花生莢果固定床網袋堆垛通風干燥實驗研究

陳鵬梟, 郭相毅, 王殿軒, 渠琛玲, 陳 亮, 李 玉, 張偉康, 朱文學

(河南工業大學糧食和物資儲備學院1,鄭州 450001) (河南工業大學生物工程學院2,鄭州 450001)

花生(ArachishypogaeaLinn.),是我國重要的油料作物之一,其產量常年位居世界前列?；ㄉ缓喾N營養物質,如脂肪、蛋白質、維生素、糖類等,其中,蛋白質質量分數為24%～36%,是植物蛋白的重要來源[1-3]。剛收獲的新鮮濕花生水質量分數高達50%,容易感染黃曲霉菌,從而產生黃曲霉毒素[4-8]。每年有10%～20%的花生因未能及時干燥,發生霉變,造成經濟損失[9]。因此新鮮花生收獲后及時干燥十分重要。

現有的花生莢果干燥設備多為通用型設備,且投資高、能耗大、干燥不均勻性嚴重[10, 11],對于農戶以及中小型花生企業來說,急需適用、簡便的花生莢果專用干燥設備。楊柳等[12]設計了一種太陽能為主、電能輔助的花生干燥裝置,并通過實驗表明其集熱性能良好,可在一定程度上解決傳統曬干方式干燥周期長、曬場需求大的問題。臧華[13]研發了一種新型混逆流高效花生干燥機,實踐表明其具有不錯的干燥效果及應用價值,在解決花生曬場不足及降水困難等方面具有積極作用。渠琛玲等[14]采用中型及小型通風囤對濕花生進行常溫通風干燥,可在陰雨天氣有效降低濕花生的水分含量,達到安全儲藏的目的。郭相毅等[15]通過使用2.2 kW離心風機與3個容量為2.25 m3圓筒倉體的徑向常溫通風倉囤進行組合,可有效干燥新鮮濕花生莢果,風量越大,干燥速率越快,且干燥效果良好?；诖?自通風倉囤花生莢果干燥技術后團隊新設計了一種固定床網袋堆垛通風花生莢果干燥技術。固定床網袋堆垛通風花生莢果干燥技術可以保障氣流安全帶走花生莢果呼吸作用產生的熱量和花生莢果中的水分,此技術在干燥花生莢果的過程中保證了花生莢果的品質,可在連續陰雨天氣條件下達到花生莢果的抑霉降水干燥處理。

本實驗通過研究花生莢果的干燥特性、干后品質以及除去花生莢果中單位質量水分所需能耗來判斷固定床網袋堆垛干燥設備的干燥性能,并與固定床網袋自然堆垛干燥、自然晾曬對比,來證明花生莢果堆垛干燥的適用性和可靠性,以期為花生莢果干燥技術及應用提供參考。

1 預實驗

1.1 實驗方法

選取已知體積工具箱。量取每袋所裝花生莢果的合適(不浪費袋子且袋與袋間縫隙最小)體積。

1.2 實驗結果

選擇長85 cm、寬52 cm的網袋,每袋裝40%總體積為最適量,共放136袋,花生莢果袋總體積為3.9 m3?；ㄉv果堆放方式如圖1所示。其中花生堆垛每層放置8袋,每層高0.09 m、0.23 m3,共17層,總體積為3.9 m3。

注:堆垛具體層數以實際為準。圖1 堆垛擺放示意圖

2 材料與方法

2.1 實驗材料

新鮮濕花生莢果,品種為開農308,中型果,由田間收獲后未經水洗,經測定初始水質量分數為37.85%。

2.2 實驗設備

圖2為固定床網袋堆垛通風干燥裝置示意圖。通風管將實驗臺所在區域外的空氣通過風機入口送入倉室,空氣從倉室四周壁孔排出。

DHG-9076A電熱恒溫鼓風干燥箱、SIN-TH800溫濕度變送器、SIN-R6000F無紙記錄儀、索氏抽提裝置、CR-400型色彩色差儀。

注:A為4-72型離心風機(4kW);B為通風管道;C為勻風倉室80 cm×80 cm×150 cm(長×寬×高)。圖2 固定床網袋堆垛通風干燥裝置

2.3 實驗方法

2.3.1 固定床網袋堆垛通風干燥

機械通風實驗臺搭建完畢后,按預先測得的數據擺放好花生莢果袋;按照堆垛內傳感器空間布置,將傳感器布置在堆垛內;啟動風機,通入常溫風,干燥期間每8 h用扦樣器取樣1次,測定傳感器所在位置的花生莢果含水率,同時記錄溫濕度數據;花生莢果含水率測定方法參照GB 5009.3—2016;期間無太陽輻射,當花生莢果水質量分數降至10%以下后,結束實驗。

