我国花生干燥影响因素分析及干燥技术装备研究进展

河南农业科学,2021,50(2):1-7
Journal of Henan Agricultural Sciences
doi :10.15933/ki.1004-3268.2021.02.001
收稿日期:2020-08-26
基金项目:河南省科技攻关项目(202102110206);河南省农业科学院优秀青年科技基金计划项目(2020YQ31)作者简介:杨㊀慧(1986-),女,河南周口人,助理研究员,硕士,主要从事农产品产地减损技术及装备研究㊂
E -mail:360150804@
通信作者:朱广成(1970-),男,河南周口人,副研究员,主要从事农产品产地减损与加工研究㊂E -mail:2467135771@
我国花生干燥影响因素分析及干燥
技术装备研究进展
杨㊀慧,王㊀童,翟辰璐,韩俊豪,王招招,董铁有,朱广成
(河南省农业科学院农副产品加工研究中心,河南郑州450002)
摘要:刚收获的花生含水量高,常因未能及时晾晒致使花生霉变,经济损失严重㊂干燥作为花生采后加工的重要环节之一,是保证花生品质和防止霉变的必要手段㊂系统分析了组织结构㊁物质成分㊁品种等内在因素及干燥方式㊁工艺参数等外在因素对花生干燥速率的影响,阐述了目前热风㊁热泵㊁真空等主要花生专用干燥技术及装备的研究现状,并在此基础上,对花生种子活力的劣变机制等干燥理论研究㊁自动一体化技术的研究应用以及高效节能提质联合干燥技术装备的研发提出展望,以期为实现我国花生全程机械化㊁促进花生产业健康可持续发展提供参考㊂关键词:花生;干燥速率;内在因素;外在因素;装备;联合干燥
中图分类号:S565.2㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1004-3268(2021)02-0001-07
Analysis on Influencing Factors and Research Progress of Drying Technology and Equipment of Peanut in China
YANG Hui,WANG Tong,ZHAI Chenlu,HAN Junhao,WANG Zhaozhao,DONG Tieyou,ZHU Guangcheng
(Agricultural Products Processing Center,Henan Academy of Agricultural
Sciences,Zhengzhou 450002,China)
Abstract :The newly harvested peanuts have high moisture content,which often leads to mildew and serious economic loss due to its failure in drying time.As one of the important links of peanut post-harvest processing,drying is a necessary means to ensure the quality of peanut and prevent mould.The effects of internal factors such as structure,material composition,variety and external factors such as drying mode and technological parameters on the drying rate of peanut were systematically analyzed.The research status of the special drying technologies and equipments for peanut,such as hot air,heat pump and vacuum was described.Meanwhile the drying theory research such as the deterioration mechanism of