油茶籽的干燥特性及熱風(fēng)干燥模型的建立

邢朝宏 李進(jìn)偉 金青哲 顧 軍 王興國(guó)

(江南大學(xué)食品學(xué)院食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，無錫 214122)

油茶籽的干燥特性及熱風(fēng)干燥模型的建立

邢朝宏 李進(jìn)偉 金青哲 顧 軍 王興國(guó)

(江南大學(xué)食品學(xué)院食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，無錫 214122)

干燥作為油茶籽加工第1道工序，其對(duì)油茶籽的儲(chǔ)藏加工及制取的油茶籽油品質(zhì)影響至關(guān)重要。選擇比較了自然干燥、微波干燥、熱風(fēng)干燥和真空干燥4種干燥方式對(duì)油茶籽中油脂儲(chǔ)藏穩(wěn)定性的影響，并利用掃描電鏡觀察了不同干燥方式對(duì)油茶籽微觀結(jié)構(gòu)的影響，考察了干燥溫度對(duì)油茶籽干燥特性的作用規(guī)律，采用Lewis、Page、Henderson－Pabis、Modified－Page 4種數(shù)學(xué)模型擬合描述油茶籽的熱風(fēng)干燥過程，并建立了數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明:油茶籽適宜熱風(fēng)干燥處理，在溫度為50、70、90℃下，油茶籽干燥至目標(biāo)含水量9%(干基)時(shí)，所需時(shí)間分別為20、7.5、5 h，干燥后的油茶籽儲(chǔ)藏穩(wěn)定性好;電鏡觀察結(jié)果表明微波干燥和90℃熱風(fēng)干燥具有最寬敞的水分轉(zhuǎn)移通道;非線性回歸分析表明，Page模型能很好的表征油茶籽的熱風(fēng)干燥過程，預(yù)測(cè)油茶籽干燥過程中水分含量的變化。

油茶籽 干燥 掃描電鏡 模型擬合

油茶(Camellia oleifera)起源于中國(guó)，在我國(guó)的栽培和利用歷史迄今已超過2300年，是生長(zhǎng)在我國(guó)南方丘陵地區(qū)的木本經(jīng)濟(jì)油料，是我國(guó)重要的木本油料樹種，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)油茶種植面目前已達(dá)到400萬公頃，占我國(guó)木本食用油料栽培面積的80%以上。全國(guó)油茶種植面積達(dá)到3.67 km2，年產(chǎn)油茶籽60余萬t，常年產(chǎn)油茶籽油20萬t［1］。其中以湖南、江西兩省的產(chǎn)量最多，占全國(guó)總油茶籽產(chǎn)量的60%以上。

干燥作為油茶籽加工處理的第一道工序，其對(duì)油茶籽的加工儲(chǔ)藏和制取的油茶籽油品質(zhì)影響至關(guān)重要［2－3］。長(zhǎng)期以來，油茶籽油生產(chǎn)工業(yè)化程度不高，很多農(nóng)戶采用自種、自收、自制方式獲取油茶籽油，干燥主要通過日曬完成，不僅受到天氣影響較大，且耗時(shí)費(fèi)力，生產(chǎn)率低下，加之南方多陰雨天氣，高水分含量油茶籽易發(fā)生霉變變質(zhì)，增加油茶籽油后續(xù)精煉工序負(fù)荷壓力［4］。為了適應(yīng)油茶籽產(chǎn)業(yè)化需求，本文通過比較不同干燥方式對(duì)油茶籽及其所含油脂品質(zhì)的影響，選擇一種成本低廉、干燥效率高、油茶籽油品質(zhì)好的干燥方式，并通過數(shù)學(xué)模型的建立來預(yù)測(cè)油茶籽干燥過程中水分含量的瞬時(shí)變化，為油茶籽油生產(chǎn)企業(yè)提供基本科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與主要儀器

