摘要:
針對(duì)傳統(tǒng)干燥后稻谷裂紋率較高、稻谷品質(zhì)無法得到保證的問題,探究緩蘇溫度、緩蘇比、稻谷初始含水率等工藝參數(shù)對(duì)稻谷裂紋增率、干燥速率影響及緩蘇工藝抑制稻谷干燥性裂紋的機(jī)理。采用三元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)優(yōu)化稻谷緩蘇干燥工藝參數(shù),以緩蘇溫度、緩蘇比、稻谷初始含水率為試驗(yàn)因素,使用Box-Behnken試驗(yàn),建立回歸模型并分析各因素與試驗(yàn)指標(biāo)之間的關(guān)系。使用Design-Expert 12軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化及數(shù)據(jù)分析,得出最優(yōu)工藝參數(shù):緩蘇溫度為57℃,初始含水率為23%,緩蘇比為2.4∶1。在此組合參數(shù)下稻谷裂紋增率為9.53%,干燥速率為0.104%/min,且相對(duì)誤差較小。研究表明,經(jīng)優(yōu)化后組合參數(shù)對(duì)降低稻谷裂紋增率、提高干燥速率有著積極的作用,可為實(shí)際生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:稻谷;緩蘇工藝;參數(shù)優(yōu)化;干燥速率;爆腰率
中圖分類號(hào):S226.6
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):2095-5553 (2025) 01-0125-06
Experiment on optimization of key parameters of tempering drying process of rice
Qu Tianqi1, Wan Lin1, 2, Che Gang1, 2, Zhang Zhi3, Zhang Qilin1, Zhong Guoliang1
(1. "College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing, 163319, China;
2. Key Laboratory of Intelligent Agricultural Machinery and Equipment of Heilongjiang Procince, Daqing,
163319, China; 3. Heilongjiang Beidahuang Rice Industry Group Co., Ltd., Harbin, 150090, China)
Abstract:
In order to reduce the crack rate of rice after drying and improve the drying efficiency of rice, this experiment explored the effects of technological parameters such as retarding temperature, retarding ratio and initial moisture content of rice on the crack growth rate and drying rate of rice, and the mechanism of retarding technology to inhibit drying cracks of rice. The technological parameters of rice slow-tempering drying were optimized by three-dimensional quadratic orthogonal rotation combination design. Taking slow-tempering temperature, slow-tempering ratio and initial moisture content of rice as experimental factors, Box-Behnken test was used to establish a regression model and analyze the relationship between each factor and the experimental indicators. The Design-Expert 12 software was used to optimize the parameters and analyze the data of the test results, and the optimal process parameters were obtained as follows: the retarding temperature was 57℃, the initial moisture content was 23%, and the retarding ratio was 2.4∶1. Under these combined parameters, the rice crack growth rate is 9.53%, the drying rate is 0.104%/min, and the relative error is small. The results show that the optimized combination parameters have a positive effect on reducing the crack growth rate and improving the drying rate of rice, which can provide a theoretical basis for practical production.