peanut seed vigor,the research of automatic integration technology,and the development of bio-efficient,energy-saving and quality improvement combined drying technology and equipment were prospected,so as to provide reference for realizing the whole process mechanization and promoting the healthy and sustainable development of peanut industry in China.
Key words :Peanut;Drying rate;Internal factor;External factor;Equipment;Combined drying
㊀㊀花生,又名落花生,是我国最具国际竞争力的经济作物和油料作物,也是我国重要的出口创汇农产品之一[1-2]㊂花生是人民生活中重要的植物油脂和
蛋白质来源,据测定,花生脂肪含量50%左右,仅次于芝麻,高于油菜籽㊁大豆和棉籽[3]㊂花生中蛋白质质量分数达24%~36%,相当于牛奶的8~10倍㊁
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牛肉和猪肉的1~2倍㊁稻米的3~4倍,在所有农作物中仅次于大豆,但其蛋白质可消化率和赖氨酸可吸收率又高于大豆[4]㊂此外,花生还具有延缓衰老㊁抗肿瘤等功效,享有 长生果 之美誉[5]㊂近年来,随着国家供给侧结构性改革的推进及花生研究深度㊁广度的增加,我国花生产业得到长足发展㊂据国家统计局统计,2018年我国花生种植面积达4.62ˑ106hm2,花生产量达1733.2万t[6]㊂花生经济效益高,发展花生产业已成为我国脱贫致富的重要手段,对带动我国花生主产区经济发展和农民增收意义重大㊂
刚收获的花生含水量高达50%以上,呼吸作用旺盛,耐贮藏性极低,加上花生收获时多阴雨天气,常因未能及时晾晒致使花生感染细菌和霉菌,产生致癌性极强的黄曲霉毒素,严重影响花生采后及贮藏的安全性[7-8]㊂据统计,我国每年因发生霉变而失去食用价值和商品价值的花生损失占总产量的10%~20%[9],尤其2017年,我国局部地区损失高达50%以上,严重地区高达70%,甚至绝收,经济损失极其惨重,严重制约着花生产业的健康发展㊂干燥作为花生产后加工的重要环节之一,是保证花生品质和防止霉变的必要手段,且不同干燥工艺对花生品质影响不同[10]㊂
近年来,随着农业生产结构的调整,花生收获㊁摘果机械化进程快速推进,我国花生收获时间日趋集中,晒场资源明显不足,及时将花生降至安全贮藏水分条件愈发困难㊂目前,我国关于花生干燥的研究主要集中在干燥特性㊁干燥工艺㊁传热传质等方面,而关于花生专用干燥技术设备研发的研究甚少㊂现阶段花生干燥设备多为兼用烘干机,存在干燥不均匀㊁干燥品质不一等问题,因此,研发满足我国当前实际生产需求的高效㊁连续㊁可移动㊁智能的花生专用干燥技术及装备,是我国花生产业健康发展亟待解决的重大难题㊂鉴于此,综合分析影响我国花生干燥速率的内在因素㊁外在因素及存在问题,阐述我国花生干燥技术装备研究进展,并展望未来发展趋势,以期为我国花生产地减损技术装备的研发㊁实现花生全程机械化提供参考,促进我国花生产业的健康可持续发展㊂
1㊀影响花生干燥速率的因素及存在问题
㊀㊀干燥过程是一个复杂的传热传质过程,物料的温度和含湿量在温度梯度和湿度梯度的共同作用下不断地发生变化,因而,干燥过程是一个典型的非稳态不可逆过程㊂其非稳定性不仅表现在外部干燥条件对干燥速率的影响,也表现在与其同步发生的物料内部水分扩散过程[11]㊂
1.1㊀内在影响因素
