Zhang Weipeng, Xiao Hong-Wei, Gao Zhen-Jiang, Zheng Zhian, Ju Hao-Yu, Zhang Ping, Fang Xiao-Ming. Improving quality of Poria cocos using infrared radiation combined with air impingement

第 31 卷 第 10 期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.10 2015 年 5 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering May 2015 269

中短波红外联合气体射流干燥提高茯苓品质

张卫鹏 1,2，肖红伟 1，高振江 1，郑志安 1,2※，巨浩羽 1，张 平 1,2，方小明 3 （1. 中国农业大学工学院，北京 100083； 2. 中国农业大学中国农业机械化发展研究中心，北京 100083；

3.中国农业科学院蜜蜂研究所，北京，100093）

摘 要：为探索茯苓的干燥特性，改善茯苓干燥品质，该文将中短波红外联合气体射流干燥技术应用于茯苓块的干燥。

利用 Dincer 模型拟合茯苓块干燥曲线，结合滞后因子、干燥系数分析干燥过程，并估算其水分有效扩散系数。给出 Dincer模型的具体应用方法，求出并分析不同干燥条件下的毕渥数、水分有效扩散系数、传质系数。测定干燥后茯苓块的破碎

率，及茯苓块浸出物的质量分数。对比分析 Fick 第二定律、Weibull 函数、Dincer 模型的优缺点。结果表明：1）与气体

射流干燥相比，中短波红外联合气体射流干燥可缩短干燥时间，降低破碎率约 18%，提高浸出物质量分数约 1%；联合干

燥过程亦为降速干燥；试验参数范围内，提高温度、风速均可提高干燥速率；2）滞后因子范围为 1.0136～1.0202，且温

度、风速越高，干燥速度越快，干燥系数越大；3）联合干燥技术的的毕渥数为 0.0826～0.0982，小于 0.1，表明干燥过

程与边界的对流换热热阻有关。传质系数的范围为 1.0319×10-6～1.8003×10-6 m/s。4）基于 Fick 第二定律、Weibull 分布

函数、Dincer 模型计算的水分有效扩散系数变化趋势一致，均随温度、风速的升高而增加。Fick 第二定律不要求干燥曲

线呈“指数”形式，但仅适用于降速干燥。Weibull 分布函数不考虑边界的对流换热热阻。Weibull 分布函数、Dincer 模

型均可应用于非降速干燥，但二者的缺陷是干燥曲线需呈“指数式”拟合。综上所述，中短波红外联合气体射流干燥技

术可提高茯苓品质，借助于 Weibull 函数、Dincer 模型可从不同角度更全面地解读干燥过程。研究结果可为 Dincer 模型

在茯苓生产加工过程中联合干燥技术的应用提供参考。 关键词：干燥；温度；模型；茯苓；Weibull 函数 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.10.036 中图分类号：TS255.1; TQ028.6 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2015)-10-269-08

张卫鹏，肖红伟，高振江，等. 中短波红外联合气体射流干燥提高茯苓品质[J]. 农业工程学报，2015，31(10)：269－

276. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.10.036 http://www.tcsae.org Zhang Weipeng, Xiao Hongwei, Gao Zhenjiang, et al. Improving quality of Poria cocos using infrared radiation combined with air impingement drying[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(10): 269－276. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.10.036 http://www.tcsae.org

0 引 言

茯苓（Poria cocos）为多孔真菌茯苓的干燥菌核，可

药食两用，是中国传统的中药材。茯苓必须经过干燥后

方可入药，且含水率不得超过 18%，浸出物质量分数不

得少于 2.5%[1]。文献[2]中对不同干燥方式下（自然晾晒、

普通热风、气体射流、真空脉动）的茯苓干燥特性进行

了系统分析，可知气体射流能明显缩短干燥时间。尽管

其已被广泛应用于西洋参[3-4]、板栗[5]、线辣椒[6]、披碱草

种子[7]、圣女果[8]的干燥，但茯苓主要成分为淀粉多糖，

气体射流干燥易导致茯苓块（15 mm×15 mm×15 mm）内

外水分不均、表面结壳引起应力集中，进而导致破碎率

增高，降低干燥品质。中短波红外干燥技术是目前常用

收稿日期：2015-03-22 修订日期：2015-04-19 基金项目：国家自然科学基金（31201436）；无限极（中国）有限公司技改

项目 作者简介：张卫鹏，男（汉），河南西华人，博士生，主要从事干燥装备与

生物干燥特性的研究。北京 中国农业大学工学院，100083。 Email：[email protected] ※通信作者：郑志安，男（汉），吉林扶余人，副教授，博士，博士生导师，

