湯小紅,李程懿,黃 丹,徐玉恒,張 宏,龔永健
(中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004)
油茶是我國特有的重要木本食用油料物種,是世界四大食用木本油料樹種之一[1-5]。由油茶籽所制得的茶油是一種優(yōu)質(zhì)食用油,也可被加工制作成精油、蠟燭和調(diào)藥等,具有極高的綜合利用價(jià)值[6-8]。由油茶籽制成油茶籽油的工序中,油茶籽的干燥不僅是油茶籽儲(chǔ)存時(shí)間和儲(chǔ)存質(zhì)量的決定性因素,還對(duì)油茶籽油榨油工序中的出油率以及油茶籽油的質(zhì)量有著重要的影響[8-11]。然而,油茶籽干燥效率低、干燥成本高一直是制約油茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要原因[12]。
目前,有關(guān)油茶籽干燥方式的研究主要有自然干燥、熱風(fēng)干燥和微波干燥3 種,其中自然干燥因成本低廉而被個(gè)體戶和大部分油茶果培訓(xùn)基地廣泛使用,而熱風(fēng)干燥和微波干燥作為一種極具應(yīng)用前景的干燥方式被廣泛研究,但眾多研究發(fā)現(xiàn),自然干燥質(zhì)量差、干燥速度慢且受天氣影響較大,熱風(fēng)干燥質(zhì)量較好但干燥速度慢,微波干燥速度快但干燥質(zhì)量差。張喜梅等[12]以油茶籽中油脂過氧化值和酸價(jià)的增加速度為品質(zhì)指標(biāo),對(duì)比油茶籽自然干燥、熱風(fēng)干燥和微波干燥后發(fā)現(xiàn),3 種干燥方式中,干燥后熱風(fēng)干燥后的油茶籽品質(zhì)最好,微波干燥后品質(zhì)最差;龍婷等[13]研究發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)-微波聯(lián)合干燥和微波干燥的油茶籽出油率顯著高于自然干燥和熱風(fēng)干燥,熱風(fēng)-微波聯(lián)合干燥的干燥時(shí)間僅次于微波干燥,但是熱風(fēng)-微波聯(lián)合干燥后油茶品質(zhì)是最好的,采用熱風(fēng)-微波聯(lián)合干燥有助于減少干燥時(shí)間、降低能耗和提高油茶品質(zhì);
微波真空干燥是一種將微波干燥和真空干燥聯(lián)合起來的一種新型現(xiàn)代化干燥技術(shù),具有干燥速度快、干燥溫度低、干燥品質(zhì)好,易控制等優(yōu)點(diǎn),在食品干燥、藥材干燥等領(lǐng)域得到了廣泛研究。夏磊等[14]研究淮山微波真空干燥特性后發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)干燥方式(自然干燥、熱風(fēng)干燥)相比,微波真空干燥不僅干燥速率快,干燥時(shí)間短,而且營養(yǎng)成分損失較小,微波真空干燥后的物料品質(zhì)接近于冷凍干燥,但干燥時(shí)間及成本皆小于冷凍干燥。薛廣等[15]探討不同微波功率、真空度對(duì)羅非魚片微波真空干燥過程的影響,結(jié)果表明微波功率和真空度的增加都能縮減干燥時(shí)間,微波功率越大,干燥速率曲線變化越明顯,而不同真空度之間差異較小,不同真空度條件下物料干燥速率曲線較為接近。楊春等[16]研究鮮棗片組合干燥技術(shù)發(fā)現(xiàn),微波真空干燥可以同時(shí)加熱物料的表面和內(nèi)部,因此干燥時(shí)間較短,且微波功率和真空度是控制干燥時(shí)間、物料品質(zhì)和能耗的關(guān)鍵。本文探討了微波功率、真空度、加載量對(duì)油茶籽微波真空干燥的影響,對(duì)比了不同干燥方式(熱風(fēng)干燥、微波間歇干燥、微波真空干燥)的特性曲線,目的是為了了解油茶籽微波真空干燥的規(guī)律,為使微波真空干燥實(shí)際應(yīng)用到油茶籽干燥中來提供理論依據(jù)。
實(shí)驗(yàn)材料:實(shí)驗(yàn)所用油茶籽(湘林1 號(hào))均采自湖南長(zhǎng)沙中南林業(yè)科技大學(xué)望城區(qū)雪峰山油茶基地。