1.1.1㊀组织结构㊀大多数农产品属可变形的植物基多孔介质,新鲜花生具有复杂的多孔双层结构[12],花生荚果由花生壳㊁红衣㊁种仁㊁空腔组成㊂其中,花生壳一般呈奶油色或淡黄色,表面由纵向突筋和横向突筋相互连接成网状,这种网状是由外壳硬层中的脉纹机械组织形成,花生外壳内侧则有一层白而薄且像纸一样的内衬[13]㊂花生因受形状㊁结构㊁几何尺寸㊁颗粒质量等因素限制[14],一般谷物干燥装备不宜直接采用,特有的组织结构对其干燥特性影响较大㊂研究表明,物料收缩与干燥过程中热质传递及应力应变机制密切相关[15]㊂卢映洁等[12]以带壳鲜花生为原料,考察不同温度(40㊁50㊁60ħ)热风对其收缩特性的影响,结果表明,在干燥过程中,花生壳与花生仁的体积收缩比逐渐减小,收缩速率加快,空隙量逐渐增大,花生壳先于花生仁发生收缩,但收缩程度不及花生仁,可能因为花生壳纤维结构的收缩程度不及花生仁细胞结构造成㊂
1.1.2㊀物质成分㊀花生部位不同,其物质成分的种类及含量相差较大㊂据测定,花生壳中的最大成分是粗纤维,其含量高达65.7%~79.3%,此外还含有丰富的营养成分,如粗蛋白(4.8%~7.2%)㊁粗脂肪(1.2%~1.8%)㊁还原糖(0.3%~1.8%)㊁双糖(1.7%~
2.5%)等[16]㊂花生红衣为红棕色膜质,其主要成分有粗纤维(37%~42%)㊁碳水化合物(12%~ 28%)㊁蛋白质(11%~18%)㊁脂肪(10%~14%)㊁灰分(8%~12%)㊁水分(5%~9%)㊁单宁(7%)及多种色素和硒㊁锌㊁钙㊁钾㊁铁等元素㊂花生种仁营养丰富,每100g花生仁含脂肪47.5g㊁蛋白质26.0g㊁碳水化合物18.6g㊁纤维素2.4g㊁磷104.0mg等,此外还含有丰富的氨基酸及锌㊁铁㊁锰㊁铜等微量元素[17]㊂研究表明,物料物质成分㊁组织分布㊁多孔性等与水分扩散特性有着紧密联系,而水分扩散特性直接影响物料干燥速率㊂目前,关于物质成分对干燥速率的影响研究较少㊂RUIZCABRERA等[18]研究发现,在猪肉干燥过程中脂肪含量的微量增加会导致水分扩散系数显著减小,而肌肉纤维的分布方向与水分迁移的关系不明显㊂王振华等[19]系统研究原料成分对面条干燥过程中水分状态变化及干燥速率的影响,结果表明,在干燥速率拐点前,蛋白质含量越低,干燥速率越快,而在干燥拐点后,蛋白质含量越高,干燥速率越快㊂关于新鲜花生干燥过程
2
㊀第2期杨㊀慧等:我国花生干燥影响因素分析及干燥技术装备研究进展
中各组织结构成分物质与干燥速率变化的关系研究
未见报道㊂随着食品干燥技术的不断发展,越来越
多的多组分食品加工需要一定的干燥处理,而多组
分食品中每种单一组分具有不同的干燥物性,如不
同程度的收缩㊁水分分布变化等[20]㊂因此,系统研究成分物质对水分状态变化及干燥速率的影响,对
探究花生干燥技术及干燥机制意义重大㊂
1.1.3㊀花生品种㊀花生品种是影响干燥速率的又一内在因素㊂不同花生品种因生存环境㊁产地等因素不同,其营养成分物质含量也不同㊂梁克红等[21]对我国5个地区(安徽㊁山东㊁河北㊁河南和山西)的8个不同花生品种(冀花5㊁冀花4㊁花育20㊁冀花10㊁天府3㊁冀花12㊁花育33和冀花13)进行多点试验㊂结果表明,除膳食纤维外,产地环境因素对花生中的蛋白质㊁脂肪㊁水分和灰分含量的作用显著,而品种主要对蛋白质㊁水分和灰分含量影响显著㊂此外,梁克红等[22]还对不同栽培年份和品种花生营养品质间的差异进行分析,结果表明,蛋白质㊁水分和灰分含量受品种和年份因素影响显著,膳食纤维含量受年份因素影响显著,脂肪含量受品种和年份因素的影响均表现为不显著㊂品种对干燥特性的影响归根到底就是成分物质对干燥速率的影响㊂目前,关于品种对干燥特性的影响研究,仅在甘薯㊁魔芋上有相关报道㊂如李思宁等[23]研究9个甘薯品种中各种成分对熟化甘薯热风干燥特性的影响,结果表明,影响熟化甘薯热风干燥速率的因素主要是可溶性糖含量㊂杨大伟等[24]对会同魔芋㊁花魔芋2个品种魔芋的干燥特性进行了研究,结果表明,会同魔芋的干燥速率比花魔芋小㊂关于花生品种对干燥特性的影响鲜见报道㊂因此,有必要对不同花生品种的干燥特性进行深入研究㊂
1.2㊀外在影响因素
