花生仁變溫濕法脫紅衣預(yù)處理工藝參數(shù)研究

關(guān)鍵詞 花生仁； 工藝參數(shù)； 脫凈率； 破損率； 含水率

花生仁脫紅衣是花生仁精深加工產(chǎn)業(yè)中基礎(chǔ)且重要的環(huán)節(jié)，所得產(chǎn)物為凈花生仁［1］和花生紅衣兩部分。由于花生仁需要干燥貯藏［2-3］，含水率較低，凈花生仁和花生紅衣貼合緊密，難以分離，直接機(jī)械脫紅衣極易造成凈花生仁的損傷［4-7］。因此，花生仁預(yù)處理是花生仁脫紅衣過程中不可缺少的環(huán)節(jié)。

目前，常用的花生仁脫紅衣方法有干法、濕法、微波和堿液等［8］。這些方法可以降低凈花生仁和花生紅衣之間的結(jié)合力，從而使凈花生仁和花生紅衣更易發(fā)生分離［9-11］。唐承萬等［12］研究發(fā)現(xiàn)花生仁經(jīng)干燥后含水率在3%～4% 時，脫凈率達(dá)96%；王京等［13］研究發(fā)現(xiàn)花生仁在55～59 ℃恒溫浸泡25～31min 時能達(dá)到預(yù)期脫紅衣目的；張鳳英等［14］將花生仁在?1～5 ℃冷藏10 min，然后裝載厚度1～2 cm，通過微波高火處理2 min，花生仁的預(yù)處理效果最好。但干燥處理后脫出的花生紅衣易碎難收集；微波法對設(shè)備要求較高，難以應(yīng)用于大批量生產(chǎn)；堿液脫紅衣被廣泛應(yīng)用在食品加工中，但存在堿液殘留和環(huán)境污染等問題［15-16］；濕法脫紅衣脫凈率高，花生紅衣完整易收集，發(fā)展前景廣闊。

隨著花生仁精深加工及副產(chǎn)物相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對脫紅衣后的凈花生仁與花生紅衣的質(zhì)量要求越來越高［17-19］。如何獲得高品質(zhì)的凈花生仁與花生紅衣，不僅取決于脫紅衣機(jī)械本身的性能，更取決于其脫紅衣之前的預(yù)處理工藝。濕法脫紅衣具有凈花生仁營養(yǎng)成分損失少、紅衣完整性好、易收集、有利于后續(xù)加工等優(yōu)點，且凈花生仁與花生紅衣水分處理技術(shù)較成熟，因此濕法脫紅衣具有更好的應(yīng)用前景。針對目前機(jī)械濕法脫紅衣存在破損率較高、含水率較高及脫凈率較低等問題，本研究采用響應(yīng)面法試驗［20］，對花生仁預(yù)處理工藝進(jìn)行研究，以此獲得最佳的花生仁變溫濕法脫紅衣預(yù)處理工藝參數(shù)，旨在進(jìn)一步提高花生仁脫紅衣預(yù)處理效率和脫紅衣質(zhì)量。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取花生品種“花育23”為試驗材料，測得其百粒重為64.34 g，百粒平均長17.75 mm、寬8.89 mm、厚10.35 mm，初始含水率為7%。

1.2 試驗儀器

試驗所用儀器設(shè)備：LQ-A5003 型電子天平，精度為0.1 mg；人工氣候箱，可調(diào)溫度范圍為?10～100 ℃；DHS-16 型鹵素水分儀，精度為0.001%；HH-2S 型數(shù)顯恒溫水浴鍋，可調(diào)溫度范圍為室溫至100 ℃；180 型花生仁脫衣機(jī)，工作效率為180～200kg/h（圖1）。

1.3 預(yù)處理原理

根據(jù)熱脹冷縮原理，花生仁先熱水浸泡后冷水浸泡會使凈花生仁和花生紅衣先熱脹分離后遇冷收縮，而難以分離。故采用先冷水浸泡后熱水浸泡的方法，使花生仁在冷水浸泡過程中吸收一定水分，后熱水浸泡，因凈花生仁與花生紅衣各自膨脹速度不同而使他們之間產(chǎn)生間隙，易于將花生紅衣與凈花生仁分離。濕法預(yù)處理過程中花生仁的狀態(tài)如圖2所示。花生仁機(jī)械脫紅衣前含水率一般在6%～10%，此時花生紅衣與凈花生仁緊密貼合（圖2A）。濕法預(yù)處理后，凈花生仁與花生紅衣同時吸水，在一定溫濕度條件下，凈花生仁吸水脹大的速度沒有花生紅衣吸水脹大的速度快，花生紅衣發(fā)生褶皺（圖2B），或凈花生仁與紅衣吸水脹滿（圖2C）。由于含水率的增加使花生紅衣與凈花生仁之間產(chǎn)生一定間隙，容易將紅衣脫下。

