胡亞強(qiáng)，苑 亞，楊魯偉，章學(xué)來，邱少鵬，于馨堯

（1. 上海海事大學(xué)商船學(xué)院, 上海201306；2. 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所, 北京100190；3. 北京中科草牧科技發(fā)展發(fā)展有限公司, 北京122000）

苜蓿(Medicago sativa)作為飼喂奶牛最重要的牧草之一，產(chǎn)量高，草質(zhì)好，具有很高的營養(yǎng)價(jià)值，是世界上種植面積最廣泛的牧草之一。在我國各地區(qū)也有大面積種植，據(jù)統(tǒng)計(jì)2019 年苜蓿留床面積達(dá)400 萬hm2，占我國種草保留地總面積的近1/3[1]。我國苜蓿商品草種植區(qū)主要集中在華北、西北和東北地區(qū)，如甘肅、內(nèi)蒙古、黑龍江等地區(qū)[2-3]，受地區(qū)氣候影響，每年6 月-8 月的第2、3 茬苜蓿易遭受雨水沖刷和露水的侵蝕，導(dǎo)致苜蓿的干草的產(chǎn)量低，品質(zhì)較差[4]，所以目前國內(nèi)高品質(zhì)苜蓿干草來源主要以美國進(jìn)口為主。苜蓿刈割后不同的處理方式也會(huì)對(duì)內(nèi)部的營養(yǎng)物質(zhì)造成不同程度的流失，從而會(huì)降低其營養(yǎng)價(jià)值[5-7]。目前國內(nèi)外苜蓿草的干制主要以自然晾曬為主，但在晾曬過程中，夜間返潮、淋雨及晾曬過干后葉片的碎落等因素導(dǎo)致牧草的營養(yǎng)成分損失高達(dá)50%～60%[8]。在自然晾曬過程中，雨水和太陽光的交互作用對(duì)天然牧草干草葉綠素含量和營養(yǎng)品質(zhì)影響顯著；在自然晾曬48 h后，不同程度的雨淋會(huì)導(dǎo)致天然牧草中葉綠素含量和營養(yǎng)品質(zhì)得到不同程度的損失[9-11]。熱風(fēng)干燥可以避免自然因素對(duì)苜蓿草品質(zhì)的影響，因此，熱風(fēng)干燥工藝的研究具有重要意義。

已有研究表明，莖稈壓扁切段的干燥速率與葉片的干燥速率接近，提高溫度和熱風(fēng)速度可以縮短干燥時(shí)間，初始含水率每增加25%干燥時(shí)間成倍增加[12]。當(dāng)干燥溫度超過120 ℃時(shí)，苜蓿表面的蠟質(zhì)層消失，顯示內(nèi)部纖維，水分更容易擴(kuò)散到外界[13]。有研究[14]發(fā)現(xiàn)，以降低能耗為目標(biāo)的最優(yōu)干燥溫度總是低于以提高效率為目標(biāo)的干燥溫度。目前從效率、能耗等方面研究出苜蓿干燥的工藝溫度，相對(duì)于苜蓿干燥后的色澤，品質(zhì)仍有很大差異。很多研究是從100 ℃以上干燥溫度進(jìn)行苜蓿干燥特性研究，但高溫也更容易破壞苜蓿表面的色澤和內(nèi)部的營養(yǎng)物質(zhì)，因此本研究設(shè)計(jì)選擇溫度變化區(qū)間為60～130 ℃，溫區(qū)橫跨低溫區(qū)和高溫區(qū)，探究不同熱風(fēng)干燥溫度下對(duì)顏色變化和品質(zhì)變化影響。

有研究[15-16]指出，對(duì)苜蓿進(jìn)行不同程度的壓裂，苜蓿水分均比不處理時(shí)散失的快，壓裂的莖稈破壞了其物理結(jié)構(gòu)，使內(nèi)部的水分更容易蒸發(fā)。苜蓿除了莖稈的水分較難散發(fā)外，每兩段莖稈連接處的稈結(jié)也是非常難處理的部位，為了破壞此部分結(jié)構(gòu)，采用稈結(jié)處折彎處理，讓水分更容易被蒸發(fā)。因此本試驗(yàn)將針對(duì)不同預(yù)處理苜蓿干燥進(jìn)行研究。

