金銀花紅外鼓風干燥特性、失水動力學及干制品品質研究

杜利平,趙恒強,周冰謙,杜金華,王　曉,*,崔　莉,*

(1.山東農業大學食品科學與工程學院,山東泰安 271018;2.山東省中藥質量控制技術重點實驗室山東省分析測試中心,山東濟南 250014)

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金銀花紅外鼓風干燥特性、失水動力學及干制品品質研究

杜利平1,2,趙恒強2,周冰謙2,杜金華1,王曉2,*,崔莉2,*

(1.山東農業大學食品科學與工程學院,山東泰安 271018;2.山東省中藥質量控制技術重點實驗室山東省分析測試中心,山東濟南 250014)

目的:研究金銀花的紅外鼓風干燥特性及其動力學模型。方法:金銀花在不同溫度(35、45、55 ℃)條件下進行紅外鼓風干燥,計算水分比、干燥速率等參數,擬合建立干燥動力學數學模型,并測定干制品的色澤、主要成分等干燥特性。結果:金銀花在紅外鼓風干燥過程中,干燥溫度越高,用時越短,降速階段為其干燥的主要階段。干燥的動力學模型擬合結果表明 Page模型的預測值與實驗值吻合性好,可以用來預測和描述金銀花紅外鼓風干燥的失水過程。費克第二定律求得干燥過程中的水分有效擴散系數(Deff)在5.06606×10-9～7.59909×10-8m2/s內,且隨溫度的升高而增大;阿倫尼烏斯方程計算得出金銀花紅外鼓風干燥平均活化能為113.569 kJ/mol。35 ℃時金銀花的色差值ΔE最小,有效成分含量最高,與陰干相比可提高效率并保證產品質量。結論:金銀花紅外鼓風干燥的主要階段為降速階段,Page模型適于預測和描述其失水過程,35 ℃紅外干燥與陰干相比可提高效率,且產品品質更優。

金銀花,紅外鼓風干燥特性,動力學模型

金銀花(Flos lonicerae)為忍冬科植物忍冬(Lonicerajaponica)的干燥花蕾或帶初開的花[1]。化學成分研究表明,其富含揮發油、黃酮類、三萜類及有機酸等活性成分[2-3],具有抑菌,抗病毒,解熱,抗炎,保肝,止血,抗氧化,免疫調節等作用[4-5]。新鮮金銀花含水量高達80%左右,其采后干燥過程是影響其品質的關鍵環節,為了提高干燥效率、降低能耗以及提高干燥產品質量,對物料的干燥特性研究是有必要的[6]。

金銀花的傳統干燥方法主要有晾曬干燥、陰干干燥、殺青烘干等,存在干燥周期長、品質不穩定、易受氣候影響等缺點[7-8],現代干燥技術主要有:紅外干燥、微波干燥、冷凍干燥等,微波干燥和冷凍干燥產品品質較好,但成本較高,不適宜普通小型加工單位或單個農戶[9-10],而紅外干燥成本較低,也是應用較廣的現代干燥技術,與傳統的干燥方式如陰干干燥相比,具有加熱效率高、干燥產品品質好等特點,且操作簡便,易于推廣。目前金銀花的干燥研究主要集中在工藝優化方面[11-12],對其干燥的深入研究相對較少,特別缺乏可指導生產的基礎理論研究。因而本研究采用紅外鼓風技術對金銀花進行干燥,研究不同干燥溫度下金銀花的干燥特性,建立金銀花紅外鼓風干燥數學模型,以期能較準確地預測金銀花干燥過程中水分變化規律和干燥速率,為金銀花干燥加工提供指導。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

新鮮三青期的金銀花于2015年5月采自山東省分析測試中心院內;綠原酸對照品、新綠原酸對照品、木樨草甘對照品、蘆丁對照品、3,4-二咖啡酰奎寧酸對照品、4,5-二咖啡酰奎寧酸對照品成都曼斯特生物有限公司。

BAS124S萬分之一天平賽多利斯科學儀器(北京)有限公司;HF881-2型遠箱吳江華飛電熱設備有限公司;Agilent 1120型高效液相色譜儀美國Agilent公司;NH310色差儀深圳市三恩時科技有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1濕基含水量測定將鮮金銀花放置于105 ℃的烘箱中12 h,得到金銀花初始含水量為80%±2%(濕基含水量)。

1.2.2紅外鼓風干燥過程用電子天平稱取質量為5 g新鮮金銀花,單層(5 mm)平鋪放入已工作穩定的紅外鼓風干燥箱的托盤。固定風速為1.2 m/s。按不同的干燥溫度(35、45、55 ℃)對金銀花進行干燥實驗,在第1 h內每隔15 min取一次樣進行稱量,在第2～3 h內每隔20 min取一次樣進行稱量,在后面的干燥時間內每隔30 min取一次樣。當前、后兩次取樣測得的質量差小于0.1 g時,停止干燥。每次實驗作3次平行,取均值。