主要从事农业系统工程、农业工程技术集成模式、农业机械化等方面的研究。

北京 中国农业大学工学院，100083。Email：[email protected]

的果蔬干燥技术，具有加热穿透能力强、升温速度快，

能量能够穿透物料直接与水分耦合，对物料加热厚度深

等优势，能够将漂烫灭酶与干燥脱水合二为一，遏制酶

促反应，利于有效成分的保留[9-10]。为此，本文将中短波

红外联合气体射流干燥技术应用于茯苓干燥过程中，以

期能够提高其干燥品质。 茯苓块的干燥过程关系到水分传递、能源消耗、产

品品质等重要指标。通过拟合物料干燥曲线的“指数形

式”，Weibull 函数结合尺度参数 α、形状参数 β 可对不

同干燥方式、传热传质过程进行有效分析[11]。然而，同

样是对干燥曲线“指数形式”的拟合，Dincer 基于冷却

过程温度变化曲线和干燥过程干燥曲线的相似性，提出

的 Dincer-Hussain 模型[12]（此处简称 Dincer 模型），在

实际生产应用中亦较为准确和简洁。而且，可通过滞后

因子 G（lag factor）和干燥系数 S（drying coefficient）对

干燥过程进行分析；借助毕渥数 Bi 和 G 函数关系，能准

确预测水分比曲线；并可有效量化规则物料（球形、圆

柱形、平板形）干燥过程中的水分迁移规律[13]。 本文重点研究中短波红外联合气体射流干燥工艺对

茯苓块干燥特性和品质的影响。利用 Dincer 模型对干燥

过程进行分析，探究 Dincer 模型中参数的变化规律；并

·农产品加工工程·

农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2015 年

270

与 Weibull 函数进行比较。同时，测定、分析该方式下茯

苓块的破碎率、浸出物质量分数，为联合干燥技术在中

草药茯苓干燥中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用的茯苓，采自安徽金寨。根据试验要求，

从同一批次的茯苓中，随机挑选若干表面无机械损伤、

无腐烂的茯苓作为试验材料，平均质量为 3～5 kg。去除

泥沙和外皮后，再经茯苓切丁机切制成 15 mm×15 mm× 15 mm 的立方体。结合国家标准 GB/T 5009.3-2010《食品

中水分的测定》[14]中的直接干燥法，测定茯苓块的湿基含

水率为 51.0%±0.43%。试验前将茯苓块用聚乙烯塑料密封

包装后，置于纸箱中，在(5±1)℃条件下冷藏。试验前，挑

选边角无破损的物料，用毛刷去除表面的细微粉末后作为

试验原料。将茯苓块单层平铺在自制的 3 个细金属网做成

的托板（400 mm×350 mm）中，干燥过程中单个托盘中初

始物料质量为(300±5) g。托盘底部有食用级硅胶垫，以防

止干燥过程中细小颗粒破碎对称量造成的影响。 1.2 主要试验装置

中短波红外联合气体射流冲击干燥机（江苏泰州圣

泰红外科技有限公司），红外加热管功率范围 0～2 kW；

辐射距离范围 80～120 mm。结构如图 1 所示，主要由主

体装置（红外加热管、离心风机）以及温度自动调节系

统组成。

1.物料托盘 2.温度传感器 3.排湿口 4.喷嘴 5.进风口 6.进风管道 7.离心风机 8.红外加热管 9.触摸屏 10.电源控制按钮 1.Material tray 2.Temperature sensor 3.Wet discharging port 4.Spray nozzle 5.Air inlet port 6.Air inlet pipe 7.Centrifugal blower 8.Infrared heating tube 9.Touch screen 10.Power supply control switch