目前，市面上也存在很多牧草熱風(fēng)干燥系統(tǒng)，但因?yàn)楦稍锕に嚋囟日{(diào)控和預(yù)處理方式不當(dāng)?shù)纫蛩兀瑢?duì)苜蓿的品質(zhì)和色澤造成很大影響，因此，對(duì)熱風(fēng)干燥工藝的深入研究具有非常重要的意義[17-19]。本研究通過對(duì)比不同預(yù)處理方式下，不同溫度干燥苜蓿的干燥速率及干燥后苜蓿的營養(yǎng)品質(zhì)和色澤變化來確定苜蓿烘干的最佳工藝溫度。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)品種紫花苜蓿選自甘肅省張掖市肅南縣裕盛農(nóng)機(jī)服務(wù)農(nóng)民專業(yè)合作社種植地的第4 茬現(xiàn)蕾期鮮草，取樣時(shí)間09:00-09:30，此時(shí)因夜間返潮的濕氣剛好散去。取樣株高50～60 cm，取樣留茬高度8～10 cm，所選取樣品莖稈粗細(xì)相近，均無病蟲和外界損害。取樣后均勻分為3 組，以備后續(xù)使用。

1.2 儀器與設(shè)備

電熱鼓風(fēng)恒溫箱(KMTA-7000)；用于稱重的電子分析天平由上海友聲衡器生產(chǎn)，最大量程為320 g，精度為0.001 g；色差儀采用的是FRU 公司生產(chǎn)的WR10 專業(yè)版色差儀，重復(fù)精度 ＜ 0.08；用于烘干計(jì)時(shí)的計(jì)時(shí)器；鐵磙(用于苜蓿的壓扁處理)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了探究苜蓿熱風(fēng)干燥工藝中最適合的溫度和處理方式，設(shè)計(jì)研究以不同溫度、不同預(yù)處理方式下苜蓿熱風(fēng)干燥速率及品質(zhì)的變化，將試驗(yàn)分為兩組單因素試驗(yàn)進(jìn)行，分別是不同溫度下干燥速率的變化和同一溫度下不同預(yù)處理方式對(duì)干燥速率的影響，以及對(duì)各苜蓿營養(yǎng)成分的影響。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1不同熱風(fēng)干燥溫度處理方法

將從試驗(yàn)田里取回的苜蓿樣本(含水率75%～80%)均勻分成9 份，先取出一份使用，其他放在0 ℃保鮮柜里，以備后續(xù)使用，將苜蓿剪成10～15 cm 節(jié)段(為了便于放進(jìn)鼓風(fēng)烘箱)，放在烘箱托盤上，鋪在托盤上苜蓿的厚度為2～3 cm，放進(jìn)烘箱前進(jìn)行一次稱重，記初始重量，烘箱設(shè)置到試驗(yàn)所需溫度(60、70、80、90、100、110、120、130 ℃)，風(fēng)速0.2 m·s-1，達(dá)到所需溫度后再將樣品放進(jìn)去，之后每隔15 min稱重一次，直至連續(xù)3 次測量重量變化不超過0.01 g烘干結(jié)束。

將樣品放進(jìn)干燥箱前，每組都選擇一個(gè)莖和一個(gè)較為完整的葉片做上標(biāo)記，干燥前用色差儀測量，作為標(biāo)樣，后每隔15 min 稱重后將標(biāo)記的莖葉拿出來進(jìn)行色差測量，測得數(shù)據(jù)記為試樣，重復(fù)步驟直至烘干結(jié)束。烘干結(jié)束后將樣品放在105 ℃的烘箱內(nèi)烘干12 h，得出物料干物質(zhì)質(zhì)量。最后將烘干后的樣品裝入密封袋中，用于品質(zhì)檢測。