Keywords:
rice; tempering process; parameter optimization; drying rate; crack rate
0"引言
水稻通常在高含水率的情況下進(jìn)行收割(濕基含水率21%以上),需要及時(shí)進(jìn)行干燥至安全存儲(chǔ)含水率(14%~14.5%)以防止變質(zhì)[1]。熱風(fēng)干燥是稻谷機(jī)械化干燥的一種重要方式,可以快速地使剛收獲的水稻降至安全含水率。稻谷裂紋是由于突然的干燥或濕潤(rùn),稻谷籽粒表面的失水速度超過稻谷籽粒內(nèi)部水分傳遞速度,導(dǎo)致稻谷內(nèi)部形成水分梯度,稻谷籽粒表面失水產(chǎn)生收縮,而籽粒內(nèi)部由于失水速率低于表面,就會(huì)形成濕應(yīng)力,當(dāng)濕應(yīng)力超過稻谷籽粒所能承受限度時(shí),就會(huì)形成裂紋[2, 3]。因此,為了減少稻谷在干燥中的損失,需要降低干燥速率。但干燥速率降低,干燥時(shí)間會(huì)加長(zhǎng),加大干燥能耗,延誤干燥進(jìn)程。所以在保證稻谷裂紋率的同時(shí),提升干燥速率也不能被忽略。
通常在干燥進(jìn)程中加入緩蘇工藝[4]來平衡由于蒸發(fā)速率快而稻谷內(nèi)水分傳遞慢產(chǎn)生的水分梯度,降低籽粒應(yīng)力,從而降低稻谷裂紋率,在一定程度上提升干燥速率。王丹陽(yáng)等[5]對(duì)稻谷緩蘇干燥特性進(jìn)行研究,并建立干燥過程中水分含量預(yù)測(cè)模型。吳中華等[6]利用聲發(fā)射理論對(duì)干燥過程中裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展進(jìn)行了探究,通過建立稻谷干燥進(jìn)程的濕熱傳遞模型,分析稻谷緩蘇時(shí)籽粒內(nèi)部水分的變化規(guī)律。周緒霞等[7]對(duì)比熱泵干燥與遠(yuǎn)紅外干燥發(fā)現(xiàn)緩蘇比為1∶3時(shí),稻谷各項(xiàng)干燥后指標(biāo)最優(yōu)。Truong等[8]研究了高溫干燥和緩蘇會(huì)使稻谷內(nèi)淀粉糊化,從而增強(qiáng)稻谷籽粒完整性。Ghasemi等[9]通過研究發(fā)現(xiàn)緩蘇時(shí)間應(yīng)隨著干燥時(shí)間的增加而增加,且可以有效平衡稻谷籽粒內(nèi)部產(chǎn)生的水分梯度。Tuyen等[10]探究了在高溫和長(zhǎng)時(shí)間的緩蘇后,淀粉在谷粒外層形成糊化層,可以有效提高在碾磨過程中稻谷籽粒的抗斷性。荔淑楠[11]、宮元娟[12]、張麗娟[13]等也通過試驗(yàn)驗(yàn)證了合理的緩蘇工藝參數(shù)可有效提高當(dāng)歸、香菇、大豆等農(nóng)產(chǎn)品干燥速率,并提高物料干燥后的整體品質(zhì)。
以上研究缺乏針對(duì)緩蘇條件如緩蘇溫度、緩蘇比、初始含水率對(duì)抑制稻谷裂紋生成原因的系統(tǒng)分析,且不同緩蘇因素對(duì)降低稻谷裂紋增率、提高干燥速率的影響規(guī)律有待深入研究。本文在前人研究基礎(chǔ)上,探究緩蘇溫度、稻谷初始含水率及緩蘇比對(duì)稻谷裂紋增率和干燥速率的影響趨勢(shì)。通過正交試驗(yàn)優(yōu)化緩蘇干燥參數(shù),以得到較為可靠的干燥工藝,從而降低稻谷裂紋率以及提高干燥速率。
1"材料與方法
1.1"材料
試驗(yàn)選用稻花香2號(hào),將水稻過篩去除雜質(zhì),使用105℃烘干法測(cè)得稻谷初始含水率為21%~22%,將其使用密封袋封裝起來,放置在4℃的恒溫冰箱內(nèi),將一部分水稻噴施蒸餾水使其含水率達(dá)到23%,另將一部分水稻進(jìn)行通風(fēng)晾曬調(diào)節(jié)含水率至19%,試驗(yàn)前將水稻放置在室溫下,待與室溫平衡后再次測(cè)量含水率,隨后進(jìn)行試驗(yàn)。
1.2"儀器與設(shè)備
