花生荚果固定床网袋堆垛通风干燥实验研究

陈鹏枭, 郭相毅, 王殿轩, 渠琛玲, 陈 亮, 李 玉, 张伟康, 朱文学

(河南工业大学粮食和物资储备学院1,郑州 450001) (河南工业大学生物工程学院2,郑州 450001)

花生(ArachishypogaeaLinn.),是我国重要的油料作物之一,其产量常年位居世界前列。花生富含多种营养物质,如脂肪、蛋白质、维生素、糖类等,其中,蛋白质质量分数为24%～36%,是植物蛋白的重要来源[1-3]。刚收获的新鲜湿花生水质量分数高达50%,容易感染黄曲霉菌,从而产生黄曲霉毒素[4-8]。每年有10%～20%的花生因未能及时干燥,发生霉变,造成经济损失[9]。因此新鲜花生收获后及时干燥十分重要。

现有的花生荚果干燥设备多为通用型设备,且投资高、能耗大、干燥不均匀性严重[10, 11],对于农户以及中小型花生企业来说,急需适用、简便的花生荚果专用干燥设备。杨柳等[12]设计了一种太阳能为主、电能辅助的花生干燥装置,并通过实验表明其集热性能良好,可在一定程度上解决传统晒干方式干燥周期长、晒场需求大的问题。臧华[13]研发了一种新型混逆流高效花生干燥机,实践表明其具有不错的干燥效果及应用价值,在解决花生晒场不足及降水困难等方面具有积极作用。渠琛玲等[14]采用中型及小型通风囤对湿花生进行常温通风干燥,可在阴雨天气有效降低湿花生的水分含量,达到安全储藏的目的。郭相毅等[15]通过使用2.2 kW离心风机与3个容量为2.25 m3圆筒仓体的径向常温通风仓囤进行组合,可有效干燥新鲜湿花生荚果,风量越大,干燥速率越快,且干燥效果良好。基于此,自通风仓囤花生荚果干燥技术后团队新设计了一种固定床网袋堆垛通风花生荚果干燥技术。固定床网袋堆垛通风花生荚果干燥技术可以保障气流安全带走花生荚果呼吸作用产生的热量和花生荚果中的水分,此技术在干燥花生荚果的过程中保证了花生荚果的品质,可在连续阴雨天气条件下达到花生荚果的抑霉降水干燥处理。

本实验通过研究花生荚果的干燥特性、干后品质以及除去花生荚果中单位质量水分所需能耗来判断固定床网袋堆垛干燥设备的干燥性能,并与固定床网袋自然堆垛干燥、自然晾晒对比,来证明花生荚果堆垛干燥的适用性和可靠性,以期为花生荚果干燥技术及应用提供参考。

1 预实验

1.1 实验方法

选取已知体积工具箱。量取每袋所装花生荚果的合适(不浪费袋子且袋与袋间缝隙最小)体积。

1.2 实验结果

选择长85 cm、宽52 cm的网袋,每袋装40%总体积为最适量,共放136袋,花生荚果袋总体积为3.9 m3。花生荚果堆放方式如图1所示。其中花生堆垛每层放置8袋,每层高0.09 m、0.23 m3,共17层,总体积为3.9 m3。

注:堆垛具体层数以实际为准。图1 堆垛摆放示意图

2 材料与方法

2.1 实验材料

新鲜湿花生荚果,品种为开农308,中型果,由田间收获后未经水洗,经测定初始水质量分数为37.85%。

2.2 实验设备

图2为固定床网袋堆垛通风干燥装置示意图。通风管将实验台所在区域外的空气通过风机入口送入仓室,空气从仓室四周壁孔排出。

DHG-9076A电热恒温鼓风干燥箱、SIN-TH800温湿度变送器、SIN-R6000F无纸记录仪、索氏抽提装置、CR-400型色彩色差仪。

注:A为4-72型离心风机(4kW);B为通风管道;C为匀风仓室80 cm×80 cm×150 cm(长×宽×高)。图2 固定床网袋堆垛通风干燥装置

2.3 实验方法

2.3.1 固定床网袋堆垛通风干燥

机械通风实验台搭建完毕后,按预先测得的数据摆放好花生荚果袋;按照堆垛内传感器空间布置,将传感器布置在堆垛内;启动风机,通入常温风,干燥期间每8 h用扦样器取样1次,测定传感器所在位置的花生荚果含水率,同时记录温湿度数据;花生荚果含水率测定方法参照GB 5009.3—2016;期间无太阳辐射,当花生荚果水质量分数降至10%以下后,结束实验。

