基于玻璃化轉變的稻谷變溫熱風干燥工藝研究

鄭先哲 劉 輝 沈柳楊 王金武 王 磊 朱 勇

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

干燥是稻谷收獲后必要的處理環節[1]，目前稻谷干燥以熱風對流方式為主[2]，采用高熱風溫度是提高干燥效率的有效、易行方式，但熱風溫度選擇不當會引起稻谷產生大量的爆腰(裂紋),導致整精米率降低，進而破壞食味品質，嚴重影響大米營養和經濟價值[3]。

在稻谷熱風干燥過程中，顆粒水分向外擴散產生水分梯度，使其表層產生拉應力、內部產生壓應力，應力差超過極限強度時，產生裂紋[4-5]。干燥溫度不僅影響稻谷顆粒內應力分布，還會引起其力學特性的變化。稻谷可視為高分子聚合物，干燥時存在玻璃化轉變溫度[6]：當稻谷溫度低于玻璃化轉變溫度時，其內部淀粉以玻璃態形式存在，表現為質地密實、低彈性，水分擴散阻力大[7]；當稻谷溫度高于玻璃化轉變溫度時，內部淀粉則以橡膠態形式存在，具有高彈性，水分有效擴散系數高[8]，水分擴散能力強[9]。稻谷顆粒表層和中心處于不同狀態(玻璃態或橡膠態)，或者由玻璃態轉變為橡膠態后，其結構組織發生改變，彈性模量與體積模量顯著降低[10]，力學特性的變化影響裂紋形成[11]。稻谷干燥時所處玻璃態和橡膠態會隨含水率和溫度而轉變，是動態可逆的[12]。根據稻谷干燥時玻璃化溫度轉變規律，合理控制干燥溫度范圍，使稻谷處于玻璃態或橡膠態，能有效降低稻谷爆腰[13]。干燥時在保持熱風溫度不變的情況下，維持稻谷顆粒處于橡膠態，需要高溫熱風干燥條件，容易引起嚴重爆腰；而維持稻谷顆粒處于玻璃態，則需要低溫熱風干燥條件，會造成干燥效率下降[14]。變溫熱風干燥可降低稻谷爆腰率、改善干燥后品質[15]，但存在變溫轉換點不易確定、變溫方式依據不充分等問題。因此，基于稻谷玻璃化轉變規律的變溫干燥工藝適用性可提高，以緩解稻谷干燥效率與干燥后品質之間的矛盾。本文建立稻谷玻璃化轉變溫度與其含水率之間的關系，解析稻谷在干燥過程中玻璃化轉變溫度的變化規律；與不變溫度的熱風干燥工藝對比，分析稻谷變溫干燥工藝的特性；以提高干燥品質和效率為目標，優化稻谷熱風變溫干燥模式。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用稻谷品種為長粒型吉隆868，產自黑龍江省慶安縣，收獲于2018年10月。干燥試驗前，先對稻谷進行脫粒、去芒、除雜等處理。選用原始爆腰率較低(2.0%)、初始濕基含水率為24.4%的稻谷為試驗原料，用于稻谷熱風干燥試驗。

1.2 試驗設備

1.2.1熱風干燥設備

在自行設計的試驗臺上(圖1)進行稻谷熱風干燥試驗。本試驗臺主要由干燥裝置、熱風輸送裝置和支架組成，干燥裝置主要由載料網板、分流板以及干燥腔組成，載料板尺寸(長×寬)1 500 mm×400 mm；熱風輸送裝置主要由控制面板、離心風機以及送風管道組成；為實時監測熱風風速和溫度，在送風管道處安裝有風速與風溫傳感器。同時可利用手持式LCD紅外測溫儀測定稻谷干燥過程中料層溫度。熱風干燥試驗前，將稻谷以5～6 mm的厚度均勻平鋪在載料網板上。