1.4 試驗指標(biāo)

定義脫凈率為完整凈花生仁與破損凈花生仁的總質(zhì)量占花生仁總質(zhì)量的比，破損率為破損凈花生仁與破損未脫凈紅衣花生仁總質(zhì)量占花生仁總質(zhì)量的比，計算公式為：

式（1）～（2）中：y1為脫凈率；y2為破損率；m1、m2、m3、m4 分別為完整凈花生仁質(zhì)量、破損凈花生仁質(zhì)量、完整未脫凈紅衣花生仁質(zhì)量及破損未脫凈紅衣花生仁質(zhì)量，單位為g。

機(jī)械脫紅衣之前的濕熱化預(yù)處理溫度和時間，不僅對脫凈率和破損率有重要影響，也會影響凈花生仁的含水率。含水率過高會影響凈花生仁的后期加工，因此，需要將含水率也作為評價指標(biāo)之一。使用DHS-16 型鹵素水分儀測量凈花生仁含水率。

1.5 試驗方法

試驗過程包括花生仁挑選、稱質(zhì)量、浸泡處理、機(jī)械脫紅衣等環(huán)節(jié)。將挑選出的尺寸相近的花生仁按每份250 g 稱質(zhì)量，根據(jù)試驗方案設(shè)定人工氣候箱和恒溫水浴的溫度，將花生仁先后置于人工氣候箱中的水浴和恒溫水浴中進(jìn)行濕熱化處理，達(dá)到預(yù)定時間后將花生仁取出，進(jìn)行機(jī)械脫紅衣，最后通過人工將除紅衣外的脫出物進(jìn)行分類，測量凈花生仁含水率，計算花生仁的脫凈率和破損率。

經(jīng)過脫紅衣機(jī)處理后的花生仁有4 種類型：完整凈花生仁（圖3A）、破損凈花生仁（圖3B）、完整未脫凈紅衣花生仁（圖3C）、破損未脫凈紅衣花生仁（圖3D）。

1）單因素試驗。分別選取冷浸溫度、冷浸時間、熱浸溫度和熱浸時間為影響因素，以脫凈率、破損率及含水率為評價指標(biāo)，冷浸溫度選取范圍為5、10、15、20、25、30 ℃，冷浸時間選取范圍為5、10、15、20、25、30 min，熱浸溫度選取范圍為70、75、80、85、90、95 ℃，熱浸時間選取范圍為5、10、15、20、25、30 s，以此設(shè)計單因素試驗，分析各因素對評價指標(biāo)的影響。

2）響應(yīng)面試驗。為進(jìn)一步研究冷浸溫度、冷浸時間、熱浸溫度和熱浸時間對花生仁濕法脫紅衣的影響以及優(yōu)化花生仁變溫濕法脫紅衣的預(yù)處理工藝參數(shù)，在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上采用Design Ex?pert V13 軟件設(shè)計響應(yīng)面試驗方案，確定花生仁變溫濕法脫紅衣的最優(yōu)預(yù)處理工藝參數(shù)。

試驗因素為冷浸溫度（x1）、冷浸時間（x2）、熱浸溫度（x3）和熱浸時間（x4），試驗指標(biāo)為脫凈率（y1）、破損率（y2）和含水率（y3）。因素水平編碼見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

1）冷浸溫度對試驗指標(biāo)的影響。冷浸時間為15min、熱浸溫度為70 ℃和熱浸時間為10 s 的情況下，冷浸溫度分別選取5、10、15、20、25 和30 ℃對3 組花生仁進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可知，隨著冷浸溫度的增加，花生仁脫凈率、破損率和含水率均呈現(xiàn)上升趨勢。由圖4A 可知，冷浸溫度為15 ℃時，脫凈率已達(dá)到75% 以上，冷浸溫度為25～30 ℃時脫凈率上升速率有所減緩。由圖4B 可知，當(dāng)冷浸溫度為20 ℃時，破損率已經(jīng)達(dá)到18% 以上；在25～30 ℃時，破損率的上升速率有所減緩。由圖4C 可知，冷浸溫度為20 ℃時，含水率在11.5 %以上，之后隨著冷浸溫度的增加含水率的上升速率有所減緩。由試驗結(jié)果可知，隨著冷浸溫度的升高，凈花生仁和紅衣的吸水效果越好，花生紅衣更易產(chǎn)生褶皺，凈花生仁和紅衣之間的間隙愈加明顯，脫凈率隨之升高。但冷浸溫度升高的同時，含水率增加，凈花生仁中2個子葉之間的結(jié)合力變小，使凈花生仁的破損率也隨之升高?；ㄉ拭搩袈?、破損率和含水率的變化受到冷浸溫度的影響顯著。為獲得較優(yōu)的脫凈率和破損率指標(biāo)，選取5～25 ℃作為響應(yīng)面試驗冷浸溫度范圍。

