油菜籽微波預處理的干燥動力學及模型研究

楊 博，劉昌盛，李文林，王未君，曾仕林

(中國農(nóng)業(yè)科學院 油料作物研究所，油料油脂加工技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，農(nóng)業(yè)部油料加工重點實驗室，油料脂質化學與營養(yǎng)湖北省重點實驗室，武漢 430062)

我國油菜籽主要分布在長江中下游區(qū)域[1]，其種植面積長期占據(jù)世界第一[2]，近年來還在不斷上漲，而且油菜籽是我國食用植物油的主要來源之一[3]。油菜籽在壓榨制油前會進行預處理，預處理方法主要有微波預處理、干法炒籽和高溫蒸炒等[4]。其中微波預處理是一種新型的油菜籽預處理方式。

微波是指波長范圍為1 mm～1 m，頻率介于300 MHz～300 GHz的電磁波，工業(yè)上實際使用的微波頻段為915 MHz和2 450 MHz[5]。微波加熱物料的方式與傳統(tǒng)加熱方式不同，其通過電磁波使物料內(nèi)部的極性分子發(fā)生極化，分子劇烈運動，分子間的摩擦增大，物料從內(nèi)部被加熱，這種特別的加熱方式使得微波的熱效率非常高[6-7]。但微波技術在處理水果、蔬菜和肉類時會帶來外觀質量不佳、口感不好等問題，且設備投資較大，干燥成本較高[8-10]，因此大多會與其他干燥技術聯(lián)用。

目前， 7D菜籽油綠色加工技術在油料調質增香過程中使用了微波預處理[11]，相比于傳統(tǒng)預處理方式，油菜籽經(jīng)微波預處理后壓榨制得的菜籽油中多酚、維生素E和甾醇的含量顯著提高，其中多酚含量更是提高近120倍[12-13]。目前有少量關于油菜籽干燥特性的研究，如胡眾歡等[14]研究并建立了甘藍型油菜籽薄層熱風干燥過程中能耗模型，Due[15]、Jukic[16]等建立了油菜籽的薄層干燥模型，并計算了有效水分擴散系數(shù)。上述關于油菜籽干燥特性的研究主要使用傳統(tǒng)的干燥方式，而且大多是將高水分油菜籽干燥至8%左右的安全儲藏水分。在實際的油菜籽加工生產(chǎn)中，商品油菜籽本身含水率在8%左右，預處理之后的油菜籽含水率多為1%～2%，然后加水調質以達到適宜壓榨的含水率(2%左右)和狀態(tài)。為了了解油菜籽微波預處理過程中水分變化情況，彌補油菜籽低水分段干燥特性研究的缺失，本文對商品油菜籽進行微波預處理，研究其干燥特性，建立干燥動力學模型，為實際工業(yè)生產(chǎn)提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

油菜籽，外購。

微波設備(工作頻率2450 MHz，功率0～5 kW可調)，南京凱樂微波設備公司；DHG-9070A 電熱恒溫鼓風干燥箱；ME104/02 電子天平，梅特勒-托利多儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 油菜籽預處理

將1 000 g含水率為7%的油菜籽，均勻平鋪在平皿中，分別在不同料層厚度、不同微波功率下處理不同時間，每隔1 min稱量樣品質量并計算其含水率，直至微波預處理的油菜籽含水率低于1%。

1.2.2 指標測定

1.2.2.1 含水率

含水率按式(1)計算。

W=[7%-(m0-mt)/m0]×100%

(1)

式中：W為含水率；7%為樣品的初始含水率;mt為干燥至t時刻樣品的質量；m0為初始時刻樣品的質量。

1.2.2.2 水分比[17]

水分比按式(2)計算。

Mr=Wt/W0

(2)

式中：Mr為水分比；Wt為微波預處理t時刻油菜籽的含水率；W0為油菜籽的初始含水率。

1.2.2.3 失水速率[18]

失水速率按式(3)計算。

Rs=(W2-W1)×100

(3)

式中：Rs為失水速率；W2-W1為相鄰時刻含水率的差值。

1.2.3 干燥模型確定

為了更好地描述油菜籽在微波預處理過程中水分變化情況，選取了3種常用的干燥模型[19-21](見表1)進行擬合分析，并選取決定系數(shù)(R2)作為擬合度的判定標準(即R2越接近1其擬合度越好)，以選擇合適的模型。

