稻谷熱風輔助射頻干燥工藝及相關品質(zhì)研究

Windi Damayanti，湯英杰，敬 璞，廖梅吉，焦順山

（上海交通大學農(nóng)業(yè)與生物學院，上海200240）

稻谷水分含量高，易受霉菌和蟲害侵蝕，進而影響稻米品質(zhì)[1]。干燥可以通過降低水分含量和水分活度，避免霉菌和蟲害，延長稻谷貨架期，提高其儲藏穩(wěn)定性[2]。傳統(tǒng)熱風干燥（HA）時間長、能耗高、效率低[3]。為提高干燥效率，防止因蟲害和霉菌而導致品質(zhì)下降，微波干燥和紅外干燥等新型干燥技術得到大量研究[4]。然而，這些干燥方法存在穿透深度小、加熱速度過快、加熱不均勻等問題，且會對稻谷加工及食用品質(zhì)產(chǎn)生不利影響。

射頻（RF）加熱是一種基于電磁波（3kHz～300MHz）的新型加熱技術，其工作原理是通過帶電離子振蕩和極性分子轉動產(chǎn)生摩擦從而在食物內(nèi)部產(chǎn)生熱量，實現(xiàn)整體快速加熱，且具有較好的穿透能力[5]。利用熱風輔助射頻（HA-RF）加熱可以改善射頻加熱均勻性，提高加工效率，降低加工能耗，目前已被研究應用于谷物殺蟲、干燥、滅霉等領域[6]。大量研究表明HA-RF技術是一種高效的谷物殺蟲新技術，目前已開發(fā)出中試規(guī)模的HA-RF殺蟲工藝[7]，以及針對包裝精米的殺蟲方案[8]；并對該技術工業(yè)化應用環(huán)節(jié)關鍵技術問題進行了深入研究[9]，HA-RF技術已成為目前最接近工業(yè)化應用的新型物理殺蟲技術。另外HA-RF也用于玉米等谷物干燥，可顯著縮短干燥時間，降低能耗[10]。此外，有研究表明通過合理的工藝設計，可以實現(xiàn)稻谷同步干燥和殺蟲[11]。

基于前期HA-RF殺蟲工藝研究，本研究重點探究其在稻谷同步殺蟲和干燥上的應用潛力，主要開發(fā)針對稻谷的HA-RF干燥工藝，并研究HA-RF干燥對稻米理化品質(zhì)、加工品質(zhì)和微觀結構的影響，以期為開發(fā)HA-RF同步殺蟲-干燥技術提供指導。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料與試劑

短粒稻谷：由揚州振揚米業(yè)有限公司提供，初始干基含水量為13.8%。為制備干基含水量為25.0%的稻谷，將190 g的稻谷復水并混合均勻，放置于4℃冰箱中保存4 d，確保稻谷水分分布均勻。

氫氧化鈉、氫氧化鉀、碘、碘化鉀、硫氰酸銨、油酸，均為上海阿拉丁生化科技股份有限公司產(chǎn)品；無水乙醇、冰乙酸，均為上海凌峰化學試劑有限公司產(chǎn)品；鹽酸、氯化亞鐵，均為國藥集團化學試劑有限公司產(chǎn)品；馬鈴薯直鏈淀粉、維生素E標準品，均為Sigma試劑公司產(chǎn)品；磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉，均為上海麥克林生化科技有限公司產(chǎn)品。

1.1.2 儀器與設備

GJD-6A-27JY型自由振蕩平行電極板式RF加熱設備（310 cm×100 cm×165 cm），功率6 kW，頻率27.12 MHz，上極板（75 cm×55 cm）高度可上下調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)與物料的最佳匹配以獲得不同的加熱速率，此外，設備帶有內(nèi)置HA系統(tǒng)（20～80℃）。ThermAgile-RD六通道熒光光纖測溫儀，DZF-6020型真空干燥箱，LJJM 2011型碾米機，LabScan XE色度分析儀，Waters alliance 2695高效液相色譜，UV-1800型紫外分光光度計，Sirion200掃描電子顯微鏡。

