基于雙組分結構的高油酸花生莢果干燥動力學研究

陳鵬梟 王殿軒* 王晨光 朱文學 遲曉元

(1.河南工業(yè)大學糧油食品學院,河南 鄭州 450001;2.中央儲備糧臨沂直屬庫有限公司,山東 臨沂 276004;3.山東省花生研究所,山東 青島 266100)

花生是世界上重要的油料作物和經濟作物,隨著世界人口的增長和人類消費水平的提高,人類對花生的需求量迅速增長[1-5]?；ㄉ泻卸喾N營養(yǎng)物質,如蛋白質、膽堿、多種維生素、碳水化合物、不飽和脂肪酸以及多種礦物元素等。有資料顯示,經常食用花生,可抗老化、防早衰、預防腫瘤等[6-8]?；ㄉ镩g收獲后若干燥處理不及時,易感染黃曲霉菌,進而霉變產生黃曲霉毒素等有毒物質,造成一定經濟損失。據(jù)統(tǒng)計,每年因干燥不及時對花生產業(yè)造成的損失約占花生總產量的13%,損失金額高達10億元[9-11]。因此,花生收獲后及時干燥是確?；ㄉ焚|、防止霉變、保證花生后期儲藏品質與加工品質必不可少的關鍵步驟[12]。

在花生干燥基礎研究方面,國內外專家均做了許多工作[13-16]。Siddique等指出,花生田間收獲后,如果不及時干燥,便會因發(fā)熱而發(fā)生霉變、浸油和酸敗等變化[17]。一般花生莢果含水量降低至8%即可控制各種霉菌的生長[18],美國花生農民一般采用烘干車進行花生干燥,熱風烘干燃料主要為液化氣,整體耗能較高[19]。國外學者研究微波真空干燥花生耗能較低,但種子活力隨微波干燥速率升高而逐漸降低,而且干燥高水分花生仁會使花生仁中黃曲霉生長水平提高[20]。Mennouche設計的間接太陽能花生干燥裝置,避免花生晾曬時受到環(huán)境污染(如昆蟲、灰塵、雨水等),同時利用太陽能降低了花生干燥的成本[21]。國內對于花生干燥基礎研究方面起步較晚,但也作了大量工作。研究發(fā)現(xiàn),干燥介質溫度高于52 ℃會使花生種子出苗率低于20%[22-23],花生莢果熱泵薄層干燥過程中,風溫對花生干燥過程中的影響較為顯著,且Page方程可用于描述花生干燥過程[24-25]。

近年來,花生干燥方面的研究多為干燥溫度、速率、方式對花生品質與功能特性影響的研究,而關于花生各組分的水分變化研究較少。本文以開農1760高油酸品種為研究對象,選取熱風溫度45、40、35、30 ℃,風速0.7、0.3 m/s的工況,研究干燥過程中花生莢果各組分(花生莢果、花生仁、花生殼)水分變化規(guī)律,探尋高油酸花生干燥最佳工藝,為高油酸花生的有效干燥、干燥過程中能源的科學利用和花生專用烘干設備的研制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用高油酸型花生莢果為2019年9月收獲于開封市未經晾曬的新鮮花生,品種為開農1760,該品種油酸含量76.4%,亞油酸含量6.61%,油亞比值(O/L)11.6∶1。試驗開始前,挑選大小均勻且果仁飽滿的花生莢果,除去其表面附著的泥土(未用水洗),裝入自封袋,儲藏于4 ℃冰箱中備用,試驗前及時測定花生莢果水分。

1.2 試驗裝置

試驗采用600 mm×400 mm×500 mm,壁厚7.42 mm,具有耐燃性的有機玻璃箱體作為花生干燥室。在距箱體底部240 mm 高度處為圓心做一直徑112 mm 的圓孔,作為熱風管道接入口。在距箱體底部356、166 mm 處各放置一套聚乙烯網布(80目)與PP 板(開孔率45%)間隔放置的組合板(每套組合方式為2 層聚乙烯網布、3 層PP孔板),干燥室熱風管道開口向下、管道側面開孔出風,以使箱體內部各處氣流均勻。箱體外部采用隔熱棉(丁腈橡膠材質)包裹,避免熱風在接觸到干燥物料之前經由干燥室四周與干燥箱外空氣進行熱交換。在距箱底100 mm 高度處設置長560 mm、寬420 mm 的孔邊長1 cm 的不銹鋼網用以放置花生果樣品(圖1)。

