油茶籽微波真空干燥特性

汤小红，李程懿，黄 丹，徐玉恒，张 宏，龚永健

（中南林业科技大学 机电工程学院，湖南 长沙 410004）

油茶是我国特有的重要木本食用油料物种，是世界四大食用木本油料树种之一[1-5]。由油茶籽所制得的茶油是一种优质食用油，也可被加工制作成精油、蜡烛和调药等，具有极高的综合利用价值[6-8]。由油茶籽制成油茶籽油的工序中，油茶籽的干燥不仅是油茶籽储存时间和储存质量的决定性因素，还对油茶籽油榨油工序中的出油率以及油茶籽油的质量有着重要的影响[8-11]。然而，油茶籽干燥效率低、干燥成本高一直是制约油茶产业发展的主要原因[12]。

目前，有关油茶籽干燥方式的研究主要有自然干燥、热风干燥和微波干燥3 种，其中自然干燥因成本低廉而被个体户和大部分油茶果培训基地广泛使用，而热风干燥和微波干燥作为一种极具应用前景的干燥方式被广泛研究，但众多研究发现，自然干燥质量差、干燥速度慢且受天气影响较大，热风干燥质量较好但干燥速度慢，微波干燥速度快但干燥质量差。张喜梅等[12]以油茶籽中油脂过氧化值和酸价的增加速度为品质指标，对比油茶籽自然干燥、热风干燥和微波干燥后发现，3 种干燥方式中，干燥后热风干燥后的油茶籽品质最好，微波干燥后品质最差；龙婷等[13]研究发现热风-微波联合干燥和微波干燥的油茶籽出油率显著高于自然干燥和热风干燥，热风-微波联合干燥的干燥时间仅次于微波干燥，但是热风-微波联合干燥后油茶品质是最好的，采用热风-微波联合干燥有助于减少干燥时间、降低能耗和提高油茶品质；

微波真空干燥是一种将微波干燥和真空干燥联合起来的一种新型现代化干燥技术，具有干燥速度快、干燥温度低、干燥品质好，易控制等优点，在食品干燥、药材干燥等领域得到了广泛研究。夏磊等[14]研究淮山微波真空干燥特性后发现，与传统干燥方式（自然干燥、热风干燥）相比，微波真空干燥不仅干燥速率快，干燥时间短，而且营养成分损失较小，微波真空干燥后的物料品质接近于冷冻干燥，但干燥时间及成本皆小于冷冻干燥。薛广等[15]探讨不同微波功率、真空度对罗非鱼片微波真空干燥过程的影响，结果表明微波功率和真空度的增加都能缩减干燥时间，微波功率越大，干燥速率曲线变化越明显，而不同真空度之间差异较小，不同真空度条件下物料干燥速率曲线较为接近。杨春等[16]研究鲜枣片组合干燥技术发现，微波真空干燥可以同时加热物料的表面和内部，因此干燥时间较短，且微波功率和真空度是控制干燥时间、物料品质和能耗的关键。本文探讨了微波功率、真空度、加载量对油茶籽微波真空干燥的影响，对比了不同干燥方式（热风干燥、微波间歇干燥、微波真空干燥）的特性曲线，目的是为了了解油茶籽微波真空干燥的规律，为使微波真空干燥实际应用到油茶籽干燥中来提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

实验材料：实验所用油茶籽（湘林1 号）均采自湖南长沙中南林业科技大学望城区雪峰山油茶基地。

主要实验仪器：RWBZ-08S 型微波真空干燥箱（南京苏恩瑞干燥设备公司）、DHG-系列电热鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）、NJL07-3 型微波实验炉（南京杰全微波设备有限公司）、JY/YP 11003 精密电子天平（宁波市鄞州华丰电子仪器厂）、电费电量计量插座。

1.2 实验方法

1.2.1 预处理

1）朱广飞等[17-18]研究发现，若以含油率、酸值、过氧化值等参数变化作为储存品质鉴定条件，则当油茶籽干基含水率在8.9%～10.4%时，油茶籽能够得到良好的储存效果。本研究取油茶籽干基含水率低于或等于9%为相对安全储存水分含量。