圖1 稻谷熱風干燥試驗臺結構示意圖Fig.1 Schematic of hot-air drying test-bed for paddy1.卸料口 2.載料網板 3.分流板 4.干燥腔 5.風速與風溫傳感器 6.送風管道 7、8.支架 9.控制面板 10.離心風機 11.手持式LCD紅外測溫儀

1.2.2其他儀器設備

Q2000型差示掃描量熱儀(DSC)，美國TA公司；PQ510型Kett(凱特)米麥單粒水分計，日本金子農機株式會社；DHG 9053A 型電熱鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；FZ-102型微型植物試樣粉碎機，天津泰斯特儀器有限公司；ARRW60型電子精密天平(精度0.01 g)，上海奧豪斯公司；AB204-S型電子分析天平(精度0.000 1 g)，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；563型點陣LCD紅外測溫儀，上海世祿儀器有限公司；快速水分測定儀，日本金子農機株式會社；JLGJ-45型電動礱谷機，浙江新恩儀器有限公司；Kett(凱特)Pearlest實驗用小型精米機，日本金子農機株式會社。

1.3 熱風干燥過程數值模擬

為探究稻谷在恒溫和變溫熱風干燥過程中溫度與水分變化規律，運用多物理場耦合分析軟件COMSOL Multiphysics模擬解析干燥過程中熱風與稻谷間的傳熱傳質規律。

1.3.1幾何模型與稻谷熱特性參數

在COMSOL Multiphysics軟件中，根據干燥設備及稻谷籽粒的尺寸參數，構建干燥腔及料層幾何模型并進行網格剖分，其二維瞬態模擬計算的網格剖分局部示意圖如圖2所示。模型求解所需的材料屬性包括稻谷和介質(空氣)的熱特性參數，由文獻[16]和自行試驗測定(表1)，其他材料參數從軟件自帶的材料庫中選取。

圖2 網格剖分局部示意圖Fig.2 Local sketch of mesh partition

表1 稻谷和空氣的熱特性參數
Tab.1 Thermal property parameters of paddy and air

名稱密度/(kg·m-3)比熱容/(J·kg-1·K-1)導熱系數/(W·m-1·K-1)稻谷115017500.112水 99841820.590空氣1.20511060.025

1.3.2模型假設

為避免數值時空域離散化[17]引起的計算誤差，同時考慮模型結果精度，減少計算求解時間，對求解的模型進行以下必要的假設：干燥腔室外壁為熱絕緣材料，熱風攜帶熱量僅從進風口流入，載料網板出風口流出；稻谷層是由水、空氣和多孔基體(稻谷外殼、胚和胚乳)組成的多孔介質；稻谷為各向同性材料，樣品的初始溫度和水分分布均勻；因熱傳導方程在恒溫條件下求解，故假設密度、比熱容等熱特性參數不隨溫度變化；不考慮稻谷干燥過程中的化學反應。

1.3.3控制方程

稻谷在熱風干燥過程中，熱量以對流的形式從加熱介質中傳遞至稻谷表面，后以熱傳導的形式繼續傳遞至稻谷內部，傳熱控制方程為

(1)

式中Cp——稻谷比熱容，J/(kg·K)

Q——稻谷水分蒸發熱源項，W/m2

ρ——稻谷密度，kg/m3

k——稻谷導熱系數，W/(m·K)

T——加熱時稻谷實時溫度，℃

t——干燥時間，s

在干燥過程ρ、Cp和k可視為定值，式(1)可轉換為直角坐標系下二維瞬態導熱微分方程

(2)

式中x、y——x、y軸坐標值

依據物料中液態水減少量等于介質空氣中水分增加量的守恒關系，計算干燥過程中蒸發到空氣中水分量，則稻谷內水分蒸發速率計算公式為

mevap=kl(awcsat-cv)

(3)

式中mevap——水分蒸發速率，mol/(m3·s)

kl——蒸發率，s-1

aw——水分活度

csat——飽和條件下蒸汽濃度，mol/m3

cv——環境空氣中蒸汽濃度，mol/m3

干燥過程中稻谷內水分蒸發的熱源來自熱介質，因此水分蒸發所需的熱量作為熱源項[18]代入式(2)中，熱源項的計算公式為

Q=-Hvapmevap

(4)

