高水分植物苜蓿強(qiáng)化干燥特性的試驗(yàn)研究

車剛，王鑫，萬(wàn)霖

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

苜蓿屬多年生豆科牧草，種后第二年即可獲得較高的產(chǎn)草量，一年可收割3～7次。每公頃產(chǎn)量高達(dá)150～166.7 kg。苜蓿的粗蛋白質(zhì)含量高，含有8種牲畜需要的維生素，還含有15種對(duì)家畜生長(zhǎng)有益的微量元素和未知促生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)因子，是家畜不可缺少的優(yōu)質(zhì)飼草[1]。苜蓿非均一物質(zhì)，苜蓿植株可分為粗莖稈、葉片和優(yōu)質(zhì)莖稈。根據(jù)苜蓿品種不同，生長(zhǎng)期不同，苜蓿的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值也不盡相同。在孕蕾期和觀蕾期的粗蛋白含量和干物質(zhì)消化率最高，在觀蕾期末期和始花初期，莖稈、葉片和優(yōu)質(zhì)莖稈的平均含量分別是47.7%、35.8%、16.5%，粗莖稈的平均直徑是3.52 mm，優(yōu)質(zhì)莖稈的平均直徑為2.30 mm。葉片的葉蛋白含量為30%，而粗莖稈僅含10%粗蛋白[2]。莖稈外面角質(zhì)層為防止水分蒸發(fā)的天然屏障，對(duì)于其干制存貯阻礙巨大[3]。雖然各部分有不同的物理和化學(xué)特性，為了對(duì)苜蓿強(qiáng)化干燥性能有清楚的認(rèn)識(shí)，并更好了解苜蓿強(qiáng)化干燥加工對(duì)最終產(chǎn)品質(zhì)量的影響規(guī)律。因此，對(duì)紫花苜蓿強(qiáng)化干燥特性參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究與分析。

1 苜蓿的基本特性分析

1.1 苜蓿組配的物理特性

隨機(jī)選取50個(gè)葉片來(lái)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量其表面積。莖稈直徑通過(guò)精度為0.01 mm千分尺來(lái)測(cè)量。每50 mm長(zhǎng)的整株草段大約包含6片葉片，而有些片段主要是莖稈而無(wú)葉片，有的片段高的可達(dá)20片葉片。莖稈在干燥前和干燥后的平均直徑分別是2.60 mm和2.06 mm，莖稈直徑減少20.7%。葉片由235 mm2縮小了35%。這是由于葉片長(zhǎng)軸減少了19.8%，短軸縮短22.1%。因?yàn)楦稍锟s水，結(jié)果顯示面 積迅速降低，如表1所示。

表1 苜蓿成分的物理特性Table 1 Physical performance of alfalfa

1.2 葉片、莖稈和草段的干燥曲線

試驗(yàn)研究整株在不同水分含量下葉片和莖稈的水分含量。每份樣品稱取苜蓿大約100 g，攤薄層在牧草薄層干燥試驗(yàn)臺(tái)的網(wǎng)篩面上，保證每一單體及所有部分都能均一干燥。初始的水分含量通過(guò)烘箱進(jìn)行測(cè)定（105℃），每間隔一段時(shí)間稱量一下樣品重量，水分含量由它們不同的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)定。人工將葉片和莖稈分開(kāi)，它們的水分含量由烘箱里的樣品在烘干前和烘干后的質(zhì)量測(cè)定來(lái)計(jì)算。

圖1 苜蓿組分的含水率的變化Fig.1 Moisture change of alfalfa component

圖1顯示的是溫度在160℃時(shí)，草段、莖稈和葉片在干燥不同階段的水分含量。在整個(gè)干燥過(guò)程中，葉子的含水量比莖稈或草段的水分含量低。葉片由于有快速干燥特性，開(kāi)始時(shí)干燥較快，到達(dá)一個(gè)漸進(jìn)值并與草段水分含量成直線關(guān)系。葉片和莖稈的水分含量與草段水分含量的關(guān)系如下：

下標(biāo)S、C和L分別代表莖稈、草段和葉片，水分含量以水分的百分含量表示。為了較直觀地反映紫花苜蓿各組成部分的水分含量隨干燥時(shí)間的分布情況，將干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從圖1和表2中的擬合方程分析，得出苜蓿葉片的水分含量與干燥時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系，近似直線變化。草段與莖稈的水分含量與干燥時(shí)間的變化呈指數(shù)關(guān)系，這與葉片的干燥過(guò)程中水分含量的變化不完全一樣。這主要是由于各自的生理結(jié)構(gòu)的差異。