2）冷浸時間對試驗指標(biāo)的影響。冷浸溫度為20 ℃、熱浸溫度為70 ℃和熱浸時間為10 s 的情況下，冷浸時間分別選取5、10、15、20、25、30 min 對3 組花生仁進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知，隨著冷浸時間的增加，花生仁脫凈率、破損率和含水率均呈現(xiàn)上升趨勢，只是上升速率在不同冷浸時間段的差異較大。由圖5A 可知，當(dāng)冷浸時間在10～25min 時，脫凈率迅速上升；冷浸時間大于25 min 后，脫凈率上升速率趨于平緩。由圖5B 可知，當(dāng)冷浸時間在5～15 min 時，破損率上升速率減緩；當(dāng)冷浸時間在15～30 min 時，破損率呈現(xiàn)快速上升趨勢。由圖5C可知，隨著冷浸時間的增加，含水率呈現(xiàn)上升趨勢。由試驗結(jié)果可知，隨著冷浸時間的增加，凈花生仁和紅衣的含水率越來越高，花生紅衣和凈花生仁更易產(chǎn)生間隙，容易分離，脫凈率隨之升高。但冷浸時間增加的同時，含水率增加，凈花生仁中2 個子葉之間的結(jié)合力變小，使凈花生仁的破損率也隨之升高。冷浸時間對花生仁脫凈率、破損率和含水率均有顯著影響。綜合選取10～30 min 作為響應(yīng)面試驗的冷浸時間范圍。

3）熱浸溫度對試驗指標(biāo)的影響。冷浸溫度為20 ℃、冷浸時間為15 min 和熱浸時間為10 s 的情況下，熱浸溫度分別選取70、75、80、85、90、95 ℃對3 組花生仁進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，隨著熱浸溫度的增加，花生仁脫凈率、破損率和含水率均呈現(xiàn)上升趨勢。由圖6A 可知，熱浸溫度在70～85 ℃時，脫凈率呈現(xiàn)快速上升趨勢；熱浸溫度在85～95 ℃ 時，脫凈率上升速率趨于平緩。由圖6B 可知，熱浸溫度高于75 ℃時，破損率上升速率加快。由圖6C 可知，熱浸溫度在70～90 ℃ 時，含水率的上升速率較為平緩，熱浸溫度高于90 ℃，破損率上升速率加快。由試驗結(jié)果可知，隨著熱浸溫度的升高，花生紅衣的熱脹速度比凈花生仁的熱脹速度更快，凈花生仁與紅衣之間的間隙愈加明顯，脫凈率隨之升高。但熱浸溫度升高的同時，含水率增加，凈花生仁中2個子葉之間的結(jié)合力更小，使凈花生仁的破損率增加?；ㄉ实拿搩袈省⑵茡p率和含水率的變化受到熱浸溫度的影響顯著。綜合選取75～95 ℃作為響應(yīng)面試驗的熱浸溫度范圍。

4）熱浸時間對試驗指標(biāo)的影響。冷浸溫度為20 ℃、冷浸時間為15 min 和熱浸溫度為70 ℃的情況下，熱浸時間分別選取5、10、15、20、25、30 s 對3 組花生仁進(jìn)行預(yù)處理，脫紅衣試驗結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可知，隨著熱浸時間的增加，花生仁脫凈率、破損率和含水率均呈現(xiàn)快速上升趨勢。由圖7A 可知，脫凈率隨著熱浸時間的增加快速上升。由圖7B 可知，熱浸時間在5～10 s 和25～30 s 時，破損率增速較為平緩；熱浸時間在10～25 s 時，破損率隨著熱浸時間的增加快速上升。由圖7C 可知，熱浸時間在5～15 s，含水率增速較快，熱浸時間大于15 s 后，含水率增速趨于平緩。由試驗結(jié)果可知，隨著熱浸時間的增加，凈花生仁和紅衣的含水率越來越高，花生紅衣和凈花生仁的膨脹程度不同，更易產(chǎn)生間隙，容易分離，脫凈率隨之升高。但熱浸時間增加的同時，凈花生仁中2 個子葉之間的結(jié)合力變小，使凈花生仁的破損率增加?；ㄉ实拿搩袈?、破損率和含水率的變化受到熱浸時間的影響顯著。根據(jù)以上試驗結(jié)果，選取10～30 s 作為響應(yīng)面試驗熱浸時間的范圍。

