苜蓿薄层干燥特性及颜色和品质

胡亚强，苑 亚，杨鲁伟，章学来，邱少鹏，于馨尧

（1. 上海海事大学商船学院, 上海201306；2. 中国科学院理化技术研究所, 北京100190；3. 北京中科草牧科技发展发展有限公司, 北京122000）

苜蓿(Medicago sativa)作为饲喂奶牛最重要的牧草之一，产量高，草质好，具有很高的营养价值，是世界上种植面积最广泛的牧草之一。在我国各地区也有大面积种植，据统计2019 年苜蓿留床面积达400 万hm2，占我国种草保留地总面积的近1/3[1]。我国苜蓿商品草种植区主要集中在华北、西北和东北地区，如甘肃、内蒙古、黑龙江等地区[2-3]，受地区气候影响，每年6 月-8 月的第2、3 茬苜蓿易遭受雨水冲刷和露水的侵蚀，导致苜蓿的干草的产量低，品质较差[4]，所以目前国内高品质苜蓿干草来源主要以美国进口为主。苜蓿刈割后不同的处理方式也会对内部的营养物质造成不同程度的流失，从而会降低其营养价值[5-7]。目前国内外苜蓿草的干制主要以自然晾晒为主，但在晾晒过程中，夜间返潮、淋雨及晾晒过干后叶片的碎落等因素导致牧草的营养成分损失高达50%～60%[8]。在自然晾晒过程中，雨水和太阳光的交互作用对天然牧草干草叶绿素含量和营养品质影响显著；在自然晾晒48 h后，不同程度的雨淋会导致天然牧草中叶绿素含量和营养品质得到不同程度的损失[9-11]。热风干燥可以避免自然因素对苜蓿草品质的影响，因此，热风干燥工艺的研究具有重要意义。

已有研究表明，茎秆压扁切段的干燥速率与叶片的干燥速率接近，提高温度和热风速度可以缩短干燥时间，初始含水率每增加25%干燥时间成倍增加[12]。当干燥温度超过120 ℃时，苜蓿表面的蜡质层消失，显示内部纤维，水分更容易扩散到外界[13]。有研究[14]发现，以降低能耗为目标的最优干燥温度总是低于以提高效率为目标的干燥温度。目前从效率、能耗等方面研究出苜蓿干燥的工艺温度，相对于苜蓿干燥后的色泽，品质仍有很大差异。很多研究是从100 ℃以上干燥温度进行苜蓿干燥特性研究，但高温也更容易破坏苜蓿表面的色泽和内部的营养物质，因此本研究设计选择温度变化区间为60～130 ℃，温区横跨低温区和高温区，探究不同热风干燥温度下对颜色变化和品质变化影响。

有研究[15-16]指出，对苜蓿进行不同程度的压裂，苜蓿水分均比不处理时散失的快，压裂的茎秆破坏了其物理结构，使内部的水分更容易蒸发。苜蓿除了茎秆的水分较难散发外，每两段茎秆连接处的秆结也是非常难处理的部位，为了破坏此部分结构，采用秆结处折弯处理，让水分更容易被蒸发。因此本试验将针对不同预处理苜蓿干燥进行研究。

目前，市面上也存在很多牧草热风干燥系统，但因为干燥工艺温度调控和预处理方式不当等因素，对苜蓿的品质和色泽造成很大影响，因此，对热风干燥工艺的深入研究具有非常重要的意义[17-19]。本研究通过对比不同预处理方式下，不同温度干燥苜蓿的干燥速率及干燥后苜蓿的营养品质和色泽变化来确定苜蓿烘干的最佳工艺温度。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验品种紫花苜蓿选自甘肃省张掖市肃南县裕盛农机服务农民专业合作社种植地的第4 茬现蕾期鲜草，取样时间09:00-09:30，此时因夜间返潮的湿气刚好散去。取样株高50～60 cm，取样留茬高度8～10 cm，所选取样品茎秆粗细相近，均无病虫和外界损害。取样后均匀分为3 组，以备后续使用。

1.2 仪器与设备

电热鼓风恒温箱(KMTA-7000)；用于称重的电子分析天平由上海友声衡器生产，最大量程为320 g，精度为0.001 g；色差仪采用的是FRU 公司生产的WR10 专业版色差仪，重复精度 ＜ 0.08；用于烘干计时的计时器；铁磙(用于苜蓿的压扁处理)。

1.3 试验设计

为了探究苜蓿热风干燥工艺中最适合的温度和处理方式，设计研究以不同温度、不同预处理方式下苜蓿热风干燥速率及品质的变化，将试验分为两组单因素试验进行，分别是不同温度下干燥速率的变化和同一温度下不同预处理方式对干燥速率的影响，以及对各苜蓿营养成分的影响。

