小麥干燥技術(shù)及其對小麥品質(zhì)的影響研究進展

任晨剛，翟靜靜，馬 森，楊書林，張連慧

1. 營養(yǎng)健康與食品安全北京市重點實驗室，老年營養(yǎng)食品研究北京市工程實驗室，中糧營養(yǎng)健康研究院有限公司 (北京 102209) 2. 南京財經(jīng)大學 食品科學與工程學院，江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心 (南京 210023) 3.河南工業(yè)大學 糧油食品學院 (鄭州 450001) 4. 中糧糧谷控股有限公司 (北京 100020)

小麥是我國的主要糧食作物，也是全球種植最為廣泛的糧食作物之一。小麥磨成面粉后可制作饅頭、面條、面包等各類面制食物。據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，自2015年以來，我國小麥產(chǎn)量已連續(xù)7年在1.3億t以上，2021年更是達到1.37億t的歷史最高產(chǎn)量記錄。新收獲的小麥水分較高，一般在18%以上，儲存和加工前需要進行干燥處理至安全儲存水分13%～14%[1-3]，以有效延緩在儲存期間的品質(zhì)劣變，減少變質(zhì)霉爛現(xiàn)象，延長保存期，增加經(jīng)濟收益。尤其是江蘇、安徽、湖北等南方省份在小麥收獲時經(jīng)常遇到陰雨天氣，對小麥的烘干需求較大[4]。

干燥對小麥的儲存和加工有重要意義，但是如果干燥條件控制不當，會對小麥品質(zhì)產(chǎn)生不利影響，例如面筋強度下降、酶活性降低、淀粉糊化、小麥破損等，進而對面筋網(wǎng)絡(luò)、面團流變學特性等造成不利影響，使面制品品質(zhì)下降[5]。本文綜述了熱風干燥、紅外干燥、微波干燥、太陽能干燥等小麥干燥技術(shù)的優(yōu)缺點其對小麥品質(zhì)影響的研究進展，以期為小麥原糧保質(zhì)增值干燥技術(shù)的開發(fā)提供思路和參考依據(jù)。

1 熱風干燥

1.1 熱風干燥的原理和特點

熱風干燥是應(yīng)用最廣泛的干燥方式之一，也是我國采用較多的小麥干燥方法，它是利用熱氣流的吸濕特性，以對流傳熱的方式將熱量傳給糧粒，并將蒸發(fā)的水蒸氣帶走。糧粒表面水蒸氣濃度與熱氣流形成濕度梯度，驅(qū)動降水過程，以達到干燥的目的[1,6]。熱氣流的溫度和濕度是小麥脫水的直接動力，溫度越高，干燥速度越快，干燥時控制好溫度和時間可使小麥得到有效干燥[7]。但是不合適的干燥溫度會影響小麥品質(zhì)。

按照干燥室結(jié)構(gòu)不同，干燥設(shè)備可以分為箱式干燥器、筒式干燥器、流化床干燥器、塔式干燥器等。熱風干燥有許多顯著的優(yōu)點，一是氣固兩相傳熱傳質(zhì)的表面積大，熱效率高；二是熱風干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，生產(chǎn)能力大，適應(yīng)性廣；三是設(shè)備投資成本低。這些特點使其成為應(yīng)用最廣泛的糧食干燥方式。當然，也存在一些不足，比如動力消耗較大，干燥時受熱不均勻，易損傷糧食的內(nèi)在品質(zhì)等問題。謝煥雄等人提出可在入風口增加導風柵格，干燥倉體采用圓弧角設(shè)計等措施以提高設(shè)備干燥均勻性[8]。

