油菜籽干燥技术研究进展

杨国峰 丁 超 蔡浩飞 屠 康 和 珊

油菜籽干燥技术研究进展

杨国峰1丁 超2蔡浩飞3屠 康2和 珊1

(南京财经大学1，南京 210046)
(南京农业大学2，南京 210095)
(南京铁心桥国家粮食储备库3，南京 210012)

油菜籽干燥技术是油菜籽加工过程中的重要环节，干燥方法及工艺的不同对油菜籽的品质有显著影响。依据国内外关于油菜籽干燥机理、数学模拟、干燥工艺及品质分析等研究成果，综述国内外油菜籽干燥技术的研究进展，对油菜籽热风干燥、就仓干燥、微波干燥、高压电场和过热蒸汽干燥等方法进行归纳总结，指出目前油菜籽干燥技术研究中存在的问题和不足，展望了油菜籽干燥研究的发展方向，旨在为后续的油菜籽干燥技术研究提供参考。

油菜籽 干燥 现状 进展

油菜是世界上仅次于大豆的第二大植物油来源［1］，全球年产量近6 000万吨。其中，加拿大、中国、印度和澳大利亚等国产量居前。我国油菜种植面积和产量过去20年均居世界首位［2］。油菜籽含有大约38%～45%的油脂、20%～25%的蛋白质和25%的碳水化合物［3］。菜籽油不仅是重要的食用植物油，亦是重要的工业原料，且榨油后的菜籽饼粕是优质的家畜饲料。由于油菜籽粒中含有芥酸和硫苷，对人体有害，所以全球各地不断加强油菜籽的品种选育和改良工作，目前，低芥酸低硫苷的“双低菜籽”已成为主要油菜种植区的首选。另外，油菜籽加工技术水平不断提高，加工过程中可快速清除油菜籽粒中的芥酸和硫苷，提高产品品质。

作为将新收粮油作物水分降至安全储藏水分以下的常用方法，干燥技术已被广泛应用于粮油收储工作［4］。我国油菜收获于梅雨季节，紧接着进入炎热的夏季，而新收油菜籽水分一般较高［5］，由于其亲水性质，易吸潮导致发热、酸败和霉变［6］，造成资源浪费。因此通过人工干燥作业能保证油菜籽水分快速、稳定、及时的达到合理水平，保证油菜籽的品质稳定，延长储藏期。同时，干燥后的油菜籽种皮和子叶会出现一定程度的分离，籽粒内部油脂和蛋白质各自聚集，提高油菜籽的破碎、脱壳和榨油效率。

国外粮食油料作物干燥方面的研究已有80余年，相关干燥技术也较成熟。我国研究主要集中于谷类作物，而油料作物因含有丰富的油脂，干燥特性与一般的谷物有所不同。国内关于油菜籽干燥的理论研究较少。

1 传统油菜籽干燥技术研究现状

1．1 热风干燥

热风干燥是用热空气做干燥介质，加热物料促进水分蒸发并将物料水分去除的方法。作为一种传统的干燥方式，热风干燥技术已相当成熟。农业生产中，热风干燥在国外已大量应用，但由于干燥过程能耗大，成本较高，国内部分粮油加工企业有所使用。油菜籽干燥作业中，由于皮层薄子叶厚，油菜籽干燥后需进行降温冷却作业，以防止油菜籽吸湿返潮。常用油菜籽热风干燥工艺为:预热升温→干燥降水→降温冷却。为保证干燥速度和干燥品质，油菜籽干燥温度一般情况不高于75℃。另外，油菜籽颗粒较小，热空气通过油菜籽空隙时压降较大，故干燥风速亦不宜过快，风速在2 m/s以下较合适。油菜籽热风干燥技术的研究方面，国外对油菜籽热风干燥机理、工艺及干燥质量的研究多而全，国内理论研究相对不足。

