青花椒熱風—微波耦合干燥水分遷移與能量特性

摘要：為優化青花椒干燥工藝，降低能耗，通過實驗探究不同熱風溫度（55℃、65℃、75℃）和微波功率（280 W、462 W、595 W）干燥工況的花椒薄層失水特性；基于水分比隨時間的變化，應用Fick第二擴散定律，確定花椒薄層熱風微波耦合干燥動力學模型和有效水分擴散率（Deff）；對比分析熱風—微波耦合干燥與熱風干燥的能耗以及干制花椒外表皮微觀結構。結果表明：升高熱風溫度或增加微波功率，均有利于提高干燥速率，且高微波功率促進花椒內部失水的作用遠大于升高熱風溫度增加花椒表面水分強制對流的作用；在干燥降速期，隨著極性水分子吸收微波輻射能量減少，水分擴散率降低，Deff的變化范圍為（1.65026～4.51093）×10-8m2/s；Logarithmic模型為青花椒薄層熱風微波耦合干燥失水動力學最優模型；相比于熱風干燥，熱風微波耦合干燥的比能耗減小1/9～1/5，能效增大4～5倍；花椒經熱風微波耦合干燥后的外表皮氣孔器張開程度更大。研究結果可為實際花椒干燥應用工藝優化、參數設計與節能提供理論依據。

關鍵詞：熱風；微波；干燥動力學；能耗；微觀結構

中圖分類號：TS222+.1

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 05-0091-07

收稿日期：2022年10月20日" 修回日期：2022年12月10日*基金項目：陜西省重點研發項目（2019NY—166）

第一作者、通訊作者：薛韓玲，女，1971年生，陜西韓城人，博士，副教授；研究方向為農產品傳熱傳質與節能技術。E-mail： "szt2001718@xust.edu.cn

Moisture migration and energy characteristics of hot air coupled microwave drying of

thin-layer Zanthoxylum bungeanum

Xue Hanling1， Wan Xuening1， Liao Banghai2， Shi Jiankun3

（1. College of Energy and Engineering， Xi’an University of Science and Technology， Xi’an， 710000， China;

2. School of Architecture and Civil Engineering， Xi’an University of Science and Technology， Xi’an， 710000， China;

3. Xi’an Branch of the Fifth Research Institute of China Aerospace Science and Technology Corporation， Xi’an， 710000， China）

Abstract：

In order to optimize the drying process of Zanthoxylum bungeanum and reduce energy consumption， the controllable system of hot air coupled microwave drying for thin-layer Zanthoxylum bungeanum was applied to investigate the dehydration characteristics at different hot air temperatures of 55 ℃， 65 ℃ and 75 ℃ and microwave powers of 280 W， 462 W， 595 W. Based on the variation of moisture ratio of Zanthoxylum bungeanum with time， the dynamic model of hot air coupled microwave drying of thin-layer Zanthoxylum bungeanum was determined by solving Fick’s second diffusion law and the effective moisture diffusivity （Deff） was calculated. The tissue morphology of outer epidermis of Zanthoxylum bungeanum and the specific energy consumption of hot air coupled microwave drying were compared with that of hot air drying. The results showed that the increase of hot air temperature and microwave power resulted in the acceleration of drying rate of Zanthoxylum bungeanum， and the effect of high microwave power on the internal dehydration of Zanthoxylum bungeanum was greater than that of increasing the hot air temperature to enhance the convection of water on the surface of Zanthoxylum bungeanum. The falling-rate period was the main stage of drying， during which less microwave radiation energy was absorbed by polar water molecules and low moisture diffusivity extending the drying time. The variation range of moisture diffusion coefficient was （1.650 26-4.510 93）×10-8 m2/s. Logarithmic model was selected as the best to predicate the moisture variation of Zanthoxylum bungeanum in hot air coupled microwave drying. The scanning electron microscope （SEM） and energy characteristic analysis showed that， compared with hot air drying， the opening degree of stomatal apparatus in the outer skin of Zanthoxylum bungeanum dried by hot air coupled microwave was significantly greater， the Deff also increased in order of magnitude， the specific energy consumption decreased by 1/9 to 1/5， and the energy efficiency accelerated by 4 to 5 times. The conclusions provide technical guidance for the practical application of Zanthoxylum bungeanum drying engineering and present the theoretical basis for its process optimization， parameter design and energy saving.