2.3.2 固定床網袋自然堆垛干燥

固定床網袋自然堆垛是在固定床網袋堆垛通風干燥的花生莢果堆基礎上向上增加3層花生莢果,自然堆垛花生莢果與堆垛通風花生莢果間相隔1層塑料隔層,此部分花生莢果無人為通風,無太陽輻射。

2.3.3 自然晾曬

將新鮮花生莢果平鋪于曬場,厚度為6.5 cm,干燥期間如遇到雨天,則將花生莢果移至遮雨棚內,期間無人為通風,有太陽輻射。

2.4 實驗環境條件

花生莢果干燥實驗起始于2022年9月25日,結束于2022年10月2日,其中,前6 d為多云或晴天,后2 d為雨天。

2.5 取樣方法

花生莢果取樣點位置如圖3所示,堆垛4個通風面相同,因此只需研究其中一面,取樣點①和③、②和④、⑤和⑦、⑥和⑧分別在同一條垂線上,按垂直平面將①③⑤⑦所在面記為內層,②④⑥⑧記為外層;①②⑤⑥在同一水平面、③④⑦⑧在同一水平面。假設通風室高為1,則①和③距通風室頂端分別為1/4、3/4;假設通風室厚度為1,則①和②距通風室外壁分別為1/3、2/3。

圖3 花生莢果取樣點位置

2.6 測定方法

2.6.1 干燥速率

干燥速率計算見式(1):

式中:v為t時刻的干燥速率/%/h;mt為干燥至t時刻花生莢果的水質量分數/%;mt+Δt為干燥至t+Δt時刻花生莢果的水質量分數/%;Δt為2次取樣間隔時間/h。

2.6.2 粗脂肪

參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》進行粗脂肪含量的測定。

2.6.3 色澤

使用色彩色差儀測定干后花生莢果紅衣L*、a*、b*值。

2.6.4 單位能耗

單位能耗是花生莢果干燥設備的重要測量指標之一,其中總能耗按式(2)計算:

Q=P·t

(2)

式中:Q為總能耗/(kW·h);P為功率/kW;t為時間/h。

單位能耗按式(3)計算:

式中:q為脫除單位質量的水所需的能耗/J/kg;Q為總能耗/(kW·h);M為花生莢果所脫除水的總質量/kg。

2.7 數據處理

采用Origin2021對數據進行處理。

3 結果與分析

3.1 固定床網袋堆垛通風花生莢果的干燥特性

圖4為花生莢果堆垛不同取樣點樣品水分含量變化曲線,所有取樣點花生莢果水質量分數均降至10%以下需要160 h,平均干燥速率為0.17%/h。實驗時有陰雨天氣出現,期間空氣溫度降低,濕度增大,花生莢果的傳質系數以及換熱系數變小,其與常溫空氣之間熱質交換變慢,因此干燥速率下降。

圖4 花生莢果堆垛不同取樣點水分含量變化曲線

內層4個取樣點花生莢果水分含量隨干燥時間的延長呈直線下降趨勢,外層4個取樣點花生莢果水分含量曲線呈波浪形下降趨勢,這是由于夜間花生莢果堆內外存在一定的溫差,且外層位于遠風端,當濕熱氣流遇到低溫花生莢果層時,氣體的溫度降低、濕度增大,外層花生莢果吸附水汽使得水分含量增加,出現結露現象[16,17]。陳明等[18]研究發現,秋冬季節結露現象還與花生莢果本身的水分含量有關,水分含量越高,越容易結露。因此,在干燥前期,花生莢果水分含量突增與結露現象有關。

圖5為花生莢果堆垛不同取樣點干燥速率變化曲線,由圖可看出,最高干燥速率為1.72%/h,而整個干燥過程中干燥速率在同一水平線附近呈現波浪形變化,這可能是因為下午空氣濕度小,溫度高,早晚尤其凌晨的空氣濕度大,溫度低,導致干燥過程中介質空氣的干燥能力不同,因此干燥速率曲線總體呈現波浪形變化趨勢。