1.2 熱風干燥對小麥品質(zhì)的影響

受熱風溫度和水分遷移的影響，小麥籽粒在干燥過程中會發(fā)生很多變化，進而對小麥品質(zhì)產(chǎn)生影響。干燥過程中由于水分散失，小麥籽粒體積縮小，較為分散的胚乳細胞形成更致密的結(jié)構(gòu)。但隨著干燥溫度的升高，小麥籽粒受熱不均勻，水分散失加快，小麥內(nèi)部形成較大的水分梯度，表皮下的水分不能及時轉(zhuǎn)移，造成壓力升高，表皮脹裂，使小麥內(nèi)部形成較多裂紋，小麥也更加容易破碎，干燥后小麥品質(zhì)也有所下降[9-11]，干燥溫度越高，初始含水量越大，裂紋也就越多。在干燥時將溫度控制在合適的范圍，可以減少裂紋和破碎。干燥也會導致小麥色澤的變化。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過熱風干燥后，部分小麥粉顏色變深，可能是由于小麥受熱，蛋白質(zhì)與糖類物質(zhì)發(fā)生美拉德反應(yīng)導致褐變[12]。小麥經(jīng)干燥操作后，小麥相對體積變小，尖部麥毛和突出部分被磨損，表面變得光滑，麥粒間摩擦力和孔隙度減小后容重提高。干燥到一定時間，容重不再變化[13-14]。

干燥過程中水分散失和溫度的升高會導致小麥中淀粉和蛋白質(zhì)發(fā)生變化。熱風溫度由40 ℃到60 ℃，蛋白水解酶活性升高，部分蛋白質(zhì)多肽鏈水解，使蛋白質(zhì)的嚴密結(jié)構(gòu)受到破壞。由于在干燥過程中小麥水分較低，對蛋白質(zhì)含量、干面筋含量和灰分均無明顯影響。但不當?shù)母稍餃囟葧斐擅娼畹鞍鬃冃裕式档?，彈性和伸延性變差，降低面包制作性能，導致面包體積減小和不良感官特性[15-16]。50 ℃干燥時，沉降值增大，進一步升溫，沉降值降低，溫度高于70 ℃，面筋質(zhì)量明顯損傷[17]。干燥溫度和小麥水分含量是影響蛋白質(zhì)損傷程度的最主要因素，研究表明，對于27%水分含量的小麥，當干燥溫度≤71 ℃時，對面包體積和面包瓤的孔隙度沒有影響，當小麥水分為19.4%和16.5%時，能做到正常面包體積的最大干燥溫度分別約為82 ℃和87 ℃[18]。郭翎菲[19]采用薄層干燥法研究不同干燥溫度對小麥品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)采用30℃～105 ℃干燥溫度將新收獲小麥從水分18.0%干燥到13.0%時，對小麥質(zhì)量影響不大。另外，對于不同種類的小麥，干燥溫度的影響也有所不同。硬粒小麥品種比軟粒小麥品種對熱損傷的敏感性低，可能是由于其蛋白質(zhì)含量較高，質(zhì)地較硬[20]。因此，為實現(xiàn)最大限度保持小麥品質(zhì)并提高干燥效率，需要根據(jù)不同類型小麥的特性建立干燥模型，通過智能控制不同干燥階段的熱風溫度，使小麥處于最佳及高效的狀態(tài)下進行干燥。

2 紅外輻射干燥

2.1 紅外輻射干燥的原理和特點

紅外輻射干燥的原理是當紅外線的頻率與被輻射物質(zhì)的固有振動頻率相同時，該物質(zhì)會將紅外線吸收，同時引起分子振動能級和轉(zhuǎn)動能級升高，分子振動和轉(zhuǎn)動加劇，輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，物質(zhì)的溫度升高，實現(xiàn)加熱干燥的目的[21]。紅外干燥可以分為近紅外干燥、中紅外干燥和遠紅外干燥，波長范圍分別為小于2 μm、2～4 μm和4～1 000 μm[22]。對于小麥中的水分、淀粉、蛋白質(zhì)、脂類等非對稱性物質(zhì)，均對吸收紅外線敏感。研究發(fā)現(xiàn)小麥在2.3～3.3 μm、3.4～3.6 μm、5.9～6.4 μm、5.6～11 μm處有強烈吸收帶[23-24]。

紅外干燥小麥的主要特點是：紅外線的傳播不需要介質(zhì)，可直接作用于物料，熱效率高，污染小；可實現(xiàn)小麥內(nèi)外同時加熱，使小麥的溫度梯度和濕度梯度方向一致，從而加速水分擴散[25-27]；物料的形狀對其干燥的均勻性影響不大；加熱設(shè)備投資小，費用低[28]。但是紅外線干燥也還存在一些不足：紅外輻射的穿透深度有限，大約只有幾個谷粒的厚度，糧層深度不能太大，否則效果不佳[28]；紅外干燥小麥內(nèi)部溫度不易控制，易影響小麥品質(zhì)。據(jù)報道，紅外干燥烤熟率達30%～50%，甚至產(chǎn)生焦糊和色澤變化。

