肉苁蓉超声真空干燥的动力学研究

巩鹏飞，赵庆生，赵兵

（1.中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室生物炼制工程研究部，北京100190；2.中国科学院大学，北京100049）

肉苁蓉超声真空干燥的动力学研究

巩鹏飞1，2，赵庆生1，*，赵兵1

（1.中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室生物炼制工程研究部，北京100190；2.中国科学院大学，北京100049）

以新鲜肉苁蓉为原料，研究了20、30、40℃条件下肉苁蓉的超声真空干燥特性。选取了6种经典薄层干燥模型并进行非线性拟合。结果表明，肉苁蓉的超声真空干燥过程一直处于降速干燥阶段，无明显恒速干燥阶段。在20℃～40℃内，温度升高可提高肉苁蓉的超声真空干燥速率，提高内部有效水分扩散系数，水分有效扩散系数在2.66×10-10m2/s～3.65×10-10m2/s；Midilli et al.模型（R2＞0.999）能较好地描述肉苁蓉超声真空干燥过程水分的变化规律，该模型为肉苁蓉超声真空干燥工艺的优化提供了理论基础。

肉苁蓉；超声真空干燥；模型

荒漠肉苁蓉（Cistanche deserticola Y.C.Ma），列当科肉苁蓉属，多年寄生植物，主产于内蒙、宁夏、甘肃、新疆等地。肉苁蓉始载于《神农本草》，具有多种生物活性成分，被誉为“沙漠人参”[1]。目前，肉苁蓉多以晾干后出售作为药用或滋补食物，干制方法通常为自然干燥法。鲜肉苁蓉含糖量高，失水缓慢，因此传统的自然所需干燥时间长。此外，在干燥过程中多酚氧化酶的酶解作用会导致苯乙醇苷类等有效成分减少，肉质颜色褐变，影响了商品价值[2]。郭玉海[3]等采用气体射流冲击干燥法对鲜肉苁蓉进行干燥，与自然干燥法相比，该方法可加快肉苁蓉干燥速率，有效保持肉苁蓉的颜色，抑制多酚氧化酶活性，从而获得较高质量的产品，但该方法所需干燥温度较高，一定程度上影响了苯乙醇苷的含量。因此，探索能使肉苁蓉快速干燥，以保持肉苁蓉原有颜色及有效成分含量的干燥技术具有重要的意义。

近年来，超声波干燥在食品工业中应用广泛。超声波在传播过程中，与物料相互作用产生的空化效应可使食品内部形成空化泡，空化泡破裂时产生的冲击波会引起水分子湍流扩散，促进物料内部形成微小管道，有利于除去与物料紧密结合的水[4]。超声波作用于物料时，对物料反复压缩和拉伸，使物料不断收缩和膨胀，这种类似于“海绵效应”产生的作用力大于水分表面附着力时会促进物料的水分脱除[5]。此外，超声波可降低物料边界层的扩散，从而促进水分的迁移。

在工业生产中，超声波干燥常与其他干燥方法协同使用。真空干燥具有干燥温度低，物料不易发生氧化等优点[6]，因此将超声波干燥与真空干燥有效结合，可提高真空干燥过程中物料的传质传热系数，提高干燥速率，缩短干燥时间，降低质量损失。本文结合超声波干燥和真空干燥的优点，对肉苁蓉进行超声真空干燥，并对肉苁蓉的干燥过程进行干燥动力学的研究，以更好的了解肉苁蓉的超声真空干燥特性，为实际生产提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

荒漠肉苁蓉（Cistanche deserticola）：由内蒙古宏魁苁蓉集团有限责任公司提供，由王晓东副研究员（中国科学院过程工程研究所）鉴定。

1.2 方法

1.2.1 肉苁蓉切片制备

选择外观整齐，粗细均匀的新鲜肉苁蓉，洗净，用纸巾擦去表面水分。切成厚度为4 mm，直径约40 mm的肉苁蓉切片，以备实验使用。

1.2.2 超声真空干燥肉苁蓉

在20、30、40℃条件下分别对肉苁蓉切片进行超声真空干燥，超声强度10 W/cm2，压力50 Pa。每个干燥温度称取3份肉苁蓉切片作为平行样，每份30 g，每隔20 min取出称重，连续测定6 h。

1.3 干燥动力学

1.3.1 干基含水量计算

式中：Mt为干燥t时刻的干基含水量（质量比）；mt为t时刻时物料的质量，g；mg物料绝干时的质量，g[7]。

1.3.2 水分比计算

式中：M为干燥t时刻时的含水量（质量比）；Me为平衡含水量（质量比）；M0为初始时刻的干基含水量（质量比）。在本研究中，由于平衡含水量可忽略不计，因此式（1）可简化为MR=M/M0。

1.3.3 干燥速率计算

式中：DR为物料干燥速率，g/（g·h）；Mt为物料在t时刻的干基含水量（质量比）；Mt+Δt为物料在（t+Δt）时刻的干基含水量（质量比）。

1.3.4 干燥动力学模型

为了取得肉苁蓉在干燥过程中的动力学变化规律，实验选取6种常用的薄层干燥模型，如表1所示。利用OriginPro 8.5.1软件对实验数据进行拟合，建立肉苁蓉超声真空干燥动力学模型。

表1 常用的薄层干燥数学模型Table 1Drying models used for ultrasonic-vacuum drying at different drying temperatures