1.4.2不同預(yù)處理方式

將一份樣本均勻分成3 份，一份不做處理，一份用鐵磙將莖稈壓扁，還有一份用鐵磙壓扁后再將稈結(jié)處進(jìn)行折彎，破壞稈結(jié)處的結(jié)構(gòu)，將3 份樣品分別進(jìn)行稱重，記下初始重量，然后放在3 個(gè)托盤上同時(shí)放入烘箱進(jìn)行烘干，將溫度設(shè)置為合適的溫度(第1 個(gè)試驗(yàn)結(jié)果中得出的最佳溫度)。同樣每隔15 min 進(jìn)行稱重，直至連續(xù)3 次測量變化不超過0.01 g，烘干結(jié)束。結(jié)束后將樣品放在105 ℃的烘箱內(nèi)烘干12 h，得出物料干物質(zhì)質(zhì)量。將烘干后的樣品分別裝入密封袋，做上標(biāo)記用于品質(zhì)檢測。

1.5 指標(biāo)測定方法

1.5.1含水率的測定

含水率是指物料中的含水量在總物料重的占比，分為干基含水率和濕基含水率。

干基含水率 = (物料鮮重 - 物料干重)/物料干重 ×100%，用來計(jì)算干燥速率；濕基含水率 = (物料鮮重 - 物料干重)/物料鮮重 × 100%，用來反映烘干過程中的實(shí)時(shí)含水率變化[15]。將物料置于105 ℃條件下進(jìn)行12 h 烘干即可得出物料干重[20]。

1.5.2干燥速率的測定

干燥速率用DR表示，計(jì)算公式[14]為：

式中：t為某一干燥時(shí)刻；Δt為干燥時(shí)間；C為干基含水率(%)；DR為干燥速率(%· min-1)。

1.5.3色差的測定

本研究中色差儀采用Lab 測量模式測定樣品在不同熱風(fēng)溫度干燥下的顏色變化，其中L 代表明暗度，即黑白度；a 代表紅綠度；b 代表黃藍(lán)度。因?yàn)檐俎８刹莸母泄僦笜?biāo)中對(duì)干草的顏色很重視，越接近鮮草的顏色被認(rèn)為品質(zhì)越好，即干燥后草的綠色度越高，感官評(píng)定等級(jí)越高，因此本試驗(yàn)主要從色差測量中的a 值和總色差ΔEab進(jìn)行分析。烘干過程中色差的測定借助色差儀對(duì)標(biāo)記點(diǎn)測量色差，記錄L、a、b 不同色度值的變化及總色差ΔEab的變化。

式中：ΔEab為色差綜合偏差量；ΔL 為黑白偏差量；Δa 為紅綠偏差量；Δb 為黃藍(lán)偏差量。

1.5.4營養(yǎng)成分的測定

樣品檢測在烏蘭察布市的易馬飼草檢測實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，利用近紅外(near infrared, NIR)分析儀NIRSTM DS2500 進(jìn)行檢測，然后基于美國Dairy One 實(shí)驗(yàn)室的NIR 分析數(shù)據(jù)庫得出牧草的干草品質(zhì)參數(shù)?？偪上B(yǎng)分(total digestible nutrients, TDN)和相對(duì)飼喂價(jià)值(relative feeding value, RFV)根據(jù)酸性洗滌纖維(acid detergent fibres, ADF)和中性洗滌纖維(neutral detergent fibres, NDF)計(jì)算得到[13]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019 軟件進(jìn)行表格和數(shù)據(jù)的前期處理，并采用Origin 2018 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和圖表繪制。以色澤、干燥速和品質(zhì)分析作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過對(duì)比分析法獲取最優(yōu)方案。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥溫度對(duì)苜蓿干燥速率的影響

