玫瑰花瓣压花材料热风干燥动力学模型

谭 颖，陈国菊，程玉瑾，袁爱群，马少妹，韦冬萍

1 华南农业大学园艺学院，广州 510642;2 广西民族大学化学化工学院，南宁 530006

压花是将植物材料(根、茎、叶、花、果)通过物理或化学方法，经过脱水、保色压制和干燥处理，再经过构思而制成精致艺术品的过程。与普通的干花制备不同，压花材料的含水量不能超过安全限度，否则就易引起压花材料的品质的退化，除了水分含量要严格控制外，还必须保证压花材料的平整性、色泽等感官美观性，因此干燥是一个极为重要的环节［1，2］。尽管压花技术已有悠久的应用历史，但迄今为止，大多数压花材料的干燥基本是沿用传统的方法凭经验进行。近些年，人们的研究［3-5］侧重于色素在干燥过程中的变化以及如何通过化学法提高花材的颜色、外观等审美感觉。随着干燥技术的发展，热风、微波、真空冷冻干燥等技术在干燥花的制备中得到应用［6-9］，但对于压花材料的干燥过程仍缺乏系统的理论研究，在对压花材料进行干燥时，难以准确地控制压花材料的含水量。因此，掌握压花材料含水量的变化规律，利用数学模型定量描述压花材料的干燥过程，进行干燥动力学研究，对科学制定干燥时间、调整干燥工艺、提高能效和产能等有着重要的理论及实际意义。

薄层干燥研究是探讨农副产品干燥特性的基础［10］，已广泛地应用于农副产品加工领域［11，12］，但用于压花材料干燥方面的研究却不多见［13，14］。为了更好了解压花材料的干燥过程，本试验以压花用玫瑰花瓣为研究对象，对其热风干燥过程、外观和微观形貌变化、热解特性进行研究，确定其薄层干燥过程动力学的数学模型，并求算出干燥过程的动力学参数，为进一步研究压花材料的热风干燥以及今后的规模化生产中干燥设备的设计、干燥工艺的制定等提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

市售新鲜红色玫瑰(Rosachinensis，平均含水率为78.3%)，DHG-9076A 电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏试验设备有限公司)，干燥板(孔径4 mm，孔间距8 mm)，S-3400N 型扫描电子显微镜(日本日立公司)。

1.2 花瓣的含水率测定

新鲜玫瑰花经去除雌蕊、花托、多余花瓣，清除表面异物，测定花瓣的含水率，然后将花瓣上下两侧依次放上吸水宣纸和薄海绵，使用干燥板将其夹住、压紧，放入事先升温好的恒温鼓风干燥箱中，开始计时，每隔一定时间测定花瓣的含水率，水分含量按照GB5009.3-2003 测定。

1.3 艺术美观性

分别从1-平整度，2-完整度，3-褐变程度，4-色变程度，5-光泽度等5 个不同方面对干燥后玫瑰花瓣的外观、色泽等进行评分，每项满分10 分。

1.4 干燥动力学模型及参数计算

在干燥过程中，根据被干燥物料在不同时刻的含水量可计算水分比［15-17］，水分比(MR)表示某时刻待除去的自由水分量与初始总自由水分量的比值，其表达式为:

其中，Mt是t 时刻的干基含水量(g/g 绝干物料)，M0和Me分别是初始和达到平衡时干基含水量(g/g 绝干物料)。由于湿物料的平衡干基含水量Me难以确定，可近似用干燥产品的最终干基含水量Mf(g/g 绝干物料)代替:

以MR对干燥时间t 作图即为以水分比表示的干燥曲线。

玫瑰花瓣的干燥符合薄层干燥类型，因此可以采用常用的薄层干燥动力学模型对实验数据进行拟合，将Fick 第二定律应用于薄层干燥过程可得:

对于较长时间的干燥过程，式(3)可简化为:

两边取对数得到:

以水分比的对数lnMR对干燥时间t 作图可得一条直线，从直线的斜率可求得有效水分扩散系数D。干燥温度对有效水分扩散系数D 的影响关系可用阿仑尼乌斯公式表达，即:

式中:D0为指前因子(m2/s)，Ea为干燥过程的活化能(kJ/mol)，R 为气体常数8.314 J/(mol·K)，T 为绝对温度(K)。对(6)式的两端取对数得:

以有效水分扩散系数的对数lnD 对温度的倒数1/T 作图可得一条直线，由直线的斜率可求得活化能。

2 结果与讨论

2.1 玫瑰花瓣热风干燥特性

2.1.1 干燥温度对MR的影响

探索实验发现，干燥板、宣纸、海绵等对玫瑰花瓣干燥的影响不大，这是因为这些材料的孔隙较大对水分从花材向环境的扩散阻力小，而温度和时间的影响较大，是因为两者均能促进水分扩散，此外由于压花花材有艺术美观性的要求，干燥的温度和时间都不能太高和太长，以最终10%～18%含水率为宜［18］。分别选用35、40、45、50 ℃下，测定不同干燥时间下花瓣的含水率，水分比与时间的关系如图1所示。从图1 可以看出，相同温度，干燥前期水分失去量较大，随着时间的进行，逐渐减少，这主要是前期花瓣水分含量大，水分驱动力较大，从室温升高到某个温度时表面水分在短时间内迅速蒸发，当表面水分蒸发后，花瓣内部的水分扩散到表面需要一段时间，导致水分失去量减少，后期花瓣水分含量较少，花瓣收缩后细胞间隙减小，水分的蒸发阻力不断增大，导致水分失去量减小，随着时间的延长，花瓣中水分逐渐减少，温度越高干燥速率越快，达到相同的含水率，50 ℃所需要的时间比30 ℃缩短80 min左右，45 ℃在840 min 就可以达到压花材料所需的含水率。

图1 不同干燥温度下玫瑰花瓣的干燥曲线ig.1 Drying curves of rose petals under different temperatures

2.1.2 热风温度对玫瑰花压花艺术美观性的影响

实验过程发现采用热风干燥，温度提高或时间延长，花瓣有轻度萎缩现象，花瓣颜色变紫，且干燥不均匀。温度对于花材干燥过程中色变的影响是较大的，当温度升高时，酚类色素的稳定性下降，微生物和酶活性显著增强引起化学反应的加速，导致花瓣的色变加剧。而热风干燥的时间较长，酚类色素易被氧化，破坏了原有的颜色导致发生褐变。虽然低温下干燥花瓣可以较好地保持花材颜色，但是水分蒸发慢，耗时太长，很难达到保色的要求，干燥时间过长，细胞因失水引起原生质体的收缩，对细胞形态起支持作用的膨压下降，较薄的细胞壁承受不起外界大气压力和原生质收缩所产生的牵拉作用而引起玫瑰花瓣发生萎缩、皱折等外观形态变化。

选择不同的热风干燥温度，840 min 后分别从1-平整度、2-完整度、3-褐变程度、4-色变程度和5-光泽度评价花瓣的艺术美观性，温度对玫瑰花瓣压花艺术美观性的影响如图2 所示，从图2 可以看到，花瓣干燥后平整度随着温度升高、时间的延长而提高，但温度升高、时间缩短可以降低褐变程度，温度高时褐变程度也随之加重，综合不同干燥温度和时间下花瓣的含水率及艺术美观性指标，认为40 ℃下烘干840 min，可制备用于压花材料的玫瑰花瓣。

2.2 干燥过程玫瑰花瓣表面的微观形貌

图2 不同温度对花瓣艺术美观性的影响Fig.2 The effect of temperature on artistic beauty of pressed rose petals