表2 莖稈、草段和葉片干燥的擬合方程Table 2 Simulated equation of drying stem and leaf

1.3 最長(zhǎng)干燥存留時(shí)間

最長(zhǎng)干燥存留時(shí)間是指在干燥過(guò)程中紫花苜蓿燃燒前所經(jīng)歷的干燥時(shí)間。

圖2 干燥溫度對(duì)苜蓿存留時(shí)間的影響Fig.2 Effects of drying temperature on drying time of retained alfalfa segment

圖3 干燥溫度對(duì)燃燒前最低水分含量的影響Fig.3 Effects of drying temperature on minimum moisture before burning

圖2表示的是初始含水率為78%wb的苜蓿草段在不同溫度下的干燥存留時(shí)間的變化。試驗(yàn)證明：溫度在200℃以上時(shí)，薄層里極快速烘干的草段在存留一段時(shí)間后使苜蓿植株燃燒。在200～300℃的干燥條件下，莖稈存留的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，草段次之，葉片最長(zhǎng)暴露時(shí)間最短。在300℃以上的干燥條件下，草段與草葉片的最長(zhǎng)暴露時(shí)間基本相同，說(shuō)明葉片適應(yīng)極快速干燥的條件，干燥速率極高。圖3所示的是苜蓿草段在燃燒前的最終含水量與干燥溫度的關(guān)系，即開(kāi)始燃燒前最長(zhǎng)的存留時(shí)間和每一干燥溫度下草段能到達(dá)的最終含水量。實(shí)際上，在低水分含量時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量存留時(shí)間是很困難的，因?yàn)槿狈φ舭l(fā)冷卻。初始水分含量較高時(shí)，葉片能到達(dá)的最低水分含量比莖稈高，因此在薄層里將苜蓿草段干燥到最終所要求的10%水分含量是不可能的。在那些溫度下，這種現(xiàn)象限制了苜蓿存留時(shí)間和最終水分含量。因此，設(shè)計(jì)半封閉式牧草干燥機(jī)時(shí)，設(shè)定干燥溫度不宜過(guò)高，應(yīng)該在200℃左右，這樣才能使苜蓿干燥最終水分含量在10%左右。

2 機(jī)械處理方式與苜蓿干燥特性

2.1 處理苜蓿草段的干燥特性

把紫花苜蓿平鋪在一個(gè)堅(jiān)硬的表面上，用直徑為50 mm的光滑滾筒（10 kg）在其上滾動(dòng)一次，利用滾筒的重量進(jìn)行加壓，使苜蓿植株破裂。如圖4、圖5所示。然后進(jìn)行常壓熱風(fēng)干燥。熱介質(zhì)溫度為180℃，表現(xiàn)風(fēng)速為0.3 m·s-1。

圖4 未壓裂苜蓿莖稈電鏡圖Fig.4 Microscopic section of unconditioned alfalfa stem

圖5 壓裂苜蓿莖稈電鏡圖Fig.5 Microscopic section of conditioned alfalfa stem

苜蓿水分的散失主要是通過(guò)維管系統(tǒng)和細(xì)胞間隙到氣孔。當(dāng)苜蓿含水量降低到45%左右時(shí)，在這個(gè)階段細(xì)胞開(kāi)始死亡，水分大部分保留在細(xì)胞內(nèi)部，而水分從細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)入細(xì)胞間隙時(shí)，細(xì)胞壁的阻力較大，并且角質(zhì)層里含有部分蠟質(zhì)，蠟質(zhì)常被擠壓滲出角質(zhì)層，從而阻擋了水分通過(guò)角質(zhì)層而蒸發(fā)。苜蓿植株的含水量減少，導(dǎo)致其與大氣之間的水勢(shì)差減少，因此水分散失速度較慢而不均勻。用壓裂莖稈的方式加快莖的干燥速度，從而縮短苜蓿的干燥時(shí)間。對(duì)照苜蓿壓裂和未壓裂莖稈電鏡圖（圖4和圖5），可以明顯地發(fā)現(xiàn)機(jī)械處理破壞了表皮、皮層和維管束的基本結(jié)構(gòu)，髓質(zhì)部分破壞嚴(yán)重，表皮層破裂，增加了內(nèi)部水分散失的途徑。

2.2 機(jī)械處理次數(shù)對(duì)苜蓿干燥速率的影響

莖稈（去除葉片）被三種型式的滾筒壓扁，分別為光滑滾筒（直徑50 mm）、環(huán)型滾筒（直徑50 mm）和縱向槽滾筒（直徑50 mm）。壓面為光滑和環(huán)行槽的滾筒，每個(gè)重10 kg。帶槽滾筒槽深0.5 mm，輪間距為2 mm，縱型槽滾筒槽深是0.5 mm，兩槽間距離為2.5 mm。苜蓿用手工以一薄層形式添入壓扁滾筒以相反方向保持380～400 r·min-1速度轉(zhuǎn)動(dòng)。

