稻谷微波干燥技術(shù)現(xiàn)狀及連續(xù)式微波干燥機上的干燥試驗研究

羅春興，唐 正，陳嘉睿，史健偉，闞立民，張紫恒，曹龍奎，張吉軍

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，黑龍江大慶 163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學食品學院，黑龍江大慶 163319）

稻谷是我國三大谷物之一，據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示[1-2]，2017年全國糧食總產(chǎn)量為61 791×104t，稻谷產(chǎn)量為20 856×104t，稻谷產(chǎn)量的占比約為33.75%；2018年全國糧食總產(chǎn)量為65 789×104t，稻谷產(chǎn)量為21 213×104t，稻谷產(chǎn)量的占比約為32.24%。從2017、2018兩年的數(shù)據(jù)可以看出，我國水稻產(chǎn)量在糧食總產(chǎn)量中基本達到1/3，因此稻谷生產(chǎn)在國家糧食安全中占有重要地位。國內(nèi)約60%的地區(qū)和人口以大米為主食[3]。隨著生活水平的逐年提高，高品質(zhì)稻谷在我國糧食消費中將受到越來越多的青睞。

稻谷在我國種植分布廣泛，南北均有分布，南方的暖濕氣候條件適合稻谷種植。收獲后的稻谷貯藏是要解決的最后一公里問題。南方稻谷一般在夏季高濕環(huán)境下收獲，稻谷的含水率較高；而北方地區(qū)一般在較干燥的秋季收獲，稻谷含水率相對低一些，但都遠高于安全水分。如果大批量稻谷收獲后不能及時干燥到安全水分將會產(chǎn)生霉變；干燥過程的不合理方法也將會使稻谷在貯藏過程中產(chǎn)生品質(zhì)劣變。據(jù)統(tǒng)計，我國每年收獲的糧食中由于干燥不及時導致霉變的損失量占全年谷物總產(chǎn)量的1.5%～3.0%。南方雨季較長的省份這一比例可高達10%[4]。因此，收獲后的稻谷進行及時干燥處理已經(jīng)成為稻谷產(chǎn)后加工的必要環(huán)節(jié)。合理有效的干燥技術(shù)是解決稻谷貯藏最后一公里問題的核心手段。

隨著我國稻谷行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，相應的稻谷干燥機械、干燥技術(shù)得以快速發(fā)展并取得了很大進步。目前，稻谷干燥技術(shù)主要包括熱風干燥、遠紅外干燥、微波干燥、真空干燥、太陽能干燥等方法；稻谷干燥應用最成熟的干燥方法是熱風干燥，但是熱風干燥能耗高、效率較低，對環(huán)境污染具有一定影響。“保護環(huán)境、節(jié)約能源”成為我國未來長期的發(fā)展戰(zhàn)略，因此發(fā)展節(jié)能、綠色干燥技術(shù)是適應國家戰(zhàn)略、實現(xiàn)糧食干燥可持續(xù)發(fā)展的重要手段。微波干燥是一種節(jié)能、綠色干燥技術(shù)，研究對稻谷微波干燥原理、現(xiàn)狀及基本試驗研究進行闡述。

1 微波干燥技術(shù)的原理、特點及應用

微波是一種波長范圍為1～1 000 mm，頻率范圍為3.0×102-3.0×105MHz的高頻電磁波。微波干燥原理是依靠以每秒幾億次速度進行周期變化的微波透入物料內(nèi)，與物料的極性分子相互作用，物料中的極性分子（如水分子）吸收了微波能量后，改變了其原有的分子極性，以同樣的高速度作電場極性運動，致使極性分子間頻繁碰撞而產(chǎn)生大量的摩擦熱，在宏觀上表現(xiàn)為物料的溫度升高，進而發(fā)生水分的蒸發(fā)，使物料失水從而得到干燥的目的[5]。與傳統(tǒng)干燥方式相比，微波干燥具有干燥速率大、節(jié)能、生產(chǎn)效率高、清潔生產(chǎn)、易實現(xiàn)自動化控制和提高干燥質(zhì)量等優(yōu)點[6]。因此，在糧食干燥、化工、冶金、食品加工、農(nóng)產(chǎn)品干燥、保鮮與包裝、殺菌殺蟲等領(lǐng)域已得到了廣泛應用。