图 1 中短波红外干燥箱示意图 Fig.1 Schematic diagram of infrared drying equipment

其他仪器设备：YP 型电子秤（上海精科天平），

DHG-9140A 型电加热恒温鼓风干燥箱（上海一恒科技有

限公司），DZQ400/2D 型真空包装机（北京市天月缘包

装机械有限公司），干燥器、培养皿若干。

1.3 试验方法

中药饮片干燥常用温度 45～65℃[15]。前期预试验结

果表明，相对于风速和温度而言，辐射距离 80～120 mm范围，对茯苓块干燥过程的影响并不明显。因此，结合

得到的较佳参数可调范围，及文献[16]、[17]试验参数；

将干燥温度等间距划分为 45、50、55、60、65℃。辐射

功率为 2 kW，辐射距离为 100 mm，选取具体的试验条

件如表 1 所示。前期每隔 15 min，后期每隔 30 min 称量

一次，连续 2 次物料质量变化不超过 1 g（干基含水率小

于 4%）时停止试验；每组试验重复 3 次，取平均值作为

结果；取出、冷却后装入聚乙烯塑料袋，密封包装。

表 1 试验设计和试验参数 Table 1 Design for experiments with run conditions included

干燥方式 Drying methods

温度 Temperature/℃

风速 Velocity/(m·s-1)

45 6

50 6

55 6

60 6

65 6

55 4

中短波红外+气体射流干燥Medium and short infrared wave + impingent drying

55 8 注：辐射功率为 2 kW、辐射距离为 100 mm。 Note：Radiation power is 2 kW, radiation distance is 100 mm.

