車剛，王鑫，萬霖

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

苜蓿屬多年生豆科牧草，種后第二年即可獲得較高的產(chǎn)草量，一年可收割3～7次。每公頃產(chǎn)量高達(dá)150～166.7 kg。苜蓿的粗蛋白質(zhì)含量高，含有8種牲畜需要的維生素，還含有15種對(duì)家畜生長有益的微量元素和未知促生長營養(yǎng)因子，是家畜不可缺少的優(yōu)質(zhì)飼草[1]。苜蓿非均一物質(zhì)，苜蓿植株可分為粗莖稈、葉片和優(yōu)質(zhì)莖稈。根據(jù)苜蓿品種不同，生長期不同，苜蓿的營養(yǎng)價(jià)值也不盡相同。在孕蕾期和觀蕾期的粗蛋白含量和干物質(zhì)消化率最高，在觀蕾期末期和始花初期，莖稈、葉片和優(yōu)質(zhì)莖稈的平均含量分別是47.7%、35.8%、16.5%，粗莖稈的平均直徑是3.52 mm，優(yōu)質(zhì)莖稈的平均直徑為2.30 mm。葉片的葉蛋白含量為30%，而粗莖稈僅含10%粗蛋白[2]。莖稈外面角質(zhì)層為防止水分蒸發(fā)的天然屏障，對(duì)于其干制存貯阻礙巨大[3]。雖然各部分有不同的物理和化學(xué)特性，為了對(duì)苜蓿強(qiáng)化干燥性能有清楚的認(rèn)識(shí)，并更好了解苜蓿強(qiáng)化干燥加工對(duì)最終產(chǎn)品質(zhì)量的影響規(guī)律。因此，對(duì)紫花苜蓿強(qiáng)化干燥特性參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究與分析。

1 苜蓿的基本特性分析

1.1 苜蓿組配的物理特性

隨機(jī)選取50個(gè)葉片來進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量其表面積。莖稈直徑通過精度為0.01 mm千分尺來測(cè)量。每50 mm長的整株草段大約包含6片葉片，而有些片段主要是莖稈而無葉片，有的片段高的可達(dá)20片葉片。莖稈在干燥前和干燥后的平均直徑分別是2.60 mm和2.06 mm，莖稈直徑減少20.7%。葉片由235 mm2縮小了35%。這是由于葉片長軸減少了19.8%，短軸縮短22.1%。因?yàn)楦稍锟s水，結(jié)果顯示面 積迅速降低，如表1所示。

表1 苜蓿成分的物理特性Table 1 Physical performance of alfalfa

1.2 葉片、莖稈和草段的干燥曲線

試驗(yàn)研究整株在不同水分含量下葉片和莖稈的水分含量。每份樣品稱取苜蓿大約100 g，攤薄層在牧草薄層干燥試驗(yàn)臺(tái)的網(wǎng)篩面上，保證每一單體及所有部分都能均一干燥。初始的水分含量通過烘箱進(jìn)行測(cè)定（105℃），每間隔一段時(shí)間稱量一下樣品重量，水分含量由它們不同的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)定。人工將葉片和莖稈分開，它們的水分含量由烘箱里的樣品在烘干前和烘干后的質(zhì)量測(cè)定來計(jì)算。

圖1 苜蓿組分的含水率的變化Fig.1 Moisture change of alfalfa component

圖1顯示的是溫度在160℃時(shí)，草段、莖稈和葉片在干燥不同階段的水分含量。在整個(gè)干燥過程中，葉子的含水量比莖稈或草段的水分含量低。葉片由于有快速干燥特性，開始時(shí)干燥較快，到達(dá)一個(gè)漸進(jìn)值并與草段水分含量成直線關(guān)系。葉片和莖稈的水分含量與草段水分含量的關(guān)系如下：

下標(biāo)S、C和L分別代表莖稈、草段和葉片，水分含量以水分的百分含量表示。為了較直觀地反映紫花苜蓿各組成部分的水分含量隨干燥時(shí)間的分布情況，將干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從圖1和表2中的擬合方程分析，得出苜蓿葉片的水分含量與干燥時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系，近似直線變化。草段與莖稈的水分含量與干燥時(shí)間的變化呈指數(shù)關(guān)系，這與葉片的干燥過程中水分含量的變化不完全一樣。這主要是由于各自的生理結(jié)構(gòu)的差異。

