油茶籽的热风干燥特性及数学描述.pdf

华 南 理 工 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 第 38卷 第 8期Journal of South China University of Techno logyVo.l 38? No. 8 2010年 8月( Natural Science Edition)A ugust?2010 文章编号: 1000?565X( 2010) 08?0116?05 ? ? 收稿日期:2009?12?23 * 基金项目: 广东省科技计划项目 ( 2009B030802043, 2009B020201007) ? 作者简介: 张喜梅 ( 1969?), 女, 博士, 助理研究员, 主要从事食品化工、 声化学技术及其应用研究. E?mai:lfe mzhang scut . edu. cn ?通讯作者: 吴雪辉 ( 1965?), 女, 博士, 副教授, 主要从事粮油食品加工与综合利用研究. E? mai: l xuehwu scau . edu. cn 油茶籽的热风干燥特性及数学描述 * 张喜梅 1? 吴雪辉2? ? 李昌宝 2? 寇巧花2? 李丽2 ( 1. 华南理工大学 轻工与食品学院, 广东 广州 510640; 2. 华南农业大学 食品学院, 广东 广州 510642) 摘 ? 要: 干燥对油茶籽贮藏、 加工和茶油质量极其重要. 为了优化干燥工艺, 降低干燥能 耗, 研究了热风干燥、 微波干燥和自然干燥 3种方法对油茶籽中油脂稳定性的影响, 考察 了温度和堆积密度对油茶籽干燥特性的作用规律, 采用 3种不同模型对油茶籽干燥过程 进行拟合, 建立了干燥数学模型. 结果表明: 油茶籽适宜采用热风干燥, 干燥速率随着温度 的升高和堆积密度的减小而增大; 在 40 、 55 、 70? 下, 油茶籽干燥至相对安全储藏水分所 需时间分别为 20 、 15 、 13h ; 堆积密度为 322 、 354 、 430 、 442kg/m 3 时, 对应的干燥时间约为 15、 20 、 22 、 25h. 常用的 3种指数干燥模型的线性回归分析表明, Page模型能较好地描述 油茶籽的热风干燥过程, 所得理论值和试验值之间的平均相对误差为 5?72 % , 说明该模 型能较准确地预测油茶籽干燥过程中的干燥速率及水分含量. 关键词: 油茶籽; 干燥特性; 数学模型 中图分类号: TS222? ?do: i 10 . 3969/.j issn. 1000?565X. 2010 . 08 . 022 ? 油茶籽是我国特有的木本油料, 主要分布在我 国南方的 14个省 (区 )的山区和丘陵, 目前全国有 油茶林约为 400万 h m 2, 年产油茶籽超过 60万 t 1. 从油茶种子中提取的茶油具有很高的营养价值和 保健功能, 它能增强血管弹性和韧性, 延缓动脉粥 样硬化, 增加肠胃吸收功能, 促进内分泌腺体的激 素分泌, 防治神经功能下降, 提高人体免疫力等 2, 其脂肪酸组成与橄榄油相似, 有 东方橄榄油 !之 称 3 . 我国食用油供需矛盾十分突出, 国内食用植物 油的 60 % 左右依赖进口. 传统草本油料生产受土地 限制, 发展油茶产业能迅速增加油料供应, 因而受到 各级政府和民间的日益重视 4. 油茶树种植面积迅 速扩大, 使油茶籽的加工利用成为研究热点 5. 干燥是油茶籽加工利用的第一道工序, 对油茶 籽品质、 出油率和油脂的品质有重要影响 6?7. 长期 以来, 茶油主要是农户自种、 自收、 自管, 进行作坊式 榨油. 干燥主要采用自然晒干法, 其所需时间长且劳 动强度大, 加之南方多阴雨, 高水分含量的油茶籽容 易腐烂, 油脂酸败, 严重影响后续加工过程 8?9, 成 为茶油规模化生产的瓶颈之一. 为了适应油茶的产 业化生产, 文中研究了干燥方法对油茶籽油脂品质的 影响, 探讨了油茶籽的干燥特性, 建立了干燥数学模 型, 以期为不同水分含量的油茶籽的干燥和加工利用 提供基础数据和理论指导. 1? 材料与方法 1. 1? 材料与主要仪器设备 新鲜油茶果, 采购于广东省河源市龙川县赤光镇. JA2003A型电子分析天平 (上海精密科学仪器 有限公司 ); 热风循环高温灭菌箱 (湖北市黄石医疗 器械厂 ); QW ? 3HM 微波干燥杀菌机 (广州科威微波 能有限公司 ). 1 . 2? 实验方法 1 . 2 . 1? 油茶籽的干燥方法 将新鲜油茶果去果皮后, 除去霉变、 病虫害损伤 的籽粒, 按一定的堆积密度均匀平铺在物料盘上, 采 用自然干燥、 热风干燥和微波干燥 3种方法进行干 燥, 定时取样检测油茶籽的含水率, 直到油茶籽的含 水率为 9?48 % ( 20? 下的相对安全储藏水分 ). 1 . 2 . 2? 分析方法 过氧化值 ( POV)采用硫代硫酸钠滴定法 ( GB/T 5009 2003)测定; 酸价 (AV)采用酸碱中和滴定法, 用 KOH ? 乙醇标准溶液滴定, 按照 GB5530 1985方 法进行; 含水率用干燥法测定. 1 . 2 . 3? 