为了更好地了解干燥过程花瓣表面微观形貌的改变，采用SEM 观察其表面形貌［19，20］。图3(A)为新鲜玫瑰花花瓣的正面SEM 图。可以看到，玫瑰花花瓣的表面由排列整齐的乳突结构组成，且乳突饱满，在每个乳突顶端有褶皱结构。图3(B～D)为干燥300、500、840 min 的玫瑰花花瓣的正面SEM 图。可以看到，随着干燥的进行，阵列状的乳突结构逐渐收缩，导致中间乳突顶端的褶皱变大，最后因失水产生中空造成乳状腔体逐步塌陷。图4(a)为新鲜玫瑰花花瓣的反面SEM 图，可以看到，其表面有沟回结构，而且这些沟回深浅不一，高凸部分围成圈，形成围栏状。图4(b～d)为干燥过程300、500、840 min 玫瑰花花瓣反面的SEM 图，可以看到，沟回结构仍然存在但已发生收缩，高凸部分逐渐萎缩，最后形成浮雕状突起。

图3 玫瑰花瓣干燥过程正面微观形貌的变化Fig.3 Micromorphologic changes of obverse surface for rose petals during drying

图4 玫瑰花瓣干燥过程反面微观形貌的变化Fig.4 Micromorphologic changes of reverse surface for rose petals during drying

2.3 动力学模型的拟合

用于薄层干燥的动力学方程有Lewis、Page、Henderson-Pabis、Modified-Page，两项指数，Thompson和Wang and Singh 等，选取40 ℃热风干燥数据，进行以上动力学模型拟合，拟合结果较好的列在表1。从表1 的结果可以看到，玫瑰花瓣的真空干燥过程用Page 方程拟合的决定系数R2较高，而卡方(x2)均方根(RMSE)最小，因此该过程可用Page 方程模型描述，其动力学方程的表达式为 MR=exp(-1.6655×10-3t1.0144)。计算过程的有效水分扩散系数和活化能结果见表2，从表2 的数据可以看到，其有效水分扩散系数的数值随温度的升高而增大、这是温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 ℃内干燥的有效水分扩散系数数值符合薄层类物质干燥的有效扩散率范围10-11～10-9m2/s，其活化能数值小于40 kJ/mol，符合物理过程的活化能范围。以此干燥数学模型可预测出压花材料干燥过程中水分的变化规律，结合对压花材料水分的要求，可计算不同热风干燥的时耗，从而估计能耗，为设计高效经济的压花材料专用干燥装备与制定科学的干燥工艺提供理论参考。

表1 动力学模型的拟合结果Table 1 Fitting results of the drying dynamic model

表2 热风干燥动力学参数Table 2 Dynamic parameters of hot air drying

2.4 动力学模型的验证

图5 热风干燥理论值与实验值比较Fig.5 Comparison of theoretical values and actual measured values of hot air drying

为了验证Page 方程模型的准确性，选择40 ℃条件的热风干燥实验数据和Page 方程计算的MR对时间t 作图，得到图5，从图5 可以看到，计算值和实验值吻合较好，进一步说明采用Page 方程模型来描述玫瑰花瓣的热风干燥是可靠的。

3 结论

通过对玫瑰花瓣压花材料的热风干燥过程及特性的研究，发现热风温度对玫瑰花瓣干燥速度的影响较大，温度越高，干燥越快;在相同干燥时间下，玫瑰花瓣压花材料的艺术美观性随着温度的升高，逐渐增强，当温度超过45 ℃后又有减弱的趋势，在热风40 ℃、840 min 下干燥，可以制备具有较好艺术美感的玫瑰花瓣压花材料。随着干燥的进行，玫瑰花瓣正面原排列整齐的乳突结构逐渐收缩，引起乳突顶端的褶皱变大且间距逐步增大，最后因失水产生中空造成乳状腔体塌陷;花瓣反面的沟回结构发生收缩，高凸部分逐渐萎缩，最后形成浮雕状突起。玫瑰花瓣热风干燥过程的有效扩散系数为2.524×10-10m2/s，活化能为11.322 kJ/mol，其干燥动力学模型可用薄层干燥Page 模型来描述，其表达式为MR=exp(-1.6655×10-3t1.0144)。

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