式中Hvap——水分蒸發摩爾潛熱，J/mol

初始條件：t=0，T=T0，T0為環境溫度，取18℃。

邊界條件為

(5)

式中ht——對流傳熱系數，W/(m2·K)

n——向量法向方向

Te——熱空氣溫度，℃

干燥過程中稻谷的傳質方程為

(6)

式中c——稻谷水分濃度，mol/m3

Deff——水分有效擴散系數，m2/s

干燥過程中稻谷內水的液相速度較小，可根據氣相壓力梯度定義的達西定律，計算水流速度u1，計算公式為

(7)

式中kr1——液相滲透率，m2

μ1——液相動力粘度，Pa·s

pg——氣相壓力梯度，Pa

干燥中稻谷內部水分濃度的求解方程為

(8)

式中N——水分傳遞方向的流量，kg/(m2·s)

R——蒸發速率，kg/(m3·s)

初始條件：t=0，c=c0，c0為稻谷初始水分濃度14 575.2 mol/m3(對應含水率為22.0%(濕基))。

邊界條件為

(9)

(10)

式中hm——對流傳質系數，m/s

ce——稻谷平衡水分濃度，mol/m3

d——稻谷層等效厚度，mm

Sh——舍伍德數

1.3.4模型求解

在COMSOL Multiphysics軟件中，選取流體傳熱模塊、湍流模塊和結構力學模塊，求解上述瞬態傳熱傳質方程，求解過程中首先進行網格驗證確定網格大小，二維瞬態求解網格由85 704個三角形邊界單元、4 573個邊元素和308個定點元素組成。時間步長設置為60 s，在戴爾7810計算機工作站上(Windows 10 64位操作系統、運行內存64 GB)進行模擬運算，整個求解時間約10 min。

1.4 試驗方法

通過分析稻谷玻璃化轉變溫度，優化稻谷恒溫干燥最佳工藝參數，在此基礎上進行稻谷變溫干燥試驗。

1.4.1稻谷玻璃化轉變溫度測定

從稻谷原料中隨機選取500 g，放入電熱鼓風干燥箱內，設定熱風干燥溫度45℃、風速1.2 m/s，每間隔10 min取一次樣，將取出的稻谷用米麥單粒水分計測量含水率，然后將其粉碎放入冰箱內冷藏(2～4℃)待用。分別選取不同濕基含水率水平(24.4%、18.5%、17.8%、11.5%、10.1%、8.8%和6.2 %)的稻谷粉末，利用差示掃描量熱儀(DSC)測量稻谷玻璃化轉變溫度。根據文獻[19]方法，首先對DSC進行溫度和靈敏度校準。然后精確稱量5～10 mg樣品密封于坩堝內，放于DSC樣品池中，以空坩堝作對照。載氣為50 mL/min 高純氮氣，采用液氮冷卻樣品。利用 DSC 自帶軟件控制升溫速度為10℃/min，升溫范圍由-10℃升溫至100℃，得到初始(Tgi)、中點(Tgm)和終點(Tge)的玻璃化轉變溫度，樣品玻璃化轉變溫度取其中點值Tgm。每次試驗重復3次，并對試驗后數據進行統計分析，以研究稻谷不同含水率下所對應的玻璃化轉變溫度。

1.4.2稻谷恒溫熱風干燥試驗

在恒溫熱風干燥試驗前，將質量3 500 g稻谷均勻平鋪在載料網板上。在前期單因素試驗基礎上，選取稻谷溫度、初始含水率、熱風風速為試驗因素，以干燥時間、爆腰指數和整精米率為評價指標，采用三因素五水平中心組合試驗方案進行稻谷恒溫熱風干燥試驗。其中，干燥時間是指稻谷由初始含水率達到安全含水率(14.0%～14.5%)時所需時間。將干燥后的稻谷取樣，密封在塑料袋中，并在室溫((22±2)℃)貯藏48 h后，利用自制爆腰燈觀察和統計爆腰稻谷顆粒的數量。試驗因素與水平編碼如表2所示。

