變溫干燥工藝對稻谷干燥特性和品質(zhì)的影響

王 潔，王文鈺，陶冬冰，戰(zhàn)廷堯，冀東平，郝吉明，王丹陽

（沈陽農(nóng)業(yè)大學a.工程學院，b.食品學院，沈陽 110161）

稻谷是典型的熱敏性谷物，干燥是其產(chǎn)后必要的加工環(huán)節(jié)。在干燥過程中，溫度是影響稻谷干燥品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)的核心要素。劉木華等探究發(fā)現(xiàn)稻谷裂紋的產(chǎn)生與其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)，稻谷玻璃體轉(zhuǎn)換溫度與稻谷含水率呈負相關(guān)，為動態(tài)變量。當干燥溫度超過相應(yīng)臨界轉(zhuǎn)變溫度時，稻谷即由低溫玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷叵鹉z態(tài)，其結(jié)構(gòu)組織發(fā)生改變，彈性模量和體積模量顯著降低，稻谷易發(fā)裂紋的形成。為此，干燥過程應(yīng)依據(jù)稻谷含水率的變化制定合理的變溫干燥機制。

李海龍采用正交試驗與綜合評價法分析了變溫干燥試驗因子對稻谷干燥特性及品質(zhì)指標的影響規(guī)律，得出變溫干燥可實現(xiàn)稻谷高能效、高品質(zhì)相協(xié)調(diào)的影響干燥目標；KAMRUZZAMAN 等以出米率、蒸煮食用品質(zhì)為評價指標，通過探究不同干燥及變溫的溫度和時間之間的耦合，確定最優(yōu)工藝參數(shù)，使出米率提高了4.69%；FRANCO等利用數(shù)值模擬技術(shù)對比了連續(xù)干燥與變溫干燥兩種干燥方式對稻谷總干燥時長的影響規(guī)律；BERTOTTO等研究了干燥溫度、變溫時刻、變溫時長對稻谷整精米率與干燥速率的影響；吳中華等利用COMSOL Multiphysics 軟件仿真模擬熱風干燥過程中谷粒內(nèi)部的溫濕度場的分布規(guī)律，探究了熱風溫度、緩蘇比、緩蘇時間對稻谷干燥特性的影響，并提出與恒溫干燥相比變溫干燥可大幅加快干燥速率。針對于稻谷變溫干燥，前人研究多通過試驗論證了變溫干燥對減少稻谷爆腰、改善其干燥品質(zhì)的有效作用，但對稻谷變溫干燥過程什么時候開始變溫、以多大溫差變多久的溫度、以及與干燥初始條件的關(guān)系多沒有進行系統(tǒng)深入的研究，稻谷變溫干燥過程耦合影響因子與稻谷干燥品質(zhì)間的數(shù)值關(guān)系尚未明確。

本研究基于稻谷薄層熱風干燥試驗優(yōu)化結(jié)果，實施四元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合變溫干燥試驗，系統(tǒng)探究干燥溫度、變溫時刻、變溫溫度、變溫時長、變溫次數(shù)等試驗因子對稻谷干燥特性與干燥品質(zhì)的影響規(guī)律，為稻谷生產(chǎn)實踐提供數(shù)值參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗選用的稻谷品種為遼粳401，購于遼寧建華種業(yè)有限公司，初始含水率為11.2%～11.9%（W.b）。根據(jù)試驗要求，利用人工加濕法調(diào)節(jié)樣品水分含量至設(shè)定值（23±0.2）%（W.b）。調(diào)配完成的稻谷裝入雙層密封塑料袋中，儲存于陰涼處48h，期間每隔3～4h翻動1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 儀器及設(shè)備

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）、JLGJ?45型礱谷機試驗機（臺州市路橋京奧梁用器材廠）、JA3003型電子天平（上海普春測試儀器制造廠，精度0.001g）、標準試驗篩（直徑5cm，24目）等。

