红外热风联合干燥对紫花苜蓿营养成分的影响

刘 铸，吴桂芳，德雪红，包 兴

(内蒙古农业大学 机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

当下种植业多元化发展，紫花苜蓿由于其适应性广、品质优良和高效固氮等特性，已成为国内外重点发展的饲草作物，国内苜蓿种植面积约为233.33万hm2[1-3]。优质的苜蓿干草调制对技术和气候环境要求苛刻，提高苜蓿干燥效率和均匀性是保证苜蓿在干燥过程中营养损失降低的关键[4]。自然干燥和对流热风干燥是农作物干燥常用的方法，近年来，新型联合干燥的趋势已经超越自然干燥和热风干燥[5]。具体来说，由红外辐射将红外(IR)能量与热风干燥(HAD)相结合，有明显的干燥协同效应，对农作物的干燥效率有显著的提升。与常规对流热风干燥方法相比，该新型干燥方法可以提高最终产品质量，减少总能量消耗和干燥时间。然而，不适宜的参数组合也会导致干燥后干草的品质不佳[6]。因此，基于上述的问题，使用红外热风联合干燥机[7]，进行多因子优化干燥试验，以改进苜蓿收获后的干燥工艺、降低苜蓿干草营养流失，为确定合理的干草调制参数提供依据，对苜蓿在不同干燥参数下的干燥特性研究具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

物料选用的紫花苜蓿产地为内蒙古自治区呼和浩特市和林格尔县内蒙古农业大学草资院试验田，品种是中国苜蓿4号，取现蕾期的苜蓿，这期间苜蓿有较高的粗蛋白(CP)含量，含不易消化的粗纤维较少，适合加工为饲料[8]。为保证紫花苜蓿干燥的均匀性，除去人工损伤造成的残次样品及腐败变质的苜蓿，挑选株高、株丛以及叶面积大小接近的样本(平均株高78.92 cm～86.96 cm，株丛27.89 cm～38.50 cm，叶片长度在1.39 cm～2.53 cm之间，叶片宽度在1.03 cm～2.12 cm之间)待用。

1.2 试验仪器

连续式红外热风联合干燥机；DHG-9030A电热鼓风干燥箱；DSH-50-10电子水分快速测定仪；JY2002多功能电子天平；AS836分体式风速计；ANKOM A2000型全自动纤维分析仪。

1.3 试验方法

根据国内外对苜蓿干燥的研究可知，影响苜蓿干燥后的品质因素有：干燥方式、加热温度、热风风速等[9]。为提升苜蓿脱水速度，减少干燥时间，保留干草营养品质，确定干燥因素参数组合，首先通过单因素试验，分析热风风速、红外辐射距离、干燥温度各因素在不同水平下对紫花苜蓿含水率的影响，分析得出较快达到安全含水率的参数，为进一步试验研究苜蓿品质提供因子选参数范围[10]。将得出的参数与所测营养成分含量进行多因子优化试验，利用Design-Expert 11软件设计三因子Box-Behnken正交旋转组合试验，通过建立三维曲面，分析因子交互效应来确定较优的干燥工艺参数组合。

1.4 试验内容

1.4.1 干燥参数单因素试验。 本试验以连续式红外热风联合干燥设备为载体，以其湿基含水率为试验指标对热风风速、干燥温度和辐射距离进行单因素试验，研究紫花苜蓿的干燥速度与各因素间的关系，每个因素分别设定5个水平。将刈割后初始含水率为78%的苜蓿进行样本分装，开展单因素水平干燥试验。

1.4.2 干燥对营养成分影响优化试验。 通过单因素试验确定响应面试验设计的因素和水平后采用Design-Expert 11软件中Box-Benhnken Design设计响应曲面方案，以干燥后紫花苜蓿中粗蛋白(CP)、酸性洗涤纤维(ADF)和中性洗涤纤维(NDF)的含量为指标，单因素试验结果得出的干燥温度、热风风速、辐射距离优化水平为Box-Behnken试验因子取值中心，上下区域各取1个水平值，设计出三因子Box-Behnken试验[11]。曲面分析后的结果中干草CP含量越高NDF和ADF含量越低，说明在该因子组合优化下所得到干燥后的苜蓿有较优的品质。

