稻谷熱風干燥緩蘇工藝參數(shù)優(yōu)化與試驗

王丹陽，王 潔，邱 碩，戰(zhàn)廷堯，陶冬冰，張本華

（1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學工程學院，沈陽 110866； 2. 沈陽農(nóng)業(yè)大學食品學院，沈陽 110866； 3. 宿遷學院機電工程學院，宿遷 223800）

0 引 言

水稻是世界第二大糧食作物，收獲后需將其干燥至安全含水率才能長期貯存。而傳統(tǒng)連續(xù)式熱風干燥存在干燥效率低、干后爆腰嚴重、食用品質(zhì)及營養(yǎng)品質(zhì)降低等諸多問題[1-3]。為此，在稻谷干燥生產(chǎn)中多增設緩蘇環(huán)節(jié)。緩蘇干燥是一種周期性干燥技術，緩蘇階段停止對稻谷持續(xù)加熱，稻谷內(nèi)部水分在水勢作用下重新擴散分布，待其重新獲得干燥熱能后水分擴散速率和表面蒸發(fā)速率便明顯增加[4]。段續(xù)[5]和Seth等[6]指出，緩蘇干燥保證了稻谷安全受熱的均勻性，避免了由短時集聚的高溫環(huán)境造成的干燥品質(zhì)惡化，如表面收縮、硬化以及褐變等，可有效地改善物料的干燥特性。荔淑楠[7]、宮元娟[8]、Venkitasamy[9]、Jung[10]等也通過試驗與理論分析相結合的方法分別驗證了合理的緩蘇干燥工藝可有效加快當歸、香菇、開心果、大豆等農(nóng)產(chǎn)品干燥速率，同時提高其干燥品質(zhì)。

緩蘇干燥工藝參數(shù)主要包括干燥段與緩蘇段工藝參數(shù)以及兩者間的匹配[11]。目前，多數(shù)學者針對干燥段參數(shù)與緩蘇時間等部分緩蘇段參數(shù)探究了稻谷宏觀指標的變化，如Zhou等[12]探究了紅外輻射干燥和熱泵干燥兩種干燥方式及緩蘇比對長粒稻米碾磨品質(zhì)的影響；吳中華等[13-14]分別探討了干燥溫度與緩蘇溫度對稻谷裂紋率的影響及緩蘇溫度、緩蘇比和緩蘇時間對干燥速率的影響。以上研究缺乏針對緩蘇條件如緩蘇時刻、緩蘇溫度、緩蘇時長等問題的系統(tǒng)性分析，且不同參數(shù)對稻谷營養(yǎng)品質(zhì)的影響規(guī)律亦有待深入全面研究。為此，本文在前人研究成果基礎上，利用隸屬函數(shù)模型綜合探究了緩蘇干燥工藝對稻谷外觀品質(zhì)（爆腰增率、整精米率）與營養(yǎng)品質(zhì)（蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、脂肪酸值）的影響規(guī)律；應用響應面法綜合分析緩蘇時刻、溫度、時長對稻谷品質(zhì)的影響并進行參數(shù)優(yōu)化。建立緩蘇調(diào)控參數(shù)與干燥品質(zhì)間的量化關系，為揭示制約稻谷熱風干燥高效優(yōu)質(zhì)協(xié)同的內(nèi)在機理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用的稻谷品種為遼粳401，2021年購于遼寧建華種業(yè)有限公司，初始濕基含水率為11.2%～11.9%。根據(jù)試驗要求，利用人工加濕法調(diào)節(jié)樣品濕基含水率至設定值23.0%±0.2%。調(diào)配完成的稻谷裝入雙層塑料袋中，于陰涼處儲存48 h，期間每隔3～4 h翻動一次，以保證吸濕均勻。試驗前用烘箱法再次進行水分檢測。

