趙海瑞，滕兆麗，楊浩勇，陳坤杰，張續(xù)博

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站，江蘇 南京210031； 2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京210031)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年中國(guó)食用油總需求量為4 091.0萬(wàn)t，其中國(guó)產(chǎn)油料榨油量為1 233.2萬(wàn)t，自給率為30.1%，已超過國(guó)際界限，且食用油量仍超過28.4%直接依靠進(jìn)口[1]。油茶果作為我國(guó)盛產(chǎn)作物，其種仁含油率高達(dá)45%～65%，且不飽和脂肪酸、維生素E含量高，有“油中軟黃金”的美譽(yù)[2-3]。對(duì)油茶果的開發(fā)利用可有效提高土地和資源的利用率，對(duì)我國(guó)糧油安全具有重要影響。近年來(lái)，我國(guó)油茶籽加工產(chǎn)油產(chǎn)量穩(wěn)中有升，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)油茶籽加工的茶油產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的90%以上，具有良好的發(fā)展前景[4]。

剛采摘的新鮮油茶果含水率較高，貯藏過程中品質(zhì)易發(fā)生劣變，從而影響茶油產(chǎn)量與品質(zhì)。油茶果脫蒲和油茶籽干燥這兩個(gè)環(huán)節(jié)不僅可以防止品質(zhì)劣變，同時(shí)可將油茶籽在榨油前干燥到安全含水率，是油茶果有效的加工方法。目前，國(guó)內(nèi)在油茶籽物理機(jī)械特性系統(tǒng)性研究與油茶果殼破殼分選機(jī)械的設(shè)計(jì)研究較多。有學(xué)者根據(jù)油茶果的果殼厚度、外形尺寸、球度、含水率和密度等物理參數(shù)設(shè)計(jì)出了一整套果殼精選設(shè)備，為油菜籽的加工行業(yè)提供相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)工藝參數(shù)[5-8]。在油茶果干燥特性及烘干脫蒲方面研究較少，因此有必要對(duì)油茶果的干燥處理方式進(jìn)一步研究。

目前，針對(duì)其他物料的干燥研究已經(jīng)有了顯著成果。于賢龍[9]研究發(fā)現(xiàn)在熱風(fēng)干燥的過程中，較高的相對(duì)濕度，有利于改善胡蘿卜的色澤。陸學(xué)中等[10]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)山藥片厚度4 mm，干燥溫度60 ℃，相對(duì)濕度40%，預(yù)處理30 min后熱風(fēng)干燥會(huì)使干燥時(shí)間減少。相比于其他物料，并沒有具體試驗(yàn)表明油茶果在一定條件下哪種干燥方式的效果更好。

油茶果的干燥加工方法主要有循環(huán)式干燥、自然晾曬、熱風(fēng)干燥、熱泵干燥和微波干燥等[11-12]。龍婷等[13]采用了先進(jìn)的熱風(fēng)-微波聯(lián)合干燥工藝對(duì)油茶籽進(jìn)行干燥，發(fā)現(xiàn)使用該干燥方法所制得油茶籽油理化指標(biāo)為最優(yōu)，但此方法對(duì)干燥設(shè)備的工作能力要求較高，難以控制生產(chǎn)成本。

本研究為了尋求油茶果最佳干燥工藝，選用熱風(fēng)干燥、熱泵干燥、微波干燥3種方法對(duì)油茶果樣品進(jìn)行干燥，研究不同干燥方式對(duì)脫蒲效果的影響，建立油茶籽薄熱層熱風(fēng)干燥模型，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，以期為實(shí)際的生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

從江西贛州油茶生產(chǎn)基地選擇長(zhǎng)勢(shì)、樹齡、果實(shí)生長(zhǎng)較一致的油茶樹，采摘尺寸大小與外觀色澤基本一致的白花油茶果并進(jìn)行密封袋裝，于4 ℃下進(jìn)行貯藏。

試驗(yàn)前應(yīng)將油茶果取出放至室溫下30 min，使其溫度達(dá)到室溫。對(duì)于試驗(yàn)烘干過的油茶籽和油茶果蒲進(jìn)行分袋處理，與其他試驗(yàn)材料分開。試驗(yàn)前，對(duì)材料進(jìn)行檢查，分選出腐敗、損傷的油茶果，以保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性。