采用自制稻谷薄層干燥試驗(yàn)臺(tái),試驗(yàn)臺(tái)由風(fēng)機(jī)、加熱裝置、稱重裝置以及控溫系統(tǒng)等組成,如圖1所示。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
其他儀器:GZX-DH30A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱;BLH-3250B試驗(yàn)礱谷機(jī);HK-06A 300 g手提式粉碎機(jī);DHS-10A電子水分測(cè)定儀;JA5003B電子天平。
1.3"試驗(yàn)指標(biāo)
1.3.1"含水率
含水率檢測(cè)參照GB 5009.3—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》[14]。使用電動(dòng)粉碎機(jī),將去除雜質(zhì)的稻谷進(jìn)行粉碎,取0.5g樣品均勻散布在水分儀內(nèi)105℃烘干10min。含水率計(jì)算如式(1)所示。
Xw=mt-mdmt
(1)
式中:
Xw——濕基含水率,%;
mt——t時(shí)刻物料質(zhì)量,g;
md——物料干質(zhì)量,g。
1.3.2"裂紋率
裂紋率檢測(cè)參照GB/T 5496—1985《糧食、油料檢驗(yàn) 黃粒米及裂紋粒檢驗(yàn)法》[15]。干燥前隨機(jī)取出100粒完整稻谷籽粒,手工剝?nèi)サ練?,將去殼籽粒放在爆腰燈上,通過觀察挑選出裂紋米并進(jìn)行計(jì)數(shù),重復(fù)3次,計(jì)算平均值后為稻谷初始裂紋率,裂紋率計(jì)算如式(2)所示。干燥結(jié)束后裝在密封袋中,在室溫下靜置48h直至恢復(fù)至室溫后,隨機(jī)挑選100粒完整稻谷剝殼測(cè)其爆腰率。對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行2次測(cè)量并計(jì)算平均值,測(cè)得結(jié)果為干燥后爆腰率。
λ=λ1λ2
(2)
式中:
λ——裂紋率,%;
λ1——有裂紋的稻谷數(shù);
λ2——?jiǎng)儦さ竟瓤倲?shù)。
1.4"試驗(yàn)方法
試驗(yàn)于2023年3月在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)干燥實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,環(huán)境溫度為11℃~16℃,環(huán)境濕度為9.2%~9.8%,試驗(yàn)開始前將水稻放置在室溫平衡。固定因素:熱風(fēng)溫度為45℃,熱風(fēng)風(fēng)速為0.5m/s。
將薄層干燥試驗(yàn)臺(tái)與烘干箱分別預(yù)熱至干燥溫度與緩蘇溫度,取250g水稻放置在試驗(yàn)網(wǎng)篩內(nèi),再將網(wǎng)篩放置在薄層干燥試驗(yàn)臺(tái)后進(jìn)行計(jì)時(shí),每干燥10min按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的緩蘇比(緩蘇時(shí)間/干燥時(shí)間)將網(wǎng)篩放入烘箱中進(jìn)行停風(fēng)保溫緩蘇,緩蘇結(jié)束后繼續(xù)干燥,循環(huán)上述操作至試驗(yàn)樣品達(dá)到安全含水率(14%)停止試驗(yàn)。
1.4.1"單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)
干燥性裂紋產(chǎn)生的主要原因是籽粒內(nèi)水分傳遞速度低于籽粒表面水分散失速度,導(dǎo)致籽粒內(nèi)外產(chǎn)生水分梯度,從而導(dǎo)致稻谷籽粒內(nèi)部產(chǎn)生濕應(yīng)力,而緩蘇的主要目的就是抑制這種現(xiàn)象[16, 17]。稻谷籽粒內(nèi)部的水分傳遞速度與水分?jǐn)U散系數(shù)有關(guān),溫度越高水分?jǐn)U散系數(shù)越大,因此,緩蘇溫度應(yīng)比干燥溫度高一些,更有利于籽粒內(nèi)部的水分?jǐn)U散。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示,選取緩蘇溫度,初始含水率以及緩蘇比3個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn),稻谷裂紋增率和干燥速率為考察指標(biāo)。