模型的优劣以可决系数R2以及均方根误差RMSE、卡方X2来评价。R2越接近于1，RMSE和X2越小，方程匹配度越好[8-9]。RMSE、X2计算如式（4）、式（5）：

式（4）、式（5）中，MRexp为任意时刻的实验值；MRpre为任意时刻的预测值；N为观测值的个数；z为模型待定系数个数。

1.3.5 有效水分扩散系数计算

根据式（2），简化可得式（6）：

对MR取对数，可得到式（7）

式（7）中：Deff为有效水分扩散系数，m2/s；L为1/2肉苁蓉切片厚度，m。因此，有效扩散系数由ln（MR）与干燥时间t的斜率K来确定。

2 结果与分析

2.1 肉苁蓉干燥曲线

当超声功率和干燥体系压力一定时，肉苁蓉的超声真空干燥时间与水分比的关系如图1所示。

图1 不同干燥温度下肉苁蓉的超声真空干燥曲线Fig.1Drying curves of Cistanche deserticola slices with ultrasonic-vacuum drying at 20，30，40℃

由图1可知，随着干燥时间延长，肉苁蓉的水分比呈下降趋势，最后趋于平缓。经相同干燥时间，肉苁蓉含水率从低到高依次为40、30、20℃，表明在一定范围内，提高干燥温度可促进肉苁蓉的超声真空干燥过程，缩短干燥时间。

2.2 肉苁蓉干燥速率曲线

当超声功率、干燥体系压力一定时，不同干燥温度下干燥速率与干基含水量关系如图2所示。不同温度下肉苁蓉内部的水分有效扩散系数如表2所示。

图2 肉苁蓉的干燥速率曲线Fig.2Drying rates of Cistanche deserticola slices with ultrasonicvacuum drying at 20，30，40℃

表2 不同温度下肉苁蓉内部的水分有效扩散系数Tabel 2Water effective diffusion coefficients of inner Cistanche deserticola

由图2可知，在不同温度条件下的肉苁蓉干燥过程中，干燥速率一直降低，均无明显恒速干燥阶段。温度越高，在干基含水率相同时，干燥速率越快。同时，结合表3，在超声真空干燥过程中，随着温度升高，水分有效扩散系数增大，水分有效扩散系数由低到高依次为2.66、3.24、3.65 m2/s。在干燥过程中，随着肉苁蓉的自由水含量不断减少，内部传质阻力增加，在一定范围内提高干燥温度有利于促进水分扩散，从而促进超声真空干燥过程。

2.3 干燥模型的确定

对6种模型进行拟合优度比较，相关系数见表3。

表3 模型拟合与统计结果分析Table 3Drying models used for ultrasonic-vacuum drying at different drying temperatures

续表3模型拟合与统计结果分析Continue table 3Drying models used for ultrasonic-vacuum drying at different drying temperatures

由表3得出，除利用Wang and Singh模型对40℃超声真空干燥拟合，得到的决定系数R2为0.683 87，其余模型均能较好的反应肉苁蓉的超声真空干燥特性，决定系数R2＞0.94。在3种温度条件下，Page模型和Midilli et al.模型的R2相对较高，但Page模型的X2和RMSE值远大于Midilli et al.模型，综合比较，Midilli et al.模型的精密度更高，方程匹配度更好，其方程参数如表4所示。

表4 肉苁蓉Midilli et al.模型拟合参数Table 4Parameters of Cistanche deserticola by Midilli et al.model

3 结论

1）在超声波功率及压力相同的条件下，在一定范围内提高干燥温度可提高干燥速率，提高肉苁蓉内部有效水分扩散系数，从而促进肉苁蓉的超声真空干燥过程。

2）利用6种经典模型对不同温度条件下肉苁蓉的超声真空干燥过程进行拟合，拟合结果良好，其中Midilli et al.模型（R2＞0.999）能为较好的描述肉苁蓉在超声真空干燥过程中的脱水规律，利用该模型可判断肉苁蓉干燥时间与水分含量的关系，为肉苁蓉超声真空干燥工艺的优化提供了理论基础。

3）该实验还存在一定的不足，今后将对超声功率、压力、肉苁蓉切片厚度对干燥过程的影响进行研究，进一步优化肉苁蓉的超声真空干燥过程。

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Study on Ultrasonic-Vacuum Drying Dynamics of Cistanche deserticola Slices

GONG Peng-fei1，2，ZHAO Qing-sheng1，*，ZHAO Bing1
（1.Division of Biorefinery Engineering，State Key Laboratory of Biochemical Engineering，Institute of Process Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

The drying kinetics of Cistanche deserticola with ultrasonic-vacuum drying at different temperatures was investigated in this study.Results showed that the drying process mainly involved deceleration phase.The effective moisture diffusivity of Cistanche deserticola slices，among 2.66×10-10m2/s-3.65×10-10m2/s，increased with the increasing of drying temperature.Temperature increases could shorten the ultrasonic-vacuum period of Cistanche deserticola slices.Six commonly used thin-layer drying mathematical models were used to fit the experimental data and the Midilli et al.model was selected to describe the drying curves of Cistanche deserticola slices at 20℃-40℃（R2＞0.999）.

Cistanche deserticola；ultrasounic-vacuum drying；model

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.09.003

2016-08-12

国家自然科学基金项目（21506220）

巩鹏飞（1991—），女（汉），硕士研究生，研究方向：植物细胞工程及天然产物生物炼制。

*通信作者：赵庆生，副研究员。