1.2 試驗設備與儀器

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）、HY-1B型遠紅外干燥箱（天津市通利信達儀器廠）、DA7200固定光柵近紅外成分分析儀（瑞典波通儀器公司）、檢驗礱谷機（臺州市路橋京奧梁用器材廠）、JA1002型電子秤（賽多利斯工業(yè)稱重設備有限公司，精度0.001 g）、試驗篩（直徑5 cm，24目）、自制爆腰燈等。

1.3 試驗指標的測定

爆腰增率測定：參照GB/T 5496-1985的方法于干燥結束24 h后進行。

蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)測定：參照GB/T 24897-2010的方法進行。

脂肪酸值測定：高溫或高濕的干燥環(huán)境極易使稻米中的脂肪氧化生成游離脂肪酸，進一步分解會產(chǎn)生醛、酮等氣味不好的化合物等，極大影響大米營養(yǎng)價值與食味品質(zhì)，其含量由脂肪酸值表示[15-16]。測定方法參照GB/T 29405-2012進行。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析

基于隸屬度的綜合評價法可作為一種評價體系更加全面、客觀、準確評價試驗結果，因此該研究采用隸屬函數(shù)法，結合主成分分析結果對單因素試驗中稻谷的干燥品質(zhì)進行綜合評定[17]。評定指標體系包括爆腰增率、整精米率、蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、脂肪酸值，即因素集U= (爆腰率u1，整精米率u2，蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)u3，脂肪酸值u4)。根據(jù)對稻谷干燥品質(zhì)的正面、負面影響，可將指標數(shù)據(jù)劃分為：正向指標，包括u2、u3；負向指標，包括u1、u4。根據(jù)隸屬度理論，構建模糊轉(zhuǎn)換矩陣[18]。對于指標數(shù)據(jù)的標準化處理如式（1）所示：

式中xj表示第j個綜合指標，u(xj)為第j個綜合指標的隸屬函數(shù)值，xmax與xmin分別為第j個綜合指標的最大值與最小值。

同時，采用Excel2019對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計；SPSS26.0軟件進行方差分析、相關性分析；Design-Expert 12軟件進行三元二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗設計與結果分析。

2 單因素試驗

2.1 試驗設計

試驗于2021年3月在沈陽農(nóng)業(yè)大學工程學院實驗室進行，環(huán)境溫度8～15℃，相對濕度39%～42%，試驗方案如表1所示。試驗選取緩蘇溫度、緩蘇起始含水率、緩蘇時間、是否進行緩蘇循環(huán)4因素為試驗因子，分別測定并分析了單因素試驗因子對稻谷爆腰增率、整精米率、蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)以及脂肪酸值的影響。

2.2 試驗條件及結果

設定熱風干燥溫度為45 ℃（考察緩蘇溫度的單因素試驗除外，該試驗中干燥溫度為40 ℃），風速為0.6 m/s，每次干燥樣品質(zhì)量為200 g左右，稻谷層厚度為2 cm，稻谷含水率干燥低至14%后結束試驗，各單因素試驗具體試驗條件如表1所示。

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2.2.1 緩蘇溫度對稻谷品質(zhì)的影響

固定緩蘇起始時刻為稻谷平均含水率達18%，緩蘇時長為90 min，單次緩蘇操作，分別考察稻谷緩蘇溫度30、40、50、60、70 ℃對稻谷品質(zhì)的影響，試驗結果如表2所示。隨著緩蘇溫度的升高，稻谷爆腰增率與脂肪酸值呈先減小后增加趨勢，整精米率與蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)則先升高再降低。綜合來看，50～60 ℃范圍內(nèi)稻谷的干燥品質(zhì)較好。

