田朝玉， 王德武， 鄧會(huì)寧， 劉 燕， 張學(xué)玲， 張少峰

(河北工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300130)

濕芝麻渣是小磨香油的副產(chǎn)物，含有多種氨基酸，特別是精氨酸、谷氨酸含量較高，而且鐵、錳、鋅、銅等微量元素含量也較高。芝麻渣除作飼料外，還是很好的蛋白質(zhì)資源。將芝麻蛋白加入肉糜制品，可以促進(jìn)脂肪吸收；將其用于面點(diǎn)產(chǎn)品，可以作為良好的互補(bǔ)蛋白，提高營養(yǎng)價(jià)值；還可以用作醬油的原料、食品添加劑、蛋白粉等。但是，濕芝麻渣極易發(fā)生霉變，造成蛋白質(zhì)資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，所以需要干燥以延長其貨架期，使其營養(yǎng)價(jià)值得以充分利用[1-2]。濕芝麻渣經(jīng)干燥后，不僅可以減少體積[3]，降低黏度，解決運(yùn)輸困難的問題，還可以防止其霉變、發(fā)臭，污染環(huán)境。因此，濕芝麻渣干燥是環(huán)?；?、減量化和資源化處理的關(guān)鍵手段。

干燥過程包括自由水向干燥介質(zhì)的傳遞、結(jié)合水向自由水的轉(zhuǎn)化和內(nèi)部水分向外的擴(kuò)散。濕芝麻渣的水分以結(jié)合水和自由水的形式存在[4]，大量的結(jié)合水使其干燥過程產(chǎn)生更大的能耗。本文對(duì)濕芝麻渣干燥過程進(jìn)行研究，綜合考察溫度對(duì)干燥過程的影響，分析濕芝麻渣的干燥曲線，計(jì)算干燥過程中的有效水分?jǐn)U散系數(shù)和表觀活化能[5]，探究溫度對(duì)干燥過程的影響規(guī)律，以描述濕芝麻渣的干燥特性，并為選擇合適的熱源和干燥工藝提供參考，以期完善干燥工藝，充分提高濕芝麻渣的干燥效率。并對(duì)50℃和120℃兩種溫度下干燥的芝麻渣氨基酸組成進(jìn)行對(duì)比，分析溫度對(duì)芝麻渣營養(yǎng)成分的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

新鮮濕芝麻渣來源于天津某加工廠，為芝麻油加工過程的副產(chǎn)物，原料新鮮，無霉變現(xiàn)象，購買后及時(shí)開展實(shí)驗(yàn)。使用水分測定儀對(duì)其含水率進(jìn)行測定，新鮮濕芝麻渣的初始含水率為(62±1)%。

天美DHS烘干法水分測定儀，JSM-6010LA掃描電子顯微鏡，101-3型電熱鼓風(fēng)干燥箱，氨基酸自動(dòng)分析儀，紫外分光光度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 不同溫度下的干燥實(shí)驗(yàn)

將濕芝麻渣原料攪勻，取10.0 g濕芝麻渣平鋪于水分測定儀的樣品盤中，進(jìn)行加熱干燥，并隨干燥時(shí)間記錄數(shù)據(jù)，至濕芝麻渣的質(zhì)量不再隨時(shí)間變化，即認(rèn)為物料干燥結(jié)束，停止實(shí)驗(yàn)。樣品盤試樣均勻平鋪，以確保只在上下方向上進(jìn)行傳質(zhì)，在干燥過程中，試樣被視為大平板，物料中的水分?jǐn)U散可被假定為沿物料內(nèi)部厚度方向的一維擴(kuò)散過程。改變溫度為50、60、70、80、90、100、110、120℃時(shí)，對(duì)濕芝麻渣進(jìn)行單因素干燥實(shí)驗(yàn)[6]，考察不同干燥溫度下濕芝麻渣的干燥特性。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

試樣干燥至t時(shí)刻的干基含水率Mt[7]、干燥速率Dr[8]、水分比MR[9]采用以下公式進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中：Mt為試樣干燥至t時(shí)刻的干基含水率，%；mt為試樣干燥至t時(shí)刻的質(zhì)量，g；mg為試樣干燥至絕干時(shí)的質(zhì)量，g。

(2)

式中：Dr為試樣的干燥速率，g/(s·g)；Mt+Δt為試樣干燥至t+Δt時(shí)刻的干基含水率，%。

(3)