计算方法 含湿比 MR: MR= Xi- Xe Xo- Xe ( 1) 式中: Xi为样品在任意时间的含水率; Xo为样品的 初始含水率; Xe为样品的平衡含水率, 通常可以用 干燥产品的目标含水率 Xf代替, 这样含湿比可以修 正为 MR= Xi- Xf Xo- Xf ( 2) 干燥速率: R= ?W tS ( 3) 式中: R 为单位时间、 单位面积内油茶籽水分质量的 变化值, kg /( h# m 2 ); ?W为一定时间内油茶籽水分 质量的变化值, kg ; t为时间, h ; S为干燥面积, m 2. 2? 结果与分析 2 . 1? 油茶籽干燥方法的选择 2 . 1 . 1? 干燥方法对油茶籽中油脂过氧化值的影响 过氧化值 ( POV)是评价酸败的重要指标之一, 将堆沤去壳后的油茶籽采用自然干燥、 热风干燥 ( 70? )和微波干燥 (连续隧道式微波干燥设备, 功 率 6 200k W可调 ) 3种方法进行干燥, 直至其含水 率达到相对安全储藏水分 10. 干燥的油茶籽在常温 下贮藏, 定期取样测定所含油脂的过氧化值, 并分析 其变化规律, 结果如图 1所示. ? 图 1中显示, 不同方法干燥的油茶籽中的油脂 过氧化值均随贮藏时间的延长而升高. 前 3个月相 对较稳定; 3个月后, 油脂的过氧化值迅速上升, 其 中以微波干燥的油茶籽中的过氧化值增加最快, 其 次是自然干燥, 热风干燥的油茶籽中的油脂的过氧 化值变化相对较慢. 贮藏 8个月后, 经过微波干燥、 自然干燥、 热风干燥处理的油茶籽所含油脂的过氧 化值分别达到 3?44 、 2?04和 1?46mmol/kg . 图 1? 干燥方法对油茶籽储藏过程中油脂 POV的影响 F ig . 1? Effect of drying methods on POV of oilduring storage of Camellia oleifera seed 2 . 1 . 2? 干燥方法对油茶籽中油脂酸价的影响 酸价 ( AV)是评价油脂品质的主要指标. 对不同 方法干燥的油茶籽进行常温贮藏, 定期取样测定所 含油脂的酸价, 并分析其变化规律, 结果如图 2所 示. 由图 2中可知, 热风干燥的油茶籽酸价变化较 小; 自然干燥的油茶籽的酸价在贮藏前 4个月与热 风干燥的相似, 变化较小, 但 4个月后油脂的酸价明 显上升; 微波干燥的油茶籽中油脂酸价变化最快, 上 升最多. 储藏 8个月后, 热风干燥、 自然干燥、 微波干 燥的油茶籽所含油脂的酸价分别为 0?65 、1?14 、 1?79 mg/g . 热风干燥的油脂酸价小于 1?00mg/g , 达 到一级食用茶油的标准 ( GB 11765 2003), 精炼时 可以省去脱酸的工序, 减少设备投入, 缩短茶油生产 周期, 减少成品油损失, 提高茶油回收率. 图 2? 干燥方法对油茶籽储藏过程中油脂酸价的影响 F ig . 2? Effect of drying methods on AV of oil during storage of Camellia oleifera seed ? ? 综合图 1 、 2可知, 采用 3种干燥方法得到的油 茶籽中油脂的品质以热风干燥较好, 其次是自然干 燥, 微波干燥的油脂过氧化值和酸价都较高. 微波干 燥虽然速率快、 干燥时间短, 但干燥温度较高, 难以 控制, 并促使油茶籽蛋白变性程度增大, 出现油脂 外溢!, 在储藏过程中油脂与氧气接触而诱导酸败 加快; 自然干燥温度较低、 时间长, 一般需要 10多 117? 第 8期张喜梅 等: 油茶籽的热风干燥特性及数学描述 天, 在晒干过程中太阳光能触发油脂的光氧化, 导致 酸价和过氧化值升高; 热风干燥时间较自然干燥明 显缩短, 没有光照, 而且干燥过程对脂肪酶有一定的 抑制作用, 所以经热风干燥后的油茶籽在贮藏过程 中的酸价和过氧化值升高最小, 品质最好. 因此, 油 茶籽适宜采用热风干燥. 2 . 2? 油茶籽的热风干燥特性曲线 2 . 2 . 1? 干燥温度对油茶籽干燥特性的影响 取若干份等量新鲜油茶籽, 按一定的堆积密度 分别置于 40 、 55 、 70? 下进行热风干燥, 定时取样测 定油茶籽的含水率, 得到不同干燥温度下油茶籽的 干燥曲线和干燥速率曲线, 如图 3( a)和 3( b)所示. 图 3? 不同温度下油茶籽的干燥曲线和干燥速率曲线 Fig . 3? Drying curves and drying rate curvesofCamellia oleifera seed at different te mperatures ? 由图 3( a)中可知, 干燥初期的 MR随干燥时间 的延长迅速下降, 说明油茶籽的含水率下降较快; 干 燥后期含水率下降减慢. 干燥温度越高, 油茶籽的含 水率降低越快, 干燥时间越短, 这种趋势在脱水开始 阶段尤其明显, 40 、 55 、 70? 下干燥至油茶籽的相对 安全储藏水分 ( 9?48 % )所需的时间分别为 20 、 15 、 13h , 因为干燥温度的增加可以加速油茶籽与干燥 介质间的热交换. 从图 3( b)中可以看出, 油茶籽的 热风干燥过程分为加速和减速两个阶段, 加速阶段 时间较短, 减速阶段时间较长, 且温度越高干燥速率 越大. 2 . 2 . 2? 堆积密度对油茶籽干燥特性的影响 分别取一定量的新鲜油茶籽, 按堆积密度分别 为 322 、 354 、 430 、 442kg/m 3 平铺, 置于 55? 