1.2.1㊀干燥方式㊀除干燥速率外,干燥产品品质也是衡量干燥技术及工艺适宜性的重要指标㊂干燥方式不同,其干燥特性和干燥品质也不一㊂目前,新鲜花生常见的干燥方式有自然干燥㊁热风干燥㊁热泵干燥㊁微波干燥等,由于热量来源㊁接触方式㊁物料环境等条件不一,干燥速率不同[20]㊂王海鸥等[25]探索不同收获期和后熟干燥方式对花生品质的影响,结果表明,与鲜摘晾干和鲜摘催干相比,在株晾干果仁粗蛋白㊁粗脂肪含量分别增加了3%㊁2%左右;机械催干果仁总不饱和脂肪酸相对含量显著低于新鲜果仁(P<0.05)㊂8种主要氨基酸及总氨基酸含量表现为株晾干含量最高,鲜摘晾干其次,机械催干最低㊂王安建等[7,26]㊁杨潇等[27]分别对花生热风干燥特性㊁热泵干燥特性进行研究,并建立花生干燥动力学模型,结果表明,花生干燥动力学模型均符合Page方程㊂陈霖[28]采用自制控温微波干燥设备系统,研究常规微波干燥和控温微波干燥条件下花生品质的区别,结果表明,控温微波干燥在功率1.2 W/g㊁温度45~50ħ时能够最大地保证花生干燥后的品质㊂为获得更好的干燥效果,联合干燥技术成为当前研究的一大热点,根据优势互补原则,最大限度地弱化单一干燥方式的缺陷,缩短干燥时间,提高干燥效率,降低干燥成本,改善产品质量㊂王招招等[29]通过对比分析3种干燥工艺,最终确定花生最佳干燥方式为脉冲间歇式-高㊁低强度微波热风耦合干燥㊂1.2.2㊀干燥工艺参数㊀不同干燥工艺参数对干燥速率有着不同程度的影响㊂颜建春等[14]表明,在花生干燥过程中,风温对干燥速率的影响最大,风量次之,湿度影响最小㊂王安建等[26]探讨不同热风条件(风温㊁装料量㊁风速等)对花生干燥特性的影响,结果表明,随着干燥风温的升高㊁装料量的减少㊁风速的增加,花生干燥时间缩短㊂杨潇等[27]对湿花生热风干燥工艺进行研究,最终确定最佳热风工艺条件为热风温度50ħ㊁热风风速11m/s㊁料层厚度10cm㊂王安建等[7]对花生热泵干燥特性及动力学模型进行研究,结果表明,干燥温度对花生热泵干燥特性有显著影响㊂李洪江等[30]通过花生仁薄层干燥试验,探讨风温㊁风速㊁相对湿度等参数对花生仁干燥速率的影响,结果表明,风温是影响干燥速率的主要因素,其次是风速,而相对湿度和物料初始水分影响则较小㊂颜建春等[31]选取了11个常用食品干燥模型,分别与试验数据进行拟合分析,得出Diffusion Approximation模型与试验数据的匹配性最好,能够很好地描述花生荚果在薄层厚度3cm㊁风温34~52ħ㊁风速0.25~1.00m/s的工艺条件下的干燥过程㊂因此,需综合考虑热风温度㊁热风风量与当地空气湿度㊁花生品质㊁能耗以及干燥速率之间的关系,根据生产实际和不同需求制定适宜的花生干燥工艺㊂
2㊀花生干燥技术及装备研究现状因花生特性如外形㊁颗粒与结构等因素的影响,目前我国花生机械化干燥技术装备多为兼用干燥机械,没有配套的控制模拟模块,专门干燥花生的机械装备仍处于研发阶段,且数量极少,主要有热风干燥设备㊁热泵干燥设备㊁真空干燥设备等㊂
2.1㊀热风干燥技术及装备
目前,花生干燥设备仍以热风为主,热量来源主
3
河南农业科学第50卷
要为煤炭㊁生物质㊁天然气㊁电加热等;根据设备形状
结构不同,干燥设备主要分为回转圆筒式干燥机㊁箱
式干燥机㊁翻板式干燥机㊁网带式连续性干燥机㊁就
仓干燥装备和塔式干燥机等㊂如王清光等[32]发明了一种分段式花生干燥塔,可使热风均匀穿过花生
层,解决了原有烤塔烤制花生不均匀㊁需要加底料的
问题,简化了工艺,节约了能量㊂王凤军[33]发明了一种设计合理,干燥均匀㊁彻底的花生干燥设备,将
箱体分为预加热室和加热室,通过预加热室实现对
花生的初步干燥,通过预加热室中倾斜状的输送辊
道可使花生在输送过程中边上下翻滚边前进,实现
全方位干燥㊂然而,在花生热风干燥过程中,真正被
用于提高花生温度和蒸发水分的热量较少,大部分
热量被排除的尾气带走,从而加大了干燥能耗,同时
随着能源的紧缺,最终导致花生干燥的成本不断
增加㊂
2.2㊀热泵干燥技术及装备
随着我国对农特产品物料加工品质㊁节能㊁环保
要求的逐步提高,空气源热泵干燥技术应运而生,并
成为目前广大科研工作者研究的热点㊂热泵干燥是
利用逆卡诺原理,从周围环境中吸取热量并将其提
升传递给待加热的物料以达到干燥目的[34]㊂热泵干燥机组是由压缩机㊁换热器(内机)㊁节流器㊁吸热
器(外机)等装置构成的一个循环系统,具有干燥方
式温和㊁高效节能㊁环保无污染㊁运行成本低等优点㊂
目前,以热泵技术为核心的花生干燥技术已成为国
内包括花生在内的粮食干燥技术研究的热点[14],且市面上已有相关产品,相对于电热烘干机而言,节约了2/3的电能㊂热泵干燥需要适宜的环境温度即环境温度比较高时其能效比较高,因此较适合于我国南方气温较高的区域使用㊂在北方使用(尤其是在气温比较低时的夜间)最好增加辅助热源来提高空气的温度和热泵的工作环境温度㊂
