枸杞(Lycium chinense Mill.),茄科枸杞属的多棘刺灌木植物,广泛种植于宁夏、甘肃、新疆、内蒙古等地,是宁夏枸杞、中华枸杞等枸杞属的总称。枸杞具有抗衰老、抗肿瘤、降血糖、降血脂、调节免疫、护肝明目、美容养颜等功效[1-5]。宁夏枸杞(Lycium barbarum L.)的干燥成熟果实是唯一被列入《中华人民共和国药典》2010年版的品种。

枸杞的主要销售形式是干制枸杞,干制枸杞的品质优劣决定了其销售价格,而干燥方式对枸杞干果的品质有很大的影响[6]。目前用于枸杞鲜果的干燥方法有自然晾晒[7]、热风干燥、真空冷冻干燥[8]、微波干燥[9]、红外线干燥[10]、真空脉动干燥[11]、高压电场(high-voltage electric field,HVEF)干燥[12]以及多种方式联合干燥[13-17]。自然晾晒成本低廉,晾晒方式简单,但存在干燥成品体积收缩严重、复水性差、营养成分损失严重以及干燥环境卫生条件差等缺点。由于枸杞中的大多活性成分属于热敏性物质,热风干燥等加热式干燥对枸杞的营养成分破坏严重,且干燥成品体积收缩严重,复水性差、干燥过程褐变严重导致色泽品质差[18]。微波干燥和红外线干燥存在干燥不均匀、穿透性差、成本高等缺点[19-20]。真空冷冻干燥产品具有色泽鲜艳、外观形态好及营养成分高的优点[21-22],但设备昂贵、耗能高、干燥成品成本高。真空-压力脉动联合干燥[13]、微波-热风联合干燥[15]、太阳能-空气源热泵联合[16]等联合干燥方式虽然对枸杞的干燥品质有所提高,但普遍存在干燥设备昂贵、能耗高等缺点。开发干制枸杞品质好、营养物质损失少、干燥设备简单又耗能低的干燥技术对枸杞产业发展具有非常重要的意义。HVEF作为一种新型干燥技术,具有独特的常温干燥特性,而且设备造价和能耗也较低,更重要的是能够很好地维持物料的色泽,并保留营养成分,能极大程度地保证干燥产品质量[23-25]。HVEF干燥技术在枸杞干燥方面具有广阔的应用前景。

HVEF干燥又称为电流体力学干燥(electrohydrodynamics,EHD)[26-27]。目前EHD干燥技术已经应用于蔬菜、水果、中药材、海产品等物料的研究,并在干燥效率和干燥产品质量方面都有一定的提高[28]。在高压电场与物料相互作用的过程中,会发生复杂的物质和能量的传递与转化,同时发生化学和物理反应。由于影响HVEF的关键参数复杂多变,目前对HVEF干燥机理以及传递现象的阐述较少[29-30]。

本研究拟借助COMSOL Multiphysics®仿真软件构建HVEF干燥的仿真模型,研究电压大小、针尖-板间距大小及针间距大小对静电场电场强度和能量密度的影响;自主设计搭建枸杞HVEF干燥实验平台,以电压、针尖-板间距和针间距为自变量,通过单因素实验,以干燥12 h内的含水率和干燥效率的变化为评价指标,优化枸杞HVEF干燥条件。

1 材料与方法

1.1 实验材料

宁杞7号枸杞,2024年6月采集自宁夏中卫当地农户,以减少枸杞品种和收获期的影响。去除表面缺陷明显、有虫眼和干枯的枸杞,挑选大小相近、颜色均匀的枸杞放入4 ℃的冰箱冷藏备用,每批样品最多冷藏7 d。

1.2 仪器与设备

DHS-16A型水分快速测定仪,宁波市华丰电子仪器厂;SQP型电子天平,赛多利科学仪器(北京)有限公司;LAS-50kV-12mA型高压直流电源,波尔高压(中国宿迁)电源有限公司;DL9013型温湿度计,得力集团有限公司。

实验装置如图1。多针-板电极干燥系统由高压直流电源(最大输出负电压为50 kV)、针-板电极组成。选取长度为70 mm、直径3 mm、针尖长度为5 mm、曲率半径为0.1 mm,材料为紫铜的针状电极作为发射极(见图2),下极板为340 mm×540 mm 的铜板。在180 mm×200 mm的区域内,针间距可以调节为2、4、6 cm;针尖-板间距可以调节为2、4、6、8、10 cm;电压可以调节为15、20、25、30、35 kV。