新鮮普通油茶籽:湖南金浩茶油有限公司。

Waters1525高效液相色譜儀、Waters2996二極管陣列檢測(cè)器:美國(guó)Waters公司;Quanta－200掃描電子顯微鏡:荷蘭FEI公司;DHG－9076A型恒溫?zé)犸L(fēng)干燥箱:上海圣欣科學(xué)儀器有限公司;ZK－82BB型電熱真空干燥箱:上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司;MVD－1型微波干燥箱:江南大學(xué)研制;AR2140電子分析天平:梅特勒－托利多儀器上海有限公司;GTOP－150D光照培養(yǎng)箱:浙江托普儀器有限公司;Re－52型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器:上海亞榮生化儀器廠。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 油茶籽干燥

稱取一定質(zhì)量的已除去霉變、病蟲損害的新鮮油茶籽(含水量27.60%)并平鋪在搪瓷托盤上，采用自然干燥(日曬)、熱風(fēng)干燥(干燥溫度分別為50、70、90℃)、真空干燥(干燥溫度50℃、真空度0.01 MPa)和微波干燥(微波功率450 W)等4種干燥方式進(jìn)行干燥試驗(yàn)，定時(shí)取樣測(cè)定油茶籽的質(zhì)量計(jì)算含水率，干燥至目標(biāo)含水量9%，比較不同干燥方式所需時(shí)間，繪制干燥曲線，并利用Origin8.0軟件擬合建立可描述熱風(fēng)干燥過程的數(shù)學(xué)模型;通過利用掃描電鏡(SEM)觀察不同干燥方式處理油茶籽的切面微觀結(jié)構(gòu)。

任一時(shí)刻t，油茶籽水分含量計(jì)算公式:

式中:MR表示水分比;Xf為干燥目標(biāo)含水量/%，X0為物料初始含水量/%。

1.2.2 干燥油茶籽微觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡觀察

掃描電鏡制樣條件:干燥油茶籽切面，戊二醛固定，磷酸緩沖液漂洗數(shù)次，四氧化鋨固定，再用磷酸緩沖液漂洗數(shù)次，乙醇梯度脫水(50%、70%、90%、100%)，醋酸異戊酯過渡后，采用臨界點(diǎn)干燥，離子濺射后送樣掃描電鏡觀察。

1.2.3 干燥油茶籽儲(chǔ)藏后提取油脂的評(píng)價(jià)

將干燥后的油茶籽儲(chǔ)藏在相對(duì)濕度60%，溫度20℃條件下，每隔1個(gè)月將一定量的油茶籽剝殼、粉碎后，用正己烷(料液比1∶5)超聲(功率250 W，時(shí)間40 min)提取油茶籽油，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)揮溶后得到油茶籽油，酸價(jià)測(cè)定參考 GB/T 5530—2005［5］，過氧化值測(cè)定參考 GB/T 5538—2005［6］，VE 測(cè)定參考文獻(xiàn)［7］。

式中:Xt為t時(shí)刻含水率/%;mt為t時(shí)刻物料質(zhì)量/kg;m干物料干基質(zhì)量/kg。

為表示一定干燥條件下物料還有多少水分未被干燥除去，引進(jìn)水分比概念:

2 結(jié)果與討論

2.1 干燥方法對(duì)油茶籽中油脂在儲(chǔ)藏期間酸價(jià)變化的影響

圖1 干燥方法對(duì)油茶籽中油脂在儲(chǔ)藏期間酸價(jià)變化的影響

干燥后的油料在儲(chǔ)藏期間由于干燥方法、儲(chǔ)藏環(huán)境條件等的不同對(duì)油料中油脂的氧化變質(zhì)有重要影響。分別經(jīng)過自然干燥(日曬)、熱風(fēng)干燥(干燥溫度50℃)、真空干燥(干燥溫度50℃、真空度0.01 MPa)和微波干燥(功率450 W)的油茶籽在相對(duì)濕度60%、溫度20℃的環(huán)境條件下儲(chǔ)藏6個(gè)月，定期(每隔1個(gè)月)取出一定量油茶籽提取出油脂后測(cè)定其酸價(jià)，結(jié)果見圖1。由圖1可以看出，不同的干燥方法對(duì)油茶籽中油脂在儲(chǔ)藏期間酸價(jià)的變化影響差異很大。在儲(chǔ)藏期間前3個(gè)月內(nèi)，4種干燥方法干燥后的油茶籽中油脂酸價(jià)均略有上升，3個(gè)月后，酸價(jià)上升速率明顯加快，尤其是微波干燥后的油茶籽中油脂酸價(jià)上升最為明顯，達(dá)到儲(chǔ)藏前的2.27倍，這可能跟微波干燥機(jī)理有關(guān)，由于是內(nèi)部受熱故溫度較高而引發(fā)產(chǎn)生較多的氧化過程所需的自由基中間體;其次是自然干燥，可能是受到日曬過程光氧化作用;熱風(fēng)干燥和真空干燥處理后油茶籽中油脂酸價(jià)變化趨勢(shì)相近，上升速率較為緩和。儲(chǔ)藏6個(gè)月后，經(jīng)過自然干燥、真空干燥、熱風(fēng)干燥和微波干燥處理后的油茶籽中油脂酸價(jià)分別達(dá)到 0.51、0.43、0.42 和 0.65 mg/g，均低于GB 11765—2003規(guī)定油茶籽油原油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)酸價(jià)值 4.0 mg/g。