式中：MR為試樣的水分比，無量綱；Me為試樣的平衡干基含水率，%；M0為初始時(shí)試樣的干基含水率，%。

因Me的值相對(duì)于M0和Mt的值來講較小，可以忽略不計(jì)[10]，所以式(3)可以簡化為式(4)。

(4)

1.2.3 有效水分?jǐn)U散系數(shù)的計(jì)算

物料內(nèi)部水分的擴(kuò)散是一個(gè)復(fù)雜的傳質(zhì)過程，包括分子擴(kuò)散、毛細(xì)流動(dòng)、水力學(xué)流動(dòng)和表面擴(kuò)散等。一般情況下，F(xiàn)ick第二定律可廣泛地應(yīng)用于描述水分?jǐn)U散過程[11-12]，也適用于本實(shí)驗(yàn)的計(jì)算。本實(shí)驗(yàn)做出如下假設(shè)：①干燥初期，物料內(nèi)部水分和溫度分布均勻[13]；②物料內(nèi)部的水分運(yùn)動(dòng)是在水分梯度作用下的液態(tài)擴(kuò)散；③忽略干燥過程中物料內(nèi)部溫度梯度對(duì)水分?jǐn)U散的影響；④忽略干燥過程中物料的變形。

Fick第二定律表達(dá)式為：

(5)

式中：Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s；x為厚度，m；t為干燥時(shí)間，s。

對(duì)Fick第二定律進(jìn)行數(shù)值求解[14]，并取對(duì)數(shù)，可得式(6)。

(6)

1.2.4 干燥活化能的計(jì)算

干燥活化能是指物料在干燥過程中脫除單位摩爾的水分所需要的啟動(dòng)能量[15]。由干燥活化能可以比較物料干燥的難易程度并估算其干燥能耗[16]。干燥過程中的活化能可以通過阿倫尼烏斯公式進(jìn)行計(jì)算。

(7)

式中：D0為有效擴(kuò)散系數(shù)的頻率因子，為固定值，m2/s；Ea為物料的干燥活化能，J/mol；R為摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T為物料干燥的絕對(duì)溫度，K。

1.2.5 芝麻渣氨基酸組成及含量分析

取在溫度50℃和120℃的條件下干燥后、且含水率在5%左右的兩組樣品各500 g，委托PONY測試集團(tuán)參照GB/T 18246—2000進(jìn)行氨基酸測試。

1.2.6 掃描電鏡分析

分別用不同條件下干燥的芝麻渣樣品進(jìn)行掃描電鏡掃描，觀察對(duì)比其表面結(jié)構(gòu)，分析濕芝麻渣的干燥過程。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥溫度下的濕芝麻渣的干燥特性曲線

在載料量為10.0 g，溫度分別為50、60、70、80、90、100、110℃和120℃的干燥條件下，對(duì)濕芝麻渣的干燥過程進(jìn)行比較分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同干燥溫度下濕芝麻渣的干燥曲線

由圖1可知，在濕芝麻渣的干燥過程中，同一干燥條件下，水分比MR下降的速度越來越慢，干燥速率逐漸降低，最終逐漸趨于零。這是因?yàn)樵诟稍镞^程中，濕芝麻渣內(nèi)部水分向表面的擴(kuò)散過程和結(jié)合水向自由水的轉(zhuǎn)化過程是主要控速步驟。隨著干燥過程的進(jìn)行，濕芝麻渣中的自由水含量降低，干燥過程的控制由擴(kuò)散過程變?yōu)檗D(zhuǎn)化過程，濕芝麻渣表面沒有充足的水分供干燥過程的進(jìn)行，導(dǎo)致干燥速率降低，MR下降減緩。不同干燥條件下，溫度越高，MR下降的速度越快，干燥速率越大。這是因?yàn)楦稍餃囟仍礁?，顆粒表面獲得的熱量越多，不僅加快了自由水的蒸發(fā)速度，還加快了結(jié)合水向自由水的轉(zhuǎn)化速度，使自由水由顆粒內(nèi)部向外的擴(kuò)散速度變快，顆粒中與干燥介質(zhì)直接傳熱傳質(zhì)的自由水含量大大增加，整個(gè)干燥過程的水分?jǐn)U散速度明顯變大，從而有效地提高干燥速率，縮短干燥時(shí)長。但從圖1可以看出，50℃與100℃之間，每10℃的升溫都有很明顯地提高干燥速率并縮短干燥時(shí)長的效果，而超過100℃后，干燥曲線變化并不明顯。這說明溫度的作用效果是有一定局限性的。因此，對(duì)濕芝麻渣顆粒的干燥溫度的選擇，并不一定是越高越好，過高的溫度不僅不能加速干燥過程，反而會(huì)帶來能源的浪費(fèi)。