2）筛选出无破损、无病害的油茶果放入冷藏室中储存，准备进行实验时，先从冷藏室取出油茶果，将油茶果剥开取出油茶籽，然后放置在自然条件下使油茶籽温度上升至室温。

1.2.2 热风干燥

称取3 组200 g 油茶籽平铺至铝盘中，将其放置于电热鼓风干燥箱中，分别在40、60、80℃的热风温度下干燥，每隔30 min 记录一次油茶籽的质量，直至干基含水率达到相对安全储存水分含量。根据实验结果，计算其干基含水率并绘制干燥特性曲线。

1.2.3 微波间歇干燥

称取3 组200 g 油茶籽平铺至玻璃盘中，将其放置于微波实验炉中，分别在250、300、350 W的微波下干燥，加热时间为2 min，间歇时间为2 min，每隔4 min 记录一次油茶籽的质量，直至干基含水率达到相对安全储存水分含量。根据实验结果，计算其干基含水量并绘制干燥特性曲线。

1.2.4 微波真空干燥

称取油茶籽平铺至玻璃盘中，将其放置于微波真空干燥箱内干燥并设置好参数，每隔5 min 记录一次油茶籽质量，直至干基含水率达到相对安全储存水分含量。在预试验中，微波功率大于350 W时，油茶籽会出现爆裂、冒白沫等现象，微波功率低于250 W 时，油茶籽的干燥效果不明显，本文实验选取微波功率为250、300、350 W。真空度过低时，机器干燥时会产生较大噪音，本实验选取真空度为0.09、0.06、0.03 MPa。

先进行单因素实验。

1）固定真空度为0.09 MPa，加载量为200 g，研究不同功率（250、300、350 W）对油茶籽干燥特性的影响；

2）固定微波功率为350 W，加载量为200 g，研究不同真空度（0.03、0.06、0.09 MPa）对油茶籽干燥特性的影响；

3）固定微波功率为350 W，真空度为0.09 MPa，研究不同加载量（150、200、250 g）对油茶籽干燥特性的影响。

在单因素实验的基础上，采用正交实验的方法，以微波功率、真空度和加载量为实验因素，设计正交实验因素水平表如表1所示。

表1 因素水平Table 1 Factor level

1.3 数据计算

干基含水率：

式中：Wt为t时刻的干基含水率（%），mt为t时刻的物料质量（g），m干为物料干基质量（g）。

干燥速率：

式中：v为干燥速率（%/min），Δt为时间变化量（min）。

2 结果与分析

2.1 微波功率对油茶籽干燥特性的影响

图1是真空度为0.09 MPa，加载量为200 g 的油茶籽在不同微波功率（250、300、350 W）下干基含水率的变化曲线。由图1可以看出，随着干燥时间的延长，油茶籽的干基含水率逐渐降低，微波功率越高，油茶籽干燥至相对安全储存水分含量所需的时间越短，250、300、350 W 微波功率下油茶籽干燥至安全储存水分含量的时间分别为80、60、45 min。随着微波功率的增加，油茶籽的干燥特性曲线也有明显的变化，微波功率越大，油茶籽内部水分吸收的微波能越多，油茶籽的温度上升的越快，因此干燥速率越大，含水率下降速度也越快，油茶籽干燥至安全储存水分含量所需的时间越短。

图1 不同微波功率下油茶籽干基含水率的变化Fig.1 Changes of dry base moisture content of camellia oil seed under different microwave power