圖1 花生通風干燥試驗裝置Fig.1 Device for peanut ventilation drying test

1.3 試驗方法

取4 ℃冰箱中儲藏的新鮮花生,待溫度恢復至室溫后,將花生莢果單層平鋪于網架上,采用的干燥工況如表1所示。每小時取5顆花生莢果,測定花生莢果、花生仁、花生殼水分,水分含量采用GB5009.3-2016食品中水分的測定方法進行測定,直至花生莢果水分含量降至10%以下結束取樣。

表1 干燥工況表Table 1 Drying wind conditions

2 結果與分析

2.1 不同干燥條件對高油酸花生殼干燥特性的影響

圖2可知,花生殼干燥至15%含水量以下工況1用時6 h,其他均低于4 h,說明工況1干燥效率最差。在風速一定的情況下,干燥溫度越高,干燥至終點用時越短,風溫在45 ℃下僅用時17 h,較工況1降低了55.26%,風速的增大同樣減少了干燥總時間。與此同時,花生殼干燥至含水率10%～12%會出現(xiàn)一個較長時間的水分平衡期,風溫風速的增大均會顯著減少水分平衡期時長?；ㄉ鷼じ稍锼俾是€表明(圖3),花生殼干燥過程前4 h速率較高,隨后逐漸降低,這是因為花生殼的結構為孔隙較大的纖維組織,殼內水分容易散失。風溫風速的增加會增大花生殼的干燥速率,說明干燥介質溫度的升高、流動性加快,使得干燥介質與樣品間的溫度梯度增大,物料內水分子運動加快、擴散能力加強,從而加快了干燥過程。

圖2 各工況下高油酸花生殼含水率變化曲線Fig.2 Variation curve of water content in high oleic acid peanut shell under various drying conditions

圖3 各工況下高油酸花生殼含水率下降速率變化曲線Fig.3 Variation curve of decreasing rate of moisture content in high oleic acid peanut shell under various drying conditions

2.2 不同干燥條件對高油酸花生仁干燥的影響

圖4可看出,工況1至工況6的干燥條件下,干燥前7 h,花生仁含水率下降較慢,隨著干燥的進行,花生仁含水率下降變快;工況7和工況8干燥條件下的花生仁含水率呈快—慢—快的變化趨勢,最終各工況花生仁含水率下降速率趨于平緩。當風速一定時,在一定范圍內,風溫越高,高油酸花生仁含水率下降越快,干燥時長越短。對比花生殼干燥過程,花生殼水分在前5 h快速脫除,之后逐漸到達平衡水分;而花生仁的含水率下降較慢,沒有明顯的快速失水期,這是由于花生殼與花生仁結構組分不同,花生仁富含蛋白質,蛋白質為親水物質,所以花生仁較花生殼難以干燥。

圖4 各工況下高油酸花生仁含水率變化曲線Fig.4 Variation curve of water content in high oleic acid peanut kernel under various drying conditions

從圖5可知,風速越高,高油酸花生仁的干燥速率越快。這是由于風速增加,花生表面與熱風之間的對流傳質系數(shù)增加,質量傳輸速度加快,干燥介質與花生仁之間的水分梯度變大,加大了水分從花生仁內部向外遷移速度。分別對比工況2與工況3,工況4與工況5和工況6與工況7,均顯示出高溫低風速較低溫高風速干燥速率更快,干燥至終點用時更短。因此,花生仁干燥過程風溫比風速對花生仁含水率變化速率的影響更顯著。

圖5 各工況下高油酸花生仁含水率下降速率變化曲線Fig.5 Variation curve of decreasing rate of moisture content in high oleic acid peanut kernel under various drying conditions