1.3 实验方法

1.3.1 样品预处理

筛选体积相近的枸杞鲜果,置于提前调配好的体积分数为5%的Na2CO3溶液中,温度保持在38 ℃,浸泡10 min,以达到除去枸杞表面蜡质层的目的。捞出枸杞沥干,用吸水纸擦干表面多余水分,备用。在环境温度25 ℃±2 ℃、相对湿度20%±2%、风速0.1 m/s条件下进行枸杞干燥实验。使用水分快速测定仪测量鲜枸杞的初始含水率(81%±2%)后开始干燥实验。

1.3.2 单因素实验

将沥干水分的枸杞平铺在下极板上,在环境温度为25 ℃±2 ℃,相对湿度为20%±2%,风速为0.1 m/s的条件下,改变电压(15、20、25、30、35 kV)、针尖-板间距(4、6、8、10 cm)、针间距(2、4、6 cm)进行枸杞干燥。每次实验干燥12 h,每隔2 h记录枸杞质量。对照组为室温下自然晾干的枸杞(电压为0 kV),每组实验重复3次。

1.3.3 枸杞含水率的测定

每隔2 h使用水分快速测定仪测量该时间点干燥枸杞的质量并按式(1)计算含水率(MR)。每个干燥过程共测量6次,实验重复3次,取平均值。实验结束后,绘制枸杞干燥曲线和干燥速率曲线。

(1)

式(1)中,mi,干燥i h枸杞的质量,g;mg,干燥12 h的枸杞置于120 ℃干燥箱中,直至质量不再变化,即枸杞干质量,g。

1.3.4 枸杞干燥速率的测定

实验条件与测量方法见1.3.3节,干燥速率计算见式(2)[11]。

(2)

式(2)中,Vi-t, i～t时间段内枸杞的干燥速率,g/(g·h);Mi, i时刻枸杞的干基含水率,g/g;Mt,t时刻枸杞的干基含水率,g/g。

平均干燥速率计算见式(3)。

(3)

式(3)中,V , 0～t时间段内枸杞的平均干燥速率,g/(g·h);Mt,t时刻枸杞的干基含水率,g/g;M0,鲜枸杞的干基含水率,g/g。

1.3.5 HVEF干燥仿真模型的构建

由于目前对于HVEF干燥的原理没有确切定论,因此本研究采用COMSOL Multiphysics®仿真软件模拟不同电压、针尖-板间距和针间距的多针-板电极系统的电场特性,分析多针-板电极系统的电场强度的变化,为HVEF干燥原理分析提供参考。为了后期实验更加贴合模拟结果,选取长度70 mm、直径3 mm、针尖长度5 mm、曲率半径0.1 mm,材料为紫铜的针状电极作为发射极,输出电压为最大可输出50 kV的直流高压电源。

1.3.5.1 几何模型及网格划分

HVEF干燥模型的区域划分和网格划分见图3。

1.3.5.2 控制方程与边界条件设定

图4是HVEF干燥仿真模型简化结构示意,其控制方程和边界条件设置如下。

1.4 数据处理

单因素方差分析和显著性分析采用Excel和Design expert 8.0.6软件处理,绘图采用Origin 2021。P<0.05表示有显著性差异。每次实验都独立重复3次,结果采用平均值±标准偏差(SD)表示。

2 结果与讨论

2.1 HVEF电压对枸杞干燥特性的影响

电压对枸杞干燥过程中干燥特性的影响见图5。由图5可以看出,电压大小对枸杞的干燥特性有显著影响(P<0.05)。随着电压的增大,枸杞的含水率下降得更快。随着含水率的下降,枸杞的干燥速率也下降。当含水率小于30%后,干燥速率下降趋势明显变得缓慢,这是因为干燥前期主要失去的是自由水;干燥中后期,自由水含量减少,不易流动水和结合水与非水物质结合较为紧密,不易失去,因此干燥速率会迅速降低[31]。整个干燥过程中,电压15、20、25、30、35 kV时枸杞的平均干燥速率依次为0.036、0.041、0.048、0.0516、0.057 g/(g·h),分别是对照组[0.11 g/(g·h)]的3.27、3.72、4.36、4.91、5.18倍。

