油茶籽的干燥特性及热风干燥模型的建立

邢朝宏 李进伟 金青哲 顾 军 王兴国

(江南大学食品学院食品科学与技术国家重点实验室，无锡 214122)

油茶籽的干燥特性及热风干燥模型的建立

邢朝宏 李进伟 金青哲 顾 军 王兴国

(江南大学食品学院食品科学与技术国家重点实验室，无锡 214122)

干燥作为油茶籽加工第1道工序，其对油茶籽的储藏加工及制取的油茶籽油品质影响至关重要。选择比较了自然干燥、微波干燥、热风干燥和真空干燥4种干燥方式对油茶籽中油脂储藏稳定性的影响，并利用扫描电镜观察了不同干燥方式对油茶籽微观结构的影响，考察了干燥温度对油茶籽干燥特性的作用规律，采用Lewis、Page、Henderson－Pabis、Modified－Page 4种数学模型拟合描述油茶籽的热风干燥过程，并建立了数学模型。结果表明:油茶籽适宜热风干燥处理，在温度为50、70、90℃下，油茶籽干燥至目标含水量9%(干基)时，所需时间分别为20、7.5、5 h，干燥后的油茶籽储藏稳定性好;电镜观察结果表明微波干燥和90℃热风干燥具有最宽敞的水分转移通道;非线性回归分析表明，Page模型能很好的表征油茶籽的热风干燥过程，预测油茶籽干燥过程中水分含量的变化。

油茶籽 干燥 扫描电镜 模型拟合

油茶(Camellia oleifera)起源于中国，在我国的栽培和利用历史迄今已超过2300年，是生长在我国南方丘陵地区的木本经济油料，是我国重要的木本油料树种，据统计，我国油茶种植面目前已达到400万公顷，占我国木本食用油料栽培面积的80%以上。全国油茶种植面积达到3.67 km2，年产油茶籽60余万t，常年产油茶籽油20万t［1］。其中以湖南、江西两省的产量最多，占全国总油茶籽产量的60%以上。

干燥作为油茶籽加工处理的第一道工序，其对油茶籽的加工储藏和制取的油茶籽油品质影响至关重要［2－3］。长期以来，油茶籽油生产工业化程度不高，很多农户采用自种、自收、自制方式获取油茶籽油，干燥主要通过日晒完成，不仅受到天气影响较大，且耗时费力，生产率低下，加之南方多阴雨天气，高水分含量油茶籽易发生霉变变质，增加油茶籽油后续精炼工序负荷压力［4］。为了适应油茶籽产业化需求，本文通过比较不同干燥方式对油茶籽及其所含油脂品质的影响，选择一种成本低廉、干燥效率高、油茶籽油品质好的干燥方式，并通过数学模型的建立来预测油茶籽干燥过程中水分含量的瞬时变化，为油茶籽油生产企业提供基本科学依据和数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料与主要仪器

新鲜普通油茶籽:湖南金浩茶油有限公司。

Waters1525高效液相色谱仪、Waters2996二极管阵列检测器:美国Waters公司;Quanta－200扫描电子显微镜:荷兰FEI公司;DHG－9076A型恒温热风干燥箱:上海圣欣科学仪器有限公司;ZK－82BB型电热真空干燥箱:上海实验仪器厂有限公司;MVD－1型微波干燥箱:江南大学研制;AR2140电子分析天平:梅特勒－托利多仪器上海有限公司;GTOP－150D光照培养箱:浙江托普仪器有限公司;Re－52型旋转蒸发器:上海亚荣生化仪器厂。

1.2 试验方法

1.2.1 油茶籽干燥

称取一定质量的已除去霉变、病虫损害的新鲜油茶籽(含水量27.60%)并平铺在搪瓷托盘上，采用自然干燥(日晒)、热风干燥(干燥温度分别为50、70、90℃)、真空干燥(干燥温度50℃、真空度0.01 MPa)和微波干燥(微波功率450 W)等4种干燥方式进行干燥试验，定时取样测定油茶籽的质量计算含水率，干燥至目标含水量9%，比较不同干燥方式所需时间，绘制干燥曲线，并利用Origin8.0软件拟合建立可描述热风干燥过程的数学模型;通过利用扫描电镜(SEM)观察不同干燥方式处理油茶籽的切面微观结构。

