全 文 ：槟榔花热风干燥动力学研究
宋 菲1， 黄玉林1， 张 明1,2， 陈卫军1， 赵松林1
（1.中国热带农业科学院椰子研究所，海南 文昌 571339； 2.海南大学食品学院，海南 海口 570228）
摘 要：以新鲜槟榔花为原料，比较了不同干燥温度下槟榔花的干燥特性。 通过槟榔花在干燥过程中水分的变
化规律，绘制干燥曲线和干燥速率曲线，并采用 Newton、Logarithmic 和 Wang and Singh 3 种干燥数学模型拟合试验
数据。 结果表明，干燥温度越高，槟榔花的干燥速率越快，且整个干燥过程处于降速干燥阶段。 槟榔花热风干燥过程
满足 Logarithmic 方程，该模型可较好地描述含水率随干燥时间的变化关系。试验结果为实现槟榔花干燥过程的控制
提供了技术依据。
关键词：槟榔花； 干燥； 动力学模型
中图分类号：TS201.1 文献标识码：A 文章编号：1004－874X（2014）19－0103-04
Kinetic analysis of Areca inflorescence hot air drying
SONG Fei1, HUANG Yu-lin1, ZHANG Ming1,2, CHEN Wei-jun1, ZHAO Song-lin1
(1. Coconut Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Wenchang 571339, China;
2. College of Food, Hainan University, Haikou 570228, China)
Abstract: Experiments of hot air drying were conducted to study the drying characteristics of Areca inflorescence
under different temperatures. With the changes of water content, the drying curves and drying rate curves of A.
inflorescence were made. Newton, Logarithmic and Wang and Singh models were applied to the experimental date.
According to the results, the higher temperature, the quicker the drying, and the drying process was in the falling rate
drying period. Logarithmic model, which could well describe the changes of water content with drying time, gave the best
results for explaining the drying characteristics of A. inflorescence. These results can provide a technical basis for
controlling the drying process of A. inflorescence.
Key words: Areca inflorescence; drying; kinetic model
槟榔（Areca catechu L.）为棕榈科（Arecaceae）槟榔
属（Areca）常绿乔木，主要分布在中非和东南亚。 我国
引种栽培已有 1 500 多年的历史， 目前槟榔在我国主
要分布在海南、台湾等地[1-2]。槟榔位居我国四大南药之
首，综合利用经济效益很高。 槟榔花为槟榔的雄花蕾，
是槟榔的主要副产物，每年 3~8 月份产花，开花多、花
期长、粉源丰富、泌蜜芳香，化学成分配比均衡。 据《中
药志》 记载， 槟榔花可增加机体超氧化物歧化酶的活
性、调节免疫系统，对人体新陈代谢、生长发育有着重
要的营养和调节作用，且具有独特的食疗、保健功效，
素以“微型营养品”和“长寿食品”著称[3-5]。目前，槟榔花
加工成的天然系列保健食品已投放市场， 并且深受消
费者青睐，因此，进一步研究槟榔花的特性，对加大综
合开发槟榔花的潜在力度具有重要的意义。
槟榔花采后不耐贮藏，易发生褐变、腐烂，而干制
是解决槟榔花不耐贮藏的主要方法之一。 另外，以槟榔
花为主要原料的产品槟榔花茶的主要加工工艺是干
燥，目前，生产过程中在线监测物料含水率的变化还很
难以实现， 因此研究物料的干燥特性及动力学模型对
干燥工艺的优化和控制具有非常重要的意义 [6-7]。 干燥
动力学是研究物料含水率随时间的变化规律， 为干燥
设备的选择、 干燥工艺参数的确定和产业化工业生产
提供理论依据[8]。 本文研究槟榔花的干燥特性，得出反
映其含水率变化的最佳干燥动力学模型， 对槟榔花干