1.4 试验参数的获取方法

1.4.1 水分比（MR）的计算方法

1）茯苓块干燥过程中的干燥曲线采用水分比（MR，moisture ratio）随干燥时间变化的曲线。不同干燥时间茯

苓块水分比的计算可简化为公式[18]：

MR=0

tMM

（1）

式中：M0为物料初始干基含水率，g/g；Mt为物料在 t 时刻的干基含水率，g/g。

干燥速率计算公式[19]表示为：

DR= 1 2

2 1

t tM Mt t

−

− （2）

式中：DR 为干燥过程中时间在 t1和 t2之间的物料的干燥

速率，g/(g·min)；1t

M 和2t

M 为干燥过程中时间为 t1 和 t2

时物料的干基含水率，g/g。 2）干基含水率计算公式[20]为：

t Gt

G

W WM

W−

= （3）

式中：Wt为在任意干燥 t 时刻的总质量，g；WG为干物质

质量，g。 1.4.2 利用 Weibull 函数拟合干燥曲线

Weibull 分布函数表达式如下式所示[21]：

MR= exp t β

α

⎡ ⎤⎛ ⎞−⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦

（4）

式中：MR 为水分比，%；α为尺度参数（scale parameter），min，表示干燥过程中的速率常数，约等于物料内的水分

蒸发 63%所需要的时间；β为形状参数（shape parameter），与物料干燥过程中的干燥速率和水分迁移机理有关；t 为干燥时间，min。

水分扩散系数 Dcal（moisture diffusion coefficient）的

估算公式如下：

第 10 期 张卫鹏等：中短波红外联合气体射流干燥提高茯苓品质

271

2

calrDα

= （5）

式中：Dcal 为干燥过程中估算的水分扩散系数，m2/s；r表示立方体物料的体积半径，此处值为 0.093 m。

D*eff与 Dcal二者由如下公式[22]表示：

2* caleff

g g

D rDR Rα

= = （6）

式中：D*eff为基于菲克第二定律[23]得到的水分有效扩散系

数，m2/s；Rg 是一个与尺寸有关的参数[24]，球形物料为

18.6，圆柱形物料为 9.5，平板形物料为 13.1；由于茯苓

块为立方体，而非单纯的平板；因此，认为其介于圆柱

形物料与平板形物料之间，Rg取 9.5～13.1。 1.4.3 利用 Dincer 模型拟合干燥曲线

基于最小二乘法对干燥曲线进行拟合，可拟合为如

下形式[25]： MR= )exp( StG − （7）

式中：G 为滞后因子（lag factor），无量纲常数，表征干

燥传热传质过程中受到的内部和外部阻力；S 为干燥系数

（drying coefficient），表示单位时间内物料的干燥能力，

1/s，S 越大，物料干燥速度越快。 毕渥数 Bi 可由下式估算[26]：

26.70.0576Bi G= （8） 有效水分扩散系数计算公式[27]：

2

21

effSLDμ

= （9）

式中：L 为物料厚度，此处取 0.093 mm；μ1 为特征式

（10）、式（11）、式（12）的根[28]，由于茯苓块规则排

列于料盘中，可简化为平板问题，此处特征根 μ1由式（10）确定。

对于平板： 4 3 2

1 419.24 2013.8 3615.82880.3 858.94

G G GG

μ = − + − +−

（10）

对于圆柱体： 4 3 2

1 3.4775 25.285 68.4382.468 35.638

G G GG

μ = − + − +−

（11）

对于球体： 4 3 2

1 8.3256 54.842 134.01145.83 58.124

G G GG

μ = − + − +−

（12）

结合式（7）、式（8）可得传质系数（mass transfer coefficient）k，m/s；计算公式[29]如下：

2 effD Bik

L= （13）

1.4.4 浸出物质量分数、破损率的测定方法

破碎率按 GB-T4857.5-1992《包装运输件—跌落试验

方法》[30]进行试验，跌落高度为（1±0.02）m，破碎率 η的计算公式如下：

%1000 ×=Mm

η （14）

式中：M 为测试样品的总质量，g；m0为测试时破碎样品

的质量，g。 浸出物的测定按照《中国药典》的热浸法[31]，用稀

乙醇作溶剂，类比公式（14）计算醇溶性浸出物的质量

分数。 1.5 数据处理方法

通过函数拟合软件工具包 1stOpt V1.5 对干燥曲线进

行拟合，分别求出 Dincer 模型，Weibull 函数对应的未知

参数。采用 SPSS 18.0 软件对数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 干燥温度、风速对干燥特性的影响

茯苓块的干燥曲线、干燥速率曲线如图 2 所示。从

图中可以看出，中短波红外联合气体射流干燥茯苓块呈

降速干燥，且干燥过程较快。提高温度可有效缩短干燥

时间，风速 6 m/s，45、50、55、60、65℃条件下，干燥

时间分别约为 350、300、250、200、150 min。不同风速

下，干燥速率曲线亦成降速干燥，且与温度对干燥速率

的影响类似，干燥速率随风速增加而增加，如图 2c 所示。

温度、风速相同条件下，文献[2]中气体射流干燥则需约

415、350、305、260、210 min。

注：图 a、b 风速为 6 m·s-1，图 c 温度为 55℃ Note: Air velocity of figure a, b is 6 m·s-1, temperature of figure c is 55℃.

图 2 茯苓块干燥曲线与干燥速率曲线 Fig.2 Drying curves and drying rate curves of poria cocos

农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2015 年

272

可见，在中短波红外的辐射作用下，干燥时间比气

体射流单独作用显著减少（p<0.05）。这可能是因为在中

短波红外辐射联合气体射流冲击干燥中，红外辐射可穿

透茯苓块表面，直接与物料中的水分耦合，使温度迅速

升高，加速了干燥过程。而且，随着干燥过程茯苓块水

分的减少，所吸收的辐射能一部分用于提高物料自身温

度，内外温度梯度较一致，有利于内部水分向外均匀迁

移，利于缓解干燥过程的应力集中现象[32]。 2.2 干燥曲线模型分析比较

2.2.1 基于尺度参数 α、形状参数 β对干燥过程的分析

借助最小二乘法，利用 Weibull 函数拟合干燥曲线。

具体结果见表 2，尺度参数 α与干燥速率有关。分析可知，

该干燥方式下，α值随温度的升高，风速的增加而减小。

而温度、风速对 β 值的影响较小。形状参数 β 在 0.3～1时，表示干燥过程为内部水分扩散控制的降速干燥；β>1时，表示干燥速率曲线前期呈现上升态势[33]。本研究中