任一时刻t，油茶籽水分含量计算公式:

式中:MR表示水分比;Xf为干燥目标含水量/%，X0为物料初始含水量/%。

1.2.2 干燥油茶籽微观结构的扫描电镜观察

扫描电镜制样条件:干燥油茶籽切面，戊二醛固定，磷酸缓冲液漂洗数次，四氧化锇固定，再用磷酸缓冲液漂洗数次，乙醇梯度脱水(50%、70%、90%、100%)，醋酸异戊酯过渡后，采用临界点干燥，离子溅射后送样扫描电镜观察。

1.2.3 干燥油茶籽储藏后提取油脂的评价

将干燥后的油茶籽储藏在相对湿度60%，温度20℃条件下，每隔1个月将一定量的油茶籽剥壳、粉碎后，用正己烷(料液比1∶5)超声(功率250 W，时间40 min)提取油茶籽油，旋转蒸发挥溶后得到油茶籽油，酸价测定参考 GB/T 5530—2005［5］，过氧化值测定参考 GB/T 5538—2005［6］，VE 测定参考文献［7］。

式中:Xt为t时刻含水率/%;mt为t时刻物料质量/kg;m干物料干基质量/kg。

为表示一定干燥条件下物料还有多少水分未被干燥除去，引进水分比概念:

2 结果与讨论

2.1 干燥方法对油茶籽中油脂在储藏期间酸价变化的影响

图1 干燥方法对油茶籽中油脂在储藏期间酸价变化的影响

干燥后的油料在储藏期间由于干燥方法、储藏环境条件等的不同对油料中油脂的氧化变质有重要影响。分别经过自然干燥(日晒)、热风干燥(干燥温度50℃)、真空干燥(干燥温度50℃、真空度0.01 MPa)和微波干燥(功率450 W)的油茶籽在相对湿度60%、温度20℃的环境条件下储藏6个月，定期(每隔1个月)取出一定量油茶籽提取出油脂后测定其酸价，结果见图1。由图1可以看出，不同的干燥方法对油茶籽中油脂在储藏期间酸价的变化影响差异很大。在储藏期间前3个月内，4种干燥方法干燥后的油茶籽中油脂酸价均略有上升，3个月后，酸价上升速率明显加快，尤其是微波干燥后的油茶籽中油脂酸价上升最为明显，达到储藏前的2.27倍，这可能跟微波干燥机理有关，由于是内部受热故温度较高而引发产生较多的氧化过程所需的自由基中间体;其次是自然干燥，可能是受到日晒过程光氧化作用;热风干燥和真空干燥处理后油茶籽中油脂酸价变化趋势相近，上升速率较为缓和。储藏6个月后，经过自然干燥、真空干燥、热风干燥和微波干燥处理后的油茶籽中油脂酸价分别达到 0.51、0.43、0.42 和 0.65 mg/g，均低于GB 11765—2003规定油茶籽油原油质量标准酸价值 4.0 mg/g。

2.2 干燥方法对油茶籽中油脂在储藏期间过氧化值变化的影响

过氧化值(POV)是评价油脂氧化酸败程度的重要指标。油茶籽干燥储藏后提取的油脂定期测定其过氧化值(POV)变化，结果见图2。

图2 干燥方法对油茶籽中油脂在储藏期间过氧化值变化的影响

由图2可以看出，4种干燥方法所得油茶籽中的油脂过氧化值均随储藏期间的延长而增加，前4个月，增加速率大小依次为:微波干燥＞自然干燥＞真空干燥＞热风干燥，与酸价增加趋势一致，后2个月，增加速率大小依次为:自然干燥＞微波干燥＞热风干燥＞真空干燥。经过6个月储藏后，过氧化值分别达到 2.06、2.34、1.07、1.36 mmol/kg，均低于GB 11765—2003规定油茶籽油原油质量标准过氧化值7.5 mmol/kg，表明干燥后的油茶籽制取的油脂氧化程度较低，经过适度精炼后可以食用。