燥过程进行检测和控制， 以期为槟榔花的保存及加工
提供理论依据和技术参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料
新鲜的槟榔花采自中国热带农业科学院椰子研究
收稿日期：2014-05-07
基金项目：海南省重大科技项目（ZDZX2013008）；海南省自
然科学基金（314146）
作者简介 ：宋菲 （1986-），女 ，硕士 ，研究实习员 ，E-mail：
songfeijj@163.com
通讯作者 ：陈卫军 （1975-），男 ，博士 ，副研究员 ，E-mail：
chenwj@nwu.edu.cn
广东农业科学 2014 年第 19期 103
DOI:10.16768/j.issn.1004-874x.2014.19.010
90
80
70
60
50
40
30
20
10
水
分
含
量
（ %
）
40℃
50℃
60℃
0 200 400 600 800
干燥时间（min）
图 1 不同干燥温度下槟榔花的干燥曲线
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0 200 400 600 800
干燥时间（min）
图 2 不同干燥温度下槟榔花的干燥速率曲线
干
燥
速
率
（ %
/m
in
）
40℃
50℃
60℃
所科研基地。
试验仪器：GZX-9070MBE 电热鼓风干燥箱 （上海
博迅实业有限公司医疗设备厂）、AL204-IC 电子天平
（梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司）。
1.2 试验方法
1.2.1 干燥试验 将采后带梗的新鲜槟榔花用剪刀剪
成段，每段长约 3 cm，放置于电热鼓风干燥箱内进行热
风干燥， 干燥温度分别设定为 40、50、60℃， 每 30 min
称重 1次，记录干燥过程中的重量变化。 依据不同温度
下的重量变化数据， 绘制出相应的含水量随干燥时间
的变化曲线。 槟榔花的初始水分含量测定采用直接干
燥法， 即称取一定量新鲜采摘的槟榔花， 置于 103（±
2）℃干燥箱内进行干燥，至质量不变时停止试验。 槟榔
花初始水分含量（%）=（槟榔花干燥前后质量差/槟榔花
初始质量）×100。
1.2.2 含水率的计算 含水率（Moisture rate，MR）表示
一定干燥条件下物料还有多少水分未被干燥去除，计
算公式为[9-10]：
MR＝ M－MeM0－Me
（1）
式中，M为槟榔花任意时间的含水量；M0为槟榔花最初
含水量；Me为槟榔花平衡含水量。
一般情况下， 由于物料的平衡含水量 Me 不易测
得，可以用最终含水量代替，而最终含水量与 M0和 Me
相比可以忽略不计[11-12]，因此式（1）变为：
MR＝ MM0
（2）
1.2.3 干燥动力学模型的研究 利用 Origin 8.5 软件，
对试验所得的干燥曲线进行非线性回归拟合， 选择 3
种常用的干燥动力学模型用于拟合槟榔花的干燥过
程 [13-15]，即 Newton 模型 、MR=exp（-kt），Logarithmic 模
型、MR=aexp（-kt）+b，Wang and Singh 模型、MR=1+at+
bt2。
试验数据和数学模型的匹配程度用相关系数 R2
和 x2衡量，其中 R2越高，x2越小，数学模型的匹配程度
越好。 R2和 x2的计算公式分别为：
R2=1- ∑
N
i=1 （MRexp，i-MRpre，i）2
∑
N
i=1 （MRexp，i-MRcxp，i ）2
（3）
χ2=∑
N
i=1 （MRexp，i-MRpre，i）2
N-n
（4）
式中，MRexp，i 为任意时刻含水率的试验值；MRpre，i 为任
意时刻含水率的预测值； MRcxp，i 为含水率试验值的平
均值；N 为观察值的个数 ，n 为模型中待定系数的个
数。
2 结果与分析
2.1 槟榔花的干燥特性
本试验中新鲜采摘的槟榔花的水分初始含量为
82%，不同干燥温度（40、50、60℃）下，槟榔花水分含量
随干燥时间的变化如图 1 所示， 干燥速率曲线如图 2
所示。
从图 1 和图 2 可以看出，随着干燥时间的延长，水
分含量逐渐下降，温度越高，水分下降越快。 经相同时
间干燥，干燥温度越高，槟榔花含水量就越低。 这是因
为温度越高，空气的相对湿度就越低，空气与槟榔花之
间的水分含量差异就越大，传质的推动力就越大，干燥
速率也就越大，达到平衡所需要的时间就越短，即干燥
所需要的时间就短。 因此，提高干燥温度对干燥过程十
分有利，但出于对槟榔花中有效成分的保护，干燥温度
不宜过高。 从图 2还可以看出，槟榔花的热风干燥没有
明显的恒速或加速干燥阶段， 整个干燥过程均处于降
速干燥阶段。
干燥是复杂的传质传热过程， 国内外学者已对此
104
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
M
R