1.2 方法

1.2.1 熱風輔助射頻干燥

將210 g稻谷樣品（干基含水量為25.0%）放入長方形無蓋聚丙烯容器（13.0 cm×8.6 cm×5.5 cm），容器的側面和底部有直徑約為1 mm小孔，所有樣品厚度固定為3.0 cm。5個光纖傳感器分別放置在聚丙烯塑料容器的不同位置（圖1），用于記錄干燥過程中的溫度變化。根據(jù)預試驗研究，為確定最佳干燥溫度和RF升溫速率，RF電極板間距設置為8.5～10.0 cm，干燥溫度設置為50、55、60℃，利用相同溫度的HA維持干燥過程90.0 min，根據(jù)干燥效率、加工質(zhì)量和稻米品質(zhì)來最終確定最佳干燥溫度和極板間距。之后利用在最佳干燥參數(shù)條件下對稻谷進行干燥，在干燥過程中適時稱量樣品質(zhì)量，以計算樣品含水量，當?shù)竟雀稍镏涟踩趾浚?4.9%）時結束干燥進程。之后將樣品在室溫下快速冷卻，放入密封塑料袋中備用，并以相同溫度的HA干燥為對照。

圖1 熱風輔助射頻加熱過程中樣品容器的尺寸（單位：cm）和光纖傳感器（#）測溫位置（樣品厚度：3.0 cm）Fig.1 The dimension of sample container(unit:cm)and fiber optic temperature sensors position(#)in the samples(sample thickness:3.0 cm)during HA-RF heating

1.2.2單位能耗

參照Jafari等[12]的方法，干燥過程單位能耗（SEC）計算公式如下：

式中：E總為干燥過程中消耗的總電能（kW·h）；m蒸發(fā)為總蒸發(fā)水分的質(zhì)量（kg）。

根據(jù)Gong等[13]的研究將射頻功率保守估計為3.0 kW，熱風機功率為4.5 kW。

1.2.3 品質(zhì)分析

1.2.3.1 理化品質(zhì)

水分含量：稱取10 g樣品置于鋁皿中，采用減壓干燥法在130℃的真空干燥箱中將樣品烘干，通過樣品前后質(zhì)量變化計算干基水分含量。

維生素E含量：參照GB 5009.82—2016[14]，利用高效液相色譜法測定，單位為μg/g。

直鏈淀粉含量：參照NY/T 2639—2014[15]中的分光光度法測定，以干物質(zhì)計，單位為g/100 g。

糊化度：參照Panda等[16]的方法，采用分光光度法測定。

顏色：使用色度計測定精米的顏色變化（CIELab）。顏色值L*表示從黑色（0）到白色（100）的亮度，a*表示從紅色（+a*）到綠色（-a*），b*表示從黃色（+b*）到藍色（-b*）[17]。

1.2.3.2 加工品質(zhì)

經(jīng)過干燥處理后的稻谷樣品用碾米機碾磨成精米，加工碾磨質(zhì)量根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部聯(lián)邦谷物檢驗局（FGIS）標準確定[18]，評價指標包括精米率（TRY）和整精米率（HRY）。爆腰率（%）是指輕度裂隙和重度裂隙的數(shù)量占比，隨機選取100粒為一組，用10倍放大鏡在燈下觀察[9]。

1.2.3.3 微觀結構

利用掃描電鏡觀察稻殼橫切面和米粉的微觀結構，米粉由精米樣品通過小型粉碎機處理30 s后過60目篩制成，觀察前將樣品鍍金，以增強電子的導電性，隨后在5.0 kV的加速電壓下觀察樣品放大不同倍數(shù)后的微觀結構。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗重復3次，結果以平均值±標準差表示。采用IBMSPSSStatistics24.0軟件對數(shù)據(jù)進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 熱風輔助射頻干燥工藝

為獲得最佳的干燥溫度和極板間距，利用RF能量加熱樣品到指定干燥溫度（50、55、60℃），再利用相同溫度的HA干燥90 min，相應RF加熱速率和干燥后水分損失如表1所示。

表1 不同干燥溫度和極板間距對稻谷加熱速率和水分損失的影響（熱風時間90 min）Table 1 Influence of drying temperature and electrode gap on heating rate and moisture loss of rough rice(hot air time 90 min)