1.2 主要儀器與設(shè)備

101-1A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海錦昱科學(xué)儀器有限公司)；LAD-060型熱泵干燥機(jī)(徐州市海濤制冷設(shè)備有限公司)；EM-L520H型微波爐[惠而浦(中國(guó))股份有限公司]；JA21002型電子天平(上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1油茶果干燥脫蒲試驗(yàn)

預(yù)試驗(yàn)測(cè)出油茶果長(zhǎng)軸尺寸范圍為23～41 mm，以長(zhǎng)軸為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行大小分級(jí)，將其分為3個(gè)等級(jí)：一級(jí)35～41 mm；二級(jí)29～35 mm；三級(jí)23～29 mm。依據(jù)3種干燥方法進(jìn)行干燥脫蒲試驗(yàn)。

干燥脫蒲試驗(yàn)：取3份樣品，每份樣品10個(gè)分級(jí)后的油茶果(一級(jí)3個(gè)，二級(jí)4個(gè)，三級(jí)3個(gè))，分別設(shè)定儀器的干燥溫度為65、55和45 ℃，記錄油茶果初始質(zhì)量，每隔1 h測(cè)量并記錄油茶果的質(zhì)量、開裂數(shù)、脫蒲數(shù)及耗電量。

其中熱風(fēng)干燥采用熱風(fēng)烘干機(jī)設(shè)備；熱泵干燥采用熱泵烘干機(jī)設(shè)備；微波干燥采用微波爐設(shè)備。

1.3.2油茶籽熱風(fēng)薄層干燥試驗(yàn)

油茶籽熱風(fēng)薄層干燥試驗(yàn)是研究熱風(fēng)干燥時(shí)設(shè)備的風(fēng)速與溫度兩個(gè)參數(shù)對(duì)油茶籽干燥程度所產(chǎn)生的影響。

(1)溫度對(duì)油茶籽干燥程度的影響。取4份樣品，每份樣品取40 g油茶籽置于罐狀容器中，并標(biāo)記樣品1～4。調(diào)整烘干設(shè)備的風(fēng)速為0.5 m/s并保持恒定不變，將樣品置于烘干設(shè)備內(nèi)并調(diào)整溫度，其中樣品1的溫度為5 ℃，樣品2為75 ℃，樣品3為85 ℃，樣品4為95 ℃，干燥方式為熱風(fēng)干燥。每隔60 min記錄樣本質(zhì)量，直至樣本質(zhì)量降至原來(lái)的67%，并計(jì)算油茶籽熱風(fēng)干燥的水分比及干燥速率的變化。

(2)風(fēng)速對(duì)油茶籽干燥程度的影響。取3份樣品，每份樣品取40 g油茶籽平鋪于罐裝容器中，并標(biāo)記樣本5～7。調(diào)整烘干設(shè)備溫度為65 ℃并保持恒定不變，將樣本置于設(shè)備內(nèi)并調(diào)整風(fēng)速，其中樣本5風(fēng)速為0.5 m/s，樣本6為1.0 m/s，樣本7為1.5 m/s，干燥方式為熱風(fēng)干燥。試驗(yàn)共持續(xù)6 h，每隔1 h測(cè)量一次油茶籽的質(zhì)量并計(jì)算油茶籽熱風(fēng)干燥的水分比及干燥速率的變化。

1.3.3脫蒲標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定

干燥后油茶果蒲開裂露出油茶籽，油茶籽在振蕩作用下從果蒲上脫落(即干燥后的油茶籽和油茶果蒲可直接在重力浮選機(jī)上實(shí)現(xiàn)分離)。效果如圖1所示。

圖1 干燥后油茶果完全脫蒲與未完全脫蒲對(duì)比

一個(gè)油茶果中油茶籽全部脫落的脫蒲數(shù)記為1，未全部脫落的油茶果脫殼數(shù)按如下公式計(jì)算。

(1)

式中M——一個(gè)油茶果脫蒲數(shù)

m1——油茶果所含油茶籽總數(shù)

m2——脫落油茶籽數(shù)目

Y——脫蒲率， %

y1——樣品中油茶果總數(shù)

y2——樣品中脫蒲數(shù)

1.3.4水分比的計(jì)算

水分比用來(lái)描述油茶籽干燥過程中的干燥動(dòng)力學(xué)曲線。水分比的計(jì)算公式為[14]

(3)

式中MR——油茶籽水分比， %

Ta——油茶籽干基含水率，g/g

Te——油茶籽干燥結(jié)束時(shí)的干基含水率，g/g

T0——油茶籽鮮質(zhì)量時(shí)的干基含水率，g/g

1.3.5干燥速率的計(jì)算

干燥速率是根據(jù)干基含水率計(jì)算，計(jì)算公式為[13]

