不同物料层数对毛叶山桐子热风干燥特性及榨油品质的影响

狄飞达，涂彩虹，刘一静，张勃龙，郑 旗，冯 骏，张驰松

（1.成都市农林科学院农产品加工与贮藏研究所，四川成都 611130；2.成都市农林科学院林业研究所，四川成都 611130）

毛叶山桐子（Idesia polycarpa Maxim.var.vestita Diels），又名水冬瓜、合色树、油葡萄、椅桐等，为大风子科山桐子属植物，是山桐子的一个变种[1-2]。毛叶山桐子树具有“空中油库”之称，作为有待大规模开发利用的植物油能源受到人们的高度重视[1-2]。在川、陕、甘交界的毛叶山桐子产区，人们利用毛叶山桐子果实榨油食用已有上百年的历史。毛叶山桐子果实和种子均含有大量油脂，均可榨油，且不需分离，其脂肪酸构成主要为亚油酸、油酸等不饱和脂肪酸，可通过加工制作为食用油资源[3]。

毛叶山桐子果熟期通常在10—11月，而此时南方地区多阴雨天气，非常不利于油料的晾晒干燥。通常在采摘期利用自然晾晒方法进行干燥，以便后期油脂加工，但由于成熟期天气阴冷，自然晾晒后水分含量过高，贮藏期极易霉变。目前，一些大型油料加工企业多配备塔式烘干设备，最大的优点是占地面积小、内部容积大、干燥时间长，可以较大幅度降水，一次降水可达5%～6%，适合需要大幅度降水的粮食和油料[4]。但塔式干燥设备容易出现因物料层数差异引起的干燥不均匀等问题[5]。

试验通过模拟塔式热风干燥对毛叶山桐子果实进行干燥处理，研究毛叶山桐子干燥特性，控制干燥终点；再利用热榨法制取毛叶山桐子油，对其出油率及酸价、过氧化值进行测定，评价该热风干燥处理方案。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试剂

毛叶山桐子，购于四川中海生物科技开发股份有限公司（四川省成都市金堂县）。

乙醚、异丙醇、百里香酚酞、氢氧化钾标准滴定液、碘化钾、硫代硫酸钠标准滴定液、无水碳酸钠、可溶性淀粉、三氯甲烷、冰乙酸等，均为分析纯。

1.2 主要仪器设备

LT-DBX60F型精密可编程热风循环烘箱（1300W），立德泰勀上海科学仪器公司产品；HC-UTP3000型电子天平，上海花潮电器有限公司产品；ZYJ905型小型榨油机，江门市贝尔斯顿电器有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 毛叶山桐子干燥压榨工艺

选择均匀的新鲜成熟毛叶山桐子（2017年10月），进行如下工艺处理：

新鲜毛叶山桐子果枝→脱枝→清理筛选→干燥处理→热榨油脂。

1.3.2 热风干燥设计

根据现有工厂塔式干燥设备[4]，依照实验室电热烘箱的空间（内部尺寸400 mm×375 mm×400 mm），制作3个软筛网框（50目） （长40 cm，宽36 cm，高1 cm），分别标记为A，B，C，每框共放置500 g样品，堆积完毕放入烘箱，试验温度为80℃（根据实际油料工厂常采用的热风温度），风速约为0.2 m/s（热烘箱本身风速档）。

热风干燥层和取样点示意图见图1。

图1 热风干燥层和取样点示意图

1.3.3 不同堆积层数热风干燥模式

为模拟实际操作中物料风向强度，促进干燥均匀，在多层干燥试验中，干燥层每隔1h进行交换。

热风干燥试验设计见表1。

表1 热风干燥试验设计

当毛叶山桐子干燥至安全贮藏含水率（≤10%）时，停止干燥。

1.4 指标测定

1.4.1 鲜果干燥特性测定

取约10 g毛叶山桐子果实，分离其果肉、种子，采用GB 5009.3—2016食品中水分的测定进行果实、果肉、种子水分含量测定，用湿基含水量、干基含水量表示，每组做3次重复试验，取平均值。

1.4.2 干燥过程中水分含量测定

取如1.3.3各干燥层的样品（约5 g），分为3份，利用GB 5009.3—2016食品中水分的测定进行水分含量的测定，以湿基水分百分含量或干基水分含量表示。

1.4.3 干燥速率测定

干燥速率的定义为单位时间内每单位面积（物料和干燥介质的接触面积）湿物料汽化的水分质量[6]。当物料与干燥介质的接触面积不易确定时，用干燥强度表示干燥速率，其定义为物料湿含量随时间的变化率，通常用Nd表示，使用干燥强度的公式表示干燥速率。单位为g水/（g绝干物料·h）计算公式 （1） 如下：