表3 鮮苜蓿的處理方式與干燥特性Table 3 Processing methods of fresh alfalfa and drying performance

如表3所示，使用縱向齒槽機(jī)械處理莖稈，干燥時(shí)間從550 s減少到大約360 s。從壓扁莖稈里壓出的汁液呈自由水狀態(tài)，并且易于干燥。光滑圓筒將干燥時(shí)間減少到大約300 s，用環(huán)形槽的滾筒的干燥時(shí)間為360 s。苜蓿莖稈在兩縱向槽滾筒間壓1次、3次和5次，水分含量降到10%所需的干燥時(shí)間從滾動(dòng)一次的360 s，降到滾動(dòng)三次的300 s。進(jìn)一步壓扁到5次卻不能顯著提高干燥速率，原因是壓過(guò)3次后莖稈被完全壓扁水分幾乎都?jí)撼龅奖砻?。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了機(jī)械強(qiáng)度的大小與苜蓿干燥速率有密切的關(guān)系，選擇合理的碾壓原理和壓裂程度是獲得優(yōu)化干燥工藝的基礎(chǔ)。選擇光滑槽壓扁一次和縱向槽重復(fù)壓扁3次處理的干燥效果較理想。

2.3 草段長(zhǎng)度對(duì)苜蓿干燥速率的影響

從植物生理學(xué)角度分析，莖稈表面的蠟質(zhì)層是水分運(yùn)動(dòng)的障礙，因此水在縱向運(yùn)動(dòng)比橫向運(yùn)動(dòng)容易。但是從生產(chǎn)和節(jié)能的角度考慮，紫花苜蓿必須進(jìn)行切斷處理，而且草段的長(zhǎng)度不宜過(guò)短。由于中低溫（200℃以下）加熱不能完全破壞角質(zhì)層，在干燥過(guò)程中切斷處理對(duì)減少干燥時(shí)間是特別有益的。因此，草段長(zhǎng)度在減少干燥時(shí)間方面起著重要的作用。為了研究莖稈長(zhǎng)度對(duì)干燥速率的影響，在銀鑼牧場(chǎng)苜蓿的第二茬始花期前人工收獲，莖稈和整植株被切成不同尺寸的草段，供試材料散放在薄層干燥器的擱網(wǎng)篩面上，平攤密度為1.5 kg·m-2?？疾烨o稈長(zhǎng)度為10、20、30、50、70、90和100 mm與莖稈干燥常數(shù)的關(guān)系，這里用干燥常數(shù)k表示干燥速率的大小。

圖6 莖稈長(zhǎng)度對(duì)干燥常數(shù)k的影響Fig.6 Effects of alfalfa stems length on drying coefficient

圖7 草段長(zhǎng)度對(duì)相對(duì)干燥常數(shù)k的影響Fig.7 Effects of alfalfa stems length on relative drying coefficient

如圖6和圖7所示，莖稈和草段的長(zhǎng)度對(duì)于干燥常數(shù)k的影響呈指數(shù)變化，如式（4）方程符合指數(shù)規(guī)律，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.934。莖稈長(zhǎng)度在10～30 mm范圍內(nèi)，其干燥常數(shù)k的變化呈顯著的線性，大于30 mm以上的草段的干燥常數(shù)k的變化比較緩慢，根據(jù)擬合曲線，綜合考慮生產(chǎn)實(shí)際情況，莖稈或草段的長(zhǎng)度取30～50 mm。

L—莖稈長(zhǎng)度，mm；K—干燥常數(shù)

3 結(jié)論

（1）通過(guò)紫花苜蓿的生理和物理特性的試驗(yàn)研究，得出苜蓿葉片的水分含量與干燥時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系，近似直線變化。草段與莖稈的水分含量與干燥時(shí)間的變化呈指數(shù)關(guān)系。利用簡(jiǎn)單的物理方法，進(jìn)行紫花苜蓿干燥特性的研究，確定最長(zhǎng)干燥存留時(shí)間與苜蓿含水率的關(guān)系。

（2）對(duì)照壓裂處理的電鏡圖，明顯地觀察到表皮、皮層等基本結(jié)構(gòu)被破壞，髓質(zhì)部分破壞嚴(yán)重，表皮層破裂，增加內(nèi)部水分散失的途徑，從而縮短苜蓿的干燥時(shí)間。干燥速度提高1.5～2倍。

（3）試驗(yàn)研究機(jī)械處理次數(shù)和草段長(zhǎng)度對(duì)苜蓿干燥速率的影響規(guī)律。選擇光滑槽壓扁一次和縱向槽重復(fù)壓扁三次處理的干燥效果最好。適宜的草段長(zhǎng)度為30～50 mm。

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