2.3.2 固定床网袋自然堆垛干燥

固定床网袋自然堆垛是在固定床网袋堆垛通风干燥的花生荚果堆基础上向上增加3层花生荚果,自然堆垛花生荚果与堆垛通风花生荚果间相隔1层塑料隔层,此部分花生荚果无人为通风,无太阳辐射。

2.3.3 自然晾晒

将新鲜花生荚果平铺于晒场,厚度为6.5 cm,干燥期间如遇到雨天,则将花生荚果移至遮雨棚内,期间无人为通风,有太阳辐射。

2.4 实验环境条件

花生荚果干燥实验起始于2022年9月25日,结束于2022年10月2日,其中,前6 d为多云或晴天,后2 d为雨天。

2.5 取样方法

花生荚果取样点位置如图3所示,堆垛4个通风面相同,因此只需研究其中一面,取样点①和③、②和④、⑤和⑦、⑥和⑧分别在同一条垂线上,按垂直平面将①③⑤⑦所在面记为内层,②④⑥⑧记为外层;①②⑤⑥在同一水平面、③④⑦⑧在同一水平面。假设通风室高为1,则①和③距通风室顶端分别为1/4、3/4;假设通风室厚度为1,则①和②距通风室外壁分别为1/3、2/3。

图3 花生荚果取样点位置

2.6 测定方法

2.6.1 干燥速率

干燥速率计算见式(1):

式中:v为t时刻的干燥速率/%/h;mt为干燥至t时刻花生荚果的水质量分数/%;mt+Δt为干燥至t+Δt时刻花生荚果的水质量分数/%;Δt为2次取样间隔时间/h。

2.6.2 粗脂肪

参照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》进行粗脂肪含量的测定。

2.6.3 色泽

使用色彩色差仪测定干后花生荚果红衣L*、a*、b*值。

2.6.4 单位能耗

单位能耗是花生荚果干燥设备的重要测量指标之一,其中总能耗按式(2)计算:

Q=P·t

(2)

式中:Q为总能耗/(kW·h);P为功率/kW;t为时间/h。

单位能耗按式(3)计算:

式中:q为脱除单位质量的水所需的能耗/J/kg;Q为总能耗/(kW·h);M为花生荚果所脱除水的总质量/kg。

2.7 数据处理

采用Origin2021对数据进行处理。

3 结果与分析

3.1 固定床网袋堆垛通风花生荚果的干燥特性

图4为花生荚果堆垛不同取样点样品水分含量变化曲线,所有取样点花生荚果水质量分数均降至10%以下需要160 h,平均干燥速率为0.17%/h。实验时有阴雨天气出现,期间空气温度降低,湿度增大,花生荚果的传质系数以及换热系数变小,其与常温空气之间热质交换变慢,因此干燥速率下降。

图4 花生荚果堆垛不同取样点水分含量变化曲线

内层4个取样点花生荚果水分含量随干燥时间的延长呈直线下降趋势,外层4个取样点花生荚果水分含量曲线呈波浪形下降趋势,这是由于夜间花生荚果堆内外存在一定的温差,且外层位于远风端,当湿热气流遇到低温花生荚果层时,气体的温度降低、湿度增大,外层花生荚果吸附水汽使得水分含量增加,出现结露现象[16,17]。陈明等[18]研究发现,秋冬季节结露现象还与花生荚果本身的水分含量有关,水分含量越高,越容易结露。因此,在干燥前期,花生荚果水分含量突增与结露现象有关。

图5为花生荚果堆垛不同取样点干燥速率变化曲线,由图可看出,最高干燥速率为1.72%/h,而整个干燥过程中干燥速率在同一水平线附近呈现波浪形变化,这可能是因为下午空气湿度小,温度高,早晚尤其凌晨的空气湿度大,温度低,导致干燥过程中介质空气的干燥能力不同,因此干燥速率曲线总体呈现波浪形变化趋势。

