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對內(nèi)部的營養(yǎng)物質(zhì)造成不同程度的流失,從而會降低其營養(yǎng)價值[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間,初始含水率每增加25%干燥時間成倍增加[12]。當(dāng)干燥溫度超過120 ℃時,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)干燥溫度下對顏色變化和品質(zhì)變化影響。
有研究[15-16]指出,對苜蓿進(jìn)行不同程度的壓裂,苜蓿水分均比不處理時散失的快,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)。因此本試驗將針對不同預(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),但因為干燥工藝溫度調(diào)控和預(yù)處理方式不當(dāng)?shù)纫蛩?,對苜蓿的品質(zhì)和色澤造成很大影響,因此,對熱風(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。
試驗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,取樣時間09:00-09:30,此時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。
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;用于烘干計時的計時器;鐵磙(用于苜蓿的壓扁處理)。
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,將試驗分為兩組單因素試驗進(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)處理方式對干燥速率的影響,以及對各苜蓿營養(yǎng)成分的影響。
1.4.1不同熱風(fēng)干燥溫度處理方法
將從試驗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,每組都選擇一個莖和一個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 個托盤上同時放入烘箱進(jìn)行烘干,將溫度設(shè)置為合適的溫度(第1 個試驗結(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。
1.5.1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,計算公式[14]為:
式中:t為某一干燥時刻;Δt為干燥時間;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。因為苜蓿干草的感官指標(biāo)中對干草的顏色很重視,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,感官評定等級越高,因此本試驗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)和相對飼喂價值(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)計算得到[13]。
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)計和圖表繪制。以色澤、干燥速和品質(zhì)分析作為評價指標(biāo),通過對比分析法獲取最優(yōu)方案。
不同干燥溫度下未做預(yù)處理的苜蓿含水率的干燥時間不同(圖1)。干燥溫度對干燥速度有明顯的影響,隨著溫度升高,干燥所用時間越來越短,干燥溫度在130 ℃時,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)行儲存的安全含水率為14%~15%[21],當(dāng)干燥溫度在100 ℃及以上時,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,相比較110 ℃有較明顯的時間縮短。而干燥溫度在100 ℃以內(nèi),隨著干燥溫度的降低,干燥時間呈倍數(shù)增長;從90 ℃到80 ℃,烘干安全含水率的時間從130 min 增加到180 min,增加了50 min;從70 ℃到60 ℃,烘干時間從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間越短。干燥溫度在60 ℃左右時,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,最高干燥速率在0.45%·min-1左右,90 ℃時,最高干燥速率0.65%·min-1;100~110 ℃時,最高干燥速率0.7~0.75%·min-1;120 ℃時,最高干燥速率0.95%·min-1;130 ℃時,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
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間為137 min,壓扁后干燥達(dá)到安全含水率用時190 min,不做任何處理的苜蓿達(dá)到安全含水率用時235 min,可見,壓扁折彎處理將近減少了42%的干燥時間,壓扁處理減少了19%的干燥時間。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)。因為通過機(jī)械作用使莖稈壓扁或者壓裂,會破壞莖稈的角質(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;之前多次試驗發(fā)現(xiàn)苜蓿稈結(jié)處的水是最難處理的,因此本試驗將莖稈的稈結(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
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,干燥溫度在60~120 ℃下綠色度變化范圍基本在2.5 以內(nèi),對色差影響較小,而當(dāng)溫度達(dá)到130 ℃時,綠色度又明顯下降,表明溫度過高會破壞物料內(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)溫度干燥對干燥后苜蓿的色澤有很大影響,干燥溫度在90℃以內(nèi),對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;對莖稈顏色的影響普遍很大,干燥溫度在60 和70 ℃時,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
苜蓿干草的品質(zhì)評價一般通過感官評價和測定成分評價,感官評價主要是通過干草的感官顏色、氣味及葉片保留度進(jìn)行評定。試驗中,對干燥后的苜蓿進(jìn)行感官評價和化學(xué)檢測分析可以看出,溫度高于90 ℃時,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,溫度過高時甚至帶有微焦的味道,干燥溫度在80 ℃以下時,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)致相對飼喂價值(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)價值。研究還發(fā)現(xiàn),自然晾曬下并不會影響苜蓿主要營養(yǎng)成分,僅對感官品質(zhì)有一些影響,但由于晾曬時間過長,會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價和主要營養(yǎng)成分發(fā)生變化,不同預(yù)處理方式對苜蓿干燥影響很小,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,對主要營養(yǎng)成分CP、ADF、NDF、TDN 無明顯影響。
對苜蓿薄層進(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) 通過對苜蓿薄層進(jìn)行不同溫度下的干燥試驗研究,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) 通過對不同預(yù)處理方式的苜蓿進(jìn)行干燥試驗,發(fā)現(xiàn)對莖稈和稈結(jié)處的機(jī)械處理會加快干燥速率,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) 通過對試驗干燥前后色差分析得出,干燥溫度過高時,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) 通過對干燥后苜蓿進(jìn)行感官評價和化學(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)和色澤作為評價指標(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。