2.3 干燥方法对油茶籽中油脂在储藏期间VE含量变化的影响

VE是主要的油脂伴随物之一，主要包括8种，分别为α、β、γ、δ生育酚及对应的4种生育三烯酚，在油脂中主要作为抗氧化剂而保护油脂不被氧化［8］。油茶籽干燥后在储藏期间其所含油脂的VE含量变化如图3所示。

图3 干燥方法对油茶籽中油脂在储藏期间VE含量变化的影响

由图3可以看出，随着储藏时间的延长，VE含量均呈下降趋势。储藏前期(前3个月)，微波干燥与自然干燥下降速率相近，热风干燥与真空干燥下降速率类似，前3个月，下降速率大小依次为:微波干燥＞自然干燥＞真空干燥＞热风干燥，后3个月，下降速率大小依次为:微波干燥＞真空干燥＞自然干燥＞热风干燥。储藏6个月后，经过微波、自然、真空和热风干燥后油茶籽中油茶籽油的VE含量分别为:150.69、172.76、168.84、180.65 mg/kg，比储藏前分别下降了 46.26%、38.40%、39.79%、35.58%。值得一提的是，油茶籽油中检测出的VE主要以α－生育酚形式存在，α－生育酚在生物体内效价最高，但抗氧化性在8种形式中是最低的。动、植物组织的α－生育酚可以被小肠直接吸收，是动物体内重要的抗氧化剂，能够保护细胞膜和亚细胞膜免受氧化损害，同时还具有免疫等其他重要功能［9］。因此，油茶籽油中因含有较丰富的生育酚以及其他抗氧化活性物质，其储藏稳定性及营养品质较高。

综合图1～图3可知，热风干燥后的油茶籽在储藏期内油脂品质最好，适宜的干燥温度既能保证干燥速率又能提供稳定的油茶籽油品质，是一种理想的干燥方式。自然干燥受天气影响较大，且干燥时间太长不利于大规模的油茶籽干燥处理，微波干燥虽具有最快的干燥速率但干燥后的油茶籽油品质较差，增加后续精炼工段负荷压力，在相同干燥温度下，真空干燥速率与热风干燥相同，但由于其成本较高，也不适合油茶籽加工企业规模应用，因此，热风干燥时油茶籽加工企业首先的干燥处理方法，该方法经济可靠。2.4 不同干燥方式对油茶籽微观结构的影响

不同干燥方式由于其干燥机理不同，油茶籽内部水分受热方式和强度也不同，导致内部水分转移方式不同。不同干燥方式对油茶籽微观结构的影响见图4。

图4 不同干燥方式对油茶籽微观结构的影响

由图4可以看出，微波干燥和90℃热风干燥的油茶籽细胞之间水分转移通道最宽敞，但微波干燥后的油茶籽部分细胞或者细胞内部物质交织在一起，可能是淀粉类物质糊化的结果，这是由于微波干燥功率较大且从内部加热导致内部温度较高［10］。50℃热风干燥、自然干燥、真空干燥后的油茶籽微观结构的水分转移通道较闭塞，说明干燥强度较低，水分转移速率较慢。比较不同温度下的热风干燥后油茶籽电镜结果可知，随着温度的提高，水分转移通道逐渐开阔，蛋白质变性程度也增大导致细胞间和细胞内物质间隙增大，多孔性提高。由油茶籽微观结构可以推断出不同干燥方式干燥速率大小顺序为:微波干燥＞90℃热风干燥＞真空干燥＞自然干燥。

2.5 油茶籽的热风干燥特性及数学描述

2.5.1 不同干燥温度下油茶籽的热风干燥曲线

热风干燥到目标含水量的时间长短受到干燥温度、通风速率(风量)、堆积密度等因素的影响，其中干燥温度对其影响最大。如图5所示，油茶籽在50、70、90℃下干燥至目标含水量(9%)所需时间分别为20、7.5、5 h。干燥初期，油茶籽含水量迅速下降，干燥速率较快，干燥后期，油茶籽含水量下降速率逐渐减缓。