2 稻谷微波干燥技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)外學者在稻谷微波干燥領(lǐng)域進行了很多有價值的研究。Kim S S等人[7]研究了微波干燥中水分的擴散，Ofol I等人[8]模擬了微波干燥中食品熱力學參數(shù)的變化，T T Chen等人[9]研究了微波與熱風組合干燥過程中的熱量和質(zhì)量傳遞。國內(nèi)針對不同類型稻谷的微波干燥研究主要集中在干燥特性、干燥工藝參數(shù)優(yōu)化、干燥品質(zhì)、干燥工藝流程、干燥滅菌等方面。

王俊等人[10]對粳稻的微波干燥特性及品質(zhì)進行了試驗研究。結(jié)果表明，稻谷微波干燥時的整個失水過程和溫度變化過程都分為2個階段，微波干燥貯藏3—6個月后稻谷內(nèi)脂肪酸含量比熱風干燥的低，表明微波干燥稻谷有利于長時間貯藏。于秀榮等人[11]對粳稻種子糧進行了微波干燥試驗研究。結(jié)果表明，低功率、長流程的工藝條件干燥稻谷，可在降低水分的同時，保證稻谷的種用品質(zhì)及爆腰率增加值低于5%，適宜的干燥功率和干燥時間是保證稻谷干燥效果的主要條件。朱德文[12]通過微波干燥粳稻的試驗研究，證實了當?shù)竟任⒉ǜ稍锕β省?.2 W/g，溫度為50℃，平均失水率為0.1%/min時，可確保稻谷干燥后的品質(zhì)和較高的發(fā)芽率，并減少稻谷干燥的爆腰率和降低脂肪酸含量，便于稻谷長期貯藏。張習軍等人[13]研究了微波處理對粳稻品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，稻谷經(jīng)微波處理后，溫度呈線性上升，不同的微波處理條件對稻谷品質(zhì)的影響有差異，適宜的微波條件對碎米率、爆腰率影響較小。梁禮燕[14]對熱風和微波干燥粳稻的干燥特性進行了對比試驗研究。結(jié)果表明，微波功率越大，稻谷的爆腰率增大，發(fā)芽率和整精米率下降。相對連續(xù)微波干燥，間歇干燥明顯提高了稻谷干燥后的品質(zhì)。楊慧萍等人[15]以微波、熱風2種方式，在低溫45℃和高溫65℃恒溫干燥工藝條件下處理粳稻，并與自然風干對照組比較試驗。結(jié)果表明，低溫時微波和熱風干燥處理與自然風干對照組相比，改善了稻谷品質(zhì)。高溫時，微波和熱風干燥處理與自然風干對照組相比，稻谷品質(zhì)受損，不利于后期的貯藏及食用。上述研究者進行微波干燥研究采用的設(shè)備主要為微波爐或微波化學反應器或微波干燥實驗臺，這些試驗設(shè)備所能提供的微波功率較低、干燥稻谷量較少，與實際生產(chǎn)存在一定的差距。

鄭先哲，王磊，于潔等人[16-18]針對活性米在連續(xù)式微波干燥設(shè)備上進行了干燥深入研究，取得了較好效果。張斌等人[19]研究了不同微波有效功率下高水分稻谷的微波干燥特性，以及微波處理對稻谷加工品質(zhì)及微生物量的影響。結(jié)果表明，適宜的微波處理在保障高水分稻谷加工品質(zhì)的前提下，可顯著縮短干燥時間，并獲得高質(zhì)量的殺菌效果。劉雅婧等人[20]以熱風干燥法為對照，研究了微波干燥對高水分稻谷中脂肪酶、脂肪氧化酶和過氧化物酶活性的影響。結(jié)果表明，微波處理對稻谷脂肪酶、脂肪氧化酶和過氧化物酶的反應最適溫度和熱穩(wěn)定性、最適pH值和pH值穩(wěn)定性均有影響。雖然這些研究采用的是連續(xù)式微波干燥設(shè)備，但干燥方式不是間歇式的。通過大型連續(xù)式微波干燥設(shè)備進行間歇式的稻谷微波干燥未見公開報道，研究將在連續(xù)式微波干燥設(shè)備上進行間歇式的稻谷微波干燥特性試驗。

