玫瑰花瓣壓花材料熱風干燥動力學模型

譚 穎，陳國菊，程玉瑾，袁愛群，馬少妹，韋冬萍

1 華南農業大學園藝學院，廣州 510642;2 廣西民族大學化學化工學院，南寧 530006

壓花是將植物材料(根、莖、葉、花、果)通過物理或化學方法，經過脫水、保色壓制和干燥處理，再經過構思而制成精致藝術品的過程。與普通的干花制備不同，壓花材料的含水量不能超過安全限度，否則就易引起壓花材料的品質的退化，除了水分含量要嚴格控制外，還必須保證壓花材料的平整性、色澤等感官美觀性，因此干燥是一個極為重要的環節［1，2］。盡管壓花技術已有悠久的應用歷史，但迄今為止，大多數壓花材料的干燥基本是沿用傳統的方法憑經驗進行。近些年，人們的研究［3-5］側重于色素在干燥過程中的變化以及如何通過化學法提高花材的顏色、外觀等審美感覺。隨著干燥技術的發展，熱風、微波、真空冷凍干燥等技術在干燥花的制備中得到應用［6-9］，但對于壓花材料的干燥過程仍缺乏系統的理論研究，在對壓花材料進行干燥時，難以準確地控制壓花材料的含水量。因此，掌握壓花材料含水量的變化規律，利用數學模型定量描述壓花材料的干燥過程，進行干燥動力學研究，對科學制定干燥時間、調整干燥工藝、提高能效和產能等有著重要的理論及實際意義。

薄層干燥研究是探討農副產品干燥特性的基礎［10］，已廣泛地應用于農副產品加工領域［11，12］，但用于壓花材料干燥方面的研究卻不多見［13，14］。為了更好了解壓花材料的干燥過程，本試驗以壓花用玫瑰花瓣為研究對象，對其熱風干燥過程、外觀和微觀形貌變化、熱解特性進行研究，確定其薄層干燥過程動力學的數學模型，并求算出干燥過程的動力學參數，為進一步研究壓花材料的熱風干燥以及今后的規模化生產中干燥設備的設計、干燥工藝的制定等提供實驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

市售新鮮紅色玫瑰(Rosachinensis，平均含水率為78.3%)，DHG-9076A 電熱恒溫鼓風干燥箱(上海精宏試驗設備有限公司)，干燥板(孔徑4 mm，孔間距8 mm)，S-3400N 型掃描電子顯微鏡(日本日立公司)。

1.2 花瓣的含水率測定

新鮮玫瑰花經去除雌蕊、花托、多余花瓣，清除表面異物，測定花瓣的含水率，然后將花瓣上下兩側依次放上吸水宣紙和薄海綿，使用干燥板將其夾住、壓緊，放入事先升溫好的恒溫鼓風干燥箱中，開始計時，每隔一定時間測定花瓣的含水率，水分含量按照GB5009.3-2003 測定。

1.3 藝術美觀性

分別從1-平整度，2-完整度，3-褐變程度，4-色變程度，5-光澤度等5 個不同方面對干燥后玫瑰花瓣的外觀、色澤等進行評分，每項滿分10 分。

1.4 干燥動力學模型及參數計算

在干燥過程中，根據被干燥物料在不同時刻的含水量可計算水分比［15-17］，水分比(MR)表示某時刻待除去的自由水分量與初始總自由水分量的比值，其表達式為:

其中，Mt是t 時刻的干基含水量(g/g 絕干物料)，M0和Me分別是初始和達到平衡時干基含水量(g/g 絕干物料)。由于濕物料的平衡干基含水量Me難以確定，可近似用干燥產品的最終干基含水量Mf(g/g 絕干物料)代替:

以MR對干燥時間t 作圖即為以水分比表示的干燥曲線。

玫瑰花瓣的干燥符合薄層干燥類型，因此可以采用常用的薄層干燥動力學模型對實驗數據進行擬合，將Fick 第二定律應用于薄層干燥過程可得:

對于較長時間的干燥過程，式(3)可簡化為:

兩邊取對數得到:

以水分比的對數lnMR對干燥時間t 作圖可得一條直線，從直線的斜率可求得有效水分擴散系數D。干燥溫度對有效水分擴散系數D 的影響關系可用阿侖尼烏斯公式表達，即:

式中:D0為指前因子(m2/s)，Ea為干燥過程的活化能(kJ/mol)，R 為氣體常數8.314 J/(mol·K)，T 為絕對溫度(K)。對(6)式的兩端取對數得:

以有效水分擴散系數的對數lnD 對溫度的倒數1/T 作圖可得一條直線，由直線的斜率可求得活化能。

2 結果與討論

2.1 玫瑰花瓣熱風干燥特性

2.1.1 干燥溫度對MR的影響

探索實驗發現，干燥板、宣紙、海綿等對玫瑰花瓣干燥的影響不大，這是因為這些材料的孔隙較大對水分從花材向環境的擴散阻力小，而溫度和時間的影響較大，是因為兩者均能促進水分擴散，此外由于壓花花材有藝術美觀性的要求，干燥的溫度和時間都不能太高和太長，以最終10%～18%含水率為宜［18］。分別選用35、40、45、50 ℃下，測定不同干燥時間下花瓣的含水率，水分比與時間的關系如圖1所示。從圖1 可以看出，相同溫度，干燥前期水分失去量較大，隨著時間的進行，逐漸減少，這主要是前期花瓣水分含量大，水分驅動力較大，從室溫升高到某個溫度時表面水分在短時間內迅速蒸發，當表面水分蒸發后，花瓣內部的水分擴散到表面需要一段時間，導致水分失去量減少，后期花瓣水分含量較少，花瓣收縮后細胞間隙減小，水分的蒸發阻力不斷增大，導致水分失去量減小，隨著時間的延長，花瓣中水分逐漸減少，溫度越高干燥速率越快，達到相同的含水率，50 ℃所需要的時間比30 ℃縮短80 min左右，45 ℃在840 min 就可以達到壓花材料所需的含水率。

圖1 不同干燥溫度下玫瑰花瓣的干燥曲線ig.1 Drying curves of rose petals under different temperatures

2.1.2 熱風溫度對玫瑰花壓花藝術美觀性的影響

實驗過程發現采用熱風干燥，溫度提高或時間延長，花瓣有輕度萎縮現象，花瓣顏色變紫，且干燥不均勻。溫度對于花材干燥過程中色變的影響是較大的，當溫度升高時，酚類色素的穩定性下降，微生物和酶活性顯著增強引起化學反應的加速，導致花瓣的色變加劇。而熱風干燥的時間較長，酚類色素易被氧化，破壞了原有的顏色導致發生褐變。雖然低溫下干燥花瓣可以較好地保持花材顏色，但是水分蒸發慢，耗時太長，很難達到保色的要求，干燥時間過長，細胞因失水引起原生質體的收縮，對細胞形態起支持作用的膨壓下降，較薄的細胞壁承受不起外界大氣壓力和原生質收縮所產生的牽拉作用而引起玫瑰花瓣發生萎縮、皺折等外觀形態變化。

選擇不同的熱風干燥溫度，840 min 后分別從1-平整度、2-完整度、3-褐變程度、4-色變程度和5-光澤度評價花瓣的藝術美觀性，溫度對玫瑰花瓣壓花藝術美觀性的影響如圖2 所示，從圖2 可以看到，花瓣干燥后平整度隨著溫度升高、時間的延長而提高，但溫度升高、時間縮短可以降低褐變程度，溫度高時褐變程度也隨之加重，綜合不同干燥溫度和時間下花瓣的含水率及藝術美觀性指標，認為40 ℃下烘干840 min，可制備用于壓花材料的玫瑰花瓣。

2.2 干燥過程玫瑰花瓣表面的微觀形貌

圖2 不同溫度對花瓣藝術美觀性的影響Fig.2 The effect of temperature on artistic beauty of pressed rose petals