图5 花生荚果堆垛不同取样点干燥速率变化曲线

3.2 不同干燥方式对花生荚果干燥特性的影响

固定床网袋堆垛通风干燥,可凭借外力通入自然风,迅速带走堆垛间的水分,产生明显的水分梯度,如此循环,可迅速干燥。自然晾晒借助太阳辐射对湿花生荚果进行干燥,但此方法对天气的依赖性强,稳定性不高。固定床网袋自然堆垛干燥过程完全凭借花生荚果物料内部水分的自由扩散,较为被动,且夜间空气水分含量升高,吸水能力下降,白天虽然温度相对夜间高,但没有太阳辐射和人为通风,因此干燥效果没有明显改观。图6为固定床网袋堆垛通风(常温风)、固定床网袋自然堆垛以及自然晾晒3种干燥方法干燥过程中花生荚果的水分含量变化曲线,在整个干燥过程中,固定床网袋堆垛干燥方式下花生荚果的水分含量几乎均低于其余二者,通风干燥效果最好,干燥速率变化最为稳定,其次是自然晾晒,最后是固定床网袋自然堆垛干燥。结果表明,阴雨天气下若使用堆垛通风干燥方式干燥湿花生荚果,可防止其因长期堆放发生霉变。

图6 不同干燥方式下花生荚果水分含量及干燥速率变化曲线

3.3 干燥过程中堆垛内温湿度的变化

图7a是堆垛内不同取样点处温度随时间的变化曲线。堆垛由下向上摆放,摆放好的新鲜湿花生荚果依旧进行着旺盛的呼吸作用并伴随着热量的产生,因此曲线初始时刻⑦、③记录的温度分别为17.2、16.0 ℃,相对内层其他2个取样点(①、⑤)较高。取样点间的温差随着干燥的进行由初始状态增加至5.5 ℃后最终降至2.4 ℃,干燥结束时内层4个取样点的温度变化曲线趋向重合。

图7 堆垛内不同取样点处温度和湿度变化曲线

⑧的温度变化曲线处于最下方,这是因为干燥空气经过内层后到达外层,花生荚果与空气间存在温度差,内层花生荚果与通过的空气进行热质交换导致空气温度降低,同时,⑧靠近地面,靠近地面的空气温度相对较低。同处于堆垛外层的其他3个点,由于距离风端的远近的不同,远风端经过的路径较长,导致干燥过程中温度有所差别。

图7b是堆垛内不同取样点处的湿度随时间的变化曲线。随着干燥时间的推移,花生荚果的含水量在不断下降,堆垛内各取样点处介质空气的湿度也随之下降。干燥过程中堆垛内层各取样点湿度变化曲线趋向一致,由于①位于近风端,⑦位于远风端且靠近地面,因此在干燥过程中,内层4个取样点湿度由高到低为⑦⑤③①。

花生荚果堆垛外层湿度变化较为复杂,整个干燥过程中湿度由高到低为⑧⑥④②,湿度间的差距随着干燥的进行逐渐减小。在干燥初期⑧⑥④②均有一段时间长度不同、相对湿度为100%的曲线;其中⑧持续的时间最长,直到干燥第94 h时湿度才开始低于相对湿度100%,干燥至138 h与外层其他3个点变化趋势相同,这是因为⑧位于接近地面的远风端,同时处于堆垛外层,外层的空气湿度最大,因此通过⑧的介质空气湿度最大;同处于堆垛外层的其他3个取样点,与风源间的距离不同,干燥过程中湿度不同,在干燥时间为21、43、45 h时,相对湿度分别降至100%以下。

3.4 不同干燥方式对花生荚果粗脂肪含量的影响

脂肪是花生荚果中主要的营养成分之一,占干燥花生荚果总质量的44%～52%[19, 20],脂肪含量是花生荚果营养评价的重要指标[21]。3种干燥方式干后花生荚果的粗脂肪含量不同。其中,固定床网袋堆垛通风干燥后花生荚果的粗脂肪质量分数高达48.08%;固定床网袋自然堆垛干燥后花生荚果的粗脂肪质量分数最低,为23.19%;自然晾晒为34.43%,介于两者之间。原因在于固定床网袋堆垛通风干燥在快速除去堆垛空隙间水分的同时能降低因花生荚果呼吸作用产生的热量,有效防止微生物的生长,保持干后花生荚果的粗脂肪含量。