0 200 400 600 800
干燥时间（min）
图 3 不同温度下 Logarithmic 模型预测值与实测值的对比
40℃实测值
50℃实测值
60℃实测值
40℃预测值
50℃预测值
60℃预测值
χ2
9.817×10-5
2.440×10-3
5.170×10-3
6.109×10-5
3.936×10-4
1.087×10-4
1.432×10-4
7.866×10-4
4.690×10-3
R2
0.997
0.960
0.901
0.998
0.993
0.998
0.995
0.987
0.909
k
1.080×10-3
2.920×10-3
3.640×10-3
9.090×10-4
4.490×10-3
6.150×10-3
b
-0.102
0.147
0.159
a
1.083
0.884
0.843
-1.040×10-3
-2.650×10-3
-3.010×10-3
干燥温度
（℃）
40
50
60
40
50
60
40
50
60
模型
Newton
Logarithmic
Wang and Singh
表 1 槟榔花干燥动力学模型统计分析
模型参数
做了大量研究。 很多关于水果和蔬菜的干燥研究发现，
干燥过程有的会出现恒速和升速干燥段， 有的只有降
速干燥阶段或主要处于降速干燥阶段。梁素瑜等[16]研究
了砂糖橘皮的热风干燥动力学，发现橘皮的干燥分为 3
个阶段，即调整段、恒速干燥段和降速干燥段；Shi 等 [17]
研究了新鲜蓝莓和糖渍蓝莓的干燥特征， 发现新鲜蓝
莓的干燥过程没有恒速干燥阶段，却有升速干燥阶段，
而糖渍蓝莓的干燥主要处于降速干燥阶段；Resio 等 [18]
研究了荠菜的干燥过程，发现只有降速干燥阶段，且提
高温度对于水分的扩散有显著影响；Doymaz 等 [19]对西
芹叶子的研究表明，整个干燥过程都于降速干燥阶段；
王瑾等[20]研究南瓜浆滚筒干燥动力学模型发现，南瓜浆
的滚筒干燥过程分为浆状和膜状两个阶段， 膜状区物
料的干燥过程没有经历升速和恒速干燥阶段， 直接进
入降速干燥阶段。 本研究中槟榔花的干燥特性与这些
研究的结果相似。
2.2 干燥模型的拟合及统计分析
为了研究槟榔花的干燥动力学模型，选用 Newton、
Logarithmic 和 Wang and Singh 3 种经典的薄层干燥模
型对试验数据进行拟合。 获得的试验数据首先按照公
式（2）换算成 MR，然后用 Origin 8.5 软件分析，进行模
型的拟合。3 种数学模型与实测值的匹配结果如表 1所
示。
从表 1 可以看出， 槟榔花的干燥曲线与 3 种常用
模型的拟合效果均很好，R2值均高于 0.90。 其中，不同
温度下 Logarithmic 模型的 R2值均高于 0.99，拟合度最
高。 40℃和 60℃干燥温度下，其 R2值均为 0.998，χ2值
分别为 6.109×10-5 和 1.087×10 -4。 不同干燥温度下
Logarithmic 模型的拟合效果如图 3 所示。 结果表明，
Logarithmic 模型可以很好地预测槟榔花的干燥过程。
3 结论与讨论
为了优化干燥过程、控制产品的质量，通常需要借
助数学模型对干燥过程进行分析。 目前，用来描述干燥
过程的模型有很多， 其中薄层干燥模型是一类应用十
分广泛的模型，常被用来描述水果、蔬菜及其他农作物
的干燥过程[21]。 Doymaz等[22]研究酸樱桃的干燥过程，结
果发现 Midilli 模型和 Logarithmic 模型能较好的模拟
酸樱桃的干燥过程；Tog姚 rul 等[23]研究了多种水果的露天
日晒干燥过程， 发现 Approximation of diffusion 模型在
杏和无花果的干燥中模拟性较好，Modified Henderson
and Pabis 模型对葡萄和李子的干燥过程模拟效果较
好， 而桃子的干燥过程符合 Verma 模型。 本文采用
Newton、Logarithmic 和 Wang and Singh 3 种经典的薄层
干燥模型对槟榔花的干燥过程进行拟合， 通过分析比
较得出最优的干燥动力学模型， 为解决槟榔花干燥程
度的控制问题提供理论依据。
由试验结果可知：（1）随着干燥时间的延长，水分
含量逐渐下降，且温度越高，干燥速率越高；（2）槟榔花
的热风干燥没有明显的恒速或加速阶段， 整个干燥过
程均处于降速干燥阶段；（3）干燥曲线和数学模型拟合
105
的统计分析结果表明，Logarithmic 模型的拟合度最高
（R2值均高于 0.99）， 在各个温度下的试验值和预测值
都有很好的匹配性，能较好地预测槟榔花的干燥过程，
为槟榔花干燥过程的检测和控制提供技术参考， 进而
为槟榔花的保存及加工提供理论依据。
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（责任编辑 刘 翀）
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