高水分植物苜蓿强化干燥特性的试验研究

2015-03-13车刚王鑫万霖

黑龙江八一农垦大学学报 2015年3期

车刚，王鑫，万霖

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319）

苜蓿属多年生豆科牧草，种后第二年即可获得较高的产草量，一年可收割3～7次。每公顷产量高达150～166.7 kg。苜蓿的粗蛋白质含量高，含有8种牲畜需要的维生素，还含有15种对家畜生长有益的微量元素和未知促生长营养因子，是家畜不可缺少的优质饲草[1]。苜蓿非均一物质，苜蓿植株可分为粗茎秆、叶片和优质茎秆。根据苜蓿品种不同，生长期不同，苜蓿的营养价值也不尽相同。在孕蕾期和观蕾期的粗蛋白含量和干物质消化率最高，在观蕾期末期和始花初期，茎秆、叶片和优质茎秆的平均含量分别是47.7%、35.8%、16.5%，粗茎秆的平均直径是3.52 mm，优质茎秆的平均直径为2.30 mm。叶片的叶蛋白含量为30%，而粗茎秆仅含10%粗蛋白[2]。茎秆外面角质层为防止水分蒸发的天然屏障，对于其干制存贮阻碍巨大[3]。虽然各部分有不同的物理和化学特性，为了对苜蓿强化干燥性能有清楚的认识，并更好了解苜蓿强化干燥加工对最终产品质量的影响规律。因此，对紫花苜蓿强化干燥特性参数进行试验研究与分析。

1 苜蓿的基本特性分析

1.1 苜蓿组配的物理特性

随机选取50个叶片来进行测量，测量其表面积。茎秆直径通过精度为0.01 mm千分尺来测量。每50 mm长的整株草段大约包含6片叶片，而有些片段主要是茎秆而无叶片，有的片段高的可达20片叶片。茎秆在干燥前和干燥后的平均直径分别是2.60 mm和2.06 mm，茎秆直径减少20.7%。叶片由235 mm2缩小了35%。这是由于叶片长轴减少了19.8%，短轴缩短22.1%。因为干燥缩水，结果显示面积迅速降低，如表1所示。

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

1.2 叶片、茎秆和草段的干燥曲线

试验研究整株在不同水分含量下叶片和茎秆的水分含量。每份样品称取苜蓿大约100 g，摊薄层在牧草薄层干燥试验台的网筛面上，保证每一单体及所有部分都能均一干燥。初始的水分含量通过烘箱进行测定（105℃），每间隔一段时间称量一下样品重量，水分含量由它们不同的质量进行测定。人工将叶片和茎秆分开，它们的水分含量由烘箱里的样品在烘干前和烘干后的质量测定来计算。

图1 苜蓿组分的含水率的变化Fig.1 Moisture change of alfalfa component

图1显示的是温度在160℃时，草段、茎秆和叶片在干燥不同阶段的水分含量。在整个干燥过程中，叶子的含水量比茎秆或草段的水分含量低。叶片由于有快速干燥特性，开始时干燥较快，到达一个渐进值并与草段水分含量成直线关系。叶片和茎秆的水分含量与草段水分含量的关系如下：

下标S、C和L分别代表茎秆、草段和叶片，水分含量以水分的百分含量表示。为了较直观地反映紫花苜蓿各组成部分的水分含量随干燥时间的分布情况，将干燥试验数据进行拟合，从图1和表2中的拟合方程分析，得出苜蓿叶片的水分含量与干燥时间呈指数关系，近似直线变化。草段与茎秆的水分含量与干燥时间的变化呈指数关系，这与叶片的干燥过程中水分含量的变化不完全一样。这主要是由于各自的生理结构的差异。

表2 茎秆、草段和叶片干燥的拟合方程Table 2 Simulated equation of drying stem and leaf

1.3 最长干燥存留时间

最长干燥存留时间是指在干燥过程中紫花苜蓿燃烧前所经历的干燥时间。

图2 干燥温度对苜蓿存留时间的影响Fig.2 Effects of drying temperature on drying time of retained alfalfa segment

图3 干燥温度对燃烧前最低水分含量的影响Fig.3 Effects of drying temperature on minimum moisture before burning

图2表示的是初始含水率为78%wb的苜蓿草段在不同温度下的干燥存留时间的变化。试验证明：温度在200℃以上时，薄层里极快速烘干的草段在存留一段时间后使苜蓿植株燃烧。在200～300℃的干燥条件下，茎秆存留的时间相对较长，草段次之，叶片最长暴露时间最短。在300℃以上的干燥条件下，草段与草叶片的最长暴露时间基本相同，说明叶片适应极快速干燥的条件，干燥速率极高。图3所示的是苜蓿草段在燃烧前的最终含水量与干燥温度的关系，即开始燃烧前最长的存留时间和每一干燥温度下草段能到达的最终含水量。实际上，在低水分含量时准确测量存留时间是很困难的，因为缺乏蒸发冷却。初始水分含量较高时，叶片能到达的最低水分含量比茎秆高，因此在薄层里将苜蓿草段干燥到最终所要求的10%水分含量是不可能的。在那些温度下，这种现象限制了苜蓿存留时间和最终水分含量。因此，设计半封闭式牧草干燥机时，设定干燥温度不宜过高，应该在200℃左右，这样才能使苜蓿干燥最终水分含量在10%左右。