2.2 響應(yīng)面法試驗

1）試驗結(jié)果與方差分析。試驗因素為冷浸溫度（x1）、冷浸時間（x2）、熱浸溫度（x3）和熱浸時間（x4），試驗指標(biāo)為脫凈率（y1）、破損率（y2）和含水率（y3），響應(yīng)面試驗結(jié)果見表2。

采用Design Expert V13 軟件對表2 數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到關(guān)于y1、y2 和y3 的二元多項回歸方程：

對方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3。由表3 可知，試驗指標(biāo)y 模型的P 值均小于0.001，表明3 個模型極顯著（Plt;0.01），3 個模型失擬項分別為0.904 8、0.155 3 和0.938 8，均不顯著（Pgt;0.05），表明模型的擬合程度好。y1模型的相關(guān)系數(shù)R2為0.905 8，校正決定系數(shù)R2adj 為0.817 8；y2 模型的相關(guān)系數(shù)R2 為0.860 9，校正決定系數(shù)R2adj為0.731 0；y3模型的相關(guān)系數(shù)R2 為0.884 9，校正決定系數(shù)R2adj 為0.777 5，表明86% 以上的響應(yīng)值都可由以上3 個模型解釋。因此，模型可以預(yù)測花生仁變溫濕法脫紅衣預(yù)處理工藝參數(shù)，分析結(jié)果可信。

同時，一次項x1、x2、x3和x4對試驗指標(biāo)y1、 y2和y3的影響極顯著（Plt;0.01）；二次項x32對試驗指標(biāo)y1和y3的影響極顯著（Plt;0.01），x42對試驗指標(biāo)y1和y3的影響顯著（0.01x3gt;x4gt;x2，對試驗指標(biāo)y2 的影響程度大小為x3gt;x1gt;x4gt;x2，對試驗指標(biāo)y3 的影響程度大小為x1gt;x3gt;x4gt;x2。剔除各不顯著項，得到的最終回歸方程為：

2）交互因素對試驗指標(biāo)的影響。根據(jù)試驗結(jié)果可知冷浸溫度x1、冷浸時間x2、熱浸溫度x3和熱浸時間x4交互作用對各試驗指標(biāo)的影響，并用Design Ex?pert V13 軟件繪制響應(yīng)面圖。交互因素對花生仁脫凈率y1影響的響應(yīng)面圖如圖8 所示。由圖8A 可知，提高冷浸溫度與增加冷浸時間明顯有助于提高脫凈率。由圖8B 可知，提高冷浸溫度和熱浸溫度有助于提高脫凈率。由圖8C 可知，提高冷浸溫度和增加熱浸時間有助于提高脫凈率。由圖8D 可知，提高熱浸溫度和增加冷浸時間有助于提高脫凈率。由圖8E可知，增加冷浸時間和熱浸時間有助于提高脫凈率。由圖8F 可知，提高熱浸溫度和增加熱浸時間有助于提高脫凈率。由試驗結(jié)果可知，所有交互作用均對脫凈率有一定影響。

交互因素對花生仁破損率y2影響的響應(yīng)面圖如圖9 所示。由圖9A，B，C 可知，提高冷浸溫度與增加冷浸時間會使破損率上升；提高冷浸溫度和熱浸溫度會使破損率上升；提高冷浸溫度和增加熱浸時間會使破損率上升。由圖9D，E，F(xiàn) 可知，提高熱浸溫度和增加冷浸時間會使破損率上升；增加冷浸時間和熱浸時間會使破損率上升；提高熱浸溫度和增加熱浸時間會使破損率上升。上述試驗結(jié)果表明，所有交互作用均對破損率有一定影響。