形状参数 β值的范围为 0.9010～0.9951，在 0.3～1 之间，

表明干燥过程受内部水分扩散控制，全程为降速干燥。

这与上述对干燥速率的描述相一致。对同一种干燥物料

而言，形状参数 β 值与干燥方式有关，也会随着物料状

态的变化而产生显著性差异[34]。红外联合气体射流干燥

的形状参数β值与文献[2]中气体射流干燥的β值（0.877～0.980）比较，取值范围接近，说明在气体射流与红外辐

射联合作用下，与气体射流单独作用相比，干燥过程茯

苓块的状态可能会有细微改变，但不会发生显著的变化。

白俊文[35]在研究葡萄干燥，烫漂预处理和葡萄组织结构

形态之间的关系时，也发现了类似结论。 公式（5）所估算的水分扩散系数范围 Dcal 为

9.505×10-9～19.705×10-9 m2/s，与基于 Fick 第二定律计算

的水分有效扩散系数 D*eff 变化规律类似，具体结果见表

3，二者均随温度、风速的增大而增大。由公式（6）计

算的 Rg值范围 9.53～11.36。说明将茯苓块立方体简化为

介于圆柱形和平板型物料之间，认为其 Rg 值介于 9.5～13.1 之间是可行的。Miranda 等[36]研究胡萝卜的干燥时，

发现 Rg 是一个常量，并计算出球形、圆柱形、平板型

物料的 Rg 值，如公式（6）中的内容所示。但其针对的

是同一种物料，而茯苓块在干燥过程中裂变，组织形态

已经发生显著变化，不能简单地认为其是同一种物料，

因此结论并不与其相矛盾。同一物料，不同干燥阶段，

物料的结构形态、理化性质也不尽相同，应将其当做全

新的物料来看待，这也是“分段式联合干燥技术”的理

论基础[37]。

表 2 不同模型的拟合结果

Table 2 Fitting results of different models Dincer 模型 Dincer model

Weibull 函数模型 Weibull function model

干燥方式 Drying method

干燥条件 Drying conditions

G S(10-5·S-1） 决定系数

Coefficient of determination R2

α/min β 决定系数

Coefficient of determination R2

45℃; 6 m·s-1 1.0136 10.817 0.9996 151.921 0.9010 0.9993

50℃; 6 m·s-1 1.0145 12.606 0.9998 131.812 0.9751 0.9996

55℃; 6 m·s-1 1.0161 15.182 0.9995 111.889 0.9538 0.9994

60℃; 6 m·s-1 1.0192 19.44 0.9998 87.3329 0.9951 0.9992

65℃; 6 m·s-1 1.0200 24.193 0.9992 73.155 0.9595 0.9998

55℃; 4 m·s-1 1.0143 11.127 0.9991 126.159 0.9490 0.9995

中短波红外+气体射流干燥 Medium and short infrared wave + impingent drying

55℃; 8 m·s-1 1.0202 22.111 0.9996 79.174 0.9110 0.9991 注：“G”为滞后因子，“S”为干燥系数；“α”为尺度参数，“β”为形状参数。 Note：“G” is lag factor, “S” is drying coefficient; “α” is scale parameter, “β” is shape parameter.

表 3 不同模型参数的计算结果

Table 3 Results of different model parameters

干燥方式 Drying method

干燥条件 Drying

conditions

水分有效扩散系数 a Moisture effective

diffusion coefficient D*

eff /(10-10·m2·s-1)

估算的水分扩散系数 b

Calculated moisture diffusion coefficient Dcal/

(10-9·m2·s-1)

几何参数Geometric factor Rg

水分有效扩散系数 c

Moisture effective diffusion coefficient

Deff/(10-7·m2·s-1)

毕渥数 Biot number

Bi

特征根 Characteristic

root μ1

传质系数 kMass transfer k/

(10-6m·s-1)

45℃; 6 m·s-1 9.546 9.505 9.96 1.1688 0.0826 0.2829 1.0383

50℃; 6 m·s-1 11.199 10.936 9.76 1.2731 0.0846 0.2926 1.1580

55℃; 6 m·s-1 12.876 12.883 10.01 1.3695 0.0882 0.3096 1.2993

60℃; 6 m·s-1 17.316 16.505 9.53 1.4418 0.0957 0.3414 1.4837

65℃; 6 m·s-1 20.204 19.705 9.75 1.7131 0.0977 0.3495 1.8003

55℃; 4 m·s-1 10.056 11.426 11.36 1.1404 0.0842 0.2905 1.0319

中短波红外+ 气体射流

Medium and short infrared

wave + impingent

drying 55℃; 8 m·s-1 19.037 18.207 9.56 1.5480 0.0982 0.3515 1.6354

注：“a”表示 Fick 第二定律的计算结果，“b”表示 Weibull 函数的计算结果，“c”表示 Dincer 模型的计算结果。 Note: “a” represents Fick’s law of diffusion, “b” represents Weibull function model, “c” represents Dincer and Hussain’s method. 2.2.2 基于滞后因子 G、干燥系数 S对干燥过程的分析

