低溫?zé)岜么┝鞲稍镄迈r稻谷實(shí)驗(yàn)研究

徐建國(guó)，徐 剛，顧 震，張森旺，李華棟，張緒坤

（江西省科學(xué)院食品工程創(chuàng)新中心，江西南昌330029）

水稻是我國(guó)主要的糧食作物之一，在多數(shù)省份有種植。新收獲的稻谷因含水率較高（25%～30%），不易儲(chǔ)藏，而且品質(zhì)劣變較快[1-2]。稻谷自身的生物學(xué)特征決定了其屬于較難干燥的熱敏性物料。目前，稻谷的干燥方式主要有自然曬干和機(jī)械干燥[3]。我國(guó)絕大多數(shù)農(nóng)戶采用自然曬干的方式。這種干燥方式常受到天氣和生物等因素影響。特別是我國(guó)南方地區(qū)，如江西省等，稻谷收獲時(shí)常遇到陰雨天氣，新鮮稻谷因得不到及時(shí)干燥易發(fā)霉或發(fā)芽，造成糧食浪費(fèi)[4-5]。機(jī)械干燥現(xiàn)在多采用熱風(fēng)干燥方式，這種干燥方式生產(chǎn)效率高，干燥時(shí)間縮短，減少了生物污染，但這種干燥方式熱能利用率較低，并伴有熱量和高濕廢氣的排出，能耗高[6]。同時(shí)，新收獲稻谷含水率較高，高溫?zé)犸L(fēng)干燥常引起稻谷發(fā)生爆腰，降低了干燥品質(zhì)[7]。因此，高質(zhì)量、低能耗干燥已成為稻谷干燥領(lǐng)域重要的研究課題。熱泵干燥（HPD）作為一種能效顯著的干燥方式正逐漸被應(yīng)用到多種干燥領(lǐng)域，特別是木材和食品的固體干燥領(lǐng)域[8-10]。熱泵是一種利用高位能（電能）使熱量從低位熱源流向高位熱源的熱力系統(tǒng)，由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和膨脹閥等組成。熱泵干燥是利用熱泵裝置將干燥器排出的低溫、高濕空氣經(jīng)除濕、升溫后，成為高溫、低濕的空氣作為干燥介質(zhì)再進(jìn)入干燥器，如此往復(fù)使物料得到干燥[11-12]。研究發(fā)現(xiàn)，利用熱泵干燥新鮮稻谷具有較高的能源效率[6，13]。本文利用常溫?zé)岜酶稍飾l件溫和、能效高的技術(shù)特點(diǎn)，自主研發(fā)了攪拌式、熱泵穿流干燥倉(cāng)。利用該干燥裝置對(duì)新鮮稻谷進(jìn)行了脫水實(shí)驗(yàn)，研究了稻谷熱泵干燥特征、干燥能耗以及爆腰增率，以期獲得低能耗的干燥過(guò)程和高品質(zhì)的干稻谷。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

稻谷品種 為贛晚秈稻923，初始濕基含水率為23.4%～25.3%。實(shí)驗(yàn)前，直接從農(nóng)戶田間收集稻谷。

熱泵穿流干燥倉(cāng) 如圖1所示，主要由二部分組成，一是熱泵裝置，二是穿流干燥倉(cāng)，二者通過(guò)管道連接；干燥倉(cāng)裝機(jī)容量可達(dá)500kg/批；熱泵制冷劑采用R134a，壓縮機(jī)功率為2.2kW，并配有外置冷凝器，干燥溫度可在30～45℃范圍內(nèi)可控調(diào)節(jié)；風(fēng)機(jī)風(fēng)量為2680～5000m3/h，功率為1.1kW；溫濕度傳感器位于干燥倉(cāng)進(jìn)、出口處，可以獲得進(jìn)出倉(cāng)干燥空氣狀態(tài)參數(shù)。干燥過(guò)程中，空氣經(jīng)熱泵裝置除濕、升溫后，循環(huán)穿流干燥倉(cāng)內(nèi)稻谷；同時(shí)，倉(cāng)內(nèi)攪拌裝置（1.5kW）可以均勻混合稻谷，減少干燥倉(cāng)內(nèi)“干燥死角”，降低稻谷不均勻度。

1.2 干燥實(shí)驗(yàn)

1.2.1 熱泵干燥實(shí)驗(yàn) 將一定質(zhì)量的新鮮稻谷倒入干燥倉(cāng)內(nèi)，開(kāi)啟熱泵裝置和攪拌裝置，在一定溫度（35、40℃）和風(fēng)量（3000m3/h）下對(duì)稻谷進(jìn)行干燥。每隔1h，取樣進(jìn)行稻谷含水量測(cè)定。同時(shí)，記錄干燥溫度和電能消耗。當(dāng)?shù)竟雀稍镏翝窕繛?3.5%～

