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玫瑰花瓣壓花材料真空干燥特性及動力學(xué)模型
來源:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院 作者:譚穎
采用真空干燥獲得玫瑰花瓣壓花材料,，研究真空度、溫度等條件對玫瑰花瓣干燥特性,、壓花藝術(shù)美觀性的影響，采用差熱-熱重(TG-DTG) 分析,、掃描電鏡對玫瑰花瓣熱變化過程,、表面微觀形態(tài)進行表征，建立干燥過程動力學(xué)模型并計算動力學(xué)參數(shù),。結(jié)果表明,，溫度越高，真空度越大,，玫瑰花瓣的干燥越快,，但溫度過高，玫瑰花瓣的藝術(shù)美觀性下降,，在真空度0.1MPa,、45℃、30 min 下干燥,，可以獲得具有較好藝術(shù)美感的玫瑰花瓣壓花材料,。真空干燥下，玫瑰花瓣正面原陣列狀的乳突結(jié)構(gòu)和反面的溝回結(jié)構(gòu)逐漸收縮,，導(dǎo)致正面乳突腔體塌陷,，反面形成浮雕狀突起。干燥過程的有效擴散系數(shù)為8.119 × 10-9 m2/s,，活化能為10.045 kJ /mol,，動力學(xué)模型可用薄層干燥Wang and Singh 模型來描述。
壓花是利用物理或化學(xué)的方法,，將植物材料脫水,、保色、壓制和干燥處理后加工制成平面花材藝術(shù)品的過程,，在此過程中,，要求壓花材料的含水量不能超過安全限度，否則極易引起壓花材料品質(zhì)退化,，同時還要保證花材的平整性,、色澤度等外觀指標(biāo)，因此干燥是一個極為重要的環(huán)節(jié),，盡管壓花技術(shù)已有悠久的應(yīng)用歷史,，但大多數(shù)壓花材料的干燥仍沿用傳統(tǒng)方法，近十年的研究側(cè)重于色素在干燥過程中的變化以及如何通過化學(xué)法提高花材的顏色,、外觀等審美感覺等方面,，隨著干燥技術(shù)的發(fā)展,，微波,、真空冷凍干燥等技術(shù)雖然得到應(yīng)用,，但對于壓花材料的干燥過程仍缺乏系統(tǒng)的科學(xué)理論研究，在對壓花材料進行干燥時,，難以準(zhǔn)確地控制壓花材料干燥后的含水量,。
因此，研究壓花材料的干燥特性并對過程進行動力學(xué)研究獲得數(shù)學(xué)模型,，利用這些模型來定量地描述其干燥過程,，掌握材料含水量隨時間的變化規(guī)律，這對于壓花材料批量加工過程如何根據(jù)含水量要求來合理地選擇干燥工藝條件,、提高干燥效率以及研發(fā)相應(yīng)干燥設(shè)備等有著極為重要的理論及應(yīng)用價值,。
薄層干燥研究是研究干燥特性的理論基礎(chǔ)，在部分的農(nóng)副產(chǎn)品的加工領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用,，但用于壓花材料的干燥研究卻不多見,。本實驗以玫瑰花瓣的真空干燥為研究對象，對其干燥過程,、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的數(shù)學(xué)模型,，并計算干燥過程的動力學(xué)參數(shù),。以此數(shù)學(xué)模型可預(yù)測壓花材料真空干燥過程中水分的變化規(guī)律，為進一步研究壓花材料的真空干燥過程提供實驗依據(jù),。
1,、實驗部分
1.1、材料與儀器
市售新鮮紅色玫瑰花瓣( 平均含水率為78.3%) ,，DZ-3B 真空干燥箱( 天津泰斯特) ,，干燥板( 孔徑4 mm，孔間距8 mm) ,，STA449F3 Jupiter (NETZSCH-Gertebau GmbH 德國) ,，S-3400N 型掃描電子顯微鏡(SEM) ( 日本日立公司) 。
1.2,、花瓣的含水率測量
新鮮玫瑰花經(jīng)去除雌蕊,、花托、多余花瓣,，用濾紙擦去花瓣表面水分和散落的花粉,，測定花瓣的含水率，然后將花瓣上下兩側(cè)依次放上吸水宣紙和薄海綿,，使用干燥板將其夾住,、壓緊，放入干燥箱中，在一定條件下每隔一定時間稱量樣品,，計算花瓣含水率,，水分含量按照GB-5009. 3(2003) 方法測定,。
1.3,、藝術(shù)美觀性
分別從平整度、完整度,、褐變程度,、色變程度、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,、動力學(xué)方法
干燥過程中,，可用水分比(MR) 來表示被干燥物料在不同時刻的含水量。定義水分比為某時刻下物料干基含水量與平衡時干基含水量之差和初始物料干基含水量與平衡時干基含水量之差的比值,，其表達式為
式中,，Mt是物料干燥t(min) 時刻下的干基含水量(g/g 絕干物料) ，M0和Me分別是初始和干燥達到平衡時物料的干基含水量(g/g 絕干物料) ,。由于物料的平衡干基含水量Me難以確定,，一般可用物料干燥時的zui終干基含水量Mf(g/g 絕干物料) 代替，即
以MR對干燥時間t 作圖即為以水分比表示的干燥曲線,。
2,、結(jié)論
(1) 溫度、真空度對玫瑰花瓣干燥速度的影響較大,，溫度越高,，真空度越大，干燥越快,。玫瑰花瓣壓花材料的藝術(shù)美觀性隨著溫度的升高,，逐漸增強，當(dāng)溫度超過45℃后又有減弱的趨勢,，適合用于壓花材料的真空干燥條件是：0.1 MPa,、45℃、30 min,。
(2) 玫瑰花瓣的熱解過程包括25 ～150℃水分析出階段,、350 ～400℃揮發(fā)分析出階段、450 ～750℃燃燒階段,，因此為了保證玫瑰花瓣的有效成分,，干燥溫度不宜超過300℃，而為了保證花瓣的美觀程度，烘干溫度應(yīng)低于100℃,。
(3) 隨著干燥的進行,，玫瑰花瓣正面原陣列狀的乳突結(jié)構(gòu)逐漸收縮，導(dǎo)致乳突頂端的褶皺變大且間距逐步增大,，zui后因失水產(chǎn)生中空造成乳狀腔體塌陷?；ò攴疵娴臏匣亟Y(jié)構(gòu)發(fā)生收縮,，高凸部分逐漸萎縮，zui后形成浮雕狀突起,。
(4) 玫瑰花瓣真空干燥動力學(xué)模型可用薄層干燥Wang and Singh 模型來描述,，其表達式為MR =0.0004 t2 - 0.0391 t + 0.9961。干燥過程的有效擴散系數(shù)為8.119 × 10 -9 m2 /s,，活化能為10.045kJ /mol,。
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