干燥作为油菜籽收获后的必要处理环节，存在油菜籽含油量较高，不合理的干燥工艺易使菜籽在干燥过程中出现品质下降的问题。国内外对热风干燥油菜籽质量的研究较全面，基本涵盖了主要油菜籽及菜籽油的评价指标。Kanai等［7］研究了干燥条件对油菜籽和葵花籽的影响，尤其是通过颜色、过氧化值和酸值评价油的品质，发现提前收获的菜籽榨出的油品质相对较差，并且由于残留叶绿素而呈绿色，菜籽和油菜籽在收获后应尽快在较低温度下干燥，以保证菜籽不会发生变质和油的品质。Gawrysiak－Witulska等［8］对菜籽自然空气干燥过程及干燥后储藏过程对菜籽中生育酚和8－烟酸酯生育酚的影响进行了研究，发现干燥会导致生育酚下降6%～11%，后续储藏过程在此基础上继续下降23%～30%;8－烟酸酯生育酚含量变化与生育酚情况基本类似。Sutherland等［9］通过对热空气干燥油菜籽和葵花籽，检测过氧化值和游离脂肪酸含量的变化，分析得出发芽率受空气和菜籽温度的影响。对于葵花籽来说，不同初始水分的菜籽具有不同的安全干燥温度，而油菜籽干燥温度60℃时，发芽率没有降低，热处理对游离脂肪酸含量无明显影响。Thakor等［10］通过热重分析技术对干燥过程中的甘蓝型油菜籽单独颗粒的尺寸和质量进行分析，认为干燥过程中，油菜籽粒水分越高，颗粒收缩越大;完整籽粒比脱壳籽粒含水量高，水分扩散速率大;一阶干燥动力学方程中颗粒半径取动态值比固定值更准确。

干燥物料的特性参数、干燥动力学和数学模拟等研究是干燥技术发展的机理性研究，不可或缺。发达国家外对农产品干燥的机理研究要先于国内，水平也高于国内。国外干燥物料的特性研究要比国内全面、细致和深入，干燥动力学研究已将成像及图像处理技术和数学模拟相结合，分析直观明了，模拟逐渐从简单的一维数学模型过渡到二维模型，精确度有较大提高。油菜籽干燥技术的研究亦是如此。Sokhansanj等［11］对油菜籽和复水油菜籽等作物进行薄层干燥特性的研究，得出一系列Page方程并进行对比，发现其两者的干燥速率有较大不同，尤以第1次加湿的菜籽与原始水分的差异最大;Corrêa等［12］利用改进型Henderson和Page方程模拟甘蓝型菜籽薄层干燥平衡含水率及干燥速率的变化，并研究了不同干燥空气温度和湿度对菜籽发芽的影响，结果表明2种模型均能准确描述菜籽薄层干燥过程，且干燥条件是保持菜籽生理品质的一个关键因素。Chen等［13］研究了葵花籽的薄层干燥速率，在4个不同的干燥空气温度下进行干燥试验，得出相应的Page方程;Sadowska等［14］将不同水分菜籽在不同温度条件下干燥至6．5%，并对干燥后菜籽加工性能进行了研究，得出菜籽干燥后加工性能指标与菜籽原始水分和干燥温度有很强的相关性。Jukic等［15］在不同温度(40、60、80℃)，干燥速率为1．0 m/s条件下，对流干燥混合菜籽，得到相应的干燥动力学模型，发现不同菜籽水分释放速率不同，且相同条件下干燥路径有显著不同，并总结得出活化能和菜籽水分扩散速率成反比。Kumar等［16］对几种菜籽薄层干燥特性进行了研究，试验干燥温度30～70℃，空气流速控制在2 m/s，并利用改进型Page方程进行试验数据进行拟合，效果较好。另外，干燥空气温度显著影响干燥时间，而菜籽品种对干燥时间影响不显著，干燥温度在55℃以下时，菜籽发芽率和发芽势变化不明显，但当温度高于55℃时，发芽率会降至16%～20%。Duc等［17］通过对4种甘蓝型油菜籽薄层干燥模型进行了对比研究，结合油菜籽薄层干燥试验数据，发现page模型描述菜籽薄层干燥最准确，并计算出40℃至60℃温度区间内有效水分扩散速率在1．72×10－11～3．31×10－11m2s－1区间内。国内对油菜籽干燥特性及数学模拟方面的研究相对偏少，理论研究相对不足。牛智有等［18］采用动态法测定了温度为10、20、25、30℃和在相对湿度0%～90%范围内时油菜籽解吸和吸湿平衡水分;分析了油菜籽品种、温度和相对湿度对平衡水分以及温度对“滞后”范围大小的影响，并用Modified－Henderson方程、Chang－Pfost方程和Modified－Oswin方程对油菜籽的平衡水分曲线进行了拟合研究，得到了描述油菜籽平衡水分的数学方程。周代梁［19］对油菜籽薄层干燥及通风特性进行了研究，验证了Page方程可很好的表达油菜籽薄层干燥特性，得出加湿油菜籽的干燥单项扩散方程以及油菜籽两层阻力和临界漂浮速度。史英春等［20］进行了油菜籽的薄层干燥试验，确定了各参数(介质温度、湿度、谷物的初始温度、水分)对干燥速度的影响程度，建立了油菜籽薄层干燥的数学模型，并依据油菜籽的干燥特性，确定油菜籽干燥的合理工艺及工作参数，并结合玉米、水稻的干燥工艺及作业参数，研究一种适合油菜籽、玉米、水稻等物料的干燥设备，实现一机多用，提高设备利用率。谢奇珍等［21］分析了仓式固定床干燥机、滚筒式干燥机、流化床式干燥机、混流式粮食干燥机以及微波干燥等典型油菜籽干燥机存在的优点与不足，认为原有干燥机仍需改进，新技术和新能源的在农产品干燥方面需要积极研究和应用。