為了更好地了解干燥過程花瓣表面微觀形貌的改變，采用SEM 觀察其表面形貌［19，20］。圖3(A)為新鮮玫瑰花花瓣的正面SEM 圖。可以看到，玫瑰花花瓣的表面由排列整齊的乳突結構組成，且乳突飽滿，在每個乳突頂端有褶皺結構。圖3(B～D)為干燥300、500、840 min 的玫瑰花花瓣的正面SEM 圖。可以看到，隨著干燥的進行，陣列狀的乳突結構逐漸收縮，導致中間乳突頂端的褶皺變大，最后因失水產生中空造成乳狀腔體逐步塌陷。圖4(a)為新鮮玫瑰花花瓣的反面SEM 圖，可以看到，其表面有溝回結構，而且這些溝回深淺不一，高凸部分圍成圈，形成圍欄狀。圖4(b～d)為干燥過程300、500、840 min 玫瑰花花瓣反面的SEM 圖，可以看到，溝回結構仍然存在但已發生收縮，高凸部分逐漸萎縮，最后形成浮雕狀突起。

圖3 玫瑰花瓣干燥過程正面微觀形貌的變化Fig.3 Micromorphologic changes of obverse surface for rose petals during drying

圖4 玫瑰花瓣干燥過程反面微觀形貌的變化Fig.4 Micromorphologic changes of reverse surface for rose petals during drying

2.3 動力學模型的擬合

用于薄層干燥的動力學方程有Lewis、Page、Henderson-Pabis、Modified-Page，兩項指數，Thompson和Wang and Singh 等，選取40 ℃熱風干燥數據，進行以上動力學模型擬合，擬合結果較好的列在表1。從表1 的結果可以看到，玫瑰花瓣的真空干燥過程用Page 方程擬合的決定系數R2較高，而卡方(x2)均方根(RMSE)最小，因此該過程可用Page 方程模型描述，其動力學方程的表達式為 MR=exp(-1.6655×10-3t1.0144)。計算過程的有效水分擴散系數和活化能結果見表2，從表2 的數據可以看到，其有效水分擴散系數的數值隨溫度的升高而增大、這是溫度升高花瓣的干燥速率增大使得含水量下降加快的主要原因。玫瑰花瓣在35～50 ℃內干燥的有效水分擴散系數數值符合薄層類物質干燥的有效擴散率范圍10-11～10-9m2/s，其活化能數值小于40 kJ/mol，符合物理過程的活化能范圍。以此干燥數學模型可預測出壓花材料干燥過程中水分的變化規律，結合對壓花材料水分的要求，可計算不同熱風干燥的時耗，從而估計能耗，為設計高效經濟的壓花材料專用干燥裝備與制定科學的干燥工藝提供理論參考。

表1 動力學模型的擬合結果Table 1 Fitting results of the drying dynamic model

表2 熱風干燥動力學參數Table 2 Dynamic parameters of hot air drying

2.4 動力學模型的驗證

圖5 熱風干燥理論值與實驗值比較Fig.5 Comparison of theoretical values and actual measured values of hot air drying

為了驗證Page 方程模型的準確性，選擇40 ℃條件的熱風干燥實驗數據和Page 方程計算的MR對時間t 作圖，得到圖5，從圖5 可以看到，計算值和實驗值吻合較好，進一步說明采用Page 方程模型來描述玫瑰花瓣的熱風干燥是可靠的。

3 結論

通過對玫瑰花瓣壓花材料的熱風干燥過程及特性的研究，發現熱風溫度對玫瑰花瓣干燥速度的影響較大，溫度越高，干燥越快;在相同干燥時間下，玫瑰花瓣壓花材料的藝術美觀性隨著溫度的升高，逐漸增強，當溫度超過45 ℃后又有減弱的趨勢，在熱風40 ℃、840 min 下干燥，可以制備具有較好藝術美感的玫瑰花瓣壓花材料。隨著干燥的進行，玫瑰花瓣正面原排列整齊的乳突結構逐漸收縮，引起乳突頂端的褶皺變大且間距逐步增大，最后因失水產生中空造成乳狀腔體塌陷;花瓣反面的溝回結構發生收縮，高凸部分逐漸萎縮，最后形成浮雕狀突起。玫瑰花瓣熱風干燥過程的有效擴散系數為2.524×10-10m2/s，活化能為11.322 kJ/mol，其干燥動力學模型可用薄層干燥Page 模型來描述，其表達式為MR=exp(-1.6655×10-3t1.0144)。