2 机械处理方式与苜蓿干燥特性

2.1 处理苜蓿草段的干燥特性

把紫花苜蓿平铺在一个坚硬的表面上，用直径为50 mm的光滑滚筒（10 kg）在其上滚动一次，利用滚筒的重量进行加压，使苜蓿植株破裂。如图4、图5所示。然后进行常压热风干燥。热介质温度为180℃，表现风速为0.3 m·s-1。

图4 未压裂苜蓿茎秆电镜图Fig.4 Microscopic section of unconditioned alfalfa stem

图5 压裂苜蓿茎秆电镜图Fig.5 Microscopic section of conditioned alfalfa stem

苜蓿水分的散失主要是通过维管系统和细胞间隙到气孔。当苜蓿含水量降低到45%左右时，在这个阶段细胞开始死亡，水分大部分保留在细胞内部，而水分从细胞内部进入细胞间隙时，细胞壁的阻力较大，并且角质层里含有部分蜡质，蜡质常被挤压渗出角质层，从而阻挡了水分通过角质层而蒸发。苜蓿植株的含水量减少，导致其与大气之间的水势差减少，因此水分散失速度较慢而不均匀。用压裂茎秆的方式加快茎的干燥速度，从而缩短苜蓿的干燥时间。对照苜蓿压裂和未压裂茎秆电镜图（图4和图5），可以明显地发现机械处理破坏了表皮、皮层和维管束的基本结构，髓质部分破坏严重，表皮层破裂，增加了内部水分散失的途径。

2.2 机械处理次数对苜蓿干燥速率的影响

茎秆（去除叶片）被三种型式的滚筒压扁，分别为光滑滚筒（直径50 mm）、环型滚筒（直径50 mm）和纵向槽滚筒（直径50 mm）。压面为光滑和环行槽的滚筒，每个重10 kg。带槽滚筒槽深0.5 mm，轮间距为2 mm，纵型槽滚筒槽深是0.5 mm，两槽间距离为2.5 mm。苜蓿用手工以一薄层形式添入压扁滚筒以相反方向保持380～400 r·min-1速度转动。

表3 鲜苜蓿的处理方式与干燥特性Table 3 Processing methods of fresh alfalfa and drying performance

如表3所示，使用纵向齿槽机械处理茎秆，干燥时间从550 s减少到大约360 s。从压扁茎秆里压出的汁液呈自由水状态，并且易于干燥。光滑圆筒将干燥时间减少到大约300 s，用环形槽的滚筒的干燥时间为360 s。苜蓿茎秆在两纵向槽滚筒间压1次、3次和5次，水分含量降到10%所需的干燥时间从滚动一次的360 s，降到滚动三次的300 s。进一步压扁到5次却不能显著提高干燥速率，原因是压过3次后茎秆被完全压扁水分几乎都压出到表面。通过试验数据证明了机械强度的大小与苜蓿干燥速率有密切的关系，选择合理的碾压原理和压裂程度是获得优化干燥工艺的基础。选择光滑槽压扁一次和纵向槽重复压扁3次处理的干燥效果较理想。

2.3 草段长度对苜蓿干燥速率的影响

从植物生理学角度分析，茎秆表面的蜡质层是水分运动的障碍，因此水在纵向运动比横向运动容易。但是从生产和节能的角度考虑，紫花苜蓿必须进行切断处理，而且草段的长度不宜过短。由于中低温（200℃以下）加热不能完全破坏角质层，在干燥过程中切断处理对减少干燥时间是特别有益的。因此，草段长度在减少干燥时间方面起着重要的作用。为了研究茎秆长度对干燥速率的影响，在银锣牧场苜蓿的第二茬始花期前人工收获，茎秆和整植株被切成不同尺寸的草段，供试材料散放在薄层干燥器的搁网筛面上，平摊密度为1.5 kg·m-2。考察茎秆长度为10、20、30、50、70、90和100 mm与茎秆干燥常数的关系，这里用干燥常数k表示干燥速率的大小。

图6 茎秆长度对干燥常数k的影响Fig.6 Effects of alfalfa stems length on drying coefficient

图7 草段长度对相对干燥常数k的影响Fig.7 Effects of alfalfa stems length on relative drying coefficient

如图6和图7所示，茎秆和草段的长度对于干燥常数k的影响呈指数变化，如式（4）方程符合指数规律，复相关系数R2=0.934。茎秆长度在10～30 mm范围内，其干燥常数k的变化呈显著的线性，大于30 mm以上的草段的干燥常数k的变化比较缓慢，根据拟合曲线，综合考虑生产实际情况，茎秆或草段的长度取30～50 mm。