表2 三因素五水平中心組合試驗因素編碼Tab.2 Factor coding for three-factor and five-level center combination test

1.4.3稻谷變溫熱風干燥試驗

為研究變溫對稻谷干燥后品質的影響，在稻谷恒溫熱風干燥試驗優化得到的最佳工藝參數基礎上，固定熱風風速和稻谷初始含水率，僅改變稻谷溫度進行變溫熱風干燥試驗。其中，稻谷變溫干燥工藝的整體溫度變化范圍為30～60℃，升溫幅度分別為5、10、15℃，此外，每個溫度狀態下的干燥時間，由稻谷玻璃化轉變溫度擬合曲線圖來確定，以確保稻谷始終處于橡膠態，在干燥過程中對樣品每10 min取樣，用快速水分測量儀測量其含水率，直至達到安全貯藏含水率(14.0%～14.5%)。為確保干燥過程中稻谷始終處于橡膠態，初始干燥溫度以30℃為基礎，然后分別以5、10、15℃的升溫幅度進行變溫，使初始干燥溫度為35、40、45℃。當相鄰兩個溫度狀態所對應的含水率差值變為初始差值的10%時，則以相應的升溫幅度升高到下一個溫度狀態，以確保稻谷處于橡膠態下干燥。

1.5 指標測定與計算

1.5.1含水率

根據GB/T 14489.1—2008《油料水分及揮發物含量測定》測定稻谷含水率，通過人工調濕法[20]獲得不同初始含水率物料，為防止調濕過程對稻谷爆腰率的影響，在每段調濕后，將調濕樣品放置于人工氣候箱內，使稻谷充分均勻吸收水分。

1.5.2干燥速率

干燥速率的計算方法為

(11)

式中v——干燥速率，%/min

Mi——干燥前稻谷初始含水率，%

Mt——干燥t時刻稻谷含水率，%

1.5.3干燥時間

稻谷均勻鋪放在載料網板上，各項干燥條件穩定后開始計時，當稻谷含水率為14.0%～14.5%時，所用時間t為稻谷干燥時間。

1.5.4爆腰指數

爆腰指數[13](Stress cracking index，SCI)是用來評價稻谷干燥后爆腰狀態的品質指標。稻谷爆腰一般發生在兩個階段：第1階段是在稻谷成熟后對其進行收獲，收獲后的稻谷會產生爆腰現象，此時的爆腰指數為原始爆腰指數；第2階段是在稻谷干燥48 h后。在100粒樣品中將不同裂紋條數的稻谷進行分類，記為A、B、C(試驗重復3次)，計算爆腰指數公式為

SCI=5A+3B+C

(12)

式中A——裂紋條數大于2的稻谷顆粒數量

B——裂紋條數為2的稻谷顆粒數量

C——裂紋條數為1的稻谷顆粒數量

SCI——爆腰指數

1.5.5整精米率

整精米率的測定根據GB/T 21719—2008《稻谷整精米率檢驗法》進行測定，計算公式為

(13)