平均干燥速率的变化趋势与仿真模型中电场强度和能力密度的趋势一致,具有很好的吻合性,但在实践生产中,较大的电压容易造成安全隐患以及耗能的增加,因此后期研究方向要偏向于低电压(如25 kV)下提高干燥效率的方法,比如联合热泵干燥技术。

2.2 HVEF针尖-板间距对枸杞干燥特性的影响

不同针尖-板间距的枸杞含水率和干燥速率随干燥时间的变化见图6。由图6可知,随着含水率的下降,干燥速率也在降低。针尖-板间距为4、6、8、10 cm时,干燥结束时枸杞的含水率依次为(0.290±0.017)、(0.242±0.021)、(0.251±0.004)、(0.329±0.013 )g/g,平均干燥速率依次为0.043 3、0.048 1、0.046 9、0.039 7 g/(g·h)。可以看出,随着针尖-板间距的增加,枸杞的平均干燥速率呈先增加后减小的趋势,先增加是因为两者距离过小时,电势差也比较小,离子风在到达枸杞表面时还没有获得动能或动能较小;后下降是因为两极距离过大时,针电极产生的离子风在到达枸杞表面过程中不断地与空气分子进行摩擦碰撞,能量不断损失,而且相邻的两针所产生的离子风在到达枸杞表面之前又有一部分因相互碰撞而使能量进一步减小,导致枸杞的干燥速度变慢[29]。当针尖-板间距适中时,离子风获得最大动能时刚好到达枸杞表面,因此获得最大干燥速率。

仿真模型结果选取针尖-板间距为2 cm为优化干燥条件,但实际实验中,25 kV下,当针尖-板间距为2 cm时,空气被击穿产生电弧,这是因为针尖与板的距离太近,强大的电场使它们之间的空气介质击穿,急剧增加的电流产生大量的热使空气发声发光,即发生火花放电现象[32]。因此,实验选择针尖-板间距大于2 cm。虽然仿真结果中最佳的干燥针尖-板间距与实际情况不符,但其趋势是相同的;且除2 cm外,4 cm和6 cm的电场强度和能量密度是无显著差异的。实际实验中,4 cm组的干燥速率较优,因此,选择4 cm作为实验针尖-板间距。

2.3 HVEF针间距对枸杞干燥特性的影响

图7是针间距对枸杞干燥速率特性的影响。

由图7可知,随着含水率的下降,枸杞的干燥速率也在下降。当含水率越来越低时,干燥速率下降趋势越来越缓慢。平均干燥速率随针间距的增大先增大后减小,在针间距4 cm处得到最大干燥速率,为0.481 g/(g·h)。这是因为相邻针间距太近时,生产的离子风和电场能量密度都彼此削弱,离子风获得动能减小,降低了物料的干燥速率;针间距过大时,两针之间的离子风十分微弱,彼此碰撞还会消耗一部分能量,因此干燥速率降低。只有合适的针间距才能发挥最大的作用,研究结果表明,枸杞干燥的针间距为4 cm时干燥效果较好。

电场仿真结果为针间距2 cm时干燥效率最好,但实际高压电场干燥中,影响因素繁多,不仅仅是电场的作用,因此出现一定偏差,但当针间距超过4 cm后,干燥速率呈下降趋势,这与电场仿真结果基本一致。

2.4 响应面试验结果与分析

2.4.1 模型的建立及显著性分析

在单因素实验的基础上,以平均干燥速率(Y)为响应值,以对枸杞干燥速率影响显著的3个因素电压(X1)、针尖-板间距(X2)和针间距(X3)为考察因素,Box-Behnken试验因素与水平见表1,试验结果与分析见表2。

运用Design expert 8.0.6对表2中平均干燥速率进行拟合,得回归方程:

Y=0.050+7.875×10-4X1-2.950×10-3X2+1.438×10-3X3-3.750×10-4X1X2+2.000×10-4X1X3-3.250×10-4X2X3-

对回归方程进行方差分析,结果见表3。

由表3可知,所建立模型P<0.01,干燥速率差异极显著,且失拟项不显著,说明该模型具有较高的可靠性[33]。通过方差分析可知,3个因素对枸杞干燥速率的影响由大到小依次为针尖-板间距、电压、针间距。其中,一次项X2、X3和对结果影响极显著(P<0.01),X1对结果影响显著(P<0.05),其他项对结果影响不显著(P>0.05)。

