田朝玉， 王德武， 鄧會(huì)寧， 劉 燕， 張學(xué)玲， 張少峰

(河北工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300130)

濕芝麻渣是小磨香油的副產(chǎn)物，含有多種氨基酸，特別是精氨酸、谷氨酸含量較高，而且鐵、錳、鋅、銅等微量元素含量也較高。芝麻渣除作飼料外，還是很好的蛋白質(zhì)資源。將芝麻蛋白加入肉糜制品，可以促進(jìn)脂肪吸收；將其用于面點(diǎn)產(chǎn)品，可以作為良好的互補(bǔ)蛋白，提高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值；還可以用作醬油的原料、食品添加劑、蛋白粉等。但是，濕芝麻渣極易發(fā)生霉變，造成蛋白質(zhì)資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，所以需要干燥以延長(zhǎng)其貨架期，使其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值得以充分利用[1-2]。濕芝麻渣經(jīng)干燥后，不僅可以減少體積[3]，降低黏度，解決運(yùn)輸困難的問(wèn)題，還可以防止其霉變、發(fā)臭，污染環(huán)境。因此，濕芝麻渣干燥是環(huán)?；?、減量化和資源化處理的關(guān)鍵手段。

干燥過(guò)程包括自由水向干燥介質(zhì)的傳遞、結(jié)合水向自由水的轉(zhuǎn)化和內(nèi)部水分向外的擴(kuò)散。濕芝麻渣的水分以結(jié)合水和自由水的形式存在[4]，大量的結(jié)合水使其干燥過(guò)程產(chǎn)生更大的能耗。本文對(duì)濕芝麻渣干燥過(guò)程進(jìn)行研究，綜合考察溫度對(duì)干燥過(guò)程的影響，分析濕芝麻渣的干燥曲線，計(jì)算干燥過(guò)程中的有效水分?jǐn)U散系數(shù)和表觀活化能[5]，探究溫度對(duì)干燥過(guò)程的影響規(guī)律，以描述濕芝麻渣的干燥特性，并為選擇合適的熱源和干燥工藝提供參考，以期完善干燥工藝，充分提高濕芝麻渣的干燥效率。并對(duì)50℃和120℃兩種溫度下干燥的芝麻渣氨基酸組成進(jìn)行對(duì)比，分析溫度對(duì)芝麻渣營(yíng)養(yǎng)成分的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

新鮮濕芝麻渣來(lái)源于天津某加工廠，為芝麻油加工過(guò)程的副產(chǎn)物，原料新鮮，無(wú)霉變現(xiàn)象，購(gòu)買(mǎi)后及時(shí)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。使用水分測(cè)定儀對(duì)其含水率進(jìn)行測(cè)定，新鮮濕芝麻渣的初始含水率為(62±1)%。

天美DHS烘干法水分測(cè)定儀，JSM-6010LA掃描電子顯微鏡，101-3型電熱鼓風(fēng)干燥箱，氨基酸自動(dòng)分析儀，紫外分光光度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 不同溫度下的干燥實(shí)驗(yàn)

將濕芝麻渣原料攪勻，取10.0 g濕芝麻渣平鋪于水分測(cè)定儀的樣品盤(pán)中，進(jìn)行加熱干燥，并隨干燥時(shí)間記錄數(shù)據(jù)，至濕芝麻渣的質(zhì)量不再隨時(shí)間變化，即認(rèn)為物料干燥結(jié)束，停止實(shí)驗(yàn)。樣品盤(pán)試樣均勻平鋪，以確保只在上下方向上進(jìn)行傳質(zhì)，在干燥過(guò)程中，試樣被視為大平板，物料中的水分?jǐn)U散可被假定為沿物料內(nèi)部厚度方向的一維擴(kuò)散過(guò)程。改變溫度為50、60、70、80、90、100、110、120℃時(shí)，對(duì)濕芝麻渣進(jìn)行單因素干燥實(shí)驗(yàn)[6]，考察不同干燥溫度下濕芝麻渣的干燥特性。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

試樣干燥至t時(shí)刻的干基含水率Mt[7]、干燥速率Dr[8]、水分比MR[9]采用以下公式進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中：Mt為試樣干燥至t時(shí)刻的干基含水率，%；mt為試樣干燥至t時(shí)刻的質(zhì)量，g；mg為試樣干燥至絕干時(shí)的質(zhì)量，g。

(2)

式中：Dr為試樣的干燥速率，g/(s·g)；Mt+Δt為試樣干燥至t+Δt時(shí)刻的干基含水率，%。

(3)

式中：MR為試樣的水分比，無(wú)量綱；Me為試樣的平衡干基含水率，%；M0為初始時(shí)試樣的干基含水率，%。

因Me的值相對(duì)于M0和Mt的值來(lái)講較小，可以忽略不計(jì)[10]，所以式(3)可以簡(jiǎn)化為式(4)。

(4)