1.4.2"參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)
根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,選取緩蘇溫度、稻谷初始含水率以及緩蘇比為試驗(yàn)因素,裂紋增率Y1和干燥速率Y2為指標(biāo),根據(jù)Box-Behnken中心組合原理設(shè)計(jì)試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平編碼表如表3所示。
依據(jù)水平編碼表設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)及結(jié)果如表4所示,其中X1、X2、X3為因素編碼值。所有試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次,結(jié)果取平均值。
2"結(jié)果與分析
2.1"單因素結(jié)果分析
2.1.1"緩蘇溫度對(duì)稻谷干燥品質(zhì)的影響
圖2(a)為不同緩蘇溫度下稻谷裂紋增率的變化曲線,在緩蘇比為2∶1、初始含水率為21%時(shí),隨著緩蘇溫度的升高,稻谷的裂紋率逐漸降低,當(dāng)緩蘇溫度超過55℃時(shí)裂紋增值率又有所提高。這說明在一定限度內(nèi)提升緩蘇溫度有助于降低裂紋增率。由于稻谷水分?jǐn)U散系數(shù)隨溫度的升高而增加,當(dāng)緩蘇溫度與干燥溫度相差不大時(shí),稻谷的水分?jǐn)U散系數(shù)也不會(huì)有提升,致使由于干燥產(chǎn)生的水分梯度得不到充分的平衡就進(jìn)入下一個(gè)干燥段,內(nèi)部的濕應(yīng)力也就得不到緩解。但當(dāng)緩蘇溫度過高時(shí),裂紋率也會(huì)增加,是因?yàn)楫?dāng)緩蘇溫度過高時(shí),由于干燥溫度與緩蘇溫度溫差較大,當(dāng)?shù)竟扔删徧K段進(jìn)入干燥段時(shí),由于溫度快速降低以及籽粒外部快速失水會(huì)導(dǎo)致稻谷籽粒外層先轉(zhuǎn)變?yōu)椴AB(tài)[18],因?yàn)榈竟炔煌瑺顟B(tài)下的膨脹系數(shù)不同,所以外表先轉(zhuǎn)變?yōu)椴AB(tài)的部分就會(huì)受到拉應(yīng)力,而內(nèi)部仍處于橡膠態(tài)會(huì)受到壓應(yīng)力,當(dāng)濕應(yīng)力達(dá)到一定限度時(shí)就會(huì)導(dǎo)致稻谷產(chǎn)生裂紋。
從干燥時(shí)間來看,由圖2(b)可知,在緩蘇溫度為60℃時(shí),相比于45℃干燥速率最快,為0.0886%/min。當(dāng)緩蘇溫度超過55℃時(shí),干燥速率雖有所提升但并不明顯。當(dāng)緩蘇溫度為55℃時(shí)稻谷裂紋率最低,且干燥速率也相對(duì)較高,故而選取50℃~60℃為正交試驗(yàn)取值。
2.1.2"緩蘇比對(duì)稻谷干燥品質(zhì)的影響
由圖3(a)可知,隨著緩蘇比達(dá)到2.5∶1時(shí)稻谷裂紋增率最低,為9.22%。緩蘇時(shí)稻谷處于停風(fēng)狀態(tài)但溫度升高,隨著緩蘇比的提高,緩蘇時(shí)間也隨之增加,稻谷由于在干燥段產(chǎn)生的水分梯度可以得到平衡。當(dāng)緩蘇比過低時(shí)緩蘇時(shí)間不足以平衡水分梯度,當(dāng)緩蘇比達(dá)到一定值時(shí)就會(huì)使稻谷內(nèi)部的水分梯度平衡,減少由水分梯度而產(chǎn)生的濕應(yīng)力[18]。但繼續(xù)增加緩蘇比就會(huì)使稻谷裂紋增率提高,這是因?yàn)楫?dāng)緩蘇時(shí)間超過水分梯度所需的平衡時(shí)間后,稻谷表層的水分就會(huì)向上層稻谷運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致上層稻谷出現(xiàn)吸濕現(xiàn)象,最終導(dǎo)致裂紋率增加。