1．2 就仓干燥

就仓干燥就是将新收获的粮食油料作物存放在配有机械通风系统的粮仓内，使用自然空气或加热空气作为干燥介质，对仓内高水分粮食进行机械通风干燥并直接储藏。它属于慢速低温干燥，有利于粮食原有品质保持，减少搬运环节，降低成本。但由于就仓干燥量大，干燥时间长，易造成干燥物料在干燥过程中品质下降甚至出现霉变。因此，需根据气候环境、物料初始水分和干燥特性等，合理选择就仓干燥的通风时机和单位通风量。

Patil［22－23］等对利用改进的低温Morey平衡模型对热空气干燥油菜籽模拟的可行性进行了验证。另外，针对1968、1971和1974年气候数据，制定连续送风和相对湿度低于70%以下送风两种干燥策略进行干燥，得出在相对湿度≤70%时送风干燥可有效降低能量损耗，他还根据1968、1971和1974年太阳能数据，对太阳能结合自然风干燥进行了模拟研究，发现干燥时间随粮堆深度和菜籽原始水分增加而增加，且太阳能结合自然风干燥效果要好于单独自然风干燥。

Arinze等［24］利用不同单位通风量对不同水分和不同时间收获的油菜籽进行就仓干燥研究，得出:空气流速在1．0～1．5 m3·min－1·t－1时，干燥时间最短并且保持通风系统中空气为20℃时较为经济。

Schoenau等［25］利用已验证的计算机模型和北美的典型气候数据，研制出甘蓝型油菜籽就仓干燥最优能量利用系统和管理方案。该系统根据全年整套干燥运行成本数据优化而来，包括自然空气、丙烷、电力、太阳能等多个部分，并结合自然空气和太阳能干燥菜籽。

Xanthopoulos等［26］建立了一个模拟圆筒仓储藏油菜籽的二维模型，该模型可预测菜籽温度、水分、发芽势和呼吸作用强弱等，并通过等高线图形软件将这些信息显示在二维图像中。该模型还被用于研究不同单位通风量干燥高水分油菜籽，效果较好。

2 其他油菜籽干燥技术研究进展

2．1 微波干燥

由于微波干燥独特的加热特性，在农产品加工等多个领域越来越受到重视。微波干燥具有加热快且均匀、选择性好(含水率较高的区域加热较快)、反应灵敏、便于控制和能源利用率高(主要被待干燥物吸收)等优点［27］。

Lupinska等［28］对微波干燥油菜籽进行了研究，发现微波干燥可以对菜籽灭菌，且产生的损伤籽粒比热风干燥产生的要少。

廖庆喜等［6，29－30］研究了微波干燥油菜籽的可行性，并分析对种用价值及品质特性的影响，得出:微波技术应用于干燥油菜籽是可行的，既能快速而经济的对油菜籽进行干燥，又能保持其种用价值和改良食用品质，发生有利的变异，但仍能保持后代的品质;与热风干燥和远红外干燥相比，微波干燥恒速干燥期降水速率最大，且微波干燥可增强种子的发芽势，提高了菜籽的营养价值。

刘亚琼［31］通过在不同质量比功率、铺放厚度、载荷循环下油菜籽微波干燥试验，分析了微波干燥过程中油菜籽的质热传递特性，结果表明:质量比功率对微波干燥速率影响较大，适宜的质量比功率、铺放厚度和载荷循环有利于干燥过程的进行。

胡小泓等［32］应用微波加热技术，对油菜籽进行干燥处理，然后采用气相色谱和红外光谱分析经处理后的油脂品质的变化。试验结果表明:通过微波加热可使含水量11．85%的菜籽在11 min后降至2．85%;经微波处理后的油料提高了出油率;脂肪酸组成基本无变化，不存在反式脂肪酸;油脂过氧化值随处理时间的延长而升高;微波辐射时间对酸价和蛋白质含量影响不大，而对水溶性蛋白有一定影响。

2．2 高压电场干燥

高压电场干燥技术是20世纪80年代兴起的一种干燥技术。在高压直流电场下，水分的蒸发速度快、电场耗能低，且干燥物料不升温，因此能够实现被干燥物在较低温度范围内的干燥，干燥产品的色香味和生物活性成分的保留率得到很大程度的提高。