图2是真空度为0.09 MPa，加载量为200 g 的油茶籽在不同微波功率（250、300、350 W）下干燥速率的变化曲线。由图2可知，微波功率越高，干燥速率曲线的波动也越大，但不同微波功率下油茶籽干燥速率变化趋势大致相同，可分为加速干燥阶段、恒速干燥阶段和减速干燥阶段，符合常见的食品干燥规律。在加速干燥阶段，油茶籽内部水分含量较高，因此水分吸收的微波能也较大，水分流失速度较快，因此干燥速度逐渐上升。随着含水率随干燥时间的减小，油茶籽内部水分对能量的吸附也随之减小，传热传质速率趋于稳定，此阶段为恒速干燥阶段。当含水率下降到很低的值时，油茶籽内部水分的能量吸收能力也大大降低，干燥速率逐渐降低，此阶段为减速干燥阶段。

2.2 真空度对油茶籽干燥特性的影响

图3是微波功率为350 W，加载量为200 g 的油茶籽在不同真空度（0.03、0.06、0.09 MPa）下干基含水率的变化曲线。由图3可以看出，0.03、0.06、0.09 MPa 真空度干燥至安全储存水分含量所需时间分别为105、60、40 min，可见真空度越高，油茶籽的干燥速率越快，干燥至安全储存水分含量所需时间越短。真空度越高，油茶籽内部水分的沸点越低，因此水分的蒸发的速度越快、时间越短，在其他条件不变的情况下，油茶籽的干燥时间也就随着真空度的增加而减少。

图3 不同真空度下油茶籽干基含水率的变化Fig.3 The change of dry base moisture content of oil tea seed under different vacuum degrees

图4是微波功率为350 W，加载量为200 g 的油茶籽在不同真空度（0.03、0.06、0.09 MPa）下干燥速率的变化曲线。由图4可知，整体干燥速率的曲线依旧是加速干燥阶段、恒速加速阶段以及减速干燥阶段。随着真空度的增大，干燥速率变化曲线也明显变陡。加速干燥阶段，油茶籽内部游离水含量较高，水分可直接从油茶籽表面流失至空气中，此阶段油茶籽水分易流失，因此干燥速率逐渐上升；随着干燥时间的增加，油茶籽内部游离水含量逐渐降低，渐渐干燥速度保持相对稳定，为恒速干燥阶段；到了减速干燥阶段，油茶籽内部只要为结合水，结合水难以从油茶籽中脱离，因此干燥速率逐渐降低。

图4 不同真空度下油茶籽干燥速率的变化Fig.4 Changes of seed drying rate under different vacuum degrees

2.3 加载量对油茶籽干燥特性的影响

图5是微波功率为350 W，真空度为0.09 MPa的油茶籽在不同加载量（150、200、300 g）下干基含水率的变化曲线。由图5可知，150、200、300 g 加载量干燥至安全储存水分含量所需时间分别为35、45、60 min，加载量越少，干燥至安全储存水分含量所需时间越短。加载量越小，干燥所需要从油茶籽去除的水分质量越低，每个油茶籽粒所能吸收的微波能越多，所以导致油茶籽内部水分散失越快，油茶籽所需干燥时间越短。

图5 不同加载量下油茶籽干基含水率的变化Fig.5 Changes of dry base moisture content of oil and tea seeds under different loadings

图6是微波功率为350 W，真空度为0.09 MPa 的油茶籽在不同加载量（150、200、300 g）下干燥速率的变化曲线。由图6可知，干燥速率曲线仍由加速干燥、恒速干燥和减速干燥3 个阶段组成。从图6可以看出，加载量的增加对加速干燥阶段影响较小，加载量的增加虽然也会影响加速干燥阶段干燥速率的高低，但是加速干燥阶段的持续时间却没有太大的变化；加载量的增加对恒速干燥阶段和减速干燥阶段的影响较大，特别是在减速干燥阶段，减少油茶籽的加载量可以有效的提高干燥速率，且加载量越小，油茶籽内部水分含量越少，干燥速率曲线越短、越柔和。

图6 不同加载量下油茶籽干燥速率的变化Fig.6 Changes of seed drying rate under different loading loads