式中H——整精米率，%

m0——稻谷試樣質量，g

m——整精米質量，g

1.6 數據處理

利用SPSS軟件對試驗數據進行統計分析；采用Origin軟件對試驗數據繪圖；運用Design-Expert軟件進行三因素五水平中心組合試驗設計與結果分析。

2 結果與分析

2.1 稻谷玻璃化轉變溫度確定

2.1.1稻谷玻璃態與橡膠態分析

稻谷在干燥過程中會發生玻璃化轉變，低溫狀態下由于稻谷內直鏈淀粉和支鏈淀粉合聚物鏈的分子運動有限，淀粉以玻璃態形式存在，溫度升高使淀粉分子在一定范圍運動，以橡膠態形式存在。同一溫度時，稻谷顆粒內淀粉狀態形式與含水率有關，如圖3所示。溫度相同時含水率越高越趨于橡膠態。在恒溫干燥過程中稻谷顆粒的表層和內部含水率不同，表層含水率低表現為玻璃態，稻谷顆粒中心處含水率高表現為橡膠態，因此在稻谷顆粒的表面與中心產生拉伸和壓縮應力，當拉壓應力大于稻谷抗拉極限強度時產生裂紋；當稻谷顆粒始終處于其中一種狀態時，不會因為狀態不同而產生拉壓應力，因此在干燥過程中使稻谷始終處于一種狀態，可有效防止裂紋產生；稻谷在橡膠狀態時，水分擴散系數高，不易形成較大的水分梯度，濕應力小，裂紋生成少。

圖3 稻谷玻璃化轉變溫度擬合曲線Fig.3 Fitting curve of glass transition temperature for paddy

2.1.2稻谷玻璃化轉變溫度曲線

稻谷玻璃化轉變溫度擬合直線及方程如圖3所示，圖中以表征玻璃化轉變溫度的直線為界線，“橡膠態”表示界線上方所對應的溫度和水分使稻谷物料處于橡膠態的區域；“玻璃態”表示界線下方的溫度和水分使稻谷處于玻璃態的區域。含水率由24.0%降低到14.5%，玻璃化轉變溫度由22℃上升到50℃，稻谷玻璃化轉變溫度與其含水率呈線性負相關，主要原因是水分對高分子食品材料中非晶態高聚物有增塑效應[21]。如圖3所示，E點對應的含水率為19.5%，對應的玻璃化轉變溫度為35℃，稻谷初始含水率越高，所對應的玻璃化轉變溫度越低。為確保稻谷在干燥過程中始終處于橡膠態，稻谷干燥溫度應始終比其含水率對應的溫度高，直至達到安全貯藏含水率。且不同品種的水稻其玻璃化轉變溫度存在較小差異[22]，均隨含水率的升高而降低。

2.2 稻谷恒溫熱風干燥試驗

稻谷恒溫熱風干燥試驗方案及結果如表3所示，其中X1、X2、X3分別表示稻谷溫度、稻谷初始含水率、熱風風速的編碼值。

2.2.1模型建立與方差分析

對表3中的試驗結果進行方差分析，結果如表4所示。

(1)干燥時間回歸模型

根據表4可知，在顯著性水平α=0.05的條件下，稻谷干燥時間的二次回歸模型極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項為0.317 7，表現不顯著，回歸方程的決定系數R2=0.979 0，說明回歸方程的預測值與實際值擬合良好。剔除不顯著項后所得回歸方程為

Y1=189.80-69.22X1+45.43X2- (14)

(2) 爆腰指數回歸模型

根據表4可知，在顯著性水平α=0.05的條件下，稻谷爆腰指數的二次回歸模型極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項為0.469 9，表現不顯著，回歸方程的決定系數R2=0.942 0，說明回歸方程的預測值與實際值擬合良好。剔除不顯著項后得到的回歸方程為

(15)

(3) 整精米率回歸模型

根據表4可知，在顯著性水平α=0.05的條件下，稻谷整精米率的二次回歸模型極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項為0.548 0，表現不顯著，回歸方程的決定系數R2=0.980 1，說明回歸方程的預測值與實際值擬合良好。剔除不顯著項后得到的回歸方程為

(16)

2.2.2稻谷恒溫熱風干燥工藝優化

為獲得稻谷恒溫熱風干燥最優工藝參數，運用Design-Expert軟件中的優化方法，按照低干燥時間、低爆腰指數、高整精米率的目標進行優化，各工藝參數的范圍選取、數據分析、結果驗證如表5所示。