2.2 紅外輻射干燥對小麥品質(zhì)的影響

基于紅外輻射干燥的特點，可將紅外干燥與其他措施組合在一起，利用各自的優(yōu)點在物料的不同干燥階段應(yīng)用，例如把紅外與熱風干燥結(jié)合。日本開發(fā)的干燥機通過輻射加熱器將煙道氣的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檫h紅外輻射能，實現(xiàn)對稻谷的高效加熱與干燥，干后品質(zhì)好[21,29]。在日本，遠紅外干燥機已占干燥機總數(shù)的40%[30]。王潤發(fā)設(shè)計了一種紅外線熱輻射、逆混流引風組合的干燥工藝系統(tǒng)，既能使糧溫不過高，又能大幅度提高去水速率，糧食品質(zhì)得到改善，節(jié)約能耗[31]。朱文學等人設(shè)計了紅外熱風組合谷物干燥機，干燥小麥降水幅度加大，對流風溫110 ℃時，物料溫度未超過55 ℃，但研究中未對干燥后小麥的加工和應(yīng)用品質(zhì)進行評價[32]。

3 微波干燥

3.1 微波干燥的原理和特點

微波干燥是一種高效、安全、環(huán)保的新技術(shù)。微波是一種高頻電磁波，具有穿透特性，常用頻率為915 MHz和2 450 MHz。微波能與物料中的極性分子相互作用，極性分子在微波場中做高頻振蕩運動，彼此摩擦產(chǎn)熱，導致溫度逐漸升高，使水分蒸發(fā)[33-34]。不同物質(zhì)吸收微波的能力與其介電常數(shù)有關(guān)，介電常數(shù)越大，對微波吸收越敏感。糧食中的水、蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物等成分都有微波熱效應(yīng)，其中水的介電常數(shù)最大。微波干燥時物料內(nèi)外同時受熱，傳熱和傳質(zhì)方向一致，有利于水分蒸發(fā)[35-37]。微波的波長比紅外線大，具有更好的穿透性，可加熱5 cm的深度。微波干燥不需要中間介質(zhì)，熱慣性小，能量利用率高，控制方便快捷。但是微波場在空間分布具有隨機性，可能會導致不均勻，小麥內(nèi)部的溫度不易控制，物料可能出現(xiàn)“過熱點”而發(fā)生品質(zhì)下降[38]。微波功率是影響干燥效果的主要因素，提高功率可加快干燥過程，過高會發(fā)生焦糊，需要根據(jù)糧食特性選擇合適的功率，否則加熱不均勻，影響品質(zhì)[39-40]。另外，微波干燥設(shè)備占地大，處理量相對較小，主要靠消耗電能，運行成本高。

3.2 微波干燥對小麥品質(zhì)的影響

小麥的加工應(yīng)用品質(zhì)對干燥溫度較為敏感，干燥溫度控制不當會影響面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)形成，導致小麥面筋無彈性、無黏性、易散、不成團，造成小麥品質(zhì)和利用價值的降低[41-42]。Walde等研究了小麥微波干燥的失水規(guī)律和小麥粉質(zhì)特性，得出了較優(yōu)干燥功率，結(jié)果表明小麥粉蛋白質(zhì)含量不變，但其功能性發(fā)生了改變[43]。適當?shù)奈⒉ㄌ幚碛欣谛》肿拥鞍拙酆?，提高面筋質(zhì)量，改善面團粉質(zhì)特性，有報道稱微波干燥的小麥表面溫度不超過66 ℃，濕面筋含量不受影響，超過79 ℃會大幅度減少[44]。微波干燥也會使淀粉發(fā)生變化，羅志剛等發(fā)現(xiàn)微波處理后小麥淀粉表面變得粗糙，出現(xiàn)小孔，淀粉有序結(jié)構(gòu)被破壞進而影響了消化特性，親水基團更多暴露，吸水能力增強[45]。朱德泉等研究發(fā)現(xiàn)，微波干燥功率、風速和物料厚度是影響小麥干燥品質(zhì)的主要因素，當干燥功率為0.2 W/g，物料鋪放厚度2 cm，風速45 m/min時，能保持干燥后小麥的種用價值和食用價值[46-47]。微波干燥與熱風干燥結(jié)合，降低了干燥溫度，相比熱風干燥還大大減少了干燥時間，并且對小麥蛋白質(zhì)量、出粉率無影響[48]。