(4)

式中DR——Δs時(shí)間內(nèi)平均干燥速率，g/(g·min)

1.3.6水分有效擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算

水分有效擴(kuò)散系數(shù)反映干燥過程中油茶籽的水分遷移情況，其值大小代表水分離開油茶籽表面的速度，可通過Fick第二定律近似計(jì)算[15]。簡(jiǎn)化后的計(jì)算公式為

(5)

式中Deff——油茶籽水分有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s

t——油茶籽干燥耗時(shí)，s

L——油茶籽樣品厚度的一半，m

1.3.7干燥活化能的計(jì)算

干燥活化能是衡量干燥進(jìn)程難易的重要指標(biāo)，其值越小，表明干燥越易進(jìn)行[16]。干燥活化能與Deff和T之間關(guān)系可以用Arrhenius方程來(lái)表示，計(jì)算公式為[17]

(6)

式中D0——與Deff值相關(guān)的常數(shù)，m2/s

Ea——油茶籽的活化能，kJ/mol

R——?dú)怏w常數(shù)，其值為8.314 J/(mol·K)

T——熱力學(xué)溫度，K

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 干燥脫蒲技術(shù)比較

由試驗(yàn)中脫蒲情況可知，微波脫蒲并不能實(shí)現(xiàn)，微波干燥只能使油茶果裂開而不能達(dá)到脫蒲效果(微波火力450 W時(shí)干燥20 min的油茶果情況如圖2所示)，且加大微波火力會(huì)使油茶果中的油茶籽炸開甚至出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象，造成其品質(zhì)劣變。微波加熱屬于內(nèi)部加熱方式，微波爐產(chǎn)生的電磁波能直接將介質(zhì)分子轉(zhuǎn)換成熱，且穿透性能使物料的表里介質(zhì)同時(shí)受熱，而物料中心缺乏散熱條件，造成其中心溫度高于表面溫度梯度分布，從而形成驅(qū)動(dòng)中心水分向表面滲透的蒸汽壓差，加速了水分蒸發(fā)。而中心溫度過高導(dǎo)致了油茶果的炸裂，因此微波干燥不適用于油茶果脫蒲。

圖2 微波干燥火力450 W干燥20 min后油茶果

油茶果蒲主要是由纖維素和半纖維素組成，其蒲和籽之間間隙較小，蒲質(zhì)韌性大而較難破。為了使油茶果脫蒲，必須使果蒲脫蒲前變形量越小越好，而脫蒲前的變形量與果蒲的纖維含量及果蒲含水率有關(guān)，油茶果的含水率越低，果蒲脆性越強(qiáng)，果蒲破裂前的形變量越少。對(duì)油茶果進(jìn)行干燥處理后，油茶果蒲在不同程度上變硬變脆，使果蒲自然裂開，開裂到一定程度便可實(shí)現(xiàn)脫蒲。

利用熱風(fēng)干燥和熱泵干燥可實(shí)現(xiàn)脫蒲，兩種方法的脫蒲率比較如圖3所示。在65 ℃下熱風(fēng)干燥2 h，油茶果開始脫蒲，3～4 h脫蒲率明顯上升，6 h脫蒲結(jié)束，脫蒲率達(dá)到96.67%。而熱泵干燥4 h出現(xiàn)油茶果脫蒲，到6 h還未完全脫蒲結(jié)束，脫蒲率為76.67%。比較可知，同等條件下熱風(fēng)干燥的油茶果脫蒲效率明顯高于熱泵干燥。其中熱風(fēng)干燥脫蒲效果如圖4所示。

圖3 熱風(fēng)干燥和熱泵干燥下油茶果脫蒲率比較

圖4 65 ℃下熱風(fēng)干燥6 h后油茶果脫蒲情況

耗電量對(duì)比：以油茶果達(dá)到脫蒲率90%以上為標(biāo)準(zhǔn)，熱風(fēng)干燥在65 ℃下，需耗時(shí)6 h，耗電6.55 kW·h；在55 ℃下，需耗時(shí)8 h，耗電7.60 kW·h；在45 ℃下，需耗時(shí)9 h，耗電6.35 kW·h。

結(jié)合以上數(shù)據(jù)，無(wú)論從脫蒲效果還是節(jié)能角度來(lái)分析都是熱風(fēng)干燥對(duì)油茶果脫蒲效果更好，且綜合時(shí)間和經(jīng)濟(jì)效益考慮，在65 ℃下干燥6 h為最佳干燥工藝。