图5 不同干燥温度下油茶籽的热风干燥曲线

2.5.2 油茶籽热风干燥数学模型的建立

根据油茶籽热风干燥曲线的特点，选择指数函数作为基函数。干燥数学模型对干燥过程的优化和控制具有重要意义，人们一直期望通过干燥理论的研究建立干燥的模型，以期更好的控制生产过程。

表1为常见的用于描述农副产品薄层干燥的数学模型，利用Oringin8.0软件进行非线性回归拟合实验数据，通过评价模型的Adj－R2和标准误差SE来判断模型的可靠度，所得结果见表2。

表1 描述干燥曲线的常见数学模型［11－13］

表2 四种模型拟合结果

由表2可看出，在50、70、90℃下，Page模型均具有最高的Adj－R2和最低的SE值，说明Page模型最适合作为油茶籽热风干燥的拟合模型。结合图5可知，Page模型拟合值与实测值误差很小，50、70、90℃下两者之间标准误差值分别为0.028 1、0.025 4、0.030 2。另外，不同温度下，Page模型的 k、n值不同，说明参数k、n与温度有关，利用Excel软件将它们分别进行多项式拟合，不同温度(T)下的k、n为:k= －0.000 1T2+0.097 5T －17.318;n= －0.000 07T2+0.054T －9.371 8。

综上所述，利用Page模型能较好反映油茶籽热风干燥动力学过程，方程为:MR=exp［－(－0.000 1T2+0.097 5T － 17.318)t(－0.00007T2+0.054T－9.3718)］

3 结论

不同干燥方式对油茶籽品质影响不同，油茶籽经过自然、微波、热风和真空4种干燥方式干燥储藏6个月后，其中所含油脂酸价、过氧化值均有所上升，VE含量有所下降，但均未发生明显氧化酸败现象，其中以热风干燥油脂品质保留最好，油茶籽宜采用热风干燥处理。油茶籽的薄层热风干燥速度与温度有关，温度越高，干燥时间越短，油茶籽在50、70、90℃下干燥至目标含水量(9%)所需时间分别为20、7.5、5 h，干燥后的油茶籽储藏稳定性好;电镜观察结果表明微波干燥和90℃热风干燥具有最宽敞的水分转移通道。非线性回归分析表明，Page模型能很好的表征油茶籽的热风干燥过程，预测油茶籽干燥过程中含水量的变化。

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The Drying Characteristics of Camellia Oleifera and Establishment of Hot－Air Drying Model

Xing Chaohong Li Jinwei Jin Qingzhe Gu Jun Wang Xingguo
(School of Food Science and Technology，Jiangnan University，The State Key Laboratory of Food Science and Technology，Wuxi214122)

As the first processing operation，drying process has a key influence on the subsequent processing and storage of Camellia oleifera and the quality of extracted Camellia oleifera oil.In this paper，we selected and compared four drying methods:natural drying，microwave drying，hot－ air drying and vacuum drying to dry the Camellia oleifera，then evaluated the effect on the storage stability of the contained Camellia oleifera oil.We observed the microstructure of Camellia oleifera processed by four drying methods.In order to establish the hot－ air dying model，we chose four mathematic models:Lewis，Page，Henderson －Pabis and Modified －Page models to fitting the experimental data of hot－ air drying at 50，70，90 ℃.The results showed that:it's best to adopt the hot－ air drying method to process the Camellia olrifera，and the time needed to reach the goal moisture content 9%(dry base)is 20，7.5，5 h at 50，70，90 ℃，respectively.It's proved that the Camellia oleifera processed by hot－ air drying owned good storage stability.The observing result of SEM showed that microwave drying and 90 ℃ hot－air drying method generated the vastest moisture transfer channel.The result of non － lineal regression analysis proved that the Page model provided the best fitting results and description of the hot－ air drying procedure of Camellia oleifera.

camellia oleifera，drying，SEM，model fitting

TS222

A

1003－0174(2012)03－0038－05

国家科技支撑计划(2009BADB1B09)

2011－06－14

邢朝宏，男，1989年出生，硕士，脂质深加工