劉 鑄，吳桂芳，德雪紅，包 興

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

當(dāng)下種植業(yè)多元化發(fā)展，紫花苜蓿由于其適應(yīng)性廣、品質(zhì)優(yōu)良和高效固氮等特性，已成為國內(nèi)外重點(diǎn)發(fā)展的飼草作物，國內(nèi)苜蓿種植面積約為233.33萬hm2[1-3]。優(yōu)質(zhì)的苜蓿干草調(diào)制對技術(shù)和氣候環(huán)境要求苛刻，提高苜蓿干燥效率和均勻性是保證苜蓿在干燥過程中營養(yǎng)損失降低的關(guān)鍵[4]。自然干燥和對流熱風(fēng)干燥是農(nóng)作物干燥常用的方法，近年來，新型聯(lián)合干燥的趨勢已經(jīng)超越自然干燥和熱風(fēng)干燥[5]。具體來說，由紅外輻射將紅外(IR)能量與熱風(fēng)干燥(HAD)相結(jié)合，有明顯的干燥協(xié)同效應(yīng)，對農(nóng)作物的干燥效率有顯著的提升。與常規(guī)對流熱風(fēng)干燥方法相比，該新型干燥方法可以提高最終產(chǎn)品質(zhì)量，減少總能量消耗和干燥時(shí)間。然而，不適宜的參數(shù)組合也會導(dǎo)致干燥后干草的品質(zhì)不佳[6]。因此，基于上述的問題，使用紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥機(jī)[7]，進(jìn)行多因子優(yōu)化干燥試驗(yàn)，以改進(jìn)苜蓿收獲后的干燥工藝、降低苜蓿干草營養(yǎng)流失，為確定合理的干草調(diào)制參數(shù)提供依據(jù)，對苜蓿在不同干燥參數(shù)下的干燥特性研究具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

物料選用的紫花苜蓿產(chǎn)地為內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市和林格爾縣內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草資院試驗(yàn)田，品種是中國苜蓿4號，取現(xiàn)蕾期的苜蓿，這期間苜蓿有較高的粗蛋白(CP)含量，含不易消化的粗纖維較少，適合加工為飼料[8]。為保證紫花苜蓿干燥的均勻性，除去人工損傷造成的殘次樣品及腐敗變質(zhì)的苜蓿，挑選株高、株叢以及葉面積大小接近的樣本(平均株高78.92 cm～86.96 cm，株叢27.89 cm～38.50 cm，葉片長度在1.39 cm～2.53 cm之間，葉片寬度在1.03 cm～2.12 cm之間)待用。

1.2 試驗(yàn)儀器

連續(xù)式紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥機(jī)；DHG-9030A電熱鼓風(fēng)干燥箱；DSH-50-10電子水分快速測定儀；JY2002多功能電子天平；AS836分體式風(fēng)速計(jì)；ANKOM A2000型全自動(dòng)纖維分析儀。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)國內(nèi)外對苜蓿干燥的研究可知，影響苜蓿干燥后的品質(zhì)因素有：干燥方式、加熱溫度、熱風(fēng)風(fēng)速等[9]。為提升苜蓿脫水速度，減少干燥時(shí)間，保留干草營養(yǎng)品質(zhì)，確定干燥因素參數(shù)組合，首先通過單因素試驗(yàn)，分析熱風(fēng)風(fēng)速、紅外輻射距離、干燥溫度各因素在不同水平下對紫花苜蓿含水率的影響，分析得出較快達(dá)到安全含水率的參數(shù)，為進(jìn)一步試驗(yàn)研究苜蓿品質(zhì)提供因子選參數(shù)范圍[10]。將得出的參數(shù)與所測營養(yǎng)成分含量進(jìn)行多因子優(yōu)化試驗(yàn)，利用Design-Expert 11軟件設(shè)計(jì)三因子Box-Behnken正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，通過建立三維曲面，分析因子交互效應(yīng)來確定較優(yōu)的干燥工藝參數(shù)組合。

1.4 試驗(yàn)內(nèi)容

1.4.1 干燥參數(shù)單因素試驗(yàn)。 本試驗(yàn)以連續(xù)式紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥設(shè)備為載體，以其濕基含水率為試驗(yàn)指標(biāo)對熱風(fēng)風(fēng)速、干燥溫度和輻射距離進(jìn)行單因素試驗(yàn)，研究紫花苜蓿的干燥速度與各因素間的關(guān)系，每個(gè)因素分別設(shè)定5個(gè)水平。將刈割后初始含水率為78%的苜蓿進(jìn)行樣本分裝，開展單因素水平干燥試驗(yàn)。