由圖3(b)可知,隨著緩蘇比的增加,干燥速率明顯加快。當(dāng)緩蘇比為1∶1時(shí),干燥速率最低,為0.0714%/min。當(dāng)緩蘇比提高到2∶1時(shí),干燥速率大幅提高至0.0875%/min,同時(shí)也是干燥速率提升最明顯的一段。當(dāng)緩蘇比由2∶1提高至3∶1,干燥速率的變化并不明顯,是因?yàn)楫?dāng)緩蘇比達(dá)到2∶1時(shí),稻谷籽粒內(nèi)部水分已經(jīng)大致均勻。這說明當(dāng)緩蘇比達(dá)到一定值的時(shí)候,增加緩蘇比也無法提高降水速度。
2.1.3"稻谷初始含水率對(duì)稻谷干燥品質(zhì)的影響
由圖4(a)可知,在稻谷含水率為22%時(shí)進(jìn)行緩蘇干燥,可以明顯降低稻谷裂紋率。當(dāng)?shù)竟仍诤瘦^高時(shí)進(jìn)行緩蘇干燥,由于稻谷含水較多,稻谷內(nèi)部自由水也相比于含水率較低的稻谷多,所以在干燥段結(jié)束進(jìn)入緩蘇段后水分也會(huì)快速的重新分布,能快速降低水分梯度引起的濕應(yīng)力。稻谷在含水率較低進(jìn)行緩蘇干燥裂紋增率較高是由于含水率較低時(shí),稻谷籽粒內(nèi)部自由水較少[19],即使緩蘇也無法充分均勻籽粒內(nèi)部水分梯度,從而致使?jié)駪?yīng)力的產(chǎn)生導(dǎo)致裂紋增加。由圖4(b)可知,稻谷初始含水率越高,干燥速率也就越快,是因?yàn)楦吆实牡竟葍?nèi)部自由水含量較高,而稻谷干燥階段主要的失水形式就是自由水,且由于每段干燥時(shí)間為10min,所以每個(gè)干燥段稻谷籽粒外層失水較多,而內(nèi)部失水較少,這更有助于緩蘇段充分平衡水分[20]。
2.2"響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
2.2.1"試驗(yàn)因素對(duì)裂紋增率的影響
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果剔除不顯著因素建立回歸方程如式(3)所示。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析如表5所示,回歸方程模型方程顯著性為極顯著(plt;0.01),失擬項(xiàng)檢驗(yàn)為不顯著(pgt;0.05),表明回歸方程擬合較好。該模型決定系數(shù)R2=0.9895、調(diào)整決定系數(shù)Radj2=0.976,表明該模型具有較高的擬合精度,變異系數(shù)CV=1.73%,表明試驗(yàn)的重復(fù)性較好,結(jié)果精度高。
Y1=
9.15-0.97x1+0.24x3-1.48x12+
0.41x22+0.72x32
(3)
圖5(a)表明隨著緩蘇溫度的增加和初始含水率的升高,稻谷裂紋增率先減小然后趨于平緩,當(dāng)初始含水率一定時(shí),增加緩蘇溫度會(huì)降低稻谷裂紋增率。當(dāng)緩蘇溫度在56℃、稻谷含水率在21.5%時(shí),稻谷裂紋增率接近最低。圖5(b)是初始含水率為22%時(shí),緩蘇溫度與緩蘇比交互作用對(duì)稻谷裂紋率影響的響應(yīng)面圖。分析可知,在緩蘇比一定時(shí),稻谷裂紋率隨緩蘇溫度的升高逐漸降低,說明較低的緩蘇溫度不利于抑制稻谷干燥性裂紋的產(chǎn)生,稻谷裂紋率會(huì)伴隨緩蘇溫度的升高呈正相關(guān)。圖5(c)是緩蘇溫度為55℃時(shí),初始含水率與緩蘇比交互作用對(duì)稻谷裂紋率影響的響應(yīng)面圖,緩蘇比升高,初始含水率對(duì)稻谷裂紋率的影響越明顯。
2.2.2"試驗(yàn)因素比對(duì)干燥速率的影響