表2 莖稈、草段和葉片干燥的擬合方程Table 2 Simulated equation of drying stem and leaf

1.3 最長干燥存留時(shí)間

最長干燥存留時(shí)間是指在干燥過程中紫花苜蓿燃燒前所經(jīng)歷的干燥時(shí)間。

圖2 干燥溫度對(duì)苜蓿存留時(shí)間的影響Fig.2 Effects of drying temperature on drying time of retained alfalfa segment

圖3 干燥溫度對(duì)燃燒前最低水分含量的影響Fig.3 Effects of drying temperature on minimum moisture before burning

圖2表示的是初始含水率為78%wb的苜蓿草段在不同溫度下的干燥存留時(shí)間的變化。試驗(yàn)證明：溫度在200℃以上時(shí)，薄層里極快速烘干的草段在存留一段時(shí)間后使苜蓿植株燃燒。在200～300℃的干燥條件下，莖稈存留的時(shí)間相對(duì)較長，草段次之，葉片最長暴露時(shí)間最短。在300℃以上的干燥條件下，草段與草葉片的最長暴露時(shí)間基本相同，說明葉片適應(yīng)極快速干燥的條件，干燥速率極高。圖3所示的是苜蓿草段在燃燒前的最終含水量與干燥溫度的關(guān)系，即開始燃燒前最長的存留時(shí)間和每一干燥溫度下草段能到達(dá)的最終含水量。實(shí)際上，在低水分含量時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量存留時(shí)間是很困難的，因?yàn)槿狈φ舭l(fā)冷卻。初始水分含量較高時(shí)，葉片能到達(dá)的最低水分含量比莖稈高，因此在薄層里將苜蓿草段干燥到最終所要求的10%水分含量是不可能的。在那些溫度下，這種現(xiàn)象限制了苜蓿存留時(shí)間和最終水分含量。因此，設(shè)計(jì)半封閉式牧草干燥機(jī)時(shí)，設(shè)定干燥溫度不宜過高，應(yīng)該在200℃左右，這樣才能使苜蓿干燥最終水分含量在10%左右。

2 機(jī)械處理方式與苜蓿干燥特性

2.1 處理苜蓿草段的干燥特性

把紫花苜蓿平鋪在一個(gè)堅(jiān)硬的表面上，用直徑為50 mm的光滑滾筒（10 kg）在其上滾動(dòng)一次，利用滾筒的重量進(jìn)行加壓，使苜蓿植株破裂。如圖4、圖5所示。然后進(jìn)行常壓熱風(fēng)干燥。熱介質(zhì)溫度為180℃，表現(xiàn)風(fēng)速為0.3 m·s-1。

圖4 未壓裂苜蓿莖稈電鏡圖Fig.4 Microscopic section of unconditioned alfalfa stem

圖5 壓裂苜蓿莖稈電鏡圖Fig.5 Microscopic section of conditioned alfalfa stem

苜蓿水分的散失主要是通過維管系統(tǒng)和細(xì)胞間隙到氣孔。當(dāng)苜蓿含水量降低到45%左右時(shí)，在這個(gè)階段細(xì)胞開始死亡，水分大部分保留在細(xì)胞內(nèi)部，而水分從細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)入細(xì)胞間隙時(shí)，細(xì)胞壁的阻力較大，并且角質(zhì)層里含有部分蠟質(zhì)，蠟質(zhì)常被擠壓滲出角質(zhì)層，從而阻擋了水分通過角質(zhì)層而蒸發(fā)。苜蓿植株的含水量減少，導(dǎo)致其與大氣之間的水勢(shì)差減少，因此水分散失速度較慢而不均勻。用壓裂莖稈的方式加快莖的干燥速度，從而縮短苜蓿的干燥時(shí)間。對(duì)照苜蓿壓裂和未壓裂莖稈電鏡圖（圖4和圖5），可以明顯地發(fā)現(xiàn)機(jī)械處理破壞了表皮、皮層和維管束的基本結(jié)構(gòu)，髓質(zhì)部分破壞嚴(yán)重，表皮層破裂，增加了內(nèi)部水分散失的途徑。

2.2 機(jī)械處理次數(shù)對(duì)苜蓿干燥速率的影響

莖稈（去除葉片）被三種型式的滾筒壓扁，分別為光滑滾筒（直徑50 mm）、環(huán)型滾筒（直徑50 mm）和縱向槽滾筒（直徑50 mm）。壓面為光滑和環(huán)行槽的滾筒，每個(gè)重10 kg。帶槽滾筒槽深0.5 mm，輪間距為2 mm，縱型槽滾筒槽深是0.5 mm，兩槽間距離為2.5 mm。苜蓿用手工以一薄層形式添入壓扁滾筒以相反方向保持380～400 r·min-1速度轉(zhuǎn)動(dòng)。