1.4.2 干燥對營養(yǎng)成分影響優(yōu)化試驗(yàn)。 通過單因素試驗(yàn)確定響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素和水平后采用Design-Expert 11軟件中Box-Benhnken Design設(shè)計(jì)響應(yīng)曲面方案，以干燥后紫花苜蓿中粗蛋白(CP)、酸性洗滌纖維(ADF)和中性洗滌纖維(NDF)的含量為指標(biāo)，單因素試驗(yàn)結(jié)果得出的干燥溫度、熱風(fēng)風(fēng)速、輻射距離優(yōu)化水平為Box-Behnken試驗(yàn)因子取值中心，上下區(qū)域各取1個(gè)水平值，設(shè)計(jì)出三因子Box-Behnken試驗(yàn)[11]。曲面分析后的結(jié)果中干草CP含量越高NDF和ADF含量越低，說明在該因子組合優(yōu)化下所得到干燥后的苜蓿有較優(yōu)的品質(zhì)。

1.5 主要指標(biāo)測定與方法

①紫花苜蓿含水率的測定：利用苜蓿中水分的物理性質(zhì)，干燥試驗(yàn)中每隔10 min使用DSH-50-10電子水分快速測定儀測定樣本質(zhì)量，直至濕基含水率為15%左右時(shí)，測定結(jié)束[12]；②粗蛋白(Crude Protein，CP)利用全自動(dòng)杜馬斯定氮儀進(jìn)行測定，參照(GB/T 6432—2018)[13]；③酸性洗滌纖維(Acid Detergent Fiber，ADF)利用Ankom 2000型纖維分析系統(tǒng)進(jìn)行測定，參照(NY/T 1459-2007)[14]；④中性洗滌纖維(Neutral Detergent Fiber，NDF)利用Ankom 2000型纖維分析系統(tǒng)進(jìn)行測定參照(GB/T 20806—2006)[15]。

將得出的數(shù)據(jù)采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)初步整理、MiniTab 19軟件進(jìn)行單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、作圖和擬合，得出干燥的曲線和模型。將得出的參數(shù)代入軟件Design-Expert 11中進(jìn)行Box-behnken正交旋轉(zhuǎn)多因素試驗(yàn)，得出優(yōu)化后的參數(shù)組合。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥特性分析

2.1.1 熱風(fēng)速度對苜蓿含水率的影響。按照表1的干燥參數(shù)及方案，得到新鮮的中國苜蓿4號在5種不同熱風(fēng)風(fēng)速下含水率隨干燥時(shí)間變化的干燥曲線，如圖1所示。

表1 紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥工藝參數(shù)因素水平

圖1 不同風(fēng)速下的苜蓿含水率曲線

由圖1可以看出，熱風(fēng)速度越高，紫花苜蓿含水率下降越快，從中可以看出熱風(fēng)速度在干燥過程中對紫花苜蓿含水率下降影響較大，在其他試驗(yàn)條件保持不變的情況下，熱風(fēng)速度為3 m/s時(shí)被干燥的紫花苜蓿達(dá)到安全含水率14%的時(shí)間為72 min，是最先達(dá)到安全含水率的。

2.1.2 干燥溫度對苜蓿含水率的影響。 按照表1的干燥參數(shù)及方案，得到新鮮的中國苜蓿4號在5種不同溫度下含水率隨干燥時(shí)間變化的干燥曲線，如圖2所示。

圖2 不同干燥溫度下的苜蓿含水率曲線

由圖2可以看出，干燥箱內(nèi)溫度越高，紫花苜蓿含水率下降越快，即苜蓿干燥速率越高。在其他試驗(yàn)條件保持不變的情況下，熱風(fēng)溫度為95 ℃時(shí)，紫花苜蓿在62 min時(shí)最先達(dá)到安全含水率14%。

2.1.3 輻射距離對苜蓿含水率的影響。 按照表1的干燥參數(shù)及方案，得到新鮮的中國苜蓿4號在5種不同輻射距離下含水率隨干燥時(shí)間變化的干燥曲線，如圖3所示。