再次借助于最小二乘法，采用 Dincer 模型拟合干燥

曲线，G、S 值结果如表 2 所示。可知，滞后因子 G 值受

干燥条件的影响，且不同干燥方式间的 G 值会存在差异。

为 1.0136～1.0202，均在 1 附近；且 S 值随温度或风速的

上升而增大。由干燥曲线的分析可知，提高干燥温度、

第 10 期 张卫鹏等：中短波红外联合气体射流干燥提高茯苓品质

273

风速，有利于干燥的进行。表明同种干燥方式下，S 值越

大，物料的干燥速度越快。这也与 Mohammad 在大蒜片[38]干燥中的研究结论相类似。

中短波红外为明显的降速干燥，水分有效扩散系数

D*eff可直接运用 Fick 第二定律计算，并由式（6）求出估

算的水分扩散系数 Dcal。由表 3 数据可看出，基于 Dincer模型计算的水分有效扩散系数，尽管变化规律与其他 2种方式相同，也随温度、风速升高而增大，但结果却明

显偏高。这是因为基于 Fick 第二定律、Weibull 函数对水

分有效扩散系数的计算，均忽略了质量传递和热量传递

的影响；而 Dincer 模型综合衡量了物料内部导入热阻、

边界对流换热热阻和传质系数的影响，三者的计算方法

存在差异造成的[39]。Vlatka 在西兰花[40]的水分有效扩散

系数计算中，相同条件下采用 Fick 第二定律计算范围为

1.21709×10-8～2.9413×10-8 m2/s；而采用 Dincer 模型的计

算 结 果 范 围 为 3.5780×10-6 ～ 16.6670×10-6 m2/s 。

Mohammad 在对流干燥大蒜片试验中，采用 Fick 定律、

Dincer 模型的计算结果分别为 1.10×109～1.70×109、

2.07×109～1.09×108 m2/s。尽管计算方法各异，但 Fick 第

二定律因不考虑干燥曲线的拟合而最为常见，且仅适用

于降速干燥。Weibull 函数模型和 Dincer 模型虽不考虑干

燥速率的变化，但对干燥曲线“指数式”的函数拟合也

有其局限性，拟合精度较低，无法进行有效分析。二者

对曲线的拟合函数不同，因此对干燥过程的解读角度也

不同，其隐藏的数学理论机理需要进一步探索。 2.2.3 传质参数的比较分析

毕渥数 Bi 是重要的无量纲参数，表示物体内部的导

热热阻与边界处对流换热热阻之比[41]。一般而言，试验

条件下，0.1<Bi<100，表示物料温度的变化，即取决于物

料内部的导热热阻，也取决于物料外部的对流换热热阻，

在实际应用中也最为常见。Bi>100 表明物料内部温度变

化完全取决于内部导热热阻，是一种极限情况；0<Bi<0.1表明物料内部各点温度在任一时刻都趋于均匀一致，且

变化快慢取决于物料表面的对流换热强度。本文 Bi 的变

化范围为 0.0826～0.0982，见表 3。说明茯苓块内部温度

变化主要由边界的对流换热强度决定。尽管红外辐射有

助于其内部升温，但边界的对流换热热阻依然起主导作

用。因此，升高温度、风速都可提高对流换热系数，都

有助于干燥的进行，这也与实际应用相符合。试验参数

范围内，由公式（13）计算的传质系数 k 的范围为

1.0319×10-6～1.8003×10-6 m/s。 2.3 破碎率、浸出物质量分数的分析

前期结果表明，茯苓块的真空脉动方式干燥品质最

佳，但干燥时间较长。结合表 4 数据对各参数进行方差

分析，结果如表 5 所示。在显著性水平 0.01 条件下，破

碎率、浸出物质量分数 F 值分别为 71.42、71.43，均远大

于 F(0.01)=3.89，说明干燥方式对二者的影响非常显著。中

短波红外联合气体射流的破碎率均值为 42.68%，高于真

空脉动的 3.37%，但低于气体射流的 61.2%。说明中短波

红外辐射，能缓解茯苓块干燥过程中应力集中现象，破