表4 方差分析Tab.4 Results of variance analysis

注：P<0.01為極顯著，P<0.05為顯著。

由表5可知，恒溫熱風干燥工藝優化后的因素為稻谷溫度47℃、初始含水率22.1%、熱風風速0.52 m/s，響應值為爆腰指數64.1、干燥時間185 min、整精米率59.45%。經試驗驗證，干燥時間、爆腰指數和整精米率的驗證值與優化值之間的相對誤差分別為5.42%、9.20%和3.00%。由此可知預測值與試驗值相符合，回歸模型能夠較好地表征恒溫熱風干燥過程。

表5 稻谷恒溫熱風干燥工藝參數優化與驗證Tab.5 Optimization and verification of technological parameters for paddy by hot-air drying at constant temperature

2.3 稻谷干燥過程溫度和水分變化分析

2.3.1恒溫干燥過程中溫度變化規律分析

在熱風對流干燥過程中，稻谷溫度由初始溫度逐漸上升，接近熱介質溫度，圖4為不同熱風溫度干燥下稻谷溫度變化曲線。隨干燥時間增加稻谷在0～5 min內溫度上升顯著，且熱風溫度越高稻谷升溫速率越顯著，5～10 min內溫度上升慢，稻谷在0～10 min內試驗值與模擬值相差較大，后期相差較小。這是由于稻谷在升溫初期，水分蒸發以稻殼內水分為主，蒸發較快，實際物料參數與模擬假設參數存在差異；10 min后接近熱風溫度，因為部分熱量用于水分蒸發，稻谷溫度低于熱風溫度。稻谷在熱風干燥過程中，相對于干燥時間(本試驗為100～420 min)，稻谷內部溫度梯度存在時間短(2～3 min)，主要為傳質過程并影響稻谷干后品質。圖5為稻谷在不同熱風溫度(35、40、45、50、55、60℃)和不同干燥時間(t=2、4 min)下的溫度分布。在不同熱風溫度條件下，干燥時間2 min時，45℃和50℃的熱風溫度對稻谷內部溫度梯度影響不顯著(稻谷內外部溫差較小)，稻谷溫度達到均勻狀態。在干燥時間4 min時，不同熱風溫度均對稻谷內部溫度梯度影響不顯著，稻谷溫度達到均勻狀態。

圖4 稻谷溫度變化曲線Fig.4 Changing curves of temperature of paddy

圖5 稻谷顆粒及料層在不同熱風溫度和干燥時間下的溫度分布規律Fig.5 Temperature distribution of kernel and material layer of paddy at different hot-air temperature and drying time

2.3.2不同變溫幅度下稻谷水分分布規律分析

不同溫度變化幅度下，稻谷顆粒內及料層上在不同干燥時間(t=40、80、120、160 min)水分分布如圖6所示,熱風對流干燥時，稻谷的水分傳遞與溫度傳遞方向相反，由內部向表層傳遞，水分梯度是稻谷內水分傳遞的主要驅動力。為保證稻谷在干燥過程中始終處于橡膠態，可采用高溫和逐步升溫兩種熱風干燥方式，但初始溫度高，產生的水分梯度大，導致爆腰增加。如圖6、7所示，在干燥時間40 min時，相比較于初始干燥溫度35℃，干燥溫度45℃形成的稻谷內水分梯度顯著；不同變溫幅度下，相同干燥時間，稻谷水分梯度不同，其中變溫幅度15℃時稻谷水分梯度最大，沿著圖3中玻璃化轉變溫度曲線，提出變溫模式，稻谷顆粒內水分梯度最小，且料層橫向水分梯度小于縱向。在干燥時間t=120 min時，變溫幅度5、10、15℃和依據玻璃化轉變溫度曲線(圖3)變溫模式下，稻谷平均含水率為16.7%、15.2%、14.4%和17.5%，可知以5℃為變溫幅度時最接近沿稻谷玻璃化轉變溫度曲線變溫模式。

2.4 稻谷變溫熱風干燥試驗

2.4.1稻谷變溫熱風干燥特性分析

圖6 不同變溫幅度下稻谷水分分布規律Fig.6 Moisture distributions of paddy under different temperature changes