式中：Nd——干燥速率，g水/（g绝干物料·h）；

Mm——干基含水率，%；

Md，i——时间为ti时干基含水率，%；

Md，i+1——时间为ti+1时干基含水率，%。

1.4.4 有效扩散系数测定

干燥过程中物料内部水分有效扩散系数按公式（2） 进行计算[7-8]：

式中：MR——水分率，无因次量；

M0，Mt，Me——样品初始、t时刻和平衡水分含量，g水分/100 g干物质；

R0——颗粒半径，m；

t——干燥时间，s；

Deff——物料内部水分的有效扩散系数，m2/s。

将试验数据代入式中，可得出以lnMR为纵坐标、时间t为横坐标的直线，直线的斜率即为-（Deffπ2）/R02，进一步得出有效扩散系数 Deff值。

1.4.5 干燥能耗评定办法[9]

干燥能耗是指去掉单位质量水分所需的能量。

干燥能耗按公式（3）进行计算：

式中：N——干燥能耗，kJ/g；

W——电热干燥箱功率，W；

T——干燥时间，min；

G——去除的水分质量，g。

1.4.6 最终物料出油率测定

准确称量50 g各干燥模式下最终毛叶山桐子，放入小型榨油机进行压榨，收集毛油，测定各组中毛叶山桐子果实榨取的毛油质量，重复3次，按照公式（4）计算出油率，并进行对比。

1.4.7 油脂主要品质评价

酸价根据GB 5009.229—2016评价，过氧化值根据GB 5009.227—2016评价。

1.5 数据分析

分析所用样品均采用随机取样的方法，所有试验组的各项指标均测定3次，利用Origin 9.0统计数据绘图和SPSS 17.0软件进行邓肯均数差异显著性分析。

2 结果与讨论

2.1 毛叶山桐子果实干燥特性

毛叶山桐子组成见图2。

图2 毛叶山桐子组成

毛叶山桐子果实采收自2017年10月成都市金堂县，粒径平均为8.51 mm，将果实分离出果肉和种子2个部分，测定干燥特性。与魏明山等人[10]关于毛叶山桐子果实水分数据有一定的差异，这与品种、年份差异有关。

毛叶山桐子干燥特性见表2。

表2 毛叶山桐子干燥特性/%

2.2 堆积层数对物料的水分含量及干燥速率的影响

毛叶山桐子主要由果肉和种子形成非均质的结构组成，这使得干燥过程中果实水分含量变化区别于其他油料作物，如油菜、花生等。

不同堆积层数下各干燥层物料湿基含水量及干燥速率变化见图3。

从图3（a） 可知，单层干燥模式下，毛叶山桐子的热风干燥分为加速、恒速、降速3个阶段：初始阶段物料干燥速度快速上升至0.35 g水/（g绝干物料·h），随后在 0.35～0.38 g水/（g绝干物料·h）保持恒速，此后3 h迅速降低至 0.05 g水/（g绝干物料·h）。这是由于干燥前期，物料表面温度不断升高，在温度差的驱使下物料内部自由水分子不断向外扩散，干燥速率不断增大，但是在干燥后期，物料内部所含水分较少，干燥速率降低。单层干燥模式，即薄层干燥模式，属于实验室常用模拟干燥模式，能较为方便研究果实干燥特性，为后期复杂的多层干燥提供基础数据。最终，单层干燥经过6 h后，湿基含水量达到9.3%。

图3 不同堆积层数下各干燥层物料湿基含水量及干燥速率变化

由图3（b） 可知，双层模式II是经过3次的变换位置操作，每层的物料都会有时间段处在出风口，能迅速排出水分，有利于干燥的进行。位于出风口的顺序是A-B-A-B层物料，远风口则为B-A-B-A层物料。前3 h的干燥情况与模式I干燥类似，A，C层毛叶山桐子含水量迅速下降，湿基含水量交替下降，当物料处于出风口处时，下降更快；后3 h，由于物料本身水分较小，两层的湿基含水量变化趋于一致。干燥速率方面，前3 h，A，B层干燥速率最高分别达到 0.37，0.43 g水/（g绝干物料·h），并保持在0.25 g水/（g绝干物料·h）以上；后 3 h，A，B层干燥速率急剧下降至0.08 g水/（g绝干物料·h），并持续到最后。最终A，B两层的最终湿基含水量为7.9%，7.7%，相比于单层干燥，最终得到的干果含水量更低，这是由于在单层干燥模式下，果实表面温度高、水分转移过快，而果实内部温度较低，导湿性引起水分由内向外，而导湿性相反，这导致前期果实内外部温差较大时，单层干燥果实表面水分较低而内部水分较高，阻碍了水分传递[11]，而双层模式由于每隔1 h交换出风口端，能减少因为内外温度、水分不均衡引起的干燥速率下降，因此在6 h以内，双层干燥模式下，果实湿基含水量更低。