14.5 %時(shí)[14]，結(jié)束干燥。待自然降溫后，收集稻谷。

1.2.2 熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn) 該實(shí)驗(yàn)在江西省科學(xué)院食品工程創(chuàng)新中心自主開(kāi)發(fā)的熱泵－熱風(fēng)聯(lián)合干燥裝置[15]上進(jìn)行。熱風(fēng)裝置采用電加熱、開(kāi)放式。在熱風(fēng)干燥條件下，對(duì)稻谷進(jìn)行穿流干燥實(shí)驗(yàn)。干燥過(guò)程中，間隔0.5h記錄物料干燥溫度和電耗，并取樣進(jìn)行稻谷含水量測(cè)定。直至干燥結(jié)束。

1.2.3 自然曬干實(shí)驗(yàn) 將稻谷鋪于木板上，置于室外空曠地面。稻谷層厚為15mm。干燥季節(jié)為南昌10月上旬，白天溫度在18～26℃，平均風(fēng)速在0.1m/s左右。上述相同條件的干燥實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，相關(guān)數(shù)據(jù)取其平均值。

圖1 干燥裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Experimental setup of heat pump dryer

1.3 干燥指標(biāo)

1.3.1 爆腰增率 隨機(jī)取100粒不同干燥條件下的干稻谷，在自制爆腰燈下測(cè)其爆腰率。該值與初始爆腰率之差為稻谷爆腰增率[16]。同一實(shí)驗(yàn)條件下的干燥稻谷測(cè)量3次。

1.3.2 發(fā)霉率 隨機(jī)取100粒不同干燥條件下的干稻谷，剝殼后，肉眼可見(jiàn)霉變的米粒定義為霉變粒。同一實(shí)驗(yàn)條件下的干燥稻谷測(cè)量3次。

1.3.3 稻谷含水率測(cè)定 利用105℃恒重法獲得稻谷含水率[17]。

1.3.4 單位能耗 參照國(guó)標(biāo)[13]，單位能耗（kJ/kg water）定義為除去單位水分（kg）時(shí)所用能耗（kJ）。本實(shí)驗(yàn)所用能源形式為電能。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

稻谷爆腰增率和發(fā)霉率數(shù)據(jù)通過(guò)SAS 9.1進(jìn)行方差分析。不同干燥方法間的指標(biāo)均值進(jìn)行Duncan多范圍檢驗(yàn)，當(dāng)p＜0.05時(shí)，均值被視為顯著差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 稻谷熱泵干燥特征

本文利用熱泵穿流干燥倉(cāng)對(duì)60kg濕稻谷（濕基含水率為23.4%～25.3%）進(jìn)行了干燥實(shí)驗(yàn)，獲得了風(fēng)量為3000m3/h、不同干燥溫度（35、40℃）下稻谷的干燥曲線和和干燥速度曲線，同時(shí)獲得了干燥空氣在進(jìn)、出倉(cāng)口處的溫度變化曲線和進(jìn)倉(cāng)口處的相對(duì)濕度變化圖。

圖2 稻谷熱泵干燥特征Fig.2 Drying characteristics of grain during heat pump drying

從稻谷干燥曲線（見(jiàn)圖2）可以看出，在不同風(fēng)溫的干燥條件下，所獲得的干燥曲線相似；但干燥溫度越高，物料達(dá)到同一含濕量所需干燥時(shí)間越短。即干燥溫度影響著稻谷干燥過(guò)程。從圖2（a）中可以看出，當(dāng)?shù)竟雀稍镏翝窕蕿?4%時(shí)，35℃熱泵干燥所用時(shí)間為310min；從圖2（b）中可以看出，40℃干燥過(guò)程所用時(shí)間為260min，后者的干燥時(shí)間比前者縮短了16%。