碎率比单独依靠气体射流降低约 18%，与 Weibull 模型中

对 β 的论述相一致。真空脉动方式下茯苓块外观完整、

破碎率低，可能的原因是在“真空-常压”的循环过程中，

茯苓块内部的微观孔道不断地被挤压、扩张、连通，消

除了干燥过程中的组织应力，利于茯苓块外观的保持[42]。

表 4 不同干燥方式的试验测试数据

Table 4 Data of different drying methods

干燥方式 Drying method

干燥条件 Drying conditions

破碎率 Breakage rate η/%

浸出物质量分数 Extractum mass

fraction η/% 45℃; 6 m·s-1 35.8 a 3.69 a 50℃; 6 m·s-1 38.3 a 4.01 a 55℃; 6 m·s-1 42.1 a 4.07 a 60℃; 6 m·s-1 42.1 a 3.88 a 65℃; 6 m·s-1 42.6 a 3.99 a 55℃; 4 m·s-1 47.3 a 3.98 a

中短波红外+气体射

流干燥 Medium and short

infrared wave + impingent drying

55℃; 8 m·s-1 45.6 a 3.99 a 45℃ 3.28 b 4.55 b 55℃ 3.51 b 4.75 b

真空脉动干燥 Pulsed vacuum

drying 65℃ 3.32 b 4.54 b 45℃; 8 m·s-1 58.2 c 3.16 c 55℃; 8 m·s-1 61.4 c 2.63 c 65℃; 8 m·s-1 63.1 c 3.02 c 55℃; 4 m·s-1 58.6 c 2.73 c

气体射流干燥Impingent drying

55℃; 6 m·s-1 64.7 c 3.15 c 注：气体射流、真空脉动试验数据由文献[2]获得；不同字母 a、b、c 表示不

同干燥方式差异性显著（p<0.01），相同字母表示差异性不显著。 Note: Data of impingent drying, pulsed vacuum comes from reference[2]; The different letters a、b、c indicate significant difference (p<0.01) of difference drying methods, the same letters indicates insignificant.

表 5 不同干燥方式下破碎率、浸出物质量分数方差分析表 Table 5 Analysis of variance of breakage rate, extractum mass

fraction at different drying methods 指标 Index

项目 Items

离差平方和SS

自由度df

均方差 MS

F F Value

P 值 P Value

组间 5.6821 2 2.8410 71.42 5.0×10-8

组内 0.4772 12 0.0398

总计 6.1593 14

破碎率Breakage

rate 显著性 ***

组间 5.6×10-4 2 2.8×10-4 71.43 2.2×10-7

组内 4.8×10-5 12 3.9×10-6

总计 6.2×10-4 14

浸出物质量

分数Extractum

mass fraction 显著性 ***

注：***表示显著性水平 0.01 条件下因素对结果影响非常显著。 Note: *** means the results have a very significant impact on the factor with the level of 0.01.