1.4 试验方法

1.4.1不同热风干燥温度处理方法

将从试验田里取回的苜蓿样本(含水率75%～80%)均匀分成9 份，先取出一份使用，其他放在0 ℃保鲜柜里，以备后续使用，将苜蓿剪成10～15 cm 节段(为了便于放进鼓风烘箱)，放在烘箱托盘上，铺在托盘上苜蓿的厚度为2～3 cm，放进烘箱前进行一次称重，记初始重量，烘箱设置到试验所需温度(60、70、80、90、100、110、120、130 ℃)，风速0.2 m·s-1，达到所需温度后再将样品放进去，之后每隔15 min称重一次，直至连续3 次测量重量变化不超过0.01 g烘干结束。

将样品放进干燥箱前，每组都选择一个茎和一个较为完整的叶片做上标记，干燥前用色差仪测量，作为标样，后每隔15 min 称重后将标记的茎叶拿出来进行色差测量，测得数据记为试样，重复步骤直至烘干结束。烘干结束后将样品放在105 ℃的烘箱内烘干12 h，得出物料干物质质量。最后将烘干后的样品装入密封袋中，用于品质检测。

1.4.2不同预处理方式

将一份样本均匀分成3 份，一份不做处理，一份用铁磙将茎秆压扁，还有一份用铁磙压扁后再将秆结处进行折弯，破坏秆结处的结构，将3 份样品分别进行称重，记下初始重量，然后放在3 个托盘上同时放入烘箱进行烘干，将温度设置为合适的温度(第1 个试验结果中得出的最佳温度)。同样每隔15 min 进行称重，直至连续3 次测量变化不超过0.01 g，烘干结束。结束后将样品放在105 ℃的烘箱内烘干12 h，得出物料干物质质量。将烘干后的样品分别装入密封袋，做上标记用于品质检测。

1.5 指标测定方法

1.5.1含水率的测定

含水率是指物料中的含水量在总物料重的占比，分为干基含水率和湿基含水率。

干基含水率 = (物料鲜重 - 物料干重)/物料干重 ×100%，用来计算干燥速率；湿基含水率 = (物料鲜重 - 物料干重)/物料鲜重 × 100%，用来反映烘干过程中的实时含水率变化[15]。将物料置于105 ℃条件下进行12 h 烘干即可得出物料干重[20]。

1.5.2干燥速率的测定

干燥速率用DR表示，计算公式[14]为：

式中：t为某一干燥时刻；Δt为干燥时间；C为干基含水率(%)；DR为干燥速率(%· min-1)。

1.5.3色差的测定

本研究中色差仪采用Lab 测量模式测定样品在不同热风温度干燥下的颜色变化，其中L 代表明暗度，即黑白度；a 代表红绿度；b 代表黄蓝度。因为苜蓿干草的感官指标中对干草的颜色很重视，越接近鲜草的颜色被认为品质越好，即干燥后草的绿色度越高，感官评定等级越高，因此本试验主要从色差测量中的a 值和总色差ΔEab进行分析。烘干过程中色差的测定借助色差仪对标记点测量色差，记录L、a、b 不同色度值的变化及总色差ΔEab的变化。

式中：ΔEab为色差综合偏差量；ΔL 为黑白偏差量；Δa 为红绿偏差量；Δb 为黄蓝偏差量。

1.5.4营养成分的测定

样品检测在乌兰察布市的易马饲草检测实验室进行，利用近红外(near infrared, NIR)分析仪NIRSTM DS2500 进行检测，然后基于美国Dairy One 实验室的NIR 分析数据库得出牧草的干草品质参数。总可消化养分(total digestible nutrients, TDN)和相对饲喂价值(relative feeding value, RFV)根据酸性洗涤纤维(acid detergent fibres, ADF)和中性洗涤纤维(neutral detergent fibres, NDF)计算得到[13]。

1.6 数据处理

采用Excel 2019 软件进行表格和数据的前期处理，并采用Origin 2018 软件进行数据统计和图表绘制。以色泽、干燥速和品质分析作为评价指标，通过对比分析法获取最优方案。