4 太陽能干燥

4.1 太陽能干燥的原理和特點

太陽能是取之不盡，用之不竭的能源，用于糧食干燥具有很強的可行性。太陽能干燥是利用太陽能輻射使谷物溫度升高，從而使水分蒸發(fā)的干燥方式。被干燥的谷物通過兩種方式吸收太陽的熱量：一種是在溫室內(nèi)直接吸收太陽能的熱量；第二種是太陽能集熱器吸收太陽熱量傳遞給空氣，加熱后的空氣與物料進行對流換熱。太陽能干燥裝置主要分為四種：溫室型、集熱器型、集熱器-溫室型和整體式。太陽能干燥周期短，效率高，干后產(chǎn)品質(zhì)量好，節(jié)約能源[49]。

太陽能干燥熱量由物料表面?zhèn)髦羶?nèi)部，谷物內(nèi)部溫度比外部低，水分是由內(nèi)部向外部遷移，導致內(nèi)部含水較多，溫度差和濕度差對水分的推動方向相反，抑制了內(nèi)部水分向外擴散。劉圣勇等人研究了太陽能集熱器干燥小麥，得出太陽能集熱器干燥小麥的干燥曲線與理論干燥特性接近，可以滿足小麥干燥工藝要求[50]。與傳統(tǒng)自然晾曬相比，太陽能干燥更省時，效果更好。與工業(yè)干燥相比，太陽能干燥節(jié)約能源，更加環(huán)保。但太陽能干燥設(shè)備投入較大，干燥時間長，并且依賴于天氣變化，夜晚與陰天無法利用，在晴天干燥效果也會由于溫度和濕度的變化而有所不同。其設(shè)備投入和干燥室等配套設(shè)施建設(shè)投入較大，干燥小麥性價比較低。

4.2 太陽能干燥對小麥品質(zhì)的影響

使用聯(lián)合干燥可以避免太陽能干燥的缺點，較多研究的是與熱泵干燥的聯(lián)合。張壁光等人研究發(fā)現(xiàn)太陽能熱泵聯(lián)合干燥不僅能夠發(fā)揮二者節(jié)能高效和環(huán)保的優(yōu)勢，還能克服太陽能干燥受天氣影響的缺點，降低了總投資[51]。談文松研究了太陽能-熱泵干燥系統(tǒng)干燥小麥，打破了傳統(tǒng)太陽能干燥受天氣影響的限制，加快了干燥速率，保證了小麥干后質(zhì)量，節(jié)約了能源[52]。

5 總結(jié)

小麥的干燥對其儲藏和加工應(yīng)用品質(zhì)具有重要影響，在熱風干燥、紅外干燥、微波干燥、太陽能干燥等干燥技術(shù)中，熱風干燥是小麥干燥最為常用的方法。熱風干燥雖具有容易操作控制，投資不高，適應(yīng)性強等優(yōu)點，但也存在物料受熱不均勻，智能化程度低等問題。因此還需要在以下方面進行研究和技術(shù)創(chuàng)新，一是研究熱風均勻分布技術(shù)，使小麥的受熱和干燥更加均勻，提高小麥的干后品質(zhì)；二是應(yīng)用大數(shù)據(jù)采集和智能控制技術(shù)研究小麥干燥過程中的品質(zhì)變化規(guī)律，不斷優(yōu)化干燥工藝，實現(xiàn)小麥干燥過程的智能化控制；三是研究熱風干燥與微波、遠紅外等其他干燥技術(shù)在干燥機上的集成創(chuàng)新，發(fā)揮每種干燥技術(shù)的優(yōu)勢，提高小麥的干燥效率和干燥品質(zhì)，實現(xiàn)更大效益。