主要實(shí)驗(yàn)儀器:RWBZ-08S 型微波真空干燥箱(南京蘇恩瑞干燥設(shè)備公司)、DHG-系列電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)、NJL07-3 型微波實(shí)驗(yàn)爐(南京杰全微波設(shè)備有限公司)、JY/YP 11003 精密電子天平(寧波市鄞州華豐電子儀器廠)、電費(fèi)電量計(jì)量插座。
1.2.1 預(yù)處理
1)朱廣飛等[17-18]研究發(fā)現(xiàn),若以含油率、酸值、過氧化值等參數(shù)變化作為儲(chǔ)存品質(zhì)鑒定條件,則當(dāng)油茶籽干基含水率在8.9%~10.4%時(shí),油茶籽能夠得到良好的儲(chǔ)存效果。本研究取油茶籽干基含水率低于或等于9%為相對(duì)安全儲(chǔ)存水分含量。
2)篩選出無破損、無病害的油茶果放入冷藏室中儲(chǔ)存,準(zhǔn)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),先從冷藏室取出油茶果,將油茶果剝開取出油茶籽,然后放置在自然條件下使油茶籽溫度上升至室溫。
1.2.2 熱風(fēng)干燥
稱取3 組200 g 油茶籽平鋪至鋁盤中,將其放置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中,分別在40、60、80℃的熱風(fēng)溫度下干燥,每隔30 min 記錄一次油茶籽的質(zhì)量,直至干基含水率達(dá)到相對(duì)安全儲(chǔ)存水分含量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算其干基含水率并繪制干燥特性曲線。
1.2.3 微波間歇干燥
稱取3 組200 g 油茶籽平鋪至玻璃盤中,將其放置于微波實(shí)驗(yàn)爐中,分別在250、300、350 W的微波下干燥,加熱時(shí)間為2 min,間歇時(shí)間為2 min,每隔4 min 記錄一次油茶籽的質(zhì)量,直至干基含水率達(dá)到相對(duì)安全儲(chǔ)存水分含量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算其干基含水量并繪制干燥特性曲線。
1.2.4 微波真空干燥
稱取油茶籽平鋪至玻璃盤中,將其放置于微波真空干燥箱內(nèi)干燥并設(shè)置好參數(shù),每隔5 min 記錄一次油茶籽質(zhì)量,直至干基含水率達(dá)到相對(duì)安全儲(chǔ)存水分含量。在預(yù)試驗(yàn)中,微波功率大于350 W時(shí),油茶籽會(huì)出現(xiàn)爆裂、冒白沫等現(xiàn)象,微波功率低于250 W 時(shí),油茶籽的干燥效果不明顯,本文實(shí)驗(yàn)選取微波功率為250、300、350 W。真空度過低時(shí),機(jī)器干燥時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大噪音,本實(shí)驗(yàn)選取真空度為0.09、0.06、0.03 MPa。
先進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。
1)固定真空度為0.09 MPa,加載量為200 g,研究不同功率(250、300、350 W)對(duì)油茶籽干燥特性的影響;
2)固定微波功率為350 W,加載量為200 g,研究不同真空度(0.03、0.06、0.09 MPa)對(duì)油茶籽干燥特性的影響;
3)固定微波功率為350 W,真空度為0.09 MPa,研究不同加載量(150、200、250 g)對(duì)油茶籽干燥特性的影響。
在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用正交實(shí)驗(yàn)的方法,以微波功率、真空度和加載量為實(shí)驗(yàn)因素,設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)因素水平表如表1所示。