Keywords：

hot air; microwave; drying kinetics; energy consumption; microstructure

0 引言

花椒民用可作為調味料，工業用可提取香料芳香油，藥用可溫中止痛，殺蟲止癢［1］。據統計，截至2023年全國花椒種植面積達1 533.33 hm2，年產花椒57.4×104 t。在 “碳中和”政策背景下，對花椒干燥工藝進行優化，降低干燥能耗，有效提高工業化干燥成品品質與經濟價值至關重要［2］。

微波干燥作為一種節能、高效、綠色的干燥技術［3］，相關學者在花椒干燥領域進行了研究。趙超等［4］采用不同微波功率研究花椒干燥特性，確定出花椒薄層間歇式微波干燥模型。鄭嚴［5］通過對比花椒薄層熱風干燥與微波間歇干燥，分析了不同干燥工藝對花椒品質和干燥能耗的影響。但這些研究僅針對單一的微波干燥，單一的微波干燥因其不均勻性會對物料干燥質量和能量利用造成不利影響［3］。多種干燥方式的聯合，可實現各干燥技術的優化互補［6］，王玲等［7］以色差，揮發油含量和能耗的綜合評分為響應值，分析得到熱風與微波串聯干燥的最佳工藝。國內外學者對諸如橙皮［8］、山藥［9］、芹菜［10］等農產品也做了一定研究，結果表明這兩種干燥方式的結合對減少干燥時間和提高農產品品質效果較好。衛靈君等［11］通過5種干燥模型對牛蒡熱風微波耦合干燥過程中的水分變化進行擬合，發現Logarithmic方程能很好地描述干燥過程含水率變化規律。但目前對于青花椒，熱風與微波并聯耦合干燥技術，至今鮮有報道。

本文通過熱風微波耦合干燥試驗，探究不同熱風溫度和微波功率工況下青花椒的失水特性和能量特征，為青花椒干燥工藝的選擇與優化提供行之有效的科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗采用江津九葉真空冷凍包裝鮮花椒，去除莖葉。依據恒質量法，利用烘干箱（蘇珀202-0，精度±1℃）測得其初始含水率為218%。

1.2 儀器與設備

自制熱風—微波耦合干燥實驗系統主要包括干燥介質輸送控制、干燥裝置和水分監測三部分，見圖1。系統主要由軸流風機（來日SF3-4，電機功率0.12kW），柔性耐高溫風管（玻璃棉保溫），熱敏式風速儀（DT-3880，精度1%）、空氣加熱器（G-11），微波裝置（P70D20TL-04）和電子精密天平（PWN423ZH/E，±0.002 g）組成。微波裝置一側為熱風入口（直徑85 mm），另一側為矩形排濕口（60×80 mm），電子天平自頂部鉆孔（直徑20 mm）與物料托盤連接。采用掃描電鏡SEM（JSM-6460LV）觀察干燥成品花椒果皮外表面組織微觀形貌。

1.7 試驗方法

每組試驗取200 g青花椒，均勻平整鋪放于聚丙烯物料托盤（170 mm×120 mm×26 mm），層鋪厚度不超過2 cm。為結合生產實際［4， 5， 7］，試驗中熱風風速V恒為1.0 m/s，選擇55℃、65℃和75℃三個溫度水平，280W、462W和595W三個微波功率水平進行試驗。待試驗條件達到設定值，將盛有鮮花椒的托盤懸掛于精密天平，計數間隔為5s，并啟動微波裝置，直至花椒濕基含水率降為10%則干燥結束，每組工況試驗重復3次取平均值。