Basiry等［33］利用高压直流电场对油菜籽干燥，在8、9和10 kV静电场下干燥270 min，干燥速率分别上升1．78、2．11和2．34倍。试验结果表明高压电场降低菜籽水分效果显著，干燥速率随着电压上升而上升;电场干燥能显著提高油菜籽芽的根茎长度，但对油菜籽发芽率无明显影响。

2．3 过热蒸汽干燥

过热蒸汽干燥指用过热蒸汽直接与被干燥物料接触而去除水分的干燥方式，是近年来发展起来的一种全新的干燥方法。过热蒸汽干燥具有能耗低、干燥效率高、产品质量高、安全环保等优点。

宫英振等［34］基于过热蒸汽流化床干燥机理，结合“双流体”理论建立了描述过热蒸汽流化床干燥过程的非稳态轴对称二维数学模型，模拟研究了常压下油菜籽的过热蒸汽流化床干燥过程及其干燥动力学特性，模拟结果与试验数据相吻合。研究结果表明，该模型能够很好地描述常压下油菜籽的过热蒸汽流化床干燥过程和物料在干燥过程中的运动状态。

3 存在的问题

3．1 油菜籽传统干燥技术研究不够全面和深入

在日常干燥作业中，干燥过程数学模拟精确度不高会影响干燥过程的控制，进而影响干燥效率和质量。目前，大多油菜籽干燥机理的研究基于传统的农产品干燥的一维数学模型并进行展开，模拟精确度仍显不足。粮食油料作物作为有机生命体，干燥过程中，物料自身产生复杂的变化，仅靠单纯的一维数学模型难以客观全面的描述和模拟干燥过程物料的水分及内部成分的变化。

油菜籽就仓干燥低能耗，但干燥时间长，菜籽易发热霉变。和热风干燥相似，就仓干燥模拟精度问题难以有效解决，因此，合理控制干燥时间是菜籽就仓干燥一大难题。

3．2 新型油菜籽干燥技术研究较少

目前的油菜籽干燥技术的研究主要集中于热风干燥的质量和动力学研究，关于新型节能干燥技术在油菜籽干燥中的应用研究较少，仅有少量利用微波、高压电场及过热蒸汽干燥油菜籽质量的相关研究，但不够深入，相应的干燥机理并未深入的阐述和分析。新型油菜籽干燥技术的研究主要集中于实验室理论研究，离规模化推广仍有距离。

4 油菜籽干燥技术的发展方向

我国农业生产不够集中，在未来的一段时间内，人工晾晒和热风干燥依然是油菜籽干燥的主要手段。随着非再生能源的不断减少，高能耗的传统干燥方式必定不符合社会发展的趋势，节能高效的干燥技术将一直是干燥研究的主要方向。基于油菜籽干燥技术研究现状，我国该方面研究应关注以下几个方面:①加强油菜籽热风干燥基础理论研究，通过模拟分析，优化工艺，进一步提高油菜籽干燥效率，实现“精确干燥”。②不同种类的油菜籽的干燥工艺不尽相同，研究时需逐个突破，机理研究、数学模拟和工艺优化多管齐下，使油菜籽干燥技术不仅有可靠的理论基础并具有广泛的实用性。③积极研究新型节能、环保、高效的油菜籽干燥技术，如太阳能和触媒远红外干燥技术等，并尽可能将新型干燥技术规模化，逐步取代传统干燥技术。④研究开发联合干燥设备，结合两种或多种干燥技术，提高干燥效率，降低能耗。

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Research and Development Progress on Rapeseed Drying Technology

Yang Guofeng1Ding Chao2Cai Haofei3Tu Kang2He Shan1
(Nanjing University of Finance＆Economics1，Nanjing 210046)
(Nanjing Agriculture University2，Nanjing 210095)
(Nanjing Core Bridge National Grain Reserve＆Storage3，Nanjing 210012)

Rapeseed drying technology is an important link of the rapeseeds processing．The quality of the rapeseeds could be significantly influenced by different drying methods and technologies．According to domestic and foreign research achievements on rapeseed drying mechanism，mathematical simulation，drying technology and the quality analysis，this paper reviewed the research and development work of rapeseed drying and summarized the traditional and new rapeseeds drying technologies，such as hot－air drying，in－store drying，microwave drying，electrohydrodynamic drying and superheated steam fluidized bed drying technologies．Several problems of rapeseeds drying research are pointed out and prospect the development direction of rapeseed drying research．Aim to provide some reference for the subsequent rapeseed drying technology research

rapeseed，drying，current situation，development

S375

A

1003－0174(2012)05－0124－05

国家科技支撑计划课题(2009BAD0B03)，江苏省普通高校研究生科研创新计划(CXLX11_0676)

2011－08－25

杨国峰，男，1954年出生，教授，硕士生导师，粮食工程