稻谷緩蘇干燥特性研究及動力學模型構建

王丹陽，王 潔，于文澤，魏志鵬，張本華，徐 波，高 虹

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學工程學院，沈陽110161；2.北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京100044；3.沈陽市糧油檢驗監(jiān)測所，沈陽110003）

緩蘇可有效減少熱敏性谷物在干燥過程中籽粒內(nèi)部由溫差應力和水分梯度應力差引發(fā)的裂紋率，既可以改善稻谷干燥質(zhì)量又可提高能源利用率[1]。為此，糧食實際干燥生產(chǎn)中多增設緩蘇環(huán)節(jié)[2]。任廣躍等[3-5]分別通過試驗驗證了合理的緩蘇干燥工藝可以有效加快稻谷、蘋果以及茶薪菇的干燥速度，提高干燥品質(zhì)。林子木等[6]利用響應面分析了緩蘇時間對深層干燥后稻谷爆腰率、脂肪酸值、干燥效率的影響，得出隨緩蘇時間的增加爆腰率增加而干燥效率降低；MORTEZA 等[7-8]研究了干燥-緩蘇的溫度和時間對單位能耗、稻谷裂紋率、稻谷碾磨品質(zhì)的影響規(guī)律，為節(jié)能高效的稻谷干燥工藝研究提供借鑒；周緒霞等[9]研究了緩蘇比對稻谷營養(yǎng)品質(zhì)及其蒸煮米飯質(zhì)構特性的影響，得出緩蘇比為1∶3時熱泵干燥與遠紅外干燥兩種方式干燥效果均為最佳。此外，為準確描述干燥過程中失水率與影響因素之間的關系，前人通過大量研究得出許多基于理論、半經(jīng)驗、經(jīng)驗的干燥動力學模型[10-11]。目前已廣泛應用于生物質(zhì)[12]、水果[13]、食品[14-15]等干燥特性的研究中。在糧食干燥領域也針對干燥動力學模型的適用性開展了廣泛的研究[16]。齊德波[17]對比了14種干燥動力學模型，最終選取Weibull方程作為玉米薄層干燥方程；王安建[18]建立了花生熱泵干燥動力學Page模型；王鳳賀等[19]通過對比9種數(shù)學模型在油茶籽熱風干燥中的適用性，得出Lewis模型預測效果最優(yōu)。綜上所述，我國在稻谷緩蘇干燥已有多方研究，但針對深床緩蘇干燥研究不多，且已有研究中多數(shù)研究者針對緩蘇溫度與緩蘇時長進行了探討，而對于什么時間緩蘇、在什么位置緩蘇、以什么方式緩蘇、深床緩蘇干燥特性等鮮有報道，對稻谷深床緩蘇干燥過程研究分析還不夠深入。本研究針對稻谷深層緩蘇干燥工藝參數(shù)研究不全面、缺乏對該過程干燥特性參數(shù)研究問題，探究了緩蘇時間、緩蘇溫度、緩蘇起始含水率、緩蘇方式、緩蘇時刻等試驗因子對稻谷干燥效率及干燥品質(zhì)指標的影響規(guī)律，應用并對比6 種干燥數(shù)學模型，旨在選用較優(yōu)模型預測干燥過程特性參數(shù)的變化，以得出較為可靠的稻谷深床干燥工藝參數(shù)優(yōu)化范圍，以期對稻谷干燥工藝優(yōu)化和實際生產(chǎn)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗選用沈陽領先種業(yè)的遼-鹽粳98稻谷，試驗前將原料進行篩選、除雜。根據(jù)GB 5009.3-2016測得稻谷初始含水率為10%～12%（w.b）。利用人工加濕法多次少量均勻加入相應質(zhì)量的等離子水，以調(diào)節(jié)樣品至所需水分。調(diào)配完成的物料裝入雙層塑料袋中儲存于陰涼處 48h，期間每隔 3～4h 翻動 1 次，以保證谷溫與環(huán)境溫度一致及水分的平衡。試驗前用烘箱法再次進行水分檢測。