圖5 花生莢果堆垛不同取樣點干燥速率變化曲線

3.2 不同干燥方式對花生莢果干燥特性的影響

固定床網袋堆垛通風干燥,可憑借外力通入自然風,迅速帶走堆垛間的水分,產生明顯的水分梯度,如此循環,可迅速干燥。自然晾曬借助太陽輻射對濕花生莢果進行干燥,但此方法對天氣的依賴性強,穩定性不高。固定床網袋自然堆垛干燥過程完全憑借花生莢果物料內部水分的自由擴散,較為被動,且夜間空氣水分含量升高,吸水能力下降,白天雖然溫度相對夜間高,但沒有太陽輻射和人為通風,因此干燥效果沒有明顯改觀。圖6為固定床網袋堆垛通風(常溫風)、固定床網袋自然堆垛以及自然晾曬3種干燥方法干燥過程中花生莢果的水分含量變化曲線,在整個干燥過程中,固定床網袋堆垛干燥方式下花生莢果的水分含量幾乎均低于其余二者,通風干燥效果最好,干燥速率變化最為穩定,其次是自然晾曬,最后是固定床網袋自然堆垛干燥。結果表明,陰雨天氣下若使用堆垛通風干燥方式干燥濕花生莢果,可防止其因長期堆放發生霉變。

圖6 不同干燥方式下花生莢果水分含量及干燥速率變化曲線

3.3 干燥過程中堆垛內溫濕度的變化

圖7a是堆垛內不同取樣點處溫度隨時間的變化曲線。堆垛由下向上擺放,擺放好的新鮮濕花生莢果依舊進行著旺盛的呼吸作用并伴隨著熱量的產生,因此曲線初始時刻⑦、③記錄的溫度分別為17.2、16.0 ℃,相對內層其他2個取樣點(①、⑤)較高。取樣點間的溫差隨著干燥的進行由初始狀態增加至5.5 ℃后最終降至2.4 ℃,干燥結束時內層4個取樣點的溫度變化曲線趨向重合。

圖7 堆垛內不同取樣點處溫度和濕度變化曲線

⑧的溫度變化曲線處于最下方,這是因為干燥空氣經過內層后到達外層,花生莢果與空氣間存在溫度差,內層花生莢果與通過的空氣進行熱質交換導致空氣溫度降低,同時,⑧靠近地面,靠近地面的空氣溫度相對較低。同處于堆垛外層的其他3個點,由于距離風端的遠近的不同,遠風端經過的路徑較長,導致干燥過程中溫度有所差別。

圖7b是堆垛內不同取樣點處的濕度隨時間的變化曲線。隨著干燥時間的推移,花生莢果的含水量在不斷下降,堆垛內各取樣點處介質空氣的濕度也隨之下降。干燥過程中堆垛內層各取樣點濕度變化曲線趨向一致,由于①位于近風端,⑦位于遠風端且靠近地面,因此在干燥過程中,內層4個取樣點濕度由高到低為⑦⑤③①。

花生莢果堆垛外層濕度變化較為復雜,整個干燥過程中濕度由高到低為⑧⑥④②,濕度間的差距隨著干燥的進行逐漸減小。在干燥初期⑧⑥④②均有一段時間長度不同、相對濕度為100%的曲線;其中⑧持續的時間最長,直到干燥第94 h時濕度才開始低于相對濕度100%,干燥至138 h與外層其他3個點變化趨勢相同,這是因為⑧位于接近地面的遠風端,同時處于堆垛外層,外層的空氣濕度最大,因此通過⑧的介質空氣濕度最大;同處于堆垛外層的其他3個取樣點,與風源間的距離不同,干燥過程中濕度不同,在干燥時間為21、43、45 h時,相對濕度分別降至100%以下。