2.3 不同干燥條件對高油酸花生莢果干燥的影響

圖6表明,干燥前3 h花生莢果含水率下降較快,隨后一段時間趨于平穩(wěn)。這是因為干燥前期,熱風與花生殼發(fā)生對流傳熱傳質,由于花生殼質地相對花生仁疏松多孔,較易失水,所以花生殼迅速升溫失水,花生仁質地較密,又為油料作物,其傳質速度較慢;另外,花生仁與花生殼之間主要為擴散傳熱傳質,殼仁之間物性以及主要熱質傳遞方式的不同導致殼仁失水速率的差異;又因花生殼在花生莢果質量中占比較小,遂出現(xiàn)了花生莢果干燥初期,含水率下降較快,隨著干燥進行,其含水率下降變緩的現(xiàn)象。從干燥時長來看,6、7、8三種工況干燥用時較短,在不影響花生莢果干燥品質的前提下,可作為花生通風干燥工藝的優(yōu)先選擇。

圖6 各工況下高油酸花生莢果含水率變化曲線Fig.6 Variation curve of water content in high oleic acid peanut pod under various drying conditions

從高油酸花生莢果整個干燥過程來看,由于花生殼、仁兩組分物性不同,在干燥前期花生殼水分迅速減少,達到平衡含水率附近,而花生仁含水率接近均勻下降,這說明此階段花生莢果水分散失主要來自花生殼的干燥,且花生殼的干燥較易;在干燥后期,花生殼達到平衡含水率,花生仁持續(xù)干燥,說明高油酸花生莢果后期的干燥主要是花生仁的干燥。該結論說明高油酸花生莢果兩組分之間的干燥過程差異較大,將該干燥過程分為兩部分,有利于繼續(xù)探究花生莢果干燥過程濕熱傳遞機理。

圖7 各工況下高油酸花生莢果含水率下降速率變化曲線Fig.7 Variation curve of decreasing rate of moisture content in high oleic acid peanut pod under various drying conditions

3 高油酸花生薄層干燥模型的構建

結合工況1的花生莢果干燥數(shù)據(jù),構建高油酸花生莢果薄層干燥模型。選用5種常見的干燥模型進行高油酸花生干燥動力學研究,模型如表2、表3所示。以判定系數(shù)(R2)及均方根誤差(RMSE)來衡量數(shù)學模型與試驗數(shù)據(jù)的匹配程度。其中R2值越大,RMSE值越小,則表明模型匹配程度越好。從表2可知,Logarithmic模型與試驗數(shù)據(jù)的擬合效果明顯優(yōu)于其他模型。因此選用Logarithmic:MR=aexp (-kt) +c作為干燥模型,將模型各常數(shù)與風溫T、風速v進行多元逐步回歸分析,求得模型各常數(shù)與T、v的關系如下:

表2 幾種常見的干燥模型與擬合效果Table 2 Several common drying models and their fitting effects

表3 各工況下Logarithmic模型常數(shù)Table 3 Logarithmic model constants under various drying conditions

由表4可看出,Logarithmic模型常數(shù)的回歸結果較為理想,即該模型可描述高油酸花生莢果的干燥過程。

表4 Logarithmic模型各常數(shù)擬合效果Table 4 Fitting effect of each constant of Logarithmic model

4 結論與展望

1) 在高油酸花生莢果干燥過程中,風溫越高、風速越大,干燥速率越快;相比于風速,風溫對干燥速率的影響更為明顯。

2) 從干燥時長來看,6、7、8三種工況干燥用時較短,在不影響花生莢果干燥品質的前提下,可作為花生通風干燥工藝的優(yōu)先選擇。

3) 由于花生莢果殼、仁兩組分物性差異,兩組分的干燥過程水分變化規(guī)律差異較大,將該干燥過程分為兩部分進行研究,有利于探究花生莢果干燥過程的濕熱傳遞機理。

4) Logarithmic模型可較好地預測干燥過程中的高油酸花生莢果水分變化情況,可作為高油酸花生莢果干燥模型。