圖3 不同輻射距離下的苜蓿含水率曲線

由圖3可以看出，物料與紅外管距離越近，紫花苜蓿含水率下降越快，即苜蓿干燥速率越高。在其他試驗(yàn)條件保持不變的情況下，輻射距離為50 mm時(shí)，紫花苜蓿在63 min最先達(dá)到安全含水率14%。

通過以上3種因素對干燥速度影響的綜合比較可以得出，在此干燥機(jī)的熱風(fēng)溫度為95℃，熱風(fēng)速度為3 m/s，輻射距離為50 mm時(shí)的紫花苜蓿干燥到安全含水率的時(shí)間最少。

2.2 工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)合以上單因素試驗(yàn)中已對熱風(fēng)風(fēng)速(Hot air speed)、干燥溫度(Drying temperature)、輻射距離(Distance of radiation)進(jìn)行了參數(shù)初步優(yōu)選，利用Design-Expert 11軟件針對單因素優(yōu)選結(jié)果周邊范圍值，設(shè)計(jì)了對營養(yǎng)成分的三因子Box-Behnken正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，獲取粗蛋白含量與粗纖維的回歸模型，求解該試驗(yàn)紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥紫花苜蓿的最優(yōu)參數(shù)組合[16]。因素水平編碼，見表2。

表2 正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)因素與水平

2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果方差分析。根據(jù)正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，以熱風(fēng)風(fēng)速、干燥溫度、輻射距離為因子，以紫花苜蓿的粗蛋白CP、酸性洗滌纖維ADF、中性洗滌纖維NDF含量作為評價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果，見表3。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

由表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過Design-Expert 11軟件得到粗蛋白含量、酸性洗滌纖維含量與中性洗滌纖維含量二次多項(xiàng)式回歸模型。

Y1=22.36+0.5325A+1.15B+0.1987C+0.66AB-0.785AC+0.3325BC+0.8662A2-3.82B2-0.7062C2

(1)

Y2=27.32-0.0412A-0.58B+0.4388C-0.8025AB-0.08AC-0.1775BC-0.4410A2+2.06B2-0.806C2

(2)

Y3=43.01-0.525A-0.5725B+0.35C-1.17AB+0.32AC-0.44BC-0.9115A2+0.8585B2-0.0715C2

(3)

式中：Y1為粗蛋白含量百分比；Y2為酸性洗滌纖維含量百分比；Y3為中性洗滌纖維含量百分比；A為熱風(fēng)風(fēng)速；B為干燥溫度；C為輻射距離。

由試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆讲罘治鼋Y(jié)果(見表4、表5、表6)可知，3個(gè)模型的P值均小于0.000 1，表明回歸模型極顯著；模型的失擬項(xiàng)P>0.05，說明模型失擬性不顯著，回歸模型擬合程度高。

表4 粗蛋白含量二次多項(xiàng)式模型的方差分析

表5 酸性洗滌纖維含量二次多項(xiàng)式模型的方差分析

表6 中性洗滌纖維含量二次多項(xiàng)式模型的方差分析

由對熱風(fēng)風(fēng)速、干燥溫度的P值可判斷，試驗(yàn)因素對干燥后紫花苜蓿的CP有顯著影響，其中干燥溫度對于粗蛋白含量有著極顯著影響，試驗(yàn)因素對CP的影響從大到小依次為干燥溫度、熱風(fēng)風(fēng)速、輻射距離。模型的決定系數(shù)R2為0.983 4，校正決定系數(shù)0.962 1均接近于1，預(yù)測系數(shù)R2為0.781 9與0.962 1的校正決定系數(shù)R2差值小于0.2，該擬合回歸模型具有較高的可靠性。

(a)熱風(fēng)風(fēng)速和干燥溫度 (b)熱風(fēng)風(fēng)速和輻射距離 (c)干燥溫度和輻射距離

(a)熱風(fēng)風(fēng)速和干燥溫度 (b)熱風(fēng)風(fēng)速和輻射距離 (c)干燥溫度和輻射距離

(a)熱風(fēng)風(fēng)速和干燥溫度 (b)熱風(fēng)風(fēng)速和輻射距離 (c)干燥溫度和輻射距離

由對輻射距離、干燥溫度的P值可判斷，試驗(yàn)因素對干燥后紫花苜蓿的ADF有著極顯著影響，試驗(yàn)因素對ADF的影響從大到小依次為干燥溫度、輻射距離、熱風(fēng)風(fēng)速。模型的決定系數(shù)R2為0.979 9，校正決定系數(shù)0.954 0均接近于1，預(yù)測系數(shù)R2為0.790 7與0.954 0的校正決定系數(shù)R2差值小于0.2，該擬合回歸模型具有較高的可靠性。