交互因素對花生仁含水率y3影響的響應(yīng)面圖如圖10 所示。由圖10A，B，C 可知，提高冷浸溫度與增加冷浸時間明顯使含水率升高；提高冷浸溫度和熱浸溫度會使含水率升高。由圖10D，E，F(xiàn) 可知，提高冷浸溫度和增加熱浸時間會使含水率升高；提高熱浸溫度和增加冷浸時間會使含水率升高；增加冷浸時間和熱浸時間會使含水率先降低后升高；提高熱浸溫度和增加熱浸時間會使含水率先降低后升高。上述試驗結(jié)果表明，所有交互作用，均對含水率有一定影響。

3）花生仁變溫濕法脫紅衣預(yù)處理工藝參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)花生仁脫凈率、破損率和含水率數(shù)學(xué)模型，可以在約束條件范圍內(nèi)選取花生仁變溫濕法脫紅衣預(yù)處理工藝參數(shù)的最優(yōu)參數(shù)組合，并對回歸模型進(jìn)行檢驗。以最大脫凈率、最小破損率和最小含水率為評價指標(biāo)，建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；目標(biāo)函數(shù)y1max （x1，x2，x3，x4），y2min（x1，x2，x3，x4），y3min（x1，x2，x3，x4）；約束條件5 ℃

2.3 驗證試驗

根據(jù)Design expert V13 軟件優(yōu)化的最佳預(yù)處理工藝參數(shù)，利用180 型花生仁脫衣機(jī)進(jìn)行試驗驗證，試驗結(jié)果如表4。試驗結(jié)果表明，各組花生仁變溫濕法脫紅衣試驗的脫凈率均在96% 以上，破損率均在16% 以下，含水率均在15% 以下，各試驗指標(biāo)的試驗結(jié)果與預(yù)測值誤差較小，模型所得花生仁濕法脫紅衣預(yù)處理工藝參數(shù)具有應(yīng)用價值。

3 討論

本研究以花生仁濕法脫紅衣預(yù)處理工藝為研究對象，以冷浸溫度x1、冷浸時間x2、熱浸溫度x3 和熱浸時間x4為試驗因素，以脫凈率y1、破損率y2、含水率y3為試驗指標(biāo)，利用180 型花生仁脫紅衣機(jī)進(jìn)行脫紅衣試驗，建立了試驗因素與試驗指標(biāo)間的二次多項式預(yù)測模型，分析了各因素對各試驗指標(biāo)的影響。研究結(jié)果表明：冷浸溫度x1、冷浸時間x2、熱浸溫度x3和熱浸時間x4對脫凈率y1、破損率y2、含水率y3的影響均極顯著；各試驗因素對脫凈率y1 的影響程度大小為x1gt;x3gt;x4gt;x2，對破損率y2的影響程度大小為x3gt;x1gt;x4gt;x2，對含水率y3 的影響程度大小為x1gt;x3gt;x4gt;x2；脫凈率y1模型的相關(guān)系數(shù)R2為0.905 8，校正決定系數(shù)R2adj 為0.817 8，破損率y2 模型的相關(guān)系數(shù)R2 為0.860 9，校正決定系數(shù)R2adj 為0.731 0，含水率y3模型的相關(guān)系數(shù)R2為0.884 9，校正決定系數(shù)R2adj為0.777 5；根據(jù)響應(yīng)面分析結(jié)果可知，冷浸溫度x1、冷浸時間x2、熱浸溫度x3和熱浸時間x4中任意兩因素交互作用，均對脫凈率、破損率、含水率有一定影響；利用Design Expert V13 軟件優(yōu)化求得最佳預(yù)處理工藝參數(shù)為冷浸溫度19 ℃、冷浸時間13 min、熱浸溫度75 ℃和熱浸時間20 s，此時脫凈率、破損率、含水率分別為95.7%、11.3% 和13.6%；利用180 型花生仁脫衣機(jī)進(jìn)行試驗驗證，獲得脫凈率、破損率和含水率的試驗結(jié)果均值與預(yù)測值相比，脫凈率、破損率、含水率的平均相對誤差分別為1.03%、4.13%、0.60%，說明優(yōu)化后的預(yù)處理工藝參數(shù)可靠。

本研究基于單因素試驗和響應(yīng)面法試驗研究，獲得了花生仁濕法脫紅衣預(yù)處理最佳工藝參數(shù)。但目前僅針對180 型花生仁脫紅衣機(jī)進(jìn)行了脫紅衣試驗，其他機(jī)型尚未進(jìn)行相應(yīng)脫紅衣試驗研究，后續(xù)研究可以對此方面進(jìn)行補充，綜合試驗結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)處理工藝參數(shù)。