表1 因素水平Table 1 Factor level
干基含水率:
式中:Wt為t時(shí)刻的干基含水率(%),mt為t時(shí)刻的物料質(zhì)量(g),m干為物料干基質(zhì)量(g)。
干燥速率:
式中:v為干燥速率(%/min),Δt為時(shí)間變化量(min)。
圖1是真空度為0.09 MPa,加載量為200 g 的油茶籽在不同微波功率(250、300、350 W)下干基含水率的變化曲線。由圖1可以看出,隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng),油茶籽的干基含水率逐漸降低,微波功率越高,油茶籽干燥至相對(duì)安全儲(chǔ)存水分含量所需的時(shí)間越短,250、300、350 W 微波功率下油茶籽干燥至安全儲(chǔ)存水分含量的時(shí)間分別為80、60、45 min。隨著微波功率的增加,油茶籽的干燥特性曲線也有明顯的變化,微波功率越大,油茶籽內(nèi)部水分吸收的微波能越多,油茶籽的溫度上升的越快,因此干燥速率越大,含水率下降速度也越快,油茶籽干燥至安全儲(chǔ)存水分含量所需的時(shí)間越短。
圖1 不同微波功率下油茶籽干基含水率的變化Fig.1 Changes of dry base moisture content of camellia oil seed under different microwave power
圖2是真空度為0.09 MPa,加載量為200 g 的油茶籽在不同微波功率(250、300、350 W)下干燥速率的變化曲線。由圖2可知,微波功率越高,干燥速率曲線的波動(dòng)也越大,但不同微波功率下油茶籽干燥速率變化趨勢(shì)大致相同,可分為加速干燥階段、恒速干燥階段和減速干燥階段,符合常見的食品干燥規(guī)律。在加速干燥階段,油茶籽內(nèi)部水分含量較高,因此水分吸收的微波能也較大,水分流失速度較快,因此干燥速度逐漸上升。隨著含水率隨干燥時(shí)間的減小,油茶籽內(nèi)部水分對(duì)能量的吸附也隨之減小,傳熱傳質(zhì)速率趨于穩(wěn)定,此階段為恒速干燥階段。當(dāng)含水率下降到很低的值時(shí),油茶籽內(nèi)部水分的能量吸收能力也大大降低,干燥速率逐漸降低,此階段為減速干燥階段。
圖3是微波功率為350 W,加載量為200 g 的油茶籽在不同真空度(0.03、0.06、0.09 MPa)下干基含水率的變化曲線。由圖3可以看出,0.03、0.06、0.09 MPa 真空度干燥至安全儲(chǔ)存水分含量所需時(shí)間分別為105、60、40 min,可見真空度越高,油茶籽的干燥速率越快,干燥至安全儲(chǔ)存水分含量所需時(shí)間越短。真空度越高,油茶籽內(nèi)部水分的沸點(diǎn)越低,因此水分的蒸發(fā)的速度越快、時(shí)間越短,在其他條件不變的情況下,油茶籽的干燥時(shí)間也就隨著真空度的增加而減少。
圖3 不同真空度下油茶籽干基含水率的變化Fig.3 The change of dry base moisture content of oil tea seed under different vacuum degrees
圖4是微波功率為350 W,加載量為200 g 的油茶籽在不同真空度(0.03、0.06、0.09 MPa)下干燥速率的變化曲線。由圖4可知,整體干燥速率的曲線依舊是加速干燥階段、恒速加速階段以及減速干燥階段。隨著真空度的增大,干燥速率變化曲線也明顯變陡。加速干燥階段,油茶籽內(nèi)部游離水含量較高,水分可直接從油茶籽表面流失至空氣中,此階段油茶籽水分易流失,因此干燥速率逐漸上升;隨著干燥時(shí)間的增加,油茶籽內(nèi)部游離水含量逐漸降低,漸漸干燥速度保持相對(duì)穩(wěn)定,為恒速干燥階段;到了減速干燥階段,油茶籽內(nèi)部只要為結(jié)合水,結(jié)合水難以從油茶籽中脫離,因此干燥速率逐漸降低。