由表1可見，干燥溫度對稻谷干燥效率影響顯著，溫度越高，水分損失越大，稻谷經(jīng)90 min干燥后水分損失為3.6%～11.0%。極板間距會顯著影響加熱速率，相同干燥溫度下，極板間距越小，加熱速率越快，但RF加熱速率過快（≥7.2℃/min）會影響稻谷爆腰率[9]。

不同干燥溫度和極板間距對稻谷加工品質(zhì)和爆腰率的影響如圖2所示。由圖2可見，溫度和極板間距對TRY沒有顯著影響，介于66.5%和73.1%之間；而對HRY有顯著影響。當極板間距較小時，爆腰率隨溫度升高而增大，這是因為加熱速率過快使樣品內(nèi)部存在較大的水分和溫度梯度，產(chǎn)生的拉應力超過自身抗拉強度極限，最終導致裂紋的產(chǎn)生[19]。處理后的樣品除RF加熱至60℃，極板間距為10.0 cm（處理I）外，其他處理樣品的爆腰率無顯著差異，因為較大的極板間距使得樣品獲得較低的加熱速率（6.10℃/min），受到的內(nèi)應力較小，從而降低了裂紋產(chǎn)生的風險[10]?；谏鲜鲅芯拷Y果，選用60℃、極板間距為10.0 cm的HA-RF加熱條件對稻谷進行干燥。

圖2 不同熱風輔助射頻干燥處理對稻谷加工品質(zhì)及爆腰率的影響Fig.2 Influence of different HA-RF drying treatments on milling quality and fissure rate of rough rice

2.2 熱風輔助射頻干燥效能

由圖3可見，HA-RF干燥前10 min水分損失較快（0.18%/min），之后趨于平緩，后段平均失水速度為0.03%/min；HA干燥過程則相對平穩(wěn)，平均失水速度為0.04%/min。在HA-RF干燥初期，樣品水分迅速蒸發(fā)，促進其自身吸收更多射頻能量，直到達到最大干燥速率；但由于樣品中自由水有限，失水率逐漸降低[20]。HA-RF干燥降低了稻谷干燥時間，相比于HA干燥減少了34.6%。Xie等[10]也報道HA-RF干燥與HA干燥相比，可顯著提高玉米干燥速率，縮短干燥時間。此外，HA-RF干燥的單位能耗（622 kW·h/kg）與HA干燥（752 kW·h/kg）相比也更低。Zare等[21]研究表明，新型熱風輔助紅外輻照干燥比HA干燥稻谷能耗更低，主要是由于新型電磁場加熱速率較快，且為整體加熱，可明顯縮短干燥時間，減少單位能耗。由于本試驗中稻谷樣品量較少（210 g），能耗仍然較高；但當該技術應用于大規(guī)模工業(yè)化加工時，能耗會隨著稻谷處理量的增加而有所降低[9]。

圖3 稻谷干燥過程中的水分變化Fig.3 Changes of rough rice moisture content during drying

2.3 干燥對稻谷品質(zhì)的影響

2.3.1 理化品質(zhì)

維生素E對熱處理較為敏感，在干燥過程中會有所降低，選擇合適的干燥方法以減少維生素E損失十分重要[22]。由表2可見，與HA干燥相比，HA-RF干燥后維生素E含量高達10.96 μg/g，這是由于HA-RF干燥時間較短，對維生素E的破壞更小。直鏈淀粉含量與熟米的結構特性有很強的正相關性[23]，HA和HA-RF干燥處理后的精米中直鏈淀粉含量分別為17.21 g/100 g和17.69 g/100 g，兩者沒有顯著性差異。越低的直鏈淀粉含量，說明處理溫度較高，有一定量的淀粉酶被滅活，阻止支鏈淀粉脫支成為直鏈淀粉[24]。干燥后精米樣品的糊化程度有明顯提高，而HA干燥和HA-RF干燥樣品之間糊化度沒有顯著區(qū)別。通常加熱時間越長，糊化程度越高[25]，但RF快速整體加熱的特點也可能導致糊化程度增加[16]。與未處理樣品相比，HA-RF干燥和HA干燥后L*值有略微降低，表明白度/亮度有所減小，但兩者之間沒有顯著性差異。而HA-RF和熱風干燥后樣品的a*值和b*值有所增加，但整體上顏色變化不太明顯，且HA-RF干燥相比HA干燥，對樣品顏色影響較小。