1.2 儀器與設備

自制稻谷深床緩蘇干燥試驗臺、101-LES 型電熱鼓風干燥箱（北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司）、JA1002 型電子秤（賽多利斯工業(yè)稱重設備有限公司，精度0.001g）、小型礱谷機（臺州市路橋京奧梁用器材廠）、培養(yǎng)皿、取料器、聚光手電筒。其中自制稻谷深床緩蘇干燥試驗臺結構如圖1。

圖1 自制稻谷深床緩蘇干燥試驗臺結構Figure 1 The structure of the drying test bench in the deep bed of homemade rice

1.3 方法

1.3.1 試驗指標的測定

1.3.1.1 水分比的測定 本研究中稻谷含水率均以濕基計算，其水分比計算方法為：

式中：MR為稻谷的水分比；Mt為干燥過程中t時刻稻谷含水率；Me為稻谷平衡含水率；M0為稻谷初始含水率。

1.3.1.2 爆腰增率的測定 試驗前，將隨機查取的稻谷原樣分成3 個子樣，每個子樣中取出完整稻谷100 粒，手工剝殼后，用自制爆腰燈進行檢測。凡有裂紋的糙米均屬爆腰，其中有一道裂紋為輕度爆腰，兩道裂紋為中度爆腰，兩道以上裂紋為重度爆腰，有橫縱交錯裂紋的屬龜裂[20]。取其3組的平均值為初始爆腰率。待干燥結束48h后稻谷爆腰率趨于穩(wěn)定，此時于各層隨機查取稻谷100粒分別測其爆腰率，求取均值為干后爆腰率。

1.3.1.3 干燥均勻度的測定 干燥均勻度通過測量計算干燥終了時刻干燥倉內(nèi)各層各測點稻谷含水率標準差倒數(shù)進行評價[21]，干燥均勻度D值越高均勻性越好，反之越差。

1.3.1.4 整精米率的測定 參照GB/T21719-2008的方法進行。

1.3.1.5 初始發(fā)芽率的測定 參照GB/T5520-2011的方法進行。

1.3.2 試驗方案 試驗于2019年5月在沈陽農(nóng)業(yè)大學工程學院干燥實驗室進行，環(huán)境溫度18～20℃，相對濕度39%～42%。由課題組前期試驗得單因素試驗中固定因素：風溫60℃，風速0.8m·s-1，稻谷的初始含水率23%（w.b），谷層厚度為30cm，自下而上每隔5cm 分層，每層3個測點，共5層15個測點。選取緩蘇時間、緩蘇含水率、緩蘇溫度、緩蘇方式、緩蘇時刻為試驗因素，爆腰率、發(fā)芽率、干燥均勻度、整精米率、凈干燥時間為試驗指標，試驗過程中，每隔一定時間，用取料器取料測量各層稻谷含水率值并記錄各測點傳感器溫度，直至頂層稻谷含水率低于14%（w.b）停止試驗。試驗方案如表1。

表1 試驗工藝參數(shù)Table 1 Experimental process parameters

2 結果與分析

2.1 試驗數(shù)據(jù)與分析

2.1.1 試驗因素對爆腰增率的影響 由圖2a可知，隨緩蘇時間的延長，稻谷爆腰增率波動較大，其中緩蘇時間為3h和9h時可有效抑制爆腰率增長。由圖2b可知，爆腰增率隨緩蘇含水率增加總體呈下降趨勢，說明閾值區(qū)間內(nèi)稻谷含水率較高時進行緩蘇，連續(xù)干燥時間相對較短，可及時促進谷粒內(nèi)外溫差與水分差的平衡，稻谷籽粒內(nèi)應力較小，致使爆腰率減少。由圖2c可知，緩蘇溫度為40℃時稻谷爆腰增率出現(xiàn)低谷值，此時稻谷籽粒多為1 道裂紋；緩蘇溫度大于40℃時，籽粒多為多道裂紋甚至出現(xiàn)碎米，可知在60℃干燥條件下進行高溫緩蘇不利于稻谷內(nèi)部應力平衡。由圖2d 可知，采用停風的兩種緩蘇方式效果更好，其中停風保溫時稻谷爆腰增率值最低，說明稻谷籽粒緩蘇時供以適當熱能有助于其內(nèi)外部水分平衡，可抑制裂紋產(chǎn)生。由圖2e可知，在干燥初期和末期時加入緩蘇，會導致稻谷品質(zhì)不佳；在第2 和第3 層稻谷含水率達到17.8%～18.2%時進行緩蘇可以有效降低稻谷的爆腰增率，說明干燥時間過長或過短均不利于抑制稻谷裂紋的產(chǎn)生。