不同干燥溫度下未做預(yù)處理的苜蓿含水率的干燥時(shí)間不同(圖1)。干燥溫度對(duì)干燥速度有明顯的影響，隨著溫度升高，干燥所用時(shí)間越來越短，干燥溫度在130 ℃時(shí)，物料烘干到絕干狀態(tài)僅需要120 min。紫花苜蓿干草可以進(jìn)行儲(chǔ)存的安全含水率為14%～15%[21]，當(dāng)干燥溫度在100 ℃及以上時(shí)，115 min 內(nèi)即可將含水率在80%左右的苜蓿鮮草降低到安全含水率，溫度在120 ℃時(shí)，相比較110 ℃有較明顯的時(shí)間縮短。而干燥溫度在100 ℃以內(nèi)，隨著干燥溫度的降低，干燥時(shí)間呈倍數(shù)增長；從90 ℃到80 ℃，烘干安全含水率的時(shí)間從130 min 增加到180 min，增加了50 min；從70 ℃到60 ℃，烘干時(shí)間從195 min增加到305 min，增加了110 min。

圖1 不同干燥溫度下苜蓿含水率變化曲線Figure 1 Variation curve of alfalfa moisture content under different hot air temperatures

將含水率變化進(jìn)行簡單處理即可得到不同干燥溫度下，苜蓿干燥速率的變化(圖2)，苜蓿干燥經(jīng)歷了加速干燥階段和降速干燥階段，干燥溫度越高，干燥速率越快，達(dá)到最高干燥速率的時(shí)間越短。干燥溫度在60 ℃左右時(shí)，含水率變化曲線與自然晾曬過程接近，干燥速率變化緩慢；70 ℃和80 ℃時(shí)，最高干燥速率在0.45%·min-1左右，90 ℃時(shí)，最高干燥速率0.65%·min-1；100～110 ℃時(shí)，最高干燥速率0.7～0.75%·min-1；120 ℃時(shí)，最高干燥速率0.95%·min-1；130 ℃時(shí)，最高干燥速率1.2%·min-1；因此，隨著干燥溫度的增加，干燥速率在增加的同時(shí)最高干燥速率也在增大。在熱風(fēng)風(fēng)速一定的條件下，干燥溫度越高，干燥過程中所能達(dá)到的最高干燥速率越大，干燥所用時(shí)間越短。

圖2 不同干燥溫度下苜蓿干燥速率變化曲線Figure 2 Variation curve of alfalfa drying rate under different hot air temperatures

2.2 不同預(yù)處理方式對(duì)苜蓿干燥速率的影響

將不同預(yù)處理方式處理的苜蓿放在同一環(huán)境下進(jìn)行干燥，含水率變化如圖3 所示，其中壓扁折彎后干燥達(dá)到安全含水率所用時(shí)間為137 min，壓扁后干燥達(dá)到安全含水率用時(shí)190 min，不做任何處理的苜蓿達(dá)到安全含水率用時(shí)235 min，可見，壓扁折彎處理將近減少了42%的干燥時(shí)間，壓扁處理減少了19%的干燥時(shí)間。壓扁折彎的干燥速率最高可達(dá)0.6%·min-1，而未處理的苜蓿最高干燥速率不到0.4%·min-1，干燥速率提高了接近50%(圖4)。因?yàn)橥ㄟ^機(jī)械作用使莖稈壓扁或者壓裂，會(huì)破壞莖稈的角質(zhì)層、維管束和表皮，使莖稈的內(nèi)部與空氣接觸，消除了角質(zhì)層、纖維束對(duì)水分蒸發(fā)的阻礙，加快了莖稈中水分蒸發(fā)的速度；之前多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)苜蓿稈結(jié)處的水是最難處理的，因此本試驗(yàn)將莖稈的稈結(jié)處折彎，可以有效破壞稈結(jié)處物理結(jié)構(gòu)，加快稈結(jié)處水分的擴(kuò)散，進(jìn)而加快整體水分的蒸發(fā)。試驗(yàn)結(jié)果表明，壓扁折彎處理可以有效加快干燥速率，縮短干燥時(shí)間。

圖3 不同預(yù)處理方式下苜蓿干燥含水率變化Figure 3 Changes of drying moisture content of alfalfa under different pretreatment methods