3 稻谷在連續(xù)式微波干燥設(shè)備上的“間歇式”干燥試驗研究

3.1 材料與方法

3.1.1 材料與設(shè)備

試驗用水稻品種為墾粳1501號品種，黑龍江八一農(nóng)墾大學農(nóng)學院提供。由于試驗是在非收獲季節(jié)進行的，因此所用水稻為較干燥的水稻。水稻在干燥試驗前要先進行除雜處理，然后進行噴濕處理，使水稻含水率達到收獲時的含水率。

隧道式微波干燥機，甘肅天水華圓制藥設(shè)備有限公司產(chǎn)品；電熱鼓風干燥箱，上海森信實驗儀器有限公司產(chǎn)品；水分分析儀，奧豪斯常州儀器有限公司產(chǎn)品；精密電子天平，普利塞斯上海天美天平儀器有限公司產(chǎn)品；便攜式紅外測溫儀等設(shè)備。

3.1.2 試驗因素水平的選取

采用單因素試驗方法，在排濕風速為1.45 m/s的條件下，選取微波強度（W/g）、每循環(huán)干燥時間（min）2個因素，每個影響因素選取5個水平值。微波強度分別取 2.08，2.98，3.97，4.97，5.87 W/g；每循環(huán)干燥時間分別取1.02，2.00，3.85，6.25，8.33 min，通過改變干燥機傳送帶速度來改變干燥時間。試驗微波功率5 kW，采用特制干燥盒稱取定量物料進行干燥。

3.1.3 試驗方法

固定每循環(huán)干燥時間、排濕風速不變，改變微波強度，研究微波強度對于稻谷干燥特性的影響；固定每微波強度、排濕風速不變，改變每循環(huán)干燥時間，研究每循環(huán)干燥時間對于稻谷干燥特性的影響。干燥試驗中采用間歇式的干燥方式（干燥與不干燥交替進行），可以更好地保證稻谷的干燥品質(zhì)。

3.1.4 試驗指標的測定

（1） 稻谷初始含水率的測定。采用105℃烘箱法進行干燥前物料初始含水率的測定，測定3次，取平均值。測得試驗稻谷的初始含水率約為25.97%。

（2）稻谷實時含水率的測定。以干燥過程中物料干物質(zhì)保持不變的原理為依據(jù)，通過測量每次干燥循環(huán)后的稻谷質(zhì)量，計算出稻谷實時含水率。

（3）物料溫度的測定。采用便攜式紅外測溫儀測定物料溫度，每循環(huán)干燥結(jié)束后從連續(xù)式微波干燥機出料口處測物料溫度，操作要規(guī)范迅速。采用測溫儀測定稻谷中層的中心和同一層面上離中心等距的周邊4個點的溫度，然后取平均值作為稻谷溫度。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 每循環(huán)干燥時間對稻谷干燥特性的影響

在風速1.45 m/s，微波強度2.98 W/g的不變條件下，選取每循環(huán)干燥時間分別為1.02，2.00，3.85，6.25，8.33 min進行循環(huán)干燥試驗。

不同每循環(huán)干燥時間下稻谷含水率變化曲線見圖1。

由圖1可知，在微波干燥過程中，稻谷含水率下降幅度隨著每循環(huán)干燥時間的增加而顯著增強。隨著每循環(huán)干燥時間的增加，干燥循環(huán)次數(shù)明顯減少。原因在于，隨著干燥時間的增加，使得微波輻照物料上的時間增加，熱量累積快速增加，水分蒸發(fā)加快。由圖1可知，當干燥時間為6.25 min時，干燥1次循環(huán)水分下降到約15.85%；干燥2次循環(huán)水分下降到約7.4%；當干燥時間為8.33 min時，干燥1次循環(huán)水分下降到約12.34%。可見，這2種干燥時間使物料水分下降過快，不利于保證稻谷原有的品質(zhì)。