圖2 不同緩蘇工藝參數(shù)對爆腰增率的影響規(guī)律Figure 2 The effect of different experimental factors on the explosion waist increase rate

2.1.2 試驗因素對發(fā)芽率的影響 由圖3a可知，緩蘇時間為12h時雖然可保持較高發(fā)芽率但生產(chǎn)效率將大幅降低，緩蘇時間為3h和9h時稻谷發(fā)芽率分別為最高與最低值，說明過長的緩蘇時間不利于稻谷種子保持生命活力。緩蘇時間為1.5～6h效果最佳。由圖3b可知，曲線的峰值出現(xiàn)含水率為17%～18%處，此時進行緩蘇對發(fā)芽率有一定的正向作用。由圖3c 可知，發(fā)芽率與緩蘇溫度呈負相關。低溫緩蘇干燥對稻谷生命活力保持更好，高溫緩蘇使稻谷蛋白質(zhì)變性和凝固，導致了酶活性喪失。由圖3d 可知，緩蘇方式對發(fā)芽率整體影響不大，其中停風停溫緩蘇方式后的稻谷發(fā)芽率最高，而其他方式效果差異不明顯。由圖3e 可知，底層稻谷含水率達到18%時進行緩蘇效果相對最差，說明干燥初期整倉稻谷干燥熱能積累不足時即進行緩蘇，易使中上層稻谷在低熱高濕狀態(tài)時間過長，影響其生態(tài)呼吸降低其生物活性。

圖3 不同緩蘇工藝參數(shù)對發(fā)芽率的影響規(guī)律Figure 3 The effect of different experimental factors on the germination rate

2.1.3 試驗因素對干燥均勻度的影響 由圖4a可知，緩蘇時間為9h時干燥均勻度最好，說明緩蘇時間過短會使稻谷籽粒無法有效地進行內(nèi)外水分遷移，緩蘇時間過長會引起籽粒外部自有水分的復流吸濕，待干燥熱能重新積累時會出現(xiàn)小范圍重復干燥現(xiàn)象，兩種情況均會降低整體干燥均勻度。由圖4b 可知，干燥均勻度整體隨緩蘇含水率的升高而增加，在緩蘇含水率為18%時最好，在稻谷中高水分時加入緩蘇可有效減少促進稻谷籽粒內(nèi)部水分平衡。由圖4c可知，緩蘇溫度為30℃時稻谷干燥均勻性達到0.8以上為最佳，由此60℃干燥時高溫緩蘇不利于稻谷干燥均勻性，這與由爆腰增率指標分析所得出結論類似。由圖4d 可知，低風停溫緩蘇方式下干燥均勻度最好，這說明采用加入低速熱風的緩蘇操作可使稻谷水分擴散更加均衡。由圖4e 可知，緩蘇時刻為第3 層稻谷含水率達到18%時進行緩蘇干燥均勻度最好，而在干燥初期和末期加入緩蘇干燥均勻性明顯較差，這與爆腰增率、發(fā)芽率指標分析結論基本一致，說明在干燥中間時段加入緩蘇可有效促進稻谷籽粒內(nèi)部水分的擴散。

圖4 不同緩蘇工藝參數(shù)對干燥均勻度的影響規(guī)律Figure 4 The effect of different experimental factors on drying uniformity