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2.2.2 緩蘇起始含水率對稻谷品質(zhì)的影響

固定緩蘇溫度50 ℃，緩蘇時長為90 min，循環(huán)緩蘇，分別考察緩蘇起始含水率22.18%、21.69%、21.40%、21.00%、20.73%、19.00%、18.00%、17.00%對稻谷品質(zhì)的影響，試驗結果如表3所示。隨著緩蘇起始含水率的降低，稻谷爆腰增率逐漸增加，整精米率與脂肪酸值呈遞減趨勢，而蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)則在4.44%～5.10%之間波動。整體來看，閾值范圍內(nèi)相對較短的持續(xù)干燥時間有利于減緩稻谷干燥品質(zhì)的劣變。

表3 緩蘇起始含水率對稻谷干燥品質(zhì)的影響Table 3 Effects of moisture content on the quality of paddy rice at the beginning of tempering

2.2.3 緩蘇時長對稻谷品質(zhì)的影響

固定緩蘇溫度50 ℃，緩蘇起始時刻為稻谷含水率達21.69%，循環(huán)緩蘇，分別考察緩蘇時長1.00、1.50、2.00、3.00、3.33、3.67、4.00 h對稻谷品質(zhì)的影響，試驗結果如表4所示。隨著緩蘇時長的增加，稻谷爆腰增率與蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)先降低后增加，整精米率變化趨勢與之相反，而脂肪酸值則在11.11%～12.77%范圍內(nèi)上下波動。

表4 緩蘇時長對稻谷干燥品質(zhì)的影響Table 4 Effects of tempering time on the quality of paddy rice

2.2.4 是否進行緩蘇循環(huán)干燥對稻谷品質(zhì)的影響

固定緩蘇溫度50 ℃，緩蘇起始時刻為稻谷含水率達21.69%，分別考察單次緩蘇與循環(huán)進行緩蘇干燥對稻谷品質(zhì)的影響, 試驗結果如表5所示。整體上看，不同緩蘇時長下，單次緩蘇干燥后的稻谷爆腰增率、蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高于循環(huán)緩蘇干燥，整精米率與脂肪酸值的變化趨勢則相反。由此可知，循環(huán)緩蘇干燥更有利于提升稻谷干燥品質(zhì)。

表5 是否進行緩蘇循環(huán)干燥對稻谷品質(zhì)的影響Table 5 Effects of single or cycle tempering drying on the quality of paddy rice

2.3 試驗結果分析

2.3.1 方差分析

利用SPSS26.0對各試驗因素進行方差分析，結果（表6）表明：緩蘇起始含水率、緩蘇時長、緩蘇溫度均對干燥后各指標呈顯著性影響（P＜0.05），是否循環(huán)緩蘇對試驗結果影響不顯著（P＞0.05，除脂肪酸值）。因此，根據(jù)單因素試驗分析結果，采用循環(huán)緩蘇干燥方式進行多因素優(yōu)化試驗。

表6 不同干燥工藝參數(shù)下稻谷品質(zhì)的方差分析Table 6 Analysis of variance of rice quality under different drying process parameters

2.3.2 綜合指標權重確定

本研究采用主成分分析法確定評價指標的公因子方差，并以各指標公因子方差在總體方差的比例作為指標的權重，結果如表7所示[19]。結果顯示稻谷爆腰增率、整精米率、蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)及脂肪酸值所占權重均大于20%，說明這4項指標均為稻谷緩蘇干燥的關鍵性指標。

表7 線性組合系數(shù)及權重結果Table 7 Linear combination coefficient and weight result

2.3.3 隸屬函數(shù)模型對稻谷品質(zhì)的綜合評價

根據(jù)表7所示各指標權重，計算得出不同緩蘇干燥參數(shù)條件下稻谷品質(zhì)的隸屬函數(shù)值及綜合得分（得分越高，說明稻谷綜合干燥品質(zhì)越好），見表8。通過比較單因素各試驗因子的綜合得分，可確定緩蘇溫度為40～60 ℃、稻谷緩蘇起始含水率為19.00%～22.18%、緩蘇時間為1.50～3.00 h時進行循環(huán)緩蘇干燥稻谷品質(zhì)較佳。