1.2.3有效成分測定分別稱取不同溫度干燥和陰干的金銀花各1 g,分別加40 mL 60%甲醇研磨提取后,置于50 mL離心管中超聲提取30 min,過濾,作為待測液。參考藥典2010年版一部金銀花中綠原酸含量測定法。色譜條件:色譜柱為Inertsil-ODS-RP(250 mm×4.6 mm,5 μm);流動相:A：0.2%甲酸溶液,B：乙腈;梯度洗脫:0～10 min,8%～10% B;10～20 min,10%～15% B;20～30 min,15%～15% B;30～40 min,15%～25% B;40～50 min,25%～30% B;50～51 min,30%～100% B;51～60 min,100% B;流速1 mL·min-1;檢測波長280 nm,柱溫25 ℃,進樣量10 μL。

對照品制備:分別準確稱取0.0020 g綠原酸對照品,0.0012 g新綠原酸對照品,0.0004 g木樨草苷對照品,0.0019 g蘆丁對照品,0.0011 g 3,4-二咖啡酰奎寧酸對照品和0.0011 g 4,5-二咖啡酰奎寧酸對照品。用70%乙醇溶解定容于10 mL的容量瓶中,過0.45 μm微孔濾膜濾后備用。分別精密吸取對照品2、4、6、8、10、12 μL按上述色譜條件進樣,測定峰面積。

1.3實驗指標計算方法

1.3.1干基含水率金銀花干燥過程的干燥曲線采用干基含水率隨干燥時間變化的曲線表示,不同干燥時刻金銀花的干基含水率按式(1)計算:

式(1)

式中,Wt-t時刻試樣的干基含水率,g·g-1干物料;mt-試樣干燥至t時刻的總質量,g;md-試樣用105 ℃恒重法干燥測定的干物料質量,g。

1.3.2水分比干燥過程中物料的水分比(moisture ratio,MR)可用來表示物料還有多少水分未被干燥去除,還可以反映物料干燥速率的快慢,計算公式見式(2)[13],其中平衡干基水分含量Me按文獻[14]的方法確定:

式(2)

式中:Mt-t時刻時物料的干基含水量,g·g-1;Me-物料干燥平衡時干基水分含量,g·g-1;M0-物料的初始干基含水量,g·g-1。

因金銀花的平衡干基含水量Me遠小于Mt和M0,可將式(2)簡化成式(3)進行計算[15-16]:

式(3)

1.3.3干燥速率U按照Falade的方法[17]計算,即:

式(4)

式中:Ui-i時刻樣品的干燥速率,g·(g·min)-1;Mi-i時刻樣品干基含水量,g·g-1。

1.3.4有效水分擴散系數Deff生物制品的干燥過程一般是降速干燥過程,可以用Fick擴散方程進行描述其降速干燥特性。當具有相同初始干基含水率的樣品進行干燥實驗時,Fick擴散方程的解可以用如下形式來表示[18]:

式(5)

式中:Deff-有效水分擴散系數,m2·s-1;L0-物料厚度的一半,m。

在不同的干燥條件下,有效水分擴散系數用實驗數據擬合lnMR-t直線方程,根據直線方程的斜率計算Deff。

1.3.5活化能Ea有效水分擴散系數Deff與溫度Ta的相關性遵循Arrhenius 關系[19],即

式(6)

式中:D0-Arrhenius方程的指數前因子,m2/s;Ea-活化能,kJ·mol-1;R-氣體常數,kJ·(mol·K)-1;Ta-絕對溫度,K。

1.3.6色澤的測定采用色彩色差儀測定金銀花的色澤,本實驗用ΔL、Δa、Δb、ΔE值代表被測樣品的色澤(L、a、b)與鮮樣的(L*、a*、b*)的色差值[20]。色差值(ΔE)計算方法如下:

ΔE=[(L-L*)2+(a-a*)2+(b-b*)2]1/2

式(7)

1.4干燥動力學數學模型的選擇與建立

目前分區的方法很多，常用的主要有經驗定性法、指標法、類型法、重疊法、聚類分析法等。本研究采用定性分析與定量分析相結合的方法，前者選用經驗定型法，后者采用聚類分析法。

物料的干燥是一個復雜的過程,液相擴散理論是固體干燥過程質量傳遞的基本機理,過程可用Fick 方程描述[18]。常用的數學模型見表1[21]。

表1　用于干燥曲線分析的數學模型

2　結果與分析

2.1干燥溫度對金銀花紅外鼓風干燥特性的影響

金銀花薄層干燥的厚度為4 mm時,分別在35、45、55 ℃的紅外鼓風干燥溫度下進行實驗。由圖1可知:不同紅外鼓風干燥溫度下,金銀花干基含水率均隨干燥時間延長呈逐漸下降的趨勢。其中溫度越高,含水率降低越快,干燥耗時越短。干燥溫度分別為35、45、55 ℃條件下,35 ℃處理時金銀花干燥時間最長,耗時3150 min,明顯多于其他溫度處理,55 ℃時干燥時間最短,耗時450 min。同一紅外鼓風干燥溫度下,隨著干燥時間的延長,干基含水率的下降趨勢為先快后慢。