圖4 不同預(yù)處理方式下苜蓿干燥速率變化Figure 4 Changes of alfalfa drying rate under different pretreatment methods

2.3 不同熱風(fēng)溫度干燥對(duì)苜蓿色澤的影響

不同干燥溫度下葉片和莖干燥前后色度值a 的變化不同，a 的負(fù)值方向是代表綠色度，正值方向是代表紅色度，因此負(fù)的a 值越大，說明綠色越深。自然晾曬下，對(duì)葉片顏色造成很大影響，綠色度變化很大，而人工熱風(fēng)烘干效果較好，很大程度上減少葉片綠色度的損失(圖5)。人工熱風(fēng)干燥時(shí)，干燥溫度在60～120 ℃下綠色度變化范圍基本在2.5 以內(nèi)，對(duì)色差影響較小，而當(dāng)溫度達(dá)到130 ℃時(shí)，綠色度又明顯下降，表明溫度過高會(huì)破壞物料內(nèi)的葉綠素，從而導(dǎo)致葉片烘干前后色差較大。

圖5 葉片干燥前后色差a 值變化Figure 5 Color difference a value before and after leaf drying

自然晾曬下莖稈的綠色度明顯降低，并開始有一點(diǎn)泛紅。在80～130 ℃的熱風(fēng)溫度下烘干后，莖的綠色度變化很大，在130 ℃的高溫下甚至還出現(xiàn)了變紅的莖稈；在60 和70 ℃溫度下干燥，莖稈的綠色度變化較小(圖6)。

圖6 莖稈干燥前后色差值a 變化Figure 6 Color difference a value before and after stem drying

不同溫度干燥后苜蓿葉片和莖稈的色差綜合偏差量(ΔEab)也發(fā)生變化，自然晾曬下葉和莖的色差綜合偏差量都很大，這也是在田地里曬干苜蓿導(dǎo)致打包后顏色不好的原因(圖7)。不同熱風(fēng)溫度干燥對(duì)干燥后苜蓿的色澤有很大影響，干燥溫度在90℃以內(nèi)，對(duì)葉片的綜合色差影響不大，而在90 ℃以上，可以看到色差綜合偏差量在隨著溫度增加遞加；對(duì)莖稈顏色的影響普遍很大，干燥溫度在60 和70 ℃時(shí)，相較于其他更高溫度，綜合色差的偏差量較小，是為了最大程度保留苜蓿顏色的更適合苜蓿烘干的溫度。

圖7 不同溫度下苜蓿葉片和莖稈干燥后總色差變化Figure 7 Variation of total chromatic aberration of alfalfa leaves and stems after drying at different temperatures

2.4 干燥后品質(zhì)的變化

苜蓿干草的品質(zhì)評(píng)價(jià)一般通過感官評(píng)價(jià)和測定成分評(píng)價(jià)，感官評(píng)價(jià)主要是通過干草的感官顏色、氣味及葉片保留度進(jìn)行評(píng)定。試驗(yàn)中，對(duì)干燥后的苜蓿進(jìn)行感官評(píng)價(jià)和化學(xué)檢測分析可以看出，溫度高于90 ℃時(shí)，莖葉的顏色和氣味開始發(fā)生改變，葉片的顏色變淺，莖稈泛黃發(fā)白，溫度過高時(shí)甚至帶有微焦的味道，干燥溫度在80 ℃以下時(shí)，干燥后苜蓿的莖葉保存完整，顏色翠綠且?guī)в幸还闪钊耸娣姆枷阄?表1)。通過化學(xué)檢測分析(表2)發(fā)現(xiàn)，在130 ℃以內(nèi)的干燥溫度范圍下，對(duì)苜蓿的CP 含量、TDN 影響不大；而隨著溫度升高，苜蓿的ADF 和NDF 在緩慢增加，干燥溫度從60 到130 ℃，ADF 增加了9.7%，NDF 增加了19.8%，因ADF 和NDF 直接影響苜蓿在動(dòng)物體內(nèi)的消化率和吸收率，ADF 和NDF 增加，導(dǎo)致消化率和吸收率減低，進(jìn)而導(dǎo)致相對(duì)飼喂價(jià)值(RFV)降低，降低苜蓿品質(zhì)。因此中高溫干燥能更大程度保留苜蓿的營養(yǎng)價(jià)值。研究還發(fā)現(xiàn)，自然晾曬下并不會(huì)影響苜蓿主要營養(yǎng)成分，僅對(duì)感官品質(zhì)有一些影響，但由于晾曬時(shí)間過長，會(huì)遭遇一些惡劣天氣影響，進(jìn)而降低苜蓿品質(zhì)。