2.2 干燥方法對(duì)油茶籽中油脂在儲(chǔ)藏期間過氧化值變化的影響

過氧化值(POV)是評(píng)價(jià)油脂氧化酸敗程度的重要指標(biāo)。油茶籽干燥儲(chǔ)藏后提取的油脂定期測(cè)定其過氧化值(POV)變化，結(jié)果見圖2。

圖2 干燥方法對(duì)油茶籽中油脂在儲(chǔ)藏期間過氧化值變化的影響

由圖2可以看出，4種干燥方法所得油茶籽中的油脂過氧化值均隨儲(chǔ)藏期間的延長(zhǎng)而增加，前4個(gè)月，增加速率大小依次為:微波干燥＞自然干燥＞真空干燥＞熱風(fēng)干燥，與酸價(jià)增加趨勢(shì)一致，后2個(gè)月，增加速率大小依次為:自然干燥＞微波干燥＞熱風(fēng)干燥＞真空干燥。經(jīng)過6個(gè)月儲(chǔ)藏后，過氧化值分別達(dá)到 2.06、2.34、1.07、1.36 mmol/kg，均低于GB 11765—2003規(guī)定油茶籽油原油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)過氧化值7.5 mmol/kg，表明干燥后的油茶籽制取的油脂氧化程度較低，經(jīng)過適度精煉后可以食用。

2.3 干燥方法對(duì)油茶籽中油脂在儲(chǔ)藏期間VE含量變化的影響

VE是主要的油脂伴隨物之一，主要包括8種，分別為α、β、γ、δ生育酚及對(duì)應(yīng)的4種生育三烯酚，在油脂中主要作為抗氧化劑而保護(hù)油脂不被氧化［8］。油茶籽干燥后在儲(chǔ)藏期間其所含油脂的VE含量變化如圖3所示。

圖3 干燥方法對(duì)油茶籽中油脂在儲(chǔ)藏期間VE含量變化的影響

由圖3可以看出，隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，VE含量均呈下降趨勢(shì)。儲(chǔ)藏前期(前3個(gè)月)，微波干燥與自然干燥下降速率相近，熱風(fēng)干燥與真空干燥下降速率類似，前3個(gè)月，下降速率大小依次為:微波干燥＞自然干燥＞真空干燥＞熱風(fēng)干燥，后3個(gè)月，下降速率大小依次為:微波干燥＞真空干燥＞自然干燥＞熱風(fēng)干燥。儲(chǔ)藏6個(gè)月后，經(jīng)過微波、自然、真空和熱風(fēng)干燥后油茶籽中油茶籽油的VE含量分別為:150.69、172.76、168.84、180.65 mg/kg，比儲(chǔ)藏前分別下降了 46.26%、38.40%、39.79%、35.58%。值得一提的是，油茶籽油中檢測(cè)出的VE主要以α－生育酚形式存在，α－生育酚在生物體內(nèi)效價(jià)最高，但抗氧化性在8種形式中是最低的。動(dòng)、植物組織的α－生育酚可以被小腸直接吸收，是動(dòng)物體內(nèi)重要的抗氧化劑，能夠保護(hù)細(xì)胞膜和亞細(xì)胞膜免受氧化損害，同時(shí)還具有免疫等其他重要功能［9］。因此，油茶籽油中因含有較豐富的生育酚以及其他抗氧化活性物質(zhì)，其儲(chǔ)藏穩(wěn)定性及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)較高。