2.3㊀真空干燥技术及装备
真空干燥就是将被干燥的物料置于密封的干燥
室中,用抽真空系统抽真空的同时,对被干燥物料不
断加热,使物料内的水分子通过压力差和浓度差扩
散到表面,水分子在物料表面获得足够的动能,在克
服分子间吸引力后,逃逸到真空室的低压空间,从而
被真空泵抽走的干燥过程[35]㊂按照用途,真空干燥设备主要有连续式低温真空干燥设备㊁滚筒式真空干燥设备㊁带式真空干燥设备㊁真空震动设备㊁圆筒搅拌真空干燥机㊁耙式真空干燥机㊁圆盘刮板干燥机等[35]㊂目前,已成功应用于花生干燥的是塔型连续式真空干燥设备,其突出特点是高效㊁节能和环保,主要优点是产量大,可用于所有颗粒状非黏性物料的干燥,干燥范围较广[36]㊂徐成海等[37]从传热㊁设备结构㊁配套装置和能源利用的角度分析塔型连续真空干燥设备节能减排的方向与途径㊂赵祥涛[38]运用综合评价法和模糊数学的相关理论建立模糊综合评价模型,并对300t/d玉米真空低温连续干燥具体案例进行评价㊂何翔等[39]成功开发一种低温真空连续干燥塔式设备,根据固体颗粒物料流动理论,设计类似列管换热器排列结构,物料靠自质量在管子排列形成的空间自上而下作S形流动,并与加热管接触受热㊂试验证明,大批量花生物料在干燥异形加热管之间的流动顺畅㊁加热均匀,干燥后水分含量一致㊂
2.4㊀基于太阳能综合干燥技术及装备
太阳能干燥主要是利用太阳能装置和太阳能辐射进行的干燥作业,而太阳能是一种清洁㊁廉价的可再生资源,把太阳能资源应用于花生干燥领域,对于节约资源和保护环境具有非常重要的价值㊂国外已将太阳能干燥技术应用于谷物干燥和储存方面,且效果较好㊂在我国,杨柳等[40]设计一种以太阳能为主要能源㊁电能为辅助能源的太阳能干燥花生装置,并对其干燥室㊁集热系统㊁储水箱进行详细设计㊂通过TRNSYS软件对装置集热系统的集热性能仿真结果表明,太阳能集热器倾斜面日总辐射量㊁太阳能集热器出口温度㊁电辅助加热率和水箱不同层温度随时间的变化而变化㊂
3㊀我国花生干燥技术及装备发展展望近年来我国花生在干燥技术研究和装备研发方面取得了长足的进步,但仍存在一些问题和不足,从可持续发展角度看,我国花生干燥技术研究和装备制造的发展方向有以下几个方面㊂
3.1㊀加强种用花生干燥理论研究
花生胚芽比较娇嫩,干燥温度㊁干燥时间等均不同程度地影响花生种子活力㊂研究表明,在种子萌发的过程中,一些水解酶的活力会影响种子的萌发状况,其中,内肽酶是在植物生长发育全过程中起着重要作用的蛋白水解酶,参与各项生命活动[41]㊂因此,在研究种用花生干燥技术的同时,需加强种用花生干燥理论研究,探索干燥过程中花生种子活力的劣变机制,以期为种用花生专用干燥技术及装备的研发提供理论依据㊂
3.2㊀花生干燥技术装备自动一体化的研究应用
目前,常用的花生干燥设备缺乏专用的控制模块,自动化程度较低,难以实现复杂工况下的烘干控
4
㊀第2期杨㊀慧等:我国花生干燥影响因素分析及干燥技术装备研究进展
制,如不能实时监测花生干燥过程中的含水率㊁果仁
温度等,严重影响干燥效率㊂自动一体化技术作为
一种现代化的控制技术,具有控制精度高㊁灵活性强
等优点㊂在花生干燥设备研发中,过程控制系统的
开发和应用将会大大提高花生干燥设备的工作效
率㊁检测控制精度㊂因此,自动一体化技术在花生干
燥技术装备中的应用研究将是未来发展方向之一㊂3.3㊀高效节能提质联合干燥技术装备的研发
目前,花生常用的干燥方式有自然晾干㊁热风干
燥㊁热泵干燥等,虽节约能耗㊁成本低廉,但存在干燥
时间长㊁干燥效率低等缺点㊂微波干燥是微波热能
直接与物料发生作用,实现里外同时加热,具有速度
快㊁热效率高㊁无污染等优点,还可以起到杀菌效果,
且有研究表明,适当的微波功率不影响玉米的发芽
率[42]㊂将微波干燥与热泵干燥根据各自特性有机地结合起来,研发高效节能提质的耦合/联合干燥技
术是干燥工艺及设备今后的发展方向㊂通过结合各
个干燥技术及设备的特点,协同研究,提升产品干燥
品质,促进花生产业健康可持续发展㊂
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