表1 不同溫度干燥后苜蓿狀態(tài)和主要營養(yǎng)成分Table 1 Status and main nutrients of alfalfa dried at different temperatures

表2 不同預(yù)處理干燥后苜蓿狀態(tài)和主要營養(yǎng)成分Table 2 Status and main nutrients of alfalfa after drying with different pretreatment

不同預(yù)處理方式下苜蓿干燥后的感官評(píng)價(jià)和主要營養(yǎng)成分發(fā)生變化，不同預(yù)處理方式對(duì)苜蓿干燥影響很小，壓扁折彎后的苜蓿在70 ℃溫度下干燥后，只有莖稈帶有一點(diǎn)微黃，葉片無影響。在不同物理處理下干燥，對(duì)主要營養(yǎng)成分CP、ADF、NDF、TDN 無明顯影響。

3 結(jié)論

對(duì)苜蓿薄層進(jìn)行不同溫度和不同預(yù)處理方式干燥的研究，相比目前較多高溫苜蓿干燥研究，拓寬了研究溫區(qū)，增加了前期處理方式研究，從干燥速率、干燥后色差變化及干燥品質(zhì)等多方面分析，提出一種中低溫苜蓿干燥工藝，為優(yōu)質(zhì)苜蓿的干燥研究提出新思路，指導(dǎo)苜蓿干燥實(shí)踐。

1) 通過對(duì)苜蓿薄層進(jìn)行不同溫度下的干燥試驗(yàn)研究，得出人工干燥相比于自然晾曬，極大程度提高了干燥效率，隨著干燥溫度的升高，最大干燥速率明顯增大，干燥溫度從60 ℃增加到130 ℃，最高干燥速率增加了4 倍左右，干燥到安全含水率所用時(shí)間約縮短為原來的1/4，因此干燥工藝中可以通過調(diào)節(jié)干燥溫度進(jìn)一步提高干燥效率。

2) 通過對(duì)不同預(yù)處理方式的苜蓿進(jìn)行干燥試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)莖稈和稈結(jié)處的機(jī)械處理會(huì)加快干燥速率，縮短干燥周期，因此生產(chǎn)中將莖稈壓扁，將稈結(jié)處折彎破壞可以大大提高干草調(diào)制的效率。

3) 通過對(duì)試驗(yàn)干燥前后色差分析得出，干燥溫度過高時(shí)，干燥后物料整體色差變化較大，綠色度衰減較為嚴(yán)重，為保證干燥后顏色品質(zhì)，最適宜干燥溫度在60～90 ℃。

4) 通過對(duì)干燥后苜蓿進(jìn)行感官評(píng)價(jià)和化學(xué)成分測定，發(fā)現(xiàn)隨著干燥溫度增加，苜蓿的感官顏色變暗，芳香氣味變淡(溫度過高甚至?xí)霈F(xiàn)焦味)，CP 無明顯變化，ADF 和NDF 顯著增加，導(dǎo)致RFV大幅度降低；苜蓿在不同的預(yù)處理方式下，干燥后營養(yǎng)成分無明顯變化，壓扁折彎后的莖稈在干燥后有些許泛黃。

5) 以品質(zhì)和色澤作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在保證一定干燥速率的前提下，苜蓿干草調(diào)制最佳工藝為壓扁折彎預(yù)處理和70～80 ℃的干燥溫度。