1 Chen GJ(陳國菊)，Zhao GF(趙國防).Pressed Flower Art(壓花藝術).Beijing:China Agriculture Press，2009.2.

2 Zhang Jun(張俊).The study of pressing and preservation of dehydrated flower.Northern Horticul(北方園藝)，2010，9:109-111.

3 Liu Y(劉嶧)，Wang L(王麗)，Liu HQ(劉慧芹)，et al.Study on color-keeping technology of the rosachinensis petals as pressed flower material.Hubei Agric Sci(湖北農業科學)，2011，50:3331-3333.

4 Safeena SA，Patil VS.Studies on the effect of microwave oven drying on flower quality of dried dutch rose flowers.Nat Acade Sci Lett，2014，37:19-24.

5 Nowak R，Olech M，Pecio L，et al.Cytotoxic，antioxidant，antimicrobial properties and chemical composition of rose petals.J Sci Food Agric，2014，94:560-567.

6 Song CF(宋春芳)，Qin YH(覃永紅)，Chen X(陳希)，et al.Experiments on microwave vacuum drying of rose.Trans Chin Soc Agric Eng(農業工程學報)，2011 27:389-392.

7 Song CF(宋春芳)，Qin YH(覃永紅)，Zhou L(周黎)，et al.Effects of different drying methods on quality of rose petals.J Northeast Forest Univ(東北林業大學學報)，2011，39(3):41-43.

8 Safeena SA，Patil VS.Effect of hot air oven and microwave oven drying on production of quality dry flowers of dutch roses.J Agric Sci，2013，5:179-189.

9 Quintero Ruiz NA，Demarchi SM，Giner SA.Effect of hot air，vacuum and infrared drying methods on quality of rose hip(Rosa rubiginosa)leathers.Int J Food Sci Technol，2014，49:1799-1804.

10 Wang N(王寧)，Liu WX(劉文秀)，Li FC(李鳳城)，et al.Thin layer drying model of apricot at low temperature.Trans Chin Soc Agric Mach(農業機械學報)，2011，42:140-144.

11 Iqba S，Devinder D，Shashi P.Optimisation of drying of French marigold(Tagetes patula Linn.)flowers.Int Agric Eng J，2006，15:11-15.

12 Li XD(李曉冬)，Liu HY(劉鴻雁)，Hu BS(胡柏松)，et al.Research on vacuum drying characteristic of yellow chrysanthemum.J Anhui Agric Sci(安徽農業科學)，2010，38:10895-10897.

13 Lee JH，Kim HJ.Vacuum drying kinetics of Asian white radish(Raphanus sativus L)slices.Food Sci Technol，2009，42:180-186.

14 Liu K(劉珂)，Zhu WX(朱文學).Study on hot air drying characteristic of pressed peony and dynamic model.J Agric Mech Res(農機化研究)，2010，11:188-192.

15 Wang BH(王寶和).Review of drying kinetics.Drying Technol Equip(干燥技術與設備)，2009，7:51-56.

16 Zhang YJ(張亞晶).Research on hot-air drying characteristics and heat and mass model of carnation.Kunming:Kunming University of Science and Technology(昆明理工大學)，MSc.2012.

17 Sun SH(孫淑紅).Research on pressing technology of peony.Luoyang:Henan University of Science and Technology(洛陽:河南科技大學)，MSc，2011.

18 Hong B(洪波).Manufacturing Process and Application of Drying Flower.Beijing:China Forestry Press，2009.

19 Lin GH(林國輝)，Wang YL(王育林)，Peng YH(彭永宏).Observation on the ultrastructure of petal of cut rose flowers by SEM.J South China Norm Univ(華南師范大學學報)2001，3:106-110.

20 Wang MC(王明超)，Yang QL(楊青林)，Wang C(王春)，et al.Effects of micro-and nano-structure on the adhesive property of rose petals.Chem J Chin Univ(高等學校化學學報)，2011，32:1594-1597.