圖4 不同真空度下油茶籽干燥速率的變化Fig.4 Changes of seed drying rate under different vacuum degrees
圖5是微波功率為350 W,真空度為0.09 MPa的油茶籽在不同加載量(150、200、300 g)下干基含水率的變化曲線。由圖5可知,150、200、300 g 加載量干燥至安全儲(chǔ)存水分含量所需時(shí)間分別為35、45、60 min,加載量越少,干燥至安全儲(chǔ)存水分含量所需時(shí)間越短。加載量越小,干燥所需要從油茶籽去除的水分質(zhì)量越低,每個(gè)油茶籽粒所能吸收的微波能越多,所以導(dǎo)致油茶籽內(nèi)部水分散失越快,油茶籽所需干燥時(shí)間越短。
圖5 不同加載量下油茶籽干基含水率的變化Fig.5 Changes of dry base moisture content of oil and tea seeds under different loadings
圖6是微波功率為350 W,真空度為0.09 MPa 的油茶籽在不同加載量(150、200、300 g)下干燥速率的變化曲線。由圖6可知,干燥速率曲線仍由加速干燥、恒速干燥和減速干燥3 個(gè)階段組成。從圖6可以看出,加載量的增加對(duì)加速干燥階段影響較小,加載量的增加雖然也會(huì)影響加速干燥階段干燥速率的高低,但是加速干燥階段的持續(xù)時(shí)間卻沒有太大的變化;加載量的增加對(duì)恒速干燥階段和減速干燥階段的影響較大,特別是在減速干燥階段,減少油茶籽的加載量可以有效的提高干燥速率,且加載量越小,油茶籽內(nèi)部水分含量越少,干燥速率曲線越短、越柔和。
圖6 不同加載量下油茶籽干燥速率的變化Fig.6 Changes of seed drying rate under different loading loads
根據(jù)所選3 因素3 水平,利用SPSS 設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn),根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)表完成各項(xiàng)試驗(yàn)并記錄每組實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示[19-20]。利用直觀法對(duì)正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析,其中,Ii為各因素的1 水平的干燥時(shí)間之和,Ⅱi為各因素的2 水平的干燥時(shí)間之和,Ⅲi為各因素的3 水平的干燥時(shí)間之和。Ij為各因素的1 水平的耗電量之和,Ⅱj為各因素的2 水平的耗電量之和,Ⅲj為各因素的3 水平的耗電量之和。R 為極差,Ri={Ii,Ⅱi,Ⅲi},Rj={Ij,Ⅱj,Ⅲj}。
由表2可知,真空度干燥時(shí)間的極差最高,其次為微波功率干燥時(shí)間的極差,因此各因素對(duì)干燥時(shí)間的影響大小順序?yàn)椋赫婵斩龋疚⒉üβ剩炯虞d量。干燥時(shí)間最短的組合是A3B3C1,即設(shè)置參數(shù)微波功率350 W,真空度0.09 MPa,加載量150 g 時(shí),油茶籽所需干燥時(shí)間最短。真空度用電量的極差最高,其次為加載量用電量的極差,因此各因素對(duì)耗電量的影響大小順序?yàn)椋赫婵斩龋炯虞d量>微波功率。耗電量最少的組合也是A3B3C1,即設(shè)置參數(shù)微波功率350 W,真空度0.09 MPa,加載量150 g 時(shí),油茶籽干燥至相對(duì)安全儲(chǔ)存水分含量所需用電量最少。
表2 微波真空干燥正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal experiment results of microwave vacuum drying