2.2 油茶籽熱風(fēng)干燥特性

2.2.1溫度對(duì)油茶籽熱風(fēng)干燥特性的影響

由圖5可知，當(dāng)風(fēng)速保持恒定數(shù)值0.5 m/s時(shí)，油茶籽干燥特性受熱風(fēng)溫度的影響較大。隨著熱風(fēng)溫度的升高，油茶籽水分比下降速度遞增，到達(dá)相同水分比時(shí)所需干燥時(shí)間變短。

結(jié)合圖5與圖6可知，溫度為65 ℃時(shí)油茶籽的干基含水率從70.2%(MR=1)降至8.2%(MR=0.061)需要時(shí)間420 min，其干燥時(shí)間約為75 ℃時(shí)的1.17倍，85 ℃時(shí)的1.40倍，95 ℃時(shí)的1.75倍。原因可能如下：干燥溫度升高，使水分從溫度低的油茶籽中心向溫度高的表面遷移進(jìn)度加快，同時(shí)高溫度使油茶籽表面水分快速揮發(fā)，油茶籽中心與表面形成較大的水分梯度差，使油茶籽中的水分快速揮發(fā)，從而縮短了干燥時(shí)間[18]。

圖5 不同溫度下水分比

由圖6可知，當(dāng)干基含水量保持不變(≥0.08 g/g)時(shí)，干燥速率隨熱風(fēng)溫度升高而增大。當(dāng)熱風(fēng)溫度在75、85和95 ℃時(shí)，其干燥速率隨著干基含水量的減少而逐步降低，最后趨于平衡。在65 ℃時(shí)隨著油茶籽中的干基含水量不斷減少，油茶籽的干燥速率先是逐步遞增，然后逐步降低，最后趨于平衡。趨于平衡的原因可能如下：干燥時(shí)油茶籽的水分含量隨時(shí)間增加而逐漸降低，水分梯度作用越來(lái)越小，其中心水分向外擴(kuò)散的阻力不斷增大，使得此時(shí)可揮發(fā)出的水分不再增長(zhǎng)，從而干燥速率開始趨于平衡。

圖6 不同溫度下干燥速率

2.2.2風(fēng)速對(duì)油茶籽熱風(fēng)干燥特性的影響

不同干燥風(fēng)速，其干燥后的質(zhì)量并無(wú)明顯差異，如圖7所示，不同風(fēng)速下水分比基本重合。由圖7可得，風(fēng)速大小不會(huì)直接影響油茶籽的干燥效率。原因可能如下：油茶籽果實(shí)種皮包裹完整且含水率低，流動(dòng)風(fēng)只能蒸發(fā)其外粘附的水分，無(wú)法影響到果實(shí)干燥速率。實(shí)際生產(chǎn)中，熱風(fēng)干燥油茶籽無(wú)須較高風(fēng)速。但烘干箱內(nèi)要保證必要的空氣流動(dòng)，防止干燥過程因空氣濕度過高而使干燥過程受到阻礙[19]。

圖7 不同風(fēng)速下的水分比對(duì)照

2.2.3水分有效擴(kuò)散系數(shù)和干燥活化能

根據(jù)式(5)求解Deff，繪制時(shí)間t和lnMR的散點(diǎn)圖，線性擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)得出斜率，然后得到有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff[20]。不同試驗(yàn)條件下的擬合結(jié)果如表1所示。

表1 有效水分?jǐn)U散系數(shù)擬合求解

由表1可知，當(dāng)風(fēng)速恒定時(shí)，溫度越高，其水分有效擴(kuò)散系數(shù)越大，干燥效果越好。

當(dāng)溫度從95 ℃到65 ℃時(shí)，其有效水分?jǐn)U散系數(shù)范圍為1.681 4×10-9～3.046 7×10-9m2/s。

其中95 ℃到65 ℃時(shí)有效水分?jǐn)U散系數(shù)呈一定梯度減少，95 ℃時(shí)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)約為65 ℃時(shí)的1.8倍。原因可能如下：當(dāng)溫度上升，水分子能量變大，躍遷頻率增大，使擴(kuò)散系數(shù)隨溫度上升而變大[21]。隨著溫度上升，水分子躍遷的距離增大，也使得有效水分有效擴(kuò)散系數(shù)增大。