2 結果與分析

2.1 干燥特性曲線

2.1.1 熱風溫度對干燥特性的影響

恒定微波功率P下，不同風溫T對花椒薄層熱風微波耦合干燥失水特性的影響如圖2、圖3所示。從圖2可知，P為280W時，當T由55℃升至75℃，干燥時間由52 min縮短至32 min，減少了38.5%，且最大干燥速率DRmax從0.02826提高至0.04342 g/（g·min）。即隨著風溫T的升高，花椒熱風微波耦合干燥所需時間減少，干燥速率增大。這是因為風溫的升高導致花椒表面的水分蒸發，增加了花椒內外水分濃度梯度，從而促進了花椒內部水分擴散。但從圖3（a）可知，P為462 W時，當T從55 ℃升至75 ℃，對應的水分比MR隨時間t的變化曲線差距較小，甚至出現重合。這是因為微波的強穿透性，使得高微波功率促進花椒內部失水的作用遠遠大于升高熱風溫度增加花椒表面水分強制對流的作用，降低了熱風溫度的影響［19］，Malekjani等［20］對榛子熱風微波耦合干燥時也發現了同樣的現象。

從圖2和圖3干燥速率曲線可知，在熱風—微波耦合干燥初期，DR值大幅度增加至峰值，然后隨著花椒失水而逐漸降低，進入干燥降速階段。這是因為花椒初始含水量較高，熱風和微波共同作用所提供的外熱源和內熱源，極大地促進了花椒表面的自由水分蒸發以及內部水分擴散，使得DR迅速加快，呈現出明顯的升速期。

隨著干燥過程中花椒不斷失水，吸收的微波輻射能量減少，而且低含水量導致低的水分擴散率，抑制了花椒內部水分遷移，使得干燥速率降低。熱風溫度越高干燥速率越快，280W微波功率條件下的干燥速率隨熱風溫度的變化幅度大于462W微波功率。

2.1.2 微波功率對干燥特性的影響

不同微波功率下的花椒干燥濕分比MR和干燥速率DR的變化見圖4。從圖4可知，當T恒定時，P由280W切換至462 W，干燥時間縮短30.76%，再切換至595 W時，干燥時間縮短42.3%，對應最大干燥速率DRmax分別為0.02826g/（g·min），0.04231g/（g·min）和0.05887 g/（g·min），說明隨著P的升高，干燥時間縮短，干燥速率增大。這與Drouzas［21］的報道結果一致。這是由于受微波體積加熱和選擇性加熱的影響，隨著P的增加，微波直接作用在花椒內部的熱量增加，使得其內部極性水分子吸收微波輻射能增大而迅速汽化，產生內高外低的水蒸氣壓力梯度，推動花椒顆粒內部水分快速擴散至外表面，極大地提高干燥效率。從圖4可知，熱風微波耦合干燥初期，DR大幅度增加直至到達峰值，然后隨著花椒水分的減少，干燥速率開始緩慢降低，進入干燥降速期。

2.2 花椒薄層熱風—微波耦合干燥數學模型

應用表1中的5種干燥模型對花椒熱風微波耦合干燥試驗數據進行非線性擬合，并通過 R2、χ2 和RSS值評估，結果如圖5所示。

從圖5可知，Logarithmic模型擬合所對應的R2均值最高，達到0.9957，RSS和χ2的均值最小，分別為0.0064和4.892×10-4。因此，Logarithmic模型為描述花椒熱風微波耦合干燥失水動力學規律的最優模型。不同工況下Logarithmic模型MR的預測值與試驗驗證結果如圖6所示，相對誤差≤10%，說明試驗值與模型值達到很好的一致性。各試驗工況下該模型的擬合結果如表2所示。

2.3 有效水分擴散率

不同工況下花椒熱風微波耦合干燥的有效水分擴散率值Deff見表3。

由表3可知，其R2值在0.943 3～0.987 4之間，RSS值在0.018 08～0.201 86之間，擬合程度良好。Deff變化范圍為（1.650 26～4.510 93）×10-8 m2/s，其變化規律與干燥速率一致，相比于Zogzas等［22］介紹的大多數農產品和果蔬熱風干燥的有效擴散率范圍（10-11 ～10-9）呈量級增大。這是因為微波能直接對花椒內部極性水分子加熱，使其迅速汽化而產生內高外低的水蒸氣壓力梯度，推動花椒內部的水分遷移至外表面。同時，熱風作為外部熱源與花椒發生對流作用，使得花椒外表面水分吸熱后蒸發擴散至空氣中，產生花椒顆粒外低內高的水分濃度梯度，促進了花椒內部水分向外遷移［23］。