1.3 指標測定

1.3.1 爆腰增率測定 參照GB/T 5496-1985的方法于干燥結(jié)束24h后進行。

1.3.2 整精米率測定 參照GB/T 21719-2008的方法于干燥結(jié)束24h后進行。

2 單因素試驗

2.1 試驗設(shè)計

試驗于2021 年5 月在沈陽農(nóng)業(yè)大學工程學院實驗室進行，環(huán)境溫度10～20℃，相對濕度42%～45%，稻谷含水率達14±0.2%(W.b)時停止干燥。試驗選取干燥溫度（30，40，55，60，70℃）、變溫時刻（干燥時長為20，30，45，50，60，90，120，150min）、變溫溫度（30，40，55，60，70℃）、變溫時長（20，30，45，50，60min）及變溫次數(shù)（1，2，3次）為試驗因子，分別測定并分析了單因素試驗因子對稻谷水分含量、爆腰增率、整精米率等干燥指標的影響規(guī)律。其中，固定稻谷層厚度為2cm，干燥溫度60℃，變溫時刻40min，變溫溫度50℃，變溫時長40min，變溫次數(shù)3次，除試驗因素為自變量外，其他因素均為控制變量。

2.2 試驗結(jié)果與分析

2.2.1 干燥溫度對稻谷干燥特性和品質(zhì)的影響 由圖1可知，閾值范圍內(nèi)隨干燥溫度升高稻谷干燥速率加快，爆腰率遞增，整精米率遞減。其中，干燥溫度為40～60℃時各指標變化顯著，綜合考慮能源消耗與干燥品質(zhì)的變化規(guī)律，選用此溫度范圍為較優(yōu)干燥溫度。

圖1 干燥溫度對稻谷干燥特性和品質(zhì)的影響Figure1 Effect of drying temperature on drying characteristics and quality of paddy rice

2.2.2 變溫時刻對稻谷干燥特性和品質(zhì)的影響 由圖2可知，較短的持續(xù)干燥時間有利于提高干燥效率、提升稻谷干燥品質(zhì)，隨變溫時刻的延遲，稻谷爆腰增率先增加后趨于平穩(wěn)，整精米率與之相反。綜上所述，持續(xù)干燥時長為30～120min 加入變溫工藝較為合理。但持續(xù)變溫時長為20～30min 時，整精米率變化幅度較大，為更加全面分析變溫時刻對干燥品質(zhì)的影響規(guī)律，多因素試驗中選用稻谷持續(xù)干燥20～140min作為變溫時刻區(qū)間。

圖2 不同變溫時刻對稻谷干燥特性和品質(zhì)的影響Figure2 Effect of moment of changing temperature on drying characteristics and quality of paddy rice

2.2.3 變溫時長對稻谷干燥特性和品質(zhì)的影響 由圖3可知，變溫時長對稻谷干燥速率影響較小，閾值范圍內(nèi)隨變溫時長的延長，稻谷爆腰率增加、整精米率降低。分析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，隨著干燥的進行稻谷籽粒自由水分首先被消除，而過長的變溫時長不能有效平衡谷物內(nèi)部產(chǎn)生的水分梯度，難以消除籽粒內(nèi)濕應(yīng)力，進而導致裂紋率增加。由于閾值范圍內(nèi)爆腰增率的最小值及整精米率的峰值出現(xiàn)在變溫時長為20min 處，為使優(yōu)化結(jié)果更具說服力，將10～50min作為多因素試驗的參數(shù)范圍。

圖3 變溫時長對稻谷干燥特性和品質(zhì)的影響Figure3 Effect of duration of temperature change on drying characteristics and quality of paddy rice