2.4.2 响应面分析

针间距、针尖-板间距和电压交互作用对枸杞平均干燥速率的影响见图8。

结合方差结果分析可知,针间距与针尖-板间距、针间距与电压、针尖-板间距与电压的响应面相对缓和,两因素的交互作用不显著(P>0.05)。通过响应面回归模型得出3个因素优化条件为针间距5.22 cm,针尖-板间距4.03 cm,电压34.91 kV,此时平均干燥速率为0.055 0 g/(g·h)。考虑到实际的可操作性确定优化干燥枸杞的工艺条件为针间距4 cm、针尖-板间距4 cm、电压35 kV。经3次重复验证,此条件下枸杞的平均干燥速率为0.054 9 g/(g·h),与预测值接近,说明经响应面试验优化的高压电场干燥枸杞的参数条件是可行的。

2.5 HVEF仿真结果分析

2.5.1 不同电压对HVEF的影响

针尖-板间距为6 cm、针间距为4 cm时,研究电压的变化(15、20、25、30、35 kV)对电场的影响,其中,25 kV时的结果见图9。

随着电压的增大,整个空间内的电场强度也随之增大。当施加电压为15、20、25、30、35 kV,中间针-电极针尖处的电场强度依次约为1.15×105、1.55×105、1.90×105、2.30×105、2.60×105 V/m。而且可以看出针与针之间电场相互影响,会削弱中间针电极产生的场强,这说明针间距会影响电场强度。

2.5.2 不同针尖-板间距对HVEF的影响

针间距为4 cm、电压为25 kV时,研究针尖-板间距(2、4、6、8、10 cm)对电场的影响。结果表明,当针尖-板间距为2、4、6、8、10 cm时,中间针尖处的场强大约分别2.05×105 、1.95×105 、1.94×105 、1.84×105、1.84×105 V/m。电场强度随针尖-板间距的增大基本呈下降趋势。针尖-板间距在2 cm时,电场强度达到最大值;4～6 cm时,电场强度呈下降趋势,当针尖-板间距8～10 cm时,电场强度先减小后趋于稳定。

2.5.3 不同针间距对HVEF的影响

图10是不同针间距的电场强度分布情况。由图10可知,随着针间距的增大,针尖处的电场强度呈不断增大的趋势,但整个场内的平均电场强度减小。与电场强度的变化趋势一致,虽然针尖处的电场能量密度大,但随着针间距的增大,平均电场能量密度在减小。仅从电场分析,当针间距在2 cm时,干燥效率最高。

本研究分析了针-板电极在高压电场下的电场特性,利用COMSOL Multiphysics®模拟不同电压、不同针尖-板间距以及不同针间距的电场特性。由模拟结果可知,针尖-板间距在2～10 cm时,电场强度随针尖-板间距的增大呈下降趋势,最后趋于恒定。电压越大电场强度和能量密度越大。在针尖-板间距为0～2 cm时,粒子处于加速区,电场强度达到最大值;在针尖-板间距为2～6 cm时,粒子处于高速稳定区,电场强度逐渐减小;在针尖-板间距为6～10 cm时,粒子处于减速区,电场强度逐渐趋于稳定,能量密度随针尖-板间距的增大而减弱。当针尖-板间距处于2 cm时,具有最大的能量密度。随着针间距的增加,针尖处的电场强度和电场能量密度最大,但一定区域内,平均电场强度和平均能量密度减小,当针间距为2 cm时,具有最大的平均电场强度和平均能量密度。因此,根据模拟仿真结果,在电压35 kV,针尖-板间距2 cm,针间距2 cm的条件下干燥效果较好。

2.6 不同干燥方式枸杞品质差异分析

本实验研究比较了HVEF干燥、真空冷冻干燥(液氮速冻后经过两次干燥处理)、热风干燥(50 ℃干燥箱中热风烘干至水分低于13%)这3种干燥方式对干枸杞的品质指标特性,即色泽、复水性、黄酮及枸杞多糖含量等的影响(附录附表1),不同干燥方式干燥枸杞外观见附录附图1。HVEF干燥对枸杞的感官品质和活性成分有较好的保护作用,HVEF干燥枸杞的总黄酮和多糖质量比分别达到6.36 mg/g和(5.10±0.14)g/100 g。结果表明,HVEF干燥技术用于枸杞干燥是存在优势的,后期应继续探究影响高压电场干燥效果的因素,并不断优化干燥条件。此外,可尝试将HVEF联合其他干燥方式,建立一种干燥品质好、效率高、能耗低的联合枸杞干燥方法。