綜合圖1～圖3可知，熱風(fēng)干燥后的油茶籽在儲(chǔ)藏期內(nèi)油脂品質(zhì)最好，適宜的干燥溫度既能保證干燥速率又能提供穩(wěn)定的油茶籽油品質(zhì)，是一種理想的干燥方式。自然干燥受天氣影響較大，且干燥時(shí)間太長(zhǎng)不利于大規(guī)模的油茶籽干燥處理，微波干燥雖具有最快的干燥速率但干燥后的油茶籽油品質(zhì)較差，增加后續(xù)精煉工段負(fù)荷壓力，在相同干燥溫度下，真空干燥速率與熱風(fēng)干燥相同，但由于其成本較高，也不適合油茶籽加工企業(yè)規(guī)模應(yīng)用，因此，熱風(fēng)干燥時(shí)油茶籽加工企業(yè)首先的干燥處理方法，該方法經(jīng)濟(jì)可靠。2.4 不同干燥方式對(duì)油茶籽微觀結(jié)構(gòu)的影響

不同干燥方式由于其干燥機(jī)理不同，油茶籽內(nèi)部水分受熱方式和強(qiáng)度也不同，導(dǎo)致內(nèi)部水分轉(zhuǎn)移方式不同。不同干燥方式對(duì)油茶籽微觀結(jié)構(gòu)的影響見圖4。

圖4 不同干燥方式對(duì)油茶籽微觀結(jié)構(gòu)的影響

由圖4可以看出，微波干燥和90℃熱風(fēng)干燥的油茶籽細(xì)胞之間水分轉(zhuǎn)移通道最寬敞，但微波干燥后的油茶籽部分細(xì)胞或者細(xì)胞內(nèi)部物質(zhì)交織在一起，可能是淀粉類物質(zhì)糊化的結(jié)果，這是由于微波干燥功率較大且從內(nèi)部加熱導(dǎo)致內(nèi)部溫度較高［10］。50℃熱風(fēng)干燥、自然干燥、真空干燥后的油茶籽微觀結(jié)構(gòu)的水分轉(zhuǎn)移通道較閉塞，說明干燥強(qiáng)度較低，水分轉(zhuǎn)移速率較慢。比較不同溫度下的熱風(fēng)干燥后油茶籽電鏡結(jié)果可知，隨著溫度的提高，水分轉(zhuǎn)移通道逐漸開闊，蛋白質(zhì)變性程度也增大導(dǎo)致細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)間隙增大，多孔性提高。由油茶籽微觀結(jié)構(gòu)可以推斷出不同干燥方式干燥速率大小順序?yàn)?微波干燥＞90℃熱風(fēng)干燥＞真空干燥＞自然干燥。

2.5 油茶籽的熱風(fēng)干燥特性及數(shù)學(xué)描述

2.5.1 不同干燥溫度下油茶籽的熱風(fēng)干燥曲線

熱風(fēng)干燥到目標(biāo)含水量的時(shí)間長(zhǎng)短受到干燥溫度、通風(fēng)速率(風(fēng)量)、堆積密度等因素的影響，其中干燥溫度對(duì)其影響最大。如圖5所示，油茶籽在50、70、90℃下干燥至目標(biāo)含水量(9%)所需時(shí)間分別為20、7.5、5 h。干燥初期，油茶籽含水量迅速下降，干燥速率較快，干燥后期，油茶籽含水量下降速率逐漸減緩。

圖5 不同干燥溫度下油茶籽的熱風(fēng)干燥曲線

2.5.2 油茶籽熱風(fēng)干燥數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)油茶籽熱風(fēng)干燥曲線的特點(diǎn)，選擇指數(shù)函數(shù)作為基函數(shù)。干燥數(shù)學(xué)模型對(duì)干燥過程的優(yōu)化和控制具有重要意義，人們一直期望通過干燥理論的研究建立干燥的模型，以期更好的控制生產(chǎn)過程。