由對熱風(fēng)風(fēng)速、輻射距離、干燥溫度的P值可判斷，試驗(yàn)因素對干燥后紫花苜蓿的NDF都有著極顯著影響，試驗(yàn)因素對NDF的影響從大到小依次為干燥溫度、輻射距離、熱風(fēng)風(fēng)速。模型的決定系數(shù)R2為0.981 8，校正決定系數(shù)0.958 4均接近于1，預(yù)測系數(shù)R2為0.853 1與0.958 4的校正決定系數(shù)R2差值小于0.2，該擬合回歸模型具有較高的可靠性。

2.2.2 響應(yīng)曲面結(jié)果分析。根據(jù)回歸模型分析結(jié)果，利用Design-Expert 11軟件繪制各因子交互效應(yīng)三維響應(yīng)曲面圖，通過圖中曲面模型及等高線可以看出各因子對響應(yīng)變量的影響程度。3D曲面圖中曲面彎曲程度越大，則表明這些因子之間交互效應(yīng)對響應(yīng)變量的影響越顯著。能明顯看出AB和BC組合效應(yīng)下，對CP、ADF、NDF含量的影響作用顯著。

針對CP、ADF、NDF的回歸模型，運(yùn)用Design-Expert 11軟件中Optimization功能，以CP最大、ADF及NDF最小為條件，求解回歸模型得到此次紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥紫花苜蓿試驗(yàn)的最優(yōu)參數(shù)組合為熱風(fēng)風(fēng)速3 m/s、干燥溫度77.36 ℃、輻射距離75.9 mm。

3 討論

研究表明，在自然干燥下的紫花苜蓿，干燥時(shí)間受氣溫、風(fēng)速環(huán)境因素影響比重較大，干燥時(shí)間過久導(dǎo)致干燥時(shí)間越長，營養(yǎng)成分流失越多[17]。李媛媛在進(jìn)行遠(yuǎn)紅外組合干燥苜蓿方捆時(shí)的試驗(yàn)中通過改善風(fēng)速、溫度及草捆密度提高了苜蓿干草的感官值和蛋白質(zhì)含量，保證苜蓿草捆品質(zhì)[18]。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)，分析干燥參數(shù)與含水率變化的關(guān)系，再通過曲面響應(yīng)分析后得出，適宜的干燥溫度、輻射距離和熱風(fēng)風(fēng)速組和有效減少了苜蓿干燥所需時(shí)間，干燥后苜蓿的CP含量整體水平保持在21%以上，酸性纖維含量降低到27%以下，中性洗滌纖維含量降低到42%以下，營養(yǎng)保留率高且時(shí)間和能耗更低。

4 結(jié)論

本研究對紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥紫花苜蓿營養(yǎng)成分的影響進(jìn)行了初步探討，研究了不同熱風(fēng)風(fēng)速、干燥溫度以及輻射距離條件對紫花苜蓿干燥特性的影響，發(fā)現(xiàn)不同干燥條件下苜蓿的營養(yǎng)成分保留各有差異，試驗(yàn)更多研究集中在對干燥箱可調(diào)變量參數(shù)對苜蓿營養(yǎng)的影響，利用單因素試驗(yàn)對聯(lián)合干燥的參數(shù)進(jìn)行初步優(yōu)選，得出在熱風(fēng)溫度為95℃、熱風(fēng)速度為3 m/s，輻射距離為50 mm時(shí)該干燥箱對紫花苜蓿有較優(yōu)的干燥效率。針對優(yōu)選因子數(shù)值附近區(qū)域運(yùn)用Design-Expert 11軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以粗蛋白含量、酸性洗滌纖維含量及中性洗滌纖維含量作為指標(biāo)參數(shù)，建立回歸模型，求解得到最優(yōu)參數(shù)組合為熱風(fēng)風(fēng)速3 m/s、干燥溫度77.36 ℃、輻射距離75.9 mm。在此優(yōu)化后的參數(shù)組合下進(jìn)行紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥，可以減少紫花苜蓿營養(yǎng)成分流失，確保干草后續(xù)加工的品質(zhì)需求。