基于溫度梯度的帶殼鮮花生熱風干燥收縮模型研究

盧映潔 任廣躍,2 段 續,2 張樂道,2 凌錚錚

(1. 河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023；2. 糧食儲藏安全河南省協同創新中心，河南 洛陽 471023)

目前，中國對剛收獲的花生常用的干燥方法除自然晾曬外，還采用熱風、熱泵、微波等機械干燥方法[1-3]，極大提高了干燥效率，但快速干燥的均勻性較差，干燥品質無法得到保障。帶殼鮮花生本身為復雜的多孔雙層結構，且在干燥過程中可能會發生收縮，故不考慮結構變化和收縮情況，難以有針對性地對帶殼鮮花生進行機械干燥。

大多數農產品屬于可變形的植物基多孔介質[4]，在干燥過程中會有一定的體積收縮，而收縮變形是影響其干燥品質與效率的重要因素之一。Seerangurayar等[5]對比了3種太陽能干燥方式對大棗收縮率的影響，通過顯微結構分析，發現強制對流太陽能干燥的組織變形最小，干燥效果最優。白竣文等[6]研究了大野芋薄層干燥特性，發現干燥溫度和切片厚度均對大野芋收縮率有顯著影響，采用較低的干燥溫度和較厚的切片厚度能夠提高收縮率，減少收縮。Aprajeeta等[7]指出在62 ℃干燥條件下，馬鈴薯片的收縮率隨含水率呈線性變化，其徑向尺寸減小約35%，且收縮會隨熱量和質量的同時傳遞而發生變化。李建歡等[8]發現在熱風干燥過程中，澳洲堅果的果殼收縮量由內至外逐漸增大，收縮不均勻，且收縮量隨含水率的降低呈非線性增長趨勢。Sagar等[9]對果蔬對流干燥收縮模型的研究進行了綜述，對比分析了不同果蔬材料的收縮模型。陳良元等[10]研究表明，切片茄子的體積收縮影響干燥傳質過程，收縮導致水分擴散內部阻力增大，在未考慮干燥收縮對動力學影響時，水分有效擴散系數會被明顯高估。物料收縮與其干燥過程中熱質傳遞及應力應變機制密切相關[11]，引入收縮模型并分析其在干燥過程中結構的變化可對干燥機理進行更深入的探討。然而，關于收縮對帶殼鮮花生干燥特性影響的研究未見報道。

試驗擬采用熱風干燥對帶殼鮮花生進行研究，考察不同溫度(40，50，60 ℃)對帶殼鮮花生干燥收縮特性的影響，并建立相應的數學模型，采用掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)等從微觀結構、空隙量、內部溫度等干燥收縮特性分析干燥過程中收縮對帶殼鮮花生的影響，以期為規模化控制干燥制定合理的干燥工藝和品質研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

帶殼鮮花生：購于河南洛陽丹尼斯超市;

電熱鼓風干燥箱：101型，北京科偉永興儀器有限公司；

掃描電鏡：TM3030plus型，日立高新技術公司；

電子天平：A.2003N型，上海佑科儀器儀表有限公司；

數控筆式溫度計：KT300型，歐達時科技(香港)有限公司。

1.2 方法

1.2.1 原料預處理 在試驗前挑選大小均勻成熟飽滿的花生，清除雜質、泥沙，用自封袋封裝于4 ℃冰箱中保存備用。采用GB 5009.3—2016測定帶殼鮮花生、鮮花生殼、鮮花生仁的初始干基含水率分別為0.736，0.931，0.545 g/g。

1.2.2 試驗設計 設定溫度(40,50,60 ℃)，預熱30 min，將帶殼鮮花生在網狀托盤(25 cm×25 cm，篩孔直徑為5 mm)上平鋪一層(約500 g)。因風速(≤2 m/s)對帶殼鮮花生體積收縮的影響不顯著，故僅考慮熱風干燥溫度對帶殼鮮花生熱風干燥收縮特性的影響。取兩盤花生同步進行干燥，一盤每隔1 h測定樣品的質量，快速測量后放回，另一盤每隔1 h取30個樣品進行留樣保存，此盤取出的樣品不再放回。干燥至安全水分(10%)停止試驗。每組試驗重復3次。

1.2.3 干基含水率和水分比的計算 帶殼鮮花生的干基含水率和水分比分別按式(1)、(2)計算：

(1)

式中：

X——干基含水率，g/g；

mt——t時刻物料的質量，g；

m——物料干燥至恒重時的質量，g。

(2)

