深床緩蘇干燥工藝條件對稻谷干燥特性及爆腰增率的影響

魏志鵬，王丹陽，王 潔，張本華，戰(zhàn)廷堯，呂曉波，王立男

（1.沈陽農業(yè)大學工程學院，沈陽 110161;2.遼寧郵電規(guī)劃設計院有限公司，沈陽 110179；3.沈陽市發(fā)展和改革委員會，沈陽 110013）

稻谷是我國種植范圍最廣、總產量最大、單產量最高的糧食作物。國家統(tǒng)計局數據顯示，2018年我國稻谷種植面積達3.02×108hm2，其產量為2.12×1011t[1]。目前，稻谷收割逐步以機械化收割代替人工收割，北方地區(qū)收割時間的前移和集中，造成稻谷收獲后水分一般約20%，最高達到23%[2]。熱風干燥是稻谷收獲后普遍采用的脫水方法，干燥效果直接影響稻谷的儲藏期和儲藏品質。熱風干燥具有降水速率較快的優(yōu)點，但持續(xù)進行熱風干燥容易導致高水分稻谷降水不均[3]。深床干燥指深度20cm以上的非均勻熱處理[4]?，F階段稻谷連續(xù)式熱風干燥工藝存在干燥時間長、效率低、能耗高、介質的溫濕度及干燥速率難以控制等影響干燥品質的問題。

稻谷干燥品質是緩蘇工藝領域的重點研究對象[5-12]。吳中華等[13]研究了緩蘇特性與裂紋產生規(guī)律；張越[14]探究了流化床干燥工藝中緩蘇時間對爆腰等指標的影響；王攀[15]驗證了高溫（50℃和60℃）緩蘇干燥使種子保持活力的可能性；楊國峰等[16]認為緩蘇溫度為60℃是最優(yōu)的干燥-緩蘇工藝條件；任廣躍等[17]發(fā)現緩蘇溫度60～70℃和緩蘇時間120～160min會降低爆腰率。夏寶林等[18]在稻谷薄層干燥過程中提高緩蘇溫度，延長緩蘇時間可降低爆腰率；許多研究也都表明，干燥過程中緩蘇溫度和緩蘇時間的選擇對稻谷干燥品質有顯著影響[19-24]。于潔等[25-26]研究了干燥段時間與緩蘇段時間的比值對稻谷的干燥品質影響。但大部分國內外學者對稻谷緩蘇工藝的研究主要集中在改變薄層稻谷緩蘇工藝的緩蘇溫度和緩蘇時間等參數對干燥品質的影響，對于緩蘇方式、緩蘇含水率、緩蘇時刻等重要的緩蘇工藝參數缺乏系統(tǒng)的分析研究。由于對深床緩蘇工藝理論了解不夠全面,很難把握和確定具體的緩蘇干燥工藝操作參數，在實際生產過程中不合理的使用緩蘇干燥工藝同樣也會造成稻谷干燥品質劣變。針對上述問題，本研究將深入探討稻谷的緩蘇干燥特性，分析緩蘇溫度、緩蘇時間、緩蘇方式、緩蘇時刻、緩蘇含水率對稻谷干燥后稻谷爆腰增率的影響，優(yōu)化緩蘇干燥工藝參數，為提高稻谷干燥的生產效率和工藝參數優(yōu)化提供理論依據與技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗稻谷為遼粳10號，初始含水率12%～14%（w.b）。試驗前對稻谷樣品進行過篩除雜，再通過人工挑選，剔除破裂、發(fā)芽、不成熟、有病蟲害、有堊白的籽粒以及糙米粒，獲取色澤均勻、顆粒飽滿的稻谷種子作為試驗材料。除雜后的樣品放于溫度4℃、濕度60%下的人工氣候箱保存。根據質量計算加入定量蒸餾水混合均勻，使樣品水分調節(jié)至23%，用雙層塑料袋密封48h。試驗在干燥試驗室進行，環(huán)境溫度11~15℃，相對濕度43%~52%。

1.2 試驗儀器及設備

主要儀器設備為：稻谷熱風干燥試驗平臺（圖1）、DHG-9040A電熱恒溫鼓風干燥箱、TM902C型數顯式溫度表、BS200S型電子天平、101-OA型數顯式電熱恒溫干燥箱、Sartorius18100P數字天平、Testo860-T3激光瞄準紅外溫度計、RGX-400型人工氣候箱。