3.5 不同干燥方式对花生荚果色泽的影响

干燥过程中,可以通过花生荚果的色泽判断花生荚果的干后品质[22]。由图8可见,经不同干燥方式干燥的花生荚果色泽存在明显差异。固定床网袋自然堆垛干燥法干后的花生壳表面有明显的褐绿色和白色斑点,花生仁表面色泽偏暗,并有不均匀的黄褐色斑点;自然晾晒干后的花生壳表面颜色相对均匀,但花生仁表面有轻微皱缩现象,可能是因为中午太阳辐射较强时期花生脱水较快导致的;使用固定床网袋堆垛通风干燥方法干燥后的花生荚果色泽较亮,花生仁表面较平整光滑,无明显收缩迹象,这是由于干燥期间无太阳辐射,脱水速率稳定,避免了花生仁体积皱缩现象的出现。

注:a为固定床网袋堆垛通风干燥,b为自然晾晒干燥,c为固定床网袋自然堆垛干燥图8 不同干燥方式干燥后的花生荚果

图9为不同干燥方式对花生仁L*、a*、b*值的影响,其中a*值越大花生仁红衣越红,b*值越大花生荚果仁表面越黄[23, 24]。固定床网袋堆垛通风干燥和自然晾晒后花生仁的L*分别为57.78和58.77,花生仁表面亮度均高于自然堆垛干燥;自然晾晒后花生仁的a*和b*值均为三者中最高;固定床网袋堆垛和自然堆垛干燥方式下花生仁的a*值相近,与自然晾晒仅相差0.92和0.97,且均为正值;固定床网袋堆垛和自然堆垛干燥方式下花生仁的b*值均低于自然晾晒,差值分别为2.11和1.26;因此,固定床网袋堆垛通风堆垛干燥和自然晾晒后花生仁的亮度更佳且黄值更低。

图9 不同干燥方式对花生荚果色泽的影响

3.6 单位能耗分析

固定床网袋堆垛通风干燥实验均进行了160 h,通过计算可得堆垛通风干燥的能耗情况,其中除去花生荚果中单位质量的水分需要消耗4.28×106J的能量,由于堆垛通风干燥所使用的干燥介质为常温空气,相较于热风[25](3×108～4×108J)、热泵[26](3.09×107J)、微波[25](3×108J)等常见的干燥方式减少了热能以及其他方面的能耗,因此在能耗方面具有明显优势。

4 结论与展望

实验表明,固定床网袋堆垛通风干燥设备可以安全有效地干燥新鲜花生荚果。结合花生固定床网袋堆垛通风干燥实验可得,使用固定床网袋堆垛通风(常温风)干燥设备干燥花生荚果,花生荚果水质量分数由37.85%降至10.00%以下需要160 h,环境温度越高、湿度越小,干燥速率越快,干燥时间越短;固定床网袋堆垛通风干燥法相比于固定床网袋自然堆垛干燥法和自然晾晒,干后花生荚果的粗脂肪质量分数高达48.08%,且花生壳、花生红衣的色泽更优,其干后的花生荚果品质更稳定;固定床网袋堆垛通风干燥设备干燥花生荚果时,除去花生荚果中单位质量的水分需要消耗的能量为4.28×106J,相比于传统干燥方式具有显著优势。使用常温空气对花生进行干燥时,由于昼夜温差以及空气湿度存在差异,花生料堆外层花生容易出现结露现象,增大了外层花生的干燥难度,因此,夜间或许可通过增大单位面积的通风量来抵消因环境因素对花生干燥造成的阻碍;在使用常温空气对花生干燥的实验中,并未考虑花生料堆的料层厚度、料堆孔隙率、花生初始含水率等自身物理参数对干燥速率的影响,今后实验可综合考虑自身和外在因素对花生干燥速率的影响。