2.2.4 變溫溫度對稻谷干燥特性和品質(zhì)的影響 由圖4 可知，隨變溫溫度的增加，稻谷干燥速率明顯加快，爆腰率呈先減后增的變化趨勢，整精米率則與之相反。分析結(jié)果產(chǎn)生的原因，在變溫干燥過程中，較低的變溫溫差有助于平衡谷粒在干燥階段引起的水分梯度，減小谷粒內(nèi)部應(yīng)力，進而降低稻谷爆腰增率，提高整精米率；變溫溫差過大會使谷粒內(nèi)部產(chǎn)生熱脹冷縮，進而使谷粒內(nèi)部產(chǎn)生合應(yīng)力，降低稻谷干燥品質(zhì)。為全面考慮變溫溫度對稻谷品質(zhì)產(chǎn)生的影響，多因素試驗中選取變溫溫度范圍為40～70℃。

圖4 變溫溫度對稻谷干燥特性和品質(zhì)的影響Figure4 Effect of variable temperature on drying characteristics and quality of paddy rice

2.2.5 變溫次數(shù)對稻谷干燥特性和品質(zhì)的影響 由圖5可知，變溫次數(shù)對稻谷干燥速率、爆腰增率與整精米率影響不大，總體來看，循環(huán)變溫有利于提升稻谷干燥品質(zhì)。因此，后續(xù)試驗中采用循環(huán)變溫的方式，直至干燥到稻谷安全儲藏水分。

圖5 不同變溫次數(shù)對稻谷干燥特性與品質(zhì)的影響Figure5 Efect of number of changing temperature on drying characteristics and quality of paddy rice

3 稻谷薄層變溫干燥多因素試驗

3.1 試驗設(shè)計方案及結(jié)果

為系統(tǒng)研究變溫干燥因子對稻谷干燥品質(zhì)的影響規(guī)律，綜合單因素試驗結(jié)果，在循環(huán)變溫干燥條件下，根據(jù)Central?Composite 設(shè)計原理，選取干燥溫度（

X

）、變溫溫度（

X

）、變溫時長（

X

）及變溫時刻（

X

）為自變量，爆腰增率（

Y

）、整精米率（

Y

）為因變量，開展四元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合優(yōu)化試驗，因素水平編碼值如表1。試驗設(shè)計及結(jié)果如表2。

表1 試驗因素水平編碼值
Table1 Experimental factor and levels

表2 星點設(shè)計-響應(yīng)面法試驗結(jié)果
Table2 Central-Composite design with experimental results

3.2 試驗結(jié)果分析

3.2.1 回歸模型的建立與方差分析 通過響應(yīng)面分析分別建立爆腰增率、整精米率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為：

由表3 可知，爆腰增率的回歸方程模型

p

<0.01，極顯著；整精米率的回歸方程模型

p

<0.05，顯著，失擬項檢驗結(jié)果均為不顯著，表明回歸方程能較好地預(yù)測稻谷干燥品質(zhì)與各試驗因子間的關(guān)系。

表3 回歸模型的方差分析結(jié)果
Table3 The result of variance of regression model

注：**表示極顯著(<0.01)；*表示顯著(0.01≤<0.05)。
Note:*Means significant at the 0.05 level,**means significant at the 0.01 level.

3.2.2 各因素間交互作用對試驗指標的影響 利用Design Expert8.0.6.1軟件分析試驗數(shù)據(jù)，在2個試驗因子不變的情況下，考察另2個試驗因子交互作用下的響應(yīng)值變化情況。

3.2.2.1 試驗因子對爆腰增率的影響 由圖6可知，爆腰增率隨干燥溫度和變溫溫度升高而升高，干燥溫度過高時隨變溫時刻的延遲與變溫時長的增加呈上升趨勢，變溫溫度過高時則隨變溫時刻與變溫時長的延長略有增加，且谷值均位于干燥溫度與變溫溫度間差值為0～10℃區(qū)域。