2.2 不同干燥溫度下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)

利用公式(6)計(jì)算濕芝麻渣在不同溫度條件下干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)，結(jié)果如圖2表示。由圖2可知，在50℃到120℃間，濕芝麻渣的Deff范圍為5.47×10-10～4.29×10-9m2/s，升高一個(gè)數(shù)量級(jí)。而不同階段的升溫，所引起的Deff的增長率并不相同，但逐漸趨于平緩。這是由于濕芝麻渣中結(jié)合水的存在，在不同溫度條件下，結(jié)合水向自由水的轉(zhuǎn)化速率不同。溫度較低時(shí)，自由水與結(jié)合水之間的轉(zhuǎn)換是干燥過程的控速步驟，Deff的增長速率差異較大；溫度較高時(shí)，結(jié)合水向自由水的轉(zhuǎn)化速率大于內(nèi)部水分向干燥表面的擴(kuò)散速率，內(nèi)部水分向干燥表面的擴(kuò)散成為干燥的控速過程，Deff的增長速率趨于平緩。

圖2 有效水分?jǐn)U散系數(shù)與干燥溫度的關(guān)系曲線

2.3 不同干燥溫度下的活化能

繪制不同溫度下lnDeff與1/T的關(guān)系圖，結(jié)果如圖3所示。擬合函數(shù)為：lnDeff=-3 950.4/T-9.038 9，R2=0.970 5。由斜率計(jì)算可得表觀活化能Ea的值為32.84 kJ/mol。

圖3 lnDeff與1/T的關(guān)系曲線

2.4 不同干燥溫度下芝麻渣的表面微觀結(jié)構(gòu)

采用不同的干燥溫度，芝麻渣的受熱不同，其內(nèi)部水分轉(zhuǎn)移方式也不同[10]。圖4為不同干燥溫度下的芝麻渣樣品的表面微觀結(jié)構(gòu)。

圖4 不同干燥溫度下芝麻渣的表面微觀結(jié)構(gòu)

由圖4可知，120℃下干燥的樣品表面的孔洞比50℃下干燥的樣品表面多而密集。這可能是因?yàn)闇囟鹊纳撸Y(jié)合水向自由水的轉(zhuǎn)化速率變快，水分由樣品內(nèi)部向表面的擴(kuò)散速度變快，水分的相繼擴(kuò)散使樣品的水通道增多，從而提高整個(gè)干燥過程中濕芝麻渣的干燥速率，縮短干燥時(shí)長。

2.5 不同干燥溫度下的芝麻渣氨基酸組成及含量比較(見表1)

表1 芝麻渣的氨基酸組成及含量

注：芝麻渣1為50℃下干燥的成品，芝麻渣2為120℃下干燥的成品。

由表1可知，50℃和120℃下干燥后的兩種芝麻渣，氨基酸含量變化率最大的是蛋氨酸和色氨酸，變化率均為5.26%，其余氨基酸的變化率均在2.50%以內(nèi)。因此，相比于50℃，120℃以內(nèi)的升溫沒有造成其氨基酸的嚴(yán)重?fù)p失，不會(huì)使芝麻渣蛋白營養(yǎng)價(jià)值降低，為了提高干燥速率，可以適當(dāng)?shù)厣邷囟取?/p>

3 結(jié) 論

(1) 50～120℃范圍內(nèi)，濕芝麻渣的干燥溫度在100℃以下時(shí)，升高溫度可以明顯提高干燥速率并縮短干燥時(shí)長，而超過100℃后，升溫沒有明顯效果。

(2) 由Fick第二定律計(jì)算得，溫度從50℃升高到120℃，有效水分?jǐn)U散系數(shù)從5.47×10-10m2/s升高到4.29×10-9m2/s，而且溫度的升高沒有造成芝麻渣氨基酸的嚴(yán)重?fù)p失，不會(huì)使芝麻渣蛋白營養(yǎng)價(jià)值降低。在工業(yè)應(yīng)用上，可以采取適當(dāng)?shù)纳郎兀蕴岣咂涓稍锼俾?，加快其干燥進(jìn)程。通過阿倫尼烏斯公式進(jìn)行計(jì)算，干燥過程的表觀活化能Ea為32.84 kJ/mol。

(3)使用掃描電子顯微鏡觀察芝麻渣的表面微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)120℃下干燥的樣品表面比50℃下干燥的樣品表面的孔洞多而密集，結(jié)構(gòu)更疏松。