隨著熱風溫度T的升高和微波功率P的增大，Deff逐漸增大。將Deff與T和P進行多元回歸，得到花椒熱風微波耦合干燥的有效水分擴散模型，如式（12）所示。

Deff=

5.054 37×10－11P+5.612 46×10－10T－2.969 38×10－8 R2=0.922

（12）

對回歸方程進行F檢驗，顯著性水平α=0.05，F=48.403＞F0.05（2，6）=5.143。概率值=1.987 87×10-4＜0.05，說明Deff與T和P的線性關系顯著。

2.4 能量分析

不同工況下的干燥比能耗和能效對比見圖7。

從圖7（a）可知，當P=280 W，T分別為55、 65和75℃時，相應的比能耗SEC分別為24.11 MJ/kg、22.15 MJ/kg和20.44 MJ/kg，而對應的能效ηe分別為9.6%、10.4%和11.2%。從圖7（b）可知，當T=55℃，P分別為280W、462W和595W時，相應的SEC分別為24.11MJ/kg、19.71MJ/kg和18.27MJ/kg，對應的ηe分別為9.6%、11.7%和12.7%。可見，升高熱風溫度增加微波功率均有利于降低干燥能耗，提高干燥能效。這是因為干燥時間長短影響能量特性［19］，隨著熱風溫度和微波功率的升高，干燥時間縮短，從而顯著降低能耗，提高能效。

此外，圖7（a）給出T=75℃熱風干燥的SEC和ηe值分別為 113.01 MJ/kg和2.03%。當T=75℃，P=280 W的微波輔助時，耦合干燥可達到的最大SEC值（20.44 MJ/kg）近于熱風干燥時可達到的最小SEC（113.01 MJ/kg）的1/5，而其能效值ηe是熱風干燥的4～5倍。圖7（b）給出T=55℃熱風干燥的SEC和ηe值分別為109.46 MJ/kg和2.17%，其SEC值是其熱風微波耦合干燥的4～6倍，而能效極低。證明熱風—微波耦合干燥花椒可顯著節能。

2.5 SEM分析

熱風干燥（65℃）和熱風—微波耦合干燥（65℃、462W）的干制青花椒外表皮SEM見圖8。由圖8（a）和圖8（c）可知，花椒外表皮分布著諸多呈橢圓狀的氣孔器以及部分晶狀分泌物。氣孔器既是花椒內水分向外遷移的通道，也是復水時水分進入的通道。從圖8（b）和圖8（d）可見，放大5000倍可清晰觀察到花椒外表皮氣孔器形態，相比于熱風干燥，耦合干燥下花椒外表皮能夠產生較大的氣孔，閉合氣孔器較少，這有利于減小花椒內部水分向外遷移的阻力，從而促進水分擴散，解釋了耦合干燥Deff值呈量級增大。

3 結論

1） 花椒薄層熱風—微波耦合干燥時，升高熱風溫度或增加微波功率，均有利于提高干燥速率，縮短干燥時間；但在高微波功率輔助時，熱風溫度對于花椒失水特性的影響很小。

2） Logarithmic模型可認為是花椒薄層熱風—微波耦合干燥失水動力學的最優模型，可用于預測花椒薄層熱風微波耦合干燥過程的水分變化規律。相比于熱風干燥，花椒薄層熱風—微波耦合干燥的有效水分擴散率Deff呈量級增大，變化范圍為（1.650 26～4.510 93）×10-8 m2/s。Deff與熱風溫度T和微波功率P多元回歸模型為Deff=5.054 37×10-11P+5.612 46×10-10T-2.969 38×10-8。

3） 相比于單級熱風干燥，經熱風—微波耦合干燥的花椒外表皮的氣孔器張開程度較大，可極大地增強花椒內部水分向外表面擴散的能力，并且花椒熱風—微波耦合干燥的能效可增大4～5倍，而比能耗僅約為熱風干燥的1/9～1/5，耦合干燥的節能效果顯著。

參 考 文 獻

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