不同每循環(huán)干燥時間下稻谷籽粒溫度的變化曲線見圖2。

圖1 不同每循環(huán)干燥時間下稻谷含水率變化曲線

圖2 不同每循環(huán)干燥時間下稻谷籽粒溫度的變化曲線

由圖2可知，在不同的每循環(huán)干燥時間下，稻谷籽粒溫度首先快速增加，然后緩慢增加，溫度變化基本可以分為快速上升階段和趨于穩(wěn)定階段。原因在于干燥初期，稻谷吸收微波能力強，溫度增加快；在干燥中后期，水分蒸發(fā)吸熱與稻谷吸收微波能產(chǎn)熱大致平衡，溫度趨于穩(wěn)定。不同每循環(huán)干燥時間對于溫度的變化幅度有差異性影響，干燥時間超過2.0 min時溫度升高較快，最高溫度變化幅度不超過5℃，最高溫度不超過61℃。總體溫度不算高的原因主要是采用“間歇式”的干燥方式，間歇階段稻谷水分得到一定的平衡，稻谷溫度有所下降，再進行干燥時溫度增加的幅度減小，因此總體稻谷最高溫度不算高，這有利于保持稻谷原有的品質(zhì)。

3.2.2 微波強度對稻谷干燥特性的影響

在風速1.45 m/s、每循環(huán)干燥時間為2.0 min的條件下，選取微波強度分別為2.08，2.98，3.97，4.97，5.87 W/g進行循環(huán)干燥試驗。

不同微波強度下稻谷含水率變化曲線見圖3。

圖3 不同微波強度下稻谷含水率變化曲線

由圖3可知，在微波干燥過程中，稻谷含水率下降幅度隨著微波強度的增加而增強，但是變化存在差異性。微波強度為2.08，2.98，3.97 W/g時降水幅度變化顯著；當微波強度增大到4.97，5.87 W/g時，降水幅度變化不顯著。原因主要在于，微波強度為2.08，2.98，3.97 W/g時干燥的稻谷量較多，吸收微波能力強，降水較快；當微波強度為4.97，5.87 W/g時干燥的稻谷量偏少，吸收微波能力較弱，降水變緩。

不同微波強度下稻谷籽粒溫度的變化曲線見圖4。

圖4 不同微波強度下稻谷籽粒溫度的變化曲線

由圖4可知，在不同微波強度下，稻谷籽粒溫度變化首先快速增加，然后緩慢增加。溫度變化也可分為快速上升階段和趨于穩(wěn)定階段。不同微波強度對于溫度的變化幅度有一定影響，但是差異性不顯著，最高溫度變化幅度不超過8℃，最高溫度不超過66℃。總體溫度變化的原因與圖2變化原因基本一致。

4 結(jié)論

（1）在連續(xù)式微波干燥設(shè)備上進行間歇式干燥稻谷是可行的。在微波干燥過程中，稻谷含水率下降幅度隨著每循環(huán)干燥時間的增加而顯著增強，稻谷含水率下降幅度隨著微波強度的增加而增強，但是變化存在差異性。

（2）在不同微波強度、不同每循環(huán)干燥時間條件下，稻谷籽粒溫度先是快速增加，然后是緩慢增加。溫度變化基本可以分為快速上升階段和趨于穩(wěn)定階段。不同微波強度、不同每循環(huán)干燥時間對于溫度的變化幅度有一定影響，但是存在差異性，物料最高溫度整體不算高，表明“間歇式”的微波干燥對于減緩稻谷干燥過程中的溫升具有積極作用，進而對于保證稻谷原有品質(zhì)有利。