新疆糙米加濕調(diào)質(zhì)工藝試驗(yàn)研究

栗 文，蘭海鵬，張?jiān)菩?，唐玉榮，張 宏，范修文，沈柳楊

(1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.天津職業(yè)大學(xué)，天津 300402)

0 引言

新疆是我國的稻谷主產(chǎn)區(qū)之一，因其氣候干燥，相比其他稻谷生產(chǎn)地區(qū)，收獲后的稻谷含水率較低，經(jīng)干燥儲(chǔ)藏后稻谷的含水率更低。而稻谷最適宜的碾米含水率為15.5%～16.5%[1-3]，若稻谷的含水率較低，此時(shí)糙米籽粒堅(jiān)硬且脆性大，直接碾米容易產(chǎn)生碎米而且能耗高[4-5]。國內(nèi)外稻谷加工企業(yè)通常采用一次加濕調(diào)質(zhì)技術(shù)解決這一問題[6-8]，如果加濕過量會(huì)導(dǎo)致稻谷含水率過高，碾米時(shí)易形成糠塊，出米率低，能耗增加[9]。因此，探求適宜的分段加濕調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)具有十分重要的意義。

國內(nèi)外研究糙米加濕調(diào)質(zhì)工藝的國家主要集中在日本、韓國及中國等亞洲國家。在國外，日本的糙米微量調(diào)質(zhì)技術(shù)最為先進(jìn)且起步較早，其糙米加濕調(diào)質(zhì)技術(shù)研究和發(fā)展的速度較快，已由起初直接噴霧著水進(jìn)行糙米加濕的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槌暡訚竦姆绞綄?duì)糙米進(jìn)行調(diào)質(zhì)。超聲波加濕方式與直接噴霧加濕方式相比，霧滴更細(xì)、潤糙更均勻，但其霧化量有限且費(fèi)用昂貴，不適宜我國大部分中小大米加工企業(yè)。另一方面，日本人口基數(shù)小，稻谷需求量少，現(xiàn)行的稻谷加工工藝體系為直接將收獲后的稻谷加工為糙米，控溫、控濕儲(chǔ)藏，現(xiàn)吃、現(xiàn)買、現(xiàn)碾；而我國人口多，此體系不適用于我國糧食安全儲(chǔ)藏的基本國情。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)賈富國教授根據(jù)我國基本國情，以東北稻谷為試驗(yàn)材料，探索適合我國稻谷的加濕調(diào)質(zhì)工藝，研究了糙米加濕水分的滲透規(guī)律及糙米含水率與碾米整精米率和碾米能耗的關(guān)系；研究了糙米加濕調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)單次加濕量、潤糙間隔時(shí)間、潤糙溫度對(duì)整精米率和碾米能耗的影響規(guī)律，得到了最佳的糙米加濕調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)組合[6]。結(jié)果表明：單次加濕量1.56%、潤糙溫度29.6℃、潤糙間隔時(shí)間64.6min時(shí)，碾米的整精米率提高了15.42%，能耗降低26.86%[10]；但尚未對(duì)其他稻谷生產(chǎn)地區(qū)不同品種的稻谷進(jìn)行研究，以增加糙米加濕調(diào)質(zhì)工藝以及設(shè)備的適用性和通用性。目前，而有關(guān)新疆糙米加濕調(diào)質(zhì)工藝研究鮮有報(bào)道。

本試驗(yàn)參照東北稻谷的加濕調(diào)質(zhì)工藝，采用響應(yīng)面分析法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，研究單次加濕量、潤糙間隔時(shí)間及潤糙溫度對(duì)整精米率和碾米能耗的影響規(guī)律，探索適合南疆稻谷的加濕調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)組合，對(duì)促進(jìn)新疆糙米加濕調(diào)質(zhì)技術(shù)的研究與推廣，具有重要的研究價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取存儲(chǔ)1年、初始含水率為10%、整精米率為38.51%、碾米能耗為623.62 kJ/kg的南疆長粒香稻谷。

1.2 試驗(yàn)儀器

自制糙米加濕調(diào)質(zhì)試驗(yàn)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)糙米流量、加濕量的自動(dòng)調(diào)節(jié)且加濕均勻；礱谷機(jī)，F(xiàn)C2K型，日本大竹株式會(huì)社；試驗(yàn)機(jī)采用細(xì)霧噴頭，BSPT-1/4 LNN型，(美國)，可保障霧滴的霧化細(xì)小均勻；恒溫恒濕培養(yǎng)箱，WS-380H型，上海冠森生物科技公司，誤差范圍±0.8%；全自動(dòng)糙米加工檢測(cè)儀，SY95-RAT4型(韓國)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制記錄整精米率和碾米能耗，誤差范圍±0.4%。