表8 試驗因素的隸屬函數(shù)值及綜合評價結果Table 8 Membership values of test factors and comprehensive evaluation results

3 多因素優(yōu)化試驗

3.1 試驗設計方案及結果

為系統(tǒng)研究緩蘇干燥因子對稻谷干燥特性的影響規(guī)律及最佳參數(shù)組合，根據(jù)單因素試驗結果，在不通風循環(huán)緩蘇干燥條件下，選取緩蘇起始含水率（X1）、緩蘇溫度（X2）及緩蘇時長（X3）為自變量，爆腰增率（Y1）、蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)（Y2）、脂肪酸值（Y3）為因變量，采用星點設計-響應面法開展三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合優(yōu)化試驗，因素水平編碼表如表9所示。試驗設計及結果如表10所示。

表9 試驗因素水平編碼表Table 9 Table of experimental factors and levels coding

表10 稻谷緩蘇干燥工藝參數(shù)試驗設計及結果Table 10 Experimental design and results of tempering drying process parameters of paddy rice

3.2 試驗結果分析

3.2.1 回歸模型的建立與方差分析

分別建立緩蘇溫度、緩蘇起始含水率、緩蘇時長與爆腰增率、蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、脂肪酸值間的二次多項回歸模型，剔除不顯著因素后得到的編碼空間回歸方程分別為

式中Y1、Y2、Y3為爆腰增率、蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、脂肪酸值（%），x1、x2、x3為緩蘇溫度、緩蘇起始含水率、緩蘇時長（編碼值）。

對試驗結果進行方差分析，如表11所示，結果表明，爆腰增率、蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)以及脂肪酸值的回歸方程模型顯著性檢驗結果為極顯著（P＜0.01），失擬項檢驗結果為不顯著（P＞0.05），表明回歸模型在試驗范圍擬合程度較好。

表11 回歸模型的方差分析結果Table 11 Analysis of variance of regression model

3.2.2 各因素間交互作用對試驗指標的影響

利用Design Expert軟件對試驗結果進行分析處理，根據(jù)建立的回歸模型，得到因素間交互作用對各指標的影響曲面圖[20]，如圖1～3所示。

1）試驗因子對爆腰增率的影響

由圖1可知，爆腰增率隨緩蘇溫度的升高先降低后增加，隨緩蘇起始含水率降低而增加，隨緩蘇時長增加而增加。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：1）固定干燥溫度為45 ℃的條件下，緩蘇溫度在30～70℃范圍內(nèi)時緩蘇溫度過低時稻谷處于玻璃態(tài)，硬度和彈性模量高，同時由于內(nèi)部水分梯度的存在會產(chǎn)生超過其自身硬度的內(nèi)部應力，使稻谷極易爆腰；緩蘇溫度過高時，稻谷內(nèi)外部會形成較高的水分梯度，導致內(nèi)外層玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度差值進一步擴大，進而使得內(nèi)外層膨脹系數(shù)與應力差異增加，當應力大于稻谷強度時，裂紋率增加；當緩蘇溫度為50℃左右干燥引起的彈性應變依靠籽粒水分由內(nèi)向外的遷移而不斷抵消，因此爆腰增率較低，這與Dong[21]及Cnossen等[22]的部分研究結果一致。2）閾值區(qū)間內(nèi)較高緩蘇起始含水率，可及時促進谷粒內(nèi)外及谷粒之間溫差與水分差的平衡，減少由內(nèi)外溫濕度梯度過大造成的裂紋率，該結論與Bertotto等[23]所得結論相似。3）緩蘇時間為1～2 h時，谷粒內(nèi)部水分擴散作用使顆粒水分梯度趨于平衡，干燥所致形變得以恢復，進而降低爆腰率；但結果顯示該過程存在適宜緩蘇時間，并非越大越好，該結論與林子木等[24]研究結論一致。

