油茶果干燥特性及烘干脫蒲技術(shù)

趙海瑞，滕兆麗，楊浩勇，陳坤杰，張續(xù)博

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站，江蘇 南京210031； 2.南京農(nóng)業(yè)大學工學院，江蘇 南京210031)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，2020年中國食用油總需求量為4 091.0萬t，其中國產(chǎn)油料榨油量為1 233.2萬t，自給率為30.1%，已超過國際界限，且食用油量仍超過28.4%直接依靠進口[1]。油茶果作為我國盛產(chǎn)作物，其種仁含油率高達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[2-3]。對油茶果的開發(fā)利用可有效提高土地和資源的利用率，對我國糧油安全具有重要影響。近年來，我國油茶籽加工產(chǎn)油產(chǎn)量穩(wěn)中有升，據(jù)統(tǒng)計我國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環(huán)節(jié)不僅可以防止品質(zhì)劣變，同時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，國內(nèi)在油茶籽物理機械特性系統(tǒng)性研究與油茶果殼破殼分選機械的設(shè)計研究較多。有學者根據(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)機械設(shè)計工藝參數(shù)[5-8]。在油茶果干燥特性及烘干脫蒲方面研究較少，因此有必要對油茶果的干燥處理方式進一步研究。

目前，針對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)在熱風干燥的過程中，較高的相對濕度，有利于改善胡蘿卜的色澤。陸學中等[10]研究發(fā)現(xiàn)，當山藥片厚度4 mm，干燥溫度60 ℃，相對濕度40%，預(yù)處理30 min后熱風干燥會使干燥時間減少。相比于其他物料，并沒有具體試驗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、熱風干燥、熱泵干燥和微波干燥等[11-12]。龍婷等[13]采用了先進的熱風-微波聯(lián)合干燥工藝對油茶籽進行干燥，發(fā)現(xiàn)使用該干燥方法所制得油茶籽油理化指標為最優(yōu)，但此方法對干燥設(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，選用熱風干燥、熱泵干燥、微波干燥3種方法對油茶果樣品進行干燥，研究不同干燥方式對脫蒲效果的影響，建立油茶籽薄熱層熱風干燥模型，并對模型進行驗證，以期為實際的生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

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

試驗前應(yīng)將油茶果取出放至室溫下30 min，使其溫度達到室溫。對于試驗烘干過的油茶籽和油茶果蒲進行分袋處理，與其他試驗材料分開。試驗前，對材料進行檢查，分選出腐敗、損傷的油茶果，以保證試驗準確性。

1.2 主要儀器與設(shè)備

101-1A型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海錦昱科學儀器有限公司)；LAD-060型熱泵干燥機(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)股份有限公司]；JA21002型電子天平(上海舜宇恒平科學儀器有限公司)。

1.3 試驗方法

1.3.1油茶果干燥脫蒲試驗

預(yù)試驗測出油茶果長軸尺寸范圍為23～41 mm，以長軸為標準進行大小分級，將其分為3個等級：一級35～41 mm；二級29～35 mm；三級23～29 mm。依據(jù)3種干燥方法進行干燥脫蒲試驗。

干燥脫蒲試驗：取3份樣品，每份樣品10個分級后的油茶果(一級3個，二級4個，三級3個)，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。

其中熱風干燥采用熱風烘干機設(shè)備；熱泵干燥采用熱泵烘干機設(shè)備；微波干燥采用微波爐設(shè)備。

1.3.2油茶籽熱風薄層干燥試驗

油茶籽熱風薄層干燥試驗是研究熱風干燥時設(shè)備的風速與溫度兩個參數(shù)對油茶籽干燥程度所產(chǎn)生的影響。

(1)溫度對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，并標記樣品1～4。調(diào)整烘干設(shè)備的風速為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 ℃，干燥方式為熱風干燥。每隔60 min記錄樣本質(zhì)量，直至樣本質(zhì)量降至原來的67%，并計算油茶籽熱風干燥的水分比及干燥速率的變化。

(2)風速對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)整風速，其中樣本5風速為0.5 m/s，樣本6為1.0 m/s，樣本7為1.5 m/s，干燥方式為熱風干燥。試驗共持續(xù)6 h，每隔1 h測量一次油茶籽的質(zhì)量并計算油茶籽熱風干燥的水分比及干燥速率的變化。

1.3.3脫蒲標準的設(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上實現(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比

一個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)按如下公式計算。

(1)

式中M——一個油茶果脫蒲數(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水分比的計算

水分比用來描述油茶籽干燥過程中的干燥動力學曲線。水分比的計算公式為[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)束時的干基含水率，g/g

T0——油茶籽鮮質(zhì)量時的干基含水率，g/g

1.3.5干燥速率的計算

干燥速率是根據(jù)干基含水率計算，計算公式為[13]

(4)

式中DR——Δs時間內(nèi)平均干燥速率，g/(g·min)

1.3.6水分有效擴散系數(shù)的計算

水分有效擴散系數(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第二定律近似計算[15]。簡化后的計算公式為

(5)

式中Deff——油茶籽水分有效擴散系數(shù)，m2/s

t——油茶籽干燥耗時，s

L——油茶籽樣品厚度的一半，m

1.3.7干燥活化能的計算

干燥活化能是衡量干燥進程難易的重要指標，其值越小，表明干燥越易進行[16]。干燥活化能與Deff和T之間關(guān)系可以用Arrhenius方程來表示，計算公式為[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——氣體常數(shù)，其值為8.314 J/(mol·K)