2.1.4 試驗因素對整精米率的影響 由圖5a 可知，干燥后稻谷整精米率隨緩蘇時間延長上下波動，其中緩蘇時間為12h 時整精米率最高。由圖5b 可知，整精米率與緩蘇含水率整體上呈負相關，說明高含濕稻谷時增加緩蘇容易使稻谷相對較長時間處于低溫高濕環(huán)境而使籽粒內(nèi)部反復吸濕干燥，致使爆腰率增加，整精米率降低。由圖5c可知，隨緩蘇溫度升高稻谷整精米率明顯降低，緩蘇溫度超過50℃，整精米率將低于60%。由圖5d可知，不同緩蘇方式對整精米率影響不大，其中停風緩蘇干燥后稻谷整精米率較高，說明緩蘇過程中不增強稻谷籽粒外部環(huán)境干燥能力，更有利于其籽粒內(nèi)部水分及溫度應力的平衡與擴散，這與由爆腰增率、發(fā)芽率變化所得結論一致。由圖5e 可知，在中間層稻谷含水率達到18%時進行緩蘇，稻谷的整精米率明顯優(yōu)于干燥初期與干燥末期兩種緩蘇時刻，這與爆腰增率、發(fā)芽率、干燥均勻度分析結論基本一致。

2.1.5 試驗因素對凈干燥時間的影響 由圖6a 可知，適度的緩蘇時長可降低稻谷爆腰增率，但過長的緩蘇時間會降低干燥效率，造成能源浪費。由圖6b 可知，較高含水率條件下設置緩蘇可獲得較好的稻谷品質(zhì)且凈干燥時間及能源消耗較少。由圖6c 可知，緩蘇溫度高于40℃時，凈干燥時間會隨緩蘇溫度增加明顯降低。由圖6d 可知，緩蘇操作時通風增強外部環(huán)境干燥能力可有效降低稻谷干燥時間。由圖6e 可知，凈干燥時間隨緩蘇時刻延遲而減少，說明連續(xù)干燥時間越長積累干燥能越多，凈干燥時間越短，但連續(xù)干燥時間過長干燥品質(zhì)也越差。

圖5 不同緩蘇工藝參數(shù)對整精米率的影響規(guī)律Figure 5 The effect of different experimental factors on the rate of finishing rice

圖6 不同緩蘇工藝參數(shù)對凈干燥時間的影響規(guī)律Figure 6 The effect of different experimental factors on the net drying time

2.2 深床緩蘇干燥動力學模型建立與驗證

2.2.1 干燥動力學模型 為更好地描述與預測熱風深床緩蘇干燥過程中稻谷的水分散失情況，本研究將稻谷深床緩蘇干燥模型分割成5個薄層，選擇6種常用的薄層干燥動力學模型對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，并引入計算模型參數(shù)值（R2、ME、SE、SSE）作為評價指標，以選取擬合精度高的模型表征稻谷深床緩蘇干燥脫水過程。6種薄層干燥數(shù)學模型的方程式如表2。

2.2.2 干燥動力學模型的計算與分析 根據(jù)表2中常見的薄層干燥動力學模型與單因素試驗結果，采用MAT-LAB 2016b軟件中的非線性擬合函數(shù)lsqcurvefit對其進行非線性迭代擬合，得到各數(shù)學模型的模型常數(shù)。并將決定系數(shù)R2、平均相對百分比誤差MRE、殘差平方和SSE、標準差SE作為評價指標以綜合評價稻谷深床緩蘇干燥的最優(yōu)模型[22-23]。6種數(shù)學模型的擬合結果如表3。擬合結果顯示，Page模型擬合度最好，Logarithmic 模型擬合最差。因此，選定Page模型為最優(yōu)稻谷深床緩蘇干燥動力學模型，并對其進行驗證。