式中：

MR——水分比；

Xo——初始干基含水率，g/g；

Xt——t時刻干基含水率，g/g；

Xe——平衡時刻干基含水率，g/g。

1.2.4 SEM分析 在帶殼花生下半部分飽滿處進行取樣，固定于樣品臺，利用SEM檢測干燥處理后的花生殼、花生仁表面的微觀結構，電鏡放大倍數200倍。

1.2.5 空隙量的測定 為更好地反映帶殼鮮花生在熱風干燥過程中的收縮變化，采用注水法測定殼內空隙。在帶殼花生的頂端開一小裂縫，用5 mL針頭注射器吸取蒸餾水，緩慢注入花生殼內，直至水溢出花生殼，記錄注水量，記為空隙量(cm3)。每組試驗取20個樣品測量，結果取平均值。

1.2.6 內部溫度的測定 為反映帶殼鮮花生的花生殼與花生仁之間的收縮差異，對帶殼鮮花生內部溫度進行測量。采用筆式溫度計對內部溫度進行實時測量，記錄讀數。每組試驗取5個樣品進行測量，結果取平均值。

1.2.7 收縮比與收縮速率的計算 采用排沙法測體積[12]，分別按式(3)、(4)計算樣品體積相對收縮比和收縮速率。

(3)

式中：

SR——收縮比；

Vt——任意t時刻的體積，m3；

V0——初始體積，m3。

(4)

式中：

W——收縮速率，h-1；

SRt——t時刻收縮比；

SRt+Δt——t+Δt時刻收縮比；

Δt——時間間隔，h。

1.2.8 收縮模型的選擇 在理想的收縮條件下，物料體積的減少等于除去液體的體積，因此常用收縮比與水分比的函數來擬合收縮[13-15]。試驗根據花生的自身特性，選取以下4種收縮模型(見表1)。

表1 4種常見收縮模型?Table 1 Four common contracting model

?k1～k5分別表示模型常數。

1.3 數據處理

采用Origin 8.5對試驗數據進行線性/非線性擬合，并分析其擬合度；使用DPS 7.05對試驗數據進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 溫度對帶殼鮮花生熱風干燥收縮特性的影響

從圖1(a)可知，隨著熱風干燥溫度升高，花生殼的收縮比逐漸減小，當干燥溫度為40，50，60 ℃時，其干燥至平衡時的收縮比分別為0.857，0.819，0.777。溫度提高20 ℃，收縮比減小8.0%。由圖1(b)可知，帶殼鮮花生熱風干燥的體積收縮速率具有短暫的升速階段，然后進入降速階段，最后基本為恒速階段。水分是支撐花生殼組織飽滿的重要物質，干燥前期，帶殼鮮花生主要為自由水的減少，大部分熱量傳遞給花生中的水分，以提高花生中水分的蒸發溫度，隨著花生殼中水分溫度的逐漸升高，花生殼水分蒸發量逐漸增大，形成水分梯度，內部擴散速率也逐漸加快，水分遷移速度快，體積變化明顯，收縮速率高。隨著干燥的進行，后期內部主要為結合水，而結合水不易散失，收縮速率自然降低。隨著溫度的升高，收縮速率曲線越陡峭，由于干燥溫度是影響干燥效果的主要因素[18]。干燥溫度越高，水分流失越快，收縮越明顯，速率越快。

由圖2(a)可知，隨著熱風干燥溫度的升高，花生仁的收縮比逐漸減小，當干燥溫度為40，50，60 ℃時，其干燥至平衡時的收縮比分別為0.695，0.659，0.624。溫度升高20 ℃，收縮比減小7.1%，說明溫度越高，花生仁的收縮程度越大。由圖2(b)可知，花生仁的收縮速率曲線呈先升高再降低的趨勢，且溫度越高，收縮越快。可能是在干燥前期，花生殼作為保護屏障，阻擋熱量進入殼內，殼內溫度較低;隨著干燥的進行，殼內溫度逐漸升高，導致含水量較高的花生仁水分散失加快，組織收縮明顯。在干燥后期，花生殼內溫度穩定，花生仁水分含量也較低，組織結構收縮程度小，收縮速率變緩。

圖1 不同溫度下帶殼鮮花生花生殼的收縮曲線及收縮速率曲線

Figure 1 Contraction curve and contraction rate curve of peanut shell of fresh shelled peanuts under different temperatures