1.3 試驗(yàn)方法

潤糙是將稻谷經(jīng)壟谷后低含水率的糙米進(jìn)行加濕調(diào)質(zhì)，增加其含水率，通過控制潤糙溫度和潤糙間隔時(shí)間實(shí)現(xiàn)潤糙工藝；確定合適的參數(shù)范圍，單次加濕量、潤糙間隔時(shí)間以及潤糙溫度各個(gè)參數(shù)過大或過小都將直接影響整精米率大小和碾米能耗的高低。試驗(yàn)采用GB1350-2009方法測(cè)定稻谷含水率，采用礱谷機(jī)得到糙米，采用自行研制的傘式勻料糙米加濕調(diào)質(zhì)機(jī)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行糙米的加濕調(diào)質(zhì)作業(yè)，采用恒溫恒濕培養(yǎng)箱進(jìn)行潤糙，采用全自動(dòng)碾米測(cè)定儀檢測(cè)糙米的整精米率。各組試驗(yàn)重復(fù)操作3次，并求取每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值作為最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)選取整精米率(整精米率是指整米質(zhì)量與試驗(yàn)用的稻谷總質(zhì)量的百分比值)為考察指標(biāo)，試驗(yàn)選取單次加濕量、潤糙溫度、潤糙間隔時(shí)間為影響因素。

1.4 試驗(yàn)方案

1)單因素試驗(yàn)：分別固定單次加濕量、潤糙溫度及潤糙間隔時(shí)間3個(gè)因素中的任意兩個(gè)因素，研究另一個(gè)因素對(duì)碾米作業(yè)整精米率的影響規(guī)律。

2)響應(yīng)面分析法試驗(yàn)：表1為響應(yīng)面分析法試驗(yàn)方法；其試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素水平編碼

表2 試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表2

2 結(jié)果分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 單次加濕量

分別固定潤糙溫度和潤糙間隔時(shí)間為零水平(30℃和90min)，研究單次加濕量對(duì)整精米率的影響規(guī)律試驗(yàn)結(jié)果，如圖1(a)所示。從圖1(a)中可以看出：整精米率隨著單次加濕量的增加而呈現(xiàn)先增加后下降的規(guī)律，整精米率下降的速度大于其增加的速度。由于單次加濕過量，糙米內(nèi)外水分含量差距增大，產(chǎn)生應(yīng)力裂紋，碾米時(shí)碎米增多，整精米率下降；單次加濕量較低時(shí)，糙米的硬度和脆性下降慢，整精米率提高緩慢。

2.1.2 潤糙溫度

分別固定單次加濕量和潤糙間隔時(shí)間為零水平(1.25%和90min)，研究潤糙溫度對(duì)整精米率的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖1(b)所示。由圖1(b)中可以看出：整精米率隨著潤糙溫度的上升而呈現(xiàn)先增加后下降的規(guī)律，整精米率下降的速度小于其增加的速度；潤糙溫度影響水分子的活躍性，隨著潤糙溫度的增大，水分的滲透速度越來越快，整精米率提高；而潤糙溫度過高使得糙米的硬度和脆性下降較快，導(dǎo)致碾米時(shí)整精米率降低。

2.1.3 潤糙間隔時(shí)間

分別固定單次加濕量和潤糙溫度為零水平(1.25%和30℃)，研究潤糙間隔時(shí)間對(duì)整精米率的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖1(c)所示。由圖1(c)中可以看出：整精米率隨著潤糙間隔時(shí)間的積累而呈現(xiàn)先增加后下降的規(guī)律，下降的速度較為緩慢并小于其增加的速度。隨著潤糙間隔時(shí)間的延長，水分滲透的效果愈來愈好，整精米率提高；但潤糙間隔時(shí)間過長，導(dǎo)致糙米的硬度和脆性過低，碾米時(shí)碎米增多。

(a) 單次加濕量 (b) 潤糙溫度 (c) 潤糙間隔時(shí)間圖1 單因素試驗(yàn)Fig.1 Experiment of single factor

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用SAS軟件處理表2的試驗(yàn)結(jié)果，得到各個(gè)因素對(duì)整精米率影響規(guī)律的回歸方程，即

方程決定系數(shù)R2=0.86，方程擬合良好。

2.2.1 潤糙溫度和潤糙間隔時(shí)間的交互作用

將單次加濕量固定在零水平，即1.25%，對(duì)回歸方程進(jìn)行降維分析，得到潤糙溫度和潤糙間隔時(shí)間對(duì)整精米率的交互影響規(guī)律，如圖2(a)所示。分析試驗(yàn)結(jié)果可得：整精米率隨潤糙溫度升高和潤糙時(shí)間增大而呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)；將潤糙間隔時(shí)間或者潤糙溫度固定在某一水平，整精米率都隨相對(duì)應(yīng)的潤糙溫度或潤糙間隔時(shí)間都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，整精米率在二因素零水平附近的交叉區(qū)域達(dá)到最高點(diǎn)。