下热风 干燥, 定时取样测定油茶籽的含水率, 得到不同堆积 密度下油茶籽的干燥曲线和干燥速率曲线, 如图 4( a)和 4( b)所示. 图 4? 不同堆积密度下油菜籽的干燥曲线与干燥速率曲线 F ig . 4? D rying curves and drying rate curves ofCamellia oleifera seed at different bulk densities ? ? 图 4( a)显示, 堆积密度越大, 油茶籽水分含量 下降越慢, 干燥时间越长; 堆积密度分别为 322 、 354 、 430 、 442kg /m 3 时, 干燥至油茶籽的相对安全储 藏水分所需的干燥时间分别为 15 、 20 、 22 、 25h左右. 由图 4( b)中可知, 油茶籽的干燥初期, 即加速阶段, 堆积密度对干燥速率的影响较小, 随着干燥进入减 速阶段, 堆积密度的影响逐渐显著. 2. 3? 油茶籽的热风干燥数学模型 根据油茶籽干燥特性曲线的形状特点, 选择指 数函数作为基函数. 常见的指数干燥模型有 3种. ( 1)单项经验模型: MR= Bexp( -A t); ( 2) Page模型: MR= exp( - K t N ); ( 3)指数模型: MR= exp( - A t). 式 中, A、 B、 K、 N 为与干燥参数相关的常数. 118华 南 理 工 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )第 38卷 指数模型是单项经验模型和 Page模型的特殊 形式, 因此用单项经验模型和 Page模型来模拟油茶 籽的热风干燥过程. 由于采用线性回归分析程序, 首 先将上述模型化为线性模型. 单项经验模型: ln MR= - At+ lnB( 4) Page模型: ln( - ln MR) = ln K + N lnt( 5) 将图 3( a)、 4( a)中的数据按上述线性模型作图, 得 到图 5( a)和 5( b). 图 5? 不同干燥条件下的 ln MR- t和 ln( - ln MR) - lnt曲线 Fig . 5?ln MR- t and ln( - lnMR) - lnt curves in different dry? ing conditions ? 由图 5中可知, Page模型更适合于描述油茶籽 的干燥过程, 将图 5( b)进行计算机拟合, 可得到不 同干燥温度和堆积密度下油茶籽干燥的数学模型, 联立为 ln( - ln MR) = 1?3224lnt- 2?5874?( 322kg/m 3, 40? ) ln( - ln MR) = 1?3425lnt- 2?3110( 322kg/m 3, 55? ) ln( - ln MR) = 1?2364lnt- 1?7607( 322kg/m 3, 70? ) ln( - ln MR) = 1?3193lnt- 2?7302( 354kg/m 3, 55? ) ln( - ln MR) = 1?3066lnt- 2?9870( 430kg/m 3, 55? ) ln( - ln MR) = 1?3583lnt- 3?3327( 442kg/m 3, 55? ) ( 6) ? 采用线性回归的方法, 由式 ( 6)可求出 K、 N, 结 果见表 1. 表 1?Page模型的参数 Table 1?Para meters of Page model 干燥 温度 /? 堆积密度 / ( kg# m- 3) K N 1) 相关系数 403220 . 0752151 . 32240 . 9904 553220 . 0991621 . 34250 . 9953 703220 . 1719241 . 23640 . 9987 553540 . 0652061 . 31930 . 9875 554300 . 0504391 . 30660 . 9730 554420 . 0356971 . 35830 . 9842 ? 1)显著性水平 P 均小于 0?001 . ? ? 从表 1中可以看出, 各组数据的线性回归极其 显著, 相关系数都在 0?97以上, 显著性水平 P 0?001, 故可选择 Page模型作为其动力学方程. 由表 1中还可以看出, 在不同干燥温度和堆积密度下, K 和 N 值不同. 利用 Excel软件将它们分别进行多项 式拟合, 不同的温度 ( ?)下: ? K = 1?085 10 - 4 ? 2 - 8?709 10 - 3 ? + 0?250 , r 2 = 1 ; ? N = - 2?804 10 - 4 ? 2 + 0?02798? + 0?6518 , r 2 = 1 . 不同的堆积密度 (x )下: K = - 1?648 10 - 7x3 + 1?903 10 - 4x2 - ? ?0?07318x+ 9?434 , ?r 2 = 1 ; N = 3?808 10 - 7x3 - 4?160 10 - 4x2 + ? ?0?150x - 16?498 ,r 2 = 1. 2. 4? 干燥模型的验证 为检验回归模型的准确度, 选取试验中的一组 数据进行检验. 试验条件为干燥温度 55? 、 油茶籽 堆积密度 354kg/m 3, 理论值与试验值的比较结果如 图 6所示. 