從圖2的進(jìn)、出倉(cāng)空氣溫度變化曲線上可以看出，在不同風(fēng)溫的干燥條件下，空氣溫升過(guò)程均呈現(xiàn)二個(gè)階段：a.干燥初始階段的快速升溫過(guò)程；b.隨后的緩慢升溫過(guò)程。在0～120min的干燥過(guò)程中，熱泵裝置一方面對(duì)進(jìn)倉(cāng)空氣除濕，另一方面回收來(lái)自出倉(cāng)濕空氣的熱量。這一階段干空氣的升溫速率與熱泵裝置性能有關(guān)。經(jīng)熱泵冷凝器除濕、換熱后的干燥空氣與高濕含量稻谷接觸，完成濕分、熱量交換，即在加熱稻谷的同時(shí)，降低稻谷的濕含量。在干燥中后期（120min至干燥結(jié)束），出倉(cāng)空氣溫度接近入倉(cāng)空氣溫度，二者溫度緩慢升高，并逐漸接近預(yù)設(shè)干燥空氣溫度。這一過(guò)程，熱泵裝置利用輔助冷凝器將多余熱量排入環(huán)境，對(duì)干燥空氣主要起除濕作用。稻谷可在近似恒溫的干燥環(huán)境中逐漸失去水分。因此，可以看出稻谷熱泵干燥過(guò)程的實(shí)質(zhì)，即干燥前期是處于溫度較低的變溫干燥，干燥中后期是近似恒溫環(huán)境的干燥過(guò)程。

圖3 稻谷熱泵干燥速率曲線Fig.3 Drying rate of grain during heat pump drying

圖4 稻谷熱泵干燥進(jìn)倉(cāng)處空氣相對(duì)濕度變化Fig.4 Relative humidity curve of drying air at the inlet of the dryer

圖3表明，稻谷干燥過(guò)程一直處于降速階段，并且干燥后期其干燥速率下降趨勢(shì)變緩。物料干燥處于降速階段時(shí)，其內(nèi)部水分的傳質(zhì)速率決定整個(gè)干燥過(guò)程速率[18]。風(fēng)溫的升高可以為稻谷提供更多的熱量。稻谷升溫有利于加速內(nèi)部水分向表面擴(kuò)散，加快物料內(nèi)部水分傳遞和蒸發(fā)過(guò)程；同時(shí)，風(fēng)溫升高可以降低干燥空氣的相對(duì)濕度（見(jiàn)圖4），這增大了與稻谷表面空氣的濕度梯度，有利于稻谷表面濕分的移除。這也正是風(fēng)溫為40℃的熱泵干燥整體干燥速率高于風(fēng)溫為35℃的干燥過(guò)程的原因。

2.2 不同干燥方式干燥指標(biāo)的比較

本文考察了稻谷熱風(fēng)干燥、太陽(yáng)曬干過(guò)程的幾個(gè)干燥指標(biāo)，并將與干燥質(zhì)量相關(guān)的爆腰增率、發(fā)霉率與熱泵干燥產(chǎn)品進(jìn)行了比較。結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可以看出，太陽(yáng)曬干稻谷可以獲得最低的爆腰增率（均值1%），但平均干燥時(shí)間最長(zhǎng)，為36h，干燥速度最低為0.32%w.b/h；同時(shí)，干稻谷有發(fā)霉現(xiàn)象，其發(fā)霉率均值為2%。熱風(fēng)干燥未設(shè)復(fù)蘇過(guò)程，稻谷干燥速度最高，達(dá)到3.8%w.b./h，但其爆腰增率均值為10.3%。這說(shuō)明爆腰增率與干燥速度有關(guān)[2]。稻谷高爆腰增率易導(dǎo)致加工過(guò)程中整米率降低，影響成品米品質(zhì)[19]。

在熱泵干燥過(guò)程中，干燥溫度顯著影響爆腰增率，較低的干燥溫度可以獲得較低的爆腰增率。例如，35℃干燥條件下的爆腰增率比40℃低0.3%。這是因?yàn)楦邷貢?huì)造成稻谷顆粒表面快速失水，導(dǎo)致表層收縮、局部硬化，阻斷水分傳遞通道，傳質(zhì)阻力的增加更易使顆粒內(nèi)部水蒸氣壓力增加，導(dǎo)致稻谷爆腰。而基于玻璃化轉(zhuǎn)變理論的稻谷爆腰產(chǎn)生機(jī)理認(rèn)為[20]，干燥過(guò)程中，當(dāng)?shù)竟阮w粒由外表向里形成玻璃態(tài)時(shí)，顆粒內(nèi)部形成玻璃態(tài)和橡膠態(tài)兩個(gè)部分。由于玻璃態(tài)和橡膠態(tài)的彈性模量和膨脹系數(shù)有很大的差別，因此在一定水分梯度下，微裂紋會(huì)從兩者交界處產(chǎn)生。稻谷溫度越高，二者交界處拉應(yīng)力會(huì)越大，很可能產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)而由于玻璃態(tài)的拉應(yīng)力使微裂紋向玻璃態(tài)部分?jǐn)U展，導(dǎo)致稻谷爆腰。

