不同物料层数对毛叶山桐子热风干燥特性及榨油品质的影响

2019-01-08狄飞达涂彩虹刘一静张勃龙张驰松

农产品加工 2018年24期

狄飞达，涂彩虹，刘一静，张勃龙，郑旗，冯骏，张驰松

（1.成都市农林科学院农产品加工与贮藏研究所，四川成都 611130；2.成都市农林科学院林业研究所，四川成都 611130）

毛叶山桐子（Idesia polycarpa Maxim.var.vestita Diels），又名水冬瓜、合色树、油葡萄、椅桐等，为大风子科山桐子属植物，是山桐子的一个变种[1-2]。毛叶山桐子树具有“空中油库”之称，作为有待大规模开发利用的植物油能源受到人们的高度重视[1-2]。在川、陕、甘交界的毛叶山桐子产区，人们利用毛叶山桐子果实榨油食用已有上百年的历史。毛叶山桐子果实和种子均含有大量油脂，均可榨油，且不需分离，其脂肪酸构成主要为亚油酸、油酸等不饱和脂肪酸，可通过加工制作为食用油资源[3]。

毛叶山桐子果熟期通常在10—11月，而此时南方地区多阴雨天气，非常不利于油料的晾晒干燥。通常在采摘期利用自然晾晒方法进行干燥，以便后期油脂加工，但由于成熟期天气阴冷，自然晾晒后水分含量过高，贮藏期极易霉变。目前，一些大型油料加工企业多配备塔式烘干设备，最大的优点是占地面积小、内部容积大、干燥时间长，可以较大幅度降水，一次降水可达5%～6%，适合需要大幅度降水的粮食和油料[4]。但塔式干燥设备容易出现因物料层数差异引起的干燥不均匀等问题[5]。

试验通过模拟塔式热风干燥对毛叶山桐子果实进行干燥处理，研究毛叶山桐子干燥特性，控制干燥终点；再利用热榨法制取毛叶山桐子油，对其出油率及酸价、过氧化值进行测定，评价该热风干燥处理方案。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试剂

毛叶山桐子，购于四川中海生物科技开发股份有限公司（四川省成都市金堂县）。

乙醚、异丙醇、百里香酚酞、氢氧化钾标准滴定液、碘化钾、硫代硫酸钠标准滴定液、无水碳酸钠、可溶性淀粉、三氯甲烷、冰乙酸等，均为分析纯。

1.2 主要仪器设备

LT-DBX60F型精密可编程热风循环烘箱（1300W），立德泰勀上海科学仪器公司产品；HC-UTP3000型电子天平，上海花潮电器有限公司产品；ZYJ905型小型榨油机，江门市贝尔斯顿电器有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 毛叶山桐子干燥压榨工艺

选择均匀的新鲜成熟毛叶山桐子（2017年10月），进行如下工艺处理：

新鲜毛叶山桐子果枝→脱枝→清理筛选→干燥处理→热榨油脂。

1.3.2 热风干燥设计

根据现有工厂塔式干燥设备[4]，依照实验室电热烘箱的空间（内部尺寸400 mm×375 mm×400 mm），制作3个软筛网框（50目）（长40 cm，宽36 cm，高1 cm），分别标记为A，B，C，每框共放置500 g样品，堆积完毕放入烘箱，试验温度为80℃（根据实际油料工厂常采用的热风温度），风速约为0.2 m/s（热烘箱本身风速档）。

热风干燥层和取样点示意图见图1。

图1 热风干燥层和取样点示意图

1.3.3 不同堆积层数热风干燥模式

为模拟实际操作中物料风向强度，促进干燥均匀，在多层干燥试验中，干燥层每隔1h进行交换。

热风干燥试验设计见表1。

表1 热风干燥试验设计

当毛叶山桐子干燥至安全贮藏含水率（≤10%）时，停止干燥。

1.4 指标测定

1.4.1 鲜果干燥特性测定

取约10 g毛叶山桐子果实，分离其果肉、种子，采用GB 5009.3—2016食品中水分的测定进行果实、果肉、种子水分含量测定，用湿基含水量、干基含水量表示，每组做3次重复试验，取平均值。