1.5 主要指标测定与方法

①紫花苜蓿含水率的测定：利用苜蓿中水分的物理性质，干燥试验中每隔10 min使用DSH-50-10电子水分快速测定仪测定样本质量，直至湿基含水率为15%左右时，测定结束[12]；②粗蛋白(Crude Protein，CP)利用全自动杜马斯定氮仪进行测定，参照(GB/T 6432—2018)[13]；③酸性洗涤纤维(Acid Detergent Fiber，ADF)利用Ankom 2000型纤维分析系统进行测定，参照(NY/T 1459-2007)[14]；④中性洗涤纤维(Neutral Detergent Fiber，NDF)利用Ankom 2000型纤维分析系统进行测定参照(GB/T 20806—2006)[15]。

将得出的数据采用Excel软件进行数据初步整理、MiniTab 19软件进行单因素试验数据处理、作图和拟合，得出干燥的曲线和模型。将得出的参数代入软件Design-Expert 11中进行Box-behnken正交旋转多因素试验，得出优化后的参数组合。

2 结果与分析

2.1 干燥特性分析

2.1.1 热风速度对苜蓿含水率的影响。按照表1的干燥参数及方案，得到新鲜的中国苜蓿4号在5种不同热风风速下含水率随干燥时间变化的干燥曲线，如图1所示。

表1 红外热风联合干燥工艺参数因素水平

图1 不同风速下的苜蓿含水率曲线

由图1可以看出，热风速度越高，紫花苜蓿含水率下降越快，从中可以看出热风速度在干燥过程中对紫花苜蓿含水率下降影响较大，在其他试验条件保持不变的情况下，热风速度为3 m/s时被干燥的紫花苜蓿达到安全含水率14%的时间为72 min，是最先达到安全含水率的。

2.1.2 干燥温度对苜蓿含水率的影响。 按照表1的干燥参数及方案，得到新鲜的中国苜蓿4号在5种不同温度下含水率随干燥时间变化的干燥曲线，如图2所示。

图2 不同干燥温度下的苜蓿含水率曲线

由图2可以看出，干燥箱内温度越高，紫花苜蓿含水率下降越快，即苜蓿干燥速率越高。在其他试验条件保持不变的情况下，热风温度为95 ℃时，紫花苜蓿在62 min时最先达到安全含水率14%。

2.1.3 辐射距离对苜蓿含水率的影响。 按照表1的干燥参数及方案，得到新鲜的中国苜蓿4号在5种不同辐射距离下含水率随干燥时间变化的干燥曲线，如图3所示。

图3 不同辐射距离下的苜蓿含水率曲线

由图3可以看出，物料与红外管距离越近，紫花苜蓿含水率下降越快，即苜蓿干燥速率越高。在其他试验条件保持不变的情况下，辐射距离为50 mm时，紫花苜蓿在63 min最先达到安全含水率14%。

通过以上3种因素对干燥速度影响的综合比较可以得出，在此干燥机的热风温度为95℃，热风速度为3 m/s，辐射距离为50 mm时的紫花苜蓿干燥到安全含水率的时间最少。

2.2 工艺参数优化试验结果分析

结合以上单因素试验中已对热风风速(Hot air speed)、干燥温度(Drying temperature)、辐射距离(Distance of radiation)进行了参数初步优选，利用Design-Expert 11软件针对单因素优选结果周边范围值，设计了对营养成分的三因子Box-Behnken正交旋转组合试验，获取粗蛋白含量与粗纤维的回归模型，求解该试验红外热风联合干燥紫花苜蓿的最优参数组合[16]。因素水平编码，见表2。

表2 正交旋转试验因素与水平

2.2.1 试验结果方差分析。根据正交旋转试验设计进行试验，以热风风速、干燥温度、辐射距离为因子，以紫花苜蓿的粗蛋白CP、酸性洗涤纤维ADF、中性洗涤纤维NDF含量作为评价指标，试验结果，见表3。

表3 正交试验结果

由表3的试验数据，通过Design-Expert 11软件得到粗蛋白含量、酸性洗涤纤维含量与中性洗涤纤维含量二次多项式回归模型。

Y1=22.36+0.5325A+1.15B+0.1987C+0.66AB-0.785AC+0.3325BC+0.8662A2-3.82B2-0.7062C2

(1)

Y2=27.32-0.0412A-0.58B+0.4388C-0.8025AB-0.08AC-0.1775BC-0.4410A2+2.06B2-0.806C2

(2)

Y3=43.01-0.525A-0.5725B+0.35C-1.17AB+0.32AC-0.44BC-0.9115A2+0.8585B2-0.0715C2

(3)

式中：Y1为粗蛋白含量百分比；Y2为酸性洗涤纤维含量百分比；Y3为中性洗涤纤维含量百分比；A为热风风速；B为干燥温度；C为辐射距离。

由试验模型的方差分析结果(见表4、表5、表6)可知，3个模型的P值均小于0.000 1，表明回归模型极显著；模型的失拟项P>0.05，说明模型失拟性不显著，回归模型拟合程度高。