從表1中還可以看出，稻谷裝載量會(huì)影響到熱泵干燥時(shí)間，進(jìn)而影響到干燥速度，但對(duì)爆腰增率影響不顯著（p＞0.05）。稻谷裝載量的增加可降低單位能耗，即提高電能利用率。當(dāng)裝載量從60kg提高至300kg時(shí)，單位能耗降低了64%。因此，在該干燥倉(cāng)生產(chǎn)能力范圍內(nèi)，適當(dāng)提高生產(chǎn)量，可以在保證稻谷品質(zhì)的同時(shí)，獲得更低的單位能耗。

較熱泵干燥方式，相同干燥溫度40℃下，熱風(fēng)干燥導(dǎo)致稻谷更高的爆腰增率，其值是熱泵干燥稻谷的3.1倍。這可能是因?yàn)樵诟稍镩_(kāi)始階段，采用電加熱形式的熱風(fēng)迅速被加熱至預(yù)設(shè)溫度值；并且，實(shí)驗(yàn)時(shí)熱風(fēng)相對(duì)濕度長(zhǎng)期維持在50%左右。低濕熱風(fēng)易使得稻谷表面迅速失水，使水稻內(nèi)部產(chǎn)生由表及里較高的水分梯度。水稻表面因干燥失水收縮而產(chǎn)生拉應(yīng)力，中心部因持水膨脹而產(chǎn)生壓應(yīng)力。如果內(nèi)部應(yīng)力差遠(yuǎn)超過(guò)水稻應(yīng)力極限，就會(huì)在水稻表面出現(xiàn)應(yīng)力裂紋[21]；同時(shí)，熱風(fēng)會(huì)使稻谷顆粒溫度迅速升高，顆粒內(nèi)部淀粉細(xì)胞內(nèi)的水蒸氣壓力在短時(shí)間內(nèi)增大，這也會(huì)造成內(nèi)應(yīng)力增大，導(dǎo)致稻谷爆腰[22]。

對(duì)于熱泵干燥，雖然前期干燥空氣升溫較快，但空氣相對(duì)濕度較高（80%～60%），這可以避免稻谷表面迅速失水、硬化。當(dāng)干燥空氣升至預(yù)設(shè)溫度時(shí)，顆粒水分已經(jīng)由高水分含量降到20%以下，空氣相對(duì)濕度長(zhǎng)期維持在50%～60%之間（見(jiàn)圖4），保證稻谷溫和干燥，最終可獲得較低的爆腰增率。這符合鄭先哲等[21]的結(jié)論，在熱空氣溫度相同的情況下，隨著其相對(duì)濕度的增加，水稻爆腰增率下降。

表1 不同干燥方式干燥指標(biāo)比較表Table 1 Comparison of drying indices undergoing different drying methods

熱風(fēng)干燥過(guò)程因采用開(kāi)放式，熱風(fēng)接觸稻谷后直接排入環(huán)境，因此具有最高的單位能耗。而熱泵干燥可以實(shí)現(xiàn)干燥空氣的余熱回收，過(guò)程電耗較低，具有較低的單位能耗。

3 結(jié)論

本文利用自主研發(fā)的攪拌式、熱泵穿流干燥倉(cāng)，實(shí)現(xiàn)了新鮮稻谷的脫水過(guò)程，通過(guò)考察不同干燥方式對(duì)稻谷干燥品質(zhì)和過(guò)程性能的影響，獲得的主要結(jié)論如下：

3.1 稻谷熱泵干燥一直處于降速干燥階段，并且受溫度影響顯著。溫度升高，可以縮短干燥時(shí)間，但會(huì)增加稻谷爆腰增率。35℃熱泵干燥稻谷的爆腰增率比40℃脫水稻谷低0.3%。

3.2 在熱泵干燥倉(cāng)生產(chǎn)能力范圍內(nèi)，適當(dāng)提高生產(chǎn)量，可以在保證稻谷品質(zhì)的同時(shí)，獲得更低的單位能耗。當(dāng)?shù)竟妊b載量由60kg提高至300kg時(shí)，干燥倉(cāng)脫除水分的單位能耗可下降64%。

3.3 較之自然干燥，熱泵干燥可以大幅度縮短干燥時(shí)間，降低發(fā)霉率；較之熱風(fēng)干燥，溫和的熱泵干燥可以獲得較低的爆腰增率和單位能耗。當(dāng)熱泵干燥溫度為35℃時(shí)，過(guò)程單位能耗為2022kJ/kg water，爆腰增率為1.3%。

本文的實(shí)驗(yàn)研究可以為基于熱泵干燥技術(shù)的循環(huán)式干燥機(jī)以及間歇式大型干燥機(jī)械的開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

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