真空脉动、中短波红外联合气体射流、气体射流浸

出物质量分数均值分别为 4.61%、3.94%、2.94%。联合

干燥的浸出物质量分数高于气体射流约 1%。说明该干燥

方式有利于茯苓块有效成分的保持。尽管真空脉动干燥

时间较长，但干燥过程真空度高，大部分时间处于脉动

低氧状态，与氧气接触时间最短，抑制干燥过程耗氧反

应的发生。因此，浸出物质量分数最高。 由上述分析可知，联合干燥方式下，尽管茯苓块物

料品质不是最佳，但相对于气体射流干燥单独作用而言，

品质有较大改善。因此，针对茯苓的干燥，可以考虑采

用联合干燥的方式。考虑到真空脉动的干燥品质较优，

以及气体射流应用的普遍性，也可对“真空脉动—气体

农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2015 年

274

射流”分段式联合干燥进行试验验证，以求寻得较佳的

干燥速度和品质。

3 结 论

1）与气体射流单独作用相对比，中短波红外联合气

体射流干燥方式，不仅可缩短茯苓块干燥时间，而且可

降低其破碎率、提高浸出物质量分数。联合干燥的温度、

风速升高可有效提高干燥速率；破碎率、浸出质量分数

均值分别为 42.68%，3.94%。 2）采用 Weibull 函数拟合干燥曲线，结合尺度参数

α、形状参数 β有助于对干燥过程的分析。联合干燥方式

的 β值范围为 0.9010～0.9951，表明该干燥过程为降速干

燥；气体射流干燥的 β值为 0.8770～0.9800，说明联合干

燥方式下的物料状态与气体射流干燥类似，破碎率有改

善，但依然较高，与实际试验相吻合。 3）Dincer 模型通过滞后因子 G、干燥系数 S 分析干

燥过程，不同干燥条件下的 G 值为 1.0136～1.0202；且 S值随温度或风速的上升而增大。计算的毕渥数 Bi 为

0.0826～0.0982，表明导热过程由边界的对流换热热阻决

定。试验参数范围内，传质系数 k 的范围为 1.0319×10-6～

1.8003×10-6 m/s。 4）基于 Fick 第二定律、Weibull 分布函数、Dincer

模型计算的水分有效扩散系数分别为 9.546×10-10～

20.204×10-10 m2/s、9.505×10-9～19.705×10-9 m2/s、1.1688×10-7～ 1.7131×10-7 m2/s，且变化规律一致，均随干燥温度、风速

的升高而升高。Fick 第二定律、Weibull 分布函数均不考

虑边界的对流换热热阻，且前者不要求干燥曲线的呈“指

数”形式，但仅适用于降速干燥。Weibull 分布函数、Dincer模型可应用于非降速干燥，使用范围更广，但二者的缺

陷是需干燥曲线呈“指数式”拟合。

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Improving quality of Poria cocos using infrared radiation combined with air impingement drying

Zhang Weipeng1,2, Xiao Hongwei1, Gao Zhenjiang1, Zheng Zhian1,2※,

Ju Haoyu1, Zhang Ping1,2, Fang Xiaoming3

(1. College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China; 2.China Research Center for Agricultural Mechanization Development, China Agricultural University, Beijing 100083, China; 3. Bee Research Institute of Chinese Academy of

Agricultural Sciences, Beijing 100093, China)

Abstract: Poria cocos has a long history of medicinal use in China. It is a kind of edible and pharmaceutical mushroom. Drying process usually affects the chemical and physical properties of the extracts of Traditional Chinese Medicine (TCM). Quality control remains a big issue, affecting herbs, formulations, and even the practice of TCM. Poria cocos generally takes almost 7 days to be dried by traditional natural drying and is sensitive to microbial spoilage. Poria cocos blocks (15 mm × 15 mm × 15 mm) are also easily broken at the traditional hot air drying, such as oven drying. A promising solution to the problem is to take advantage of innovative process techniques including alternative drying methods in the pharmaceutical processing. In this work, poria cocos was dried by medium and short infrared wave drying combined with air impingement drying. Dincer’s model was also applied to the drying process and the lag factor (G), drying coefficient (S), Biot number (Bi), moisture effective diffusivity velocity (Deff), mass transfer coefficient (k) were analyzed. The Deff was also calculated based on Weibull function and Fick’s second law, and there was difference among them. Combined with the GB-4857.5 T-1992 Droping Test Method and Pharmacopoeia of People’s Republic of China, the broken rate and the extractum of poria cocos under different drying conditions were tested. The main results were as follows: 1) Compared with air impingement drying, drying time was shortened by infrared radiation combined with air impingement drying technology, and It could reduce the broken rate by 18% and improve the extractum mass fraction by 1%; the drying process also occurred in the falling rate period; at the range of the testing parameters, the drying rate increased with the increase of temperature and wind speed, but there was not direct correlation between broken rate, extractum content and drying conditions. 2) The G values of different drying methods were between 1.0136 and 1.0202, steady around 1. Drying coefficient was related to material drying speed; the higher temperature and wind speed, the faster drying ratio and drying coefficient was also larger. 3) The range of combined drying technology’s Biot number was 0.0826-0.0982, lower than 0.1, which indicted the drying process was mainly influenced by external resistances. The range of mass transfer coefficient was 1.0319×10-6-1.8003×10-6 m/s. 4) The Deff calculated by Fick’s law, Weibull function and Dincer’s model showed a certain regularity, and all of them increased with the increase of temperature and wind speed. Fick’s law and Weibull function didn’t have relation with external resistances; and Fick’s law didn’t require drying curve in “exponential form”, but only was applied in the falling rate drying process. Weibull function and Dincer’s model had a broader application, but they needed drying curve must be exponential fitting. In summary, infrared radiation combined with air impingement drying technology can improve the quality of poria cocos. The results provide a reference for the application of Dincer’s model on poria cocos drying, and help people to analyze drying process and gain the best drying method. Key words: drying; temperature; models; poria cocos; weibull function