對比花生仁與花生殼的收縮曲線和收縮速率曲線可知，相同條件下，花生仁的收縮比比花生殼的收縮更加明顯，說明花生殼與花生仁的收縮非同步進行。花生殼干燥初期有較為劇烈的收縮，中后期持續緩慢收縮，但花生仁在干燥初期收縮速率緩慢，干燥中期收縮劇烈，可能是熱風干燥時，花生殼先于花生仁接觸到高溫環境，先失水收縮，待花生殼失去一部分水分后，花生仁才發生收縮。花生殼與花生仁絕干時干基含水率分別為0.931，0.545 g/g，花生殼的干基含水率高于花生仁，收縮程度卻不及花生仁，可能是由于花生仁較厚，可發生形變的范圍大；花生殼主要成分為粗纖維素(65.7%～79.3%)和半纖維素(10.1%)[19]，干物質重量輕，通道大，可包容的水分較多，有良好的網狀結構，而干燥使得通道中的水分散失，結構更為致密，但并不會導致網狀結構的坍塌，故不易發生形變，而花生仁中主要成分為脂肪(44%～45%)、蛋白質(24%～36%)[20]等，細胞中的水分散失后，無交聯的網狀細胞結構作為支撐，容易發生形變。針對干燥過程中花生殼優先花生仁干燥且收縮比小于花生仁的情況，可以考慮變溫干燥或聯合干燥提高干燥效率，改善干燥品質。

圖2 不同溫度下帶殼鮮花生花生仁的收縮曲線及收縮速率曲線

Figure 2 Contraction curve and contraction rate curve of peanut kernel of fresh shelled peanuts under different temperatures

2.2 溫度對帶殼鮮花生空隙量的影響

由圖3可知，同一溫度下，隨著干燥的進行，花生殼與花生仁之間的空隙逐漸增大，為二者共同收縮所致。干燥初期，花生殼為主要收縮對象，且是花生殼內部結構的收縮，空隙量較小；隨著干燥進行，花生仁開始收縮且收縮較為嚴重，空隙量快速增大。另外，花生殼與花生仁之間出現的空隙可能會形成內外壓力梯度差，并增加花生仁水分遷移路徑，從而影響干燥效率。在40，50，60 ℃干燥至終點時，其空隙量分別為0.93，1.05，1.25 cm3。干燥溫度越高，空隙量越大且空隙量的曲線越陡，表明溫度對空隙量的影響較為顯著。從側面反映溫度能引起收縮，溫度越高，收縮越嚴重，產生的空隙越大。

2.3 溫度對帶殼鮮花生內部溫度的影響

由圖4可知，隨著干基含水率的降低，帶殼鮮花生內部溫度逐漸升高，干燥溫度越高，內部升溫速度越快。在40，50，60 ℃干燥至終點時，其內部溫度分別為33.8，41.8，45.5 ℃。在較高干燥溫度下，內部溫度基本呈直線上升趨勢。結合圖2可知，花生仁的收縮主要發生在干基含水率為0.4 g/g左右，表明花生殼對花生仁有保護作用，能減緩熱傳遞，殼外溫度遠大于殼內溫度，故花生殼先于花生仁收縮。在60 ℃干燥至終點時，內部溫度仍有上升趨勢，說明花生殼的保護作用較強，在干燥時間范圍內外部溫度不能完全穿過花生殼加熱花生仁，從而影響干燥效率。因此，在保證花生仁收縮不明顯的前提下，可以采取前期高溫后期低溫的變溫干燥或不同干燥方式的聯合干燥來優化帶殼鮮花生的干燥工藝。

圖3 不同溫度下帶殼鮮花生空隙量的變化Figure 3 Changes of void volume of fresh shelled peanuts under different temperatures

圖4 不同溫度下帶殼鮮花生內部溫度的變化Figure 4 Changes of internal temperature of fresh shelled peanuts under different temperatures

2.4 溫度對帶殼鮮花生微觀結構的影響

在干燥過程中，花生殼與花生仁內部結構也會發生變化。為確定熱風干燥在不同溫度下對花生內部結構的影響，使用SEM對不同溫度干燥處理過程中的花生殼與花生仁的表面進行觀察，結果如圖5、6所示。

由圖5可知，對比相同溫度下不同干基含水率的微觀結構，花生殼表面最初為排列規律的蜂窩狀結構，網孔邊界清晰，排列相對規則。隨著干燥的進行，花生仁的蜂窩狀結構快速變形，結構排列雜亂，疏水通道變窄，從而導致內部花生仁的水分不易擴散至外界，影響干燥效率。對比不同溫度下相同干基含水率的帶殼鮮花生的孔隙結構，發現較高的干燥溫度能加快水分散失，高溫使得花生殼在干燥前期網狀結構嚴重收縮，而40 ℃時花生殼的網狀結構變化較為緩慢。干燥至平衡時，60 ℃的結構比40 ℃ 的結構變形更為劇烈。從側面反映了干燥溫度越高，花生殼的體積收縮越明顯。由圖6可知，新鮮花生仁的表面結構呈現出飽滿蓬松、似“玉米粒”的構造。隨著干燥的進行，花生仁表面結構逐漸收縮變形，排列雜亂，細胞壁出現褶皺、收縮、卷曲現象，說明花生仁的細胞內主要為水分，當水分逐漸遷移后，剩下的大部分物質為脂肪和蛋白質，兩種物質導致花生仁比花生殼的收縮更為明顯，與圖2結果一致。且干燥溫度的升高使花生仁的細胞脫水速度加快，導致細胞結構變化明顯，收縮加快。