表2 干燥動力學模型Table 2 Drying dynamics models

表3 6種數(shù)學模型的擬合結果Table 3 Fitting results for six mathematical models

2.2.3 模型驗證 為驗證模型的擬合精度，選取兩組建模外不同試驗條件下測得的水分比與6 種數(shù)學模型預測值進行比較分析，擬合曲線如圖7，截斷點處表示緩蘇干燥階段。模擬圖像顯示緩蘇工序前后稻谷水分比和總干燥時間的函數(shù)關系可用指數(shù)函數(shù)或二次函數(shù)來描述。整體上看，緩蘇干燥前Page模型可更好反應稻谷深床干燥的變化規(guī)律，而緩蘇工序后模型預測值與試驗測量值產(chǎn)生一定程度的誤差，隨著干燥時間的延長，誤差值逐漸減小。

圖7 不同干燥條件下6種數(shù)學模型的擬合曲線Figure 7 Six mathematical models fit curves under different drying conditions

為進一步驗證Page 模型的預測準確性，在建模集以外數(shù)據(jù)中選4 組不同的試驗條件，分別對Page 模型預測理論值與試驗測量值進行對比研究(圖8)。稻谷在不同干燥條件下所得的實際水分比與模型預測值較為接近，依據(jù)預測結果與試驗結果計算其平均相對誤差為5.41%。這說明隨時間的變化，Page模型能夠相對準確地反映稻谷干燥過程中含水率的變化，可用于預測深床緩蘇干燥過程中緩蘇前后稻谷水分比的變化規(guī)律，其建模結果為：MR=EXP(-0.4683*t0.4928)。

圖8 不同干燥條件下試驗值與模型預測值的比較Figure 8 Comparison of test values with model predicted values under different drying conditions

3 討論與結論

采用傳統(tǒng)方式進行稻谷熱風干燥，極大降低其營養(yǎng)品質(zhì)及食用品質(zhì)、爆腰現(xiàn)象明顯。為此，國內(nèi)外很多學者深入探究了影響稻谷干燥品質(zhì)的原因及改進措施。金毅[30]指出，緩蘇干燥保證了加熱的均勻性，避免因表面收縮、硬化以及褐變進而影響干燥品質(zhì)。明確了合理的緩蘇干燥工藝可有效改善物料的干燥特性。王珊珊[31]研究了緩蘇比、緩蘇溫度、緩蘇時間對水分梯度的影響，認為在稻谷籽粒干燥緩蘇初期設置短時緩蘇、中期單純干燥、后期長時緩蘇可有效縮短緩蘇時間和減少次數(shù)。JUNG等[32]也通過實驗與理論相結合方法分別驗證了合理的緩蘇干燥工藝可以有效加快大豆等食品的干燥速率，提高干燥品質(zhì)。上述學者均表明緩蘇工藝有助于提高糧食干燥速率、降低干燥應力，并在一定程度上進行了工藝參數(shù)的優(yōu)化，效果較好。但通過進一步分析發(fā)現(xiàn)，干燥過程中何時進行緩蘇、在什么位置緩蘇、以什么方式緩蘇等結論尚不清晰，仍有待進一步探究。

本研究綜合分析各試驗因子對干燥指標的影響規(guī)律，得出緩蘇時間為3～9h、緩蘇起始含水率為18%～20%、緩蘇溫度為30～50℃、緩蘇時刻為中間層含水率達17.8%～18.2%（w.b）、緩蘇方式為停風保溫或停風停溫時干燥效率高且干燥品質(zhì)好。應用Page 模型進行稻谷緩蘇干燥過程水分比參數(shù)數(shù)值模擬，其中R2=0.7739、MRE=1.1728、SSE=0.0634、SE=0.0915 在 6 種模型中表現(xiàn)最好，其建模結果為：MR=EXP(-0.4683*t0.4928)。對Page 模型進行驗證試驗，試驗結果與模型預測結果對比得出，平均相對誤差為5.41%，表明修正后的Page 模型可用于分析稻谷深床緩蘇干燥過程中水分比的變化，可為緩蘇干燥工藝參數(shù)的改進提供理論指導，但擬合精度還有待進一步提高。