1.2.3 有效水分?jǐn)U散系數(shù)的計(jì)算

物料內(nèi)部水分的擴(kuò)散是一個(gè)復(fù)雜的傳質(zhì)過(guò)程，包括分子擴(kuò)散、毛細(xì)流動(dòng)、水力學(xué)流動(dòng)和表面擴(kuò)散等。一般情況下，F(xiàn)ick第二定律可廣泛地應(yīng)用于描述水分?jǐn)U散過(guò)程[11-12]，也適用于本實(shí)驗(yàn)的計(jì)算。本實(shí)驗(yàn)做出如下假設(shè)：①干燥初期，物料內(nèi)部水分和溫度分布均勻[13]；②物料內(nèi)部的水分運(yùn)動(dòng)是在水分梯度作用下的液態(tài)擴(kuò)散；③忽略干燥過(guò)程中物料內(nèi)部溫度梯度對(duì)水分?jǐn)U散的影響；④忽略干燥過(guò)程中物料的變形。

Fick第二定律表達(dá)式為：

(5)

式中：Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s；x為厚度，m；t為干燥時(shí)間，s。

對(duì)Fick第二定律進(jìn)行數(shù)值求解[14]，并取對(duì)數(shù)，可得式(6)。

(6)

1.2.4 干燥活化能的計(jì)算

干燥活化能是指物料在干燥過(guò)程中脫除單位摩爾的水分所需要的啟動(dòng)能量[15]。由干燥活化能可以比較物料干燥的難易程度并估算其干燥能耗[16]。干燥過(guò)程中的活化能可以通過(guò)阿倫尼烏斯公式進(jìn)行計(jì)算。

(7)

式中：D0為有效擴(kuò)散系數(shù)的頻率因子，為固定值，m2/s；Ea為物料的干燥活化能，J/mol；R為摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T為物料干燥的絕對(duì)溫度，K。

1.2.5 芝麻渣氨基酸組成及含量分析

取在溫度50℃和120℃的條件下干燥后、且含水率在5%左右的兩組樣品各500 g，委托PONY測(cè)試集團(tuán)參照GB/T 18246—2000進(jìn)行氨基酸測(cè)試。

1.2.6 掃描電鏡分析

分別用不同條件下干燥的芝麻渣樣品進(jìn)行掃描電鏡掃描，觀察對(duì)比其表面結(jié)構(gòu)，分析濕芝麻渣的干燥過(guò)程。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥溫度下的濕芝麻渣的干燥特性曲線

在載料量為10.0 g，溫度分別為50、60、70、80、90、100、110℃和120℃的干燥條件下，對(duì)濕芝麻渣的干燥過(guò)程進(jìn)行比較分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同干燥溫度下濕芝麻渣的干燥曲線

由圖1可知，在濕芝麻渣的干燥過(guò)程中，同一干燥條件下，水分比MR下降的速度越來(lái)越慢，干燥速率逐漸降低，最終逐漸趨于零。這是因?yàn)樵诟稍镞^(guò)程中，濕芝麻渣內(nèi)部水分向表面的擴(kuò)散過(guò)程和結(jié)合水向自由水的轉(zhuǎn)化過(guò)程是主要控速步驟。隨著干燥過(guò)程的進(jìn)行，濕芝麻渣中的自由水含量降低，干燥過(guò)程的控制由擴(kuò)散過(guò)程變?yōu)檗D(zhuǎn)化過(guò)程，濕芝麻渣表面沒(méi)有充足的水分供干燥過(guò)程的進(jìn)行，導(dǎo)致干燥速率降低，MR下降減緩。不同干燥條件下，溫度越高，MR下降的速度越快，干燥速率越大。這是因?yàn)楦稍餃囟仍礁撸w粒表面獲得的熱量越多，不僅加快了自由水的蒸發(fā)速度，還加快了結(jié)合水向自由水的轉(zhuǎn)化速度，使自由水由顆粒內(nèi)部向外的擴(kuò)散速度變快，顆粒中與干燥介質(zhì)直接傳熱傳質(zhì)的自由水含量大大增加，整個(gè)干燥過(guò)程的水分?jǐn)U散速度明顯變大，從而有效地提高干燥速率，縮短干燥時(shí)長(zhǎng)。但從圖1可以看出，50℃與100℃之間，每10℃的升溫都有很明顯地提高干燥速率并縮短干燥時(shí)長(zhǎng)的效果，而超過(guò)100℃后，干燥曲線變化并不明顯。這說(shuō)明溫度的作用效果是有一定局限性的。因此，對(duì)濕芝麻渣顆粒的干燥溫度的選擇，并不一定是越高越好，過(guò)高的溫度不僅不能加速干燥過(guò)程，反而會(huì)帶來(lái)能源的浪費(fèi)。