3.4 不同干燥方式對花生莢果粗脂肪含量的影響

脂肪是花生莢果中主要的營養成分之一,占干燥花生莢果總質量的44%～52%[19, 20],脂肪含量是花生莢果營養評價的重要指標[21]。3種干燥方式干后花生莢果的粗脂肪含量不同。其中,固定床網袋堆垛通風干燥后花生莢果的粗脂肪質量分數高達48.08%;固定床網袋自然堆垛干燥后花生莢果的粗脂肪質量分數最低,為23.19%;自然晾曬為34.43%,介于兩者之間。原因在于固定床網袋堆垛通風干燥在快速除去堆垛空隙間水分的同時能降低因花生莢果呼吸作用產生的熱量,有效防止微生物的生長,保持干后花生莢果的粗脂肪含量。

3.5 不同干燥方式對花生莢果色澤的影響

干燥過程中,可以通過花生莢果的色澤判斷花生莢果的干后品質[22]。由圖8可見,經不同干燥方式干燥的花生莢果色澤存在明顯差異。固定床網袋自然堆垛干燥法干后的花生殼表面有明顯的褐綠色和白色斑點,花生仁表面色澤偏暗,并有不均勻的黃褐色斑點;自然晾曬干后的花生殼表面顏色相對均勻,但花生仁表面有輕微皺縮現象,可能是因為中午太陽輻射較強時期花生脫水較快導致的;使用固定床網袋堆垛通風干燥方法干燥后的花生莢果色澤較亮,花生仁表面較平整光滑,無明顯收縮跡象,這是由于干燥期間無太陽輻射,脫水速率穩定,避免了花生仁體積皺縮現象的出現。

注:a為固定床網袋堆垛通風干燥,b為自然晾曬干燥,c為固定床網袋自然堆垛干燥圖8 不同干燥方式干燥后的花生莢果

圖9為不同干燥方式對花生仁L*、a*、b*值的影響,其中a*值越大花生仁紅衣越紅,b*值越大花生莢果仁表面越黃[23, 24]。固定床網袋堆垛通風干燥和自然晾曬后花生仁的L*分別為57.78和58.77,花生仁表面亮度均高于自然堆垛干燥;自然晾曬后花生仁的a*和b*值均為三者中最高;固定床網袋堆垛和自然堆垛干燥方式下花生仁的a*值相近,與自然晾曬僅相差0.92和0.97,且均為正值;固定床網袋堆垛和自然堆垛干燥方式下花生仁的b*值均低于自然晾曬,差值分別為2.11和1.26;因此,固定床網袋堆垛通風堆垛干燥和自然晾曬后花生仁的亮度更佳且黃值更低。

圖9 不同干燥方式對花生莢果色澤的影響

3.6 單位能耗分析

固定床網袋堆垛通風干燥實驗均進行了160 h,通過計算可得堆垛通風干燥的能耗情況,其中除去花生莢果中單位質量的水分需要消耗4.28×106J的能量,由于堆垛通風干燥所使用的干燥介質為常溫空氣,相較于熱風[25](3×108～4×108J)、熱泵[26](3.09×107J)、微波[25](3×108J)等常見的干燥方式減少了熱能以及其他方面的能耗,因此在能耗方面具有明顯優勢。

4 結論與展望

實驗表明,固定床網袋堆垛通風干燥設備可以安全有效地干燥新鮮花生莢果。結合花生固定床網袋堆垛通風干燥實驗可得,使用固定床網袋堆垛通風(常溫風)干燥設備干燥花生莢果,花生莢果水質量分數由37.85%降至10.00%以下需要160 h,環境溫度越高、濕度越小,干燥速率越快,干燥時間越短;固定床網袋堆垛通風干燥法相比于固定床網袋自然堆垛干燥法和自然晾曬,干后花生莢果的粗脂肪質量分數高達48.08%,且花生殼、花生紅衣的色澤更優,其干后的花生莢果品質更穩定;固定床網袋堆垛通風干燥設備干燥花生莢果時,除去花生莢果中單位質量的水分需要消耗的能量為4.28×106J,相比于傳統干燥方式具有顯著優勢。使用常溫空氣對花生進行干燥時,由于晝夜溫差以及空氣濕度存在差異,花生料堆外層花生容易出現結露現象,增大了外層花生的干燥難度,因此,夜間或許可通過增大單位面積的通風量來抵消因環境因素對花生干燥造成的阻礙;在使用常溫空氣對花生干燥的實驗中,并未考慮花生料堆的料層厚度、料堆孔隙率、花生初始含水率等自身物理參數對干燥速率的影響,今后實驗可綜合考慮自身和外在因素對花生干燥速率的影響。