圖1　金銀花紅外干燥特性曲線Fig.1　Drying curves of Flos lonicerae at different infrared temperatures

圖2　不同紅外溫度金銀花的干燥速率曲線Fig.2　Drying rate curves of Flos lonicerae at different infrared temperatures

從圖2中由干燥速率隨干基含水率的變化可知,整個干燥除了開始的短暫升速,主要為降速階段,沒有明顯的恒速階段。干燥開始后,不同紅外鼓風干燥溫度下,隨著熱量的傳遞,金銀花表層水分被快速脫去,干燥速率很快增加到最大,干燥后期金銀花內部水分的遷移逐漸困難,干燥進入降速階段。隨著金銀花干基含水率的減少,干燥速率呈逐漸下降趨勢。說明在金銀花的紅外鼓風干燥過程中,內部水分擴散是主要原因,直接決定了金銀花的干燥速率。實驗過程中發現,當干燥溫度高于45 ℃時,金銀花產品色澤嚴重變暗,品質不佳,所以金銀花生產中干燥溫度應小于45 ℃。

2.2金銀花干燥動力學數學模型

2.2.1干燥模型的確定計算干燥過程的水分比MR,用Origin 9.0軟件對表1中的7個模型進行非線性回歸,模型中干燥時間t的單位取為min。在不同的紅外干燥溫度T(℃)下,7個模型的常數及其擬合檢驗指標R2、χ2和RMSE分列于表2。從表2中可以看出,Page干燥模型的擬合程度最好,其R2值最大,均值達0.99655,χ2和RMSE值最小,均值分別為2.7607×10-4、0.01561,所以Page模型能夠較好地描述金銀花紅外干燥過程。本結果與金銀花真空遠紅外輻射干燥結果相似[22]。

表2　各種薄層干燥模型的統計結果

表3　不同干燥條件下金銀花的有效水分擴散系數

2.2.2Page干燥模型的確定為了解紅外鼓風干燥溫度對Page模型參數k,n的影響,利用SPSS 18.0統計軟件分別對模型中待定的k,n與干燥溫度(T)進行一元非線性回歸擬合,得出k、n與T的關系式為:

k=-0.0001T2+0.0123T-0.257(R2=1)

式(8)

n=0.0021T2-0.1677T+4.0534(R2=1)

式(9)

k,n與T回歸分析的相關系數R2都為1,說明k,n可以用T來表示。因此,金銀花遠紅外干燥動力學數學模型可以表示為:

MR=exp[-(-0.0001T2+0.0123T-0.257)t(0.0021T2-0.1677T+4.0534)]

式(10)

2.2.3不同干燥溫度下Page干燥動力學模型的驗證不同紅外鼓風干燥溫度條件下金銀花紅外鼓風干燥實驗MR值和Page模型預測MR值結果比較見圖3。

圖3　不同干燥條件下Page模型預測值與實驗值比較Fig.3　Comparison of the predicted values by the Page modeland experimental values of moisture ratiowith varying time at different drying conditions

對35、45、55 ℃干燥溫度下實驗MR值和經Page模型預測的MR值進行線性回歸分析,得到的R2值分別為0.9984、0.9928、0. 9993。同時,由圖3可知,不同紅外鼓風干燥溫度條件下金銀花的模型預測水分比與實驗值較吻合,說明Page數學模型能夠較好地預測金銀花干燥過程中水分比隨干燥時間的變化,可用來定量描述不同紅外鼓風干燥溫度下金銀花干燥過程的規律。

2.3有效擴散系數和活化能

用Fick擴散方程進行計算金銀花干燥過程中的有效水分擴散系數。

表5　不同干燥條件對金銀花有效成分的影響

圖4　水分有效擴散系數與干燥溫度的關系曲線Fig.4　The relation curves of moisture effectivediffusion coefficients and drying temperatures

不同干燥溫度下的直線回歸方程為Y=-13660X+25.133(R2=0.9841),經計算得其活化能Ea為113.569 kJ/mol。

2.4金銀花干制品品質

2.4.1色差的比較陰干是金銀花加工的傳統干燥方式,為更好的評價紅外干燥產品的質量,將不同溫度紅外鼓風干燥和陰干方式進行比較研究,對金銀花色澤變化的影響如圖5所示。從圖5中可以看出,在干燥溫度為35～55 ℃之間,色差值ΔE隨著溫度的升高而增大,說明溫度越高對金銀花色澤的影響越大。紅外干燥溫度為35 ℃時,金銀花的色差值最小;紅外干燥溫度為55 ℃時,樣品的色差值最大。陰干樣品的ΔE值介于35～45 ℃之間。所以,35 ℃低溫紅外鼓風干燥可以更好地保持金銀花的色澤,陰干次之。55 ℃溫度較高,使金銀花變色嚴重,不宜采用。