2.5.1 微波真空干燥與熱風(fēng)干燥對(duì)比
圖7和圖8是加載量為200 g 的油茶籽在不同熱風(fēng)溫度(40、60、80℃)下油茶籽干基含水量和干燥速度的變化曲線。由圖7可以看出,40、60、80℃熱風(fēng)溫度干燥至安全儲(chǔ)存水分含量所需時(shí)間分別為32、16、8.5 h,可知熱風(fēng)溫度越高,干燥至相對(duì)安全儲(chǔ)存水分含量所需時(shí)間越短,與微波真空干燥相比,微波真空干燥所需干燥時(shí)間僅是熱風(fēng)干燥的1/4~1/32。對(duì)于熱風(fēng)干燥,熱量由油茶籽外部經(jīng)表面再傳遞到油茶籽內(nèi)部,水分是由油茶籽內(nèi)部擴(kuò)散到油茶籽表面再從表面流失至油茶籽外部,其熱量和質(zhì)量的傳遞方向是相反的,因此干燥效率低,而微波干燥是體積干燥,油茶籽內(nèi)部和表面同時(shí)被加熱,此時(shí)油茶籽外部溫度比油茶籽內(nèi)部和表面要低,因此產(chǎn)生油茶籽內(nèi)外溫度差,推動(dòng)油茶籽內(nèi)部水分往油茶籽外部推移,其熱量和質(zhì)量的傳遞方向是相同的,因此干燥速度更快。由圖8可以看出,在熱風(fēng)溫度的干燥條件下,只有加速干燥階段和減速干燥階段,沒有觀察到恒速干燥階段。以前有過相似的報(bào)道,陳健凱等[21]研究杏鮑菇的熱風(fēng)干燥特性、李汴生等[22]研究糖漬加應(yīng)子的熱風(fēng)干燥特性后發(fā)現(xiàn),杏鮑菇和糖漬加應(yīng)子的熱風(fēng)干燥速率曲線皆只有加速干燥階段和減速干燥階段。
圖7 熱風(fēng)干燥油茶籽干基含水率的變化Fig.7 Changes of dry base moisture content of oil and tea seeds dried by hot air
圖8 熱風(fēng)干燥油茶籽干燥速率的變化Fig.8 Change of drying rate of oil and tea seeds dried by hot air
2.5.2 微波真空干燥與微波干燥對(duì)比
圖9是加載量為200 g,加熱時(shí)間2 min,間歇時(shí)間2 min 時(shí)油茶籽在不同微波功率(250、300、350 W)下干基含水量的變化曲線。由圖9可以看出,250、300、350 W 微波功率干燥至安全儲(chǔ)存水分含量所需時(shí)間分別為112、96、68 min,可知微波功率越高,干燥至安全儲(chǔ)存水分含量所需時(shí)間越短,與微波真空干燥相比,微波真空干燥所需的干燥時(shí)間比微波干燥少1/3 左右。相比于微波間歇干燥,微波真空干燥多了真空度對(duì)油茶籽干燥的影響,由上文可知,真空度的增加會(huì)使油茶籽干燥速率增加,干燥時(shí)間減少,因此微波真空干燥所需干燥時(shí)間要少于微波間歇干燥所需干燥時(shí)間。圖10是加載量為200 g,加熱時(shí)間2 min,間歇時(shí)間2 min 時(shí)油茶籽在不同微波功率(250、300、350 W)下干燥速率的變化曲線。由圖10可以看出,微波干燥速率曲線的波動(dòng)較大,這是由于在間歇時(shí)間內(nèi),油茶籽內(nèi)部的水分和溫度被重新分配,從而導(dǎo)致油茶籽內(nèi)部的水分和溫度發(fā)生波動(dòng),若取消間歇時(shí)間,則微波功率達(dá)350 W 時(shí)會(huì)導(dǎo)致油茶籽出現(xiàn)焦糊、爆裂現(xiàn)狀。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,其干燥速率也較穩(wěn)定,說明真空度對(duì)干燥時(shí)間以及干燥速度的穩(wěn)定性影響較大。
圖9 微波間歇干燥油茶籽干基含水率的變化Fig.9 Changes of moisture content of oil and tea seeds dried by microwave drying