表1為常見的用于描述農(nóng)副產(chǎn)品薄層干燥的數(shù)學(xué)模型，利用Oringin8.0軟件進(jìn)行非線性回歸擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過評(píng)價(jià)模型的Adj－R2和標(biāo)準(zhǔn)誤差SE來判斷模型的可靠度，所得結(jié)果見表2。

表1 描述干燥曲線的常見數(shù)學(xué)模型［11－13］

表2 四種模型擬合結(jié)果

由表2可看出，在50、70、90℃下，Page模型均具有最高的Adj－R2和最低的SE值，說明Page模型最適合作為油茶籽熱風(fēng)干燥的擬合模型。結(jié)合圖5可知，Page模型擬合值與實(shí)測(cè)值誤差很小，50、70、90℃下兩者之間標(biāo)準(zhǔn)誤差值分別為0.028 1、0.025 4、0.030 2。另外，不同溫度下，Page模型的 k、n值不同，說明參數(shù)k、n與溫度有關(guān)，利用Excel軟件將它們分別進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，不同溫度(T)下的k、n為:k= －0.000 1T2+0.097 5T －17.318;n= －0.000 07T2+0.054T －9.371 8。

綜上所述，利用Page模型能較好反映油茶籽熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)過程，方程為:MR=exp［－(－0.000 1T2+0.097 5T － 17.318)t(－0.00007T2+0.054T－9.3718)］

3 結(jié)論

不同干燥方式對(duì)油茶籽品質(zhì)影響不同，油茶籽經(jīng)過自然、微波、熱風(fēng)和真空4種干燥方式干燥儲(chǔ)藏6個(gè)月后，其中所含油脂酸價(jià)、過氧化值均有所上升，VE含量有所下降，但均未發(fā)生明顯氧化酸敗現(xiàn)象，其中以熱風(fēng)干燥油脂品質(zhì)保留最好，油茶籽宜采用熱風(fēng)干燥處理。油茶籽的薄層熱風(fēng)干燥速度與溫度有關(guān)，溫度越高，干燥時(shí)間越短，油茶籽在50、70、90℃下干燥至目標(biāo)含水量(9%)所需時(shí)間分別為20、7.5、5 h，干燥后的油茶籽儲(chǔ)藏穩(wěn)定性好;電鏡觀察結(jié)果表明微波干燥和90℃熱風(fēng)干燥具有最寬敞的水分轉(zhuǎn)移通道。非線性回歸分析表明，Page模型能很好的表征油茶籽的熱風(fēng)干燥過程，預(yù)測(cè)油茶籽干燥過程中含水量的變化。

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The Drying Characteristics of Camellia Oleifera and Establishment of Hot－Air Drying Model

Xing Chaohong Li Jinwei Jin Qingzhe Gu Jun Wang Xingguo
(School of Food Science and Technology，Jiangnan University，The State Key Laboratory of Food Science and Technology，Wuxi214122)

As the first processing operation，drying process has a key influence on the subsequent processing and storage of Camellia oleifera and the quality of extracted Camellia oleifera oil.In this paper，we selected and compared four drying methods:natural drying，microwave drying，hot－ air drying and vacuum drying to dry the Camellia oleifera，then evaluated the effect on the storage stability of the contained Camellia oleifera oil.We observed the microstructure of Camellia oleifera processed by four drying methods.In order to establish the hot－ air dying model，we chose four mathematic models:Lewis，Page，Henderson －Pabis and Modified －Page models to fitting the experimental data of hot－ air drying at 50，70，90 ℃.The results showed that:it's best to adopt the hot－ air drying method to process the Camellia olrifera，and the time needed to reach the goal moisture content 9%(dry base)is 20，7.5，5 h at 50，70，90 ℃，respectively.It's proved that the Camellia oleifera processed by hot－ air drying owned good storage stability.The observing result of SEM showed that microwave drying and 90 ℃ hot－air drying method generated the vastest moisture transfer channel.The result of non － lineal regression analysis proved that the Page model provided the best fitting results and description of the hot－ air drying procedure of Camellia oleifera.

camellia oleifera，drying，SEM，model fitting

TS222

A

1003－0174(2012)03－0038－05

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2009BADB1B09)

2011－06－14

邢朝宏，男，1989年出生，碩士，脂質(zhì)深加工