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果剔除不顯著因素建立回歸方程如式(4)所示。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析如表6所示,回歸方程模型方程顯著性為極顯著(plt;0.01),失擬項(xiàng)檢驗(yàn)為不顯著(pgt;0.05),表明回歸方程擬合較好。該模型決定系數(shù)R2=0.9391、調(diào)整決定系數(shù)Radj2=0.8609,表明該模型具有較高的擬合精度,變異系數(shù)CV=3.3%,表明試驗(yàn)的重復(fù)性較好,結(jié)果精度高。
Y2=
0.098-0.005x1+0.009x2+0.008x12
(4)
圖6(a)是當(dāng)緩蘇比為2.5∶1時(shí),緩蘇溫度與初始含水率交互作用對(duì)干燥速率影響的響應(yīng)面圖。在緩蘇溫度一定的情況下,干燥速率隨稻谷初始含水率的升高而逐漸升高,說明當(dāng)?shù)竟瘸跏己瘦^高時(shí),更有利于提高稻谷的干燥速率,稻谷初始含水率對(duì)干燥速率的影響顯著。圖6(b)是初始含水率為22%時(shí),緩蘇溫度與緩蘇比對(duì)干燥速率影響的響應(yīng)面圖。緩蘇溫度對(duì)干燥速率的影響較緩蘇比顯著,隨著緩蘇溫度的提高,干燥效率呈先上升后下降的趨勢(shì),在緩蘇溫度不變的情況下,干燥效率隨著緩蘇比的增大而出現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)。圖6(c)是緩蘇溫度為55℃時(shí)初始含水率與緩蘇比交互作用對(duì)干燥速率影響的響應(yīng)面圖。稻谷初始含水率越高,緩蘇比對(duì)稻谷干燥速率的影響越明顯。
2.2.3"參數(shù)優(yōu)化
在Design-Expert軟件中設(shè)置優(yōu)化的參數(shù)范圍,如式(5)所示。
minY1
maxY2
s.t.
50℃lt;x1lt;60℃
21%lt;x2lt;23%
2∶1lt;x3lt;3∶1
(5)
由式(5)可知,當(dāng)緩蘇溫度為56.8℃、初始含水率為22.9%、緩蘇比為2.37∶1時(shí)為最優(yōu)參數(shù)組合。處理后選取緩蘇溫度為57℃,初始含水率為23%,緩蘇比為2.4∶1。對(duì)上述參數(shù)工藝進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)取平均值,試驗(yàn)結(jié)果如表7所示,實(shí)際結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致,本試驗(yàn)選擇影響因素選擇合理。
3"結(jié)論
1) 通過進(jìn)行單因素試驗(yàn),研究不同緩蘇條件對(duì)稻谷干燥后的裂紋增率和干燥速率的影響。同時(shí)也確定正交試驗(yàn)的取值范圍,為緩蘇干燥優(yōu)化試驗(yàn)取值提供依據(jù)。
2) "確定緩蘇溫度為(50℃~60℃)、緩蘇比(2∶1~3∶1)、稻谷初始含水率(21%~23%)為主要試驗(yàn)因素,以稻谷裂紋增率和干燥速率為試驗(yàn)指標(biāo),通過二次回歸正交組合試驗(yàn)對(duì)緩蘇參數(shù)進(jìn)行綜合分析,得出試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響顯著。
3) "通過Design-Expert 12軟件,對(duì)各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化求解,經(jīng)分析后,最優(yōu)的組合參數(shù)實(shí)際取值緩蘇溫度為57℃,初始含水率為23%,緩蘇比為2.4∶1。根據(jù)優(yōu)化后的參數(shù)組合進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn),取平均值后稻谷裂紋增率為9.53%,干燥速率為0.104%/min。
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