1.4.2 干燥过程中水分含量测定

取如1.3.3各干燥层的样品（约5 g），分为3份，利用GB 5009.3—2016食品中水分的测定进行水分含量的测定，以湿基水分百分含量或干基水分含量表示。

1.4.3 干燥速率测定

干燥速率的定义为单位时间内每单位面积（物料和干燥介质的接触面积）湿物料汽化的水分质量[6]。当物料与干燥介质的接触面积不易确定时，用干燥强度表示干燥速率，其定义为物料湿含量随时间的变化率，通常用Nd表示，使用干燥强度的公式表示干燥速率。单位为g水/（g绝干物料·h）计算公式（1）如下：

式中：Nd——干燥速率，g水/（g绝干物料·h）；

Mm——干基含水率，%；

Md，i——时间为ti时干基含水率，%；

Md，i+1——时间为ti+1时干基含水率，%。

1.4.4 有效扩散系数测定

干燥过程中物料内部水分有效扩散系数按公式（2）进行计算[7-8]：

式中：MR——水分率，无因次量；

M0，Mt，Me——样品初始、t时刻和平衡水分含量，g水分/100 g干物质；

R0——颗粒半径，m；

t——干燥时间，s；

Deff——物料内部水分的有效扩散系数，m2/s。

将试验数据代入式中，可得出以lnMR为纵坐标、时间t为横坐标的直线，直线的斜率即为-（Deffπ2）/R02，进一步得出有效扩散系数 Deff值。

1.4.5 干燥能耗评定办法[9]

干燥能耗是指去掉单位质量水分所需的能量。

干燥能耗按公式（3）进行计算：

式中：N——干燥能耗，kJ/g；

W——电热干燥箱功率，W；

T——干燥时间，min；

G——去除的水分质量，g。

1.4.6 最终物料出油率测定

准确称量50 g各干燥模式下最终毛叶山桐子，放入小型榨油机进行压榨，收集毛油，测定各组中毛叶山桐子果实榨取的毛油质量，重复3次，按照公式（4）计算出油率，并进行对比。

1.4.7 油脂主要品质评价

酸价根据GB 5009.229—2016评价，过氧化值根据GB 5009.227—2016评价。

1.5 数据分析

分析所用样品均采用随机取样的方法，所有试验组的各项指标均测定3次，利用Origin 9.0统计数据绘图和SPSS 17.0软件进行邓肯均数差异显著性分析。

2 结果与讨论

2.1 毛叶山桐子果实干燥特性

毛叶山桐子组成见图2。

图2 毛叶山桐子组成

毛叶山桐子果实采收自2017年10月成都市金堂县，粒径平均为8.51 mm，将果实分离出果肉和种子2个部分，测定干燥特性。与魏明山等人[10]关于毛叶山桐子果实水分数据有一定的差异，这与品种、年份差异有关。

毛叶山桐子干燥特性见表2。

表2 毛叶山桐子干燥特性/%

2.2 堆积层数对物料的水分含量及干燥速率的影响

毛叶山桐子主要由果肉和种子形成非均质的结构组成，这使得干燥过程中果实水分含量变化区别于其他油料作物，如油菜、花生等。

不同堆积层数下各干燥层物料湿基含水量及干燥速率变化见图3。

从图3（a）可知，单层干燥模式下，毛叶山桐子的热风干燥分为加速、恒速、降速3个阶段：初始阶段物料干燥速度快速上升至0.35 g水/（g绝干物料·h），随后在 0.35～0.38 g水/（g绝干物料·h）保持恒速，此后3 h迅速降低至 0.05 g水/（g绝干物料·h）。这是由于干燥前期，物料表面温度不断升高，在温度差的驱使下物料内部自由水分子不断向外扩散，干燥速率不断增大，但是在干燥后期，物料内部所含水分较少，干燥速率降低。单层干燥模式，即薄层干燥模式，属于实验室常用模拟干燥模式，能较为方便研究果实干燥特性，为后期复杂的多层干燥提供基础数据。最终，单层干燥经过6 h后，湿基含水量达到9.3%。