T——熱力學溫度，K

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 干燥脫蒲技術(shù)比較

由試驗中脫蒲情況可知，微波脫蒲并不能實現(xiàn)，微波干燥只能使油茶果裂開而不能達到脫蒲效果(微波火力450 W時干燥20 min的油茶果情況如圖2所示)，且加大微波火力會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，果蒲破裂前的形變量越少。對油茶果進行干燥處理后，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現(xiàn)脫蒲。

利用熱風干燥和熱泵干燥可實現(xiàn)脫蒲，兩種方法的脫蒲率比較如圖3所示。在65 ℃下熱風干燥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，同等條件下熱風干燥的油茶果脫蒲效率明顯高于熱泵干燥。其中熱風干燥脫蒲效果如圖4所示。

圖3 熱風干燥和熱泵干燥下油茶果脫蒲率比較

圖4 65 ℃下熱風干燥6 h后油茶果脫蒲情況

耗電量對比：以油茶果達到脫蒲率90%以上為標準，熱風干燥在65 ℃下，需耗時6 h，耗電6.55 kW·h；在55 ℃下，需耗時8 h，耗電7.60 kW·h；在45 ℃下，需耗時9 h，耗電6.35 kW·h。

結(jié)合以上數(shù)據(jù)，無論從脫蒲效果還是節(jié)能角度來分析都是熱風干燥對油茶果脫蒲效果更好，且綜合時間和經(jīng)濟效益考慮，在65 ℃下干燥6 h為最佳干燥工藝。

2.2 油茶籽熱風干燥特性

2.2.1溫度對油茶籽熱風干燥特性的影響

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

結(jié)合圖5與圖6可知，溫度為65 ℃時油茶籽的干基含水率從70.2%(MR=1)降至8.2%(MR=0.061)需要時間420 min，其干燥時間約為75 ℃時的1.17倍，85 ℃時的1.40倍，95 ℃時的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度加快，同時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)，從而縮短了干燥時間[18]。

圖5 不同溫度下水分比

由圖6可知，當干基含水量保持不變(≥0.08 g/g)時，干燥速率隨熱風溫度升高而增大。當熱風溫度在75、85和95 ℃時，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：干燥時油茶籽的水分含量隨時間增加而逐漸降低，水分梯度作用越來越小，其中心水分向外擴散的阻力不斷增大，使得此時可揮發(fā)出的水分不再增長，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風速對油茶籽熱風干燥特性的影響

不同干燥風速，其干燥后的質(zhì)量并無明顯差異，如圖7所示，不同風速下水分比基本重合。由圖7可得，風速大小不會直接影響油茶籽的干燥效率。原因可能如下：油茶籽果實種皮包裹完整且含水率低，流動風只能蒸發(fā)其外粘附的水分，無法影響到果實干燥速率。實際生產(chǎn)中，熱風干燥油茶籽無須較高風速。但烘干箱內(nèi)要保證必要的空氣流動，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 不同風速下的水分比對照

2.2.3水分有效擴散系數(shù)和干燥活化能

根據(jù)式(5)求解Deff，繪制時間t和lnMR的散點圖，線性擬合數(shù)據(jù)點得出斜率，然后得到有效水分擴散系數(shù)Deff[20]。不同試驗條件下的擬合結(jié)果如表1所示。

表1 有效水分擴散系數(shù)擬合求解

由表1可知，當風速恒定時，溫度越高，其水分有效擴散系數(shù)越大，干燥效果越好。

當溫度從95 ℃到65 ℃時，其有效水分擴散系數(shù)范圍為1.681 4×10-9～3.046 7×10-9m2/s。

其中95 ℃到65 ℃時有效水分擴散系數(shù)呈一定梯度減少，95 ℃時的有效水分擴散系數(shù)約為65 ℃時的1.8倍。原因可能如下：當溫度上升，水分子能量變大，躍遷頻率增大，使擴散系數(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的散點圖，線性擬合數(shù)據(jù)點得出斜率，然后得到油茶籽干燥活化能Ea=21.323 7 kJ/mol。

3 模型擬合與試驗驗證

3.1 油茶籽熱風干燥模型擬合

試驗選擇2個常用的薄層干燥模型(表2)，在不同溫度下對油茶籽進行熱風干燥試驗數(shù)據(jù)擬合驗證，從而建立油茶籽的熱風薄層干燥數(shù)學模型[22-24]。

表2 油茶籽薄層干燥數(shù)學模型

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個參數(shù)來評價其擬合程度的好壞。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的表達式為

圖8 系數(shù)k與溫度T的關(guān)系

表3 油茶籽熱風干燥數(shù)學模型及其擬合結(jié)果

k=0.000 2T-0.006 2

(7)

代入模型中，可得熱風干燥Sutherland模型為

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

(8)

3.2 數(shù)學模型的驗證

驗證式(8)是否可以準確預(yù)測油茶籽干燥過程中某個時間點的含水率。選取一個干燥溫度代入公式中，并與試驗數(shù)據(jù)進行對比。選取干燥溫度為65 ℃的測量干基含水率數(shù)據(jù)與公式求得干基含水量進行對比，結(jié)果如表4所示。

表4 理論數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)對比

由表4可知，理論含水率和實際數(shù)據(jù)基本吻合，平均誤差為4.91%，說明該模型可以較為準確地預(yù)測油茶籽熱風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、任意時間下的水分比，進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間。這一公式可應(yīng)用于實際油茶籽烘干過程中。

4 結(jié)論

(1)利用熱風干燥、熱泵干燥、微波干燥3種干燥方式對油茶果進行干燥脫蒲，以耗時、脫蒲率和耗電量為評價標準，得出熱風干燥脫蒲效果最好，且最佳熱風干燥工藝為65 ℃干燥6 h。

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

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