圖1 試驗過程結構原理圖Figure 1 Schematic diagram of test process structure

1.3 方法

試驗采用熱風固定深床稻谷干燥平臺，將初始含水率[（23±0.3）%]（w.b）的稻谷干燥到最終含水率為14%（w.b）的安全儲藏水分下。稻谷干燥筒內徑為9.8cm，高度70cm。試驗前約40min啟動試驗設備，調節(jié)干燥稻谷所需風量及風溫，使其達到預定值并穩(wěn)定后開始進行稻谷試驗。試驗過程中每隔一定時間用專用取樣器和熱電偶測量各層測點的稻谷風溫及含水率，直至干燥筒頂層稻谷含水率低于14%（w.b）時停止試驗。

稻谷干燥過程采用第一段熱風干燥-緩蘇干燥-第二段干燥的操作過程。先將稻谷干燥至一定含水率然后加入緩蘇操作，緩蘇干燥后再將稻谷干燥至安全儲藏含水率。設置熱電偶型溫度傳感器來測量記錄干燥溫度及緩蘇溫度。本試驗的固定因素為：谷層厚度（30±2）cm，分5層，每層間隔6cm，熱風干燥溫度控制為（60±5）℃，熱風風速（0.8±0.1）m·s-1。變量因子及相應試驗范圍為：緩蘇溫度Ttem:20~60℃，緩蘇時間ttem:1.5~12h，緩蘇方式Mtem：停風保溫、停風停溫、通風保溫、低風溫停、通風停溫，緩蘇含水率Wtem:16%~20%，緩蘇時刻Stem：5層稻谷中每層含水率達到18%（w.b）。

1.4 稻谷各項指標的測定

含水率的測定參照GB5009.3-2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》計算稻谷的初始干基含水率和濕基含水率。爆腰增率測定參照GB1350-2009《稻谷》。試驗前隨機查取原始稻谷300粒，每100粒為1組，手工剝殼后檢測其中凡是有裂紋的糙米均為爆腰，取其3組均值為初始爆腰率C0。熱風緩蘇干燥試驗后于各干燥層任意查取稻谷100粒為1組待測式樣，48h后分別測其裂紋粒數，計算爆腰率。每組式樣做3次平行試驗，取其均值與初始爆腰率之差計算稻谷爆腰增率為：

式中：C為爆腰增率(%)；C0為初始爆腰率(%)；c0為稻谷籽粒數；c為稻谷爆腰數。

1.5 數據處理

采用Excel 2016處理數據，利用Origin 9.1繪制稻谷干燥特性曲線。

2 結果與分析

2.1 緩蘇方式對稻谷干燥品質的影響

由圖2可知，不同緩蘇方式對深床稻谷干燥至儲藏安全含水率所需的凈干燥時間有較大影響。通風保溫、通風停溫和低風保溫的緩蘇方式會使稻谷在緩蘇干燥階段的干燥速率大幅提升，干燥稻谷至安全含水率的凈干燥時間均不超過180min。而采用停風保溫和停風停溫的緩蘇方式，由于缺少了空氣的對流傳熱和傳質，在緩蘇干燥階段水分蒸發(fā)量相對較少，將稻谷干燥至安全水分的凈干燥時間都在220min以上。這說明增加干燥熱空氣的流動會加快稻谷籽粒在緩蘇階段的水分蒸發(fā)，提升干燥速率，縮短凈干燥時間。整個干燥過程表現為降速干燥，采用不同緩蘇方式時，在干燥過程最初的60~65min內干燥速率最快，隨后干燥速率逐漸下降。緩蘇過程中稻谷籽粒內部水分的擴散速率遠低于熱風干燥過程的水分擴散速率，且第一個熱風干燥階段干燥速率明顯高于第二個熱風干燥階段。這是由于隨著熱風干燥的進行，蒸發(fā)水分的主要形式由自由水逐漸轉變?yōu)榻Y合水，稻谷結合水的干燥相對困難，因此干燥速率在逐漸減小。也證實了籽粒內部的濕分傳遞是影響干燥速率快慢的主要因素[17]。

圖2 不同緩蘇方式下的干燥特性曲線Figure 2 Drying characteristic curves of different tempering methods

對試驗數據進行方差分析，分析結果如表1，F0.01(4,10)=5.99<20.86，p=7.67*10-5<0.01，說明緩蘇方式對爆腰增率的影響極顯著。

表1 緩蘇方式對爆腰增率影響方差分析Table 1 Analysis of variance of crackle ratio by tempering methods