2）試驗因子對蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的影響

由圖2可知，緩蘇起始含水率與緩蘇時長之間的交互作用較為明顯。蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)隨緩蘇起始含水率增加而增加，隨緩蘇時長增加而逐步減少。分析其原因是持續(xù)干燥或持續(xù)緩蘇時間過長會促使稻谷籽粒胚芽組織結構發(fā)生變化，加快蛋白質(zhì)的氧化變性，從而影響其種胚的發(fā)芽品質(zhì)、稻谷干燥加工后的食味品質(zhì)[25]。

3）試驗因子對脂肪酸值的影響

由圖3可知，脂肪酸值隨緩蘇溫度及緩蘇初始含水率升高而增加，隨緩蘇時長延長而減小。分析該現(xiàn)象原因是相對高溫會使脂肪酶保持較高活性，脂肪發(fā)生酸敗，致使游離脂肪酸的累積程度增加；同時，持續(xù)干燥時間與緩蘇時間過長會破壞酶蛋白質(zhì)特定的空間結構，稻谷脂肪酶活力下降，進而減少稻谷脂質(zhì)水解和游離脂肪酸的產(chǎn)生[26]。

3.2.3 參數(shù)優(yōu)化

為得到最優(yōu)緩蘇干燥參數(shù)組合，限定目標值爆腰增率、脂肪酸值最小，蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)最大，利用Design-Expert軟件的Optimization功能對模型進行優(yōu)化，得到試驗范圍內(nèi)最優(yōu)工藝參數(shù)組合為緩蘇溫度45 ℃、緩蘇起始含水率21%、緩蘇時長1.61 h，此時爆腰增率6.63%、蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)5.39%、脂肪酸值11.68%。

利用優(yōu)化參數(shù)在沈陽農(nóng)業(yè)大學工程學院實驗室進行驗證試驗，為消除隨機誤差，進行3次重復性試驗取平均值，試驗結果如表12所示。分析可知，試驗值與軟件優(yōu)化參數(shù)值的平均誤差為2.97%，表明試驗結果與優(yōu)化結果基本一致，稻谷干燥品質(zhì)影響因素選擇合理。

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4 結 論

本文通過單因素與多因素試驗探究了緩蘇干燥工藝參數(shù)對稻谷干燥后外觀品質(zhì)及營養(yǎng)品質(zhì)的影響，得到以下結論：

1）結合SPSS軟件分析單因素試驗結果，得出緩蘇溫度、緩蘇時長以及緩蘇起始含水率對稻谷干燥品質(zhì)的影響顯著(P＜0.05)，是否循環(huán)對試驗結果影響不顯著(P＞0.05，除脂肪酸值)。

2）利用隸屬函數(shù)模型比較單因素各試驗因子的綜合得分，可確定緩蘇起始時刻為19.00%～22.18%、緩蘇溫度為40～60 ℃、緩蘇時間為1.50～3.00 h時進行循環(huán)緩蘇干燥稻谷品質(zhì)較佳。

3）通過Central-Composite試驗設計方案得到緩蘇干燥工藝的最佳參數(shù)組合為：緩蘇溫度45 ℃、緩蘇起始含水率21%、緩蘇時長1.61 h。在該參數(shù)組合下，稻谷干燥后的爆腰增率6.63%、蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)5.39%、脂肪酸值11.68%。驗證試驗結果與優(yōu)化結果相對誤差為2.97%，表明優(yōu)化后的工藝參數(shù)可提升稻谷干燥品質(zhì)。

本文優(yōu)化的緩蘇干燥工藝參數(shù)組合可有效降低稻谷籽粒內(nèi)部水分梯度、減小干燥應力、減少裂紋的產(chǎn)生，進而改善稻谷干燥后外觀品質(zhì)及營養(yǎng)價值，能夠為實際稻谷產(chǎn)后初加工技術提供借鑒，為深入探究稻谷品質(zhì)變化機理提供理論基礎。