2 结果与分析

2.1 干燥温度对苜蓿干燥速率的影响

不同干燥温度下未做预处理的苜蓿含水率的干燥时间不同(图1)。干燥温度对干燥速度有明显的影响，随着温度升高，干燥所用时间越来越短，干燥温度在130 ℃时，物料烘干到绝干状态仅需要120 min。紫花苜蓿干草可以进行储存的安全含水率为14%～15%[21]，当干燥温度在100 ℃及以上时，115 min 内即可将含水率在80%左右的苜蓿鲜草降低到安全含水率，温度在120 ℃时，相比较110 ℃有较明显的时间缩短。而干燥温度在100 ℃以内，随着干燥温度的降低，干燥时间呈倍数增长；从90 ℃到80 ℃，烘干安全含水率的时间从130 min 增加到180 min，增加了50 min；从70 ℃到60 ℃，烘干时间从195 min增加到305 min，增加了110 min。

图1 不同干燥温度下苜蓿含水率变化曲线Figure 1 Variation curve of alfalfa moisture content under different hot air temperatures

将含水率变化进行简单处理即可得到不同干燥温度下，苜蓿干燥速率的变化(图2)，苜蓿干燥经历了加速干燥阶段和降速干燥阶段，干燥温度越高，干燥速率越快，达到最高干燥速率的时间越短。干燥温度在60 ℃左右时，含水率变化曲线与自然晾晒过程接近，干燥速率变化缓慢；70 ℃和80 ℃时，最高干燥速率在0.45%·min-1左右，90 ℃时，最高干燥速率0.65%·min-1；100～110 ℃时，最高干燥速率0.7～0.75%·min-1；120 ℃时，最高干燥速率0.95%·min-1；130 ℃时，最高干燥速率1.2%·min-1；因此，随着干燥温度的增加，干燥速率在增加的同时最高干燥速率也在增大。在热风风速一定的条件下，干燥温度越高，干燥过程中所能达到的最高干燥速率越大，干燥所用时间越短。

图2 不同干燥温度下苜蓿干燥速率变化曲线Figure 2 Variation curve of alfalfa drying rate under different hot air temperatures

2.2 不同预处理方式对苜蓿干燥速率的影响

将不同预处理方式处理的苜蓿放在同一环境下进行干燥，含水率变化如图3 所示，其中压扁折弯后干燥达到安全含水率所用时间为137 min，压扁后干燥达到安全含水率用时190 min，不做任何处理的苜蓿达到安全含水率用时235 min，可见，压扁折弯处理将近减少了42%的干燥时间，压扁处理减少了19%的干燥时间。压扁折弯的干燥速率最高可达0.6%·min-1，而未处理的苜蓿最高干燥速率不到0.4%·min-1，干燥速率提高了接近50%(图4)。因为通过机械作用使茎秆压扁或者压裂，会破坏茎秆的角质层、维管束和表皮，使茎秆的内部与空气接触，消除了角质层、纤维束对水分蒸发的阻碍，加快了茎秆中水分蒸发的速度；之前多次试验发现苜蓿秆结处的水是最难处理的，因此本试验将茎秆的秆结处折弯，可以有效破坏秆结处物理结构，加快秆结处水分的扩散，进而加快整体水分的蒸发。试验结果表明，压扁折弯处理可以有效加快干燥速率，缩短干燥时间。

图3 不同预处理方式下苜蓿干燥含水率变化Figure 3 Changes of drying moisture content of alfalfa under different pretreatment methods

图4 不同预处理方式下苜蓿干燥速率变化Figure 4 Changes of alfalfa drying rate under different pretreatment methods

2.3 不同热风温度干燥对苜蓿色泽的影响

不同干燥温度下叶片和茎干燥前后色度值a 的变化不同，a 的负值方向是代表绿色度，正值方向是代表红色度，因此负的a 值越大，说明绿色越深。自然晾晒下，对叶片颜色造成很大影响，绿色度变化很大，而人工热风烘干效果较好，很大程度上减少叶片绿色度的损失(图5)。人工热风干燥时，干燥温度在60～120 ℃下绿色度变化范围基本在2.5 以内，对色差影响较小，而当温度达到130 ℃时，绿色度又明显下降，表明温度过高会破坏物料内的叶绿素，从而导致叶片烘干前后色差较大。

图5 叶片干燥前后色差a 值变化Figure 5 Color difference a value before and after leaf drying

自然晾晒下茎秆的绿色度明显降低，并开始有一点泛红。在80～130 ℃的热风温度下烘干后，茎的绿色度变化很大，在130 ℃的高温下甚至还出现了变红的茎秆；在60 和70 ℃温度下干燥，茎秆的绿色度变化较小(图6)。