圖10 微波間歇干燥油茶籽干燥速率的變化Fig.10 Changes of drying rate of oil and tea seed by microwave drying
1)油茶籽微波真空干燥可分為加速干燥階段、恒速干燥階段和減速干燥階段。加速干燥階段,油茶籽內(nèi)部以游離水為主,游離水易流失,因此干燥速度逐漸上升;恒速干燥階段,油茶籽的失水能力和微波的吸濕能力基本持平;減速干燥階段,油茶籽內(nèi)部以結(jié)合水為主,結(jié)合水不易脫離,因此干燥速度逐漸降低。
2)微波功率、真空度與干燥時(shí)間、耗電量成負(fù)相關(guān),加載量與干燥時(shí)間、耗電量成正相關(guān),但微波功率過高易發(fā)生爆裂、焦糊現(xiàn)象,真空度過高易發(fā)生擊穿放電。通過正交實(shí)驗(yàn)并使用直觀分析法發(fā)現(xiàn),在微波功率350 W,真空度0.09 MPa,加載量為150 g 時(shí)干燥效果最好,干燥時(shí)間最短,耗電量最少,3 種參數(shù)對(duì)干燥時(shí)間的影響大小順序?yàn)椋赫婵斩龋疚⒉üβ剩炯虞d量,3 種參數(shù)對(duì)耗電量的影響大小順序?yàn)椋赫婵斩龋炯虞d量>微波功率,從正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表可以看出,真空度對(duì)油茶籽干燥速率的影響遠(yuǎn)大于微波功率和加載量,因此調(diào)整真空度可以有效地控制油茶籽的干燥速率。不同的干燥方式對(duì)油茶籽的干燥時(shí)間也有著很大的影響。微波真空干燥的干燥時(shí)間僅為熱風(fēng)干燥的1/32~1/4,為微波間歇干燥的1/3,油茶果微波真空干燥的穩(wěn)定性也優(yōu)于熱風(fēng)干燥和微波間歇干燥。
油茶籽的干燥是制作茶油工序中不可或缺的一環(huán),是決定油茶籽的儲(chǔ)存效果及茶油的質(zhì)量高低的關(guān)鍵,干燥時(shí)間短、能耗低、品質(zhì)好是決定油茶籽干燥方式好壞的關(guān)鍵。微波真空干燥技術(shù)廣泛應(yīng)用在其他食品、藥材等干燥方面,并得到了較好的干燥效果。本文將微波真空干燥技術(shù)應(yīng)用到油茶籽干燥中,研究微波功率、真空度和加載量對(duì)干燥結(jié)果的影響,以用于減少油茶籽微波真空干燥的時(shí)間及能耗。在預(yù)試驗(yàn)中,通過測(cè)得極端干燥條件下(350 W、0.03 MPa、150 g),油茶籽干燥后榨油,測(cè)得酸價(jià)為1.67 mg/g,過氧化值為0.176 g/100 g,符合國家油茶標(biāo)準(zhǔn)。在其他食品干燥方面,鄧宇等[23]研究蕨菜微波真空干燥工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微波真空干燥所需干燥時(shí)間遠(yuǎn)小于熱風(fēng)干燥和微波干燥,龍婷等研究發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)-微波聯(lián)合干燥的干燥時(shí)間僅次于微波干燥。在本實(shí)驗(yàn)中,通過微波真空干燥、熱風(fēng)干燥、微波間歇干燥的試驗(yàn),驗(yàn)證了龍婷等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,且通過改善微波干燥,在微波干燥中加入間歇時(shí)間,以保證微波干燥的品質(zhì),來比較在能得到符合國家標(biāo)準(zhǔn)油茶質(zhì)量的前提下,比較微波真空干燥、熱風(fēng)干燥、微波間歇干燥的干燥速率。目前,本實(shí)驗(yàn)采用的油茶果品種是湘林一號(hào),尚未考慮到不同種類的油茶籽之間的差異,接下來將進(jìn)一步研究不同品種油茶果微波真空干燥特性的差異。微波真空干燥在干燥速度和干燥質(zhì)量方面皆優(yōu)于熱風(fēng)干燥和微波間歇干燥,它是一種在油茶籽干燥方面有著良好前景的干燥方式。