3 结 论

本研究以HVEF干燥技术为核心,自主研发了枸杞HVEF干燥设备,并优化了干燥条件;同时构建了HVEF干燥的仿真模型,并验证了仿真模型对HVEF干燥枸杞的指导意义以及影响HVEF干燥的3个主要因素。研究发现:1)实际干燥实验结果表明,在电压35 kV,针尖-板间距4 cm,针间距4 cm时干燥效果较优。2)构建的静电场仿真模型在电压35 kV,针尖-板间距2 cm,针间距2 cm时,HVEF的电场强度和能量密度较强。与实际干燥实验比较可知,仿真结果与实际实验结果存在一定差异,但电压增大、针间距增大时电场强度和能量密度的变化趋势与干燥速率趋势基本一致,说明该仿真模型的结果与实验结果较为吻合,对实际实验有一定的模拟指导作用。但由于高压电源的稳定性、利用效率安全性以及可靠性等限制因素亟待解决,目前HVEF用于干燥的研究大部分还处于实验室阶段,要想走向工业化还需要进一步探究。未来将通过多学科协同深入研究高压电源的稳定性、效率、安全性和可靠性等方面的问题,结合新材料和新技术,推动HVEF干燥技术更广泛、更深入的应用,以促进相关产业的发展,为社会带来更多的经济效益和环保效益。

附录：

与本文相关的补充数据可以在http:∥dx.doi.org/10.12301/spxb202400440在线版本中找到。

Appendix:supplementary data

Supplementary data associated with this article can be found, in the online version, at http:∥dx.doi.org/10.12301/spxb202400440.

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Study on Parameters of Lycium barbarum Drying Equipment Based on High-Voltage Electric Field Technology

YU Jianguo, LI Xiu, WANG Songlei*

(College of Food Science and Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

Abstract： In order to address the issues of high energy consumption and quality deterioration in the traditional Lycium barbarum drying process, the design of Lycium barbarum drying equipment and the optimisation of process parameters were conducted based on high-voltage electric field drying technology, revealing the correlation between electric field characteristics and drying efficiency. Based on research into the principle and structure of the equipment, the shape of the electrode, the form of the needle plate electrode, and the optimisation of process parameters, the influence of voltage, needle-to-plate spacing, and needle spacing on the electric field characteristics were explored. Through the self-developed high-voltage electric field drying experimental platform, the mechanisms of key parameters such as voltage intensity (0-50 kV), needle-to-plate spacing (2-6 cm), and needle spacing (4-10 cm) on the electric field characteristics were systematically analysed. Single factor experiment and a quadratic orthogonal rotation combination design response surface analysis were used to establish a mathematical model correlating the drying rate with the electric field parameters. The electric field distribution characteristics were simulated using COMSOL Multiphysics® simulation software. The results indicated that the optimal drying effect was achieved at a voltage of 35 kV, a needle-to-plate spacing of 4 cm, and a needle spacing of 4 cm, with an average drying rate of 0.054 9 g/(g·h). The results aligned well with the electric field simulation, and the established high-voltage electric field model could be utilised to simulate the change trend of drying rate in the actual drying process. The objective of this study was to establish low-energy-consumption and high-quality Lycium barbarum drying equipment, thereby providing a new approach and technical support for the production of dried Lycium barbarum.

Keywords： Lycium barbarum; high-voltage electric field; drying technology; parameter optimisation; simulation model

文章编号：2095-6002(2025)03-0170-11

doi：10.12301/spxb202400440

引用格式：于建国,李秀,王松磊.基于高压电场技术的枸杞干燥设备参数研究[J]. 食品科学技术学报,2025,43(3):170-180. YU Jianguo, LI Xiu, WANG Songlei. Study on parameters of Lycium barbarum drying equipment based on high-voltage electric field technology[J]. Journal of Food Science and Technology, 2025,43(3):170-180.

中图分类号： TS205.1

文献标志码： A

收稿日期： 2024-07-07

基金项目： 宁夏回族自治区重点研发计划项目(2022ZDYF0579)。

Foundation: Key Research and Development Program of Ningxia Hui Autonomous Region (2022ZDYF0579).

第一作者： 于建国,男,硕士研究生,研究方向为农产品加工与无损检测。

*通信作者： 王松磊,男,教授,博士,主要从事农产品检测加工技术及装备应用方面的研究。

(责任编辑：张逸群)