2.2.2 單次加濕量和潤糙間隔時(shí)間的交互作用

將潤糙溫度固定在零水平，即30℃，對(duì)回歸方程進(jìn)行降維分析，得到單次加濕量和潤糙間隔時(shí)間對(duì)整精米率的交互影響規(guī)律，如圖2(b)所示。分析試驗(yàn)結(jié)果可得：整精米率隨單次加濕量和潤糙時(shí)間增大而呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，將單次加濕量或者潤糙間隔時(shí)間固定在某一水平，整精米率都隨相對(duì)應(yīng)的潤糙間隔時(shí)間或單次加濕量都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，整精米率在二因素零水平附近的交叉區(qū)域達(dá)到最高點(diǎn)。

2.2.3 單次加濕量和潤糙溫度的交互作用

將潤糙間隔時(shí)間固定在零水平，即90min，對(duì)回歸方程進(jìn)行降維分析，得到單次加濕量和潤糙溫度對(duì)整精米率的交互影響規(guī)律，如圖2(c)所示。分析試驗(yàn)結(jié)果可得：整精米率隨單次加濕量的增大和潤糙溫度升高而呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，將單次加濕量或者潤糙溫度固定在某一水平，整精米率都隨相對(duì)應(yīng)的潤糙溫度或單次加濕量都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，整精米率在二因素零水平附近的交叉區(qū)域達(dá)到最高點(diǎn)。

(a) 一次加濕量

(b) 潤糙溫度

(c) 潤糙間隔時(shí)間圖2 響應(yīng)面分析法試驗(yàn)Fig.2 Experiment of response surface analysis

綜上所述，試驗(yàn)所研究的糙米加濕調(diào)質(zhì)工藝中影響整精米率的3個(gè)因素，任意兩者之間存在著交互影響作用，其作用使得碾米的整精米率變得更高。

2.2.4 各參數(shù)綜合優(yōu)化分析

通過各參數(shù)綜合優(yōu)化分析所得，當(dāng)單次加濕量為1.28%、潤糙溫度為30.20℃、潤糙間隔時(shí)間為105min時(shí)，整精米率達(dá)到最大值43.63%。

2.2.5 綜合優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證試驗(yàn)

按照1.3節(jié)試驗(yàn)方法以最優(yōu)參數(shù)值設(shè)置驗(yàn)證試驗(yàn)，進(jìn)行碾米作業(yè)，測(cè)得5個(gè)試驗(yàn)樣本的整精米率分別為42.68%、44.59%、42.78%、42.89%、44.81%，平均值為43.55%；碾米能耗分別為437.65、446.29、437.61、442.73、431.47kJ/kg，平均值為439.15kJ/kg，整精米率誤差0.22%，故此優(yōu)化結(jié)果可靠。

試驗(yàn)可得，在原試驗(yàn)材料的基礎(chǔ)上整精米率提高了13.08%，碾米能耗降低了29.58%。試驗(yàn)可解決糙米碾米作業(yè)時(shí)整精米率低、能耗高的問題，可以提高新疆大米加工企業(yè)的生產(chǎn)效益，可為新疆南疆稻谷的加濕調(diào)質(zhì)工藝提供可靠的理論依據(jù)。

3 討論

上述規(guī)律與文獻(xiàn)[10]所研究東北糙米加濕調(diào)質(zhì)工藝變化規(guī)律相似，但試驗(yàn)結(jié)果存在很大的差異。這是由于新疆稻谷的初始含水率較東北稻谷的初始含水率低，二者的外形尺寸和微觀結(jié)構(gòu)也存在差異。就各因素變化的臨界值而言，兩地區(qū)糙米加濕調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)間的差異體存在，新疆糙米相比東北糙米的單次加濕量相對(duì)較低、潤糙溫度接近，潤糙間隔時(shí)間相對(duì)較長。

本文只研究了南疆長粒香稻谷的加濕調(diào)質(zhì)工藝，研究范圍還需進(jìn)一步擴(kuò)充新疆其他品種的稻谷，以增加研究的應(yīng)用價(jià)值。由于地區(qū)間的客觀差距，試驗(yàn)結(jié)果與東北糙米加濕調(diào)質(zhì)的試驗(yàn)結(jié)果仍存在一定差異。

4 結(jié)論

試驗(yàn)研究表明：單次加濕量、潤糙溫度和潤糙間隔時(shí)間直接影響糙米加濕調(diào)質(zhì)效果，進(jìn)而影響碾米作業(yè)中整精米率的高低；南疆和東北地區(qū)糙米加濕調(diào)質(zhì)工藝存在很大的差異；試驗(yàn)得到適宜新疆南疆糙米的加濕調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)組合為：單次加濕量1.28%、潤糙溫度30.20℃、潤糙間隔時(shí)間105 min時(shí)，糙米碾米作業(yè)的整精米率提高13.08%，碾米能耗降低29.58%。試驗(yàn)結(jié)果可為新疆糙米加濕調(diào)質(zhì)工藝的研究和推廣提供理論依據(jù)。

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