圖7 稻谷溫度變化與變溫干燥特性曲線Fig.7 Changes of temperature and drying curves of paddy

稻谷在不同溫度變化幅度干燥下的水分和溫度變化，如圖7所示，含水率呈逐漸下降趨勢，其溫度變化轉換點由稻谷玻璃化轉變溫度擬合曲線來確定，為確保稻谷始終保持在橡膠態下進行干燥，稻谷干燥時，初始溫度則比30℃升高5、10、15℃的溫度變化幅度。當風速為0.5 m/s、稻谷初始含水率22%、溫度變化幅度為5℃時，所需干燥時間最長(165 min)，而溫度變化幅度為15℃所需干燥時間最短(125 min)。在熱風對流干燥過程中，稻谷顆粒主要以對流、熱傳導等方式進行傳熱，稻谷與干燥介質存在溫差而吸熱，并向內部傳導，促使其內部水分蒸發[7]，變化幅度越大，干燥初期溫度越高，稻谷顆粒從外向內的水分梯度差動力大，與圖6模擬結果一致，整體水分蒸發快。這主要是因為在干燥初期，干燥過程中蒸發的主要是非結合水以及稻殼內的水分，此時稻谷表層水分擴散及蒸發較快。

圖8 稻谷在不同變溫梯度干燥下的干燥速率曲線Fig.8 Drying rate curves of paddy under different drying conditions with different temperature gradients

稻谷在不同變溫幅度下干燥速率曲線如圖8所示，稻谷在整個過程中干燥速率曲線趨勢不斷變化。在稻谷含水率大于20%時，稻谷的干燥速率快速上升，這與稻谷的水分快速散失有關；在含水率15%～19%時，基本平穩在一個恒速水平，在干燥后期都有小幅降低趨勢。因此稻谷干燥過程可分為升速、降速和恒速3個干燥階段；在干燥中以15℃為變溫幅度時，稻谷初始干燥溫度為45℃，干燥速率上升最快；以5℃為變溫幅度時，稻谷初始干燥溫度為35℃，干燥速率上升最慢，每個溫度狀態維持時間如圖7所示。恒速干燥階段干燥速率相差較小，主要是因為稻谷干燥過程中籽粒體多層結構的水分蒸發、擴散，稻谷在干燥初期首先去除稻殼中的水分和非結合水，水分由內部向表面擴散，蒸發較快，隨含水率降低內部水分擴散阻力增大，干燥速率降低[23]，隨后溫度隨之變化以確保稻谷始終處于橡膠狀態下進行干燥，水分擴散系數高，擴散速率較快，干燥速率維持在相對較高水平。

2.4.2稻谷變溫干燥工藝對各指標的影響分析

(1)對稻谷爆腰指數的影響

稻谷在變溫幅度5、10、15℃和恒溫47℃的干燥工藝條件下，爆腰指數分別為50、60、82和70。隨變溫幅度的增加，稻谷爆腰指數增大，以5℃和10℃為變溫幅度的變溫干燥工藝比恒溫47℃干燥條件下的稻谷爆腰指數低10～20，以5℃為變溫幅度時，稻谷爆腰指數降低顯著。這主要是因為稻谷初始干燥溫度低，形成的水分梯度小，干燥過程中始終處于橡膠態，相同水分梯度下產生的應力小(圖9)，進而對爆腰指數的減小產生重要作用。

圖9 不同狀態下稻谷干后應力分布規律Fig.9 Stress distributions of paddy after drying under different conditions

稻谷在干燥過程中會發生玻璃化轉變，不同狀態下稻谷的彈性模量與體積模量會發生較大變化，稻谷處于玻璃態時，彈性模量與體積模量分別為400 MPa和300 MPa，當稻谷處于橡膠態時彈性模量與體積模量為5×10-3MPa和2×10-2MPa[21]。稻谷在不同狀態，含水率由22.0%降至15.2%時，應力分布如圖9所示。稻谷處于玻璃態時顆粒內部應力顯著高于橡膠態，但不同狀態下應力分布相似，多集中于中心處，沿短半軸方向大于長半軸方向。