表4 粗蛋白含量二次多项式模型的方差分析

表5 酸性洗涤纤维含量二次多项式模型的方差分析

表6 中性洗涤纤维含量二次多项式模型的方差分析

由对热风风速、干燥温度的P值可判断，试验因素对干燥后紫花苜蓿的CP有显著影响，其中干燥温度对于粗蛋白含量有着极显著影响，试验因素对CP的影响从大到小依次为干燥温度、热风风速、辐射距离。模型的决定系数R2为0.983 4，校正决定系数0.962 1均接近于1，预测系数R2为0.781 9与0.962 1的校正决定系数R2差值小于0.2，该拟合回归模型具有较高的可靠性。

(a)热风风速和干燥温度 (b)热风风速和辐射距离 (c)干燥温度和辐射距离

(a)热风风速和干燥温度 (b)热风风速和辐射距离 (c)干燥温度和辐射距离

(a)热风风速和干燥温度 (b)热风风速和辐射距离 (c)干燥温度和辐射距离

由对辐射距离、干燥温度的P值可判断，试验因素对干燥后紫花苜蓿的ADF有着极显著影响，试验因素对ADF的影响从大到小依次为干燥温度、辐射距离、热风风速。模型的决定系数R2为0.979 9，校正决定系数0.954 0均接近于1，预测系数R2为0.790 7与0.954 0的校正决定系数R2差值小于0.2，该拟合回归模型具有较高的可靠性。

由对热风风速、辐射距离、干燥温度的P值可判断，试验因素对干燥后紫花苜蓿的NDF都有着极显著影响，试验因素对NDF的影响从大到小依次为干燥温度、辐射距离、热风风速。模型的决定系数R2为0.981 8，校正决定系数0.958 4均接近于1，预测系数R2为0.853 1与0.958 4的校正决定系数R2差值小于0.2，该拟合回归模型具有较高的可靠性。

2.2.2 响应曲面结果分析。根据回归模型分析结果，利用Design-Expert 11软件绘制各因子交互效应三维响应曲面图，通过图中曲面模型及等高线可以看出各因子对响应变量的影响程度。3D曲面图中曲面弯曲程度越大，则表明这些因子之间交互效应对响应变量的影响越显著。能明显看出AB和BC组合效应下，对CP、ADF、NDF含量的影响作用显著。

针对CP、ADF、NDF的回归模型，运用Design-Expert 11软件中Optimization功能，以CP最大、ADF及NDF最小为条件，求解回归模型得到此次红外热风联合干燥紫花苜蓿试验的最优参数组合为热风风速3 m/s、干燥温度77.36 ℃、辐射距离75.9 mm。

3 讨论

研究表明，在自然干燥下的紫花苜蓿，干燥时间受气温、风速环境因素影响比重较大，干燥时间过久导致干燥时间越长，营养成分流失越多[17]。李媛媛在进行远红外组合干燥苜蓿方捆时的试验中通过改善风速、温度及草捆密度提高了苜蓿干草的感官值和蛋白质含量，保证苜蓿草捆品质[18]。本试验设计单因素试验，分析干燥参数与含水率变化的关系，再通过曲面响应分析后得出，适宜的干燥温度、辐射距离和热风风速组和有效减少了苜蓿干燥所需时间，干燥后苜蓿的CP含量整体水平保持在21%以上，酸性纤维含量降低到27%以下，中性洗涤纤维含量降低到42%以下，营养保留率高且时间和能耗更低。

4 结论

本研究对红外热风联合干燥紫花苜蓿营养成分的影响进行了初步探讨，研究了不同热风风速、干燥温度以及辐射距离条件对紫花苜蓿干燥特性的影响，发现不同干燥条件下苜蓿的营养成分保留各有差异，试验更多研究集中在对干燥箱可调变量参数对苜蓿营养的影响，利用单因素试验对联合干燥的参数进行初步优选，得出在热风温度为95℃、热风速度为3 m/s，辐射距离为50 mm时该干燥箱对紫花苜蓿有较优的干燥效率。针对优选因子数值附近区域运用Design-Expert 11软件对数据进行分析，以粗蛋白含量、酸性洗涤纤维含量及中性洗涤纤维含量作为指标参数，建立回归模型，求解得到最优参数组合为热风风速3 m/s、干燥温度77.36 ℃、辐射距离75.9 mm。在此优化后的参数组合下进行红外热风联合干燥，可以减少紫花苜蓿营养成分流失，确保干草后续加工的品质需求。