图6 茎秆干燥前后色差值a 变化Figure 6 Color difference a value before and after stem drying

不同温度干燥后苜蓿叶片和茎秆的色差综合偏差量(ΔEab)也发生变化，自然晾晒下叶和茎的色差综合偏差量都很大，这也是在田地里晒干苜蓿导致打包后颜色不好的原因(图7)。不同热风温度干燥对干燥后苜蓿的色泽有很大影响，干燥温度在90℃以内，对叶片的综合色差影响不大，而在90 ℃以上，可以看到色差综合偏差量在随着温度增加递加；对茎秆颜色的影响普遍很大，干燥温度在60 和70 ℃时，相较于其他更高温度，综合色差的偏差量较小，是为了最大程度保留苜蓿颜色的更适合苜蓿烘干的温度。

图7 不同温度下苜蓿叶片和茎秆干燥后总色差变化Figure 7 Variation of total chromatic aberration of alfalfa leaves and stems after drying at different temperatures

2.4 干燥后品质的变化

苜蓿干草的品质评价一般通过感官评价和测定成分评价，感官评价主要是通过干草的感官颜色、气味及叶片保留度进行评定。试验中，对干燥后的苜蓿进行感官评价和化学检测分析可以看出，温度高于90 ℃时，茎叶的颜色和气味开始发生改变，叶片的颜色变浅，茎秆泛黄发白，温度过高时甚至带有微焦的味道，干燥温度在80 ℃以下时，干燥后苜蓿的茎叶保存完整，颜色翠绿且带有一股令人舒服的芳香味(表1)。通过化学检测分析(表2)发现，在130 ℃以内的干燥温度范围下，对苜蓿的CP 含量、TDN 影响不大；而随着温度升高，苜蓿的ADF 和NDF 在缓慢增加，干燥温度从60 到130 ℃，ADF 增加了9.7%，NDF 增加了19.8%，因ADF 和NDF 直接影响苜蓿在动物体内的消化率和吸收率，ADF 和NDF 增加，导致消化率和吸收率减低，进而导致相对饲喂价值(RFV)降低，降低苜蓿品质。因此中高温干燥能更大程度保留苜蓿的营养价值。研究还发现，自然晾晒下并不会影响苜蓿主要营养成分，仅对感官品质有一些影响，但由于晾晒时间过长，会遭遇一些恶劣天气影响，进而降低苜蓿品质。

表1 不同温度干燥后苜蓿状态和主要营养成分Table 1 Status and main nutrients of alfalfa dried at different temperatures

表2 不同预处理干燥后苜蓿状态和主要营养成分Table 2 Status and main nutrients of alfalfa after drying with different pretreatment

不同预处理方式下苜蓿干燥后的感官评价和主要营养成分发生变化，不同预处理方式对苜蓿干燥影响很小，压扁折弯后的苜蓿在70 ℃温度下干燥后，只有茎秆带有一点微黄，叶片无影响。在不同物理处理下干燥，对主要营养成分CP、ADF、NDF、TDN 无明显影响。

3 结论

对苜蓿薄层进行不同温度和不同预处理方式干燥的研究，相比目前较多高温苜蓿干燥研究，拓宽了研究温区，增加了前期处理方式研究，从干燥速率、干燥后色差变化及干燥品质等多方面分析，提出一种中低温苜蓿干燥工艺，为优质苜蓿的干燥研究提出新思路，指导苜蓿干燥实践。

1) 通过对苜蓿薄层进行不同温度下的干燥试验研究，得出人工干燥相比于自然晾晒，极大程度提高了干燥效率，随着干燥温度的升高，最大干燥速率明显增大，干燥温度从60 ℃增加到130 ℃，最高干燥速率增加了4 倍左右，干燥到安全含水率所用时间约缩短为原来的1/4，因此干燥工艺中可以通过调节干燥温度进一步提高干燥效率。

2) 通过对不同预处理方式的苜蓿进行干燥试验，发现对茎秆和秆结处的机械处理会加快干燥速率，缩短干燥周期，因此生产中将茎秆压扁，将秆结处折弯破坏可以大大提高干草调制的效率。

3) 通过对试验干燥前后色差分析得出，干燥温度过高时，干燥后物料整体色差变化较大，绿色度衰减较为严重，为保证干燥后颜色品质，最适宜干燥温度在60～90 ℃。

4) 通过对干燥后苜蓿进行感官评价和化学成分测定，发现随着干燥温度增加，苜蓿的感官颜色变暗，芳香气味变淡(温度过高甚至会出现焦味)，CP 无明显变化，ADF 和NDF 显著增加，导致RFV大幅度降低；苜蓿在不同的预处理方式下，干燥后营养成分无明显变化，压扁折弯后的茎秆在干燥后有些许泛黄。

5) 以品质和色泽作为评价指标，在保证一定干燥速率的前提下，苜蓿干草调制最佳工艺为压扁折弯预处理和70～80 ℃的干燥温度。