根據(jù)式(6)求解所得油茶籽干燥活化能Ea，繪制1/T和lnDeff的散點(diǎn)圖，線性擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)得出斜率，然后得到油茶籽干燥活化能Ea=21.323 7 kJ/mol。

3 模型擬合與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 油茶籽熱風(fēng)干燥模型擬合

試驗(yàn)選擇2個(gè)常用的薄層干燥模型(表2)，在不同溫度下對(duì)油茶籽進(jìn)行熱風(fēng)干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合驗(yàn)證，從而建立油茶籽的熱風(fēng)薄層干燥數(shù)學(xué)模型[22-24]。

表2 油茶籽薄層干燥數(shù)學(xué)模型

所建立的干燥模型用相關(guān)系數(shù)R2、卡方值x2、均方根誤差RMSE的3個(gè)參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)其擬合程度的好壞。研究發(fā)現(xiàn)R2越高、RMSE和x2越小，數(shù)學(xué)模型的擬合程度越好[25-26]。

擬合后所得數(shù)據(jù)如表3所示，兩個(gè)模型的R2均>0.97，均方根誤差都<6.316×10-4，卡方值都<2.82×10-3，表明擬合效果好，相比較之下95 ℃到繪制出溫度與系數(shù)的關(guān)系點(diǎn)圖(圖8)，從圖中可以看出溫度T與系數(shù)k存在線性關(guān)系，線性擬合后得到不同溫度T關(guān)于k的表達(dá)式為

圖8 系數(shù)k與溫度T的關(guān)系

表3 油茶籽熱風(fēng)干燥數(shù)學(xué)模型及其擬合結(jié)果

k=0.000 2T-0.006 2

(7)

代入模型中，可得熱風(fēng)干燥Sutherland模型為

MR=exp[(0.006 2-0.000 2T)t]

(8)

3.2 數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證

驗(yàn)證式(8)是否可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)油茶籽干燥過程中某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的含水率。選取一個(gè)干燥溫度代入公式中，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。選取干燥溫度為65 ℃的測(cè)量干基含水率數(shù)據(jù)與公式求得干基含水量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示。

表4 理論數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比

由表4可知，理論含水率和實(shí)際數(shù)據(jù)基本吻合，平均誤差為4.91%，說明該模型可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)油茶籽熱風(fēng)干燥過程中含水率的變化。

上述研究結(jié)果表明，油茶籽薄層熱風(fēng)干燥模型中Sutherland方程擬合效果更好，擬合后水分比與溫度和時(shí)間的關(guān)系為MR=exp[(0.006 2-0.000 2T)t]，通過這一公式可以求出任意溫度、任意時(shí)間下的水分比，進(jìn)而求出此條件下油茶籽含水率，或根據(jù)含水率和溫度求出烘干所需時(shí)間。這一公式可應(yīng)用于實(shí)際油茶籽烘干過程中。

4 結(jié)論

(1)利用熱風(fēng)干燥、熱泵干燥、微波干燥3種干燥方式對(duì)油茶果進(jìn)行干燥脫蒲，以耗時(shí)、脫蒲率和耗電量為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得出熱風(fēng)干燥脫蒲效果最好，且最佳熱風(fēng)干燥工藝為65 ℃干燥6 h。

(2)進(jìn)行了油茶籽熱風(fēng)薄層干燥試驗(yàn)，研究了溫度和風(fēng)速對(duì)干燥效果的影響，其中溫度對(duì)干燥速率的影響很大，起著至關(guān)重要的作用，而不同風(fēng)速下的干燥結(jié)果并無(wú)明顯差別，但烘干箱內(nèi)要保證必要的空氣流動(dòng)，防止干燥過程因空氣濕度過高而使試驗(yàn)受到阻礙。計(jì)算得出不同溫度下油茶籽的水分有效擴(kuò)散系數(shù)，結(jié)果表明溫度越高水分有效擴(kuò)散系數(shù)越大。根據(jù)不同溫度下油茶籽的水分有限擴(kuò)散系數(shù)，計(jì)算得出油茶籽干燥活化能Ea=21.323 7 kJ/mol。

(3)對(duì)油茶籽熱風(fēng)干燥模型擬合后水分比與溫度和時(shí)間的關(guān)系為MR=exp[(0.006 2-0.000 2T)t]，通過水分比求得含水率并進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，理論含水率和實(shí)際數(shù)據(jù)基本吻合，該模型基本可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)油茶籽熱風(fēng)干燥過程中含水率的變化，可應(yīng)用于油茶籽實(shí)際生產(chǎn)加工中。