表2 稻谷經(jīng)不同干燥處理后精米維生素E、直鏈淀粉、糊化度和顏色的變化Table 2 Changes of Vitamin E,amylose,degree of gelatinization and color of rough rice by different drying

2.3.2 加工品質(zhì)

由圖4可見，HA-RF和HA干燥均對精米率沒有顯著影響，使用微波（915 MHz）干燥稻谷也發(fā)現(xiàn)了類似的研究結果[26]。而HA-RF和HA干燥顯著降低了整精米率（P＜0.05），但HA-RF干燥和HA干燥之間沒有顯著性差異。通常HRY/TRY應該在55%/70%左右[27]，但本研究中HRY值偏低，這可能是由于在干燥前的復水階段，水的流動引起淀粉顆粒膨脹，進而形成內(nèi)應力，破壞了稻谷強度，最終導致了稻米開裂[28]。HA-RF干燥和HA干燥均會引起爆腰率的顯著升高，但與HA干燥相比，HA-RF干燥后稻谷爆腰率較低（30.0%），這與Tohidi等[19]在相同溫度下采用固定深床干燥谷物的爆腰率相當（28.0%～37.0%）。

圖4 不同干燥處理對稻谷加工品質(zhì)和爆腰率的影響Fig.4 Influence of different drying treatments on milling quality and fissure rate of rough rice

2.3.3 微觀結構

稻谷經(jīng)HA-RF和HA干燥后進行礱谷、碾米等工序，之后利用掃描電鏡分別觀測稻殼和米粉的微觀結構，以未經(jīng)HA-RF或HA干燥處理的樣品為對照，結果如圖5和圖6所示。由圖5可見，稻殼外側面加熱后，沒有發(fā)生太大變化，稻殼外毛狀體和縱向溝槽仍然有明確輪廓，在較高放大倍數(shù)下可以發(fā)現(xiàn)一些裂紋。這些裂紋可能是由于表面受熱導致，在微波和HA加熱大米中也出現(xiàn)類似結果[29]。由此表明，RF加熱從胚乳內(nèi)核產(chǎn)生熱量，水分從谷粒由內(nèi)而外均勻滲出，對稻米微觀結構的破壞較小。

圖5 不同干燥處理后稻殼的掃描電鏡圖Fig.5 SEM of rice husk after different drying treatments

圖6 不同干燥處理后米粉的掃描電鏡圖Fig.6 SEM of rice flour after different drying treatments

由圖6可見，未經(jīng)干燥處理（對照）的米粉表面相對光滑，顆粒形狀不規(guī)則，而HA干燥后米粉表面不光滑，且顆粒已失去多面體形狀，部分部位出現(xiàn)嚴重裂紋，由于糊化效應，稻米中的淀粉顆粒會從結晶狀變?yōu)闊o定形狀[30]。Olatunde等[26]也報告了類似的結果，隨著微波能量的增加，淀粉顆粒明顯消失。在HA-RF干燥的樣品中有可見的蛋白質(zhì)基質(zhì)和淀粉顆粒，且結構仍然相對完整。Zhang等[31]的研究也表明60℃射頻處理不會破壞淀粉結構形態(tài)。

3 結論

上述試驗結果表明，射頻電極板間距為10.0 cm（射頻加熱速率6.10℃/min），HA-RF干燥溫度為60℃時，稻谷干燥效能最佳。HA-RF干燥與HA干燥相比可縮短干燥時間34.6%，單位能耗也更低。另外，與HA干燥相比，HA-RF干燥對稻谷維生素E破壞和顏色變化較小，HA-RF與HA干燥相比對稻谷精米率、整精米率和爆腰率的影響沒有顯著差異。HA-RF干燥處理對稻米樣品蛋白質(zhì)基質(zhì)和淀粉顆粒的原有形態(tài)影響較小。本研究表明HA-RF比HA干燥更加高效節(jié)能，且稻谷品質(zhì)更好，在稻谷同步干燥殺蟲上具有一定的應用前景。