2.4 微波真空干燥工艺优化

根据所选3 因素3 水平，利用SPSS 设计正交实验，根据正交实验表完成各项试验并记录每组实验结果如表2所示[19-20]。利用直观法对正交实验的结果进行分析，其中，Ii为各因素的1 水平的干燥时间之和，Ⅱi为各因素的2 水平的干燥时间之和，Ⅲi为各因素的3 水平的干燥时间之和。Ij为各因素的1 水平的耗电量之和，Ⅱj为各因素的2 水平的耗电量之和，Ⅲj为各因素的3 水平的耗电量之和。R 为极差，Ri={Ii，Ⅱi，Ⅲi}，Rj={Ij，Ⅱj，Ⅲj}。

由表2可知，真空度干燥时间的极差最高，其次为微波功率干燥时间的极差，因此各因素对干燥时间的影响大小顺序为：真空度＞微波功率＞加载量。干燥时间最短的组合是A3B3C1，即设置参数微波功率350 W，真空度0.09 MPa，加载量150 g 时，油茶籽所需干燥时间最短。真空度用电量的极差最高，其次为加载量用电量的极差，因此各因素对耗电量的影响大小顺序为：真空度＞加载量＞微波功率。耗电量最少的组合也是A3B3C1，即设置参数微波功率350 W，真空度0.09 MPa，加载量150 g 时，油茶籽干燥至相对安全储存水分含量所需用电量最少。

表2 微波真空干燥正交实验结果Table 2 Orthogonal experiment results of microwave vacuum drying

2.5 微波真空干燥与其他干燥方式对比

2.5.1 微波真空干燥与热风干燥对比

图7和图8是加载量为200 g 的油茶籽在不同热风温度（40、60、80℃）下油茶籽干基含水量和干燥速度的变化曲线。由图7可以看出，40、60、80℃热风温度干燥至安全储存水分含量所需时间分别为32、16、8.5 h，可知热风温度越高，干燥至相对安全储存水分含量所需时间越短，与微波真空干燥相比，微波真空干燥所需干燥时间仅是热风干燥的1/4～1/32。对于热风干燥，热量由油茶籽外部经表面再传递到油茶籽内部，水分是由油茶籽内部扩散到油茶籽表面再从表面流失至油茶籽外部，其热量和质量的传递方向是相反的，因此干燥效率低，而微波干燥是体积干燥，油茶籽内部和表面同时被加热，此时油茶籽外部温度比油茶籽内部和表面要低，因此产生油茶籽内外温度差，推动油茶籽内部水分往油茶籽外部推移，其热量和质量的传递方向是相同的，因此干燥速度更快。由图8可以看出，在热风温度的干燥条件下，只有加速干燥阶段和减速干燥阶段，没有观察到恒速干燥阶段。以前有过相似的报道，陈健凯等[21]研究杏鲍菇的热风干燥特性、李汴生等[22]研究糖渍加应子的热风干燥特性后发现，杏鲍菇和糖渍加应子的热风干燥速率曲线皆只有加速干燥阶段和减速干燥阶段。

图7 热风干燥油茶籽干基含水率的变化Fig.7 Changes of dry base moisture content of oil and tea seeds dried by hot air

图8 热风干燥油茶籽干燥速率的变化Fig.8 Change of drying rate of oil and tea seeds dried by hot air

2.5.2 微波真空干燥与微波干燥对比

图9是加载量为200 g，加热时间2 min，间歇时间2 min 时油茶籽在不同微波功率（250、300、350 W）下干基含水量的变化曲线。由图9可以看出，250、300、350 W 微波功率干燥至安全储存水分含量所需时间分别为112、96、68 min，可知微波功率越高，干燥至安全储存水分含量所需时间越短，与微波真空干燥相比，微波真空干燥所需的干燥时间比微波干燥少1/3 左右。相比于微波间歇干燥，微波真空干燥多了真空度对油茶籽干燥的影响，由上文可知，真空度的增加会使油茶籽干燥速率增加，干燥时间减少，因此微波真空干燥所需干燥时间要少于微波间歇干燥所需干燥时间。图10是加载量为200 g，加热时间2 min，间歇时间2 min 时油茶籽在不同微波功率（250、300、350 W）下干燥速率的变化曲线。由图10可以看出，微波干燥速率曲线的波动较大，这是由于在间歇时间内，油茶籽内部的水分和温度被重新分配，从而导致油茶籽内部的水分和温度发生波动，若取消间歇时间，则微波功率达350 W 时会导致油茶籽出现焦糊、爆裂现状。微波真空干燥可以提高油茶籽承受的最大微波功率的限制，其干燥速率也较稳定，说明真空度对干燥时间以及干燥速度的稳定性影响较大。