2.2 不同干燥溫度下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)

利用公式(6)計(jì)算濕芝麻渣在不同溫度條件下干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)，結(jié)果如圖2表示。由圖2可知，在50℃到120℃間，濕芝麻渣的Deff范圍為5.47×10-10～4.29×10-9m2/s，升高一個(gè)數(shù)量級(jí)。而不同階段的升溫，所引起的Deff的增長(zhǎng)率并不相同，但逐漸趨于平緩。這是由于濕芝麻渣中結(jié)合水的存在，在不同溫度條件下，結(jié)合水向自由水的轉(zhuǎn)化速率不同。溫度較低時(shí)，自由水與結(jié)合水之間的轉(zhuǎn)換是干燥過(guò)程的控速步驟，Deff的增長(zhǎng)速率差異較大；溫度較高時(shí)，結(jié)合水向自由水的轉(zhuǎn)化速率大于內(nèi)部水分向干燥表面的擴(kuò)散速率，內(nèi)部水分向干燥表面的擴(kuò)散成為干燥的控速過(guò)程，Deff的增長(zhǎng)速率趨于平緩。

圖2 有效水分?jǐn)U散系數(shù)與干燥溫度的關(guān)系曲線

2.3 不同干燥溫度下的活化能

繪制不同溫度下lnDeff與1/T的關(guān)系圖，結(jié)果如圖3所示。擬合函數(shù)為：lnDeff=-3 950.4/T-9.038 9，R2=0.970 5。由斜率計(jì)算可得表觀活化能Ea的值為32.84 kJ/mol。

圖3 lnDeff與1/T的關(guān)系曲線

2.4 不同干燥溫度下芝麻渣的表面微觀結(jié)構(gòu)

采用不同的干燥溫度，芝麻渣的受熱不同，其內(nèi)部水分轉(zhuǎn)移方式也不同[10]。圖4為不同干燥溫度下的芝麻渣樣品的表面微觀結(jié)構(gòu)。

圖4 不同干燥溫度下芝麻渣的表面微觀結(jié)構(gòu)

由圖4可知，120℃下干燥的樣品表面的孔洞比50℃下干燥的樣品表面多而密集。這可能是因?yàn)闇囟鹊纳撸Y(jié)合水向自由水的轉(zhuǎn)化速率變快，水分由樣品內(nèi)部向表面的擴(kuò)散速度變快，水分的相繼擴(kuò)散使樣品的水通道增多，從而提高整個(gè)干燥過(guò)程中濕芝麻渣的干燥速率，縮短干燥時(shí)長(zhǎng)。

2.5 不同干燥溫度下的芝麻渣氨基酸組成及含量比較(見(jiàn)表1)

表1 芝麻渣的氨基酸組成及含量

注：芝麻渣1為50℃下干燥的成品，芝麻渣2為120℃下干燥的成品。

由表1可知，50℃和120℃下干燥后的兩種芝麻渣，氨基酸含量變化率最大的是蛋氨酸和色氨酸，變化率均為5.26%，其余氨基酸的變化率均在2.50%以內(nèi)。因此，相比于50℃，120℃以內(nèi)的升溫沒(méi)有造成其氨基酸的嚴(yán)重?fù)p失，不會(huì)使芝麻渣蛋白營(yíng)養(yǎng)價(jià)值降低，為了提高干燥速率，可以適當(dāng)?shù)厣邷囟取?/p>

3 結(jié) 論

(1) 50～120℃范圍內(nèi)，濕芝麻渣的干燥溫度在100℃以下時(shí)，升高溫度可以明顯提高干燥速率并縮短干燥時(shí)長(zhǎng)，而超過(guò)100℃后，升溫沒(méi)有明顯效果。

(2) 由Fick第二定律計(jì)算得，溫度從50℃升高到120℃，有效水分?jǐn)U散系數(shù)從5.47×10-10m2/s升高到4.29×10-9m2/s，而且溫度的升高沒(méi)有造成芝麻渣氨基酸的嚴(yán)重?fù)p失，不會(huì)使芝麻渣蛋白營(yíng)養(yǎng)價(jià)值降低。在工業(yè)應(yīng)用上，可以采取適當(dāng)?shù)纳郎兀蕴岣咂涓稍锼俾?，加快其干燥進(jìn)程。通過(guò)阿倫尼烏斯公式進(jìn)行計(jì)算，干燥過(guò)程的表觀活化能Ea為32.84 kJ/mol。

(3)使用掃描電子顯微鏡觀察芝麻渣的表面微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)120℃下干燥的樣品表面比50℃下干燥的樣品表面的孔洞多而密集，結(jié)構(gòu)更疏松。