由图3（c）可知，3层干燥模式采取的是每隔1 h交换A，C层，所以从湿基含水量变化趋势可以看出，A，C干燥层毛叶山桐子的干燥速度湿基含水量呈现交叉下降变化趋势，这是因为两层物料处于出风口端的交换中，当毛叶山桐子处于出风口端时其湿基含水量下降较快，处于远出风口端时则较慢。从干燥速率可以看出，A，C两层的物料也是呈现交替变化，在前4 h，A，C干燥层物料干燥速率在0.19～0.37 g水/（g绝干物料·h） 变动，并随着时间的延长，干燥速率变化幅度逐渐减小，最终达到约0.04 g水/（g绝干物料·h）。B层物料8 h干燥时期内，干燥速率约为 0.2 g水/（g绝干物料·h）。干燥8 h之后，A，C干燥层物料的湿基含水量下降较多，最终湿基含水量分别为8.2%，8.0%，而B干燥层物料湿基含水量为9.8%，高于A，C两层，总体来说水分下降的比较平缓，这是由于B层的物料一直处于中层，相对远离出风口，不利于水分的转移。

2.3 堆积层数对毛叶山桐子在干燥过程中有效扩散系数分析

不同热风干燥模式各层物料水分率的对数值和时间变化曲线见图4，不同固定床热风干燥模式物料有效扩散系数Deff见表3。

图4 不同热风干燥模式各层物料水分率的对数值和时间变化曲线

表3 不同固定床热风干燥模式物料有效扩散系数Deff

由图4和表3可知，双层干燥模式整体来说，各干燥层的水分扩散系数差异较小，平均值最大，约为1.1×10-4m2/s，原因是层数的变换使得风速和温度的分布相对均匀，物料中的水分能够迅速蒸发，从而促进了水分扩散。lnMR和干燥时间线性相关系数高，各干燥模式不同干燥层的拟合系数R2均大于0.92。而3层干燥模式的水分有效扩散系数均值最小，约为0.81×10-6m2/s，主要与干燥层数有关，层数增加使得风速、温度分布不均匀，影响水分转移。

2.4 不同堆积层数干燥对毛叶山桐子最终水分含量、干燥能耗、出油率及品质的影响

不同干燥模式下毛叶山桐子的水分含量见表4。

根据表4中数据计算，单层干燥模式总体样品终水分含量均值为9.33%；双层干燥模式II下，总体样品终水分含量均值为7.77%，各层物料最终湿基含水量无显著差异（p＞0.05）；而干燥模式III下，总体样品终水分含量均值为8.68%，B层与A，C层物料终水分含量差异显著（p＜0.05），与双层干燥相比，干燥的均匀性较低。在干燥能耗方面，双层模式能耗最低，能较为充分的利用热能，过薄或者过厚都会增加能耗。

利用小型榨油机榨取油脂，其出油率在21.1%～24.6%，其中三层模式的出油率平均最高，达到23.5%，此时毛叶山桐子油料最终含水量在8%，这与其他油料作物（如油菜）安全水分相近[12]。榨取的毛油酸价和过氧化值分别在 3.1～3.4 mg/g，2.1～2.9 mmol/kg，并且各处理各干燥层数值无显著差异（p＞0.05），均低于国家对菜籽、油茶籽等毛油的品质标准规定，优于崔艳南等人[13]研究的未处理的工厂化毛叶山桐子毛油品质，这与干燥前处理与设备均有关系。

3 结论

（1）不同干燥处理样品的水分率自然函数lnMR和干燥时间相关系数高，拟合系数R2均大于0.9。榨取的毛油酸价和过氧化值区间分别为3.1～3.4 mg/g，2.1～2.9 mmol/kg，并且各处理、各干燥层的数值无显著差异 （p＞0.05）。

单层干燥（6 h）、双层干燥（6 h）、三层干燥（8 h） 的最终样品水分含量分别9.33%，7.77%和8.68%，双层物料最终湿基含水量最低且各层物料最终湿基含水量无显著差异（p＞0.05），物料均匀性最好。

表4 不同干燥模式下毛叶山桐子的水分含量

在热风干燥能耗方面，双层模式平均能耗最低。物料出油率在21.1%～24.6%，其中三层模式中，当毛叶山桐子最终含水量约为8%时，其平均出油率最高达到24.6%，并同时满足安全贮藏含水率的要求。

（2）综合能耗、最终含水率、出油率推荐工艺为80℃干燥温度下，双层物料层数并控制最终含水量为8%。

（3） 试验中采用的参数来源于实际工厂化生产，对于毛叶山桐子油工厂化生产具有指导意义，能为减少能耗、控制油料含水量、提高出油率提供实际的参考价值。