燥所需的干燥時間，并最大程度地減少了單獨采用熱風干燥對物料中綠原酸等有效成分的熱破壞，大大提高了干燥產品品質。在整個干燥過程中，干燥溫度對整個干燥過程起到關鍵作用，風速對干燥前期階段（熱泵干燥）影響明顯，對干燥中后期階段（熱風干燥）影響不顯著。該聯合干燥過程可以通過修正的單項指數模型和page方程來分段模擬。從低溫熱泵干燥階段轉入熱風干燥階段時的切換點，對整個干燥全程中物料的干燥效率、干燥質量以及干燥能耗的影響關系是研究的關鍵點。