表1 常用的干燥數(shù)學模型

2 結果與分析

2.1 不同微波功率下油菜籽水分變化情況

在料層厚度12 mm條件下，考察微波功率對微波預處理油菜籽含水率、水分比和失水速率的影響，結果見圖1。

圖1 微波功率對油菜籽含水率、水分比和失水速率的影響

由圖1可以看出，隨著微波預處理時間的延長，油菜籽的含水率和水分比不斷降低，同時微波功率越大，曲線的斜率越大，達到1%含水率所需的微波預處理時間也越短，而且隨著油菜籽含水率的降低，曲線越來越平緩。這是由于油菜籽內(nèi)部的水分子為極性分子，會吸收微波能轉化為熱能，使料溫升高，油菜籽中的水分汽化而從油菜籽內(nèi)部遷移出去[22]，在預處理初始階段油菜籽含水率較高，吸收的微波能較快，所以水分流失也較快，隨著油菜籽含水率的降低，吸收的能量越來越少，克服水分子從內(nèi)部向外遷移的阻力越來越難[23]，導致水分流失較慢。

由圖1還可以看出，隨著微波預處理時間的延長，失水速率總體呈先上升后下降的趨勢，且微波功率越大，初始和最大失水速率都越大。原因可能是微波功率越大，微波預處理初期油菜籽吸收的能量越多，料溫迅速升高，使油菜籽水分流失較快，隨著油菜籽含水率的降低，水分流失變得困難，失水速率逐漸降低。

2.2 不同料層厚度下油菜籽水分變化情況

在微波功率1.5 kW時，考察料層厚度對微波預處理油菜籽含水率、水分比和失水速率的影響，結果見圖2。

圖2 料層厚度對油菜籽含水率、水分比和失水速率的影響

由圖2可以看出，隨著微波預處理時間的延長，油菜籽含水率和水分比逐漸降低，且料層越薄，含水率和水分比變化曲線越陡峭，達到1%含水率所需微波預處理時間越短。這可能是因為微波預處理初期油菜籽含水率較高，料溫較低，吸熱后溫度迅速上升，料層上部的油菜籽水分快速流失，而料層底部的油菜籽水分散失困難，料層越厚，底部油菜籽水分散失需要的時間越長，達到1%含水率所需微波預處理的時間就越長。

由圖2還可以看出，油菜籽失水速率先增加后減少，且料層越厚，失水速率增加和減少得越緩慢，達到1%含水率所需微波預處理的時間也越長，在料層厚度為12 mm和18 mm時，微波預處理中期油菜籽失水速率相對保持穩(wěn)定。可能是因為微波預處理初期，油菜籽含水率較高，吸收微波能轉化為熱能后，料溫上升快，料層越薄，水分越容易流失，失水速率就越大，微波預處理過程短，而料層越厚，水分在層級間遷移困難，失水速率較小，需要的微波預處理時間就越長，且料層較厚時，微波預處理中期油菜籽吸收熱量與水分散失需要的熱量達到相對平衡，失水速率變化較小。

2.3 油菜籽微波預處理干燥動力學模型的確定

按1.2.3方法選取3種常用的干燥模型對油菜籽微波預處理過程中的水分變化情況進行擬合，為了便于分析，對3種模型進行了線性變化，線性變化后只需要考慮lnMr與t以及l(fā)n(-lnMr)與lnt的關系，結果如圖3～圖6所示。

擬合過程中發(fā)現(xiàn)本實驗數(shù)據(jù)不適合用指數(shù)模型進行擬合,因此僅進行了單項擴散模型和Page模型擬合。由圖3～圖6可見：lnMr與t關系曲線和ln(-lnMr)與lnt關系曲線都呈線性關系，說明可以用單項擴散模型和Page模型對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，但單項擴散模型擬合的R2在0.985 9～0.996 2之間，而Page模型擬合的R2在0.998 4～0.998 7之間，后者更接近1，用Excel對擬合數(shù)據(jù)進行線性回歸分析發(fā)現(xiàn)p<0.000 1，說明油菜籽微波預處理水分變化過程與Page模型呈顯著相關性，Page模型更適合作為油菜籽微波預處理的干燥動力學模型。

圖3 不同微波功率下lnMr與t的關系曲線

圖4 不同料層厚度下ln Mr與t的關系曲線

圖5 不同微波功率下ln(-ln Mr)與ln t的關系曲線

圖6 不同料層厚度下ln(-ln Mr)與ln t的關系曲線

3 結 論

將含水率7%的商品油菜籽在不同微波功率和料層厚度下進行微波預處理，結果發(fā)現(xiàn)，微波功率越高、料層越薄，微波預處理時間越短，料層厚度為12 mm和18 mm時，失水速率有一個相對穩(wěn)定期。用常用的干燥模型進行數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)，微波預處理油菜籽水分變化情況與Page模型擬合度最好，研究結果對實際生產(chǎn)中將微波干燥應用于油菜籽預處理有一定的指導意義。