从图 6中可以看出, Page模型曲线与试验 曲线基本吻合, 两者数值平均相对误差为 5?72 %, 这说明 Page模型能较准确地反应油茶籽的热风干 燥过程, 起到预测作用. 图 6? 相同条件下试验值与理论值的比较 F ig . 6? Comparison of theoretical and experi mental values in the sa me conditions 119? 第 8期张喜梅 等: 油茶籽的热风干燥特性及数学描述 3? 结论 ( 1)干燥方式对油茶籽的品质有一定影响, 油 茶籽宜采用热风干燥. 采用热风干燥, 储藏过程中油 脂的品质较好, 酸价和过氧化值较低. ( 2)油茶籽的热风干燥速率与温度、 堆积密度 有关. 温度越高, 干燥速率越大; 干燥温度一定时, 堆 积密度越大, 干燥速率越小, 干燥时间越长. 在 40 、 55、 70? 下, 油茶籽干燥至相对安全储藏水分所需 的时间分别为 20 、15 、 13h; 堆积密度为 322 、 354 、 430 、 442kg /m 3时, 干燥至油茶籽的相对安全储藏水 分所需干燥时间分别为 15 、 20、 22 、 25h左右. ( 3)线性回归分析表明, Page模型能较好地表 征油茶籽的热风干燥过程, 预测油茶籽干燥过程中 的干燥速率及水分含量. 参考文献: 1? 庄瑞林. 中国油茶 M . 第 2版. 北京: 中国林业出版 社, 2008 . 2?ZhongHangyan , Bedgood D R, BishopA G, et a.l Endoge ? nousbiopheno,l fatty acid and volatile profiles of selected oils J. Food Che m istry , 2007, 100( 4): 1544?1551. 3?Jung Eunsun, Lee Jongsung , Baek Jihoon, et a. l Effect of Camellia japonica oilon human type I procollagen produc ? tion and skin barrier function J. Journal of Ethnophar ? macology , 2007, 112(1): 127?131. 4?ShuW enNg , ZhaiFengying, BarryM. I mpacts of China? s edible oilpricing policy on nutrition J. Social Science andM edicine , 2008, 66( 2): 414?426. 5? DuL i ?chun, W u Bei?l,i Chen Jian? m in. Flavonoid triglyco? sides fro m the seeds ofCamellia oleifera Abe. l J. Chi ? nese Chem icalLetters , 2008, 19( 11): 1315?1318. 6? Bellagha S, SahliA, Farth A, et a.l Studies on salting and drying of sardine (Sardinella aurita): experi mental kine ? tics and modeling J. 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Research Institute ofLight Industry and ChemicalEngineering , South ChinaUniversity ofTechnology , Guangzhou 510640 , Guangdong , China ; 2. College ofFood Science , South China AgriculturalUniversity , Guangzhou 510642, Guangdong, China) Abstract : The drying procedure is extre mely i mportant to the storage and processing ofCamellia oleifera seed and to the quality ofCamellia oi.l In order to opti m ize the drying technology and reduce energy consumption ,the effects of hot?air drying ,m icrowave drying and natural drying on the stability of oil were analyzed,and the la w of the effects of te mperature and bulk density on the drying characteristics ofCamellia oleifera seed is investigated . Then , a mathematicalmodel d