圖5　不同干燥條件對金銀花色澤的影響Fig.5　Effect of different drying condition on the color of Flos lonicerae

2.4.2有效成分的比較表4為多種標樣的標準曲線及R2,通過高效液相色譜法提取的有效成分含量如表5所示。從表5中可以看出,在紅外鼓風溫度為35 ℃時,除3,4-二咖啡酰奎寧酸以外,其它有效成分均是最高;紅外鼓風干燥溫度55 ℃時,金銀花中的有效成分最低,可能是由于溫度過高,破壞了金銀花中的有效成分。所以,35 ℃時金銀花中的有效成分保留最好,45 ℃和陰干次之,不易采用55 ℃進行干燥。

表4　多種標樣的標準曲線方程及R2

3　結論

3.1本實驗在恒定風速1.2 m/s的條件下,35、45、55 ℃金銀花紅外鼓風干燥的干燥曲線和干燥速率曲線。結果表明,隨著溫度的升高,干燥速率逐漸增大,干燥時間縮短。金銀花的紅外鼓風干燥過程主要為降速干燥,內部水分擴散速率決定了干燥速率。

3.2Page模型對金銀花紅外鼓風干燥過程的擬合性最好,其R2均值為0.99655,χ2和RMSE的均值分別為2.7607×10-4和0.01561,經驗證,模型模擬的干燥過程水分比變化情況與實際測量基本相符。因此可以用Page 模型對金銀花紅外鼓風干燥水分比進行擬合。

3.3在實驗范圍內水分有效擴散系數隨著干燥溫度的提高而增大,其范圍為5.06606×10-9～7.59909×10-8m2/s,金銀花平均活化能Ea為113.569 kJ/mol。

3.4紅外鼓風干燥溫度為35 ℃時,金銀花的總色差值ΔE最小,有效成分含量最高,其次為陰干和45 ℃干燥,55 ℃時溫度過高,對金銀花的色澤和有效成分影響較大,不易采用。35 ℃紅外鼓風干燥比陰干可提高效率節省時間,且產品品質更優,適宜現代化生產加工。

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Drying characteristics,drying kinetics and product quality of Flos lonicerae during infrared-forced air drying

DU Li-ping1,2,ZHAO Heng-qiang2,ZHOU Bing-qian2,DU Jin-hua1,WANG Xiao2,*,CUI Li2,*

(1.College of Food Science and Engineering,Shandong Agricultural University,Taian 271018,China;2.Key Laboratory of TCM Quality Control Technology,Shandong Analysis and Test Center,Ji’nan 250014,China)

Objective:To study the infrared-forced air drying characteristics and drying kinetics mathematical model of Flos lonicerae. Methods:The experiment was carried out at different infrared radiation drying temperatures(35,45,55 ℃). The drying characteristics were detected and the drying kinetics mathematical model was established. Meanwhile,the value of colour and effective constituents were detected. Results:The drying time decreased with the increase of the drying temperature. According to statistical parameters,the Page model predicts and describes the drying process more accurately than others. There was a good agreement between the experimental and predicted values. Since the drying process occurred in falling rate periods,the Fick’s second law of diffusion was employed to calculate the value of moisture effective diffusivity(Deff),which ranged from 5.06606×10-9～7.59909×10-8m2/s,and increased with the increasing of drying temperature. The value of ΔE was least and the effective constituent was maximum at 35 ℃ of Flos lonicerae. The activation energy determined from Arrhenius equation was 113.569 kJ/mol. Conclusion:The drying process of Flos lonicerae only contained deceleration stage.The Page model was the best suitable for predicting moisture ratio. The infrared drying at 35 ℃ compared with drying in the shade was more efficient.

Flos lonicerae;infrared-forced air drying character;kinetic modeling

2016-01-22

杜利平(1990-),女,碩士研究生,研究方向:食品科學,E-mail:15165046799@163.com。

王曉(1971-),男,博士,研究方向:中藥資源與天然產物研究,E-mail:wxjn1998@126.com。

崔莉(1983-),女,博士,研究方向:藥食兩用資源開發,E-mail:cuili0617@163.com。

國家自然科學基金面上項目(81473298);山東省科技發展計劃項目(2014GSF119031);山東省自主創新專項子課題(2013CXC20401)。

TS201.2

A

1002-0306(2016)16-0093-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.16.010