圖6 試驗因子對爆腰增率的影響Figure6 Effect of interaction of factors on additional crack rate

3.2.2.2 試驗因子對整精米率的影響 由圖7可知，整精米率隨干燥溫度和變溫溫度升高而降低；干燥溫度過高時隨變溫時刻的延遲與變溫時長的增加呈下降趨勢；變溫溫度過高時變溫時刻與變溫時長的變化對整精米率影響不大。其中，干燥及變溫的溫度與持續(xù)干燥時間的影響中，溫度對整精米率的影響更大，峰值通常出現(xiàn)在低溫干燥區(qū)域。該現(xiàn)象同樣說明稻谷干燥過程中干燥溫度的選取不宜太高。

圖7 試驗因子對整精米率的影響Figure7 Effect of interaction of factors on head rice rate

3.2.3 參數(shù)優(yōu)化 利用Optimization 功能對回歸模型進行優(yōu)化，限定目標值爆腰增率最小，整精米率最大，得到最佳工藝參數(shù)組合為：干燥溫度54℃、變溫時刻50min、變溫溫度47.5℃、變溫時長20min，預(yù)測干燥后爆腰增率12.49%、整精米率79.90%。在此工藝參數(shù)條件下進行3 次重復性驗證試驗，取平均值，試驗結(jié)果如表4。分析可知，試驗值與軟件優(yōu)化參數(shù)值的平均誤差為3.61%，表明優(yōu)化后的工藝參數(shù)具有較強可行性。

表4 優(yōu)化參數(shù)試驗結(jié)果
Table4 Test results of optimized parameters

4 討論與結(jié)論

單因素試驗表明，干燥溫度、變溫溫度、變溫時刻及變溫時長對稻谷干燥品質(zhì)的影響較為顯著，而變溫次數(shù)對試驗結(jié)果影響較不顯著。同時，通過對稻谷品質(zhì)的綜合分析，確定采用循環(huán)變溫方式干燥，干燥溫度為40～60℃、變溫時刻為持續(xù)干燥20～140min、變溫溫度為40～70℃、變溫時長為10～50min 時進行變溫干燥稻谷品質(zhì)較優(yōu)。通過四元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，建立回歸模型，結(jié)合響應(yīng)面分析對變溫干燥工藝組合進行優(yōu)化。分析試驗結(jié)果產(chǎn)生的原因：（1）稻谷的傳熱系數(shù)遠大于干燥介質(zhì)，因此，干燥過程中稻谷緩慢升溫并逐步向內(nèi)部傳導，而干燥溫度與變溫溫度間的溫差較大時，易使谷粒出現(xiàn)超過其承受強度的熱應(yīng)力，導致裂紋的產(chǎn)生；（2）干燥溫度和變溫溫度過高時，干燥速率加快，谷粒表層失水較多，而內(nèi)部水分向表面轉(zhuǎn)移的速度小于水分蒸發(fā)速度，使谷粒內(nèi)外水分梯度擴大。由于含水率越低所需玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越高，因此易出現(xiàn)稻谷表層處于玻璃態(tài)而中心處仍表現(xiàn)為橡膠態(tài)，致使谷粒處于兩種狀態(tài)的不斷轉(zhuǎn)化中，進而導致稻谷爆腰率增加。該結(jié)論與MUKHOPADHYAY 等及劉輝學者的部分研究結(jié)論基本一致。同時，整精米率指標分析結(jié)論與爆腰增率指標分析所得結(jié)論基本一致。萬忠民等的稻谷干燥品質(zhì)研究也認為干燥溫度為50℃時，流化床和薄層熱風干燥稻米的品質(zhì)較好，稻谷的干燥溫度和整精米率之間呈顯著的負相關(guān)，這與本研究結(jié)論可較好對應(yīng)，但其缺乏關(guān)于變溫條件的深入探究。

本研究結(jié)果表明，最佳變溫干燥參數(shù)組合是干燥溫度為54℃，變溫時刻為持續(xù)干燥50min，變溫溫度為47.5℃，變溫時長為20min，在此條件下，稻谷干燥后的爆腰增率為12.5%、整精米率為79.9%。模型預(yù)測值與試驗驗證值之間的相對誤差為3.61%，表明該回歸模型預(yù)測結(jié)果較為可靠。