由圖3可知，停風保溫的緩蘇操作方式可以顯著降低稻谷的爆腰增率，這種緩蘇方式可以促使籽粒內部的水分重新均布，最大程度的降低稻谷由干燥段進入緩蘇段所造成的溫度梯度，使固定深床稻谷形成一個質熱分布均衡的復合體，減小籽粒內部的水分梯度和由此引發(fā)的籽粒內部的濕應力，使稻谷較為平穩(wěn)的進行玻璃態(tài)轉化，降低了潛在的籽粒裂紋風險。而低風停溫和停風停溫的緩蘇方式也會增加稻谷爆腰增率是由于如果采用低于玻璃化轉變溫度的緩蘇溫度,稻谷籽粒內部會存在橡膠態(tài)區(qū)，此時籽粒內部各部分存在很大水分梯度差,那么籽粒內部不同含水率部分就會在不同水分梯度下分別進入玻璃態(tài),如玻璃化轉變時水分梯度足夠大,就會引起各部分不均勻收縮和各不相同的應力、應變,造成籽粒裂紋[27]。這也符合BAN[28]認為的如果稻谷有足夠的水分梯度并在較低的溫度下緩蘇稻谷較易出現裂紋的結論。通風保溫和通風停溫的緩蘇干燥方式會顯著增加稻谷的爆腰增率，說明熱空氣的對流傳熱傳質作用會提高緩蘇過程中的稻谷表面水分蒸發(fā)的速度，干燥熱空氣傳遞干燥能的速率增加，導致緩蘇過程中也有較快的傳質速率，在緩蘇干燥段內去除的水分量也較高，使稻谷籽粒內部溫度場、濕度場分布不均勻，引起稻谷籽粒內部形成較大的溫度梯度和水分梯度，增大了稻谷籽粒內干燥應力，產生籽粒裂紋[29-31]。此外，采用通風保溫和通風停溫的緩蘇干燥方式會大幅增加干燥能耗，不利于實際的干燥生產作業(yè)。結合緩蘇溫度、緩蘇時間、緩蘇含水率、緩蘇時刻對干燥品質的影響分析，停風保溫的干燥緩蘇操作方式可以作為參數的優(yōu)化組合，以獲得較好的稻谷干燥品質。

圖3 不同緩蘇方式對爆腰增率的影響Figure 3 Additional crack percentage of different tempering methods

2.2 其他緩蘇條件對稻谷干燥品質的影響

緩蘇溫度、緩蘇時間、緩蘇時刻及緩蘇含水率對爆腰增率都有極顯著的影響。由圖4和圖5可知，緩蘇干燥過程的傳質速率遠低于熱風干燥過程。在一定范圍內增加緩蘇溫度可以降低稻谷的爆腰增率，減少凈干燥時間。延長緩蘇時間，爆腰增率總體呈逐漸下降的趨勢，驗證了國內外學者關于適當延長緩蘇時間改善稻谷干燥品質的結論[8,13,21,32]，當緩蘇時間超過3h后繼續(xù)延長緩蘇時間也無法提高緩蘇階段的降水幅度，且部分上層稻谷由于長時間的緩蘇甚至會出現吸濕等現象，延長將稻谷干燥至安全水分的凈干燥時間。

圖4 不同緩蘇條件干燥特性曲線Figure 4 Drying characteristic curves of different tempering conditions

圖5 不同緩蘇條件對爆腰增率的影響Figure 5 Additional crack percentage of different tempering conditions

3 討論與結論

稻谷緩蘇干燥全過程為降速干燥，緩蘇階段的降水速率明顯低于熱風干燥階段，第一段熱風干燥速率明顯高于其他干燥階段。在稻谷熱風固定深床干燥過程中，緩蘇溫度、緩蘇時間、緩蘇方式和緩蘇含水率對爆腰增率變化有極顯著影響。本研究結果表明，緩蘇溫度以40℃為宜，緩蘇時間不低于1.5h延長緩蘇時間有助于提升干燥品質，持續(xù)延長緩蘇時間對干燥品質提升較小。停風保溫的緩蘇方式可以降低干燥后爆腰增率，稻谷含水率18%(w.b)的是最適宜的緩蘇含水率。在稻谷中層含水率達到18%時加入緩蘇工藝可以提高緩蘇干燥階段的干燥速率。

在稻谷含水率較高時加入緩蘇工藝，凈干燥時間較長，此時第二個熱風干燥階段主要以干燥結合水為主，結合水的干燥比較困難，所需的總能量增多，當干燥能傳遞速度不變時，需延長干燥時間獲取所需的干燥能。緩蘇含水率低時爆腰增率高可能是在加入緩蘇工藝前稻谷受熱處理時間過長導致籽粒出現熱疲勞，使玻璃態(tài)轉變不均勻，出現籽粒內部處于橡膠態(tài)，而外部已經轉變?yōu)椴ＡB(tài)的情況。這種不均勻的玻璃態(tài)轉變也是造成稻谷干燥過程中產生籽粒裂紋的重要原因。當中間層(18cm)稻谷含水率達到18%(w.b)時加入緩蘇工藝可以明顯降低稻谷干燥后的爆腰增率，這說明稻谷干燥60min后，籽粒中心的含水率仍然在18%[33]，此時繼續(xù)熱風干燥也無法提高干燥效率，還可能造成較大的水分梯度。