表3 鮮苜蓿的處理方式與干燥特性Table 3 Processing methods of fresh alfalfa and drying performance

如表3所示，使用縱向齒槽機(jī)械處理莖稈，干燥時(shí)間從550 s減少到大約360 s。從壓扁莖稈里壓出的汁液呈自由水狀態(tài)，并且易于干燥。光滑圓筒將干燥時(shí)間減少到大約300 s，用環(huán)形槽的滾筒的干燥時(shí)間為360 s。苜蓿莖稈在兩縱向槽滾筒間壓1次、3次和5次，水分含量降到10%所需的干燥時(shí)間從滾動(dòng)一次的360 s，降到滾動(dòng)三次的300 s。進(jìn)一步壓扁到5次卻不能顯著提高干燥速率，原因是壓過3次后莖稈被完全壓扁水分幾乎都?jí)撼龅奖砻?。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了機(jī)械強(qiáng)度的大小與苜蓿干燥速率有密切的關(guān)系，選擇合理的碾壓原理和壓裂程度是獲得優(yōu)化干燥工藝的基礎(chǔ)。選擇光滑槽壓扁一次和縱向槽重復(fù)壓扁3次處理的干燥效果較理想。

2.3 草段長度對(duì)苜蓿干燥速率的影響

從植物生理學(xué)角度分析，莖稈表面的蠟質(zhì)層是水分運(yùn)動(dòng)的障礙，因此水在縱向運(yùn)動(dòng)比橫向運(yùn)動(dòng)容易。但是從生產(chǎn)和節(jié)能的角度考慮，紫花苜蓿必須進(jìn)行切斷處理，而且草段的長度不宜過短。由于中低溫（200℃以下）加熱不能完全破壞角質(zhì)層，在干燥過程中切斷處理對(duì)減少干燥時(shí)間是特別有益的。因此，草段長度在減少干燥時(shí)間方面起著重要的作用。為了研究莖稈長度對(duì)干燥速率的影響，在銀鑼牧場(chǎng)苜蓿的第二茬始花期前人工收獲，莖稈和整植株被切成不同尺寸的草段，供試材料散放在薄層干燥器的擱網(wǎng)篩面上，平攤密度為1.5 kg·m-2?？疾烨o稈長度為10、20、30、50、70、90和100 mm與莖稈干燥常數(shù)的關(guān)系，這里用干燥常數(shù)k表示干燥速率的大小。

圖6 莖稈長度對(duì)干燥常數(shù)k的影響Fig.6 Effects of alfalfa stems length on drying coefficient

圖7 草段長度對(duì)相對(duì)干燥常數(shù)k的影響Fig.7 Effects of alfalfa stems length on relative drying coefficient

如圖6和圖7所示，莖稈和草段的長度對(duì)于干燥常數(shù)k的影響呈指數(shù)變化，如式（4）方程符合指數(shù)規(guī)律，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.934。莖稈長度在10～30 mm范圍內(nèi)，其干燥常數(shù)k的變化呈顯著的線性，大于30 mm以上的草段的干燥常數(shù)k的變化比較緩慢，根據(jù)擬合曲線，綜合考慮生產(chǎn)實(shí)際情況，莖稈或草段的長度取30～50 mm。

L—莖稈長度，mm；K—干燥常數(shù)

3 結(jié)論

（1）通過紫花苜蓿的生理和物理特性的試驗(yàn)研究，得出苜蓿葉片的水分含量與干燥時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系，近似直線變化。草段與莖稈的水分含量與干燥時(shí)間的變化呈指數(shù)關(guān)系。利用簡(jiǎn)單的物理方法，進(jìn)行紫花苜蓿干燥特性的研究，確定最長干燥存留時(shí)間與苜蓿含水率的關(guān)系。

（2）對(duì)照壓裂處理的電鏡圖，明顯地觀察到表皮、皮層等基本結(jié)構(gòu)被破壞，髓質(zhì)部分破壞嚴(yán)重，表皮層破裂，增加內(nèi)部水分散失的途徑，從而縮短苜蓿的干燥時(shí)間。干燥速度提高1.5～2倍。

（3）試驗(yàn)研究機(jī)械處理次數(shù)和草段長度對(duì)苜蓿干燥速率的影響規(guī)律。選擇光滑槽壓扁一次和縱向槽重復(fù)壓扁三次處理的干燥效果最好。適宜的草段長度為30～50 mm。

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