图9 微波间歇干燥油茶籽干基含水率的变化Fig.9 Changes of moisture content of oil and tea seeds dried by microwave drying

图10 微波间歇干燥油茶籽干燥速率的变化Fig.10 Changes of drying rate of oil and tea seed by microwave drying

3 结论与讨论

3.1 结 论

1）油茶籽微波真空干燥可分为加速干燥阶段、恒速干燥阶段和减速干燥阶段。加速干燥阶段，油茶籽内部以游离水为主，游离水易流失，因此干燥速度逐渐上升；恒速干燥阶段，油茶籽的失水能力和微波的吸湿能力基本持平；减速干燥阶段，油茶籽内部以结合水为主，结合水不易脱离，因此干燥速度逐渐降低。

2）微波功率、真空度与干燥时间、耗电量成负相关，加载量与干燥时间、耗电量成正相关，但微波功率过高易发生爆裂、焦糊现象，真空度过高易发生击穿放电。通过正交实验并使用直观分析法发现，在微波功率350 W，真空度0.09 MPa，加载量为150 g 时干燥效果最好，干燥时间最短，耗电量最少，3 种参数对干燥时间的影响大小顺序为：真空度＞微波功率＞加载量，3 种参数对耗电量的影响大小顺序为：真空度＞加载量＞微波功率，从正交实验结果表可以看出，真空度对油茶籽干燥速率的影响远大于微波功率和加载量，因此调整真空度可以有效地控制油茶籽的干燥速率。不同的干燥方式对油茶籽的干燥时间也有着很大的影响。微波真空干燥的干燥时间仅为热风干燥的1/32～1/4，为微波间歇干燥的1/3，油茶果微波真空干燥的稳定性也优于热风干燥和微波间歇干燥。

3.2 讨 论

油茶籽的干燥是制作茶油工序中不可或缺的一环，是决定油茶籽的储存效果及茶油的质量高低的关键，干燥时间短、能耗低、品质好是决定油茶籽干燥方式好坏的关键。微波真空干燥技术广泛应用在其他食品、药材等干燥方面，并得到了较好的干燥效果。本文将微波真空干燥技术应用到油茶籽干燥中，研究微波功率、真空度和加载量对干燥结果的影响，以用于减少油茶籽微波真空干燥的时间及能耗。在预试验中，通过测得极端干燥条件下（350 W、0.03 MPa、150 g），油茶籽干燥后榨油，测得酸价为1.67 mg/g，过氧化值为0.176 g/100 g，符合国家油茶标准。在其他食品干燥方面，邓宇等[23]研究蕨菜微波真空干燥工艺试验发现微波真空干燥所需干燥时间远小于热风干燥和微波干燥，龙婷等研究发现热风-微波联合干燥的干燥时间仅次于微波干燥。在本实验中，通过微波真空干燥、热风干燥、微波间歇干燥的试验，验证了龙婷等人的实验结果，且通过改善微波干燥，在微波干燥中加入间歇时间，以保证微波干燥的品质，来比较在能得到符合国家标准油茶质量的前提下，比较微波真空干燥、热风干燥、微波间歇干燥的干燥速率。目前，本实验采用的油茶果品种是湘林一号，尚未考虑到不同种类的油茶籽之间的差异，接下来将进一步研究不同品种油茶果微波真空干燥特性的差异。微波真空干燥在干燥速度和干燥质量方面皆优于热风干燥和微波间歇干燥，它是一种在油茶籽干燥方面有着良好前景的干燥方式。