图3 不同堆积层数下各干燥层物料湿基含水量及干燥速率变化

由图3（b）可知，双层模式II是经过3次的变换位置操作，每层的物料都会有时间段处在出风口，能迅速排出水分，有利于干燥的进行。位于出风口的顺序是A-B-A-B层物料，远风口则为B-A-B-A层物料。前3 h的干燥情况与模式I干燥类似，A，C层毛叶山桐子含水量迅速下降，湿基含水量交替下降，当物料处于出风口处时，下降更快；后3 h，由于物料本身水分较小，两层的湿基含水量变化趋于一致。干燥速率方面，前3 h，A，B层干燥速率最高分别达到 0.37，0.43 g水/（g绝干物料·h），并保持在0.25 g水/（g绝干物料·h）以上；后 3 h，A，B层干燥速率急剧下降至0.08 g水/（g绝干物料·h），并持续到最后。最终A，B两层的最终湿基含水量为7.9%，7.7%，相比于单层干燥，最终得到的干果含水量更低，这是由于在单层干燥模式下，果实表面温度高、水分转移过快，而果实内部温度较低，导湿性引起水分由内向外，而导湿性相反，这导致前期果实内外部温差较大时，单层干燥果实表面水分较低而内部水分较高，阻碍了水分传递[11]，而双层模式由于每隔1 h交换出风口端，能减少因为内外温度、水分不均衡引起的干燥速率下降，因此在6 h以内，双层干燥模式下，果实湿基含水量更低。

由图3（c）可知，3层干燥模式采取的是每隔1 h交换A，C层，所以从湿基含水量变化趋势可以看出，A，C干燥层毛叶山桐子的干燥速度湿基含水量呈现交叉下降变化趋势，这是因为两层物料处于出风口端的交换中，当毛叶山桐子处于出风口端时其湿基含水量下降较快，处于远出风口端时则较慢。从干燥速率可以看出，A，C两层的物料也是呈现交替变化，在前4 h，A，C干燥层物料干燥速率在0.19～0.37 g水/（g绝干物料·h）变动，并随着时间的延长，干燥速率变化幅度逐渐减小，最终达到约0.04 g水/（g绝干物料·h）。B层物料8 h干燥时期内，干燥速率约为 0.2 g水/（g绝干物料·h）。干燥8 h之后，A，C干燥层物料的湿基含水量下降较多，最终湿基含水量分别为8.2%，8.0%，而B干燥层物料湿基含水量为9.8%，高于A，C两层，总体来说水分下降的比较平缓，这是由于B层的物料一直处于中层，相对远离出风口，不利于水分的转移。

2.3 堆积层数对毛叶山桐子在干燥过程中有效扩散系数分析

不同热风干燥模式各层物料水分率的对数值和时间变化曲线见图4，不同固定床热风干燥模式物料有效扩散系数Deff见表3。

图4 不同热风干燥模式各层物料水分率的对数值和时间变化曲线

表3 不同固定床热风干燥模式物料有效扩散系数Deff

由图4和表3可知，双层干燥模式整体来说，各干燥层的水分扩散系数差异较小，平均值最大，约为1.1×10-4m2/s，原因是层数的变换使得风速和温度的分布相对均匀，物料中的水分能够迅速蒸发，从而促进了水分扩散。lnMR和干燥时间线性相关系数高，各干燥模式不同干燥层的拟合系数R2均大于0.92。而3层干燥模式的水分有效扩散系数均值最小，约为0.81×10-6m2/s，主要与干燥层数有关，层数增加使得风速、温度分布不均匀，影响水分转移。

2.4 不同堆积层数干燥对毛叶山桐子最终水分含量、干燥能耗、出油率及品质的影响

不同干燥模式下毛叶山桐子的水分含量见表4。

根据表4中数据计算，单层干燥模式总体样品终水分含量均值为9.33%；双层干燥模式II下，总体样品终水分含量均值为7.77%，各层物料最终湿基含水量无显著差异（p＞0.05）；而干燥模式III下，总体样品终水分含量均值为8.68%，B层与A，C层物料终水分含量差异显著（p＜0.05），与双层干燥相比，干燥的均匀性较低。在干燥能耗方面，双层模式能耗最低，能较为充分的利用热能，过薄或者过厚都会增加能耗。

利用小型榨油机榨取油脂，其出油率在21.1%～24.6%，其中三层模式的出油率平均最高，达到23.5%，此时毛叶山桐子油料最终含水量在8%，这与其他油料作物（如油菜）安全水分相近[12]。榨取的毛油酸价和过氧化值分别在 3.1～3.4 mg/g，2.1～2.9 mmol/kg，并且各处理各干燥层数值无显著差异（p＞0.05），均低于国家对菜籽、油茶籽等毛油的品质标准规定，优于崔艳南等人[13]研究的未处理的工厂化毛叶山桐子毛油品质，这与干燥前处理与设备均有关系。