(2)對稻谷干燥時間的影響

稻谷在變溫幅度5、10、15℃和恒溫47℃的干燥工藝條件下，達到安全貯藏含水率14.5%所需時間分別為165、135、122、195 min。隨變溫幅度的增加，稻谷干燥所需時間顯著降低，當以15℃為變溫幅度時，稻谷所用時間顯著低于47℃恒溫熱風干燥時所用時間。這主要是因為初始干燥溫度較高，去水能力強，后期隨溫度的升高保證了干燥速率。在稻谷變溫干燥工藝中，溫度轉換時間點是由稻谷玻璃化轉變溫度擬合曲線所確定。干燥溫度隨含水率的降低逐步升高，可為稻谷干燥提供足夠的熱，提高干燥過程總效率，降低能耗[24]。整個熱風干燥過程確保稻谷始終處于橡膠態下進行，此時稻谷表現為高彈態力學特性，彈性模量與體積模量較小，水分擴散系數大，液態水在稻谷顆粒內流動性較強[25]，因此，水分能快速從稻谷顆粒內部擴散到表面。

(3)對稻谷整精米率的影響

稻谷在變溫幅度5、10、15℃和恒溫47℃的干燥工藝條件下，整精米率分別為70.27%、65.37%、48.56%和57.67%。在變溫干燥工藝下稻谷整精米率顯著提高，以5℃和10℃為變溫幅度干燥后，稻谷整精米率顯著高于稻谷在47℃恒溫干燥工藝參數下干燥后的整精米率，分別高出12.6、7.7個百分點。主要是因為稻谷處于橡膠態進行干燥時，稻谷顆粒內部形成的水分梯度小[26]，產生的應力小(圖9)，降低爆腰產生，保證了后期碾米的整精米率。在5℃變溫幅度下稻谷有最低的爆腰指數和最高的整精米率，分別為50和70.27%，在此干燥工藝條件下達到安全貯藏含水率所用干燥時間為165 min，以47℃恒溫干燥所需干燥時間為195 min。

在稻谷恒溫干燥過程中，為確保干燥效率，可提高熱風溫度，但連續的高溫干燥，易導致稻谷爆腰、品質下降，食味品質劣變[25]；低恒溫干燥能有效保證稻谷干后品質，但干燥效率降低，成本增加[14]。研究結果表明，依據稻谷玻璃化轉變曲線，確定以5、10℃為變溫幅度的變溫干燥工藝，其稻谷干后品質優于47℃恒溫熱風干燥的品質，減少干燥時間；含水率較高時，采用低溫干燥，隨含水率的降低，干燥溫度升高可有效降低干燥成本與能量消耗[27-28]；稻谷初始含水率越高，其允許受熱的極限溫度越低[29]，以5℃為變溫幅度時，稻谷最高溫度為50℃，此時稻谷含水率為14.3%～16.0%；低于稻谷含水率16.0%時所能允許受熱極限溫度60℃，能保證較好的食味品質[1]。

3 結論

(1)依據稻谷玻璃化溫度轉變曲線，提出以5、10℃為熱風變溫幅度的稻谷變溫干燥工藝，可以提高干燥效率、降低干燥裂紋，保證稻谷干燥后品質；優化得到稻谷恒溫干燥工藝參數為溫度47℃、初始含水率22.0%、熱風風速0.50 m/s，干后稻谷爆腰指數為70、整精米率為57.67%。

(2)稻谷在變溫干燥過程中會發生玻璃化轉變，稻谷處于橡膠態，可有效降低稻谷顆粒內部水分梯度，降低濕應力，減少裂紋的產生；稻谷在橡膠態下具有較高的水分擴散能力，達到安全貯藏水分時所需干燥時間少，可在提高干燥效率的同時改善稻谷干燥后品質。