圖5 不同溫度下帶殼鮮花生花生殼的SEM圖Figure 5 SEM of peanut shells of fresh shelled peanuts under different temperatures

圖6 不同溫度下帶殼鮮花生花生仁的SEM圖Figure 6 SEM of peanut kernel of fresh shelled peanuts under different temperatures

結合圖5、6可知，干燥至0.4 g/g左右時，花生殼的微觀結構幾乎完全變形，而此時對應的花生仁表面結構變形程度較為劇烈，說明干燥至0.4 g/g左右時，可視為干燥中的一個轉折點，花生殼大部分水分在干燥初期丟失，先于花生仁完成干燥。

2.5 帶殼鮮花生熱風干燥體積收縮模型的建立

對50 ℃條件下帶殼花生與花生仁熱風干燥的收縮比進行分析，選取4個收縮模型(表1)用Origin 8.5對其進行非線性擬合，得出相應的R2(相關系數)、RSS(殘差平方和)、X2和模型系數，見表2。R2越大，RSS及X2越小，數據擬合結果越好。通過對比分析4種模型的R2、X2、RSS可知，在50 ℃條件下，花生殼的Quadratic模型R2最大，為0.990 1，X2為3.375 1×10-5，RSS為1.350 0×10-4，數值較小，且Quadratic模型的表達式更為簡便，故選擇Quadratic模型作為花生殼的最優收縮模型；花生仁的Vazquez模型R2值最大，為0.967 5，X2為0.002 3，RSS為0.004 5，數值較小，故選擇Vazquez模型為花生仁的最佳收縮模型。兩種模型能較為準確地反映帶殼鮮花生在熱風干燥過程中的體積收縮特性，為帶殼鮮花生的熱風干燥規模化控制提供理論依據。

2.6 帶殼鮮花生熱風干燥體積收縮模型的驗證

選取不同干燥溫度(40，50，60 ℃)條件下的試驗值和最終模型預測值進行驗證比較，結果如圖7、8所示。

由圖7可知，試驗值與模型預測值的吻合程度較高，說明模型的擬合程度較好。對不同溫度下試驗值與Quadratic模型預測值進行相關性分析，40，50，60 ℃條件下的花生殼試驗值與預測值相關性分別為0.99，0.83，0.99(P<0.01)，說明不同溫度下試驗值與預測值都呈極顯著的正相關。結果表明試驗所建立的模型準確可靠，能夠預測花生殼在干燥過程中收縮比隨水分比的變化規律。

表2 各干燥收縮模型的統計分析結果Table 2 Statistical analysis results of each dry contraction model

圖7 不同溫度下花生殼試驗值與Quadratic模型預測值比較

Figure 7 Comparison between test values at different air temperatures and predicted values of Quadratic model

圖8 不同溫度下花生仁試驗值與Vazquez模型預測值比較

Figure 8 Comparison between test values at different air temperatures and predicted values of Vazquez model

由圖8可知，試驗值與模型預測值的吻合程度較高，說明模型的擬合程度較好。對不同溫度下試驗值與Vazquez模型預測值進行相關性分析，40，50，60 ℃條件下的花生仁試驗值與預測值相關性分別為0.97，0.95，0.94(P<0.01)，說明不同溫度下試驗值與預測值都呈極顯著的正相關。結果表明試驗所建立的模型準確可靠，能夠預測花生仁在干燥過程中收縮比隨水分比的變化規律。

3 結論

在試驗溫度范圍內，較高的干燥溫度會對帶殼鮮花生的干燥品質產生一定的影響。選取較低的干燥溫度，干燥進程緩慢，殼內溫度變化幅度小，花生殼與花生仁的微觀結構變化程度小，能減小帶殼鮮花生的收縮，保證花生的干燥品質。花生殼先于花生仁收縮，但收縮程度不及花生仁，可能是花生殼纖維結構的收縮不及花生仁細胞結構的收縮。花生殼與花生仁之間的空隙隨著干燥的進行而逐漸增大，可能會形成內外壓力梯度差并增加花生仁水分遷移路徑，且為了減少收縮，可以考慮變溫干燥或聯合干燥工藝。

對不同收縮模型分析表明，花生殼采用Quadratic收縮模型擬合程度較高，花生仁采用Vazquez模型擬合程度較高，兩者能很好地反映帶殼鮮花生熱風干燥過程中體積收縮的變化。因此，該研究結果能更準確地預測帶殼鮮花生熱風干燥過程中干燥特性的變化規律，進一步保證帶殼鮮花生的干燥品質。